2014年3月JLT光通信论文评析

4/8/2014,2014年3月出版的JTL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、调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光纤在线特约编辑：邵宇丰 王炼栋 

1. 网络及子系统
    对于未来的多核心系统而言，应用光片上网络（ONoC）将是一种很有前途的选择。然而，光片上网络（ONoC）的一些问题，例如功耗、仲裁开销和设备成本，对其基本架构的设计造成了许多限制。来自中国西安电子科技大学综合业务网络国家重点实验室、微电子研究所和中国科学院计算技术研究所的科研人员提出了一种命名为CWNoC的新型分层光片上网络（ONoC）结构，这是一个由多个中央控制子网组成的256核心的架构。这种结构通过将整个网络划分为多个子网而降低了网络的复杂性，并通过在每个子网中采用集中判优逻辑来降低仲裁开销。在CWNoC中还采用了一种充分利用宽带微环谐振器的高效波长分配方法，这种方法有利于简化光学层和降低争用的可能性。仿真结果表明，CWNoC具有更好的延迟和功耗性能。例如，当运行在中低负荷时，与WANoC相比延迟可以减少高达40纳秒，而总的功耗降低了70％。
    对于宽带接入的带宽瓶颈问题，无源光网络（PONs）被认为是一种很有前途的解决方案。然而，由于它们的无源特性，限制了电源分配的灵活性，也使得传统时分复用无源光网络（TDM-PONs）的性能受到限制；而未来波分复用无源光网络（WDM-PONs）的性能受到静态波长分配的限制。为了减轻这些限制对性能的影响，来自美国斯坦福大学电气工程系光学与网络研究实验室的研究人员提出了一种包含QPAR的准无源可重配节点，能提供灵活的功率和带宽分配，并可以从时分复用无源光网络（TDM-PONs）完美升级到波分复用无源光网络（WDM-PONs）的接入网络结构。由于它的准无源特性，QPAR只在重新配置期间有电源消耗。仿真结果表明，QPAR可以增加用户的数量，扩大覆盖的范围；与传统的无源光网络（PONs）相比，还可以平衡网络中的业务负载。QPAR可以利用分立元件或集成电路来实现。研究人员展示了实验用的QPAR，它们使用了两种不同器件，一种是基于微电子的机械系统，另一种是基于磁光材料的光学闭锁开关。最后，研究人员还通过实验研究了QPAR的性能。


    来自日本株式会社电气工业公司研究与发展中心的科研人员提出了一种新型网络系统，该网络系统综合了城域网与接入网的特点，为距离远、在人烟稀少地区且地理条件困难的家庭提供了通信服务，并且其光网络系统的升级是平滑的、节能的。这是一种基于混合波分复用（WDM）和光码分复用（OCDM）的系统。研究人员从分插复用（ADM）操作和波分复用（WDM）/光码分复用（OCDM）串扰的角度，来研究该系统的可行性。在该系统中，当同时进行分出、插入以及信号发送操作时，通过检查多路复用器的结构来验证分插复用（ADM）的运行。这样也得到了多路复用器的输入信号功率范围。利用切趾滤波装置可减少了波分复用（WDM）和光码分复用（OCDM）的串扰影响。通过使用切趾滤波装置，证实了在C波段3.2纳米波长带宽下，16×1.25Gb/s的光码分复用（OCDM）是成功的。从上述结果可以估算出在本文所提出的网络系统中160路混合复用的可行性。

    在混合光码分多址（OCDMA）架构中，光线路终端和光网络单元之间使用不同类型的光编码/解码器（E/Ds）；混合40G光码分多址无源光网络（40G-OCDMA-PON）正被研究作为下一代无源光网络阶段2（NG-PON2）的一个候选系统，其中使用了单个多端口和超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）编码/解码器（E/Ds）。在本文中，来自日本大阪大学电气电子与信息工程系、日本国家信息与通信技术学院光子网络系统实验室和日本藤仓公司光电实验室的科研人员经过努力，已经开发了具有不同折射率分布的均匀采样超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）编码/解码器（E/Ds），并且在混合40G-OCDMA-PON系统中比较了它们的编码性能。实验结果表明，在目前许多光码分多址（OCDMA）系统中，该采样分布改善了编码的相关性能。研究人员还验证了全双工4-用户× 40Gb /s混合光码分多址无源光网络系统，其中的编码/解码器（E/Ds）也使用了采样超结构光纤布拉格光栅（SSFBG）。首次实现总容量为160 Gb/s（4-用户× 40Gb/s）的异步全双工50公里传输。此外，他们还专注于下一代无源光网络阶段2（NG-PON2）的主要需求，并讨论了光纤接入网引入混合40G-OCDMA-PON的几个问题。

2. 无源和有源光子器件
    为了实现广泛可调谐带宽的紧凑型绝缘硅片带通滤波器，来自意大利博洛尼亚大学网络工程与电子信息系、米兰理工大学电子信息与生物工程系和英国格拉斯哥大学工程学院的研究人员提出了一种综合性的设计、制造和特征分析方法。该滤波器的结构是基于非平衡马赫-曾德尔干涉仪，这种干涉仪装载了一对环形谐振器。通过控制环形谐振器的谐振频率，就可实现宽范围的带宽调谐（从10％至90％自由频程），同时保持良好的滤波器带外抑制。所提供设计规则考虑到了制造公差以及损耗。此外，使用可调谐耦合器可获得适应性更强的滤波器频谱响应整形。对于非线性效应的敏感性也做了仔细研究。通过在20纳米波长谱上的使用，证明了研究人员提出的方法的有效性，该滤波设备可适用于波分复用系统中的信道子集选择、无网格网络的可重构滤波器和信号自适应滤波。
    光子网络芯片（NOC）用于连接大量在片级处理内核，已经被认为是一种很有前途而且切实可行的模式。光电混合的网络芯片（NOC）提供了更实际的解决方案，使用电子网络进行本地通信，同时用光网络进行全球通信。在本文中，来自美国内华达大学电气与计算机工程系、马里兰大学工程与航空科学系以及中国科学院广州先进技术研究所的科研人员探索了如何将光网络和电子网络进行有效组合，用来构建一个混合的网络芯片（NOC）。提出了在以蝴蝶型胖树为基础的光电混合网络芯片（NOC）架构中，使用通用波长路由的光路由器。仿真结果表明，与基于电子mesh和CMesh的网络芯片相比，在流量类似的情况下，本文所提出的混合型网络芯片达到了最佳的电源效率，并且显著降低了局部流量的延迟。
    在工程实践中，基于普克耳斯效应的闭环光学电压传感器（OVS）不能达到所要求的精度等级，这主要是由于各种外界干扰和系统噪声造成的，因此光学电压传感器（OVS）在低电压测量中的应用是受到限制的。在光学电压传感器（OVS）中，考虑到主闭环和次闭环的交叉耦合，主闭环中的干扰和系统噪声模型是采用四态调制法进行分析的。根据已建立的光学电压传感器（OVS）噪声扰动随机模型，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的研究人员为OVS系统设计了一种闭环检测算法，用于保证均方指数与给定的H∞性能稳定，以优化光学电压传感器（OVS）的检测精度。通过实验（对交流低电压的测量范围是从140伏至500伏）测量，结果表明光学电压传感器（OVS）的检测精度是0.144 V，按比例换算实际相对测量误差在±0.15％以内，从而验证了所提出的检测算法是有效的。
    来自日本东京工业大学的研究人员在本文中回顾了用于高速率长距离光纤通信的半导体激光器，（即所谓的动态单模（DSM）激光器），以及40年的研究历史。动态单模（DSM）激光器包括相移分布反馈（DFB）激光器、均匀相移分布反馈（DFB）激光器、波长可调（WT）分布式布拉格反射激光器、波长可调（WT）分布式反射激光器和外部反射激光器。垂直空腔表面发射激光器也是一种动态单模（DSM）激光器，主要用于较短距离的通信。集成了动态单模（DSM）激光器和其他设备的光子集成电路，以及光子晶体激光器，是支撑着光子子系统能够稳定运行的主要因素。目前，对于绝大多数长途光通信和跨洋海底光缆，动态单模（DSM）激光器是必不可少的设备；对于中等距离的局域网络也同样如此。动态单模（DSM）激光器在传感系统中的应用则是另一个令人感兴趣的领域。

3. 光传输
    当前，人们对正交频分复用（OFDM）技术的关注和研究越来越多，尤其在接入网的光信号传输系统中，该技术获得了到广泛运用。自适应调制光正交频分复用（AMOOFDM）系统已被证明是符合成本效益的解决方案之一。在自适应调制技术中，Levin–Campello（LC）比特/功率负载是一种在数字用户线路（xDSL）系统中已经广泛应用的技术，这种技术也被证明能给无放大光强度调制/直接检测（IMDD）传输带来优异的性能。在本文中，来自法国电信实验室（Orange Labs）和布列塔尼电信学院电子工程系的科研人员提出并研究的是一种新型的预编码正交频分复用（POFDM），采用了自适应离散傅立叶变换。通过数值模拟表明，在消减率为10?3时发送OFDM信号，所提出的调制方案可降低高达2 dB的峰值平均功率比。这样一来，在功率放大器之前，对激光器驱动电流施加的输入补偿可以更小，与传统的LC自适应调制光正交频分复用（AMOOFDM）系统相比，这种预编码正交频分复用（POFDM）系统的功率消耗更低。根据模拟结果，在无放大光强度调制/直接检测（IMDD）传输中，电源放大器的能量消耗减少了二分之一；同时，本文提出的系统实现了与传统自适应调制方案相同的性能。


4. 调制与光信号处理
    在室内环境中的可见光通信（VLC），除了受制于LED的有限带宽以外，还受到多路径效应产生的符号间干扰（ISI）影响。在本文中，来自弗吉尼亚大学查尔斯-布朗电子与计算机工程系的科研人员主要介绍了对室内光无线通信（OWC）系统进行性能提高的传输方案。在这个方案中建议使用修正脉冲位置调制（EPPM），因为在室内光线昏暗的照明条件下，它可以提供一个宽范围的峰值平均功率比（PAPR）。对充斥着散弹噪声和有限背景光的室内可见光通信系统而言，在接收器中使用相关性解码器被证实是最佳的选择。在修正脉冲位置调制（EPPM）中应用交错技术，可减少色散可见光通信信道的符号间干扰，从而显著减小误码率。对于可见光通信系统或其他任何色散光无线通信系统，与单纯的脉冲位置调制（PPM）相比，由于交错技术的运用，使修正脉冲位置调制（EPPM）成为一种更好的调制选择。当使用有带宽限制的白色LED作光源时，为了增加传输速率，研究人员提出了重叠修正脉冲位置调制（EPPM）脉冲技术。
    在使用白光发光二极管（LED）作为光源的可见光通信（VLC）系统中，为了向多个用户提供网络接入服务，需要新的适应于照明特点的网络技术。在本文中，来自弗吉尼亚大学查尔斯-布朗电子与计算机工程系的科研人员介绍了两种使用修正脉冲位置调制（EPPM）的多路接入技术，这些技术可使用LED来实现，并支持类似光线昏暗的照明特点。多级符号是为多个用户提供M元信号，用于使用多级修正脉冲位置调制（EPPM）。在第一种技术中，每个用户的M元数据首先用已分配给用户的光正交码进行编码，编码结果被送入修正脉冲位置调制（EPPM）编码器，以产生一个多级信号。在第二种多路接入方法中，使用EPPM星座的子集来对每个用户的数据进行多级修正脉冲位置调制（MEPPM）。第一种方法中各个用户的码元之间有更大的汉明距离；而在使用有带宽限制LED的可见光通信系统中，第二种方法可以为用户提供更高的传输比特率。这两种技术都能够在正常光照条件下，支持最多15个用户同时达到200 Mb/s的传送速率，误码率为10-3。
    来自印度德里理工学院物理系的研究人员提出一种用于获取高损耗波导模态特性的方法，这种方法简单而准确。为了确定传播常数的实部和虚部，这种方法需要对洛伦兹峰的位置进行定位。与计算洛伦兹峰半峰半宽度（HWHM）的方法相比，这次提出的方法提供了更精确的的结果，即使在前者失败的情况下仍能运作。该方法实现简单，收敛速度非常快。利用基于平面波导结构的表面等离子体共振实例，证明了该方法的适用性。
    来自加拿大拉瓦勒大学电气工程系光学、光子学和激光中心的研究人员对多级编码调制（MLCM）的运用进行了研究，以便用于相干系统中的16进制信号的星座图分析。研究人员所考虑的一种多级编码调制（MLCM）系统，含有里德-所罗门分量编码和多级解码器。还介绍了一种系统数值方法用于寻找设置分区和最优码率。该方法仅需要接收样本的概率密度函数，并且可以应用到任何星座而不论是否不规则或缺乏对称性。本文所设计的多级编码调制（MLCM）系统，其性能在非线性相位噪声和正相噪声上得到了验证。对于非线性相位噪声受限系统，使用上述方法设置分区后有效地改善了系统的块误码率（BLER）。在相位噪声受限系统中，既研究了块误码率（BLER）又研究了误码率（BER），结果用于相位噪声优化和方形16进制正交幅度调制（16QAM）。在方形16进制正交幅度调制（16QAM）中，对优化后星座的前后向纠错（FEC）误码率性能进行了研究，用于在不同的相位噪声电平下工作。研究表明，在高相位噪声制度和低前后向纠错误码率的情况下，优化后的星座连同多级编码调制（MLCM）系统，对信噪比的要求比以往降低了几个dB。


5. 光纤技术
     来自中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室和华南理工大学光通信材料研究所的研究人员展示了全固态的Nd3+掺杂硅酸盐光子晶体光纤，相关参数为当波长为1061纳米、斜度效率为64.5％时输出功率是13.1瓦。研究人员还从理论上研究并验证了约束损耗和双包层光子晶体光纤激光器重叠部分的影响。他们在此基础上海提出了一种创新的设计方案来提高激光光束的收发质量。