2015 年11月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
12/7/2015，2015年11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。

光网络及其子系统

    来自瑞典查尔默斯理工大学信号与系统系的科研人员对弹性光网络中的路由、调制格式和频谱分配问题进行了研究。在弹性光网络中，为了有效地利用光纤的带宽，科研人员以奈奎斯特波分复用或光学正交频分复用技术为基础，用一种灵活的方式将整个带宽分割成数百个甚至数千个子载波。除了考虑放大的自发辐射噪声以外，他们还通过利用一种分析模型计算来自同一光纤中其他连接传播的非线性干扰，以确定每个连接的非线性损伤。科研人员的工作目标是使用尽可能少的带宽（也就是在网络上使用的子载波的数量），来同时满足所有网络连接对流量和传输质量的要求。为此，他们提出了一种新型整数线性规划公式和低复杂度启发式算法。仿真实验的结果证明了这种方法的有效性。与普遍使用的标准传输方法相比，科研人员提出的这种方法可以将使用的带宽减少多达31％。

    当前，在路由器和数据中心网络的交换结构设计中，每比特数据交换的能源消耗已经迅速成为一个首要的制约因素。因此，人们现在开始将目光转向光学器件，以寻求更好的解决办法。如果交换结构可以采用光学器件来实现，那么就不再需要许多电/光（E/O）和光/电（O/E）转换器件，就可以节省大量的电能。在这方面，阵列波导光栅路由器（AWGR）提供了最有希望的解决方案。但是阵列波导光栅路由器（AWGR）有一个根本的局限性：可扩展性差。目前一个阵列波导光栅路由器（AWGR）的实际端口数量一般是小于50，而对于数据中心网络而言，可能需要1000台或更多交换机进行互连。来自中国香港科技大学电子与计算机工程系的研究人员，提出了一种基于阵列波导光栅路由器（AWGR）的新型交换体系结构，不需要使用波长转换器，就可以将交换容量大小从N提高到N2，其中N是阵列波导光栅路由器（AWGR）中的波长数量。新型交换结构中每个端口最多可同时进行N个波长的传输，这使得交换的总容量接近（N3×一个波长信道的带宽）。研究人员对此交换结构的性能做了详细的分析。

    来自英国爱丁堡大学Li-Fi研究与开发中心的科研人员，对一种将可见光无线宽带（Li-Fi）与射频（RF）无线宽带（Wi-Fi）相结合的混合网络进行了研究。在室内环境中安装一个利用可见光频段的超小型Li-Fi attocell网络，可以使无线数据的吞吐量得到显著增加，而且同时为房间提供照明。重要的是，Li-Fi和Wi-Fi之间不会相互干扰。一个Li-Fi attocell网络覆盖的面积明显要小于一个Wi-Fi接入点（AP）所覆盖的范围。这意味着，即使一个慢速移动的用户，也可能在Li-Fi attocell网络之间发生大量切换，这会影响到系统的数据吞吐量。利用动态负载平衡（LB）可以缓解这个问题，使得准静态用户由Li-Fi attocell网络提供服务，而移动用户由Wi-Fi接入点（AP）提供服务。然而，由于用户移动的不确定性，可能会引起本地网络过载，这种情况的发生使得切换无法进行，从而导致数据吞吐量大幅下降。科研人员研究了在Li-Fi / Wi-Fi混合网络中的负载平衡（LB）问题，并考虑到了用户的移动性和切换信令的开销。此外，他们提出了动态负载平衡（LB）方案，其中的效用函数考虑了系统的吞吐量和公平性。为了更好地达到负载平衡的切换效果，科研人员对不同接入点（AP）的服务区范围进行了研究，并且采用所提出的动态负载平衡（LB）方案对每个接入点（AP）的数据吞吐量进行了分析。

图1 系统模型

无源和有源光子器件

在空间光通信系统中，放大子系统中掺铒光纤放大器（EDFA）的性能会因受空间辐射作用的影响而恶化，此时掺铒光纤放大器（EDFA）不是工作在它的最佳状态下，因为这种最佳状态往往是为地面环境而设计的。为了解决这个问题，来自中国南京大学光通信工程研究中心和美国俄亥俄州立大学哥伦布分校国家科学与工程研究中心的科研人员，对在辐射条件下掺铒光纤放大器（EDFA）的基本特征进行了研究。在模拟试验中，他们发现掺铒光纤放大器（EDFA）的增益和掺铒光纤的最佳长度随着辐射剂量的增大而一同减小。为了能够动态地适应辐射剂量的变化，科研人员建立了一套新型自适应系统，可以在辐射剂量达到5000戈瑞时使掺铒光纤放大器（EDFA）获得7 dB的增益改善；这对于空间光通信系统的实际设计是非常有帮助的。

图2 自适应系统原理图
    来自西班牙马德里卡洛斯三世大学电子技术系、德国Vertilas股份有限公司和德国达姆施塔特工业大学的科研人员介绍了他们所进行的一项实验研究，是关于在增益转换（GS）管理下运行的垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL）的偏振特性，以及所得到的光频梳信号的特性。实验中已经观察到两种偏振模式都会在垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL）连续波发射光谱中呈现，各自产生单独的光频梳（OFC）。科研人员对这些光频梳（OFC）是如何分别与主偏振模式及正交偏振模式关联的情况进行了研究，发现其变化取决于垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL）的输入参数（偏置电流、射频功率和频率）。他们还对工作在最佳运行点的光频梳（OFC）之间的相关性进行了评估。这些研究的结果表明，实验中产生的两个正交极化光频梳相互之间存在着很高的相关性，从而产生了更宽的整体光梳。因此，科研人员评估了基于垂直共振腔表面发射激光器（VCSEL）的双极化光频梳（OFC）发生器的可行性，这些发生器具有高度相关性，其重复频率率达到几千兆赫兹，它们之间的距离是连续可调的，它们运行在一个紧凑、节能且高效的系统中，例如可以应用到超快激光动力学研究中、或是偏振复用光通信中。

    来自日本京都工艺纤维大学科学技术研究生院电子系和电气与电子工程学院的研究人员，介绍了一种带有非对称分布式布拉格反射镜（DBR）的波长可调塑料激光器。该装置由一对长周期波导光栅和一个掺杂有机染料的聚合有源波导所组成。由于在这两个分布式布拉格反射镜（DBR）之间存在光栅周期差，因此激光波长可以依照反射波长之间谐振的游标效应来进行调谐。按照这个原理运行的塑料激光器有望成为一种简洁紧凑且可调谐范围广泛的光源，因为在一个有机发光材料的宽发射波段内，大的波长偏移预期在有效折射率内带来的变化很小。

    目前，骨干网正朝着弹性光网络（EON）的架构演进，以便能更灵活、更高效地利用频谱资源。新出现的可分割带宽可调转发器（SBVT）能够支持同时产生多路光载波，这也保证了弹性光网络（EON）所具有的灵活性。这些光载波既可以分别作为不同的独立信道使用，也可以合并成一个单一的高速率超级信道。可分割带宽可调转发器（SBVT）通常使用专用的激光器产生每个载波，即为多激光器-可分割带宽可调转发器（ML-SBVT）。还有另外一种形式，使用一个激光器作为多波长激光源，可以用来生成多个载波，即为多波长-可分割带宽可调转发器（MW-SBVT）。多波长-可分割带宽可调转发器（MW-SBVT）改善了超级信道的频谱效率，因为它能够减少组成超级信道的子载波之间的载波间干扰，从而有可能减小子载波间的保护带宽。而使用多激光器-可分割带宽可调转发器（ML-SBVT）时，每个子载波受制于相关激光器的不稳定性，导致载波间干扰产生的影响可能很大，因此需要更大的保护带宽。另一方面，使用多波长-可分割带宽可调转发器（MW-SBVT）时，因为子载波之间的间隔被限制在一个特定的范围值内，所以导致对路由和频谱分配（RSA）会有特定的限制条件；要顾及到转发器带来的限制，可以将转发器集成进路由和频谱分配（RSA）中统一考虑。因此，来自意大利比萨圣安娜高等学校和西班牙巴塞罗那自治大学的研究人员提出了一种动态的路由、频谱和转发器分配（RSTA）方案，可同时支持多激光器-可分割带宽可调转发器（ML-SBVT）和多波长-可分割带宽可调转发器（MW-SBVT），旨在结合两种技术的优势。模拟结果表明，这种路由、频谱和转发器分配（RSTA）方案在降低阻塞率方面要好于传统的路由和频谱分配（RSA）方案。而且，模拟的结果还表明，联合使用这两种可分割带宽可调转发器（SBVT）技术获得的好处，明显多于只使用任何一种可分割带宽可调转发器（SBVT）技术。

光传输
    来自中国湖南大学物理与微电子科学学院微纳光电器件及应用教育部重点实验室和华侨大学厦门校区电子科学与技术系的科研人员，使用两个现场可编程门阵列、高分辨率的数-模转换器（DAC）和模数转换器（ADC），实现了采用高阶正交幅度调制（QAM）编码的实时正交频分复用（OFDM）收发机。他们介绍了一些实时直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）系统的关键数字信号处理（DSP）算法，并进行了详细说明。为了提高模数转换器（ADC）的有效比特数量以及减少量化噪声，数-模转换器（DAC）工作的采样速率为5 GS/s，过采样因子为2。同时，科研人员通过数值模拟对发射机的最佳数字削波率进行了研究，以优化实时发射机的性能。研究结果表明，经过10公里的标准单模光纤（SSMF）传输后，实时测量到的误码率低于硬判决前向纠错门限值（3.8×10-3）。为了进行对比，他们还使用离线数字信号处理（DSP）方法分析了离线误码率性能。结果显示，离线与实时数字信号处理之间的性能差别小到可以忽略不计。这些研究人员声称，这是当前在实时光正交频分复用（OFDM）系统中已经实现的最高阶调制格式[1024-正交幅度调制（QAM）]。

图3 基于数字信号处理（DSP）算法的
实时直接检测光正交频分复用系统实验装置图
光调制与光信号处理

     在模分复用系统中，减少群时延（GD）传播对于降低信号处理的复杂度是十分重要的。为减小端至端的群时延（GD）传播，一般会采用强模式耦合和群时延（GD）补偿（按群时延次序反向连接不同光纤）这两种方法。来自美国斯坦福大学电气工程系爱德华.L.金兹顿实验室和莱迪思半导体有限公司的科研人员，对模分复用系统中的群时延补偿情况进行了研究，包含模式耦合和群时延补偿。通过在广义斯托克斯空间中使用传播模型，科研人员利用耦合微分方程描述群时延方差的演变；他们对这些方程进行整合，用以评估群时延补偿系统中的群时延方差，其中补偿系统可以具有不同的模式耦合长度和群时延补偿长度。当模式耦合长度比群时延补偿长度长很多时，群时延补偿起主要作用，得到一个小的群时延方差；与此对应，当模式耦合长度比群时延补偿长度短很多时，群时延补偿就失效了，但强模式耦合起主要作用，同样得到一个小的群时延方差。当模式耦合长度与群时延补偿长度相当时，系统得到群时延方差最大。

     来自波兰华沙工业大学电信研究所和德国莱比锡电信学院的科研人员介绍了一种理论模型，这是一种采用高级调制方式的传输模型，调制方式包括脉冲幅度调制（PAM）、无载波幅度相位调制（CAP）和离散多音频调制（DMT），用在采用白色磷光发光二极管的可见光通信（VLC）链路上。这种模型适用于在强度调制直接检测的可见光通信（VLC）信道中进行高级调制传输，其主要作用有：进行无载波幅度相位调制（CAP），在脉冲幅度调制（PAM）和无载波幅度相位调制（CAP）中对发射信号进行频谱整形，对无载波幅度相位调制（CAP）中的峰值因子进行分析计算，对离散多音频调制（DMT）中因不充分循环前缀引起的符号间和跨载波干扰进行分析。在此模型的基础上，科研人员从高频谱效率调制方式方面，对接收机端蓝色滤波的影响进行了研究。结果表明，蓝色滤波对上述所有被研究的调制方式在性能方面都存在边际效应，而带有判决反馈均衡器的脉冲幅度调制（PAM）方式表现出的性能最佳。不进行蓝色滤波，可以达到稍高一些的数据传输速率，但信号处理的开销会增大。

    来自美国佛罗里达国际大学电气与计算机工程系和内华达大学计算机科学与工程系的科研人员做了一项研究，目的是在可见光通信（VLC）系统中，同时利用到达角（AOA）信息和接收信号强度（RSS）信息来进行三维定位。研究表明，基于到达角（AOA）的定位方法允许接收机利用发光二极管（LED）的方向性，通过最小二乘估计来对自己进行定位。接着，进一步的研究证明，再加入对接收信号强度（RSS）信息的考虑后，利用加权最小二乘解，基于到达角（AOA）定位法的定位精度可获得进一步提高。另一方面，若在估计中加入对发光二极管（LED）辐射模式的考虑，则基于接收信号强度（RSS）的定位法可提供高精确的定位结果。在接收信号强度（RSS）定位法中，需要对非线性方程组系统进行处理，为此科研人员制定了基于牛顿-拉夫逊迭代法的分析学习处理规则。这些处理规则来源于两部分，首先是定位估计，其次是一种被称之为随机报告和聚类算法的新方法。作为参照，科研人员也对用于接收信号强度（RSS）定位法的克拉美罗下界解析表达式进行了推导，这种表达式可捕捉任何具有三维几何形状图案的位置。最后，科研人员通过大量的计算机模拟定位，验证了这种概括了大多数发光二极管（LED）特性的解决方案的有效性。

图4 带有多个可见光接入点（VAP）和单个可见光通信（VLC）接收机
的系统模型图

    来自加拿大渥太华大学电气工程与计算机科学学院微波光电子研究实验室的研究人员，提出了一种三维（3-D）串行时间编码成像系统，采用微波相位或频率检测技术，具有很高的垂直分辨率，并通过实验进行了验证。这种有规律的连续时间编码成像系统能够进行超快速二维成像，其原理是利用微波波形的强度变化来表示一个样品的表面反射率。经添加一个基准信道就可以形成一个马赫-策德尔干涉仪的构造，使样品表面的深度信息利用微波相位或频率变化进行编码，由此，通过提取相位或频率的变化信息就能够实现三维（3-D）成像。在研究人员所提出的方法中，是采用希尔伯特变换从微波波形中提取出强度和相位或频率信息的。这种方法已经通过了实验评估。研究人员将一片硅芯片作为样品进行了成像，其垂直分辨率超过了130纳米，样品表面深度的测量范围大于2毫米。

光纤技术
    来自印度理工学院德里校区物理系的科研人员介绍了一种高效光纤表面等离子体共振（SPR）传感器，传感器由双金属层[包括银（Ag）和金（Au）]与氧化锌（ZnO）协同组成，用以在光谱模式下感受折射率的变化。他们根据这种传感器在电场强度、灵敏度以及其他理论上、实验中体现的优点，对其性能进行了探究。科研人员根据光纤纤芯上包层的分层结构，将这种传感器分为四种形式进行研究，分别是银/氧化锌包层、金/氧化锌包层，金/银/氧化锌包层和银/金/氧化锌包层。二维多层矩阵法连同几​​何光学法都被用于进行仿真。科研人员的研究发现，经厚度优化的银/金/氧化锌层传感器在界面处具有最大的电场强度，在谐振波长上有巨大的漂移，表面等离子体共振下降沿陡峭，并且品质因数的数值较高。此外，在电磁波谱内可见光区里，由金和氧化锌构成的附加层也可用于谐振波长的调谐；并能够保护银层避免被氧化，由此可提高传感器的耐用性。最后，氧化锌层还可以用于某些气体的检测。

图5 具有银（Ag）、金（Au）和与氧化锌（ZnO）包层的
光纤表面等离子体共振（SPR）传感器原理图

来自西班牙纳瓦拉公立大学电气与电子工程系的研究人员，通过实验验证并提出了一种新的光栅解调方法，包括了从时间和频率两个域中获得的信息组合。这种方法一方面像往常一样在频域中获取传感器的信息；而在另一方面通过检测锁模所产生的不同脉冲，来对每个光纤布拉格光栅（FBG）进行识别。目前研究人员业已证明，光纤布拉格光栅（FBG）的间隔只要少于0.15纳米，用这种方法就可以实现解调。基于单环掺铒光纤激光器的传感器网络，使用了位于串行架构中的光纤布拉格光栅（FBG）作为波长选择反射器，还把它们作为传感器的敏感元件。