2014年8月JLT光通信论文评析

浏览量：

导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰王炼栋
    2014年8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，传输、调制与光信号处理和光纤技术等，笔者将逐一评析。

光网络及子系统
    在多信道以太无源光接入网络（EPON）中，与仅仅只单独使用时分复用（TDM）或波分复用（WDM）技术相比，混合调度使用波分复用/时分复用（WDM/ TDM）技术的情况日益普及，因为这样做可以提供更大的灵活性、更加高效节能的负载分布以及增加支持宽带的用户数量。来自印度理工学院电子与电气通信工程系的研究人员总结了现有的各种多信道以太无源光网络（EPON）设计，并提出了一种新的方案，用以进一步提高调度效率。为此，他们已经开发出来一种改进型稳定匹配算法（MSMA），并推出了一种可预测的及时反应调度框架，用于在实时状态下能动态启动这种改进型稳定匹配算法（MSMA）。研究人员还提供了大量的模拟结果，用来证明与其他现有设计方案相比，他们所提出的调度方案具有更高的有效性。
    从最终用户的观点来看，光数据分组包与电路集成网络（OPCInet）可根据用户不同的使用需求和场合，同时提供高速率的传输、价格低廉的服务、可确定的延迟以及低损耗的数据服务。从网络服务供应商的观点来看，这种网络通过一个简单的控制机制，就可以实现大容量交换，并且能耗低、使用非常灵活、资源利用率高。在这篇文章中，主要介绍了光数据分组包与电路集成网络（OPCInet）、及其扩展的软件定义网络（SDN）近期在研发方面的进展。来自日本国家信息与通信技术研究所的研究人员已经开发出光数据分组包与电路集成（OPCI）节点，在100 G比特/秒的光分组交换部分，这种节点能够在光分组网边缘、具有突发容限的光放大器中、以及有光纤延迟的光学缓冲器中进行以太网帧和光数据分组包之间的相互切换。这种光数据分组包与电路集成（OPCI）节点已实现数据分组包错误率小于10-4，目前已经可以作为一个实验室网络中的节点访问因特网。电路交换部分的控制、以及光分组资源和电路资源之间的移动边界控制都采用了分布式自动控制机制。在文中推荐的用于数据分组包和电路交换光学系统中，都采用了集中控制机制和分布式控制机制。研究人员还说明了基于分组的软件定义网络（SDN）系统，是如何利用IP地址和光数据分组包与电路集成（OPCI）节点标识符之间的映射来进行结构配置的；介绍了如何通过web界面，根据来自多个服务供应商的需求而生成切换表。
    来自西班牙瓦伦西亚理工大学电信与多媒体研究所光学和量子通信小组的科研人员探讨了集成微波光子学（IMWP）的应用，能给未来的接入网带来什么样的好处。文中首先回顾了无线接入网（RANs）各种最常见的架构，以此来识别架构中微波光子元件以及光纤链路上无线部分所在的位置。然后，文中提供了一段对集成微波光子学（IMWP）基本原理的简要说明，目的是让读者了解这种技术当前发展的状态和未来应用的潜力。科研人员还讨论了将集成微波光子学（IMWP）技术融合进无线接入网（RANs）前端链路的可能性。其中，他们首先确定了哪些微波光子学（MWP）功能特性是所需要的，然后再讨论了根据目前和近期该领域可能达到的技术水平，并论证了把这些功能融合进无线接入网的可行性有多大。

无源和有源光子器件
    目前，有证据证明许多研究课题都是通过提出一些新型电极图案设计，来减少电流拥挤效应并提高发光二极管（LED）的光输出功率。来自中国台湾中原大学机械工程系、生物医学技术中心、微系统可靠性研发中心、桃园创新技术学院机械工程系的科研人员所进行的这项课题，是通过实验和数值分析来研究电极设计对发光二极管（LED）发光效率的影响。为缓解在传统电极边缘常见的电流拥挤效应，可使用一个扩展的p电极；不过，一个扩展的p电极也会遮蔽从有源层发射出来的光。因此，科研人员在电极上制作了直径为3微米或5微米的小孔阵列，并比较了小孔阵列在提高光输出效率方面的有效性。光学测量表明，增大小孔直径可导致光输出功率的增加；采用了文中所建议的改进方法后，具有5微米孔阵列的发光二极管（LED）最高输出功率为48.1毫瓦，比常规发光二极管（LED）43.8毫瓦的输出功率高。在注入电流为500毫安时，经改进的发光二极管（LED）（5微米孔）输出功率为47.7毫瓦，这几乎是传统发光二极管（LED）（23.7毫瓦）的二倍。数值分析方法还被用于仿真发光二极管（LED）有源层内的电流密度分布，并利用电流扩展长度与内部量子效率之间的关系来计算发光强度的分布。科研人员经过进一步的建模工作后，可通过蒙特卡洛光线追迹法来模拟光输出功率，数值模拟仿真的结果与从实验中测量获得的数据高度吻合。

图1 具有3微米孔阵列的扩展p电极的电子扫描显像图
    来自日本奈良先端科学技术大学材料科学研究所的研究人员，使用1.55微米极化双稳态垂直腔面发射激光器（VCSEL），对全光触发器运行时的误码率（BER）进行了测量。通过向垂直腔面发射激光器（VCSEL）的两种激光发射模式注入置位光脉冲和复位光脉冲，可使得极化双稳态触发器运行；这两种激光发射模式都能独立调节光波长，并且它们的极化方向是相互正交的。获得的波形清楚地表明，虽然这些置位光脉冲和复位光脉冲功率比垂直腔面发射激光器（VCSEL）的输出功率低得多，但在实际测量传输速率高达1G比特/秒时，系统的误码率（BER）小于1×10-9。研究人员还展示了通过注入同一个激光二极管产生的、具有相同波长的置位光脉冲和复位光脉冲后全光触发器的运行情况。在这种情况下，极化双稳态触发器运行速率可达到500比特/秒，与采用注入独立调整波长的置位光脉冲和复位光脉冲的运行情况对比，两种运行的误码率（BER）值几乎相同。同样，此时光输入脉冲功率要比使用两个不同波长的光输入脉冲功率要高，但仍然比垂直腔面发射激光器（VCSEL）的输出功率要低。
    对采用正交相移键控和数字相干技术结合的光传输系统而言，由于其应用需要使整个光通信系统使用的光电子器件配置增加，导致了光通信系统中的接收机要既经济又紧凑。在这篇文章中，来自日本电报电话公司光学实验室的研究人员，展示了在基于二氧化硅的平面光波电路（PLC）上，对磷化铟光电二极管（PD）的集成应用。通过利用粘合剂粘合磷化铟晶片和采用倾斜干法蚀刻技术，研究人员已经在平面光波电路（PLC）上的一小块集成区域内，成功制造出高速光电二极管（PD）和低损耗微镜，并且评估了系统接收机的性能。他们使用紧凑型相干接收器实现了32 G波特率的双极化正交移相键控（DP-QPSK）光信号解调，并在相干接收器的平面光波电路（PLC）上成功集成了八个高速光电二极管（PD）、一个监控光电二极管（PD）、一个偏振分束器、两个90◦光混合器、一个可变光衰减器和微镜。

传输、调制与光信号处理传输
    来自中国华中科技大学光电子信息学院下一代互联网接入国家工程中心和新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员提出了一种新的方法，他们通过使用混沌技术和分数阶傅里叶变换（FrFT）技术，可以同时提高物理层的保密性和正交频分复用（OFDM）无源光网络系统的传输性能。他们设计了三维混沌序列，用来产生用于时间同步的训练序列，对正交频分复用（OFDM）的副载波进行处理，并能控制分数傅里叶变换（FrFT）运算的分数阶。分析结果表明，在文中所提出的方案里，整个密钥空间的大小可能会超过1050，并且所发送的正交频分复用（OFDM）光信号的峰均功率比可以降低约0.5分贝。此外，研究人员还成功地展示了在超过25公里的单模光纤信道上，使用混沌技术和分数阶傅里叶变换运算所进行的一个数据传输实验，实验中采用了16相正交幅度调制（QAM）-正交频分复用（OFDM）光信号实现传输速率为8.18G比特/秒的通信。实验结果表明，不需要提供额外的带宽，上述实验系统就能够有效提高系统保密性和传输性能。

图2 基于混沌和分数阶傅里叶变换（FrFT）技术的保密正交频分复用无源光网络原理图

对于在短距离内达到100 G比特/秒传输速率的强度调制直接检测光通信系统，来自加拿大女王大学电气与计算机工程系和数学与统计系的研究人员对其最新进展进行了简要回顾。通过一个示范性实验，证明使用数字信号处理技术的发射器和接收器可支持相对折衷的符号速率；研究人员考虑使用双极化、单载波方式和单极化、双载波方式，来实现112 G比特/秒的16进制正交幅度调制（QAM）半周期奈奎斯特子载波调制信号的生成和检测。在一个背靠背传输系统中，使用高带宽直接调制负反馈激光器来产生光信号；经过单模光纤信号传输4公里以上后，使用前置放大接收器成功检测到了光信号。

图3 基于双极化、单载波奈奎斯特子载波调制的实验装置

    来自中国清华大学电子工程系、中国科技大学信息科学与工程学院以及英国诺森比亚大学工程与环境学院光通信研究组的科研人员提出一种多跳自由空间光通信（FSO）链路并进行了通信性能指标分析。实验链路上使用了外差差分相移键控调制技术，其运行环境是在湍流引起的衰落信道中。首先，科研人员为多跳自由空间光通信（FSO）系统开发了一种新型的统计衰落信道模型，该模型中使用了信道状态信息辅助和固定增益传播，并考虑到了大气湍流、指向误差和路径损耗的影响。他们使用Meijer的G函数来推导多跳自由空间光通信（FSO）信道的函数封闭表达式，这些函数包括动差生成函数、概率密度函数以及累积分布函数；然后这些表达式再被用来推导故障可能发生率和平均误符号率的极限。实验结果证实了该通信系统性能的降低与跳数是函数关系。科研人员还对大气湍流强度变化（由弱至中等和由中等到强烈）对该系统的影响、光束几何损耗以及指向误差进行了研究。研究结果表明，通过使光束变宽可减少指向误差，但要以牺牲接收信号功率电平为代价；而使光束变窄可以减少光束的几何损耗，但会增加指向误差，造成光束对不准而影响光信号接收性能。
    来自美国马萨诸塞州立大学电气与计算机工程系的科研人员对光锁相环路（OPLL）中存在的非线性动态问题进行了研究，以确定上述问题在雷达前端对光锁相环路（OPLL）性能的影响。根据研究结果，他们提出了一种改进型光锁相环路（OPLL）的理论模型，并通过数值模拟仿真方法研究了外部干扰的存在对光锁相环路（OPLL）性能的损害，以及光锁相环路（OPLL）在相位跟踪失效阶段中的动态行为。这些研究结果都通过实验观察得到了验证。
    来自美国电话电报公司实验室的研究人员对当前几种应用数字信号处理（DSP）方式的光通信技术做了一次系统性综述，这些技术都是为支持高频谱效率（SE）技术在光纤网络中应用而提出并论证的，同时这些光纤网络传输速率都是400G比特/秒以上并且还有更高速率等级的。上述技术包括：1）一种新近提出的频谱效率（SE）-自适应光学调制技术——时域混合正交幅度调制（QAM）；2）两种先进的发射端数字频谱整形技术——奈奎斯特信号化（用于进行频谱效率复用）和数字预均衡（改善容差通道窄化效应）；3）一种新近提出的辅助训练两级载波相位恢复算法，这种算法被设计以最小的训练开销，用来处理周期性相位滑移负面影响问题。此外，研究人员还提出了一种新型基于数字信号处理（DSP）的方法，用于缓解均衡器增强产生的相位噪声损害。研究表明，长效记忆色散补偿滤波器/均衡器与本地振荡激光器相位噪声之间，会由相互影响而引起性能下降；通过使用常用的快速单抽头反相均衡器（用于典型的载波相位恢复）与快速多抽头线性均衡器，能够将性能下降有效减轻。最后，简单介绍了两种高频谱效率（SE）400 G比特/秒速率等级的波分复用（WDM）传输实验，这些实验中采用了文中提及的数字信号处理（DSP）算法。

图4 用于产生和接收时域混合正交幅度调制（QAM）光信号的(a)发射器和(b)接收器框图

    在光通信系统中，自从引入了相干接收机以后，目前已经建立了基于软判决的前向纠错机制。来自德国阿尔卡特朗讯公司贝尔实验室的研究人员采用教科书式的说明方法，介绍了一种常用的编码，即低密度奇偶校验（LDPC）码的应用。研究人员还讨论了编码技术的新发展，例如卷积低密度奇偶校验（LDPC）编码技术；并阐述了作为未来光通信系统中的潜在候选技术，这些编码方法是如何使用的。

光纤技术
    来自日本电报电话公司网络创新实验室的研究人员介绍了基于多芯光纤（MCF）、采用空分复用方式的超高容量长距离光信号传输技术。首先，在文中，研究人员讨论了影响多芯光纤（MCF）可达到的最大传输总容量以及最大传输距离的限制因素，并说明相邻纤芯之间的串扰（XT）会严重限制光纤的传输距离。接下来，他们阐述了用一种传播方向交错（PDI）技术来抑制串扰（XT）影响。在传播方向交错（PDI）技术中，相邻的纤芯具有不同的传播方向，因此，在单独一根多芯光纤（MCF）中实现了双向光信号传输。在文中，还讨论了频谱效率和几种多芯光纤（MCF）可达到的传输距离，并说明在具有双环形结构的12芯光纤上通过使用传播方向交错（PDI）技术，可以把光信号传输范围扩展三倍。研究人员还描述了在一条12芯DRS光纤上使用传播方向交错（PDI）技术后，所进行的长距离光传输实验情况。
    来自美国OFS实验室的科研人员在这篇文章中，对适用于放大空分复用信号的多芯光纤放大器，就其最新发展做了相关报告。这些科研人员设计和并建造了7芯光纤放大器，其中的纤芯可以通过包层单独或同时泵浦放大，他们还对这些放大器的放大特性和噪声特性进行了研究。在纤芯泵浦放大器中，平均净增益为25分贝，噪声系数小于4分贝。采用侧耦合包层泵浦技术后，每个纤芯（在覆盖C波段的40纳米带宽上）获得的增益超过了25分贝。科研人员还介绍了数值模拟仿真结果，说明了进一步改善放大器性能的方法，可以通过改进光纤信道设计完成，例如对包括增益、噪声系数和功率转换效率（PCE）等一些参数进行优化设置。