2015年8月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋。
9/8/2015,2015年8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

        来自英国布里斯托大学高性能网络组、西班牙加泰罗尼亚理工大学和意大利Nextworks有限公司的研究人员，介绍了一个用于光数据中心（DC）的整体解决方案。在这个方案中，数据平面上使用了混合光电路/分组交换技术，而基于OpenDaylight重大扩展的软件定义网络（SDN）控制器被用于数据中心网络（DCN）的控制和管理。研究人员设计和开发了软件定义网络（SDN）控制器中新的功能模块，并包括了其北向接口（NBI）和南向接口（SBI）。在南向接口（SBI），OpenFlow协议经扩展后，可以支持扩展OpenDaylight软件定义网络（SDN）控制器与光数据中心网络（DCN）设备之间的通信。在北向接口（NBI），数据中心（DC）应用程序和云管理系统与光数据中心网络（DCN）可直接进行交互。研究人员设计和开发的虚拟数据中心（VDC）应用程序可以动态创建，并规定能多个并存，不过只有单个虚拟数据中心（VDC）的除外。他们提出了一种光网络感知虚拟机（VM）的放置方法，用于实现网络和IT（虚拟机）资源二者的单步调度，以适应虚拟数据中心（VDC）的需求。研究人员还对虚拟数据中心（VDC）的部署过程进行了广泛的模拟和实验验证。

图1 软件定义光数据中心（DC）的整体架构

无源和有源光子器件

        对于中距离、短距离的光通信系统而言，至关重要的一点是使用一种复杂性低而性价比高的收发机，并且具有以高信息谱密度（ISD）传输信号的能力。因而，采用频谱效率较高的直接检测收发机，就成为适用于这类光通信系统的解决方案的基础。来自英国伦敦大学学院电子与电气工程系光网络组和德国爱德华光网络有限公司的研究人员通过实验证明，一个7×12GHz间隔的波分复用（WDM）传输系统中，信道使用的是色散预补偿奈奎斯特脉冲整形16进制正交幅度（16-QAM）子载波调制，当系统工作在每信道的净比特率为24 Gb/s时，可实现的净光学信息谱密度（ISD）为2.0 b/s/Hz。在研究人员的实验中，所使用的直接检测接收机包括一个单端光电二极管和一个模-数转换器；通过对不同光信噪比下的载波信号功率比进行优化，可以使接收机的灵敏度性能达到最大化。所进行的传输实验，使用了由无补偿标准单模光纤组成循环光纤环，而掺铒光纤放大器（EDFA）负责放大；实验中达到的最大传输距离（误码率低于3.8×10-3）分别为单信道727公里，WDM信号323公里。据研究人员所称，这是目前在这样的距离上，采用直接检测波分复用（WDM）传输链路所能达到的已知最高信息谱密度（ISD）。

        人们预期在不久的将来，相干技术将用于满足短距离光纤链路上以更高数据速率传输的需求。目前在长距离传输中使用的数字相干接收机并不适用于短距离链路，因为这些数字相干接收机的功耗和尺寸过大、成本过高。如果接收机在模拟域中自己来进行信号处理，那么接收机的功耗、尺寸和成本都可以大幅减少。来自印度理工学院孟买校区电气工程系的研究人员介绍了一种100 Gb/s的双极化正交相移键控接收机，它在模拟域中进行信号处理；这种采用130-nm（纳米）双极-互补金属氧化物半导体（BiCMOS）工艺设计的接收机，功耗仅为3.5 W（瓦）。仿真的结果表明，当色散存在达到160 ps/nm（皮秒/纳米）时误码率小于10-3，激光线宽高达200 kHz，发射机和接收机激光器之间的频率偏移为100MHz。

图2 使用基于双极化正交相移键控（DP-QPSK）接收机进行模拟域信号处理的1 Tb/s超级信道

       来自丹麦科技大学光电工程学系和电子工程系、瑞典皇家理工学院光学部、瑞典Acreo公司网络传输实验室、德国施密特-赫尔穆特大学电气工程学院的研究人员，构想出基于方程式的半导体激光器速率表示方法，用于在贝叶斯滤波框架中实现载波恢复。他们对滤波器的稳定性和模型的误差影响（未知的或不可用的速率方程式系数）进行了讨论；深入探究了两个潜在的应用领域：相干通信中的激光特征与载波恢复。两种基于速率方程式的贝叶斯滤波器，即粒子滤波器和扩展卡尔曼滤波器，是在相干接收机中联合使用的，用来测量光子晶体腔激光器的频率噪声谱，激光器的光纤耦合输出功率低于20 nW。扩展卡尔曼滤波器也可以在判决引导锁相环失锁的情况下，用于恢复28 GBaud双极化16进制正交幅度调制（DP-16 QAM）信号。


光传输

        来自美国佐治亚理工学院电气与计算机工程学院、中兴通讯股份有限公司和奥普斯技术有限公司的研究人员介绍了一种大容量高频谱效率的光移动fronthaul（MFH）架构，主要特点是波长资源共享；架构中多个小区站点共用一个密集波分复用（DWDM）信道，而不是占用多个独立的密集波分复用（DWDM）信道。在下行链路（DL）中，通过密集波分复用（DWDM）无源光网络进行子载波复用（SCM）集成；在上行链路（UL）中，进行了关键技术的创新，即通过超小间隔的光学聚集实现信号接收。研究人员为实现高频谱效率和低复杂性的上行传输提出了两个新的方案。第一个方案是基于射频拉远头（RRH）中的子载波复用（SCM）技术和基带处理单元（BBU）中的相干检测技术，使信道间隔减小到100 MHz。首次成功的LTE信号相干接收，是通过发自每个射频拉远头（RRH）的配对射频导频信号来实现的，其符号速率（15 ksps）比激光线宽小得多。在这个方案的验证实验中，4个20 MHz 16进制正交幅度调制正交频分复用（16-QAM-OFDM） LTE模拟信号，以100 MHz的间隔聚集在一个波长上进行了成功的双向传输。而在第二个建议的上行链路（UL）方案中，研究人员在1 GHz波长间隔配置的密集波分复用（DWDM）基础上，提出了一种低复杂度高密度波分复用（WDM）的方法，运用了新的使用MHz级线宽激光器的相位噪声不敏感外差式检波和现有的包络检波器。他们通过实验验证了对100/200 Mb/s的开关键控（OOK）调制信号、或200 Mb/s的16进制正交幅度调制正交频分复用（16-QAM-OFDM）信号所进行的传输和多信道简单检测，这些信号具有1 GHz的波长间隔，使用5MHz的线宽激光器，在标准单模光纤上的传输距离超过30公里。由于具有极高的频谱效率、高接收灵敏度和低复杂度，上述方案为未来的大容量移动fronthaul系统实现，在技术上获得了重大的突破。

        来自新加坡国立大学电气与计算机工程系和韩国科学技术院电气工程系的研究人员，评估了使用1.5μm垂直腔面发射激光器（VCSEL）进行开关键控（OOK）调制和四电平脉冲幅度调制（4-PAM）实现光接入网的可能性。为了达到网络中功率分配的最大化，研究人员优化了10.7 Gb/s信号和21.4 Gb/s信号的消光比，还利用接收端的电均衡。通过对10.7 Gb/s信号进行的实验比较表明，就色散公差而言，开关键控（OOK）调制大大优于四电平脉冲幅度调制（4-PAM）。例如，在标准单模光纤（SSMF）上，采用开关键控（OOK）调制的信号能够实现80公里的传输，而采用四电平脉冲幅度调制（4-PAM）的信号在传输距离上至少要减少一半。尽管如此，四电平脉冲幅度调制（4-PAM）仍然是一种很有效的方法，可以使光接入网中垂直腔面发射激光器（VCSEL）链路数据速率翻倍。研究人员在超过18公里长的标准单模光纤（SSMF）上，成功地传输了使用1.5μm垂直腔面发射激光器（VCSEL）产生的四电平脉冲幅度调制（4-PAM）信号，传输速率为21.4 Gb/s。

图3 （a）开关键控信号（b）四电平脉冲幅度调制信号的传输实验装置

       目前，可见光通信（VLC）要达到较高的数据传输速率，所面临的挑战主要在以下几个方面：当前所使用的发射机调制带宽较低（由于使用发光二极管），由多径传播引起的符号间干扰（ISI），以及由多个发射机同时工作导致的同信道干扰（CCI）。来自英国利兹大学电子与电气工程学院的研究人员，据称是业界内首次对激光二极管（LDs）在可见光通信（VLC）系统中，既用作照明又用于通信的应用方案做了全面地考虑，并进行了设计和评估。除此以外，这些研究人员提出了一种成像接收机，用在移动可见光通信（VLC）系统中，可以有效减少符号间干扰（ISI）；他们还提出了一种新型延时自适应技术，除了能减轻同信道干扰（CCI）以外，还能最大限度地提高信号的信噪比，并在用户不断移动的情况下降低多径色散的影响。上述的成像接收机在最坏的外部环境条件情况下，能够支持数据速率为5Gb/s的信号传输。将延迟自适应方法与成像接收机相结合后（即带延时自适应技术的成像激光二极管-可见光通信系统），为室内通信的设计规划增加了很大的灵活性，设计人员可以考虑在通信条件恶劣的室内环境下，建立一个能够提供更高数据传输速率（例如达到10 Gb/s）的可见光通信（VLC）系统。在最糟糕的外部环境情况下，采用上述技术（延迟自适应）后，可见光通信（VLC）信道带宽（超过16 GHz）内的信号特性获得了明显的改善。最后，研究人员对不同场景下可见光通信（VLC）的信道特性和链路情况进行了评估，具体的场景包括一个空房间，以及一个由于放置办公矮柜而造成强烈阴影效应的房间。


调制与光信号处理

        相敏光时域反射计（Φ-OTDR）很容易受到环境噪声的干扰，当在安防系统中使用时，不同种类干扰的非线性相干叠加，会使系统很难察觉到真正的人员入侵，并且在实际应用中导致较高的虚警率（NARs）。来自中国电子科技大学生物医学信息中心以及光纤传感与通信教育部重点试验室的研究人员提出了一种有效的时间信号分离和测定方法，以便在复杂的噪声环境中提高检测性能。不同于传统上对横向空间信号的分析，对于每个空间点上相敏光时域反射计（Φ-OTDR）系统的时间变化感测信号而言，其第一次信号值的获得是通过光时域反射计（OTDR）曲线在不同时刻变化的累积而实现的。然后，纵向时间信号使用小波多尺度分解法进行分解和分析；通过有选择性地重新组合相应尺度的分量，就能够有效提取出人员入侵的信号，并且将系统缓慢变化造成的影响与其他环境干扰区分开。与传统上区分信号与噪声的方式以及快速傅立叶变换去噪方法相比较，使用上述方法检测信号得到的信噪比是最好的，可在原来最好情况的基础上提高最多达35dB。此外，从分解的分量中能够根据其能量分布特征来有效地确定不同类型的信号，因而在测试中虚警率（NARs）可以被控制在2％以内。

图4 相敏光时域反射计（Φ-OTDR）系统及其感应原理

        来自葡萄牙电信研究所以及阿威罗大学电子、电信与信息学系的研究人员提出了一种新型的闭合时域（TD）伏尔特拉级数非线性均衡器（VSNE），用于在偏振复用（PM）相干光传输系统中减轻克尔相关失真。这种时域伏尔特拉级数非线性均衡器（TD-VSNE），是对基于频率平坦近似的频域伏尔特拉级数非线性均衡器（VSNE）进行逆傅立叶分析而获得的。通过运用新的时域（TD）近似法，研究人员证明了伏尔特拉级数非线性均衡器（VSNE）算法表达式在时域和频域之间是等价的。为了提高计算效率，他们在时域伏尔特拉级数非线性均衡器（TD-VSNE）中插入一个功率加权时间窗，得到了加权伏尔特拉级数非线性均衡器（W-VSNE）算法；并且证明了加权伏尔特拉级数非线性均衡器（W-VSNE）达到其最大性能的收敛速度比时域伏尔特拉级数非线性均衡器（TD-VSNE）快得多，因此只需要较少的并行滤波器。通过对一个224 Gb/s的偏振复用16进制正交幅度调制（PM-16QAM）光信道进行数值模拟，研究人员将加权伏尔特拉级数非线性均衡器（W-VSNE）的性能/复杂性权衡，与众所周知的分步傅立叶法（SSFM）以及计算优化加权分步傅立叶法（W-SSFM）做了比较。在验证实验中，研究人员仅使用了两个并行的加权伏尔特拉级数非线性均衡器（W-VSNE）滤波器，迭代次数也更少，与加权分步傅立叶法（W-SSFM）相比，计算工作量的减少多达约45％，延迟的减少多达约70％。

        来自加拿大拉瓦尔大学光学、光子与激光中心和电气与计算机工程系的研究人员提出了一种新型低复杂度的、基于数字滤波的反向传播算法（DFBP），用于补偿半导体光放大器中的非线性失真，这种失真是由于采用了一种以四波混合技术为基础的波长转换器而引起的。他们首先运用小信号逼近法开发了基于数字滤波的反向传播算法（DFBP），然后通过数值模拟测试了这种算法的性能。他们还经过实验研究验证了基于数字滤波的反向传播算法（DFBP）在波长转换中的应用，实验中波长转换的信号为10 GBaud 16进制正交幅度调制（16-QAM）信号和5 Gbaud 64进制正交幅度调制（64-QAM）信号；使用上述算法后，显著改善了受到非线性失真限制的波长转换信号的误差矢量幅度和误码率。

        来自日本电报电话公司设备创新中心和设备技术实验室的科研人员，详细讨论了一种混合电光（MEO）调制器及其相关关键设备的设计和制造。这种混合电光（MEO）调制器利用一个简单的光电路结构进行模拟电子和光学调制，以产生双载波正交相移键控（QPSK）信号。用于混合电光（MEO）调制器的主要设备包括高速电相位调制器和复合光调制器。科研人员介绍了这两种设备的设计与制造，一种是高速相位调制器集成电路，这种集成电路使用了0.5μm磷化铟基异质结双极晶体管（InP HBT）技术；另一种是二氧化硅-铌酸锂晶体集成光学振幅与相位调制器。他们对于混合电光（MEO）调制器进行了概念验证性实验，证实了这种调制器能够产生26 GHz间隔14 GBaud的双载波正交相移键控（QPSK）信号。

图5 混合电光（MEO）调制器的构造和原理图

光纤技术

        来自日本电报电话公司设备创新中心、设备技术实验室和光电子实验室的研究人员，为100千兆以太网（100 GbE）开发了一种紧凑型光接收次模块（ROSA），其中使用了多模输出阵列波导光栅（MM-AWG）和光电二极管（PDs）阵列。四通道硅基多模输出阵列波导光栅（MM-AWG）具有小于1 dB的低插入损耗；背照式光电二极管具有使感应电流最大化的结构，能够提供高达0.95 A / W的响应度。为避免由于多模光束与光电二极管之间的低耦合导致响应谱失真，研究人员将光电二极管的有源区域制成跑道形状；并根据跑道形状的扁平比，对多模输出阵列波导光栅（MM-AWG）与透镜耦合光电二极管之间的光耦合进行了优化。他们所制造的光接收次模块（ROSA）具有超过0.7 A / W的高平顶光谱响应度，由于允许的装配公差较大（超过±4μm），因此获得了很高的环境稳定性。对于经过10公里传输后的4×25 Gb/s信号，光接收次模块（ROSA）的最小接收灵敏度极限为4.8 dB，符合以太网标准。同样，研究人员也对100千兆以太网（100 GbE）光发射次模块的传输性能进行了验证。