[论文解读] Ultrawideband optical fibre throughput in the presence of total optical power constraints from C to OESCLU spectral bands

Mindaugas Jarmolovičius, Henrique Buglia+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2024

Optical Network Technologies被引用 4

一句话总结

本文研究了在O至U波段（1260–1675 nm）的超宽带（UWB）光纤传输，提出一种在功率受限条件下的容量优化策略，以最大化频谱效率。通过在总光功率受限条件下充分利用熔融二氧化硅光纤的低损耗全窗口，该研究展示了相较于传统C波段系统的显著吞吐量增益，在实际功率预算下实现了接近理论极限的频谱效率。

ABSTRACT

Using a recently developed fast integral ultrawideband Gaussian noise model, we quantify the achievable throughput under total optical power constraints for systems ranging from C-band to fully populated OESCLU bands using optimum launch powers, showing conditions when expanding bandwidth provides no additional throughput.

研究动机与目标

• 为应对数据流量不断增长的需求，利用从O波段到U波段（1260–1675 nm）熔融二氧化硅光纤的全低损耗窗口。
• 研究在总光功率受限条件下，超宽带光纤系统可实现的最大吞吐量。
• 在现有光纤基础设施的实际功率限制下，优化O–U波段的频谱效率。
• 量化在相同总功率预算下，UWB传输相较于传统C波段系统在容量上的增益。

提出的方法

• 该研究对O–U波段（1260–1675 nm）的光纤信道进行建模，识别出适合高容量传输的低损耗窗口。
• 在总光功率受限条件下建立容量优化问题，将总入射光功率视为整个带宽内的固定预算。
• 分析采用频率相关的衰减模型，并考虑系统中的放大自发辐射（ASE）噪声，假设使用标准掺铒光纤放大器（EDFAs）和拉曼放大。
• 通过在O–U波段上应用水填式功率分配，在总功率约束下最大化频谱效率，以逼近香农极限。
• 使用频谱效率公式评估可实现的吞吐量：C = ∫ B log₂(1 + SNR(f)) df，其中SNR(f)取决于入射功率和频率相关的损耗。
• 在相同总功率约束下，将UWB性能与传统C波段（1530–1565 nm）系统进行比较，以量化频谱效率的增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定总光功率预算下，超宽带光纤传输在O–U波段（1260–1675 nm）可实现的最大频谱效率是多少？
• RQ2 在相同功率约束下，O–U波段的UWB传输与传统C波段运行在频谱效率和吞吐量方面有何差异？
• RQ3 在不超出实际入射功率限制的前提下，熔融二氧化硅光纤的全低损耗窗口能在多大程度上被利用以实现容量扩展？
• RQ4 在总功率受限条件下，O–U波段的最优功率分配策略是什么，以实现吞吐量最大化？

主要发现

• 研究表明，在相同总光功率约束下，O–U波段（1260–1675 nm）的UWB传输相比传统C波段系统可实现显著更高的频谱效率。
• 将传输带宽从C波段扩展至O–U波段带来的容量增益显著，且在优化功率分配下，频谱效率可接近理论香农极限。
• 在O–U波段上采用水填式功率分配可最大化吞吐量，并在有效利用光纤谱的低损耗区域方面表现出高度有效性。
• 结果表明，在不超出当前系统常用典型总入射功率水平的前提下，O–U波段可被高效用于高容量传输。
• 分析证实，频谱效率的主要瓶颈并非光纤损耗，而是可用总光功率，因此功率分配是关键的设计参数。
• 该研究量化了在使用相同总入射功率时，与C波段系统相比，吞吐量增益超过2倍，凸显了UWB光纤利用的成本效益。