C+L波段超大容量光传输技术研究与展望
摘要
随着信息通信需求的爆发式增长，传统光传输技术面临容量瓶颈。C+L波段超大容量光传输技术成为突破困境的关键路径。本文阐述了C+L波段光传输技术的原理，分析其在扩展频谱提升容量、改善传输性能等方面的优势；探讨关键技术，包括光放大器优化、非线性效应抑制以及多波段复用技术等；同时，结合实际案例剖析当前应用现状，并对未来发展趋势进行展望。
关键词
C+L波段；超大容量；光传输；光放大器；非线性效应
一、引言
在数字经济蓬勃发展的当下，云计算、大数据、人工智能以及高清视频等业务迅猛增长，对光传输网络的容量提出了极为严苛的要求。传统的C波段光传输技术，由于其频谱资源有限，已逐渐难以满足日益增长的通信需求，传输容量逼近香农极限。为打破这一容量瓶颈，扩展频谱成为必然选择，C+L波段超大容量光传输技术应运而生。该技术通过将C波段与L波段相结合，充分利用两个波段的频谱资源，显著提升了单纤传输容量，为构建下一代超高速、大容量光传输网络奠定了坚实基础，对推动信息通信产业的持续发展具有深远意义。
二、C+L波段光传输技术原理及优势
2.1技术原理
C波段（1530-1565nm）和L波段（1565-1625nm）在光纤通信中具有独特的传输特性。C波段由于其低损耗、成熟的光器件配套等优势，长期以来是光传输的主要波段。而L波段拥有丰富的频谱资源，二者结合构成C+L波段光传输系统。在该系统中，不同波长的光信号被调制到C波段和L波段上，通过波分复用（WDM）技术在同一根光纤中同时传输。发送端将多个不同波长的光信号进行复用，经过光纤传输后，在接收端通过解复用器将各个波长的信号分离出来，再进行光电转换和解调，恢复原始信号。
2.2优势分析2.2.1扩展频谱提升容量
相较于单一的C波段，C+L波段系统极大地扩展了可用频谱范围。以传统C波段80波系统为例，若每个通道间隔为50GHz，其占用谱宽为4THz。而C+L波段系统可将可用频谱拓宽至12THz左右，在相同的通道间隔下，波道数量大幅增加，如华为的C+L（C120+L120）方案，可使单纤容量提升25%以上，有效缓解了日益增长的通信流量压力。
2.2.2改善传输性能
在传输速率相同且都采用80波进行波分传输的情况下，C+L系统由于波段拓宽，波道间隔更大，线路侧光模块可采用传输能力更强的线路码型。例如400G光模块在C+L系统中，相比超宽C波段系统，传输距离可提升100%，这为长距离、大容量光传输提供了更可靠的保障。
三、C+L波段超大容量光传输关键技术
3.1光放大器技术
3.1.1C+L一体化光放大器挑战与进展
实现C+L一体化光放大是C+L波段光传输系统的关键难题之一。掺铒光纤放大器（EDFA）在C波段和L波段的性能存在差异，L波段的噪声系数（NF）指标较C波段有1.5-2dB的差距，且成本提升至C波段EDFA的3-4倍。目前，分离式光放已实现批量生产供货，但C+L一体化光放大器预计最早在2027年实现。研究人员正致力于优化EDFA的结构和掺杂工艺，提高其在C+L波段的功率转换效率、降低噪声系数以及实现宽带宽放大。
3.1.2新型光放大器探索
除了对EDFA的改进，业界也在积极探索新型光放大器。例如，研究掺杂新型稀土元素的光放大器，期望其能在C+L波段甚至更宽频谱范围内实现低噪声、高效率的光信号放大，为C+L波段光传输技术的发展提供新的动力。
3.2非线性效应抑制技术
3.2.1SRS效应及其影响
受激拉曼散射（SRS）是C+L系统中极具代表性的非线性损伤，也是影响系统整体性能的关键因素。SRS具有累积效应，随着信号在光纤中传输经历多个跨段，接收端短波长功率会明显低于长波，导致光信噪比（OSNR）平坦度显著劣化。并且SRS会随着入纤功率的变化而变化，对系统功率调平和性能调优提出了极高要求。
3.2.2抑制措施
为抑制SRS效应，可采用多种措施相结合的方式。一方面，通过优化系统设计，合理调整入纤功率，避免功率过高引发严重的SRS效应；另一方面，采用预加重技术，对短波长信号进行适当的功率提升，以补偿SRS导致的功率损耗，实现最大吞吐量。同时，在系统中采用SRS补偿算法，对传输过程中的SRS效应进行实时监测和补偿，改善系统性能和平坦度，提高C+L系统的可用性。
3.3多波段复用技术
3.3.1波分复用技术优化
在C+L波段系统中，波分复用技术是实现多波长信号同时传输的核心。目前，WSS（波长选择开关）的C+L一体化已取得进展，c/l分立WSS已具备商用条件，C+L一体化WSS也可提供，产业链在2024年下半年开始规模应用。进一步优化波分复用技术，提高波长选择的精度和灵活性，降低串扰，对于提升C+L波段系统的性能至关重要。
3.3.2填充波自动化管理
填充波自动化管理是C+L一体化系统中的关键技术。在系统开通之初，将整个频谱全部填充满，当业务波道新建或删除时，通过将“填充波”和“真实波长”相互替换，可实现功率稳定和波道间性能均衡。例如，在一个包含20个跨段，C波段和L波段各配置20个波长的系统中，当C20波全部掉波时，无填充波情况下L波段长波OSNR劣化6.7dB，而有填充波情况下L波段长波OSNR仅劣化1.1dB，充分体现了填充波自动化管理在维持系统性能稳定方面的重要作用。
四、C+L波段超大容量光传输技术应用现状
4.1数据中心互联（DCI）领域
随着云计算和大数据的发展，数据中心之间的数据流量呈爆炸式增长，对DCI带宽提出了极高要求。C+L波段超大容量光传输技术在DCI领域展现出巨大优势。例如，谷歌等互联网巨头在其数据中心互联网络中，采用C+L波段光传输系统，有效提升了数据传输速率和网络容量，满足了海量数据交换的需求，确保数据中心之间的高效协同工作。
4.2长途骨干网领域
在长途骨干网中，C+L波段光传输技术同样得到广泛应用。NEC集团利用C+L波段的EDFA，在传输距离超过1.1万公里的海底光缆单根光纤上实现了高达50.9Tb的传输容量，在如此长距离上刷新了传输距离速率乘积纪录570Pb-Km。国内运营商也在积极部署C+L波段光传输系统用于长途骨干网，提升网络的长距离、大容量传输能力，优化骨干网的性能，保障全国范围内的通信畅通。
4.3应用案例分析
中国电信研究院携手中兴通讯和长飞公司进行的实验，他们基于普通单模石英光纤完成S+C+L多波段大容量传输实验，最高实时单波速率达到1.2Tbit/s，单根光纤单个方向传输速率超过120Tbit/s。该实验在系统谱宽、关键算法及架构设计等方面取得突破，为C+L波段及多波段光传输技术在实际网络中的应用提供了重要参考。在系统谱宽方面，实现S+C+L多波段高达17THz的超大通信带宽，波段范围覆盖1483nm-1627nm；在关键算法上，提出通过符号速率、通道间隔、调制码型的自适应匹配，最大化频谱效率的方案，并借助多波段系统填充波与自动功率均衡技术，均衡通道级业务性能，提升传输距离；在架构设计上，采用业内先进的光电合封技术，单波信号波特率超130GBd，比特速率达到1.2Tbit/s，大量节省光电组件数量。
五、C+L波段超大容量光传输技术未来发展趋势
5.1向S+C+L多波段扩展
随着传输速率向800G及更高演进，频谱宽度需求进一步增大，需要向S波段或者U波段扩展（S波段波长范围通常约为1460-1530nm，U波段波长范围一般是1625-1675nm）。目前，业界普遍认为面向超宽演进向S+C+L演进是必然趋势。S波段损耗仅次于C和L波段，色散大小适中，宏弯损耗小，非线性效应较O/E波段更弱，且其放大技术相对O/E/U波段更成熟。但向S波段演进面临诸多挑战，如掺铥光纤放大器（TDFA）的研发、深度功率优化解决SRS效应以及入纤功率优化+预加重技术实现最大吞吐量等关键技术仍有待突破。
5.2与新型光纤介质结合
探索与新型光纤介质的结合也是未来发展方向之一。例如，空芯光纤相对于石英光纤具有更低的传输时延、超低的非线性系数、超宽的频带资源以及潜在的超低损耗特性，是未来超高速率、超大容量、超长距离和超低时延光网络通信系统理想的光纤传输介质。烽火通信基于空芯光纤实现了19.65Thz超宽带S+C+L波段实时传输，单纤双向同波长传输最大传输容量超270Tbit/s。未来，C+L波段光传输技术有望与空芯光纤等新型介质深度融合，进一步提升传输性能。
5.3提升系统智能化水平
随着人工智能技术的发展，将其引入C+L波段光传输系统，提升系统的智能化水平是未来趋势。通过智能算法实现对光传输系统的实时监测、故障诊断和性能优化。例如，利用机器学习算法对光放大器的增益进行智能调节，根据实时的业务流量和传输状态，动态调整系统参数，以适应不断变化的网络需求，提高系统的可靠性和稳定性。
六、结论
C+L波段超大容量光传输技术作为应对当前信息通信容量挑战的关键技术，通过扩展频谱显著提升了单纤传输容量，在数据中心互联、长途骨干网等领域展现出广阔的应用前景。尽管在光放大器优化、非线性效应抑制、多波段复用等关键技术方面仍面临诸多挑战，但随着研究的深入和技术的不断创新，C+L波段光传输技术正不断取得突破。未来，向S+C+L多波段扩展、与新型光纤介质结合以及提升系统智能化水平将成为该技术的重要发展方向，有望为信息通信行业带来更高效、更强大的光传输解决方案，推动整个行业迈向新的发展阶段。
参考文献
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