基于低损耗可变光谱均衡器的C+L波段长距离传输中继器实验研究

《IEEE Photonics Technology Letters》：Long-Haul C+L-Band Transmission with Inline Repeater Employing Low-Loss Variable-Spectrum Equalizers

本刊推荐：为解决C+L波段波分复用(WDM)传输中由掺铒光纤放大器(EDFA)增益倾斜和信道间受激拉曼散射(SRS)引起的光谱失真问题，研究人员开展了采用低损耗可变光谱均衡器(LLVSE)的在线中继器实验研究。通过循环传输实验证明，在640/1120/1600公里传输距离下分别实现74.9/67.0/59.2 Tbps总净比特率，单信道速率超1 Tbps（至1120公里）。该研究为多波段WDM系统提供了一种低成本、低插损的频谱均衡解决方案。

　　

随着数据流量爆炸式增长，多波段波分复用(WDM)传输技术因其能充分利用现有光纤链路带宽资源而备受关注。特别是在C+L波段传输系统中，当信号带宽接近10 THz时，石英光纤的拉曼增益系数在13-14 THz频率偏移处达到峰值，导致信道间受激拉曼散射(SRS)效应显著增强。这种非线性效应会引起短波长信道向长波长信道的功率转移，使得光放大器的放大自发辐射(ASE)和非线性干扰(NLI)的影响呈现波长依赖性，从而限制系统传输距离和吞吐量。

传统解决方案主要依赖波长选择开关(WSS)在光交叉连接(OXC)节点进行光谱均衡，但OXC节点通常间隔多个跨段布置，导致子优化形状的WDM信号在节点间传播，无法完全消除波长相关损伤的影响。虽然在中继站点增加光谱均衡能提升系统性能，但WSS的高成本和高插入损耗使其难以在实际系统中大规模部署。

针对这一技术瓶颈，NTT研究所团队提出基于平面光波电路(PLC)技术的低损耗可变光谱均衡器(LLVSE)。该器件采用晶格结构滤波器设计，在均衡操作外仅引入约2 dB的低插入损耗，无需额外EDFA进行补偿。虽然LLVSE提供的均衡轮廓比WSS简单，但其低成本特性使得在中继站点实现可变均衡成为可能，能够适应不同跨段的特性差异，如包含SRS的光纤跨段损耗和EDFA增益分布。

研究团队通过C+L波段循环传输实验验证LLVSE的均衡能力。实验设置中，在线中继器结合EDFA和LLVSE，循环环路内仅由LLVSE负责光谱均衡。80公里G.652.D光纤作为传输光纤，通过优化计算确定C波段和L波段入纤功率分别为18.4 dBm和17.1 dBm，该优化考虑了SRS、ASE和NLI的波长相关累积以及收发器特性。

关键技术方法包括：采用电谱合成技术和磷化铟双异质结双极晶体管带宽倍增器产生144 Gbaud奈奎斯特脉冲成形信号；使用概率星座整形(PCS)-64QAM调制格式，熵值为5.053 bit/2D符号；通过数字逆复用技术校准高频不平衡和串扰；采用频域8×2 MIMO自适应均衡器结合基于导频的数字锁相环进行线性响应补偿；应用速率自适应编码和DVB-S2低密度奇偶校验码家族，外码采用码率0.9922的BCH硬判决前向纠错(FEC)码。

实验结果分析

光谱演化特性显示，在未均衡情况下，C波段低波长区域功率在11次循环(880公里)后下降约30 dB，而L波段失真相对较小。采用LLVSE均衡后，即使经过21次循环(1680公里)，C+L波段光谱失真仍控制在约±5 dB范围内。LLVSE通过调节相移器电功率生成均衡轮廓，C波段和L波段分别采用不同的优化配置。

传输性能方面，净比特率随传输距离增加波动加剧，但在1120公里内所有60个信道均超过1 Tbps。640公里、1120公里和1600公里传输后总净比特率分别达到74.9 Tbps、67.0 Tbps和59.2 Tbps。功率失真波长处的净比特率下降主要归因于ASE影响增强。

性能对比评估

实验测量与理论计算信噪比(SNR)对比显示，随着传输距离增加，两者差异逐渐扩大。640公里、1120公里和1600公里处的均方根误差分别为0.31 dB、0.55 dB和0.95 dB，绝对最大误差分别为0.88 dB、1.02 dB和2.20 dB。在实际直线传输中，由于非均匀光谱失真沿光纤链路累积，残余失真影响预计更小，即使在1600公里处SNR影响也低于2.2 dB。

本研究证实了LLVSE在长距离传输中的有效均衡能力，为多波段WDM系统提供了一种经济可行的频谱管理方案。通过在中继站点实现可变光谱均衡，无需额外EDFA和WSS即可实现接近最优的入纤功率谱，显著提升了系统性能与成本效益的平衡。该研究成果对推动超高速大容量光通信系统发展具有重要实践意义，为未来太比特级单信道传输系统商用化奠定了技术基础。论文发表于《IEEE Photonics Technology Letters》，展示了光子器件技术创新在解决光纤通信系统关键挑战中的核心价值。