2014年5月JLT光通信论文评析

6/10/2014,2014年5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 

光网络及子系统

    来自印度理工学院和比利时根特大学的研究人员介绍了一种用于光接入网络的新架构，这种架构的特点是具备全面的灵活性和安全性，同时，架构分布是完全无源的。不同于其他文献中的架构，这里所提出的设计不需要在安全性和灵活性之间进行折中选择。由于这种架构具有全面的灵活性，当网络负载较低时，允许关闭一定数量的在线网元以节约能耗，因此这个架构也是一种绿色环保设计。本文中所讨论的这种与网络中使用者数量无关的新架构设计，将对未来的网络应用产生深远的影响。

    来自美国斯坦福大学电子工程系爱德华.L.金兹顿实验室的研究人员提出了一种模块化的架构，用于有支持灵活带宽超级信道的长距离光网络。无色收发器可以被设计成能对M=4个子载波进行调制/检波，每个子载波的符号速率为12.5 吉波特，在采用偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）进行调制时，可实现的最大比特率为200 吉比特/秒。一组N个同步收发器可以配合起来，对包含N•M个子载波的超级信道进行调制/检波，使传输比特率超过1太比特/秒，这里使用无保护间隔的正交频分复用调制。在考虑了线性光纤损伤和同步误差的情况下，研究人员对所提出架构的性能进行分析和模拟，并建立了能使架构实际部署的设计规则。仿真结果显示，在包含24 个子载波的超级信道中，使用偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）进行调制，可使传输速率达到约1.1太比特/秒，光谱效率达到了3.5比特/秒/赫兹。

无源和有源光子器件

    来自中国北京大学物理系国家重点实验室和北京大学物理学院的研究人员提出了一种相位共轭的光纤陀螺仪（FOG）。相位共轭过程中的自然时间反转特性可以消除光学陀螺仪的大部分不可逆影响，这样就可以提高光纤陀螺仪（FOG）的性能，从而获得更好的应用。研究人员使用简并四波混频（DFWM）处理，以产生反向传播的相位共轭波，这样做优点是在处理过程中没有相位匹配约束。简并四波混频（DFWM）也是一种参量放大的过程，因此可以在相互作用过程中弥补功率衰减，并能提高信噪比。这种方法也可以提高光纤陀螺仪的灵敏度。研究人员还利用光波导外部的渐逝场与施加的泵场进行相互作用。采用这种方式，就可以通过选择合适的波导尺寸和覆层材料，使非线性相互作用达到最大化。

    来自中国西北大学物理学院、马来西亚马来西亚大学理学院物理系和光子学研究中心的科研人员介绍了对双锥形多模塑料光纤传感器的优化研究，这种传感器主要用于乙醇（C2H5OH）浓度检测。通过V-number匹配，以及通过优化锥形半径和锥形长度，可以有效增强传感器的灵敏度；射线追踪法可以用来分析倏逝波的穿透深度（EWPD）。科研人员所做的理论分析和实验结果被用于优化锥度比和锥形长度，以实现高倏逝波穿透深度（EWPD）和高灵敏度。分析表明，通过减小锥度比并且同时增大锥形长度，可以提高锥形光纤传感器的灵敏度。采用锥度比为0.27和锥形长度为8厘米的锥形光纤，可以使传感器实现1.527毫伏/％的最高灵敏度。按研究人员所建议的参数优化后，锥形光纤传感器可以检测出的乙醇浓度最小变化达到6.55×10-3。


    为了响应对多功能集成光谱滤波器不断增长的需求，来自比利时根特大学信息技术系和校际微电子中心的研究人员证明了弱位相一维光栅可以被设计成能符合任何期望的目标频谱。经过对光栅的测量和仿真，结果表明与目标光谱具有很好的符合性。通过分析结果，研究人员还发现，设计过程可以通过使用模拟反射进行改善，而不必依赖于计算菲涅耳反射。

光传输

    来自美国斯坦福大学电子工程系的研究人员在介绍了一种在离散多音频系统发射机中，通过对量化噪声和削波失真的频谱进行整形来提高信噪比的方法。这对于宽带传输（例如30千兆赫）尤其重要，因为往往在宽带传输中数模转换器的分辨率非常有限，只有5-8比特。转换器的分辨率虽然有限但极其重要，降低噪声对它的影响，将对整个系统的性能改善有显著效果。研究人员在这里所提出的技术类似于对Δ-Σ数据转换器的量化噪声整形，但更普通；它是同时对量化噪声和削波失真进行整形，并且不需要过采样。这项技术需要子载波上有一个未使用的频带存在，一般情况下都会有，例如为音调预留而申请的频带。使用了该技术的系统还非常适合于低功耗收发器，其中计算复杂度最高的器件是一个短时有限冲激响应滤波器。在实际环境中，通过量化和削波时进行上述的技术处理，可以使噪声的影响减少6分贝。

    来自意大利拉奎拉大学物理与化学科学系、以色列特拉维夫大学电子物理系和美国阿尔卡特朗讯公司贝尔实验室的科研人员，依据香农理论通过研究降低了在量子领域里每单位信息能量消耗的基本极限。与以往的研究不同，他们所提供的解决方案中，可以通过任意方式控制信号从发射机传播到接收机。这种方法具有能适应多种实际应用场合的特点，例如多跨度光纤通信系统。在这种情况下，科研人员获得了能量消耗的最终量子极限，并提出了一个简单的二进制能源调制方案，使光谱效率的实际相关值接近到此极限的同一数量级。当处于相同条件下，在标准的光学放大相干通信方案中，其能量消耗的量子极限要比上述的最终量子极限高三个数量级。在本文中设定量子信道中所传输的信息都是标准信息。

    来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员，针对在逐块相位切换（BPS）直接检测（DD）系统中光纤的非线性影响，进行了全面的分析。研究人员发现，简并四波混频分量是由主载波和子载波之间的相互作用而产生的，本质上是可以通过直接检测处理来抵消的。在80公里标准单模光纤链路上，对于一个100吉比特/秒的逐块相位切换直接检测（BPS-DD）系统，经分析发现最佳的发射功率是5毫瓦分贝，最佳的载波信号功率比为12分贝。对于一个单信道的逐块相位切换直接检测（BPS-DD）系统，当采用低色散光纤后，光纤的非线性损伤就会减少。然而，对于一个多信道的逐块相位切换直接检测（BPS-DD）系统，当光纤链路的色散减小时，信道间串扰引起的非线性噪音反而增强。


调制与光信号处理

    来自美国特拉华大学电气与计算机工程系的研究人员，在无线光通信领域开发了一种模拟的信源信道联合编码（JSCC）系统。信源符号直接映射到使用空间填充曲线的信道符号上，然后再用非线性拉伸函数来减少失真。与数字系统不同，该方案不需要很长的分组长度便能达到良好的性能，这样就显著降低了解码器的复杂度。研究的重点聚焦在采用强度调制直接检测（IM/DD）的光学无线系统。研究人员首先提出了对采用强度调制直接检测（IM/DD）无线光信道的理论分析，介绍了用于传输数据的通信系统设计原型，该通信系统使用了模拟信源信道联合编码（JSCC）。接着对真实信道的非线性特性进行了研究和描述。提出了一种新的技术来减轻信道的非线性误差。通过模拟仿真表明，实际系统的性能已经非常接近理论极限了。该系统被用于图像传输时，首先用压缩感知技术在一组图像中进行取样，然后使用模拟信源信道联合编码（JSCC）进行编码测量。最后，研究人员展示了这些模拟与实验的结果。


    长距离模分复用（MDM）采用自适应多输入多输出（MIMO）均衡，以补偿模态串扰和模态色散。模分复用（MDM）系统通常必须使用多输入多输出（MIMO）的频域均衡（FDE），以减少计算的复杂性；相比之下，单模光纤中的偏振复用系统采用时域均衡（TDE），具有低复杂度并且通常用来补偿极化影响。对于多输入多输出（MIMO）的频域均衡（FDE）,来自美国斯坦福大学电子工程系爱德华.L.金兹顿实验室的学者们研究了两种自适应算法：最小均方法（LMS）和递归最小二乘法（RLS）。研究人员对这些算法的计算复杂性、循环前缀效率、自适应时间、输出符号差错率（SER）以及信道群时延散布和快速傅里叶变换（FFT）块长的影响进行了分析和权衡。与时域均衡（TDE）相比，使用频域均衡（FDE）后，计算复杂度会随着模态数量呈亚线性增长。在光纤支持的模态数量为6～30个时，采用递归最小二乘法（RLS）的自适应时间约为3～5微秒，采用最小均方法（LMS）的自适应时间约为15～25微秒。与最小均方法（LMS）相比，递归最小二乘法（RLS）可以达到更少的自适应时间、更高的循环前缀效率、更低的符号差错率（SER）以及对模式相关损耗具有更大的包容性，但所付出的代价是每个快速傅里叶变换（FFT）块的计算复杂性较高。为了在模分复用（MDM）系统中保持低的计算复杂度和短的自适应时间，要求总体群时延散布必须较少。这可以通过凹陷包层光纤的一组渐变折射率来实现，与模态的强耦合相呼应，其中的非耦合群时延散布随着模态数量的增加而减少。

    来自美国佐治亚理工大学电气与计算机工程学院、美国电话电报公司实验室和中国西南交通大学信息科学与技术学院的科研人员，首次研究并阐述了在多频带光载无线通信（ROF）系统中的数据依赖信道交叉调制（XM）。由马赫–曾德尔调制器（MZM）引起的非线性交叉调制（XM），包含了带内交叉调制（XM），这是产生在组成矢量信号的同相分量和正交分量之间；以及带间交叉调制（XM），这是产生在标量/矢量信号的多个频带之间；这些都已经通过封闭形式的理论分析进行了研究,并且已经通过实验测量进行了验证。理论和实验的研究得出了一致的结论，证明了标量信号只受带间交叉调制（XM）影响；而矢量信号既受带间交叉调制（XM）也受带内交叉调制（XM）影响。带内交叉调制（XM）导致矢量信号的星座压缩失真；而带间交叉调制（XM）导致标量信号的眼图劣化，并且导致矢量信号的星座缩放失真。为了减轻由数据依赖交叉调制（XM）引起的信号失真，科研人员采用了反正弦预失真技术来补偿马赫–森德调制器（MZM）的非线性响应。这样可实现对带内和带间交叉调制（XM）的有效抑制。

    来自英国格拉斯哥卡利多尼亚大学工程与建筑环境学院和爱丁堡大学工程学院数字通信研究所的研究人员，介绍了广义空间移位键控（GSSK）信号调制技术的优点和缺点，这种技术有低复杂度、多发射器的特点，主要用于短距离室内可见光通信。为了说明广义空间移位键控（GSSK）具有的高频谱效率，使用一组Nt个白光发光二极管（LED）的阵列，通过空间分离发光二极管（LED）阵列中信道增益的自然差异来演示Nt比特/符号的传输。用两个低功率白光发光二极管（LED），且每一个在8兆赫频率上都有3 分贝的调制带宽，就可以证明数据传输率高达40兆比特/秒（20兆波特）。对于一个平均功率-12.5毫瓦分贝并有2×104个数据码元的接收电信号，在20兆波特传输率时测量出误符号率是7×10-2，在10兆波特（20兆比特/秒）时测量出误符号率是5×10-5，这里没有使用任何差错控制编码。上述对广义空间移位键控（GSSK）技术进行的实验证明，这种技术最适合于固定设备，其性能对接收器的移动是相当敏感的。

    来自爱尔兰都柏林城市大学电子工程学院王子研究所、加拿大拉瓦尔大学光子学与激光学院光学中心和美国内布拉斯加林肯大学计算机与电子工程系的研究人员，分析了一种光学相干通信系统的误码率（BER）性能，这种通信系统采用了具有大量额外相位噪声的多段单片可调谐激光器。这种相干系统将二阶判决引导数字锁相环（DD-PLL）用于相位跟踪，研究人员对系统的误码率进行了数值计算。在16千兆波特率上，用16位二次幅度调制相干系统（该系统使用一个抽样光栅分布布拉格反射激光器）进行实验，获得的结果证实并确认了二阶判决引导数字锁相环（DD-PLL）在跟踪额外相位噪声方面的性能。

光纤技术

    来自德国布伦瑞克工业大学高频技术研究所的研究人员改善了含二氧化硅和氟化物的玻璃纤维的凝胶拼接方法。采用这种方法后，平均损耗低于0.5分贝，材质更加坚固、性能更加稳定。此外，使用了折射率匹配的凝胶后，拼接处的反射降低到约-42分贝。将25厘米长的掺镨（Pr3+）/镱（Yb3+）氟化物(ZBLAN)光纤拼接到二氧化硅光纤上，当光泵的功率电平在845纳米波长处为144毫瓦时，在使用拼接光纤的光纤激光器谐振腔中，红色激光辐射达到了6毫瓦。  


    来自中国哈尔滨工程大学、教育部光纤集成光学重点实验室的科研人员介绍了他们基于模态干涉仪的单模光纤（SMF）折射率（RI）敏感特性的研究。研究表明，单模光纤（SMF）中不同模态之间的干涉，会因外部介质折射率（RI）的变化而产生完全不同的响应。纤芯和低阶纤壳模态之间的干涉具有负的折射率（RI）敏感度；而纤芯和高阶纤壳模态之间，或者两种不同阶数的纤壳模态之间的干涉，则具有正的折射率（RI）敏感度。在实验验证中，使用了单模-多模-单模（SMS）光纤迈克尔逊干涉仪，这种干涉仪包含大芯径阶跃多模光纤（MMF）。在基于单模-多模-单模（SMS）的迈克尔逊干涉仪中，多模光纤（MMF）起到模态耦合器的作用，以便在单模光纤（SMF）中激发纤壳模态。科研人员在氯化钠水溶液中，分别对两种不同长度多模光纤（MMF）的折射率（RI）响应进行了测试，测试所用的多模光纤（MMF）是基于单模-多模-单模（SMS）结构。最后的研究结果表明，实验结论与理论分析完全吻合。