高数据速率相干传输系统中的光放大方案解析
引言现代光通信系统需要复杂的放大技术来保持信号质量。本文探讨针对高数据速率相干传输系统的多种光放大方案，着重分析在短距离应用中的实现方式和性能特点。研究包括五种不同的放大方案：纯掺铒光纤放大器(EDFA)、离散拉曼、混合拉曼/EDFA、一阶分布式拉曼和二阶分布式拉曼放大。
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系统配置与实验设置
实验配置采用商用收发器，可产生600 Gbit/s或300 Gbit/s偏振分复用(PDM)-64QAM信号。系统使用波分复用(WDM)网格，包含十个通道化放大自发辐射(ASE)信号，信号间隔为100 GHz(波长范围1543.73 nm至1551.72 nm)，以及中心波长为1547.72 nm的PDM-64QAM调制信号。这些信号通过95/5耦合器组合成11通道WDM系统。输出信号经EDFA放大后，通过可变光衰减器调节进入光纤的信号功率。
图1：高数据速率传输系统实验装置示意图，展示五种不同放大方案：(a) 纯EDFA、(b) 离散拉曼放大器、(c) 混合拉曼/EDFA、(d) 一阶分布式拉曼放大器、(e) 二阶分布式拉曼放大器。
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放大方案及特性
本传输系统在75.6公里单模光纤上实现五种不同的放大方案。纯EDFA配置补偿约15分贝总损耗，信号功率沿光纤呈线性下降，直到最后几米处进行放大。离散拉曼放大方案使用两个一阶拉曼泵浦，波长分别为1425 nm和1445 nm，需要7.5公里反色散光纤作为增益介质。由于增益光纤较长，导致累积光纤非线性效应增强。
图2：(a) 五种不同放大方案的实验测量和仿真信号功率分布；(b) 仿真噪声功率分布。
混合拉曼/EDFA配置结合反向拉曼泵浦和EDFA，一阶分布式拉曼放大提供约5分贝拉曼增益，EDFA提供额外10分贝增益。一阶分布式拉曼方案采用1455 nm反向传播拉曼泵浦，泵浦功率约410毫瓦，实现约6.5分贝的信号功率变化。二阶分布式拉曼配置采用双阶反向拉曼泵浦，结合1365 nm和1455 nm泵浦，实现约4分贝的最低信号功率变化。
图3：75.6公里单模光纤上不同光放大器的输出光谱：(a) 11通道输入；(b) 单通道输入。
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性能分析与结果
实验和数值分析显示各放大方案具有不同的性能特征。分布式拉曼方案在ASE噪声性能上表现优异，相比其他配置提升5-6分贝。虽然二阶方案获得最佳光信噪比，但在短距离传输中相对一阶泵浦的优势不明显。
图4：75.6公里单模光纤上不同放大方案的仿真和实验误码率性能，中心通道(1547.72 nm)测量结果：(a) 600 Gb/s PM-64QAM WDM收发器；(b) 300 Gb/s PM-64QAM WDM收发器。
离散拉曼方案由于额外7.5公里增益光纤增加线性噪声和非线性效应，表现最差。混合拉曼/EDFA配置优于离散方案但不及分布式方案。性能分析表明，在线性区域，二阶拉曼方案的误码率与一阶拉曼方案几乎重叠，说明在短距离传输中未能充分发挥高阶拉曼泵浦的优势。
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结论
对于短距离高数据速率相干传输系统，一阶分布式拉曼放大在实现复杂度和性能之间取得最佳平衡。与二阶配置相比，该方案在实现更优误码率性能的同时需要较低泵浦功率。研究表明，在短距离应用中，复杂的放大方案（如二阶分布式拉曼）并不总能带来更好的结果，凸显了将放大策略与具体应用场景相匹配的必要性。实验结果证实，在高数据速率收发器的单跨度系统中，较简单的一阶方案在线性噪声和光纤非线性之间实现最佳平衡。
参考文献
Y. Wang and L. Zhang, Eds., "Optical Signal Processing Technologies for Communication, Computing, and Sensing Applications," MDPI Books, 2023. . Available: https://www.mdpi.com/books/reprint/7078-optical-signal-processing-technologies-for-communication-computing-and-sensing-applications.
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