肖禮 付成鵬 張蔚青 卜勤練

(武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引言

光纖的可用帶寬資源非常豐富，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)(ITU-T)將單模光纖在1260 nm以上的頻帶劃分為O、E、S、C、L、U等波段[1-3]。常規(guī)C波段(CBand)由于損耗最低，而且與摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)高增益頻段完美重合，成為二十多年來(lái)長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)選頻段[4]。由于長(zhǎng)距離光傳輸必須要對(duì)光纖傳輸產(chǎn)生的信號(hào)光功率損耗進(jìn)行寬譜功率放大和補(bǔ)償，所以光纖可用光學(xué)帶寬拓展的核心在于寬譜光放大器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本文分析在常規(guī)CBand基礎(chǔ)上拓展寬譜光放大器頻譜的幾種方案，包括性能、成本、形態(tài)以及目前的技術(shù)可行性，并對(duì)未來(lái)技術(shù)的演進(jìn)方向進(jìn)行探討。

1 光纖放大器不同工作頻段的定義

光傳輸系統(tǒng)的工作頻段基本上圍繞不同產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段最優(yōu)性價(jià)比的寬譜EDFA工作范圍進(jìn)行定義。ITU-T G.692將常規(guī)C波段4 THz光學(xué)帶寬定義在192.10～196.10 THz(1528.77～1560.61 nm)范圍內(nèi)[3]。相干光通信技術(shù)普及后，光互聯(lián)論壇(Optical Interconnection Forum，OIF)對(duì)集成可調(diào)諧激光器組件執(zhí)行協(xié)議的工作頻段提出建議[5]，逐漸引入拓展C波段(Extended CBand，ECBand)的概念，各廠家據(jù)此選取適合的頻率范圍，多為191.35～196.15 THz(1528.38～1566.72 nm)范圍附近的4.8 T的帶寬，使得光纖可用光纖帶寬提高了20%，目前已經(jīng)成為新部署光纖鏈路的典型覆蓋波段。相應(yīng)地，拓展L波段(Extended LBand，ELBand)的選擇覆蓋了與拓展C波段對(duì)稱的4.8 T范圍，即186.05～190.85 THz(1570.83～1611.35 nm)。其中，考慮到目前仍不存在有效的通過同一EDFA放大光路對(duì)C波段和L波段同時(shí)均衡放大的技術(shù)手段，C波段和L波段之間存在帶隙，以通過波長(zhǎng)復(fù)用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)實(shí)現(xiàn)將C波段和L波段EDFA并聯(lián)起來(lái)。近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)界推動(dòng)超級(jí)C波段(Super CBand，SCBand)來(lái)替代拓展C波段，工作定義為190.70～196.70 THz(1524.11～1572.06 nm)，它使得單個(gè)放大器覆蓋的光纖帶寬相對(duì)于ECBand提高了25%。由于SCBand的長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍占用了部分L波段頻譜，與之匹配L波段需要進(jìn)一步向長(zhǎng)波長(zhǎng)偏移，形成偏移拓展L波段(Shifted ELBand)，長(zhǎng)波長(zhǎng)可覆蓋目前EDFA技術(shù)可覆蓋的寬度范圍185.40～190.40 THz(1574.54～1617.00 nm)。未來(lái)，為了構(gòu)建對(duì)稱的6 THz + 6 THz可用光纖帶寬系統(tǒng)，要將L波段的頻譜拓展至184.40～190.40 THz(1574.54～1625.77nm)范圍的超級(jí)L波段。不同方案的光纖傳輸頻譜圖總結(jié)如圖1所示，不同廠家或標(biāo)準(zhǔn)定義的工作頻譜左右略有偏移，大體保持一致。典型摻鉺光纖的輻射效率譜也在圖中示意，考慮到光纖放大器多采用波長(zhǎng)作為工作范圍定義方式，圖中采用以nm為單位的真空波長(zhǎng)作為橫軸。

圖1 光纖傳輸頻段譜圖及摻鉺光纖輻射系數(shù)

2 寬譜EDFA的主要參數(shù)和增益譜拓展的難度

EDFA的核心參數(shù)包括：增益，即通過EDFA的信號(hào)所獲得的功率放大倍數(shù)；增益平坦度，即所有信道增益波動(dòng)的峰峰值；噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)，即信號(hào)通過EDFA的光信噪比(Optical Signal Noise Ratio，OSNR)的劣化。EDFA的增益根據(jù)傳輸系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)墓夤β仕p大小具體選擇，較小的增益平坦度是保證EDFA均衡地補(bǔ)償各個(gè)信道光功率的重要條件，較小的噪聲系數(shù)則是保證經(jīng)過一級(jí)或若干級(jí)EDFA后，光信號(hào)能被準(zhǔn)確檢測(cè)的主要條件。

EDFA的設(shè)計(jì)原理是通過優(yōu)化泵浦功率沿鉺纖的分布，提供相應(yīng)的鉺粒子翻轉(zhuǎn)，當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過鉺纖時(shí)，位于激發(fā)態(tài)的鉺粒子產(chǎn)生受激輻射回到基態(tài)，同時(shí)將信號(hào)光功率放大[6]。如圖1所示，摻鉺光纖的本征輻射系數(shù)光譜并不完全平坦，從1535 nm附近的峰值增益區(qū)往長(zhǎng)波長(zhǎng)，在1545 nm附近形成第一高增益臺(tái)階；然后緩慢下降至1560 nm，形成第二個(gè)臺(tái)階；到1566 nm開始驟降至1575 nm附近，然后維持緩慢下降至1610 nm的第三個(gè)臺(tái)階L波段，再往長(zhǎng)波長(zhǎng)再明顯加速下降。不平坦本征輻射光譜意味著經(jīng)過相同的一段鉺纖，有的波長(zhǎng)信號(hào)可以獲得較大的增益，有的波長(zhǎng)信號(hào)只能獲得較小的增益。在DWDM系統(tǒng)中，為了保證所有波長(zhǎng)的信號(hào)經(jīng)過EDFA都能獲得基本相同的增益，EDFA需要內(nèi)置增益平坦濾波器(Gain Flattening Filter，GFF)，將摻鉺光纖本征的輻射系數(shù)譜進(jìn)行反向修正，即給獲得較大增益的波長(zhǎng)增加額外的衰減，以保持和增益較低的波長(zhǎng)增益相似[7]。在同一個(gè)放大光路上需要獲得的增益譜平坦區(qū)域越寬，GFF需要實(shí)現(xiàn)的對(duì)本征增益譜修正的衰減深度越深，即GFF不同波長(zhǎng)衰減差異越大。EDFA光路上額外的衰減意味著大量泵浦光功率并未有效轉(zhuǎn)化成為信號(hào)的功率增益，泵浦轉(zhuǎn)換效率(Pump Conversion Efficiency，PCE)即單位泵浦功率對(duì)信號(hào)光功率的貢獻(xiàn)變低。另外，對(duì)信號(hào)光的反復(fù)衰減和放大，會(huì)劣化信號(hào)的信噪比，降低信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，較大衰減深度的GFF工藝難度大，譜型誤差變大，導(dǎo)致經(jīng)過修正的光譜的殘余增益不平坦度增大，且溫度相關(guān)性更明顯。因此，修正本征增益譜以獲得平坦增益的方式并不能通過無(wú)限增加GFF衰減深度實(shí)現(xiàn)，EDFA的增益譜寬，往往是NF性能、PCE、平坦度、成本等諸多因素的折衷選擇。

3 不同工作頻段拓展方案的光放大器性能

3.1 CBand到ECBand的拓展

在20世紀(jì)90年代G.692定義CBand范圍時(shí)，并不旺盛的需求導(dǎo)致業(yè)界只選取EDFA的峰值增益和最高增益的第一臺(tái)階作為標(biāo)準(zhǔn)。隨著業(yè)務(wù)的增加，從常規(guī)CBand拓展到ECBand是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然。常規(guī)增益范圍的ECBand EDFA用到的GFF的衰減深度可以控制在10 dB以內(nèi)，以固定增益的EDFA為例，ECBand EDFA的NF特性劣化并不顯著；PCE由30%降至26%，隨著商用高功率半導(dǎo)體泵浦激光器的輸出功率越來(lái)越高及單位功率成本的下降，PCE下降帶來(lái)的EDFA總成本增加幅度也會(huì)縮小。

用更寬增益帶寬的C波段EDFA替代原有C波段EDFA的好處是顯而易見的。首先，設(shè)備形態(tài)維持不變，無(wú)需增加額外的設(shè)備，控制邏輯基本維持不變，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)也無(wú)需增加額外的管理模型，只需在現(xiàn)有的管理頻譜范圍做線性的業(yè)務(wù)頻譜拓展即可；其次，每個(gè)EDFA是單一設(shè)備，內(nèi)部邏輯可以進(jìn)行快速瞬態(tài)控制，無(wú)需協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)備協(xié)同工作以應(yīng)對(duì)快速信道增減帶來(lái)的增益波動(dòng)。

3.2 ECBand到SCBand的拓展

沿著用更寬帶寬C波段EDFA替代原有放大器的思路進(jìn)一步延伸，從ECBand到SCBand拓展則面臨著摻鉺光纖輻射系數(shù)從第二個(gè)臺(tái)階往長(zhǎng)波長(zhǎng)陡降的難題。為了保證長(zhǎng)波長(zhǎng)還能提供和1535 nm附近峰值輻射波長(zhǎng)有相同的增益，需要更高的泵浦總功率注入。通過優(yōu)化沿鉺纖分布的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平，對(duì)于典型增益為25 dB的放大器來(lái)說，圖2顯示從ECBand拓展到SCBand可用光纖光學(xué)帶寬增加25%，增益平坦度劣化0.6 dB，NF劣化0.3 dB左右，PCE降低10%左右。這樣小幅度的性能劣化，對(duì)于傳輸鏈路來(lái)說可以接受。

圖2 25 dB增益的典型ECBand和SCBand EDFA性能對(duì)比

如果進(jìn)一步增加單個(gè)C波段EDFA的工作波長(zhǎng)范圍，已經(jīng)進(jìn)入摻鉺光纖輻射譜的第三個(gè)臺(tái)階。超出6 THz增益帶寬后，要實(shí)現(xiàn)平坦的增益譜，單個(gè)GFF已經(jīng)無(wú)法滿足需求，只能采用多個(gè)GFF級(jí)聯(lián)，則意味著更高的放大器內(nèi)部損耗和更低的泵浦轉(zhuǎn)換效率。從圖3可以看出，EDFA的平坦度和NF隨著增益譜寬的增加而增加，伴隨著PCE的驟降和成本的急劇增加。6 THz的SCBand選擇是相對(duì)優(yōu)化的性能成本平衡點(diǎn)，而繼續(xù)拓展帶來(lái)的EDFA性能劣化，已經(jīng)使得寬頻譜單放大器方案無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)用化的需求。

圖3 C波段EDFA增益譜寬拓展帶來(lái)的平坦度和NF劣化趨勢(shì)

3.3 ECBand到ECBand+ELBand的拓展

在不帶來(lái)巨大性能劣化的條件下無(wú)法通過單個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)更寬的增益譜，如圖4(a)所示，通過WDM將ECBand EDFA和ELBand EDFA并聯(lián)，是拓展單纖容量的有效方案。由于不用和ECBand EDFA共享放大光路，ELBand EDFA可以通過提高鉺粒子摻雜濃度和多元素共摻的特殊鉺纖，以及較長(zhǎng)鉺纖實(shí)現(xiàn)針對(duì)L波段放大的優(yōu)化[8]。但是由于L波段總體鉺粒子輻射率比C波段低若干數(shù)量級(jí)，在較長(zhǎng)的鉺纖中維持反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平，需要多次注入高泵浦功率才能實(shí)現(xiàn)大功率的放大信號(hào)輸出，L波段EDFA的NF比C波段有明顯的增加[9]。圖4(b)比較了相同增益條件范圍的可變?cè)鲆鍱CBand和ELBand EDFA的噪聲系數(shù)。在低增益區(qū)，兩者噪聲系數(shù)并無(wú)太大差異；而在高增益區(qū)，ELBand EDFA噪聲系數(shù)比ECBand EDFA的NF大1.5 dB左右?？紤]到并聯(lián)的系統(tǒng)，在鏈路輸入和輸出口需要增加一對(duì)C/L WDM，也額外引入鏈路損耗。總體而言，ECBand+ELBand并聯(lián)的光傳輸鏈路比單獨(dú)的ECBand光纖傳輸鏈路多約2 dB的OSNR代價(jià)[10]。在傳輸距離要求一定的情況下，相干調(diào)制的傳輸系統(tǒng)可通過降低調(diào)制階數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與ECBand傳輸鏈路相同的傳輸距離或者在ECBand和ELBand傳輸不同調(diào)制、不同速率，例如將16QAM 400G的碼率降速為8QAM 300 G的碼率，或者在ECBand采用16QAM 400 G并且在ELBand采用8QAM 300 G。因此，雖然ECBand到ECBand+ELBand實(shí)現(xiàn)了光纖可用光學(xué)帶寬的倍增，但實(shí)際上帶來(lái)的傳輸容量增加約為50%～75%左右。

圖4 ECBand和ELBand EDFA結(jié)構(gòu)及參數(shù)比較

ELBand內(nèi)本征增益譜單調(diào)由短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)下降，GFF的設(shè)計(jì)更多是抑制短波長(zhǎng)增益以保證長(zhǎng)波長(zhǎng)有足夠的功率，如何為長(zhǎng)波長(zhǎng)提供有效的增益是主要的難題。一般來(lái)說，相同輸出功率的ELBand比ECBand EDFA成本高80%～100%，體積也基本上增加50%左右；相當(dāng)于ECBand+ELBand并聯(lián)結(jié)構(gòu)總成本是ECBand的3倍，體積增加150%。

從設(shè)備管理層面來(lái)講，ECBand+ELBand并聯(lián)光傳輸系統(tǒng)控制邏輯較單獨(dú)的ECBand光傳輸系統(tǒng)更為復(fù)雜[11]。鏈路的整體工作頻譜范圍接近100 nm，光纖中的自發(fā)拉曼輻射(Spontaneous Raman Scattering，SRS)效應(yīng)不可忽略，整體表現(xiàn)為ECBand向ELBand信號(hào)光功率轉(zhuǎn)移，使得輸出光譜功率往長(zhǎng)波長(zhǎng)傾斜。同時(shí)，考慮到ELBand光纖本征插損較ECBand光纖本征插損略大，對(duì)于常規(guī)每信道入纖功率約1 dBm，長(zhǎng)度約80～100 km的普通單模光纖(G.652)光纖跨段，ECBand和ELBand的平均等效傳輸損耗基本相同，甚至需要ECBand比ELBand增益大1 dB左右以實(shí)現(xiàn)兩者平均功率的均衡。當(dāng)然，ECBand和ELBand內(nèi)部由于SRS功率轉(zhuǎn)移和光纖本征衰減譜的不平坦益造成的增益譜傾斜，還需要調(diào)節(jié)EDFA的增益譜斜率來(lái)修正。

SRS效應(yīng)的強(qiáng)度和入光纖的光功率密度密切相關(guān)，在ECBand+ELBand并聯(lián)的光傳輸系統(tǒng)中，需要保證鏈路中、高、低負(fù)載下增益譜相對(duì)穩(wěn)定。在利用靈活柵格(Flexgrid)波長(zhǎng)選擇開關(guān)(Wavelength Selective Switch，WSS)進(jìn)行合分波的系統(tǒng)中，可采用在未配置業(yè)務(wù)的頻段內(nèi)填充寬譜光源的方式，讓EDFA始終保持在滿負(fù)荷的工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而避免增減業(yè)務(wù)導(dǎo)致的已有業(yè)務(wù)增益波動(dòng)(見圖5)。這種主動(dòng)填充信道的方式，可以在穩(wěn)態(tài)下保持光放大器鏈路的增益穩(wěn)定；但在發(fā)生設(shè)備異常故障導(dǎo)致的瞬態(tài)功率增減時(shí)，如ELBand EDFA意外故障對(duì)ECBand等效增益產(chǎn)生影響，如何快速響應(yīng)并對(duì)鏈路功率水平實(shí)時(shí)恢復(fù)，仍然是并聯(lián)放大鏈路有待解決的難題。

3.4 SCBand到SCBand+Shifted ELBand的拓展

由于SCBand已經(jīng)占用了一部分L波段的范圍，在SCBand波長(zhǎng)范圍基礎(chǔ)上再拓展L波段工作頻段，只能將其繼續(xù)向長(zhǎng)波長(zhǎng)推移，而這正是L波段EDFA設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。當(dāng)EDFA的增益范圍第三個(gè)臺(tái)階波長(zhǎng)超過1610 nm以后，輻射效率相比于ELBand再次急劇下降。提高泵浦功率已經(jīng)無(wú)法抵消GFF衰減帶來(lái)的功率損失，因而通過常規(guī)EDFA的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能再提升1610 nm+的增益，不得不采用專門為長(zhǎng)波長(zhǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多元素共摻摻鉺光纖以及磷硅酸鹽等基質(zhì)材料的摻鉺光纖，將L波段的增益范圍拓展到1617 nm左右，即Shifted ELBand的范圍[12]。圖6為光迅科技產(chǎn)品化Shifted ELBand EDFA的增益和噪聲譜。

圖5 利用WSS合波的系統(tǒng)中填充寬譜光源均衡SRS效應(yīng)的方式和不同系統(tǒng)負(fù)荷下填充光譜方案示意

圖6 光迅科技產(chǎn)品化Shifted ELBand EDFA增益和噪聲特性

3.5 SCBand到SCBand+SLBand的拓展

由于磷硅酸鹽等基質(zhì)摻鉺光纖帶來(lái)的鉺粒子輻射譜紅移效果有限，將L波段增益范圍從覆蓋1617 nm的Shifted ELBand再進(jìn)一步拓展到覆蓋1626 nm的SLBand的光纖放大器方案目前仍然是待突破的技術(shù)難題[12]。一種初步仿真可行的方案是采用EDFA和拉曼(Raman)放大器的混合放大方式。如圖7(a)所示，在入傳輸光纖一側(cè)注入1520 nm和信號(hào)同向傳輸?shù)那跋蚶闷?，以補(bǔ)償前放(Booster Amplifier，BA)的增益在長(zhǎng)波長(zhǎng)的不足；同時(shí)，反向注入和信號(hào)反向傳輸?shù)暮笙蚶闷盅a(bǔ)償鏈路損耗的，以減小線放(Line Amplifier，LA)和預(yù)放(Pre-Amplifier，PA)增益在長(zhǎng)波長(zhǎng)的壓力。圖7(b)為仿真的拉曼增益譜和SLBand EDFA增益譜，EDFA的增益譜由短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)下降，而拉曼放大的增益譜提升，二者相疊加，可以共同實(shí)現(xiàn)SLBand范圍內(nèi)較為平坦的增益譜。由于分布式拉曼放大器貢獻(xiàn)了可觀的增益，整體噪聲系數(shù)可以控制在4 dB以內(nèi)，尤其是長(zhǎng)波長(zhǎng)的噪聲系數(shù)較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)思路、設(shè)備形態(tài)、性能、成本等幾個(gè)方面，對(duì)比分析了幾種光纖帶寬資源拓展方法的特性。從常規(guī)C波段到擴(kuò)展C波段，基本上性能和成本維持不變；從擴(kuò)展C波段到超級(jí)C波段，性能略有下降，而傳輸容量增加25%，足以支撐成本的增加。在>6 THz范圍上通過單個(gè)EDFA實(shí)現(xiàn)頻譜拓展已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)。并聯(lián)的CBand+LBand放大器是可以實(shí)用化的方案，但并聯(lián)結(jié)構(gòu)的放大器管理較單個(gè)放大器復(fù)雜，由于整體譜寬較寬，需考慮補(bǔ)償信號(hào)間由于拉曼輻射功率轉(zhuǎn)移帶來(lái)的等效增益功率相關(guān)性。在拓展C波段上增加與之并聯(lián)的拓展L波段放大器，雖然光學(xué)頻譜翻倍，但由于傳輸性能受限，實(shí)際傳輸容量預(yù)計(jì)增加50%～75%。在超級(jí)C波段上并聯(lián)偏頻拓展L波段的解決方案，依賴于專門針對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)優(yōu)化的鉺纖，已經(jīng)有產(chǎn)品化的放大器解決方案，但目前成本還較高；與超級(jí)C波段對(duì)稱的超級(jí)L波段光放大器解決方案尚待進(jìn)一步技術(shù)的突破。

圖7 拉曼和EDFA混合放大方案實(shí)現(xiàn)和混合放大方案的增益譜仿真效果