2015年3月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋

    2015年3月出版的JLT主要刊登了以下一些研究方向的文章，包括：光网络及其子系统、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。

光网络及其子系统
    来自英国电信公司的研究人员提供了最新一代无源光网络（PON）技术标准的总体概述，这一技术标准即将由国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）编撰完成。新的技术标准将被命名为下一代无源光网络（NG-PON2），它在密集波分复用的信道间隔上利用多波长技术，能够提供的光纤传输容量达40 Gbit/s，并在用户终端（光网络单元ONUs）中使用了可调谐收发器技术。新标准的重点聚焦在网络运营商的需求，正是这种需求推动了标准的技术研究以及优化选择，并使之标准化。在国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）最终批准新标准之前，本文还给出了物理层主要光学规格的暂行标准。


无源和有源光子器件
    来自爱尔兰科克大学廷德尔国家研究院、英国伯明翰工程和应用科学学院阿斯顿光子技术研究所、爱尔兰Eblana Photonics公司的研究人员介绍了几种先进的有源和无源光器件，主要是用于在空心光子带隙光纤上进行的波长约为2微米的高速光通信。其中，单频激光器能够在10 Gb/s速率下运行，并且覆盖了很宽的光谱范围。研究人员对波导和表面正常的光电二极管做了性能对比，发现后者的灵敏度更好，可以支持的传输速率高达15 Gb/s。他们还在大光斑尺寸的波导平台上对无源波导、90°光混合器和具有100 GHz信道间隔的阵列波导光栅进行了演示验证。最后，研究人员验证了一种强电光效应，这种强电光效应是在应变平衡多量子阱中的量子限制斯塔克效应，在本文里被用于10 Gb/s速率下运行的马赫-曾德调制器中。
来自英国伦敦大学学院光网络研究组的科研人员展示了一种可进行快速波长切换的相干收发器，它是在半导体可调谐激光器和并行数字信号处理技术基础上实现的。科研人员对与半导体可调谐激光器相关的固有频率和相位噪声进行了分析，并提出了一种直流导频辅助相位噪声抑制技术，用于这种可进行快速波长切换的双极化正交频分复用收发器中。这样，在800公里的波长路由相干网络中，发射器和接收器就都可以使用市场上能买到的数字超模分布式布拉格反射激光器了。

石墨烯作为一种新型碳材料，由于其在电、热、光方面都具有十分出色的特性，而且可集成度很高、成本很低，因此已经成为一种非常引人关注的原料，在光电领域里得到大量应用。虽然单层石墨烯只有一个原子的厚度，但仍能够在很宽的频谱范围（从太赫兹到可见光频率）内与光进行相互作用。此外，石墨烯本身的固有性质使其能与硅光子器件很好地集成，并兼容CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺流程。来自美国犹他大学电气与计算机工程系的研究人员回顾并讨论了基于石墨烯的光电器件的最新进展，这些器件的工作波长在500纳米至500微米范围之间，主要用于光波束的形成、产生、调制和检测等。
    来自法国电子与信息技术实验室、南巴黎国立高等电信工程师学院电子物理系、阿尔卡特朗讯贝尔实验室第三至五联合实验室和泰雷兹集团的研究人员介绍了一种前置放大高速光接收机，它包括一个单行载流子光电二极管（UTC-PD），集成在一片带有一个半导体光放大器（SOA）的芯片上。这种半导体光放大器-单行载流子光电二极管光接收机具有以下性能：3 分贝带宽的接收频率达到95 GHz以上，噪声系数为8 分贝，1至2分贝的低极化相关损耗，95安培/瓦的峰值响应度相当于记录6.1 THz的增益带宽积。
    对于大规模集成光路而言，硅基光子技术既有高折射率差硅波导的特性，又有成熟的制造工艺，因此具有很大的技术优势。目前，在这个领域的最新进展表明，无论是无源还是有源的光学元件，都可以集成到同一芯片上。来自美国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员介绍了一种同相/正交调制器，这种调整器与硅光子电路中的光均衡器集成到同一芯片上，能够产生速率为56 Gbaud的正交相移键控信号。在误码率为2.4×10-2的情况下，光均衡器可改善光信噪比2.5分贝。
    目前，采用多电平和多载波调制方式的数字相干传输系统，在传输速率上已经超越了100-Gbit/s。在本文中，来自日本电报电话公司设备技术实验室、设备创新中心、接入网络服务系统实验室和NTT电子有限公司的科研人员介绍了一种单芯片400-G相干接收机，它是建立在二氧化硅平面光波导（PLC）集成平台上。科研人员采用了最小弯曲半径为300微米的5％-Δ波导和混合集成的磷化铟光电二极管（InP-PD），并将一个极化光束分离器（PBS）、两个极化旋转器、四路光混合器和十六个高速光电二极管（PD）整合在一个芯片上。与其他同类型接收机相比，这种无源光接收机结构小巧紧凑，器件的性能没有任何下降。科研人员还对具有低损耗、高制造公差的三支模斑转换器，以及具有高极化消光比的波片型极化光束分离器（PBS）进行了深入的探讨和研究。利用这些技术，他们在平面光波导（PLC）平台上制成了双载波双极化（DP）16进制正交幅度调制（16QAM）接收机，并成功演示了如何对每个信道中的32 Gbaud双载波双极化（DP）16进制正交幅度调制（16QAM）信号进行解调。


光传输
    来自以色列特拉维夫大学电气工程学院和意大利拉奎拉大学物理与化学科学系的研究人员回顾了在光纤通信系统中，对信道间非线性干扰噪声（NLIN）建模的过程。建模的关键在于对信道间非线性干扰噪声（NLIN）方差的准确提取、对调制格式的依赖程度、非线性相位噪声的作用以及存在的时间相关性。研究人员介绍了建模过程中所采取的重要方法，即利用时间相关性来减少信道间非线性干扰噪声（NLIN）的影响；还探讨了建模在未来系统中的应用前景。
    第五代移动通信网络（5G）是移动通信发展中的下一个重要阶段，这一阶段将提供形成网络社会的基础。为了支持第五代移动通信网络（5G），对与之配套的传输系统也提出了进一步的要求。这种传输系统需要满足更广泛的业务需求；需要支持新兴的第五代移动通信无线网络（5G）系统（这种无线系统的用户容量更高、基站数量也将越来越多）；还必须满足能够对各基站之间的无线信号相互干扰进行协调；以及满足无线接入网络的部署模型具有高性价比；并且能够提供一个灵活的资源共享平台，使不同行业的用户通过传输应用程序接口可以访问网络资源，以获得各种各样的传输服务。来自瑞典爱立信研究中心和意大利爱立信研究中心的科研人员总结了第五代移动通信网络（5G）传输系统的关键性、决定性因素，在波分复用（WDM）技术和利用集成光子学开发的新型光学设备基础上，勾勒出一个实现可编程高速信号传输的概念。

调制与光信号处理
    来自德国阿尔卡特朗讯贝尔实验室、德国斯图加特大学和美国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员介绍并讨论了目前在纠错编码领域取得的一些进展，并论述了这些编码方法在光波传输系统中的可用性。研究人员介绍了空间耦合编码的几种分类，讨论几个空间耦合编码的设计方案，说明如何通过度分布的仔细选择来构成快速可译代码。他们使用现场可编程门阵列（FPGA）进行仿真实验，证明了一些空间耦合编码方法具有良好的性能，其误码率是非常低的。最后，研究人员比较了文中所提出的所有方案；说明了在相似的接收机复杂度和内存需求条件下，空间耦合低密度奇偶校验（LDPC）码的性能是如何优于传统的低密度奇偶校验（LDPC）码和极性码的。
    来自意大利米兰理工大学电子信息与生物工程系的科研人员展示了一种片上型非侵入式监测技术，用于监测在硅光子波导中的正交模传送。这里所提出的监测技术是利用了最近开发成功的非接触式集成光子探针（CLIPP），来实现一种完全透明的集成光探测器。波导中模传播的光强度可以用非接触式集成光子探针（CLIPP）进行实时跟踪，这样的监测不会导致信号传播质量的下降。科研人员利用这一原理，同时监测硅光子波导中两路已调制10 Gbit/s数据信道的传送强度，这两路信道在波长和复用方面是相同的。通过对每一路信号加弱调制导频音进行标识，非接触式集成光子探针（CLIPP）可以在同一时间区分两个不同的信道，对一个信道信号的监测不会影响对另一个信道信号的读取。这种监测技术的应用还可以扩展到任意极化态的多种模式，连同非接触式集成光子探针（CLIPP）探测器所具有的制造简单性和互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性，使得运用这种技术有望实现对模分复用系统中集成元件的监测和控制。
    来自德国卡尔斯鲁厄理工学院光子与量子电子学研究所和微结构技术研究所、科隆大学化学系、美国麻省理工学院电子研究实 验室、华盛顿大学、蒙大拿州立大学、瑞士联邦理工学院，以及美国英飞朗有限公司、德国科锐安有限公司、AMO有限公司、是德科技有限公司的研究人员，首次证实了可以使用硅基调制器产生符号速率为40 Gbaud的16进制正交幅度调制（16QAM）信号。他们的设备利用有机硅融合技术，结合了带有电光包覆材料的绝缘硅基槽波导以实现高效率的移相器。这些设备可以产生16进制正交幅度调制（16QAM）信号和正交相移键控信号，符号速率分别达到40 Gbaud和45 Gbaud；在单波长和单极化的情况下，传输速率最大可达到160 Gbit/s。这是目前硅基器件经过验证所能达到的最高值。上述设备所产生的16进制正交幅度调制（16QAM）信号能耗不到120 fJ/bit，比传统硅基光调制器产生的16进制正交幅度调制（16QAM）信号能耗要低一个数量级。
    随着数据传输速率的增加，远距离通信系统对频谱效率的要求越来越高。在波分复用（WDM）系统中，使用16进制正交幅度调制（QAM-16）技术是一种理想的选择；这种技术所达到的频谱效率是正交相移键控（QPSK）调制技术频谱效率的两倍，是传统二进制开关键控（OOK）调制技术频谱效率的4倍。然而，要产生16进制正交幅度调制（QAM-16）信号，需要使用数模转换器（DAC），数模转换器的结构复杂、成本昂贵、耗电较多。目前，来自美国思科系统公司、斯坦福大学电气工程系和意大利思科光子公司的研究人员已经开发出一种新型16进制正交幅度（QAM-16）调制器，这种调制器不需要使用数模转换器（DAC），在结构复杂性方面类似于传统的同相/正交（IQ）调制器。研究人员通过实验获得的结果表明，由这种调制器产生的16进制正交幅度调制（QAM-16）信号在进行单极化、背对背传输和零差检测时，符号速率高达28.125 Gsymbols/s，对应在单极化系统中每波长比特率高达112.5 Gb/s；转换到双极化系统中每波长比特率高达225 Gb/s。这种调制器采用分段式结构，建立在超低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）光电平台上，调制器和驱动器的功耗不到1瓦。


光纤技术
    来自法国普睿司曼集团的研究人员对用于空分复用传输的下一代光纤，在研究领域里的最新进展进行了综述。根据传输途中如何解决固有的串扰问题，以及表现出的不同特性和限制，下一代光纤可分为多种类别。对这些不同类别的光纤进行性能对比，就能发现它们在未来的不同发展潜力。
    少模光纤（FMFs）在许多领域都有着广泛的应用，例如空分复用（SDM）技术、高能激光发电及传输技术、色散补偿技术等方面。少模光纤所具有的许多特性（色散、双折射、模态内容、弯曲损耗）, 都相当符合空分复用（SDM）技术的需求。在本文中，来自法国电信联盟/巴黎高科国立高等电信学校、布列塔尼大学、加拿大拉瓦尔大学光学中心、魁北克大学高等技术学院电气工程系和法国普睿司曼集团光纤技术研发部的研究人员通过使用相敏低相干光干涉法，使少模光纤在所有LP模态下可同时表现出其特性。他们还采用了无空间模态转换的单次测量方法，来获得差分模态组的延迟和每个模态的色散绝对值。
    来自日本电报电话公司接入网络服务系统实验室的科研人员提出了一种采用中等耦合的多芯光纤（MCF）设计方案，来实现既能够降低光纤芯间多输入多输出（MIMO）处理的复杂性，又能够提高光纤内空间利用率的目标。科研人员运用数值模拟和仿真实验的方法，对纤芯均匀分布的多芯光纤（MCF）进行了研究，分析了模式耦合对光纤芯间微分模延迟（DMD）的影响；结果表明采用中等耦合的多芯光纤（MCF）设计可以避免光纤芯间微分模延迟（DMD）的增加，这就能够通过使用低复杂度的多输入多输出（MIMO）处理来弥补光纤芯间的串扰。最后，科研人员制作了覆层厚度为125微米的双LP模式六芯光纤进行试验，归一化信道多样性最高达到了18，而模式耦合没有引起明显的微分模延迟（DMD）增加。

    来自英国巴斯大学物理系的研究人员在本期介绍了一种高阶模转换器，主要应用在纤芯为矩形的带状光纤上，它是对光子晶体 光纤进行后处理后，在输入的单模纤芯旁边引入了一个扩大的寄生纤芯而组成的。这两个纤芯合并形成了输出的矩形纤芯。通过将光聚焦到输入纤芯，第三至第六阶模就会在输出端激发出来，因此该设备支持损耗较低（小于0.2分贝）并且带宽较高（1250–1650纳米）的实际应用。