2015 年10月JLT光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰王炼栋
2015年10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
来自英国爱丁堡大学Li-Fi研究与开发中心的科研人员介绍了一种分数频率复用（FFR）技术，应用在以直流光正交频分复用为基础的光attocell网络中。这里所说的光attocell网络是可见光通信系统的一种特殊类型，有着一个蜂窝网络所具有的全部功能。这种蜂窝网络由许多范围极小的小区所组成，这些范围极小的小区就是“光attocell”。科研人员对两种分数频率复用（FFR）方案进行了研究，分别是绝对分数频率复用方案和软分数频率复用方案。他们对采用分数频率复用（FFR）技术的光蜂窝系统进行了分析，主要针对系统的频谱效率和信号与干扰加噪声比（SINR）统计。他们还对分别采用全频率复用技术和分数频率复用（FFR）技术的光蜂窝系统进行性能评估和比较；结果表明，在光attocell网络中，采用分数频率复用（FFR）技术的方案能够有效地减轻干扰的影响，小区边缘用户的信号与干扰加噪声比（SINR）以及频谱效率也获得显著提高。此外，分数频率复用（FFR）技术能够改善平均频谱效率。科研人员还对一些重要参数的影响进行了研究，例如小区半径等。

图1 在大小为23米×26米×3米的房间内嵌入光attocell网络

近几年来，越来越多的用户正通过云数据中心网络（DCNs）来实现他们的计算需求和获得服务，从而使云数据中心网络（DCNs）上的数据流量出现了指数级的增长。为了应对这种使工作负载和数据流量大幅增长的局面，需要采用一种具有灵活适应能力的方式；为此，人们已经提出了许多种能提供网络动态拓扑的技术，以适应当前这种数据流量变化的情况。其中最具有代表性的方案之一是光交换架构（OSA），它在应用上具有很大的灵活性。然而，光交换架构（OSA）需要太多的时间（10毫秒）来重新配置拓扑结构。这样一步到位地重新配置拓扑结构，不仅会导致对延迟敏感的数据流的性能恶化，而且也会在高吞吐量低延迟的数据中心网络（DCNs）上造成大量数据的丢失。因此，人们需要一种渐进式拓扑结构重新配置方案，来保证对延迟敏感数据流的性能并减少数据量的丢失。为此，来自中国电子科技大学光纤传感与通信教育部重点试验室和美国纽约州立大学布洛克波特分校计算机科学系的研究人员提出了一种拓扑管理算法（TMA），用于设计这样一个渐进式拓扑结构重新配置的方案。通过拓扑管理算法（TMA）可以推导出中间拓扑序列和路由方案。他们利用这些中间拓扑序列来逐步实现拓扑结构的重新配置，同时维持拓扑结构的连通性并减少在拓扑结构重新配置时数据量的丢失。通过在大量仿真实验中进行实时监测，研究人员发现使用拓扑管理算法（TMA）可以在拓扑结构重新配置期间减少数据量的丢失，而算法本身运行带来的工作负载较小。

来自印度理工学院卡哈拉格普尔校区电气与电子工程通信系、印度理工学院曼迪校区和比利时根特大学的研究人员，提出了一种用于开放式接入网络的光分配网络（ODN）架构。这种架构方案确保了多种业务公司（BPs）（例如，服务提供商、网络设备供应商和基础设施供应商，他们处在光分配网络的不同层面）的共存性，以及物理层的安全性。另外，对于每一个用户而言，他们在物理层上是隔离的，这可以防止恶意用户对网络进行破坏。研究人员所提出的这种开放接入式光分配网络（ODN）可支持不同规模的业务公司，并能抑制垄断；这样就实现了多个业务公司的并存；同时还支持增量部署能力（ID），可以使业务公司应对不断扩大的用户群。因此，小型业务公司可以进行合理的初始投资以占有一定的市场份额，然后再随着业务的增长而增加。而且，增量部署能力（ID）使网络的电力消耗可以根据网络的承载功能而逐步扩大，达到绿色环保的目的。这种光分配网络（ODN）是基于无源光网络（PON）的架构，从而也具有运营支出（OpEx）低和可用性高的特点。除了这种新型光分配网络（ODN）架构以外，研究人员还提出了一种用于光线路终端（OLT）的新架构，这是以混合时间波分复用（TWDM）技术为基础的。业务公司可以在上述提出的光分配网络（ODN）中，采用典型的混合时间波分复用（TWDM）技术、波分复用技术或基于混合时间波分复用（TWDM）技术的光线路终端（OLT）架构。

无源和有源光子器件
当前，相敏放大（PSA）作用已经引起了人们的强烈关注，这主要是由于它具有这样一种能力，对光信号中的同相分量进行放大并同时对异相分量进行衰减。这种能力在全光信号处理和光纤通信中得到了多方面的应用，如低噪声放大、相位再生等等。相敏放大功能可以与不同类型的非线性设备结合使用，包括高非线性光纤（HNLF）、周期极化铌酸锂、半导体光放大器（SOA）等等。目前大多数报道的方案都基于高非线性光纤（HNLF），而基于半导体光放大器（SOA）的相敏放大（PSA）研究工作还鲜有报道。在这里，来自中国华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员，对半导体光放大器（SOA）中双泵退化相敏放大（PSA）的特性进行了理论分析和实验研究。他们对输入功率、注入电流和与相敏放大（PSA）相关的半导体光放大器（SOA）内部损耗进行了调查，并考虑了与波长有关的影响。实验结果与数值计算的结论十分一致。科研人员在实验中获得的增益消光比约为25 dB，因而在光通信系统中，完全可以实现基于相敏放大（PSA）的片上全光信号处理。

在模分复用系统中，多输入多输出（MIMO）均衡常被用于补偿线性损伤，这些线性损伤包括模态色散（MD）和模态串扰。多输入多输出（MIMO）均衡器存储空间的大小，取决于由模态色散（MD）引起的群时延（GD）展宽。通过从模式扰频器引入强模式耦合，可以显著降低这种由模态色散（MD）引起的群时延（GD）展宽。来自美国斯坦福大学电气工程系爱德华.L.金兹顿实验室的科研人员对这种模式扰频器的设计进行了研究，扰频器本质上就是用于D = 12种模式（6种空间模式）系统的长周期多模光纤光栅。他们通过优化光栅的啁啾函数，使光栅的模式相关损耗（MDL）达到最小，并同时确保完全的群间模式耦合。一个较好的设计可以在C波段上使光栅的模式相关损耗（MDL）和模式平均损耗分别不超过0.36 dB和0.45 dB。科研人员还对这种模式扰频器在长途传输系统中抑制群时延（GD）的效果进行了核实，结果表明扰频器能够减少群时延（GD）展宽，这与在强耦合方式中预测的情况相同。

光传输
来自爱尔兰都柏林城市大学工程和计算机学院电子工程系的研究人员，对奈奎斯特波分复用（WDM）超级信道的全光波长转换（WC）性能进行了研究，其研究成果可应用在未来的光网络中。研究人员认为，把差分四相移相键控（DQPSK）和16进制正交幅度调制（16-QAM）这些先进调制技术做为子信道的调制格式，可以分别实现448 Gb/s和896 Gb/s的基本传输比特率。他们通过利用退化和非退化四波混频（FWM）半导体光放大器（SOA），来模拟演示奈奎斯特波分复用（WDM）超级信道的波长转换（WC）；并且还考虑了波长转换过程中升余弦（RC）和根升余弦（RRC）信号脉冲整形的影响。研究人员发现，波长转换后超级信道的性能会因串扰影响而严重受损，这些串扰是来自于超级信道光泵的交叉增益调制。通过在连续波光泵和超级信道中心波长（约为200 GHz左右）之间进行失谐设置，使用饱和功率双重增益的半导体光放大器（SOA）（含有23 dB信号功率比的光泵），波长转换后的超级信道可以实现最佳的性能。

来自德国华为技术有限公司欧洲研究中心和汉堡-哈尔堡工业大学电信研究所的研究人员，证明了使用一些价格低廉、现成的10 GHz 3dB带宽光学部件，采用强度调制（IM）、直接检测（DD）和一个基于数字信号处理器的接收机，就能够实现在无补偿光纤链路上生成和传输速率达28 Gb/s的数据。这种技术将成为下一代高性价比100 G高速传输的有力推动者，传输介质是色散补偿光纤（DCF），在免费城域网中点对点的传输距离达到80公里，而在多跨城域环网中的传输距离最高达400公里。实验现场使用的设备包括级联的掺铒光纤放大器和色散补偿光纤（DCF）。实现这种高速传输的关键在于：在发射机中采用信号预失真以补偿器件的有限带宽，一个基于最大似然序列估计均衡器（MLSE）的接收机，以及一种高性能采样相位调整算法。此外，研究人员还发现，利用最大似然序列估计均衡器（MLSE）的简化变量可使得使用的状态数目减少，从而使电子色散补偿部分的复杂度显著降低，达到性能优化的目的。这些研究结果揭示了上述技术方案的发展潜力和优势，包括能够低成本过渡至100 Gb/s（4×28 Gb/s）的波分复用传输、城域网内的点对点远距离传输、多跨城域环网远距离传输、采用廉价光学元器件和传统的高性价比强度调制（IM）/直接检测（DD）方案。

图2 城域网结构图

来自日本会津大学计算机与信息系统系和越南邮电技术学院光通信系的研究人员介绍了一种新型中继技术，能够有效改善高速全光自由空间光（FSO）通信系统的误码率（BER）性能和覆盖距离。尤其是他们提出了一种光放大转发（OAF）中继技术，这种技术使用了与光硬限幅器（OHL）相结合的掺铒光纤放大器（EDFA）。光硬限幅器（OHL）的应用，使得自由空间光（FSO）通信系统（采用了基于掺铒光纤放大器的光放大转发中继）可以防止放大背景噪声的积累；因为当系统中有多次转发中继时，这种噪声的积累会显著降低系统的性能。为了对上述系统做出性能评估，研究人员用伽玛-伽玛分布模拟大气湍流信道，以此对系统从理论上进行分析。他们推出了一个分析端至端传输误码率（BER）范围的闭式表达式，其中还考虑到了大气信道其他方面的影响，包括大气衰减和光束的几何扩散，以及由背景光和接收机所引起的噪声。研究人员利用蒙特卡罗模拟法验证的结果证实了上述系统与其他常规系统相比所具有的优越性。

图3 使用开关键控信令的光放大转发（OAF）中继自由空间光（FSO）通信系统

调制与光信号处理
来自中国南京大学工程管理学院光通信工程研究中心和英国阿斯顿大学阿斯顿光子技术研究所的科研人员，提出了一种相似性匹配的方法（SMM）来获得布里渊频移（BFS）的变化；这种方法是从检测光谱和所选参考光谱之间的频率差异中，通过比较它们的相似性来确定布里渊频移（BFS）变化的。在仿真条件下，科研人员比较了三种相似性度量，结果表明相关系数在确定布里渊频移（BFS）变化方面更精确。与其它确定布里渊频移（BFS）变化的方法相比，相似性匹配法（SMM）更适合于复杂的布里渊频谱分布，它的运算速度更快，获得的结果更精确，这些优势在科研人员的模拟仿真实验中得到了验证。实验结果表明，使用相似性匹配法（SMM）后，布里渊频移（BFS）的测量不确定度达到了0.72 MHz，这几乎是使用曲线拟合法时布里渊频移（BFS）测量不确定度的三分之一；使用相似性匹配法（SMM）导出布里渊频移（BFS）变化的运算速度比使用曲线拟合法快了120倍。

来自希腊伯罗奔尼撒半岛大学信息与电信系和雅典大学信息与电信系的研究人员，建议在相干自由空间光（FSO）通信系统中，使用光空间调制（OSM）来实现空间分集，这是一种简单的、复杂度低的方法。为此，他们引入了一种通用的分析框架，用于在由湍流引起的衰落信道中获取光空间调制（OSM）的平均比特差错概率（ABEP），这里使用的是编码和未编码的光空间调制（OSM），并带有相干检测。虽然这种框架通常对于任何类型基于湍流散射的信道模型都能够适用，不过分析的重点仍集中在H-K分布上，这种分布可以在很宽的范围内模拟大气传播条件，因此得到了非常普遍且有效的应用。研究人员通过使用这种框架进行分析，所获得的结果表明，在发射机端或接收机端，光空间调制（OSM）可以达到的性能与传统采用空间分集的相干自由空间光（FSO）通信方案相当，而且就频谱效率和硬件复杂度而言，前者优于后者。此外，各种数值性能评估的结果，包括使用蒙特卡罗模拟法进行的表达式准确度验证分析都得出了与上述相同的结论。

来自美国斯坦福大学电气工程系爱德华.L.金兹顿实验室的研究人员评估了几种单载波调制技术，这些技术将应用于传输速率为100 Gb/s的单激光器数据中心互连链路。他们对这些单载波调制技术方案进行了数值性能分析，具体方案包括脉冲幅度调制（PAM）、无载波振幅相位调制以及正交多脉冲调制，分析中考虑了光调制器带宽的限制和非线性、裁剪、量化噪声以及光纤色散的影响。所进行的性能评估就是在给定的带宽内，按所指定的平均光功率来实现调制器的目标误码率。研究人员比较了这几种不同技术方案对数模（DAC）转换和模数（ADC）转换的分辨率、采样率要求，以及为进行数字信号处理所需的复杂运算次数。结果表明，在所考虑的这几种方案中，4进制脉冲幅度调制（PAM）是运算复杂程度最低（也意味最节能）的方案，而且它对数模（DAC）转换和模数（ADC）转换的分辨率要求最低，可低至5比特。

图4 正交脉冲幅度调制（PAM）发射机原理图

光纤技术
来自中国深圳大学光电工程学院光电子器件与系统教育部重点实验室和广东省光电子器件与系统重点实验室的研究人员，展示了一种简单、可靠并具有高敏感度的温度传感器，这种温度传感器是以一个涂覆单模光纤（SMF）环中的回音壁模式共振激发为基础的，这个光纤环的半径为5毫米，是通过将一段标准的涂覆单模光纤（SMF）弯曲而成的。在涂覆单模光纤（SMF）环的透射光谱上可以观察到清晰的干涉条纹。当温度范围在-60℃至10℃时，这种涂覆单模光纤（SMF）环的共振波长表现为线性温度响应；当温度范围在10℃至140℃时，这种涂覆单模光纤（SMF）环的共振波长表现为二次温度响应。此外，涂覆单模光纤（SMF）环还显示出超高的灵敏度，在120℃时高达-5.22纳米/℃；与非涂覆单模光纤（SMF）环（例如，在80℃时为0.04纳米/℃）相比，其灵敏度（同样在80℃时为-4.01纳米/℃）要高出两个数量级。因此，这种涂覆单模光纤（SMF）环可用于开发一种具有大测量范围的温度传感器，测量范围从-60℃到140℃。