2014年11月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
2014年11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。

光网络及子系统

预计在未来的光网络系统中，节能措施将成为一种强制性的设计标准。本文中所讨论的方案，就是考虑如何在基于多载波传输的核心光网络中增大节能效果。这种未来的网络将融合多种具有灵活适应能力的技术，主要包括以下几项：1）自适应调制和编码；2）灵活的频谱分配方式；3）波长转换；4）流量疏导。采用了上述这些技术后，在核心光网络中需要研究的问题主要是节能路由和频谱分配。为此，来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系和美国诺特丹大学的科研人员提出一个具有启发性的解决方案，方案通过对网络资源（如光纤、转发器和放大器等）的充分利用，为长途光网络提供了一种最低能耗的设计。在西欧地区的核心光纤网络中，通过与一个没有采用上述灵活适应技术的固定结构网络进行比较试验，得到的数值结果表明，融合了灵活适应技术的网络在节能方面完全胜过固定结构网络，在低流量需求以及高流量需求时相比分别节能4.2（6.4）倍和1.8（1.9）倍。

在这篇文章中，来自中国科学院半导体研究所光电系统实验室和长春理工大学光学工程研究所的研究人员分析了使用白色照明发光二极管（LED）的室内定位系统。定位系统的性能是由发光二极管的布局、接收器电路、光的入射角度、发光二极管光源和光电二极管等几方面所决定的。克拉美罗界作为理论精度极限，是通过所接收信号的强度指标算法而导出的。研究人员对某些情况下多径反射、发光二极管和接收器的非平行光轴对定位精度的影响进行了分析。分析结论表明，如果漫射信道的增益是事先在一定环境下测定的，且调制速度远低于信道的截止频率，那么理论精度极限值就不会受多径链路的影响。研究人员还对系统中的多种噪声进行了详细分析；并就室内均匀照明对定位精度的影响进行了讨论。结果证明，发光二极管采用三角形排列方式的理论估计精度要高于发光二极管采用正方形排列方式的精度。研究人员采用典型的参数值进行模拟，此时系统的理论定位精度可达到厘米级的水平。



无源和有源光子器件

光分组交换是用于大规模云数据中心的下一代颠覆性技术。支持多波长并行的全光路由器，提高了各种应用的运行速度并促进服务器虚拟化。尽管在光学技术的研究领域最近有不少新进展，但是光路由器的实现所存在的最严峻挑战是缺乏一个用于光信号缓冲的成熟解决方案。有一种建议是仿效电子数据缓冲，通过使用光纤延迟线（FDLs）将冲突的光数据包延迟一段固定的时间；然而，实际应用时在路由器中光纤延迟线（FDLs）的数量是有一定限制的，上述的建议会使路由器端口的运行利用率很低，从而牺牲很大部分的网络容量。在这篇文章中，来自加拿大多伦多大学电气与计算机工程系网络结构实验室以及拉瓦尔大学电气与计算机工程系光学、光子学和激光研究中心的研究人员介绍了一种新型模块化路由器的体系结构，这种路由器基于波分复用（WDM）循环缓冲器，可以用来解决缓存能力有限的问题。他们还提出了一种负载均衡调度技术，能最大限度地提高光数据包的吞吐量。研究人员通过数学分析和蒙特卡罗仿真实验表明，在波分复用（WDM）光纤延迟线（FDLs）中进行光缓存器整合，并同时在路由器内部使用负载均衡技术，由此能产生了一个数据几乎无损的路由器，可以灵活应对数据中心流量异常的情况。进一步加强负载的均衡，能使进入光缓存器的光数据包数量最小化，从而使得光数据包的排队延迟可以忽略。研究人员的上述方案设计支持在物理层的扩展，可经过修改用于更大规模的光集成网络。

调制与光信号处理
在这篇文章中，来自英国剑桥大学工程系光子系统中心的科研人员介绍了多输入-多输出（MIMO）密集波分复用（DWDM）系统的原理证明演示。演示中使用了标准的非制冷分布式反馈激光器，这种激光器采用强度调制-方向检测（IM-DD）技术，每个激光器的非相关温度漂移被限制在50℃的温度范围内。科研人员引入了基于反馈的激光器偏置控制算法，以保证采用可接受的波长间隔、以及后光电检测最小均方误差解码器来取消信道间的串扰。通过MATLAB仿真，科研人员研究了多输入-多输出（MIMO）接收器的相对灵敏度，这是在激光器随机温度漂移的情况下进行的。在超过28公里的单模光纤上，配以最糟的波长分配方案，通过对一个40通道×12.5Gb /秒的密集波分复用（DWDM）传输系统进行试验，结果证明了所引入技术的可行性。

正交频分复用（OFDM）技术的使用，使光传输系统可以突破由传统波分复用技术导致的波长栅格的限制，从而产生了一种非常灵活的传输模式，进而实现较高的频谱效率，并能够更好地使用光纤资源。在这篇文章中，来自加拿大滑铁卢大学电气与计算机工程系和中国台湾中原大学信息管理系的研究人员提出了一种新型自适应传输理念，用在弹性相干光正交频分复用（OFDM）传输系统中，目的是按照能量和频谱的消耗情况来优化系统运行，这里的能量和频谱消耗是指用于保证传输能够达到所需数据速率的资源消耗。通过对马赫-曾德尔调制器的非线性效应以及光放大器中被放大的自发辐射噪声的综合考虑，还包括考虑到在电子领域中由于较高的峰值平均功率比（PAPR）造成的性能下降；因此研究人员首先提供了一个分析模型，用于单弹性光传输线的误码率性能分析。为了有效的实现降低峰值平均功率比（PAPR），研究人员引入了一种被称为简单零切换的新方法，该方法被认为在弹性光传输系统中应用是非常合适的，这种方法具有较低的计算复杂度，并且对信道侧的信息几乎没有依赖性。基于上述推荐的分析模型可对优化问题进行规划，并运用数学方法来解决问题。在案例研究中，研究人员通过大量的数值实验对所提出的分析模型进行了验证，从而使读者对解决优化问题的规划方案有了更明确的理解。

在采用多电平调制的相干光学系统中，前向纠错技术（FEC）中起着至关重要的作用。不过，在许多编码理论中，考虑噪声时都是假设加性高斯白噪声（AWGN）占主导地位；然而在相干光学系统中，除加性高斯白噪声（AWGN）以外，相位噪声（PN）也具有显著影响；这就会改变系统的误差统计，并影响到前向纠错（FEC）的性能。在这篇文章中，来自瑞典皇家理工学院、丹麦技术大学和英国阿斯顿大学的科研人员提出了一种新的半解析法，用来制定二进制博斯-乔赫里-霍克文黑姆（BCH）码，以便在具有相位噪声（PN）的系统使用。这种方法包括从纠错前误码率模拟中提取统计数据，科研人员利用这些统计数据来确定一种二元二项式模型的参数，这种模型是用来描述误码分布的。采用这种方式，科研人员将纠错前的统计数据与纠错后误码率和BCH码联系了起来。这种方法的适用范围是要求纠错前误码率在10-3左右，对纠错后误码率无要求。通过数值模拟，科研人员以10-5为纠错后误码率的目标对方法的准确性进行了评估。使用上述方法进行编码，系统达到了0.2分贝的信噪比目标。

离散傅立叶变换扩展正交频分复用（DFT-S OFDM）是基于正交频分复用（OFDM）的一种改进技术，具有很多优点；然而，它有一个主要缺点是相位噪声容限降低了，这是由于在离散傅立叶变换扩展子载波中采样速率放缓而导致的。在这里，来自以色列理工学院电子工程系的研究人员提出了一种相位恢复方法，用在四进制正交幅度调制（16-QAM）相干传输中；这种恢复方法是基于下列技术的组合：非冗余交织技术、差分预编码技术和多符号延迟检测（MSDD）技术，可适用于各种离散傅立叶变换扩展正交频分复用（DFT-S OFDM）接收机。这种方法明显改善了非线性相位噪声的容限，并且通过在一千多公里的单模光纤上进行四进制正交幅度调制（16-QAM）传输而得到了验证。

目前，表面等离子体共振（SPR）技术被广泛用于检测金属表面非常小的折射率变化，虽然这已经是一种十分成熟的技术，但被测样品的温度仍然是一项需要认真对待并加以控制的重要因素，因为表面等离子体共振（SPR）信号会随着温度的变化而改变。这在实际应用中是一个重大问题，因为在测量过程中，被测样品的温度会随着环境温度变化而改变，或随着表面等离子体共振（SPR）传感器工作温度的变化而改变。在这篇文章中，来自澳大利亚埃迪斯科文大学电子科学研究所和中国北京大学电子系的研究人员首次提出一个针对上述问题的解决方案，可使用传统的表面等离子体共振（SPR）传感器同时测量折射率和温度，并通过实验进行了演示。采用这个方案后，在测量过程中既不需要温度控制也不要求设备校准，非常有利于表面等离子体共振（SPR）传感器在应用现场进行操作使用。


光纤技术

要实现高功率超连续谱，多芯光子晶体光纤是一个重要的研究方向。来自中国国防科技大学光电科学与工程学院的研究人员介绍了两种基于空气孔塌缩技术的后处理方法，使用这些方法可以在七芯光子晶体光纤（SCPCF）中产生近似高斯模场，用于低损耗熔接。第一种方法是通过同时加热和塌缩所有空气孔，使七芯光子晶体光纤（SCPCF）的模场变得更加集中，这样各个分离的纤芯模式之间会变得更加平坦。另一种方法是首先产生类似高斯模场，然后选择七个光纤芯之间中央部分的空气孔进行塌缩，最后可以形成一个集中的大光纤芯。研究人员通过实验证实了理论仿真的结果，两种方法都可用于减少七芯光子晶体光纤（SCPCF）和双包层光纤之间的模场不匹配，使熔接损耗分别降低至0.46分贝和0.22分贝。