这使得利用现有光纤基础设施能够经济高效地提升通信流量。该技术有助于在城市地区和人口密集的住宅区扩展传输容量，这些地区的安装可能较为复杂，并且该技术有望显著缩短服务部署时间和降低成本。.

该开发工作是作为日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托开展的“5G后信息通信系统增强基础设施研究开发项目（1）”（2）的一部分进行的。.

富士通光纤


图1：应用高容量多频段波分复用传输技术的系统图像

项目背景

随着对物联网、人工智能 (AI) 和大数据分析等相关服务的需求日益增长，日本新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 致力于通过开发这些系统的核心技术，加强日本后 5G 信息通信系统的开发和制造基础。作为这项工作的一部分，富士通和 KDDI Research 于 2020 年 10 月至 2023 年 10 月期间参与了一个旨在提升后 5G 光网络性能的项目。传统的商用光纤通信网络使用单模光纤，光只能通过光纤的中心，并采用 C 波段（波长范围：1530 nm 至 1565 nm）(3) 作为光网络信号传输频段。然而，随着通信流量的增长，仅靠 C 波段的传输容量预计会不足。为了提高光纤传输容量，这两家公司着手将使用的波长范围从 C 波段扩展到 L 波段（1,565 nm 至 1,625 nm）、S 波段（1,460 nm 至 1,530 nm）、U 波段（1,625 nm 至 1,675 nm）和 O 波段（1,260 nm 至 1,360 nm），目的是使其成为多波段光纤。.

项目成果

作为该项目的一部分，富士通构建了一个仿真模型，该模型考虑了多频段传输中的传输性能退化因素，从而能够设计多频段波分复用系统。该仿真模型反映了通过验证实验性集成多频段放大器/波长转换器系统而获得的商用光纤特性和传输参数的测量结果。借助该模型，富士通进行了高精度仿真，将实际测量误差降低至 1 dB，从而能够考虑频段间相互作用和传输性能退化。.

KDDI Research公司实现了O波段频率带宽的两倍于传统C波段，这一能力此前从未应用于高密度波分复用（DWDM）传输(4)。两家公司结合两种技术，利用现有光纤进行了实际传输实验，并在O、S、C、L和U波段演示了波分复用多频段传输（传输距离45公里）（图2），证明波分复用技术能够实现比传统C波段传输高5.2倍的波长复用。两家公司还通过仿真验证了S、C、L和U波段的波分复用多频段传输（传输距离560公里）。.

该研究的主要发现如下：

富士通光纤2-w

图 2：当 O、S、C、L 和 U 波段同时传输时，从单个已安装光纤接收到的光谱。.

1. 建立密集波分复用（DWDM）多频段传输技术。.

在传统的C波段传输系统设计中，可以视为常数的参数不会造成实际问题。然而，对于S波段+C波段+L波段+U波段的多波段传输，不同波段间的传输性能差异不可忽略，因此需要考虑波长依赖性进行设计。例如，随着输入传输线的光功率和传输距离的增加，非线性退化因素会更加显著，从而限制传输性能。特别是，由光与多个波长相互作用引起的受激拉曼散射(5)、交叉相位调制(6)和四波混频(7)在高波长复用率下尤为突出，对多波段波分复用系统的传输性能产生显著影响。.

在这个项目中，富士通和KDDI研究院通过构建一个考虑不同频段间相互作用和传输性能劣化因素的仿真模型，建立了一种多频段波分复用（WDM）系统的设计方法。此外，由于S波段和U波段的波分复用（WDM）光信号分别利用C波段和L波段的光信号，通过全光信号处理技术生成，因此无需专用的S波段和U波段发射机和接收机。这些技术的融合使得利用相干传输技术在S波段+C波段+L波段+U波段实现密集波分复用（DWDM）传输成为可能，该技术充分利用了光的相位特性，从而实现了高速、高容量的通信。.

富士通光纤3

图 3：利用受激拉曼散射实现多频段信号光功率转换。
上图：未控制情况。下图：控制情况，确保光纤传输后光功率分布均匀。

2. 在O波段建立相干密集波分复用（DWDM）传输技术

传统上，相干传输技术容易受到其他光信号分量的影响，导致O波段传输信号失真。此外，O波段常见的非线性噪声通常难以通过数字信号处理技术消除，从而降低系统整体性能。因此，在O波段实现相干传输技术一直极具挑战性。.

通过适当调整每个密集复用波长信号的发射光功率，可以最大限度地降低O波段的非线性噪声。这种方法能够最大限度地减少非线性噪声的影响，即使在发射端不进行信号补偿、接收端不进行波长色散补偿，也能在O波段实现超过9.6 THz的相干DWDM传输。O波段的色散接近于零，因此受波长色散的影响较小(8)，这有利于降低数字信号处理的负载并提高能量效率。.


成绩

- 1] 后5G：这是在第五代（5G）移动通信系统超低延迟和多设备同时连接的基础上进一步改进的移动通信系统。-
2] 项目：项目名称（JPNP20017）： 后5G信息通信系统增强基础设施研发项目（由新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托）。-
3] C波段：常规波段的缩写。指的是用于光通信的1530-1565纳米波长波段。-
4] DWDM：密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing）的缩写，它是波分复用（WDM）技术中的一种密集波分复用方法，通过将不同波长的多个光信号复用到单个光束中来提高传输密度。
- 5] 受激拉曼散射：当强光信号（泵浦光）在光纤中传播时，会激发光纤玻璃材料的分子，从而产生新的光（斯托克斯光）。斯托克斯光的频率低于泵浦光，并沿同一方向传播。受激拉曼散射通常会增加高功率光信号传输中的噪声，并影响通信质量。-
6] 交叉相位调制：在光纤中传播的多个光信号会相互影响，改变每个信号的相位。具体来说，一个光信号（光脉冲）强度的变化会改变在同一光纤中传播的其他光信号的相位。这种相位调制是由光纤的非线性引起的。交叉相位调制会导致多个光信号同时传播的系统（例如密集波分复用系统）出现信号失真和干扰。-
7] 四波混频：在光纤中传播的多个光波相互作用，产生新的光波。这种新的光波以与原始光波相同的速度和方向传播，但其频率由原始光波的频率组合决定。四波混频是由光纤的非线性引起的，尤其是在高功率光信号或宽频分复用光信号（例如，密集波分复用）​​的情况下。这会导致信号失真和干扰，从而影响光通信系统的性能。-
8] 波长色散：光波在光纤中传播的速度随波长变化的现象。