2015年7月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
8/20/2015，2015年7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、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
    来自葡萄牙阿威罗大学电子、电信与信息学系和美国迈阿密大学电气与计算机工程系的研究人员，对在实际运行的光传输网络中，配对节点之间的最短路径长度进行了分析。通过分析研究人员发现，要对最短路径长度建模，采用约翰逊SB分布是最适合的。他们根据柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫（KS）统计对分布的有效性进行评估；约翰逊SB分布可提供0.0423的平均柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫（KS）统计值，这表明了这种分布精度良好。他们还说明了最短路径长度的关键参数，例如平均值、中值、标准差，这些都可以从网络的凸区域部分中进行估计。研究人员研制的用于最短路径长度的约翰逊SB分布模型，只是使用网络的基本信息。这种模型能够依据系统参数来估算路径长度，如果在透明光网络中采用合适的调制格式，估算值的平均误差仅为6.4％。值得注意的是，获得这些估计值并不需要网络的全部信息，仅有网络中节点的位置信息是必需的。

    来自塞尔维亚尼什大学电子工程学院、希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学和阿拉伯联合酋长国哈里发大学的科研人员，对由射频（RF）链路/自由空间光（FSO）链路混合组成的双跳中继系统进行了研究。系统中一部分放大和转发中继的选择是根据过时信道状态信息（CSI）来设定的。通过伽玛-伽玛分布模型可以看出，射频（RF）链路是受制于瑞利衰落，而自由空间光（FSO）链路是受大气湍流的影响；对于系统的中断概率和平均误码率（BER），科研人员推导出了新的分析表达式，并通过蒙特卡罗模拟进行了数值结果验证。经研究发现，系统的中断概率和平均误码率（BER）主要依赖于以下几个重要参数：湍流的强度、射频（RF）一跳上的平均信噪比（SNR）、自由空间光（FSO）一跳上的电信号平均信噪比、中继的数量、以及所选择的中继的等级；而在当前的源中继信道与它的过时信道状态信息（CSI）之间，所存在的时间相关性可能带来的影响，也需要加以考虑。上述结果说明了，过时信道状态信息（CSI）用于中继选择会对系统性能产生很大的影响，尤其是在自由空间光（FSO）一跳中湍流强度较弱的情况下。此外，通过增加中继数量来改善系统性能，这种方法的实际效果高度依赖于自由空间光（FSO）信道的状态。


    来自法国微电子学电磁学与光子学研究所微波特性实验室的科研人员，对于在毫米波（MMW）频带范围内，光载无线（RoF）通信系统中幅度噪声对系统性能的影响，做了一次完整的理论分析和实验研究。他们提出了一种模拟仿真的方法来确定噪声的起源，认为对误差向量幅度（EVM）影响最大的地方就是幅度噪声的起源处。这种方法的基础是对误差向量幅度（EVM）趋势进行的分析。科研人员以实验和理论分析为手段，认真仔细地研究了不同种类的光学噪声和电气噪声对误差向量幅度（EVM）的影响，这些噪声主要包括相对强度噪声、散粒噪声和热噪声等。他们在上述的光载无线（RoF）通信系统中，分别使用两种技术来产生毫米波（MMW）信号，并从幅度噪声的视角比较了这两种技术引起的误差向量幅度（EVM）的情况。第一种技术是使用两个独立的分布式反馈激光器，在一个光检测器的输出口产生毫米波（MMW）信号；第二种产生毫米波（MMW）信号的技术是基于被动锁模激光二极管的。光源相位噪声对系统性能的影响，可通过使用基于包络检测器的非相干下转换法进行消除；科研人员将这种方法进行了模拟运行和实验运行，经观察发现两者的结果匹配良好。

无源和有源光子器件
来自北京大学电子系区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的研究人员通过实验，对一种基于受激布里渊散射（SBS）原理的双环路光电振荡器（OEO）进行了验证。他们利用两个激光器来实现双环路光电振荡器（OEO）的可调谐性，其中一个充当信号激光器，另一个被用作为泵浦激光器；通过直接调谐泵浦激光器的波长，就可以达到产生一个宽范围射频信号的目的，调谐的范围是从直流至60 GHz。据研究人员所称，这是目前通过双环路光电振荡器（OEO）在基本频率上已经实现的最宽可调范围。在2公里和4公里长度的双环路光纤上，当光电振荡器（OEO）的振荡频率被设置为5、10或20GHz时，在10kHz偏移处测量得到的单边带（SSB）相位噪声为-100 dBc /Hz；其中光电振荡器（OEO）的振荡频率为10GHz时，边模抑制比（SMSR）是35 dB。与单环路结构的光电振荡器（OEO）相比，这里所采用的双环路结构光电振荡器（OEO）在频率稳定性和功率稳定性方面都有所提高。采用单环路结构和双环路结构的光电振荡器（OEO），其在1-s频率波动的艾伦方差上，平均值分别为1.2×10-7和4.9×10-11。另外，这也是首次使用了基于控制理论的相位噪声模型，来评估基于受激布里渊散射（SBS）原理的双环路光电振荡器（OEO）的单边带（SSB）相位噪声性能，并做了详细记录。在100 Hz至100 MHz的偏移频率范围内，相位噪声实验的结果与上述相位噪声模型都能够较好地吻合。通过不同的相位噪声测试，并对实验结果进行分析以及进行理论推导，都表明在研究人员所推荐的光电振荡器（OEO）中，频率偏移超过100 kHz后，由受激布里渊散射（SBS）引起的放大自发辐射（ASE）噪声是相位噪声的主要来源。


来自葡萄牙圣地亚哥大学电信研究所和日本国家信息与通信技术研究所的科研人员对不同结构的相敏放大器（PSA）进行了理论上和数值上的研究，这些相敏放大器（PSA）由周期性极化铌酸锂（PPLN）器件组成，研究的重点在于其在光通信系统中所起的放大作用。研究的范围涵盖了单模、二模和四模相敏放大器（PSA），每种放大器又分成单光泵结构和双光泵结构进行讨论。对于每一种结构，科研人员都提供了放大器最大增益和最小增益的解析表达式，说明了光泵功率和信号波、以及周期性极化铌酸锂（PPLN）波导的长度和效率带来的影响。解析表达式是通过求解耦合微分方程来进行数值模拟验证的，这里的耦合微分方程用来描述周期性极化铌酸锂（PPLN）器件内的非线性相互作用。研究所得到的结果显示，所有结构的相敏放大器（PSA）的增益，都随着光泵波功率、周期性极化铌酸锂（PPLN）波导长度和效率的增长而呈指数增加，然而与信号波功率几乎毫无关系。此外，研究还表明相敏放大器（PSA）结构中的中间相互作用是必不可少的，这可以造成波在二次谐波带的增益减少6 dB。科研人员通过观察发现，带有中间相互作用的二模相敏放大器（PSA），无论是单光泵结构还是双光泵结构，在增益带宽方面都没有显著差异。最后，研究表明四模相敏放大器（PSA）只有在非常严格的条件下才可能实现运行，与二模相敏放大器（PSA）相比，在增益方面并没有什么优势。

光传输
由多径衰落信道诱发的内在虚假干扰（IMI），会对正交频分复用/偏移正交幅度调制（OFDM / OQAM）系统造成重大的损害。因此，对这样的系统而言，精确的信道估计是非常需要的。最近，在模拟研究和实验验证方面，都有关于相干光正交频分复用/偏移正交幅度调制（OFDM / OQAM）系统（CO-OFDM / OQAM）的报道。然而，到目前为止，这些报道中都没有从理论上讨论过内在虚假干扰（IMI）对系统的影响，以及进行精确信道估计的方法。在这里，来自北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的研究人员对一种频域光纤信道传输模型进行了系统的分析，这种传输模型代表了受内在虚假干扰（IMI）影响的偏振复用（PDM）相干光正交频分复用/偏移正交幅度调制（CO-OFDM / OQAM）系统，其中的内在虚假干扰（IMI）是由色散（CD）和偏振模色散（PMD）所导致的。这些研究人员论述了满负荷（FL）频域信道估计方法和半负荷（HL）频域信道估计方法，以用于减轻内在虚假干扰（IMI）对系统的影响。此外，研究人员还比较了上述两种方法的计算复杂性、以及应对色散（CD）和偏振模色散（PMD）时的稳健性。这些理论分析的结果，通过对偏振复用（PDM）相干光正交频分复用/偏移正交幅度调制（CO-OFDM / OQAM）系统进行的数值蒙特卡罗模拟得到了验证。


在下一代计算机中，互连速度的提高是一个十分重要的性能改进；这些不断出现的需求，推动着通信技术从电子领域转移到光领域。人们为此开发了多种很有潜力的互连技术，其中之一是自由空间光互连（FSOI）。这种技术是在计算机元器件之间采用激光链路，与波导技术中的通常指标相比，自由空间光互连（FSOI）技术由于空气的低折射率而能够提供一个更低的传播延迟下限。在强度调制/直接检测系统中，基于直流偏置光学正交频分复用（DCO-OFDM）的自由空间光互连（FSOI）技术可以达到出色的数据吞吐量。然而，要提高互连速度需要增大互连密度，增大互连密度会使串扰增强，因此制约自由空间光互连（FSOI）技术实施的主要问题是必须在互连密度和串扰水平之间进行权衡，串扰的产生主要是由衍射效应以及激光链路未对准所引起的。来自以色列本-古里安大学光电工程部和电气与计算机工程系、以色列沙蒙(SCE)工程大学电气与电子工程系的研究人员，利用固有的直流偏置光学正交频分复用（DCO-OFDM）资源分配能力，来提升和改善这种自由空间光互连（FSOI）的互连密度。串扰导致的干扰被定义为联合多链路比特与功率分配优化。他们通过理论分析揭示了用于密集自由空间光互连（FSOI）的一般准则。除此以外，研究人员还提出了复杂度被降低了的数值次优化算法，用于联合多链路比特与功率分配。仿真实验表明，这种次优化算法的结果已经很接近理论上的最佳性能了。


调制与光信号处理
灵活栅格光网络通过采用一种更密集的频率分配方式，来更好地对光纤的容量加以利用。对于一个光纤传输系统而言，当然希望信道间隔越小越好，这样光纤容量的利用率会较高；但这也要求更窄带的滤波器，还会增加线性码间干扰（ISI），并有可能显着降低系统的传输距离。目前的商业相干接收机都使用了符号检测器，而这些符号检测器对于码间干扰（ISI）又是十分敏感的。在这种情况下，奈奎斯特间隔被认为是波分复用（WDM）中信道间隔的最终极限。不过，来自意大利国家工业技术中心研究部和帕尔马大学信息工程系的研究人员表明，通过在接收机端采用一种复杂度有限的栅格处理方法，不仅奈奎斯特波分复用灵活栅格网络的范围可以显著扩展，而且高于奈奎斯特信道极限[即更高的频谱效率（SE）]的信道密度也可能实现。经采用一些众所周知的信息理论技术，研究人员设计出一种复杂度有限的栅格处理方法，并且对灵活栅格架构中的频谱效率（SE）增益进行了量化，其中使用了频率栅格超过12.5 GHz的波长选择开关。


来自中国华中科技大学光学与电子信息学院和武汉光电国家实验室、中国武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室、以及中国苏州大学电子信息学院的科研人员，对实施中止偏振不敏感的全光波长转换（AOWC）后，正交频分复用（OFDM）信号中相位噪声的影响进行了研究，这里的正交频分复用（OFDM）信号是基于使用双光泵高度非线性光纤中的四波混频。他们首先进行了一个全光波长转换（AOWC）的实验研究，对象是偏分复用正交频分复用（PDM-OFDM）的8/16/32进制-正交幅度调制（QAM）信号；采用了具有10 MHz线宽的分布式反馈（DFB）激光器作为相干双光泵源。实验测得的结果表明，通过利用分布式反馈（DFB）激光器作为相干双光泵进行波长变换后，所接收到的信号如同连续信号一样，具有相同的误码率（BER）性能。此外，经传输速率为557 Gb / s超级信道离散傅立叶变换扩频的偏分复用正交频分复用（PDM-OFDM）8进制-正交幅度调制（QAM）信号，也采用上述基于相干双光泵原理的方案进行了全光波长转换（AOWC）实验验证。实验中波长转换之后，在7％前向纠错（FEC）的限制条件下［误码率（BER）为 3.8×10-3］，观察到转换中光信噪比（OSNR）付出的代价很小（< 0.8 dB），可以忽略不计。研究人员的实验验证表明，从光泵传来的相位噪声是能够被有效消除的。同时也说明了全光波长转换（AOWC）可以在波长冲突节点处的偏振复用动态光网络上实际实现。

多维编码调制技术，由于有高信噪比的灵敏度并且多维符号之间的欧几里德距离很大，所以已经接近到非线性香农极限了。这种调制技术也是通过消除相位模糊来避免周跳的。来自美国泰科电子海底通信有限责任公司的研究人员回顾了带有多维映射的比特交织编码调制的设计原则，以及其在具有不同频谱效率的长途传输实验中表现出来的性能，这些实验分别在色散管理光纤传输系统和色散非管理光纤传输系统中进行。

光纤技术

来自加拿大艾伯塔大学机械工程系和生物医学仪器实验室的研究人员介绍了他们研制的第一种基于布拉格光栅的传感器系统，主要应用于创伤生物力学，尤其是由头部撞击引起的头盔接触力测量。上述系统包括一个铝制的上部结构设计，用于承受头盔受撞击时产生的典型冲击力和共振，并使整个传感器系统捕获在撞击中所有与瞬态受力相关的频谱分量。研究人员利用结构有限元模型和应变光学关系来预测受冲击力以及机械共振时的传感器灵敏度。这种模型预测通过采用实验校准的方法来验证；实验表明，平均有10％对受力敏感性进行的模型预测需要结果校准。模型预测第一次机械共振的共振频率是72 kHz。这种冲击力传感器也可用于采用工业标准碰撞试验和试验头型进行的头盔撞击实验。实验结果具有良好的可重复性：撞击力测量的最大标准差是施加到受撞击头型上的净力的0.4％，对持续时间内瞬变力测量的平均误差只有4％。以往的研究人员在工作中也曾间接地提出使用布拉格光栅传感器参与瞬态冲击力的测量。这种传感器既可以应用于头盔测试，也可被应用于模拟人头型的瞬态力分布测量，因此可参与与有关头盔性能和头部受伤相关的研究。