2014年2月JLT光通信论文评析

3/16/2014,光纤在线讯，2014年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、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。

作者：光纤在线特约编辑 邵宇丰 王炼栋 

1. 光网络及子系统
　　室内光通信网络必须支持大量各种类型的服务，这类服务与不同的需求相关，例如通信带宽、服务品质以及可靠性。在保持低成本和低能耗水平的同时，室内光通信网络还必须同时支持有线连接方式和无线连接方式。来自荷兰埃因霍芬理工大学电气工程系计算机化布尔可靠性分析学院的研究人员提出了在室内宽带接入网络领域使用光通信技术解决方案的最新研究结果。研究人员回顾了低成本低能耗融合光纤室内网络的建筑结构、经济性和技术手段，并与当前的铜线解决方案进行了比较，特别关注了高容量多模（可塑）光纤技术、光载无线通信技术，按需提供容量技术和无线光通信技术。最后，研究人员从技术演进的角度描绘了如何通过引入这些强有力的技术和光通信网络架构成逐步满足室内光通信多用户接入需求的。
　　
　　来自NEC公司和NEC实验室的研究人员提出并讨论了软件定义网络（SDN）的扩展问题，以及为了动态柔性网格波长电路设计而涉及的关于光纤接入/汇聚网的OpenFlow技术原理。第一个实验演示了基于OpenFlow 1.0的柔性网格λ-流架构，这是用于每蜂窝150 Mb/s动态速率的4G正交频分多址（OFDMA）移动回程（MBH）网，这个移动回程网建立在10 Gbps无源光网络（PON）上且没有光网络单元（ONU）侧光学滤波、放大或相干检测，此外还详细描述承载光网的20多公里1:64分光的标准单模光纤（SSMF）。研究人员所提出的方法很有吸引力，可以通过光纤接入/汇聚网络在传统光纤基础设施上支持高速度、低时延、高服务质量（QoS）的点播业务。
2. 无源和有源光子器件
　　大气中灰尘、水蒸汽等紊动对光信号的干扰（大气湍流）和指向误差会引起自由空间光通信信号强度的起伏波动并由此削弱链路性能。在过去科研人员提出了几种可以减轻信号波动的接收器结构，但这些现有接收器高度依赖于信道模型和模型参数，因此如果信道模型或模型参数不正确的的话，接收器的性能将会恶化。来自新加坡国立大学电气与计算机工程系的研究人员开发了基于广义似然比检验原则的维特比型网格搜索顺序接收器，共同检测数据序列和估计未知信道的增益。这种接收器对导引符号的需要量很少，因此不会明显降低带宽效率。这种接收器很健全，因此它能够连续使用最大似然法（ML）来估计未知信道增益而不需要了解信道模型，并相应地适应判决度量。在慢时变环境下接收器运行良好，误码性能接近采用对信道增益有正确理解的最大似然法检测结果，同样用于构成该序列检测度量的内存长度也相应增加。这样，就获得了一种新的、带判决反馈的、近似于序列接收器性能的逐符号接收器，它具有更低的实现复杂度和更高的内存效率。
    传统电子互连技术在带宽上渐渐出现的瓶颈问题，带动了对光通信技术的思考，并研究在对互补金属氧化物半导体兼容的硅基纳米光子平台实现这一技术。在硅基光子平台上，硅基微环谐振器得到了极大的关注，这种谐振器具有实现片上光网络关键功能的能力，同时还有卓越的能效性和小尺寸的特征。然而，硅基微环结构非常容易因制造误差和温度变化受到不良影响。集成加热器可对单个微环提供局部加热，这是校正这些影响的一个方法，但还没有大范围实现校正过程自动调整的解决方案。在这种情况下，来自美国哥伦比亚大学电气工程系、加拿大麦克马斯特大学工程物理系和加拿大Ranovus公司的研究人员提出了把抖动信号的使用作为广泛应用的方法来自动调谐波长和保持微环谐振器热稳定。研究表明，该技术在低速模拟和数字电路中被证明是有效的，这个结果使该技术的应用能扩展到一个完整的光子互连网络。
比利时根特大学信息技术系和校际微电子中心的科研人员提出了高速突发模式接收器（BM-RX）设计原则和各种类型电路的架构，包括突发模式转阻抗放大器、突发模式限幅放大器、突发模式时钟和数据恢复电路。10 Gbps高速突发模式接收器（BM-RX）的最新发展是很瞩目的，包括双速率操作与无源光网络（PON）的部署共存，芯片上自动产生复位来消除由无源光网络（PON）介质访问控制而产生的外部时序关键控制信号。

　　一种基于磷化铟（InP）的紧凑型集成发射器（组件中包括一个可调谐激光器和一个双层嵌套马赫-曾德尔调制器（矢量调制器）），在32 Gbaud的速率下，被成功用来产生经奈奎斯特预过滤的正交相移键控（QPSK）信号和16进制正交幅度调制（16-QAM）信号。通过使用外部偏振复用（PDM）仿真和数字相干检测，来自阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室和奥兰若公司的研究人员在一个小型商用化设备上实现了数据传输速率为128 Gbps的偏振复用正交相移键控（PDM-QPSK）信号和数据传输速率为256 Gbps的偏振复用16进制正交幅度调制（PDM-16-QAM）信号，这种设备最初的设计是用于数据传输速率为40 Gbps的直接检测差分正交相移键控（QPSK）信号；并且分别在长度8000公里和长度960公里的标准单模光纤上传送了这两种信号。研究人员还将其与基于铌酸锂矢量调制器的集成发射器进行了性能比较，这种发射器采用高性能的100千赫外腔激光器和低成本的200千赫至400千赫集成激光器组成光学本机振荡器。在数据传输速率为100 Gbps和200 Gbps的长距离相干光传输系统中，集成了激光矢量调制器的全磷化铟发射器被认为是一种切实可行的解决方案。
3. 光传输
　　对光在雨雾传播中出现多重散射效应的研究，是采用蒙特卡罗数值光子传播仿真的方法。雨雾由水滴组成，通过实际水滴大小分布等参数来描述，相关水凝物的 物理参数主要包括降雨强度、液态水含量、雾气中液滴有效半径和大气能见度。捷克计量学院频率工程系研究人员进行的仿真结果表明，由于降雨导致的光衰减要比单次散射预测的低两倍。雾引起的衰减也降低了最低能见度。通过仿真获得了雨雾中光学信道的脉冲响应并提供了传播延迟依赖性的明确模型。实际条件下，在1公里长的自由空间光学（FSO）路径上，降雨引起的均方根延迟散布被限制在10ps以下。中雾和浓雾可能导致延迟散布达到50ps或更大。得出的结果说明自由空间光学信道的频率特性会因雨雾而受损。
　　最近,随着基于互联网协议服务的盛行，数据包迅速成为数据流量的主流。这就提高了对传输网络的技术要求,要求其具有很大的容量以便对基于分组和基于电路的数据流量都能有效适应；同时要实现能与传统的传输网络（如同步数字传输网或光传输网）相媲美的高可靠性、可操作性和可维护性。NTT网络服务系统实验室的这项研究给出了包括以太网和多协议标签交换（MPLS）在内的分组传输技术的概述，并提供了多协议标签交换-传送架构（MPLS-TP）技术的详细资料，这是最近开发的一种很有前途的下一代分组传输技术。其标准化内容在国际电信联盟、电信标准部和互联网工程任务组中同样有描述。接着，为使多协议标签交换-传送架构（MPLS-TP）技术在包含传输网络汇聚层的应用上既合算又运行简单，研究人员因此给出了需要进一步研究的观点。
　　来自阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室、安捷伦科技有限公司、瑞士洛桑联邦理工学院、西班牙塞维利亚大学信号理论与通信系的研究人员展示了基于全电多路复用技术、采用数字相干检测的高速光传输系统，其码元速率为80 Gbaud和107 Gbaud。在107 Gbaud下，演示了一个单载波偏振复用正交相移键控（PDM-QPSK）系统，其线路速率为428 Gbps。 在80 Gbaud下，实现了线路速率为640 Gbps的单载波系统，采用的是偏振复用16进制正交幅度调制（PDM-16-QAM）技术。运用两个光学子载波，研究人员展示了一个1-Tb/s光接口，并在超过3200公里的超大型有效面积光纤上、以200 GHz间隔进行了长距离的波分复用（WDM）传输。
　　来自泰科电子海底通信公司的研究人员通过采用奈奎斯特频谱整形和数字反向传播（DBP），在6.0 b/s/Hz下传送106个200 Gbps的信道超过10290公里。 53个400 Gbps的信道被传送超过9200公里，并且检测到两个200 Gbps波长同时使用一个宽带接收器。对使用数字反向传播（DBP）技术获得的效益与信道预加重、每信道平均发射功率和传输距离的关系通过实验进行了调查。研究人员发现使用数字反向传播（DBP）技术获得的效益与信道功率和传输距离成比例关系。测量结果与理论值匹配良好。
　　
4. 光调制与光信号处理
　　关于在未来光接入网络中实现基于光收发器的实时数字信号处理（DSP）是一个急需突破的研究难点。来自英国威尔士班戈大学电气工程学院的研究人员介绍了含收发器的正交频分复用（OOFDM）光通信系统搭建的基本原理，以及相关的数字信号处理（DSP）实现。接着广泛回顾了过去几年中，在端到端光正交频分复用（OOFDM）收发器中实现实时数字信号处理（DSP）的实验证明。
　　
　　光信号处理涉及到了光学领域和信号处理领域的方方面面，即非线性设备和工艺流程、模拟和数字信号以及先进的数据调制方式，用于实现高速信号处理功能，以便在光纤通信中的线路速率下具有运行能力。信息可以在幅度、相位、波长、偏振和光波的空间特征中被编码以实现大容量传输。近期对关键技术的进一步研究集中在对一种或多种方式编码数字信号进行光信号处理上。各种光学信号的非线性和色散处理已被证实在关键子系统中应用，如波长变换、多播、多路复用、多路解复用和可调光延迟。最后，来自谢明南加州大学电气工程系和美国英飞朗公司的研究人员回顾了高速光信号处理在信号的均衡、信号的再生、灵活信号产生以及光控制信息（光逻辑和光相关）领域应用方面的最新进展。
　　来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员提出并论证了通过对两个连续信号模块的主载波或子载波之一进行相位切换来实现无衰减双边带直接检测。所提出的方法有对偏移正交频分复用（OFDM）的电频谱效率（SE）两倍化，和使电频谱效率（SE）与单边带正交频分复用（OFDM）的相同。研究人员进行了数值模拟并验证了系统对偏振模式色散和激光相位噪声的鲁棒性。实验结果表明，在采用单偏振和单个检波器的标准单模光纤上，速率为40 Gbps的直接检测光正交频分复用（OOFDM）信号可成功传送的距离超过80公里。
　　来自葡萄牙阿威罗大学电子电信与信息系的研究人员通过数值模拟和实验证明了在奈奎斯特16进制正交幅度调制的相干无源光网络上，可采用一种双向超过T比特的超密集波分复用（UDWDM），在12.8纳米的总频谱范围内来为每个用户/波长提供高达10Gbps的服务能力，标准单模光纤上的传送距离超过40公里。研究人员首先证实了奈奎斯特脉冲在采用相干收发器的超密集波分复用（UDWDM）网络上减轻串扰的能力，这些串扰是因后向反射和非线性因素产生的。在本文的后半部分，研究人员通过实验研究了在不同的网络传输容量（例如不同的用户数量和不同的单个用户传输速率）情况下，主要受接收器灵敏度和非线性容差影响的双向传输。
　　来自澳大利亚悉尼大学物理学院光子与光学研究所和莫纳什大学电气与计算机工程系光学系统超宽带设备中心的研究人员,在研究过程中证明了光学傅立叶变换和全光正交频分复用（OFDM）发射器中的循环前缀可以通过使用液晶硅基波长选择开关（WSS）同时实现。本文的设计是在波长选择开关（WSS）的输入端采用经过相位调制的光脉冲，这样做的优点是光调制器在每个数据码元上只由光脉冲采样一次，以使数据码元之间的转换时间不影响系统性能，从而允许使用慢速光学调制器。此外，波长选择开关（WSS）的每路输入都可以被分配给输出子载波频率的任意组合，包括与梳理源模态频率无关的频率。当需要通过申请额外的波长来测试运行中的超高带宽系统时，这就显得特别有用。例如，研究人员生成了一个10.08 TB/s的信号并沿光纤传送了857.4公里，使用的是252个带有10％循环前缀的10 Gbaud子载波。研究人员还通过光条纹数字子载波解复用器同时检测三个子载波,这些子载波使用的是单个相干接收器。
　　
5.1 光纤技术
　　来自荷兰埃因霍芬科技大学COBRA学院、英国南安普敦大学光电子研究中心、德国慕尼黑工业大学等的研究人员介绍的第一个实验证明是在空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）中进行波分复用（WDM）和模分复用（MDM）相结合的光传输。为达到这个目的，使用了310米长、37芯核心几何形状的新型低损耗宽带空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）。研究人员详细揭示了这种新型光纤的模态性质，说明了其不存在表面模式和低模串扰，因在空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）中采用波分复用（WDM）和模分复用（MDM）传输而达到了73.7 Tb/s的最高纪录。对几种调制方式进行测试，显示出非常不错的效果和稳定的性能。接着通过对单模传输和模分复用（MDM）传输进行深入观察来评估传输特性，结果显示37芯空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）模态特性的一致性良好。