2019年7月JLT光通信论文评析
发布时间：2019-09-17 10:44:32 热度：1980
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，龙颖，胡钦政
2019年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感技术，激光器，调制技术，光网络以及编解码技术等。笔者将逐一评析。
1. 光纤传感技术
马德里康普顿斯大学的Mahmoud H. Elshorbagy等科研人员设计了一种可集成在光纤尖端并能在正常入射条件下工作的等离子体折射率传感器（该传感器的几何结构利用了折射率亚波长介质光栅的高对比度提供的大散射截面）。由于表面等离子共振（SPR）和光栅响应之间的干扰，该传感器可产生混合等离子体共振来改善折射率传感器的性能。为更好地优化该传感器性能，科研人员还设计了一个优化函数（考虑了SPR的品质因数（FOM）和测量界面的场增强功能）。科研人员对该设备进行了数值测试，结果显示该设备的灵敏度保持在980 nm/RIU至1000 nm/RIU之间，FOM为775 RIU，能够适用于多功能传感应用场景[1]。
图1 （a）Fano共振传感器 （b）传感器的纳米结构几何形状
2. 激光器
厦门大学的Yizhong Huang等科研人员通过采用泵浦重掺GeO2掺杂光纤（GDF）和耗散孤子共振（DSR）锁模掺Yb的光纤激光器，设计了一种可在拉曼光纤激光器中产生大能量超快脉冲的方案；通过利用GDF的大拉曼增益和DSR锁模脉冲的特性，可满足具有高失配容量和简单腔体设计的匹配条件。该拉曼光纤激光器可在1118nm处产生脉冲宽度为647ps或脉冲能量高达22nJ的脉冲；不仅可以实现拉曼激光脉冲与泵浦波之间的同步，而且还具有易调节脉冲持续时间和峰值功率的特性。该方案提供了一种可以在光纤激光器中产生能量可缩放以及波长通用（例如中红外）脉冲的潜在使用方法，具有低成本和紧凑结构的应用价值[2]。
图2 基于拉曼光纤激光器的实验配置
3. 调制技术
蒙特利尔麦吉尔大学的Alireza Samani等科研人员为提高信号调制性能，对传统马赫-曾德尔调制器（MZM）的结构进行了改进。我们知道，四进制脉冲幅度调制（PAM-4）已经替代开关键控（OOK）技术成为400 Gb/s短距离光通信系统常用的调制格式。科研人员为此设计了三种不同的硅光子MZM架构，可在光域中利用OOK电驱动信号生成PAM-4信号。科研人员还对调制器的传递函数和线性度进行了研究，比较了PAM-4信号的收发及传输性能。在没有数字信号处理（DSP）的条件下，上述调制器可以显著改善信号收发性能。科研人员还对每个调制器的功耗进行了分析，结果表明，与传统的MZM相比，多电极MZM在高信号速率下具有更明显的应用优势[3]。
图3 （a）TWMZM，（b）ME-MZM，（c）DP-MZM和（d）硅光子芯片的显微照片
4. 光网络
光网络的云化过程取代了传统模式下光网络中光信号的分配过程，但为之付出的代价是网络中收发光信号的延时增加。目前，因延时受限的应用程序数量正在激增，因此需要一种能够进行分布式计算的新架构来满足实际需要；而且未来5G应用也会对边缘云和数据中心网络提出更加严苛的时延和动态性要求。边缘云的建设过程中需要实现低时延（微秒级）和可靠的数据传输（纳秒级抖动）过程；因此，法国贝尔实验室的Nihel Benzaoui等科研人员设计了一种可满足未来边缘云建设要求的动态网络结构，为未来5G高动态、低延迟的业务应用奠定了基础[4]。
图4 边缘云的网络架构
5. 编解码技术
意大利都灵理工大学的Dario Pilori等科研人员设计了一种优化的软解码方案，可在强相位噪声的情况下改善信号收发性能。该技术可以在一定程度上克服光信号受光纤非线性克尔效应产生的相位噪声影响。研究证明，该方案显著改善了在低色散光纤上收发64-QAM光信号的性能；并可通过优化32-QAM光信号星座点的几何位置来提高系统传输信号性能[5]。
图5 实验验证方案框图
参考文献：
[1]. Mahmoud H. Elshorbagy, Alexander Cuadrado. “Performance improvement of refractometric sensors through hybrid plasmonic-Fano resonances”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2905–2913, July 1, 2019.
[2]. Yizhong Huang, Kaijie Wang, “Ultrafast Raman Fiber Laser Based on Cavity Matching Scheme and Heavily Germania-Core Fiber”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2914–2919, July 1, 2019.
[3]. Alireza Samani, Eslam El-Fiky, “Silicon Photonic Mach–Zehnder Modulator Architectures for on Chip PAM-4 Signal Generation”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2989–2999, July 1, 2019.
[4]. Nihel Benzaoui, Mijail Szczerban Gonzalez, “Deterministic Dynamic Networks (DDN)”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 14, pp. 3465–3474, July 15, 2019.
[5]. Dario Pilori, Antonino Nespola, “Non-Linear Phase Noise Mitigation Over Systems Using Constellation Shaping”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 14, pp. 3475–3482, July 15, 2019.
2019年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感技术，激光器，调制技术，光网络以及编解码技术等。笔者将逐一评析。
1. 光纤传感技术
马德里康普顿斯大学的Mahmoud H. Elshorbagy等科研人员设计了一种可集成在光纤尖端并能在正常入射条件下工作的等离子体折射率传感器（该传感器的几何结构利用了折射率亚波长介质光栅的高对比度提供的大散射截面）。由于表面等离子共振（SPR）和光栅响应之间的干扰，该传感器可产生混合等离子体共振来改善折射率传感器的性能。为更好地优化该传感器性能，科研人员还设计了一个优化函数（考虑了SPR的品质因数（FOM）和测量界面的场增强功能）。科研人员对该设备进行了数值测试，结果显示该设备的灵敏度保持在980 nm/RIU至1000 nm/RIU之间，FOM为775 RIU，能够适用于多功能传感应用场景[1]。
图1 （a）Fano共振传感器 （b）传感器的纳米结构几何形状
2. 激光器
厦门大学的Yizhong Huang等科研人员通过采用泵浦重掺GeO2掺杂光纤（GDF）和耗散孤子共振（DSR）锁模掺Yb的光纤激光器，设计了一种可在拉曼光纤激光器中产生大能量超快脉冲的方案；通过利用GDF的大拉曼增益和DSR锁模脉冲的特性，可满足具有高失配容量和简单腔体设计的匹配条件。该拉曼光纤激光器可在1118nm处产生脉冲宽度为647ps或脉冲能量高达22nJ的脉冲；不仅可以实现拉曼激光脉冲与泵浦波之间的同步，而且还具有易调节脉冲持续时间和峰值功率的特性。该方案提供了一种可以在光纤激光器中产生能量可缩放以及波长通用（例如中红外）脉冲的潜在使用方法，具有低成本和紧凑结构的应用价值[2]。
图2 基于拉曼光纤激光器的实验配置
3. 调制技术
蒙特利尔麦吉尔大学的Alireza Samani等科研人员为提高信号调制性能，对传统马赫-曾德尔调制器（MZM）的结构进行了改进。我们知道，四进制脉冲幅度调制（PAM-4）已经替代开关键控（OOK）技术成为400 Gb/s短距离光通信系统常用的调制格式。科研人员为此设计了三种不同的硅光子MZM架构，可在光域中利用OOK电驱动信号生成PAM-4信号。科研人员还对调制器的传递函数和线性度进行了研究，比较了PAM-4信号的收发及传输性能。在没有数字信号处理（DSP）的条件下，上述调制器可以显著改善信号收发性能。科研人员还对每个调制器的功耗进行了分析，结果表明，与传统的MZM相比，多电极MZM在高信号速率下具有更明显的应用优势[3]。
图3 （a）TWMZM，（b）ME-MZM，（c）DP-MZM和（d）硅光子芯片的显微照片
4. 光网络
光网络的云化过程取代了传统模式下光网络中光信号的分配过程，但为之付出的代价是网络中收发光信号的延时增加。目前，因延时受限的应用程序数量正在激增，因此需要一种能够进行分布式计算的新架构来满足实际需要；而且未来5G应用也会对边缘云和数据中心网络提出更加严苛的时延和动态性要求。边缘云的建设过程中需要实现低时延（微秒级）和可靠的数据传输（纳秒级抖动）过程；因此，法国贝尔实验室的Nihel Benzaoui等科研人员设计了一种可满足未来边缘云建设要求的动态网络结构，为未来5G高动态、低延迟的业务应用奠定了基础[4]。
图4 边缘云的网络架构
5. 编解码技术
意大利都灵理工大学的Dario Pilori等科研人员设计了一种优化的软解码方案，可在强相位噪声的情况下改善信号收发性能。该技术可以在一定程度上克服光信号受光纤非线性克尔效应产生的相位噪声影响。研究证明，该方案显著改善了在低色散光纤上收发64-QAM光信号的性能；并可通过优化32-QAM光信号星座点的几何位置来提高系统传输信号性能[5]。
图5 实验验证方案框图
参考文献：
[1]. Mahmoud H. Elshorbagy, Alexander Cuadrado. “Performance improvement of refractometric sensors through hybrid plasmonic-Fano resonances”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2905–2913, July 1, 2019.
[2]. Yizhong Huang, Kaijie Wang, “Ultrafast Raman Fiber Laser Based on Cavity Matching Scheme and Heavily Germania-Core Fiber”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2914–2919, July 1, 2019.
[3]. Alireza Samani, Eslam El-Fiky, “Silicon Photonic Mach–Zehnder Modulator Architectures for on Chip PAM-4 Signal Generation”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 13, pp. 2989–2999, July 1, 2019.
[4]. Nihel Benzaoui, Mijail Szczerban Gonzalez, “Deterministic Dynamic Networks (DDN)”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 14, pp. 3465–3474, July 15, 2019.
[5]. Dario Pilori, Antonino Nespola, “Non-Linear Phase Noise Mitigation Over Systems Using Constellation Shaping”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 14, pp. 3475–3482, July 15, 2019.
