2014年1月JLT光通信论文评析

2/12/2014,2014年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及光通信系统、无源和有源器件、光传输和光波导、调制器和光开关、能源管理、光纤维护，笔者将逐一评析。

作者：邵宇丰 王炼栋 

1．光网络及光通信系统
    香港城市大学电子工程系的科研人员在研究一种采用非分层替换路由与中继预留的电路交换多业务网络。他们在以溢出优先级分类近似（OPCA）作为基本概念的基础上，为网络拥塞概率的估计提出并研究了两种近似方法：溢出优先级分类近似法和基于业务的溢出优先级分类近似法。研究人员还在网络中将经典的爱尔兰定点近似法（EFPA）用于网络拥塞概率的估计，并提出了比较稳妥的解决方案：比较在采用爱尔兰定点逼近法和在采用溢出优先级分类近似法中所获值的最大值作为相对有效的估计值。研究人员通过仿真研究来对这几种近似法进行了比较，并讨论在不同的系统参数值（例如：业务的速率、带宽的需求、每个中继的信道数量、替代路径和中继预留的最大允许数量）情况下，各种网络信息流量等级的拥塞概率的精度。研究人员还进一步研究了这几种近似方法的鲁棒性，即在时间分布上均匀状态和非均匀状态下的性能，同时通过测量说明了在网络设计中采用这几种近似方法时，其误码率是在可接受范围之内的。研究结果还进一步表明上述几种近似方法能被应用到类似核心网（Core Network）这样的大型网络中去。

    来自中国电子科技大学的光纤传感和通信网络教育部重点实验室的研究人员提出了一种基于正交频分复用（OFDM）的城域接入集成网络（MAIN）。他们首次提出使用可扩展的全光虚拟专用网络（VPN）通信是可行的。两种类型的虚拟专用网络（VPN）通信（分别是跨VPN和VPN内的通信）同时在本论文提及的城域接入集成网络中得到应用。通过将VPN的光源放置在中心站（CO），并在中心站和每个中心节点（CN）级联一个有M * M个光开关的波长解复用器（DEMUX），就可在中心站实现VPN子频带和通信的集中动态管理。同时，通过采用所建议的VPN子带分配方案和回收过程，全光VPN的可扩展性和可重构性得到了显著改善。VPN的可扩展性理论分析有助于研究得到多路VPN通信信道的最小数量和最大数量值，并且多路通信也是城域接入集成网络同时支持的。此外，研究人员还研究和讨论了由于加宽激光线宽而引起的正交频分复用调制性能的退化问题。在所建议的采用正交频分复用技术的城域接入集成网络中，VPN内和跨VPN通信采用16位正交幅度调制技术，速率是10 Gbit /秒，这两种通信方式都已经仿真成功，仿真结果表明了该方案的未来实际应用的可行性。


2．无源和有源器件
    首次运用单片集成的铟镓砷磷/铟磷（InGaAsP / InP）设计和制造有源-无源8 × 8交叉连接器件的演示方案被来自荷兰埃因霍芬科技大学通信技术基础和应用研究所电子工程系、美国卡尔弗市光子公司的研究人员提出。他们实现了在单片芯片上同时完成空间域和波长域内的选择功能，首先是八路宽带信号输入到一个1× 8的宽带空间选择开关阵列，随后由八个8 ×8门控环状路由器阵列进行波长的选择。芯片上能够允许在面积14.6 ×6.7平方毫米大小的区域中集成136个半导体光学放大器门和8个环状路由器。在第一台原始芯片上，全部路径的84％用光连接和电子连接进行了全范围线路连通性评估。良好的环状路由器光谱均匀性和半导体光学放大器门损失补偿技术保证了芯片可以在较宽的光谱范围内正常运行。在芯片中大多数典型线路上，分析研究数据通过路由的情况，发现光信号的信噪比远大于30d。研究人员同时证明了动态可重构的路由上也可以同时发送四个不同波长的信号。开关的上升沿时间和下降沿时间经测量分别为3.8纳秒和3.2纳秒。

    要使可见光通信（VLC）系统速度提高、带宽增大以及硬件小型化，就必须提高发光二极管（LED）的调制速度。 而发光二极管的调制速度受到保留在耗尽电容内的残留载波限制。来自日本东京理科大学科学技术研究所电气工程部和日本信州大学电子与电气工程系的研究人员评估了一种可实现光传输速率增加的发光二极管驱动器，这种发光二极管驱动器首次在可见光通信系统的氮化镓发光二极管中清除了残留载波。这种驱动器是采用在电路板上分立的砷化镓场效应管和无源元器件制作的。经过光传输实验其结果表明，使用这种驱动器后，一组非归零（NRZ）伪随机二进制序列信号的最大无误差比特率从69Mb/秒 提高到95 Mb/秒（增长了38％）。可是，用于残留载波清除的额外电路增大了驱动器的功耗。为了减少功耗，研究人员使用了CMOS反相器，其中一个PMOS场效应管用于清除残留载波。驱动器采用0.18微米CMOS集成电路的制造工艺进行生产，然后再单个封装。实验结果表明，这种设计将最大无误差比特率从27.5 Mb/秒提高到51.8 Mb/秒（增长了88％）。采用该技术封装的驱动器在最大通信比特率上比在晶片上的驱动方法高20％。

    来自美国新墨西哥大学高科技材料中心、物理系和电气与计算机工程系的研究人员描述了在辐射压力驱动的光学机械射频振荡器中射频（RF）混频的过程以及信号下变频的过程。他们研究了光学机械混合过程中对射频频率的依赖性，还研究了光泵功率和波长失谐，并验证了下变频功率与射频输入功率成正比这一线性规律的存在。这些结果表明，在光纤链路和光射频接收器中，光学机械振荡器（OMO）将被用来作为潜在的射频下变频器。研究人员还验证了光学机械在下变频过程中的保真度，并首次演示了用光学机械方法从射频载波中下变频语音信号的方案。

    采用纳米结构的氮化镓基发光二极管（LED）具备高指标的提取效率，因此在固态照明方面的潜在应用前景引起了许多研究人员的密切关注。然而，纳米级的实现过程包含：工艺结构上具有大面积操作的可行性、低成本性和硬度。来自华中科技大学光电子信息学院、武汉光电国家实验室、武汉科技大学理学院和华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的研究人员将一个2英寸的阳极氧化铝（AAO）模板用作初始模具，并通过使用软紫外纳米压印光刻技术复制光子晶体状结构（PCLSs）到蓝光发光二极管上。研究人员同时研究了草酸铝水合物的溶解物，并用它来克服高电压阳极氧化处理时的烧穿问题，并指出该技术是大孔径（250～500 nm）氧化铝的制备关键。刻有150 nm深的光子晶体状结构的图形化发光二极管器件，与非图形化发光二极管器件相比较而言，在光致发光和电致发光方面分别有45 ％和11.4％的增强效果。研究人员采用3-D有限差分时域模拟技术证实了光子晶体状结构的形成将有效提高光提取效率，同时他们进一步指出该方法实现简单，价格便宜，可在大面积内重复使用，并能适用于未来高产量的生产线。

3．光传输和光波导
    来自芬兰的东芬兰大学光学院和阿尔托大学微型和纳米科学系的研究人员研究了亚波长尺寸级的低损耗非结晶二氧化钛（TiO2）带状波导。该波导是通过采用原子层沉积技术（ALD）、电子束光刻技术（EBL）和反应离子刻蚀技术（RIE）组合工艺进行制造的。研究人员发现此种带状波导的传输损耗在1.55微米波长上低至5.0分贝/平方厘米，并且传输损耗大多是由光刻工艺引起的侧壁面粗糙而导致的。传输损耗可以通过采用原子层沉积技术（ALD）在带状波导内增加二氧化钛（TiO2）附加层来进一步降低；经测量，在1.55微米波长上使用厚度为30nm的二氧化钛附加层可以使传输损耗从5.0±0.5分贝/厘米减少至2.4±0.2分贝/厘米。正是基于这一结果，经过再沉淀处理后，最初的波导侧壁（即二氧化钛/空气界面）实际上将换成新的含附加层侧壁，并能有效地减小侧壁粗糙度。

    加拿大渥太华大学电子工程和计算机科学学院微波光子实验室的研究人员提出并通过实验证明了在极化复用的波分复用无源光网络中采用法布里-珀罗激光二极管（FPLD）注入锁定技术，能进行对称超宽带（UWB）波段复用。在该方案中，下行的超宽带信号和基带信号在中心站产生并被极化复用，然后在光纤上被发送到基站（BS）。在基站处，一个下行信号被选定至注入锁定法布里-珀罗激光二极管。理论研究和实验研究都证明：与基带信号相比，上行业务对下行超宽带信号的调制深度表现较不敏感，并且使用下行超宽带信号作为注入信号将有助于使下行和上行业务具有更好的传输性能，因此下行超宽带信号被选定作为注入信号。研究人员完成实验发现，当法布里-珀罗激光二极管被用作下行超宽带信号注入锁定时，将为上行超宽带信号和基带信号传输重新产生一个清晰的光载波；实验同时验证了在25公里单模光纤（SMF）上采用单一波长完成1.25 Gb/s超宽带信号和10 Gb/s基带信号的点对点双向传输，并同时测量得到了下行和上行两个方向传输的误码率和眼图。

    目前，迫在眉睫的光信号容量限危机一直推动对光信号并行化处理的需求，而光信号容量危机要求光谱效率在未来几十年里超越香农极限的限制。为此，新兴的100 Gbps高速以太网业务利用并行光纤进行数据传输已经成为行业标准选项，这一技术同时被称为多信道分布接入技术。近年来，光网络中应用的正交频分复用（OFDM）技术在以太网并行化传输的实现上，将成为一个极具前景的传输方式。在并行方式的基础上，它可以根据用户变化的带宽需求而灵活改变光谱资源的分配；这种并行方式中，在比串行传输更低的速率上，每个子载波独立使用一个频隙。来自德国布伦瑞克卡洛罗威廉娜工业大学和印度孟买印度技术学院计算机科学和工程系的研究人员提出了一种新型并行传输框架，专为具有弹性的（基于正交频分复用（OFDM）技术）光网络设计，以支持高速以太网服务，并同时符合IEEE和ITU-T的标准。他们构想了一种整数线性设计的最优化模型，并考虑了各种制约因素，包括频谱分割，差分延迟和防护频带限制。还提出了一个一旦最优化模型应用受限时可使用的启发性算法。该研究结果表明了弹性光网络所具备的有效性和高适用性，并将支持高速以太网并行传输，尤其适用于需要高带宽的通信连接。据我们所知，这是首次尝试在弹性光网络中模拟并行传输，并用来支持一个标准化高速以太网系统通信的方案。

    来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员已经完成了传统光载无线通信（C-ROF）、数字光载无线通信（D-RoF）、采样光载无线通信（S-RoF）的传输设计，并通过实验证明了可以基于上述方案，能实验设计并实现宽带射频正交频分复用信号（OFDM）的传输和收发过程。传统光载无线通信是采用最简单的基站/射频拉远（BS / RRH）构架，但它要求较大的光通信线路带宽，采用该设计的信号传输性容易受到互调失真（IMD）和射频功率衰减的限制。对于基于带通采样的数字光载无线通信传输设计，虽然在数字光链路进行信号传递，但其性能受限于信号的整形和模数转换的精度。采样光载无线通信的传输要求光通信线路带宽很窄，但是其性能受到互调失真（IMD）和带通采样时引入的噪声限制。根据上述的研究分析和比较实验结果，研究人员提供了一些设计优化方案参考，并将其用于宽带射频正交频分复用信号传输的光纤无线融合系统设计。实验结果表明：传统光载无线通信最适合于短距离传输; 数字光载无线通信有最佳的通信性能，而采样光载无线通信为未来实用化提供了一个低成本的解决方案。

    高阶调制格式能够获得更高的频谱效率和数据传输速率。然而，在实际应用过程中，该技术将受到噪声容忍度和光信号功率的限制，实际应用中，噪声容忍度不能降低很多，而光信号功率不能太大，否则光信号发射到光纤上时会产生过多的非线性信号失真。在本文中，丹麦科技大学光学工程系的研究人员证明了使用自适应均衡技术能有效减轻光纤色散传播效应所导致的光信号接收性能下降，无论是有光纤色散受管理或没有色散管理的相干检测链路都适用该方法。研究人员同时对该解决方案的有效性在不同传输系统中进行了数值仿真和实验验证。


4．调制器和光开关
    分别来自巴西巴西利亚大学电气工程系OCN实验室、瑞典查尔姆斯理工大学信号系统系和美国斯坦福大学电气工程系金兹顿实验室的研究人员共同评估了可变码率收发器对波长路由光网络在成本、容量和生存性等方面的影响。在以50 GHz为间隔的信道组成的波长路由光网络中，传输速率和测量范围被量化，并采用两个假设的编码调制方案（积极方案和保守方案）实现。积极的方案中，采用64-正交幅度调制格式，容量间隙小，带宽余量少；保守的方案中，采用16-正交幅度调制格式，容量间隙大，带宽余量多。保守和积极的方案都被使用并在三种代表性的光网络中进行性能评估。研究人员进行计算时，非线性噪声影响被假定为加性高斯白噪声的影响。研究结果表明，可变码率收发器将采用软保护技术，从而使得保护光路运行时的数据传输速率远低于相对应的工作光路容限。研究发现：可变码率收发器在IP网络流量传输系统中应用尤其有效，因为通常在网络的维护周期中必须容忍信号传输容量的减少（平均高达25％）；研究发现，与现有工作在100、200或400 GB/秒速率的固定码率收发器相比，可变码率收发器具有节省收发器使用和减少波段占用的潜力。

    目前，很多研究人员特别关注在基于可重构光分插复用器（ROADM）和波长选择开关（WSS）的增强型波分复用网络中，降低功率激增负面效应的问题。在光网络负载动态变化的情况下，传统的方案常使用波长选择开关控制技术，这将导致整个通信链路上出现瞬态功率激增的现象。因此，研究人员考虑了采用如下两种波长选择开关控制策略进行跟踪：积分控制和改进的积分协调控制。对于这两种算法，收敛于一个孤立节点表明其依赖于光放大器的非线性增益。在具有独立控制可重构光分插复用器节点的链式光网络中，改进的波长选择开关有效控制着解耦节点，使整得个链路上波长选择开关引起的瞬态功率激增下降。在互连链式系统中，这些下降的边界范围采用L2标准，通过应用李雅普诺夫分析技术来解析与定量。来自加拿大多伦多大学电气与计算机工程系、美国阿尔卡特-朗讯公司、美国哥伦比亚大学电气与计算机工程系的研究人员验证和比较了两种波长选择开关控制策略的数值结果，并数值模拟研究了两个实用中动态会聚网络的负载情况。

    在动态光网络中，不同的链路产生不同质量的信号，因此速率自适应光纤收发器在利用现有资源的动态光网络中将发挥极其重要的作用。来自瑞典查尔姆斯理工大学和美国斯坦福大学的科研人员研究了速率自适应联合编码调制，通常被称为编码调制（CM）；并专注于非色散管理（Non-DM）的链路，他们同时利用目前最领先的技术对链路进行信道建模。研究人员引入了四维编码调制设计，比照现有的方法，这种设计能在数字信号处理的复杂度和有效性之间取得更好的折衷。研究人员创立了一个速率自适应的编码调制方案，该方案结合了提出了一种新型的单一低密度奇偶校验码，并使用了概率信号整形技术。随后研究人员评估了该编码调制设计方案的性能，指出该设计方案可用于长距离非色散管理光纤系统来进行单信道传输，方案中同时采用了电色散补偿技术。数值结果表明在很宽波段范围内其频谱效率的改善是较为显著的，与现有方法相比改善了1dB以上。

5．能源管理
    目前的网络设备通常提供了几种不同性能表现的能源使用方式。举例来说，在光无源接入以太网络（EPON）中，光网路单元（ONU）在没有数据传输时就会关闭其发射机的使用，这种低功耗模式常被称为休眠模式，该模式如果被高效使用的话则可以在以太无源光网络上显著降低功耗。本文中，西班牙维戈大学远距离通信工程系的研究人员通过模拟在许多不同的场合下使用这种模式来评估所获得的光接入网节能潜力。具体来说，他们分析了使用动态带宽分配（DBA）算法的影响，以及在不同休眠模式下能源使用效率和帧延迟管理的模式。

6．光纤维护
    虽然二氧化硅和氟化物玻璃的熔融温度有很大的区别，但是来自德国布伦瑞克工业大学高频技术研究所的研究人员提出了一个创新的热熔接方法，并利用该方法来连接这两种光纤，从而实现光纤接头处达到的最低衰减值为0.2dB左右。值得注意的是，这种热熔接方法非常稳定，很容易封装和并能嵌入到一个光纤激光器的基本结构中。

    折射率匹配的固体材料，使人们能够像连接传统单模光纤那样连接含气孔的光纤。来自日本电报电话公司和NTT接入网络服务系统实验室的研究人员公布了对固体折射率匹配材料进行的适用性研究成果，以便应用在光纤的现场组装拼接技术上。研究人员根据光纤弯曲实验研究了耐压力和弯曲损耗特性，并研究了在现场连接时，固体材料硬度冲击产生的连接损耗特性，在此基础上推导出使固体材料的硬度和光纤的弯曲程度两者都适合的连接条件。最后，研究人员通过实验证明了所提出的连接方法是有效的。