2019年8月JLT光通信论文评析
发布时间：2019-09-17 10:47:06 热度：1836
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
2019年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无线光传输系统，光纤传感技术，光滤波器，光网络以及光纤辅助无线通信等。笔者将逐一评析。
1. 无线光传输系统
埃因霍温科技大学的Xuebing Zhang等科研人员设计了一种基于阵列波导光栅路由器（AWGR）的室内二维红外波束控制光无线通信（OWC）系统的串扰缓解传输方案。通过在奇数和偶数AWGR信道之间创建极化正交性，实现频谱重叠的AWGR信道之间的高串扰容限。由于具有正交偏振态的两个信号在光电二极管中不会相互影响，正交偏振态上的光学串扰在检测时不会产生拍频，因此可以大大减少电域中的串扰效应；减少的串扰可使得所需的保护频带减少（提高了对频谱重叠的容忍度），从而使系统具有更高的频谱效率。此外，通过缩短芯片上相邻输出波导之间的空间间隙，可以增加AWGR的端口数量。该技术对于AWGR和激光器之间的波长失调具有更好的包容性，因此可以降低串扰AWGR和高波长稳定激光器的设计难度。科研人员设计了一个基于四级脉冲调制（4-PAM）的OWC实验系统，信号传输速率可达到20 Gbit/s，传输距离为1.2 m[1]。
图1 基于AWGR的二维红外波束控制无串扰传输方案的工作原理；（a）PBC偶数通道的输入光谱；（b）PBC奇数通道的输入光谱；（c）PBC后的组合光谱；（d）-（e）通道n和n + 1的光谱；（f）- g）检测到的电谱
2. 光纤传感技术
为实现更广泛的应变测量范围，哈尔滨工业大学的Shiyuan Zhao等科研人员设计了一个基于光频域反射仪的传感系统，演示了光谱配准和空间校准等功能，并分别在动和静态测量的情况下分析了该方案的可行性。科研人员展示了光谱配准解调应变值，不仅使数据采集速率提高了数十倍，还保持了较高的测量范围，测量速率达到了800 Hz；他们分析了大应变测量过程的难度，并设计了一种光谱校准和空间校准相结合的方法，可减少应变变化较大时的失配。为保持较高的空间分辨率，科研人员还设计了一种提取局部测量谱段进行光谱校准的方法，可以实现精确解调过程，标距长度为5 mm；他们还在加速解调过程的图形处理单元应用中提高了数据处理速率，使得该技术将更有希望在实际生活中得以应用[2]。
图2 （a）实现分布式应变测量的OFDR系统的实验装置
3. 光滤波器
加拿大劳里埃大学的Li Wei等科研人员设计了一种全光纤波长连续可调的平顶梳状滤波器。该梳状滤波器采用双通马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，内置两个耦合器和一个偏振控制器（PC）。科研人员展示了无PC的双通MZI设计过程，以获得耦合器的最优耦合比；然后分析了耦合比对梳状滤波光谱的影响。在该梳状滤波器中，第二耦合器设置为3 dB耦合器以形成与PC同步插入的光纤环路。在PC协助下，光纤环镜（FLM）为双通道结构提供可变反馈过程，进而实现梳状滤波器的频谱响应平坦化和波长可调特性。仿真结果表明，通过改变PC状态，可实现可调谐的平顶光谱；并且借助可旋转的偏振器能在自由光谱范围内连续调节平顶光谱。独特的调谐特性使得该滤波器成为密集可重配波分复用网络中应用的理想选择器件[3]。
图3 双通MZI梳状滤波器的配置方案
4. 光网络
韩国汉阳大学的Jin Seek Choi等科研人员对软件定义的光传输网络（SD-OTN）的分层域间配置（HIP）框架结构进行了性能和可扩展性分析，以降低底层OTN的域间路由和波长分配（RWA）过程的复杂度。科研人员通过实验测试平台搭建了HIP架构，确保在分层控制平面架构中无缝集成多个OTN的过程，并研究了基于封闭排队模型的吞吐量、延迟时间和功率度量等问题。研究结果表明，HIP架构显著提高了大规模OTN配置时延和吞吐量方面的性能。尽管阻塞概率具有边际效益，但该架构通过在多域SD-OTN使用三层控制平面体系结构，将可扩展性提高了24000倍[4]。
图4 SD-OTN的分层域间配置
5. 光纤辅助无线通信
第五代移动通信（5G）移动前传（MFH）网络将需要高带宽和低延迟的数据传输过程。光载无线通信（RoF）技术作为一种节省带宽的有效方法，可以显著提高光纤通信的传输容量。华中科技大学的Yao Zhu等科研人员使用直接调制的三段分布式布拉格反射（3s-DBR）激光器演示了基于波分复用（WDM）的移动前传网络。为了传输多输入多输出（MIMO）的光载无线传输，采用了12个具有20 MHz保护频带的211 MHz带宽滤波过程生成了正交频分复用（OFDM）信号，并分别采用16QAM和64QAM调制生成的OFDM信号在20 km标准单模光纤（SSMF）信道上完成了传输实验。研究结果表明，当传输16QAM-OFDM信号时，12个信道都能满足3GPP标准的误差矢量幅度要求；而对于64QAM-OFDM信号，由于激光啁啾和光纤色散引起的信号衰减，无法保证在12信道中达到接收灵敏度要求[5]。
图5 基于WDM-PON网络的MFH网络结构
参考文献：
[1]. Xuebing Zhang, Chao Li. “Crosstalk-Mitigated AWGR-Based Two-Dimensional IR Beam-Steered Indoor Optical Wireless Communication System With a High Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3713–3720, August 1, 2019.
[2]. Shiyuan Zhao, Jiwen Cui. “Performance Investigation of OFDR Sensing System With a Wide Strain Measurement Range”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3721–3727, August 1, 2019.
[3]. Li Wei, Gerard Tatel, “Wavelength Continuously Tunable All-Fiber Flat-Top Comb Filter Based on a Dual-Pass Mach–Zehnder Interferometer”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3740–3749, August 1, 2019.
[4]. Jin Seek Choi, Se Joon Chun, “Performance Analysis of a Hierarchical Inter-Domain Provisioning Framework for Multi-Domain Software-Defined Optical Transport Networks”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3834–3843, August 1, 2019.
[5]. Yao Zhu, Yuze Wu, “Experimental Demonstration of a WDM-RoF Based Mobile Fronthaul With f-OFDM Signals by Using Directly Modulated 3s-DBR Laser”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 16, pp. 3875–3881, July 15, 2019.
2019年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无线光传输系统，光纤传感技术，光滤波器，光网络以及光纤辅助无线通信等。笔者将逐一评析。
1. 无线光传输系统
埃因霍温科技大学的Xuebing Zhang等科研人员设计了一种基于阵列波导光栅路由器（AWGR）的室内二维红外波束控制光无线通信（OWC）系统的串扰缓解传输方案。通过在奇数和偶数AWGR信道之间创建极化正交性，实现频谱重叠的AWGR信道之间的高串扰容限。由于具有正交偏振态的两个信号在光电二极管中不会相互影响，正交偏振态上的光学串扰在检测时不会产生拍频，因此可以大大减少电域中的串扰效应；减少的串扰可使得所需的保护频带减少（提高了对频谱重叠的容忍度），从而使系统具有更高的频谱效率。此外，通过缩短芯片上相邻输出波导之间的空间间隙，可以增加AWGR的端口数量。该技术对于AWGR和激光器之间的波长失调具有更好的包容性，因此可以降低串扰AWGR和高波长稳定激光器的设计难度。科研人员设计了一个基于四级脉冲调制（4-PAM）的OWC实验系统，信号传输速率可达到20 Gbit/s，传输距离为1.2 m[1]。
图1 基于AWGR的二维红外波束控制无串扰传输方案的工作原理；（a）PBC偶数通道的输入光谱；（b）PBC奇数通道的输入光谱；（c）PBC后的组合光谱；（d）-（e）通道n和n + 1的光谱；（f）- g）检测到的电谱
2. 光纤传感技术
为实现更广泛的应变测量范围，哈尔滨工业大学的Shiyuan Zhao等科研人员设计了一个基于光频域反射仪的传感系统，演示了光谱配准和空间校准等功能，并分别在动和静态测量的情况下分析了该方案的可行性。科研人员展示了光谱配准解调应变值，不仅使数据采集速率提高了数十倍，还保持了较高的测量范围，测量速率达到了800 Hz；他们分析了大应变测量过程的难度，并设计了一种光谱校准和空间校准相结合的方法，可减少应变变化较大时的失配。为保持较高的空间分辨率，科研人员还设计了一种提取局部测量谱段进行光谱校准的方法，可以实现精确解调过程，标距长度为5 mm；他们还在加速解调过程的图形处理单元应用中提高了数据处理速率，使得该技术将更有希望在实际生活中得以应用[2]。
图2 （a）实现分布式应变测量的OFDR系统的实验装置
3. 光滤波器
加拿大劳里埃大学的Li Wei等科研人员设计了一种全光纤波长连续可调的平顶梳状滤波器。该梳状滤波器采用双通马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，内置两个耦合器和一个偏振控制器（PC）。科研人员展示了无PC的双通MZI设计过程，以获得耦合器的最优耦合比；然后分析了耦合比对梳状滤波光谱的影响。在该梳状滤波器中，第二耦合器设置为3 dB耦合器以形成与PC同步插入的光纤环路。在PC协助下，光纤环镜（FLM）为双通道结构提供可变反馈过程，进而实现梳状滤波器的频谱响应平坦化和波长可调特性。仿真结果表明，通过改变PC状态，可实现可调谐的平顶光谱；并且借助可旋转的偏振器能在自由光谱范围内连续调节平顶光谱。独特的调谐特性使得该滤波器成为密集可重配波分复用网络中应用的理想选择器件[3]。
图3 双通MZI梳状滤波器的配置方案
4. 光网络
韩国汉阳大学的Jin Seek Choi等科研人员对软件定义的光传输网络（SD-OTN）的分层域间配置（HIP）框架结构进行了性能和可扩展性分析，以降低底层OTN的域间路由和波长分配（RWA）过程的复杂度。科研人员通过实验测试平台搭建了HIP架构，确保在分层控制平面架构中无缝集成多个OTN的过程，并研究了基于封闭排队模型的吞吐量、延迟时间和功率度量等问题。研究结果表明，HIP架构显著提高了大规模OTN配置时延和吞吐量方面的性能。尽管阻塞概率具有边际效益，但该架构通过在多域SD-OTN使用三层控制平面体系结构，将可扩展性提高了24000倍[4]。
图4 SD-OTN的分层域间配置
5. 光纤辅助无线通信
第五代移动通信（5G）移动前传（MFH）网络将需要高带宽和低延迟的数据传输过程。光载无线通信（RoF）技术作为一种节省带宽的有效方法，可以显著提高光纤通信的传输容量。华中科技大学的Yao Zhu等科研人员使用直接调制的三段分布式布拉格反射（3s-DBR）激光器演示了基于波分复用（WDM）的移动前传网络。为了传输多输入多输出（MIMO）的光载无线传输，采用了12个具有20 MHz保护频带的211 MHz带宽滤波过程生成了正交频分复用（OFDM）信号，并分别采用16QAM和64QAM调制生成的OFDM信号在20 km标准单模光纤（SSMF）信道上完成了传输实验。研究结果表明，当传输16QAM-OFDM信号时，12个信道都能满足3GPP标准的误差矢量幅度要求；而对于64QAM-OFDM信号，由于激光啁啾和光纤色散引起的信号衰减，无法保证在12信道中达到接收灵敏度要求[5]。
图5 基于WDM-PON网络的MFH网络结构
参考文献：
[1]. Xuebing Zhang, Chao Li. “Crosstalk-Mitigated AWGR-Based Two-Dimensional IR Beam-Steered Indoor Optical Wireless Communication System With a High Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3713–3720, August 1, 2019.
[2]. Shiyuan Zhao, Jiwen Cui. “Performance Investigation of OFDR Sensing System With a Wide Strain Measurement Range”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3721–3727, August 1, 2019.
[3]. Li Wei, Gerard Tatel, “Wavelength Continuously Tunable All-Fiber Flat-Top Comb Filter Based on a Dual-Pass Mach–Zehnder Interferometer”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3740–3749, August 1, 2019.
[4]. Jin Seek Choi, Se Joon Chun, “Performance Analysis of a Hierarchical Inter-Domain Provisioning Framework for Multi-Domain Software-Defined Optical Transport Networks”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3834–3843, August 1, 2019.
[5]. Yao Zhu, Yuze Wu, “Experimental Demonstration of a WDM-RoF Based Mobile Fronthaul With f-OFDM Signals by Using Directly Modulated 3s-DBR Laser”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 16, pp. 3875–3881, July 15, 2019.
