2015年4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4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及子系统
    弹性光网络（EONs）和软件定义网络（SDN）相结合，产生了软件定义弹性光网络（SD-EONs），这就为增强光网络的可编程性和灵活性带来了新的机遇，而网络运营商也能够更自由灵活地定制自己的基础设施。来自中国科学技术大学信息科学技术学院和美国加利福尼亚大学戴维斯分校电气与计算机工程系的科研人员研究了如何使多域方案适用于软件定义弹性光网络（SD-EONs）。他们在控制平面中设计了一些功能来帮助多域任务的完成，并提出了一个域间协议，使OpenFlow控制器能够在不同的软件定义弹性光网络（SD-EONs）域里，为进行多域路由规划和频谱分配而协同运行。在跨国软件定义弹性光网络（SD-EONs）控制平面测试平台上，研究人员所提出的系统经过了运行和实验验证，这种测试平台由两个跨地理分布的域所组成，两个域分别在中国和美国。实验结果表明，在跨多个软件定义弹性光网络（SD-EONs）域中，该系统的运行情况良好。
    由于云计算和各种远距离分散分布式云服务的出现，通过光网络互相连接的数据中心已经吸引了许多网络运营商和服务提供商的关注。为了能够达到更有效且更高效地支持云服务的目的，人们必须对IT资源以及互联网资源的配置进行一番精心策划。在这里，来自中国北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、华为技术有限公司网络研究部和北京世纪互联宽带数据中心有限公司数据中心运营部的科研人员介绍了一种数据中心资源整合配置（DRIP）架构，这种架构利用了分布式数据中心的虚拟化协调和运营商的多域软件定义光网络。数据中心资源整合配置（DRIP）架构的提出，其目的是旨在实现IT资源和光网络资源的整合分配。为了研究这种架构的可行性和有效性，科研人员在测试平台上对两种IT资源分配策略和两种虚拟网络组合策略进行了评估；在验证实验中，他们主要依据三项指标来进行性能评估，这三项指标是主服务器CPU利用率、虚拟网络故障率和平均等待时间。


无源和有源光子器件
    日本东京工业大学精密及智能实验室光集成系统研究中心、工学部半导体及MEMS加工中心、日本电报电话公司设备创新中心和光学实验室及电子有限公司、沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王大学的研究人员，提出了一种基于布拉格反射波导阵列的波长选择开关（WSS），其封装引脚的尺寸只有2×6平方毫米；通过将硅基液晶作为交换引擎使用，可以在开关的182个输出端口中实现任意切换。研究人员所提出的这种波长选择开关（WSS），其模块长度仅为10厘米，在布拉格反射波导中具有大角度散布的优点。60通道波长选择开关（WSS）的使用，展示出这种设备优良的性能，它能够同时提供数量巨大的端口和波长工作通道。经过适当的调整，开关设备相邻端口之间的串扰低于-20分贝；通过优化模块的光路后，这种性能还可以得到进一步提高。采用软光刻技术的波导阵列设计，在与其他功能元器件集成方面也显示出了无限的潜力。
    随着波分复用光通信系统的出现，提高每路光载波的比特率被证明是推动系统整体成本下降的最有效方法；然而，当这种多载波传输系统的传输速率达到400 Gb/s时，增加载波数量的趋势受到了光电元器件带宽的限制。法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室和德国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员在首次展示以400 Gb/s的速率进行横跨大西洋距离的传输时，采用单载波调制技术。通过使用高速数模转换器，研究人员成功地产生了16进制正交幅度调制的64 GBaud双极化信号。利用奈奎斯特脉冲整形技术，传输信道能够以66.7 GHz和75 GHz的信道间隔紧密排列，由此产生的频谱利用率分别为6 bit/s/Hz和5.33 bit/s/Hz。收发器的设计是基于码间干扰的缓解、以及对前向纠错开销的优化过程。这里还使用了一种具有解码器优化的空间耦合低密度奇偶校验码来减少容量间隙。研究人员通过在五个信道进行的传输验证了收发器的设计，传输距离为6600公里和7200公里，对应的频谱利用率分别为6 bit/s/Hz和5.33 bit/s/Hz。他们还分析了通过使用滤波数字反向传播算法降低非线性特性后所能提供的性能增益。
    随着通信技术的发展，各种新的应用不断出现，例如云计算和基于高速蜂窝网络的视频传播需求；这些新应用导致高速短距离传输（用于接入网或数据中心）的需求量日益增加。由于PIN接收机灵敏度低，10 Gb/s以上的高速雪崩光电二极管（APD）又很缺乏，因此对于高速接收机而言，光前置放大是一种很有前途的概念。法国III-V实验室和法国电信的研究人员展示了一种集成了一个SOA（半导体光放大器）-PIN光电路和一个TIA（跨阻放大器）的接收机模块。这种接收机具有44 A/W的巨大响应度、低于2 dB的极化相关性、8.5 dB的低噪声系数和35 GHz的大3 dB带宽。研究人员所展示的接收机采用非归零码（NRZ），在25 Gb/s和40 Gb/s的速率下，创纪录地分别实现了-23 dBm和-21 dBm的灵敏度。


光传输
    高速光通信要实现Tb/s级的传输速率，超级信道传输是主要的候选技术之一。在信号的传输过程中，为了实现更高的频谱利用率，信道之间的间隔应尽可能越窄越好。然而，密集的信道分配会引起无法忽略的信道间干扰（ICI），特别是当信道之间的间隔接近或低于奈奎斯特带宽时。日本三菱电机公司信息技术研发中心、通信网络中心和先进技术研发中心、以及美国三菱电子研究实验室的研究人员，考虑采用联合译码来消除密集超级信道传输中的信道间干扰（ICI）。研究人员还建议使用汉-小林叠加编码技术以进一步提高频谱利用率。此外，有些情况下相邻子信道的发射器能够共享数据，这时可以引入脏纸编码技术对信道间干扰（ICI）进行预消除处理。最后，研究人员分析并评估了当传输信道之间的间隔低于奈奎斯特带宽时，上述这些方法在消除信道间干扰（ICI）方面的预计效果。
    来自美国阿尔卡特朗讯贝尔实验室、Acacia通信公司、加利福尼亚大学戴维斯分校电气与计算机工程系和韩国电子通信研究院 的研究人员，报导了100 Gb/s实时相干光正交频分复用（CO-OFDM）检测的现场演示情况，其中每个子载波都采用极化复用正交相移键控（QPSK）调制。演示中的相干光正交频分复用（CO-OFDM）背对背传输实验，是在多种混合安装的光纤上进行的，成功地传输了495.2公里，传输的误码率（BER）为5×10-9，属于所报导过的同类型实验中最低的误码率（BER）之一。现场试验是在使用色散管理技术的波分复用（WDM）系统中进行的，其相邻信道是10Gb/s的以太网信道。

    来自法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室和德国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员介绍了应用在长途光传输系统中的超级信道，其传输速率达到1Tb/s。他们采用基于多载波的方法，优化了传输速率为1Tb/s的相干收发器的设计，其中使用了不同的调制格式，并包含软判决前向纠错所需的代码率。经过长途传输实验，研究人员验证了他们的最优化设计，并在频谱效率和传输速率之间达到了最佳平衡。此外，研究人员还分析了实验中出现的传输损伤，这是因为传输速率为1Tb/s的超级信道，在实验中受制于所使用的传统光网络的性能，实验使用的测试台是由100公里的长跨距标准单模光纤（SSMF）和50 GHz的标准波长选择开关（WSS）组成的。

光调制与光信号处理
    为提高光纤通信系统的频谱利用率，来自瑞典查尔默斯技术大学信号与系统系和英国伦敦大学学院电子与电气工程系光网络研究组的科研人员对此进行了相关方案设计的研究，这些方案是基于不同类型的空间耦合（SC）前向纠错（FEC）技术。在方案研究中，科研人员优化了从前向纠错（FEC）编码器到信号星座图调制的编码比特分配，并且仔细考虑了两种类型的空间耦合（SC）编码。第一种类型的编码是基于原模图的低密度奇偶校验（LDPC）编码，使用迭代软判决译码技术进行解码。第二种类型的编码是广义低密度奇偶校验（LDPC）编码，使用迭代硬判决译码技术进行解码。对于这两种类型的编码，根据基于密度演化分析的终止型空间耦合（SC）和咬尾型空间耦合（SC）情况，科研人员采用了相应的比特分配优化技术。采用基线顺序分配优化后的比特分配可以显著提高咬尾型空间耦合（SC）编码的性能，降低前向纠错（FEC）的码位开销。而对于终止型空间耦合（SC）编码，这样的优化方式仅仅导致其边际性能的提升；在这种情况下，科研人员建议采用顺序分配优化方式，能够使其更接近最佳性能。


    在采用极化分集方式的相干检波器中，四个采样信道之间的各种失衡情况会迅速降低整个系统的性能。其中的一种失衡情况是接收器偏移，当符号速率越高、调制阶数越高、并使用低滚降脉冲形状时，这种失衡对系统的影响越大；因此，需要对偏移进行补偿。来自法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员评估了一种接收器偏移补偿技术的性能，这种补偿技术是基于复值多输入多输出4×2自适应均衡器，该类型的均衡器能够容忍较大的残余色散。此外，研究人员还从收敛均衡器抽头衍生出偏移估计。自适应均衡器和衍生估计这两种补偿方法都经过了实验验证，实验中所处理的是以46 Gbaud速率在非色散管理试验台上经过长距离传输的信号，该信号在发射时是使用根升余弦滤波器（滚降因子为0.1）整形的奈奎斯特脉冲，并进行了极化复用，采用了16进制正交幅度调制。
     来自爱尔兰科克大学物理系、英国阿斯顿大学阿斯顿光子技术研究所和法国电信科技研发中心的研究人员，设计并通过实验实 现了一种全光可重构光分/插复用器（ROADM）方案，这种复用器主要用于全光正交频分复用（OFDM ）超级信道内的单个子信道路由。在有10个子信道的光聚合信号里，由于光节点有各种各样的功能需求，因此采用的干涉技术能够对单个子信道进行提取、删除和增加。研究人员所介绍的这个方案实现了与未来每秒传输速率达太比特级的超级信道节点完全柔性兼容。
    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显微技术研究所、科隆大学化学系、比利时根特大学信息技术系光子学研究组、瑞士联邦理工学院、美国英飞朗公司的研究人员，通过将高效硅-有机杂化物（SOH）调制器直接连接到一片现场可编程门阵列（FPGA）的二进制输出端口，来演示光信号是如何产生和传送的。利用一个硅-有机杂化物（SOH）马赫-曾德尔调制器（MZM）和一个硅-有机杂化物（SOH）同相正交（IQ）调制器，研究人员生成了采用开关键控调制、二进制相移键控调制、正交相移键控调制和16进制正交幅度调制（16QAM）的信号。用于驱动马赫-曾德尔调制器（MZM）的峰-峰电压值只需0.27 Vpp，而驱动同相正交（IQ）调制器的峰-峰电压值也只有0.41 Vpp。在生成16进制正交幅度调制（16QAM）信号时，既不需要数模转换器，也不需要驱动放大器，并且调制器的射频（RF）能量消耗只有18 fJ / bit，这创造了能耗最低的纪录。

光纤技术
    在光纤通信系统中，传统上常用的工作波长都在1.55微米以下，而目前，2微米正成为下一个潜在的新工作波长，可提升几个显著的好处。首先，空心光子带隙光纤（HC-PBGF）是将来新型传输光纤的候选者之一，具有超低的非线性特性和最低的延迟特性（在这种光纤中光的传播速度只比在真空中慢0.3％），而且在2微米波长频带内的传输损耗最小。其次，与掺铒光纤放大器相比，工作在这个光谱区域的掺铥光纤放大器明显能够提供更多的带宽。为此，来自爱尔兰埃布拉纳光电有限公司、德国海因里希赫兹研究所、弗劳恩霍夫通讯技术系统研究所和莱布尼茨光子技术研究所的研究人员展示了一种单信道2微米波长发射机，它能够提供大于52Gbit/s的数据信号，这是以前展示的发射机所能提供信号速率的两倍。为了实现这一目标，研究人员采用了通过法布里-珀罗半导体激光器直接电流调制的离散多音频调制。激光器的4.4GHz调制带宽经光注入锁定增强后，最高可提供的调制带宽达到11 GHz。展示中发射机分别在500米和3.8公里长的空心光子带隙光纤（HC-PBGF）上进行了传输验证。
     来自瑞典查尔姆斯理工大学微米技术与纳米科学学院的研究人员，介绍了在50米长的多模光纤上进行的高速实时传输实验，他们采用了两种调制方案，分别是56 Gbps的非均衡8电平脉冲幅度调制（PAM）和70 Gbps的离线均衡4电平脉冲幅度调制（PAM）。在这两种方案里，前向纠错（FEC）是必不可少的，所达到的传输比特率已经包含了前向纠错（FEC）的开销，误码率（BER）要求达到10-12以下。在这个实验里，使用了一个具有20GHz带宽的850纳米垂直腔表面发射激光器，以及一个22GHz带宽的光接收机。研究人员发现，8电平脉冲幅度调制（PAM）要求信道带宽与符号速率相匹配，以避免出现过多的码间干扰（ISI）；改善4电平脉冲幅度调制（PAM）信号的均衡性，能够显著提高可实现的传输比特率。
    来自日本电报电话公司网络创新实验室和设备技术实验室以及接入网络服务系统实验室、藤仓公司光电子实验室、岛根大学、大阪府立大学的研究人员展示了速率在100 Tb/s以上的无中继传输技术，其中采用了基于多芯光纤的远程光抽运放大器。他们搭建了速率为120.7 Tb/s、距离为204公里的七芯光纤传输系统，系统合计的频谱利用率（SE）为53.6 b/s/Hz，对于无中继传输而言，这创造了单根光纤传输容量的纪录，并达到了最高的频谱利用率（SE）。研究人员还通过使用极化复用32电平正交幅度调制技术，实现了光纤每芯最高传输容量为17.2 Tb/s（180×95.8 Gb/s）和每芯频谱利用率（SE）为7.6 b/s/Hz的无中继传输。