混合型S波段光放大器在新一代光通信中的应用

逍遥设计自动化

引言
串流媒体、云计算和大规模语言模型的快速发展导致光纤网络流量急剧增长。传统光通信主要使用C波段和L波段，而扩展到其他波段可以在不部署新光纤基础设施的情况下提升传输容量。S波段（1460-1530纳米）已经显示出优越的扩展潜力[1]。

cdrar4uyqcd64014841633.png

2 _' x" a1 T" }- D0 ^" ]0 Y+ \+ v
1
基本架构和工作原理
6 i2 f2 [3 r1 ]' @* `0 E- Q混合型S波段放大器结合了两种互补技术：用于波长转换的光纤参量放大器（FOPA）和用于高效信号放大的掺铒光纤放大器（EDFA）。如论文图1所示，系统包含三个主要阶段：

vcwh5k23khv64014841733.png

图1：三级混合型S波段放大器架构的概念图，展示了信号通过FOPA-I、L波段EDFA和FOPA-II各阶段的流程。

第一级（FOPA-I）使用500米高度非线性光纤（HNLF），零色散波长为1551.5纳米，非线性系数γ = 21.4/W/km。S波段输入信号通过WDM耦合器与1552.5纳米的相位调制泵浦光结合。通过HNLF中的参量相互作用，S波段信号转换为L波段闲置光，转换效率约为8.7 dB。采用6 Gbps伪随机比特序列的泵浦相位调制来抑制受激布里渊散射，否则会限制转换过程。

第二级采用L波段EDFA提供大部分系统增益，通常约为15.5 dB。这一级利用成熟高效的EDFA技术，在最优波段运行。放大后的L波段信号进入第三级。
% @& Q& k. T; H3 M; q) Y
( P: o+ k5 a; C5 O+ Z. p# q5 U2
实验实现和性能
- X2 L+ I2 `! a( I, V4 m% m" h$ j

5y0x52jei0i64014841833.png

图2：详细的实验设置图，展示了包括光学器件和测量装置在内的三个阶段的实现。
# {1 U: {' j5 \
; ^5 _$ g" W) l: u, K; q实验系统处理50 GHz ITU网格上的八个WDM信道（1527.44-1530.14纳米）。输入信号由相干IQ发射器产生，能够产生10-Gbaud 16-QAM调制。3公里色散补偿光纤使相邻信道解相关1.4符号，以准确评估非线性效应。

光谱分析揭示了系统在转换和放大过程中的运行状态：
1 A) E6 o+ ]* |( i. H& @2 e* t

xrddepst20r64014841933.png

6 L) T! b$ b6 x1 H2 S图3：连续波输入信号的光谱图，展示了信号在放大器各级中的转换和放大过程。
: C8 u$ K4 T5 y0 \4 `& G
3
' ]/ q( m  l- e* ~2 f高级调制格式的系统性能分析
7 S) E  p  S) ]: W8 {/ q& S

dqgbyzvrddi64014842033.png

2 z: u+ v- o( S6 h0 \8 h图4：不同信道的误差向量幅度（EVM）、误码率（BER）和星座图，展示了系统处理高级调制格式的能力。

2akpwewv4lt64014842133.png

3 t* F% F# U) G' l; a3 o8 S图5：FOPA-II泵浦功率与FWM串扰、OSNR和总SNR的关系分析。
# P0 V4 M7 ?6 P$ e

0lpledvyg0m64014842233.png

: x9 l# e6 H2 j2 _图6：FOPA-II泵浦功率与总SNR和泵浦功率消耗的关系图。

在不同工作区域，系统表现出独特的特性。低输入功率（-30 dBm/信道）时，放大自发辐射（ASE）成为主要噪声源。FOPA-II最佳泵浦功率为23.5 dBm，在转换效率和功率消耗之间取得平衡，总泵浦功率消耗约为1280 mW。
* @# p, s0 @& x- C0 U
中等输入功率（-25 dBm/信道）时，当FOPA-II泵浦功率低于24.2 dBm时，四波混频（FWM）串扰变得显著。L波段EDFA在泵浦功率低于24.5 dBm时处于饱和状态，效率与FOPA-II相当。超过此阈值，FOPA-II提供的额外增益会降低功率效率。
  L( F" z0 _: K$ U
高输入功率（-20 dBm/信道）时，FWM串扰主导系统性能。尽管OSNR较高，但总SNR比ASE限制情况下降低多达12 dB。这种情况需要仔细优化泵浦功率，在转换效率和非线性失真之间取得平衡。

混合型S波段放大器在实际应用中表现出良好性能，特别适合需要中等输出功率的场景。通过集成基于铌酸锂的波长转换器或具有增强SBS抑制能力的特种光纤设计，性能可能得到进一步提升。这种技术为扩展传统波长带之外的光通信带宽提供了可靠的解决方案。

参考文献
3 H8 Y' {! d* v* W  I8 N4 x[1] C. Guo et al., "Experimental Investigation of a Hybrid S-Band Amplifier Based on Two Parametric Wavelength Converters and an Erbium-Doped Fiber Amplifier," Photonics, vol. 12, no. 100, pp. 1-13, Jan. 2025, doi: 10.3390/photonics12020100.
END
6 L2 j) M. T! `4 ^6 P2 w软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

$ a8 ], Z+ m) l4 ?) C8 _& D( f欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！


7 \2 B5 m2 `; r4 o' B" `) \

kfybvvagb3d64014842333.gif

关注我们

) {+ o5 @4 |, S' t) M4 T

0 z" h* P$ ]* X! R9 y- i5 c xc3gup2fenu64014842433.png

W. |, Z6 K( m4 S( n0 j" u" c gx11n2odupr64014842533.png * g4 L. p5 Q4 L6 ~

ehykmoyywx164014842633.png

                     
; w" O: k0 ]7 O. P5 ^

* o8 X3 Q( S" B% p
关于我们：
1 O; `/ w9 X3 _深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

5 @' U0 D0 |) I; `http://www.latitudeda.com/
9 ~1 u. E9 E3 O; J- p5 P$ [) U$ A9 D（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）