高效发射功率优化及拉曼放大器设计，用于长距离S+C+L光纤系统

《Optics & Laser Technology》：Efficient launch power optimization and Raman amplifier design for long-haul S + C + L optical fiber systems

　　王瑞|张静|林宏|邱坤 中国电子科技大学光纤传感与通信重点实验室，成都611731 摘要 将相邻的S波段引入C+L波段是一种有效且可行的方法，可以显著提高单根光纤的传输容量。然而，受激拉曼散射（SRS）会导致S波段的性能严重下降，从而限制了整体容量的提升和性能的均匀性。在这项工作中，我们提出了一种两步优化方法，用于拉曼放大器设计和发射功率优化，以最大化传输容量，同时保证信噪比（GSNR）的均匀性，并提高泵浦能量的效率。我们采用了一种部分参数拟合的ISRS-GN模型来减少传输质量（QoT）的计算时间，并通过Python的多进程模块实现的粒子群优化（PSO）加速搜索过程。我们展示了一个18 THz的S+C+L波段传输系统，其容量是传统C波段的四倍以上，同时保持了全频段GSNR的平坦度在±0.45 dB以内。这是通过使用总功率为668 mW的三个拉曼泵浦实现的。这三个拉曼泵浦的混合放大展示了最佳的能源效率。这种方法可以在实际测试之前用于设计任意的光纤UWB WDM系统。 引言 超宽带（UWB）系统提供了一种经济高效的解决方案，可以在不大幅增加新光纤部署成本的情况下提高容量并延长现有光纤的使用寿命[1]。作为UWB系统的成熟解决方案，C+L波段已经在现有的光通信网络中得到了广泛的应用[2]、[3]、[4]。为了进一步扩展传输带宽，将相邻的S波段纳入C+L波段系统被认为是一个有前景的解决方案。然而，掺铒光纤放大器（EDFA）的放大范围是有限的，因此需要先进的放大技术来扩展传输带宽[5]。这些技术通常分为稀土掺杂光纤放大器（如掺铥光纤放大器TDFA）和宽带放大器，包括半导体光放大器（SOA）和拉曼放大（RA）。最近的大容量传输演示通常采用集总放大（LA）和RA的组合[6]、[7]、[8]，这利用了RA由于其较低的噪声系数（NF）而具有更好的ASE噪声性能[9]。为了高效的网络部署，长距离S+C+L混合放大链路需要确保不同波段的传输质量均匀性。在这方面，提高整体吞吐量和保持均匀的GSNR水平对于促进有效的频谱资源利用和简化服务提供都是必要的。然而，SRS效应的固有特性会导致能量从高频带向低频带转移，这被认为是多波段传输系统中的一个关键限制[10]、[11]，最终导致不同通道之间的性能不均匀。此外，宽带光电器件的频率依赖特性进一步加剧了这种不平衡。这些因素导致了S波段的性能下降，从而限制了整体容量的提升和性能的均匀性。 提高多波段传输系统性能的两种有效策略是发射功率优化和RA的适当设计。发射功率优化对于通过不同波段的功率分配来最大化系统容量至关重要。然而，由于SRS引起的非凸性，这仍然是一个挑战[12]。大量研究使用进化算法[13]、[14]、启发式迭代方法[15]、[16]和基于机器学习的方法[17]来研究这个问题。即使进行了发射功率优化，S波段的性能仍然比C波段和L波段差，主要是因为更多的能量由于SRS而转移到了C波段和L波段。引入RA可以减少性能差异。此外，RA的设计应该非常精细。泵浦波长的选择和功率显著影响最终的拉曼增益曲线、ASE噪声和非线性干扰（NLI），这些直接决定了QoT。以往的研究集中在利用神经网络[18]、[19]和进化算法[20]来实现增益平坦性或提高整体传输质量。当发射功率和拉曼泵浦参数共同优化时，问题变成了一个耦合的、非线性的和高维的优化任务。这显著增加了解决方案空间的复杂性，并对算法的收敛性和计算效率提出了更高的要求。高斯噪声（GN）模型[21]、[22]的发展为解决联合优化问题奠定了基础。已经采用了各种单目标进化算法，主要关注于最大化传输容量[23]、[24]、[25]。一些工作还将全频段GSNR平坦度纳入了优化目标[26]。然而，在发射功率优化之后，拉曼参数是自由优化的。这种自由优化缺乏结构化的参数，在操作条件变化时难以应用。此外，引入RA还会增加光功率消耗。在这种情况下，拉曼泵浦的光能效率也是设计RA时的一个关键因素。然而，很少有研究提供一种通用方法来评估在保证S+C+L传输系统的传输容量和全频段性能均匀性的同时，拉曼泵浦的光能效率。 在本文中，我们提出了一种高效的两步优化方法，用于S+C+L波段长距离传输系统的发射功率优化和拉曼放大器设计，以平衡传输容量最大化和全频段性能均匀性，同时限制泵浦的光能消耗。首先，我们定义了光能效率指标来估计泵浦提供的容量增益，目的是评估最小化泵浦光能消耗的混合放大架构。其次，我们同时优化发射功率和拉曼泵浦参数，包括波长、RA的数量和功率。为了加速多维优化，我们使用简化的NLI估计来减少QoT评估时间，并使用Python的多进程模块实现并行化的PSO。当模拟条件发生变化时，优化仍然能够快速收敛，证明了所提出方法的稳健性。我们进行了18 THz的S+C+L波段传输实验，其容量是传统C波段的四倍以上，同时保持了GSNR的平坦度在±0.45 dB以内。这是通过使用总功率为668 mW的三个拉曼泵浦实现的。 部分内容 原理 图1展示了长距离S+C+L波段传输系统的配置。对于双极化传输系统，理论容量限制为， C=2·RS·log2(1+GSNR) 其中Rs表示波特率，GSNR表示为， GSNRi=Pi,RxPASE,i+PNLI,i 其中GSNRi表示第i个通道的总体信噪比，Pi,Rx表示接收到的信号强度。