2015年5月JLT光通信论文评析
发布时间：2015-06-10 07:03:16 热度：1450
光纤在线特约编辑：邵宇丰 王炼栋
2015年5月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
网络虚拟化被广泛认为是未来互联网架构的主要模式之一，因为这种模式具有许多优点，包括可扩展性强、网络资源可按需分配、网络资源的利用率有望提高等。来自英国利兹大学电子与电气工程学院的科研人员，提出了一种用于云计算网络的高效节能虚拟网络映射法（EEVNE），其在网络和数据中心里通过整合资源来达到节省能耗的目的。科研人员采用混合整数线性规划（MILP）来模拟这种方法在波分复用（WDM）网络上的应用。他们将高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）与相关文献中的两种方法——带宽成本法（CostVNE）和能量感知法（VNE-EA）进行了性能比较。带宽成本法（CostVNE）是将可用带宽的使用最优化；能量感知法（VNE-EA）是通过减少处于激活状态的节点及链路数量来使功耗最小化，而不考虑数据中心和各种网络设备的具体功耗。模拟应用的对比结果表明，在一个低能效电源配置的数据中心中，与使用带宽成本法（CostVNE）相比，高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）最大省电可达到60％（平均20％）。科研人员还开发了一种用于探索研究的实时能量优化虚拟网络映射法（REOVNE），在节省能耗的性能方面接近于高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）。此外，他们还在采用高能效电源配置的数据中心中比较了上述的各种方法；研究了延迟和节点位置限制对虚拟网络映射法能量效率的影响；并且说明了为在云网络中达到最低的功耗，虚拟网络映射法（VNE）是如何影响数据中心的最佳位置设计。最后，科研人员分析了在光正交频分复用网络中，虚拟网络映射法（VNE）在节省能耗和提高频谱效率方面带来的好处。
无源和有源光子器件
来自俄罗斯圣彼得堡国立技术大学无线电物理科学系的科研人员，对基于外腔式光纤法布里-珀罗干涉仪（EFPI）的多路位移传感器分辨率进行了研究。他们仔细考虑了串行和并行这两种结构的情况，对二者的优点以及存在的问题进行了分析，并且开发了一种分析模型来描述这两种结构的分辨率极限。在实验中，串行和并行结构的多路位移传感器方案分别用三个和四个传感元件来实现。采用这两种结构的传感器，其光程差的标准差能够保持在30至80皮米（pm）之间，这是目前已知最好的性能；与任何其他曾经报导过的多路外腔式光纤法布里-珀罗干涉仪（EFPI）位移传感器的分辨率相比，要高出一个数量级。上述实验结果验证了科研人员分析预测的准确；他们还研发了与实现传感器分辨率相关的数学装置，可用于设置多路传感器的数量和光学参数，同样在实验结果中得到了良好的验证。此外，科研人员对传感器串扰的主要可能来源也进行了描述，并在实验中证明了这种考虑的重要性；基于相关的理论分析和实验研究，他们还提出了一些建议，来致力于进一步优化传感器的分辨率和消除串音的影响。
来自日本静冈大学工程研究生院的研究人员首次提出了一种对光脉冲同时进行相乘和整形的有效方法，这种方法是基于一个利用布拉格光纤光栅的三重采样光谱滤波器。该方法能够产生一个光脉冲序列，且具有很大的倍乘因子和任意强度的脉冲形状。研究人员通过实例对所提出的方法进行了验证，他们从1 GHz的变换极限高斯脉冲序列中生成了重复频率为225 GHz的脉冲序列，并且具有平顶形或三角形的脉冲形状。
光传输
可见光通信（VLC）是一种新近出现的技术，这种技术通过利用可见光波段范围内（370～780纳米）的电磁波为载体，在提供数据传输功能的同时也能具有照明功能。为了能在室内环境中，最大限度地提高数据传输速率并适应用户的移动性，对通信信道进行特征描述是至关重要的。来自捷克技术大学电气工程学院电磁场系和英国诺森比亚大学工程与环境学院的科研人员介绍了他们所做的分析和实验的结果，这些分析和实验是针对在不同室内环境下（例如有家具的办公室、空荡荡的大厅、走廊等），人的移动对可见光通信（VLC）系统所产生的影响。可见光通信（VLC）系统利用的是多个安装在天花板上的发光二极管，配置成四散发光，没有方向性。由于室内环境中人移动的随机性，科研人员注意到这种移动会形成对光的遮蔽和阻断，从而影响到传输数据的可见光链路；因此，他们通过使用接收功率分布和延迟分布的累积分布函数，来研究链路信道特性的变化对通信系统性能的影响。科研人员验证了不同的场景中通信信道的特性，在走廊里，信道对抗由人移动造成的信号衰减能力最强；在办公室和大厅里，接收功率的波动会导致信道性能最脆弱。
为了应对未来可以预见的数据传输容量的不足，下一代光传输系统的目标在于利用更高阶的正交幅度调制格式，从而与当前正在运行的商业系统相比，实现更高的频谱利用率（SE）。尤其是要实现高达1 Tb /s传输速率的设想，则采用超级信道方式要优于采用标准50 GHz奈奎斯特滤波安置的波分复用（WDM）信道。此外，利用在超级信道中增加每个子载波符号速率的方法，可有效减少实现1 Tb /s传输速率时的元器件数量，从而降低总体成本。在这方面，来自荷兰埃因霍温科技大学电气工程系和德国科锐安公司的研究人员解决了一系列的难题，包括由数模转换器（DAC）低通滤波引起的符号间干扰（ISI）、超级信道内部的串扰危害，以及在选择前向纠错（FEC）码时要考虑电子元器件性能的限制。他们采用数字预加重技术减小数模转换器（DAC）引起的符号间干扰（ISI）；选定1.2倍符号速率作为子载波间隔，将串扰危害在Q2中限制到小于0.5dB；用23％的前向纠错（FEC）码开销使限幅转发器数量达到四个，实现了1 Tb /s的净数据传输速率。为达到5.0 b/s/Hz的频谱利用率（SE），分配给超级信道的光谱带宽为200 GHz；研究人员在三种不同的光纤传输平台上，通过试验对波分复用（WDM）传输性能进行了评估：三种光纤分别是标准单模光纤（SSMF）、大面积纯硅芯光纤（LAPSCF）和大有效面积光纤（LEAF），跨距长度分别为95/121公里、82/164公里和81公里。包含 8×100-Gb /s波分复用（WDM）信道的1-Tb /s 超级信道，在预前向纠错（FEC）阈值为3.37×10-2时，对应于标准单模光纤（SSMF）、大面积纯硅芯光纤（LAPSCF）和大有效面积光纤（LEAF），其最大可传输距离分别为1110公里、1921公里和789公里；通过采用EDFA（掺铒光纤放大）-拉曼混合放大器对传输性能进一步改善以后，在同样的预前向纠错（FEC）阈值下，可达到的传输距离分别扩大至2054公里、2952公里和1341公里；再采用单信道数字反向传播来减少非线性相位噪声之后，传输的最大距离最终分别扩大至2262公里、3349公里和1530公里。
在光中继无线通信系统的无线传输信道中，湍流、路径损耗和指向误差都会导致信号损伤；因此，来自印度德里理工学院电子与通信工程部的科研人员，对处于上述传输条件下的基于子载波强度调制的光中继无线通信系统进行了分析。系统的中继方式按照放大及转发中继协议，光链路采用假设独立但不同分布（i.n.i.d）的伽玛伽玛衰落统计来建模。科研人员推导出了一个新的解析表达式，其等同于端到端目的地位置信号信噪比（SNR）的矩量母函数和累积分布函数，并且利用这个表达式获得了中断概率的精确解析表达式、以及分别对应于M进制相移键控和M进制正交幅度调制星座图的平均误符号率。这些结果是依据一些特殊函数（例如广义二元梅耶尔G-函数）而获得的，为了进行更深入的研究，科研人员还提出了在高信噪比值处的渐近分析方法，目的是了解各种参数对系统性能的影响。
光调制与光信号处理
来自欧洲电信标准化协会西班牙马德里自治大学通信系和维戈大学通信系的科研人员对差分群延迟做了研究，这种差分群延迟是在带有纵向偏移耦合器的微环耦合谐振器波导中获得的。科研人员设计了多种基于该效应的设备装置，并使用有限差分时域法进行了分析；最后还讨论了这些设备装置的潜在用途。
高效的非线性四波混频（FWM）相互作用可以通过对所涉及的光波进行相位匹配或者准相位匹配（QPM）来实现。通常这仅限于一组四波混频（FWM）过程的实现。来自比利时布鲁塞尔自由大学应用物理与光子学系布鲁塞尔光子学团队的研究人员研制出一种方法，可以同时实现两组任意四波混频（FWM）过程的准相位匹配（QPM）。这种双重准相位匹配（QPM）方法综合了两种准相位匹配（QPM）技术，也就是对一组过程通过相位失配切换进行准相位匹配（QPM），而对另一组过程通过色散补偿进行准相位匹配（QPM）。据研究人员介绍，这是第一种可以实现两个任意四波混频（FWM）过程高效相互作用的方案；在本质上，只要是在所关注波长域中具有单个零色散点特征的任何类型波导介质，都可以采用这种方案。研究人员利用该方案的原理设计出两种设备，即波长转换开关和一对二拉曼波长转换器，可以在比以前更大的光泵信号频率差下运行。双重准相位匹配（QPM）方法允许光波通过更大数量的非线性光学过程实现相互作用，并且因此产生了许多基于四波混频（FWM）的新应用。
来自伊朗德黑兰大学工学部电子与计算机工程学院和应用电磁系统卓越中心的研究人员介绍了一种用于分析多层弯曲光波导的新方法，其中主要使用了积分方程技术。他们利用等效性原理构成一个混合场积分方程（CFIE），使用复杂图像格林函数可以及时获得这个混合场积分方程（CFIE）的解，这是一种解方程速度很快、准确度很高的方法，并能够同时减少计算的复杂度。上述研究人员所提出的方法被应用于一般的二维多层弯曲光波导，分析结果与采用物理光学方法的结果进行了比较，其准确度得到了验证。
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单边带光调制技术可以应用在多射频光传输链路上。人们通常认为在射频输出的功耗上，单边带光调制要低于传统的双边带调制技术。然而，这种论断在一些特定的情况下是成立的，但并不是在所有的情况下都成立。来自美国瑞特-帕特森空军基地空军研究实验室传感器部、空军研究实验室材料与制造部和UES股份有限公司的研究人员，通过理论和实验对采用单边带光调制技术的光链路射频性能进行了分析，这里所用的单边带光调制是由带有90°射频混合的Z切割双电极马赫-曾德尔强度调制器产生的。研究人员将这种单边带光调制技术的性能与同样使用马赫-曾德尔调制器（采用带有180°射频混合的推挽式结构，或者采用单臂驱动结构）的双边带调制技术性能做了对比。主要是通过理论分析和实验比较了两者的光边带功率、射频输出功率、输出拦截功率和三阶互调非线性无杂散动态范围。此外，还从理论上与使用X切割推挽马赫-曾德尔调制器的双边带调制链路进行了性能的比较，比较时假定推挽马赫-曾德尔调制器的Vπ和插入损耗与单边带光调制所用的双电极马赫-曾德尔调制器相同。
2015年5月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
网络虚拟化被广泛认为是未来互联网架构的主要模式之一，因为这种模式具有许多优点，包括可扩展性强、网络资源可按需分配、网络资源的利用率有望提高等。来自英国利兹大学电子与电气工程学院的科研人员，提出了一种用于云计算网络的高效节能虚拟网络映射法（EEVNE），其在网络和数据中心里通过整合资源来达到节省能耗的目的。科研人员采用混合整数线性规划（MILP）来模拟这种方法在波分复用（WDM）网络上的应用。他们将高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）与相关文献中的两种方法——带宽成本法（CostVNE）和能量感知法（VNE-EA）进行了性能比较。带宽成本法（CostVNE）是将可用带宽的使用最优化；能量感知法（VNE-EA）是通过减少处于激活状态的节点及链路数量来使功耗最小化，而不考虑数据中心和各种网络设备的具体功耗。模拟应用的对比结果表明，在一个低能效电源配置的数据中心中，与使用带宽成本法（CostVNE）相比，高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）最大省电可达到60％（平均20％）。科研人员还开发了一种用于探索研究的实时能量优化虚拟网络映射法（REOVNE），在节省能耗的性能方面接近于高效节能虚拟网络映射法（EEVNE）。此外，他们还在采用高能效电源配置的数据中心中比较了上述的各种方法；研究了延迟和节点位置限制对虚拟网络映射法能量效率的影响；并且说明了为在云网络中达到最低的功耗，虚拟网络映射法（VNE）是如何影响数据中心的最佳位置设计。最后，科研人员分析了在光正交频分复用网络中，虚拟网络映射法（VNE）在节省能耗和提高频谱效率方面带来的好处。
无源和有源光子器件
来自俄罗斯圣彼得堡国立技术大学无线电物理科学系的科研人员，对基于外腔式光纤法布里-珀罗干涉仪（EFPI）的多路位移传感器分辨率进行了研究。他们仔细考虑了串行和并行这两种结构的情况，对二者的优点以及存在的问题进行了分析，并且开发了一种分析模型来描述这两种结构的分辨率极限。在实验中，串行和并行结构的多路位移传感器方案分别用三个和四个传感元件来实现。采用这两种结构的传感器，其光程差的标准差能够保持在30至80皮米（pm）之间，这是目前已知最好的性能；与任何其他曾经报导过的多路外腔式光纤法布里-珀罗干涉仪（EFPI）位移传感器的分辨率相比，要高出一个数量级。上述实验结果验证了科研人员分析预测的准确；他们还研发了与实现传感器分辨率相关的数学装置，可用于设置多路传感器的数量和光学参数，同样在实验结果中得到了良好的验证。此外，科研人员对传感器串扰的主要可能来源也进行了描述，并在实验中证明了这种考虑的重要性；基于相关的理论分析和实验研究，他们还提出了一些建议，来致力于进一步优化传感器的分辨率和消除串音的影响。
来自日本静冈大学工程研究生院的研究人员首次提出了一种对光脉冲同时进行相乘和整形的有效方法，这种方法是基于一个利用布拉格光纤光栅的三重采样光谱滤波器。该方法能够产生一个光脉冲序列，且具有很大的倍乘因子和任意强度的脉冲形状。研究人员通过实例对所提出的方法进行了验证，他们从1 GHz的变换极限高斯脉冲序列中生成了重复频率为225 GHz的脉冲序列，并且具有平顶形或三角形的脉冲形状。
光传输
可见光通信（VLC）是一种新近出现的技术，这种技术通过利用可见光波段范围内（370～780纳米）的电磁波为载体，在提供数据传输功能的同时也能具有照明功能。为了能在室内环境中，最大限度地提高数据传输速率并适应用户的移动性，对通信信道进行特征描述是至关重要的。来自捷克技术大学电气工程学院电磁场系和英国诺森比亚大学工程与环境学院的科研人员介绍了他们所做的分析和实验的结果，这些分析和实验是针对在不同室内环境下（例如有家具的办公室、空荡荡的大厅、走廊等），人的移动对可见光通信（VLC）系统所产生的影响。可见光通信（VLC）系统利用的是多个安装在天花板上的发光二极管，配置成四散发光，没有方向性。由于室内环境中人移动的随机性，科研人员注意到这种移动会形成对光的遮蔽和阻断，从而影响到传输数据的可见光链路；因此，他们通过使用接收功率分布和延迟分布的累积分布函数，来研究链路信道特性的变化对通信系统性能的影响。科研人员验证了不同的场景中通信信道的特性，在走廊里，信道对抗由人移动造成的信号衰减能力最强；在办公室和大厅里，接收功率的波动会导致信道性能最脆弱。
为了应对未来可以预见的数据传输容量的不足，下一代光传输系统的目标在于利用更高阶的正交幅度调制格式，从而与当前正在运行的商业系统相比，实现更高的频谱利用率（SE）。尤其是要实现高达1 Tb /s传输速率的设想，则采用超级信道方式要优于采用标准50 GHz奈奎斯特滤波安置的波分复用（WDM）信道。此外，利用在超级信道中增加每个子载波符号速率的方法，可有效减少实现1 Tb /s传输速率时的元器件数量，从而降低总体成本。在这方面，来自荷兰埃因霍温科技大学电气工程系和德国科锐安公司的研究人员解决了一系列的难题，包括由数模转换器（DAC）低通滤波引起的符号间干扰（ISI）、超级信道内部的串扰危害，以及在选择前向纠错（FEC）码时要考虑电子元器件性能的限制。他们采用数字预加重技术减小数模转换器（DAC）引起的符号间干扰（ISI）；选定1.2倍符号速率作为子载波间隔，将串扰危害在Q2中限制到小于0.5dB；用23％的前向纠错（FEC）码开销使限幅转发器数量达到四个，实现了1 Tb /s的净数据传输速率。为达到5.0 b/s/Hz的频谱利用率（SE），分配给超级信道的光谱带宽为200 GHz；研究人员在三种不同的光纤传输平台上，通过试验对波分复用（WDM）传输性能进行了评估：三种光纤分别是标准单模光纤（SSMF）、大面积纯硅芯光纤（LAPSCF）和大有效面积光纤（LEAF），跨距长度分别为95/121公里、82/164公里和81公里。包含 8×100-Gb /s波分复用（WDM）信道的1-Tb /s 超级信道，在预前向纠错（FEC）阈值为3.37×10-2时，对应于标准单模光纤（SSMF）、大面积纯硅芯光纤（LAPSCF）和大有效面积光纤（LEAF），其最大可传输距离分别为1110公里、1921公里和789公里；通过采用EDFA（掺铒光纤放大）-拉曼混合放大器对传输性能进一步改善以后，在同样的预前向纠错（FEC）阈值下，可达到的传输距离分别扩大至2054公里、2952公里和1341公里；再采用单信道数字反向传播来减少非线性相位噪声之后，传输的最大距离最终分别扩大至2262公里、3349公里和1530公里。
在光中继无线通信系统的无线传输信道中，湍流、路径损耗和指向误差都会导致信号损伤；因此，来自印度德里理工学院电子与通信工程部的科研人员，对处于上述传输条件下的基于子载波强度调制的光中继无线通信系统进行了分析。系统的中继方式按照放大及转发中继协议，光链路采用假设独立但不同分布（i.n.i.d）的伽玛伽玛衰落统计来建模。科研人员推导出了一个新的解析表达式，其等同于端到端目的地位置信号信噪比（SNR）的矩量母函数和累积分布函数，并且利用这个表达式获得了中断概率的精确解析表达式、以及分别对应于M进制相移键控和M进制正交幅度调制星座图的平均误符号率。这些结果是依据一些特殊函数（例如广义二元梅耶尔G-函数）而获得的，为了进行更深入的研究，科研人员还提出了在高信噪比值处的渐近分析方法，目的是了解各种参数对系统性能的影响。
光调制与光信号处理
来自欧洲电信标准化协会西班牙马德里自治大学通信系和维戈大学通信系的科研人员对差分群延迟做了研究，这种差分群延迟是在带有纵向偏移耦合器的微环耦合谐振器波导中获得的。科研人员设计了多种基于该效应的设备装置，并使用有限差分时域法进行了分析；最后还讨论了这些设备装置的潜在用途。
高效的非线性四波混频（FWM）相互作用可以通过对所涉及的光波进行相位匹配或者准相位匹配（QPM）来实现。通常这仅限于一组四波混频（FWM）过程的实现。来自比利时布鲁塞尔自由大学应用物理与光子学系布鲁塞尔光子学团队的研究人员研制出一种方法，可以同时实现两组任意四波混频（FWM）过程的准相位匹配（QPM）。这种双重准相位匹配（QPM）方法综合了两种准相位匹配（QPM）技术，也就是对一组过程通过相位失配切换进行准相位匹配（QPM），而对另一组过程通过色散补偿进行准相位匹配（QPM）。据研究人员介绍，这是第一种可以实现两个任意四波混频（FWM）过程高效相互作用的方案；在本质上，只要是在所关注波长域中具有单个零色散点特征的任何类型波导介质，都可以采用这种方案。研究人员利用该方案的原理设计出两种设备，即波长转换开关和一对二拉曼波长转换器，可以在比以前更大的光泵信号频率差下运行。双重准相位匹配（QPM）方法允许光波通过更大数量的非线性光学过程实现相互作用，并且因此产生了许多基于四波混频（FWM）的新应用。
来自伊朗德黑兰大学工学部电子与计算机工程学院和应用电磁系统卓越中心的研究人员介绍了一种用于分析多层弯曲光波导的新方法，其中主要使用了积分方程技术。他们利用等效性原理构成一个混合场积分方程（CFIE），使用复杂图像格林函数可以及时获得这个混合场积分方程（CFIE）的解，这是一种解方程速度很快、准确度很高的方法，并能够同时减少计算的复杂度。上述研究人员所提出的方法被应用于一般的二维多层弯曲光波导，分析结果与采用物理光学方法的结果进行了比较，其准确度得到了验证。
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单边带光调制技术可以应用在多射频光传输链路上。人们通常认为在射频输出的功耗上，单边带光调制要低于传统的双边带调制技术。然而，这种论断在一些特定的情况下是成立的，但并不是在所有的情况下都成立。来自美国瑞特-帕特森空军基地空军研究实验室传感器部、空军研究实验室材料与制造部和UES股份有限公司的研究人员，通过理论和实验对采用单边带光调制技术的光链路射频性能进行了分析，这里所用的单边带光调制是由带有90°射频混合的Z切割双电极马赫-曾德尔强度调制器产生的。研究人员将这种单边带光调制技术的性能与同样使用马赫-曾德尔调制器（采用带有180°射频混合的推挽式结构，或者采用单臂驱动结构）的双边带调制技术性能做了对比。主要是通过理论分析和实验比较了两者的光边带功率、射频输出功率、输出拦截功率和三阶互调非线性无杂散动态范围。此外，还从理论上与使用X切割推挽马赫-曾德尔调制器的双边带调制链路进行了性能的比较，比较时假定推挽马赫-曾德尔调制器的Vπ和插入损耗与单边带光调制所用的双电极马赫-曾德尔调制器相同。
