2014年4月JLT光通信论文评析

5/8/2014，2014年4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、无源和有源光器件、光传输、光调制与信号处理、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 

光网络及子系统

    来自罗马尼亚雅西的乔尔基•阿萨基技术大学、英国诺森比亚大学、牛津大学和中国清华大学的研究人员介绍一种简单而有效的方法，在自由空间光（FSO）通信系统中使用球面凹面镜（SCM），能够大大减少光斑抖动和散射效应。采用球面凹面镜（SCM）将光聚焦到一个小面积光电探测器，这样做的好处是一方面能提高在湍流信道中收集入射散射光束的效率，另一方面也提高了在球面凹面镜（SCM）焦点位置和信道折射率波动之间分离的效率。这种方法在传播空间最大到104米的室内受控湍流环境中进行了实验评估。结果证明，球面凹面镜（SCM）可以有效补偿光斑散射和抖动影响，从而使自由空间光（FSO）通信系统的性能得到改善。

    在传输带宽和传输距离上，下一代光通信系统将继续推动产品向着物理极限发展。为了解决这个巨大的需求，目前已经提出了将数字信号处理与更先进调制格式和相干检测技术结合使用，在大约超过1000公里的传输距离上，使数据传输速率高达每通道400 Gb/秒。在通过使用线性光纤损伤全补偿（采用了数字均衡算法）后，这些技术的突破已经成为可能。与此同时，在过去的十年中线性均衡技术已经成熟，下一个合乎逻辑的研究重点是探索如何缓解克尔效应引起的非线性信道损伤。在对光纤非线性进行补偿的方法中，数字反向传播（DBP）是最有前途的措施之一，这在当前已被认为是一种光纤传输损伤的通用补偿器，尽管这对计算有较高的要求。因此，基于数字反向传播（DBP）的需求，在本文中，来自德国慕尼黑工业大学通信工程学院和荷兰埃因霍温科技大学的研究人员将讨论两项降低硬件复杂性的建议。第一项建议是对非色散管理链接已公布的结果进行了确认和扩展，而第二项建议介绍了适用于色散管理链接的新方法，这两种建议的结果显示其复杂性分别降低了大约50％至最高85％。在采用单信道和波分复用（WDM）设置，辅以先进的调制格式如正交相移键控（QPSK）和16进制正交幅度调制（16 -QAM）的条件下，通过比较模拟及实验数据后处理获得的结果，对所建议的方法进行了验证。在所有情况下，所考虑的网络符号率为25 G符号/秒。后处理的结果表明，既可以显著减小硬件复杂性，而且不会影响系统的性能。最后，在使用色散管理链接的条件下，根据每传输一比特所需复杂运算的数量，对所获得的复杂性降低情况进行了详细的分析。

     无源光学器件，其特点是低成本、零能耗、高可靠性，是今天电信网络基础设施的基本构成单元，同样也存在于从传统骨干传输网到下一代宽带接入网中的各个方面。由于无源光学器件存在这些引人注目的的显著特点，因此，在本文中，来自加拿大卡尔顿大学系统与计算机工程系、加拿大Viscore科技有限公司和加拿大通信研究中心的科研人员寻求它们在新兴数据中心网络中的潜在应用，以应对因成本和功耗带来的可扩展性挑战。具体来说，研究人员提出了无源光交叉连接网络（POXNs），以使数据中心的运行达到节约成本、省电节能、可靠通信的目标。为了支持在仓库规模数据中心使用无源光交叉连接网络（POXNs），研究人员通过采用先进的互连技术来应对物理层的可扩展性挑战。接着，研究人员提出了一种分布式轮询协议，从介质的广播特性来解决出现的链路层问题。通过分析和仿真对协议的性能进行了研究。研究人员还特别开发了一种分析模型来计算数据包预期延迟的上限和下限。结果表明，使用这种协议在带宽上可以实现高效率（在本文研究的情况下不低于85％）。此外，研究人员还证明了协议可以包含支持公平性和服务质量的调度算法。最后，本文简述了无源光交叉连接网络（POXNs）在不同架构的数据中心网络中，对降低资源成本和运营成本所起的作用。

无源和有源光器件

    来自法国国家科学研究院-巴黎大学Aimé Cotton实验室、法国国家科学研究院-雷恩第一大学物理研究所、泰勒斯公司研究与技术中心和法国国家科学研究院光子学与纳米结构实验室的科研人员通过理论研究和实验分析发现，在光泵浦双频垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）中，两种正交极化模式的光学混合产生了射频（RF）拍频信号相位噪声。本文对10千赫至50兆赫频率范围内的射频（RF）相位噪声特性进行了研究，研究主要针对在两种激光模式之间三种不同强度的非线性耦合。在理论模型中，科研人员对造成射频（RF）相位噪声的两种不同物理机理进行了研究。在低频域（通常低于500千赫）时，由光泵浦强度波动引起的半导体有源介质的热波动，在造成射频（RF）相位噪声的因素中起到了主要的作用。然而，在较高的频率域（通常高于500千赫）时，光泵浦强度波动先转成两种激光模式的强度噪声，然后再由大数值的半导体增益介质亨利系数而转成相位噪声，这是引起射频（RF）相位噪声的主要来源。对于后一种机理，经研究证明，两种激光模式之间的非线性耦合强度，是对射频（RF）相位噪声值的大小有着十分重要的作用。所有的实验结果显示都与理论十分吻合。

    要在全频谱范围（从1至100千兆赫）产生射频信号，通常需要使用多个不同的振荡器，每个振荡器的工作范围只能对应全频谱 内的某个特定窄频带。基于调制边带注入锁定激光器的光电系统，能够产生低相位噪声的射频信号，并且信号频率可调谐范围超过七个八度。来自美国特拉华大学电气与计算机工程系和TechOX产业的研究人员展示了经过努力获得的结果，即以耦合了III-V族半导体增益芯片的硅光子集成电路为基础，而发展起来的一个非均匀整合版光电系统。为此，研究人员已经成功地验证了一种集成激光模块，并实现了可调谐射频信号的产生，调谐的最小间隔宽约1赫兹。

    来自丹麦科技大学光电子工程系、美国菲尼萨公司和华为公司的研究人员对目前在相干光接入技术领域的研究进行了回顾，主要集中在采用了垂直腔面发射激光器（VCSELs）的光接入技术。实验演示了在相干检测无源光链路上进行的光传输，这里使用了垂直腔面发射激光器（VCSELs）做为本地振荡器，并且用直接调制垂直腔面发射激光器（VCSELs）做为发射机，实验中在C波段以及O波段的传输比特率高达10 Gbps。在展示的数字（离线）以及模拟（实时）的包络检测接收机方案中，用到了与直接调制垂直腔面发射激光器（VCSELs）相关的宽线宽和频率啁啾。此外，结果表明，对于接入网而言，在相干接收机的光学前端，可以通过一个3分贝耦合器来代替90○混频器。研究人员取得的成果显示，与用于相干检测无源光网络的本地振荡器一样，对于发射机而言，垂直腔面发射激光器（VCSELs）是很具有吸引力的候选光源。


光传输

    在空分复用（SDM）系统中，状态依赖损耗（MDL）是一个广泛知晓的主要问题。其对系统性能的影响是复杂的，因为它既会对数据传输信号产生影响又对累积放大噪声有影响。在本文中，来自以色列特拉维夫大学电子物理系和意大利拉奎拉大学物理及化学科学系的研究人员提出了一套步骤，通过标准测量来描述空分复用（SDM）系统中状态依赖损耗（MDL）的特征，这里的标准测量是指对空分复用（SDM）设置进行的常规检查。为了量化状态依赖损耗（MDL），研究人员提出的优值系数包含了对所发送的信号和对噪声的影响，并且直接与频谱效率的降低相关。

光调制与信号处理

    本文中的研究人员来自英国格拉斯哥卡利多尼安大学工程与建筑环境学院和诺森比亚大学工厂与环境学院，本文研究的主要内容是在正交频分复用（OFDM）的亮度调制光无线通信系统中，使用导频信号来降低峰均比（PAPR）。当在接收端用最大似然准则估算导频信号时，导频信号的相位是根据选择性映射（SLM）算法来选定的。要建立可靠的通信链路，就要求误码率（BER）要小于10-3；与基本的光学正交频分复用（OFDM）系统（无导频信号也没有使用降低峰均比（PAPR）的技术）相比，在误码率（BER）方面，导频辅助光学正交频分复用（OFDM）系统具有相同的性能。对于高阶数（M > 4）星座的峰均比降低，与传统的选择性映射（SLM）算法相比，导频辅助峰均比（PAPR）降低技术效果更好。相对于一个基本的光学正交频分复用（OFDM）系统（无导频信号也没有使用降低峰均比（PAPR）的技术），导频辅助的M-正交幅度制（QAM）光学正交频分复用（OFDM）系统，在M= 64和互补累积分布函数（CCDF）值在10-4时，能够降低峰均比（PAPR）达2.5分贝以上。当互补累积分布函数（CCDF）在较低值时，大大降低峰均比（PAPR）是可能的，并且不会降低系统的误码性能。时域信号在两端轻度削波（25倍的信号电平变化）的结果是峰均比（PAPR）降低了约6.3 dB，此时互补累积分布函数（CCDF）值也在10-4，不过要具有约3 ×10-5的误码平层。虽然有这种可能，即通过信号削波可以实现峰均比（PAPR）到达任何所需的水平，但这将是以恶化系统的误码性能做为代价。


在基于相位调制和光外差上转换技术的光纤系统中，来自中国华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室、丹麦科技大学光电子工程系和新加坡南洋理工大学的科研人员提出了一种具有非线性和相位噪声容忍度的正交频分复用（OFDM）W波段信号。通过在光电二极管中用自激振荡激光器，可产生外差混频相位调制的光正交频分复用（OFDM）信号，进而得到恒定包络正交频分复用（OFDM）的W波段无线信号，用来抑制非线性损伤。此外，对所需的信号而言，跳动激光器的相位噪声表现为一种附加项，可以很容易地过滤掉，而不需要使用复杂的相位噪声估计和补偿算法。在科研人员所做的实验中，恒定包络正交频分复用（OFDM）的W波段信号，一种是经四相相移键控（QPSK）调制后以4 Gb/s传输，另一种是经16进制正交幅度调制（16-QAM）后以8 Gb/s传输，都在单模光维中传输距离超过22.8公里并在空气中传输2.3米，达到的误码率低于前向纠错的限制。


    来自美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室、弗吉尼亚理工学院暨州立大学、马里兰大学巴尔的摩县分校和美国大西洋科学网的研究人员描述并通过实验验证了对光调制格式进行自动识别的系统，这里所说的光调制格式是专门反映物理层信号特性的。系统识别的数据编码主要是用二进制通断键控或正交相移键控调制的，还有其他辅助调制模式。符号时钟速率和最佳色散补偿也已经被确定。研究人员通过1500次以上不同情况的测试，对该系统进行了验证。所启用的功能都是为在通用光接收器和已认知光网络体系结构中，加强对可用光学带宽进行优化利用。研究人员还展示了系统处理波分复用信号的能力，这种波分复用信号包含有19个信道，具有多种调制格式和各种不同的色散、信号强度和光学信噪比。


    来自以色列本古里安大学光电工程系和电气与计算机工程系的研究人员，通过一个端到端的实验，对用于直流偏置光正交频分复用的四种主要自适应比特及功率分配算法进行了研究，比较了这些算法的比特率和误码率。还在不同的信道条件和不同的子载波数量下，对比较的结果进行了研究。实验结果表明，经比较这些算法表现出相近的性能，即使在理论预计上有些差异，实验中也没有哪一种算法具有显著优势。研究人员对实验数据的分析表明，这些算法在性能上相差无几的主要原因是信道估计中的高方差，尤其是在高频子载波方面。

光纤技术

    在采用了光学放大电子补偿的双极化四相相移键控（DP-QPSK）相干零差光学系统中，可以通过数值解析来计算其灵敏度和链路功率分配，同时也需要考虑到光放大器和相干接收器的主要参数。来自意大利Intecs公司的研究人员首先推导出放大相干接收机的信噪比（SNR）表达式；然后推算出最佳本地振荡器（LO）的光功率解析表达式，这里的最佳是指能达到最大信噪比；并将一个近似的闭合形式解用来当作接收器的灵敏度，这个解在大多数实际情况下是有效的。通过这种解析运算可以得出，当光纤的损伤被补偿后，链路中放大器的合适放置位置可以使光链路功率分配最大化。研究人员还将这种近似的闭合形式解与用数值方法获得的结果进行了比较。研究结果表明，在单信道完全补偿的DP -QPSK相干系统中，对放大器增强模块进行串联配置后的性能甚至比加一个前置放大器的性能更好，但增强模块非常依赖于无放大接收器的特性，并要求对本地振荡器（LO）的光功率进行严格调整，以达到所需要的灵敏度标准。而如果采用加了前置放大器的相干接收机，其性能就相对差很多，但这种放大器所在的位置使得相干接收机几乎不受其固有噪声源的影响。