2015年2月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
3/11/2015,2015年2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、调制与信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
    目前光纤传输技术的广泛运用，使在公共局域网络上的数据传输速率大大增加，已经可以达到10Gb/s以上。在具体使用场合里，终端用户发现采用移动通信方式进行局域网的无线接入是非常方便的。然而，微波频率有限的频谱可用性却导致每个用户的传输速率受到限制，只能达到低得多的速率值；例如，根据IEEE 802.11ac的标准，5-GHz频段的速率上限为500 Mb/s。要将光纤传输的高数据速率延伸到无线终端设备，就需要大大提高载波的频率。在本文中，来自英国伦敦大学学院电子与电气工程系的研究人员介绍了如何运用光子技术，来使毫米波级和太赫兹（THz）频率的信号进行超高速率的无线数据传输。


    来自美国阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室、中国华为美国子公司固定接入实验室、德国凯泽斯劳滕大学、德国电信咨询有限公司以及韩国电子和电信研究所的研究人员在这篇文章中介绍了以1.44Tb/s速率进行数据传输的现场演示情况。演示是在韩国先进研究网络（KOREN）上进行的，使用的是三组341 Gb/s传输速率的极化复用-正交频分复用（PDM-OFDM）信号，采用了256迭代极性调制。在这个采用分布式管理的商用化波分复用（WDM）传输系统中，部署了传统光纤和支持波分复用（WDM）传输的100 GHz电网，涵盖了大田与首尔之间248公里的距离。由于使用环形路由配置，三个信道中信号被发送的总距离超过了495公里。研究人员在演示实验中既采用了基于码间干扰的补偿技术，也采用了增强软判决的解码技术；通过两种用于编码调制的数字信号处理方法，使演示获得了成功。

无源和有源光子器件
    来自美国阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室、德国慕尼黑工业大学沃尔特肖特基研究所和德国VERTILAS公司的研究人员使用了一种直接调制2×4单片垂直腔表面发射激光器阵列，来产生400-Gb/s的线速率信号。这种信号包含四个波分复用信道，信道之间间隔为100 GHz，每个信道承载100-Gb/s速率的极化复用四电平脉冲幅度调制信号。研究人员使用数字相干检测技术，在5×80公里带有掺铒光纤放大器的标准单模干线光缆上成功地发射了400 Gb/s的信号，其中约20％的开销用于软判决前向纠错，因此最终实现333 Gb/s的净网络信息比特率。
    来自英国剑桥大学工程系光子系统中心、美国阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室和安华高科技公司的研究人员研制了一种新型的密集波分复用（DWDM）系统，通过引入相邻信道之间的正交性、采用对波导光栅滤波器重叠排列的方式，在运行激光发射器时不再需要使用半导体制冷。与传统密集波分复用（DWDM）系统相比较，采用这种新型方案实现的系统可以节省高达68%的功耗。文中还介绍了研究人员在所进行的100 Gb/s（10 Gb/s×10）原理证明实验中，使用了交替非归零（NRZ）码和曼彻斯特（CAP-2Q）调制技术。

    来自中国香港科技大学电子与计算机工程系、美国加利福尼亚大学电气工程系、美国俄勒冈州立大学以及中国复旦大学的研究人员提出了一种数字化控制的光接收机（1V、30 Gb/s、1.37 pJ/b）设计方案，采用了65纳米互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术。这种光接收机包含一个以逆变器为基础的电感性跨阻放大器、一个完全集成的低压差稳压器、一个主放大器、一个三级级联的连续时间线性均衡器（CTLE）、一个两级限幅放大器和一个输出驱动器。其中连续时间线性均衡器（CTLE）由三级级联组成，每级具有不同的峰值频率（5、12和20 GHz），提供16分贝的可调低频增益，以适应不同光电检测器（PD）的特性。经过电气测量，其最大跨阻增益为83 dBΩ（14125Ω），输出电压振幅为300毫伏，-3 dB时带宽为24 GHz，功耗为41毫瓦。此外，在使用28 Gb/s的光电检测器（PD），并用-5.6 dBm输入灵敏度的215-1位伪随机二进制序列（PRBS）作为输入信号时，所进行的光学测量结果显示，光接收机可达到的接受码速为30 Gb/s，误码率（BER）为10-12。使用低带宽14 Gb/s的光电检测器（PD），同时信号输入灵敏度降低至0.6 dB，接受码速仍然可以达到30 Gb/s，误码率（BER）为10-12。这充分体现了本文所提出的光接收机和可编程级联连续时间线性均衡器（CTLE）设计方案的有效性。核心器件的占用面积为0.26平方毫米。
    来自美国国际商用机器公司（IBM）T.J. Watson研究中心和瑞典查尔默斯理工大学显微技术与纳米科学系光子学实验室的科研人员介绍了所设计的850纳米垂直腔表面发射激光器（VCSEL）发射机的性能，它采用了非归零（NRZ）调制技术，传输速率50 Gb/s时工作温度范围为30℃至90℃。对于50 Gb/s任意波长垂直腔表面发射激光器（VCSEL）链路而言，这是发射机目前所能达到的最高工作温度。为达到这一目标，科研人员采用了对高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）优化设计、对驱动器和接收器电路进行均衡化等措施。如果不做均衡化处理，为保证传输误码率小于10-12，最高工作温度只能达到57℃。
来自美国洛合镭信有限公司的研究人员，在本文中展示了一种紧凑型集成光学子模块，主要应用于以40 Gb/s进行并行短距离传输的光学互连系统。在这种子模块中，研究人员采用一个硅光学平台整合所有光学元件，并通过应用高精度硅加工技术来制造无源光纤阵列。这种子模块能够在多模光纤上以40 Gb/s的速率发送和接收数据，有效使用距离可达到数百米。同样的生产平台经过升级后，就可以生产传输速率达100 Gb/s以上的子模块。

光传输
    来自美国宽宇科技有限公司、美国威瑞森电信公司和美国康宁公司的研究人员介绍了他们所做的100G传输实验结果，这项实验的目的是在系统内部不使用任何有源器件的情况下，实现长距离无中继传输。在这种无中继传输系统中，使用了商用分布式拉曼泵浦模块、增强型拉曼泵浦光放大器、以及带软判决前向纠错的实时处理100G（极化复用-正交相移键控）相干收发器。实验里作为干线光缆的是两种类型的超低损耗光纤，具有完全符合G.652b和G.654b标准的特点。实验过程中，首先是在实验室环境下，成功地进行了单独的100G信道传输，在G.652b标准的光纤上传输距离超过520.6公里（86.2分贝）；接下来，在野外环境下采用大有效面积、超低损耗符合G.654b标准的光纤作为干线光缆，成功地进行了单独100G信道和四个100G信道的传输，传输距离分别超过556.7公里（90.2分贝）和523.2公里（84.8分贝）。

    工作于瑞典查尔姆斯理工大学微米技术与纳米科学学院、澳大利亚莫纳什大学电气与计算机系统工程系光学系统与超高宽带装置研究中心的科研人员，对采用相位敏感放大器（PSAs）进行信号放大的传输链路特性进行了研究。通过文中的分析说明，他们解释了为什么这种链路比采用相位不敏感放大器（PIAs）进行信号放大的传统链路灵敏度更高，并且能够减轻非线性传输失真。这些科研人员使用数值模拟方法展示了这些特点，尤其是如果对链路色散图进行优化，就可能有效缓解自相位调制（SPM）引起的失真和非线性相位噪声（NLPN）。有用信号和闲频信号的噪声特性是十分重要的，要使非线性相位噪声（NLPN）得到缓解，噪声必须与链路的输入有相关性。科研人员详细研究了色散图的作用，结果表明：在一条采用标准单模光纤（SSMF）的链路中，能有效缓解非线性效应的最佳色散图，其所对应的预补偿量，相当于由非线性而损失的有效传输距离。此外，文中所做的实验也表明：在采用相位敏感放大器（PSAs）进行信号放大的链路中，由于提高了灵敏度并减少了非线性效应，传送10 GBd 16进制正交幅度调制（16QAM）数据的距离达到了105公里。考虑到各种情况的综合影响，经科研人员测量，在误码率（BER）同样达到1 × 10−3时，与采用传统相位不敏感放大器（PIAs）放大的链路相比，采用相位敏感放大器（PSAs）放大的链路能多允许12分贝以上的跨度损耗，这也意味着更远的传输距离。
在各个数据中心用于数据传输的光纤链路，绝大多数使用的是多模光纤，并采用工作波长为850纳米的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。这些链路的数据传输速度已经从1996年的1Gb/s发展到2014年的28 Gb/s。串行数据链路的这种发展趋势（未来传输速度达到40至56 Gb/s）对垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和光电二极管提出了更高的要求。在本文中，来自美国菲尼萨光电通讯有限公司、美国OFS公司和美国博通通信技术有限公司的研究人员首先介绍了在目前常用的28 Gb/s链路中，所使用的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和光电二极管的特性。然后，还提出了几种延长链路传输距离的方法，这些方法都采用了更先进的数据编码方案。最后，研究人员介绍了在多模光纤上使用波分复用技术的成果，验证了在双工OM3光纤上，传输速度为40 Gb/s的以太网连接最大距离可达到300米；并且还介绍了在模式带宽为850至 980纳米范围内所进行光纤优化的结果。

调制与信号处理
    来自日本电报电话公司接入网络服务系统实验室和设备创新中心、冲电气集团实业有限公司、千岁科学技术大学光电系统工程系的研究人员报道了世界上第一种能在系统级示范的动态波长分配（DWA）技术，这种技术是在波长可调（λ可调）的波分复用/时分复用-无源光网络（WDM/TDM-PON）中应用。为了实现动态波长分配（DWA）技术，需要一种新的动态波长分配（DWA）算法，用于根据用户带宽的需求，来确定如何将光网络单元分配给光线路终端端口。此外，波长调谐（λ调谐）序列会导致无数据帧的丢失，也就是说，一个无中断λ调谐序列是必不可少的。因此，研究人员提出了一种双向无中断λ调谐序列，并且探讨了这种序列使用媒体接入控制板的可行性，这种控制板是研制用于对称40-Gbit/sλ-可调波分复用/时分复用-无源光网络（WDM/TDM-PON）的，也是世界上首次使用这样的控制板。在展示过程中，系统会根据下行流量负载进行动态波长分配（DWA）计算，然后自动进行动态负载平衡操作。


    大型数据中心之间的互联需求促进了短距离通信研究的发展，这种互联所要求的传输距离约为数百公里，每波长的数据率超过100G。针对高速短距离通信，最近，来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系、澳大利亚国家信息通讯技术中心维多利亚研究实验室的研究人员提出了一种斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）技术，可以用类似相干检测的方法来实现线性的复杂光学信道。在斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）技术中，发射机将信号和载波置于正交极化上，而接收机在斯托克斯空间中实现对极化不敏感的三维检测，斯托克斯空间采用数字信号处理进行极化采集。与单极化相干检测技术对比，斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）技术可以达到100％的频谱效率，并同时获得接收机的相位分量和消除光检测的非线性。研究人员的实验表明，对斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）信号分别以80-Gb/s和160-Gb/s的数据传输速率进行传输，都能在标准单模光纤上达到160公里以上的距离。与采用极化复用相干检测技术相比，采用斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）技术显著降低了系统硬件和数字信号处理的复杂度，而且与传统的强度调制直接检测技术相比则增加了系统的频谱效率。因此，要实现每波长100G的数据率传输和超城域网（MAN）的覆盖，斯托克斯矢量直接检测（SV-DD）技术可提供具有成本效益的解决方案。这种技术还有在未来高速无源光网络（PON）中应用的潜力。

    本文探讨了运用25 Gb/s垂直腔表面发射激光器（VCSEL）技术，在单信道中进行50 Gb/s和100 Gb/s传输的可行性。来自美国菲尼萨光电通讯有限公司的研究人员，通过实验证明了在100米OM3多模光纤上，进行50Gb/s传输是能够达到实用程度的。那么，在单信道中进行100 Gb/s传输是否可行呢？为了解决这个问题，研究人员通过仿真实验提出了两方面的措施：一方面要降低垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的相对强度噪声；另一方面是采用一种新的调制技术，其性能比传统的离散多音频调制有明显提高，而增加的计算复杂性很少。
    来自德国柏林工业大学光学与原子物理研究所、德国高性能微电子创新研究所的科研人员介绍了一种硅基光调制器，它使用了一个位于法布里-珀罗纳米波导谐振腔内部的新型节点匹配二极管，这种二极管的长度仅为3微米。文中给出了这种调制器的动态光谱传输行为分析，并验证了发送非归零码数据时速率可达到10 Gb/s。

光纤技术
    来自美国Chiral Photonics公司和比利时校际微电子研究中心的研究人员展示了一种六边形单片光纤阵列，这种光纤阵列用于硅光子光接口，里面匹配了37个间距为40微米的垂直光栅耦合器，所有通过光接口的信道的耦合标准差为0.7分贝。
当前，随着通信中数据传输速率的不断提高，铜电缆中的最大有效传输距离也在逐渐减小。这种发展趋势正在推动着光纤链路进入到短距离通信的应用之中。目前，光纤传输已经在电信和数据通信市场领域确立了主导地位，并准备在消费类应用市场寻找商机。消费类产品的通信协议，例如USB（通用串行总线）接口协议和雷电接口协议，正在实现10 Gb/s以及更高速率的数据传输。在这种高速传输数据的情况下，传统铜电缆的有效传输范围变得仅限于几米以内。光纤传输可以突破这种距离限制，能在较长距离内有效应用。然而，要成功进入消费类产品市场，光缆还需要有足够的鲁棒性（包括光学性能和机械性能），同时成本要低。在本文中，来自美国康宁公司西部技术中心的研究人员介绍了如何将光纤链路的各部分，包括光纤、缆线、耦合光学器件等，通过工程化手段整合到一个系统中运行，并满足前面所提到的那些要求。