每条光纤要以几十Tb/s 的速率传输数据，光纤放大器必需具有更高的输出功率。在长距离海底系统中获得这样高的光功率水平是有困难的，因为可以从岸端向电缆施加的最高电压限制了向光纤放大器传输功率的能力。
通过提高最大电缆电压来解决此问题的这种简单方法通常需要高额成本，并且存在稳定性风险。 因此，找到更有效地使用光功率的方法变得势在必行。传输系统总体功率效率的提高依赖于电力输送和光功率利用。
在本文中，我们将讨论以更有效的方式利用光功率的方法，即如何传输更多具有总体光功率限制的信息。我们将从已达到的容量与光功率相对比的角度展示 C 和 C+L 波段内的传输容量演示结果。我们特别考虑将空分多路复用 (SDM) 作为按比例放大传输容量的方法，同时保持功率约束。
我们将展示使用 SDM 也可通过有效减轻非线性损失实现进一步的功率效率提升，还将讨论通过功率、带宽和空间多路复用指数实现容量的放大。功率效率和容量的优化反过来需要优化传输频谱效率，并需要搜索新的功率高效型调制格式。容量增加和功率效率提高的总体任务被视为包含众多层面的复杂多维问题。
最有效率的功率值远低于在非线性状态下实现最大光纤容量的值。
单模光纤容量演示和光功率。
为了理解在最近的单模光纤长距离传输实验中实现的光功率效率2, 3, 4，让我们分析一下展示该容量所需的光功率。在 2 中，容量 30 Tb/s 是以 6.1 bit/s/Hz 的频谱效率 (SE) 在横跨大西洋的距离上进行全 C 波段传输过程中实现的，EDFA 输出功率设置为大约 20 dBm，从操作角度来说接近最佳值。后续实验将带宽扩展到 C+L 波段，在横跨太平洋的更长距离 9,100 km 上将传输容量提高到了 44.1 Tb/s，光功率大致相同3。EDFA 光输出进一步提升大约 66 % 达到 22.2 dBm 时，仅使容量提高了大约 10%4。在所有实验中，选择具有适当频谱效率的调制格式使容量实现了最大化。根据这些结果，可以得出以下看法：
当光功率相近时，通过将光功率散布在更宽的带宽上，可以提高容量。这相当于将功率散布在更多纤芯或空间维度上，这意味着提高了 SDM 系统的容量，而总信号输出功率相当。系统设计和光功率优化。
要优化系统的功率效率，必须选择具有适当频率效率的调制格式
从功率限制条件下可实现的容量角度来说，在最佳系统非线性点运行并不是对功率的最佳利用。
光功率效率的一个指标可以定义为总容量与传输距离的乘积除以系统中各放大器的输出功率之和。图 2 中显示了两个不同频谱效率值的光功率效率指标随中继器间距的变化情况（假设放大器理想噪声系数为 3 dB）。该图表明，中继器间距约为 50 km 时，功率效率最高。为了便于比较，还显示了最近的传输演示 2-9 中实现的功率效率。下面详细讨论专门为提高功率效率而进行的实验8, 9 。光功率效率的提高可通过使用具有高接收器灵敏度的调制格式来实现。图 3 显示了频谱效率与 QPSK 相当并具有更好接收器灵敏度（大约 0.8 dB）的八维编码 8D-APSK 调制格式的示例。通过恰当选择中继器输出功率，在线性状态下运行传输系统是提高功率效率的另一种方式。最有效率的功率值远低于在非线性状态下实现最大光纤容量的值。在实验 8 中，通过在低输出功率下运行放大器，优化了功率效率。
功率效率的提高也可通过调整放大器带宽来实现。
通过带宽优化，每个中继器中不再需要增益均衡滤波器 (GEF)，从而降低了中继器平均输出损耗。8 中演示了使用低损耗 60 km 滤波器跨距、功率高效型调制格式和带宽优化 EDFA，并在由 10 个放大器构成的模块上执行增益平坦化的功率高效型传输。在 9750 km 的距离上进行 8.12 Tb/s 传输时，每个 EDFA 需要不超过 45 mW 的泵功率（图 4）。传输测试台在线性状态下运行，显示的最高记录功率效率为 54.8 (Pb/s)*(km/W) 9。
SDM 和功率效率
上面讨论的构想可以单独应用，以便提高光传输系统的功率效率和容量。利用空分多路复用 (SDM) 理念应用所有这些构想可以实现最大程度的容量提高。这是在考虑基本香农极限时的推断，较高的 SE 以越来越高的 SNR 为价值（图 5）。例如，将极化多路复用的 SE 从 2 b/s/Hz 加倍到 4 b/s/Hz 将需要 SNR 和所需功率提高大约 4.8 dB，而另一个系数 2x（从 SE=4 到 SE=8）需要 SNR 和功率进一步提高大约 7 dB。因此，11.8 dB 的总功率增加仅将 SE 从 2 b/s/Hz 提高了 4 倍。此外，光纤中的光信号功率增加会引起非线性损失的增加。或者，按照 SDM 方法，这 11.8 dB 的总功率增加可以在 15 个并行空间维度（纤芯、光纤）之间分摊，每个维度承载 2 b/s/Hz 的初始 SE。在这种情况下，总 SE 将为 30 b/s/Hz 而不是不考虑非线性的 8 b/s/Hz 单一维度估计值。
多芯光纤实验。
已经使用多芯光纤 (MCF) 进行了高容量、功率高效型 SDM 传输的演示10。在此工作中，传输路径基于具有扇入和扇出装置的 46 km 12 芯光纤卷。具有 110 m2 有效面积并包含扇入扇出装置的全部 12 个纤芯的平均损耗为 9.7 dB。通过使用大量空间维度（纤芯）并使用具有约 22 nm 带宽的单级 EDFA 降低光纤中的功率和非线性，功率效率实现了最大化。工作带宽的宽度和位置已进行优化，可实现最大功率效率和增益平坦化，同时在每个放大器中避免使用 GFF。使用 12 芯光纤和功率高效型 8D-APSK [8] 调制格式展示了 105.1 TB/s 的总传输容量。图 6 显示了为单一纤芯中的 82 个通道测量的性能。传输回路设置中的 12 个 EDFA 使用的总泵功率不超过额定功率为 800 mW 的单个泵浦激光二极管的额定值。
结论
为光纤放大器输送电力的能力是长距离海底光缆的一个限制因素。这一限制要求找到有效率的光功率使用方式。实践证明，空分多路复用与调制方案、中继器间距和放大器设计的优化相结合是未来的发展方向。
作者：
Alexei Pilipetskii、Dmitri Foursa、Maxim Bolshtyansky、Georg Mohs 和 Neal S. Bergano。本论文最初在 SubOptic 2016 上提出，获得了 SubOptic 2016 行业卓越最佳论文奖。
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