2015 年12月JLT光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰周俊毅周越李长祥

2015年12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
来自谢里夫科技大学电气工程系、利兹大学电子与电气工程系的科研人员,提出采用正交频分复用（OFDM）这种高效的频谱复用技术，利用它在量子网络的核心节点进行量子密钥分配的方案。科研人员提出并详细分析了两种主要方案，均考虑了系统的不完善点，特别是时间错位问题。实验证明，许多服务提供商使用该多路复用技术可以共享基础网络设施，而如果采用传统的无源全光OFDM解码器则不能提高总密钥生成率。为了实现信道数目中的密钥生成速率线性增加，科研人员提出了一种非常规的正交频分复用（OFDM）解码灵敏设置，其采用了光开关而非传统的被动电路。实验表明，通过使用研究人员制作的解码器，带宽利用率相比传统的波分复用技术可大大提高。

图1新兴量子网络的可信节点结构图
来自意大利国家光子网络实验室、圣安娜高级学校仪器服务中心的研究人员实验表明，在一个周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中进行灵活多播操作可提高频谱效率（SE）。正交相移键控（QPSK）和16正交幅度调制（QAM）的梳状副载波产生了C波段的二阶非线性效应（周期性极化铌酸锂（PPLN）波导由二次谐波和差频级联产生）。这种技术允许创建相同间隔的信号多播副本，并独立于调制格式。经过80公里标准单模光纤的传输后，研究人员测量了信号的误码率。实验结果表明，具有37.5 GHz信道间隔的25Gb/s多播QPSK的频谱效率（SE）得到了约1.3 B / S /HZ的增益。通过引入时间–频率包技术，能获得一个60 Gb /sQPSK信号的光波组，该光波组的频谱效率（SE）为2.7B/S/Hz，载波间隔为20GHZ。
来自瑞典林雪平大学的科研人员面对未来网络的容量需求进行了研究，发现弹性光网络（EON）与空分复用技术（SDM）是唯一明显的长期解决方案。对通过空间的空间纤维的介绍，如多芯光纤（MCF）到增强型光网络（EON）提供了一个额外的维度以及对网络规划和资源优化问题的挑战。有各种类型的技术空分复用（SDM）传输介质、交换、放大；他们每一个在网络上的具有不同的能力和限制。例如，采用多芯光纤（MCF）作为用于空分复用（SDM）的传输介质减轻用于弹性光网络（EON）的路由和频谱分配问题的频谱连续性约束。事实上，核心可以在网络的路由上自由切换到不同的链路上。另一方面，内在核心串扰时应考虑解决资源分配问题。在弹性的空分复用（SDM）网络交换架构中，相对于硬连线可重构的光分插复用器（ROADM）（光学黑盒），可编程架构需求（AOD）的节点（光学白盒）可以提供更多的可扩展的解决方案。本研究探讨了路由，调制，频谱，和核心配置（RMSCA）用于通过架构需求（AODs）和静态的光分插复用器（ROADM）实现弱耦合的多芯光纤（MCF）类弹性空分复用（SDM）网络问题。提出的路由，调制，频谱，和核心配置（RMSCA）战略整合频谱资源分配，交换资源部署，通过一个多目标的成本函数，并在内核串扰方面的物理层受损。所提出的策略执行网络和物理层之间的跨层优化来计算为候补资源解决方案的实际内核串扰并且加以特别的设计，以适应在网络中部署光节点的类型。大量的仿真结果表明，1）通过利用基于光分插复用器（ROADM）的空分复用（SDM）网络，与基于架构需求（AOD）解决方案的资源利用效率的密集结内连接和配置的业务量提高显著，2）内核串扰意识到为基于架构需求（AOD）的空分复用（SDM）网络提高基本配置业务量的战略，并且3）随着流量的增加的时网络架构需求（AOD）节点设计的交换模块增长平缓涉及到光分插复用器（ROADM）中的一个，排位赛AoD的作为未来SDM网络一个可扩展的和具有成本效益的选择网络。对于未来的空分复用（SDM）网络来说，合理的架构需求（AOD）是一个可扩展和节约成本的选择。

来自葡萄牙阿威罗大学电子通信和信息系的科研人员实验在自适应偏振解复用（poldemux）的基础上分析了对信号的偏振态在斯托克斯空间中的表示方法。基于斯托克斯偏振解复用（poldemux）的性能和收敛速度及恒模算法，研究人员对6千赫的最大偏振旋转的双偏振正交相移键控（QPSK）和16进制正交振幅调制（16QAM）的调制格式进行了比较；同时，斯托克斯的自适应算法的适用性已经在超密集波分复用的情况下进行了超过80公里的标准单模光纤测试。测试误码率（BER）的结果表明该系统的功率损失较小，应用自适应斯托克斯方法后，系统中的累积的色度色散和偏振模色散较小，可在高容量的光城域网和接入网络方案中应用。

图2 自适应斯托克斯算法验证的实验装置图

无源和有源光子器件
    来自美国特拉华大学的科研人员对均衡增强相位噪声(EEPN)及其对相干光学系统的影响进行了全面分析。通过对其进行时域分析后，科研人员发现EEPN是因离散信号的多个延迟版本的干扰引起的，由所接收离散信号的相互混合产生的，在光电探测器中的本机振荡器的噪声边带。科研人员推导出了一些统计特性，诸如平均值，方差以及EEPN影响的接收信号的误差向量幅度。在利用电子色散补偿的相干光学系统中，科研人员发现该噪声与无线通信系统中的多径衰落相对应，并给出了必要的本地振荡器线宽和/或一般系统配置的缓解带宽和指定的光信噪损失的闭环表达式。

    来自中国香港大学光电子研究中心高级研究所的研究人员，对拉曼辅助光纤参量放大器（FOPA）的多波长放大过程中的抑制四波混频（FWM）串扰进行了理论和实验研究。他们利用一种反向拉曼泵，通过解析表达式和仿真模拟验证了串扰减小原理。串扰减少归因于拉曼辅助光纤参量放大器（FOPA）的参数泵功率单调递增引起的信号功率的特殊变化。他们还讨论了信号通道数、参数泵与拉曼泵功率对四波混频(FWM)串扰的影响。实验与之前模拟的结果相吻合。仿真结果表明，在相同的信号增益水平下，利用一个更强的拉曼泵结合一个较弱的参数泵可以很好的减少串扰。他们在四波混频(FWM)中减少了超过7dB的信号串扰，这来源于拉曼辅助下光纤参量放大器（FOPA）的简并四波混频(FWM)和非简并四波混频(FWM)过程，此装置相当于传统拉曼辅助光纤参量放大器（FOPA）加上等效信号增益器。

    来自葡萄牙阿威罗大学的科研人员通过对包含状态变量和测量方程的定义的系统物理模型进行研究。对于复杂的调制信号，科研人员把扩展卡尔曼滤波器应用到基于空间的斯托克斯偏振多路分解中。科研人员对该方法的收敛比，跟踪，计算复杂性和系统性能进行研究，并与早先提出的最佳拟合平面自适应计算的几何方法进行对比分析。这两种方法的调谐参数分析证明，卡尔曼滤波提供的信号的偏振多路分解更鲁棒和稳定。然而，如果在复杂度减少方面适当地调整90％的增益，所述几何方法也能达到类似的性能。

图3基于斯托克斯空间与偏振相关的动态均衡器的结构图

光传输
    弹性光传输是指通过灵活分配频谱和数据速率以适应于端到端连接请求的所需，以达到最大限度利用光纤传输容量而进行的光信号传输过程。近年来，科研人员提出了几种技术，其中一种技术是使用奈奎斯特整形滤波器，以减少灵活单载波和多信道光传输系统中所需要的信道间隔。考虑到在带宽可变收发器和波长选择交换机中使用滤波器形状的不完美，必须在（子）信道之间分配一个确定的光谱保护频带。基于这种思想，在滤波器特性和波分复用频率栅格间隔方面，科研人员更侧重于研究灵活的奈奎斯特波分复用传输网络性能。对于单载波和超信道信号的频谱分配，研究人员证明了6.25 GHz的信道间隔能为网络性能与滤波器需求之间提供良好折衷方案；，对于子信道分配而言，小到3.125 GHz的频率间间隔需要利用到分辨率在1~1.2GHz范围内的滤波器，实际应用中精密的滤波器分辨率和频率间隔提供的性能提升可忽略不计。

    来自德国柏林科技大学的科研人员，对在160公里长的2跨色散补偿链路中的4×28GBd单偏振16QAM信号传输的不同克尔非线性缓解方案进行实验研究。在中间链路实施频谱倒置，数字反向传播（DBP）和具有数字相干叠加（DCS）或采用相敏放大传输（PSA）的全光相干叠加的相位共轭双波的基础上，科研人员对光学相位共轭（OPC）进行研究。该实验在一个单信道和一个波分复用（WDM）方案下进行。对于单信道操作，具有数字相干叠加（DCS）的相位共轭双波提供的优越性能可以与较之没有非线性缓解信号传输的Q2因子最大值高1.7dB的其他缓解方案相媲美。然而，在科研人员的实验中，数字反向传播（DBP）表现出比其它所有方案更高的非线性阈值。在波分复用（WDM）的情况下，数字反向传播（DBP）表现比其他缓解方案更糟糕，而数字相干叠加（DCS）提供的Q2因子改进比其他技术Q2 因子改进的最大值要高1.9dB。无论在单信道还是在波分复用（WDM）方案中，相敏放大传输（PSA）和中间链路光学相位共轭（OPC）都表现出相似的非线性缓解性能。

光调制与光信号处理

    来自国立高雄师范大学光电与通信工程系的科研人员，介绍了一种直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）资源分配技术，可减轻自由空间光互连系统（FSOI）的串扰效应。他们认为直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）的参数优化是减少自由空间光互连系统（FSOI）串扰效应的有效方法。然而，要确定直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）的最佳子载波分配和相应的比特和功率负载，需解决一个棘手的离散优化问题，这是非凸和难以明确解决的。在这项研究中，他们使用互熵优化（CEO）来解决此问题。仿真结果表明，科研人员提出的基于互熵优化（CEO）的分配方案可以获得更高的比特传输速率，与传统的贪婪算法或其他随机优化算法相比较，该方案更不容易受到串扰的影响。

来自联邦大学电气工程系、计算机与电子系和联邦理工学院电子工程系的研究人员，介绍了一种多目标参数优化方案，该方案适用于直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）的短距离连接系统。基于遗传算法，该优化方案考虑到两点影响光功率的情况：1.多载波系统（如带有子载波映射的4或16正交振幅调制（QAM）系统)的保护带减少；2.经过40公里标准单模光纤（SSMF）的传输过程。仿真结果表明，在满足误码率小于10−3所需的光强下，光信号在直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）系统中用标准单模光纤（SSMF）传输超过40公里，使用该参数优化方案将有助于提高约2.5db[≈1.8db]的增益。研究人员设计的仿真系统中，其保护带BG等于信号带宽BW的50%，子载波映射方案为4QAM或16QAM。

图4传统的DDO-OFDM系统图

光纤技术
    最近，光纤尖端已被用于许多实际应用中，这些应用都需要一个特殊的具有预定锥角的尖端。来自沙希德·贝赫什提大学激光与等离子体研究所的研究人员，开发出了一种新型的制造光纤尖端的动态化学刻蚀方法，这使得制造带有预定锥角的光纤尖端成为可能。研究人员朝已垂直插入过纤维的容器中注入或排出氢氟酸，纤维尖端便制作而成。通过改变酸的注入或排出的流速，他们可以控制纤维接触酸的高度，利用这种方法可产生3度到33度的尖端锥角。基于上述过程，研究人员提出了一种涵盖所有特殊情况的模型，该模型的测试数据与实验测试结果保持了良好的一致性。

    来自伯明翰大学工程与应用科学学院、丹麦科技大学光电学院的研究人员，提出了一种切割聚合光纤的新方法。人们最常用的切割聚合光纤的方法：利用一把锋利的刀片直接切割。然而在这种方法中，聚合纤维和刀片都必须预热以使其具有韧性，从而防止材料龟裂。为了解决这个问题，研究人员利用聚合物的温度-时间等价关系，用更长的切割时间来代替预热，同时利用锯切运动来减少光纤端面的损伤。以这种方式，室温下的聚合纤维可以在几秒钟内被切割，并且其产生的端面可以与更复杂和昂贵的加热系统所产生的端面相媲美。

    来自中国南京理工大学光通信工程研究所的科研人员研究表明由于相敏光时域反射计(Φ-OTDR)对整条传感光纤的动态干扰的分布测量能力，已被广泛应用到各种用途之中。然而，由于随机分布的位置和光纤内的散射点的反射率，传统Φ-OTDR对外部干扰引起的应变并不能做到精确测量。科研人员提出超弱光纤布拉格光栅（UWFBG）阵列可以产生强烈且可控的反射，同时其插入损耗也在可接受范围内。在相邻反射光之间的应变值与干扰功率变动所建立的确定关系中，包含主动激光扫频和去包裹算法。借助超弱光纤布拉格光栅阵列的帮助，Φ-OTDR的能力已经达到能够进行高精度测量应变的程度。实验中，在具有2m的空间分辨率5公里长的传感光纤的末端，多点με级动态应变的变化量能被充分捕捉。实测的应变值与马赫-曾德尔干涉仪法校准一次获得值进行比较，这两个值相互匹配得很好，最大偏差也仅有6.2nε，证明该方法的有效性和准确性。

图5 提出基于Φ-OTDR传感系统的UWFBG阵列的设置图

来自波兰华沙大学电子系统研究所的科研人员对于刻写光纤布拉格光栅和一个任意选定布拉格波长提供一个新的简单和通用的方法。由于照射过程和应用程序与适当匹配的啁啾相位掩模的优化，该方法提供了在几十纳米的范围内调整光纤布拉格光栅（FBG）谐振波长的能力。然而，结果所得的光栅具有啁啾;其光谱特性非常接近于均匀分布，这就解释了为什么这种光栅被称为准均匀光纤布拉格光栅（QUFBGs）。刻录过程的优化涉及到两个参数的帕累托方法。这里研究介绍的是用于与0.35纳米/毫米啁啾2.5厘米相位掩模的准均匀光纤布拉格光栅（QUFBGs）并允许半最大值全波（FWHM）0.8-0.9纳米准均匀光纤布拉格光栅（QUFBGs）的建模，优化和刻录，以低于-8 dB的最小传输和调整范围为11.4纳米的布拉格波长。据估计，如果扩展到市面出售的15厘米相位掩模，该方法将获得记录允许打破74.7纳米的调整范围。加上与设计假设准均匀光纤布拉格光栅（QUFBGs）刻录的数值模拟和实验结果明确的一致性，该记录的数值使这种方法具有更多复杂性和更少的重复性的，使干涉测量技术具有竞争力。

来自以色列希伯来大学的科研人员利用空间孔径采样的概念，对从单模光纤到多模光纤的高效模分复用技术进行研究，并将其扩展到支持多达十种空间模式的环状阶跃折射率光纤和支持九种光学轨道角动量模式（当考虑偏振态的各种情况时，模数要加倍）的环向折射率分布光纤中。对于较低的平均耦合损耗和模式相关损耗或平衡而言，每个采样束孔就是空间的形状。优化表明应该通过采样光圈模分复用的可伸缩性和一致的低损耗来提高模数，而不是利用基于相位全息图的模转换技术。孔径采样方法发现细输入光纤的对准误差和光纤几何扭曲具有鲁棒性。