2016 年2月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周俊毅 李长祥 周越

    2016年2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

    苏州大学电子与信息工程学院、中天宽带技术有限公司的研究人员认为，子带虚级联（VCAT）技术有助于提高弹性光网络（EON）的频谱利用率。另一方面，有效性是光传送网服务级别协议（SLA）的一个重要标准。本文论述了子带虚级联（VCAT）技术如何提高弹性光网络的频谱利用率（EON）。为此，研究人员使用一种有效的试探算法和二次规划最优模型，以最大限度地提高加权网络带宽可用性。再者，在不同的子路径之间，可容纳的最大偏差时延（MDD）构成了一个虚级联（VCAT）连接，这被认为是一种约束。研究人员还对相关的加权网络带宽可用性进行了评估。考虑到每一个应答器的频谱容量有限，他们在扩展模型的基础上，为每个独立的应答器分配频谱。仿真结果表明，相比于无虚级（non-VCAT），子带虚级联技术（VCAT）能够显著地提高弹性光网络（EON）的平均网络可用性。研究人员观测到一个趋势：随着最大偏差时延（MDD）的增加，平均网络可用性也会增加，但是最终会达到饱和。此外，每个节点中可用的转发器的限制，将成为节点对之间配置带宽的瓶颈。

    瑞典皇家理工学院的研究人员提出，由于光网络具有较高的数据速率，导致物理层信息传输的相关服务退化，如电源干扰有可能导致大量数据和收益损失。通过建立不相交链路的工作和备份路径可以保护传统网络抗毁性措施不受组件故障的损坏，但对此类攻击却不能提供足够的保护。也就是说，尽管链路不相交，由于特定攻击的传播特性，工作和备份路径可能会受到单一攻击情形的影响。为了加强现有的抗毁性措施，科研人员利用包含这些特性的攻击组 (AG) 的概念来确定可以同时受到单一攻击影响的节点。他们将这个概念应用到专用的路径保护(DPP)和制定攻击感知专用保护路径（AA-DPP）中，旨在建立具有成本效益的不相交攻击组的主要和备份路径。对于工作和备份路径的路由和波长分配，科研人员提出两步ILT模型，以及更大的问题实例的启发式算法。计算结果表明，该方法提供了增强攻击保护的专用路径保护方案，且比标准的DPP方法使用的资源更少。

    土耳其比尔肯大学电气和电子工程的科研人员对同步和异步可见光定位（VLP）系统的理论极限和估计进行了研究。具体来说，克拉美-罗下限(CRLBs)和最大似然估计是对基于波达时间(TOA)的距离估计和/或接收信号强度(RSS)参数进行探讨。针对可见光定位系统，提出了混合波达时间/基于接收信号强度的距离估计。它的CRLB是针对基于波达时间和接收信号强度的距离估计的CRIBs分析比较。此外，为了调查采样的影响，在采样率限制下得到的渐近性能结果随噪声方差收敛到零。在存在的采样率限制下，一种改进的基于混合波达时间/接收信号强度的距离估计将提供性能的优化。数值实例是为了证明理论结果。

无源和有源光子器件

    日本国家先进工业科学技术研究所和光电子技术研究协会的研究人员，对硅光电芯片的高效性、宽带和与偏振无关的光输入输出（I/O）耦合进行研究，并发现其实际应用具有重要意义，他们认为未来高性能计算系统所需的高密度光输入/输出（I/O）连接必须是单模垂直的光输入/输出（I/O）耦合。研究人员使用了45°反射镜来证明这种光学耦合，这种反射镜是由一个高性价比的切割技术与抛光技术而集成的。该45°反射镜被集成到一个硅基上的硅富硅(SiOx )波导中。光束的轮廓是单模光纤耦合的重要因素，为了对其进行评估，研究人员测量近场模式和由45°反射镜反射光束的远场模式。在抛光过程中，他们成功的得到了作为垂直光输出的高质量单模光束。使用45°反射镜后，他们证实有效的单模垂直光耦合损失约为0.3dB。波长的损耗对于水平极化波（TE)和垂直极化波（TM）的偏振分别小于0.6dB和0.2dB。偏振相关的损耗也很小，它在1500-1600纳米的波长范围内小于0.2dB。

图1. 倒装接合硅光子芯片与垂直光耦合的横截面示意图。

    伊朗科技大学科研人员提出，采用数值模拟和理论方法，通过局域表面等离子体的相互作用来增强透射出外平面堆叠电浆缝隙的传输。在数值模拟中，他们采用色散有限差分时域（D-FDTD）模型来进行研究。为了解释了有限差分时域（FDTD）数值模拟的结果，并进一步理解这种相互作用，科研人员使用一个磁耦合偶极子近似为理论基础。他们的研究结果表明，可以通过近场同相和异相层叠纳米孔的相互作用来增加或减少的光传输。科研人员讨论认为混合电浆可以使用在外平面的金属膜层叠纳米孔二聚体上。

    伊斯坦布尔科技大学电子与通信工程系研究人员提出在光纤尖端使用形变MEMS元件的新型光纤传感器。由于其聚对二甲苯/钛的双层材料结构，MEMS 膜表现出外平面位移随着温度变化。嵌入式衍射光栅形成一个内联干涉仪，从位移和温度可以推断MEMS元件的连接。装配式的探测器被放置在通过梯度折射率透镜准直的单模光纤输出端。这种新型结构可在标准光纤上集成MEMS探测器，并且MEMS探测器元件易于替换来改变测量范围和传感器的响应时间。提供的温度和时间常数测量验证了参考测量，证明其比使用低成本的激光源和光检测器要优化20mK的温度敏感度和2.5 ms的响应时间。

图2. MEMS探测器热光纤温度传感器

    喀麦隆雅温得大学的研究人员提出，对具有一个延迟反馈回路的最简单的自主光电振荡器（OEO）的理论和实验进行了研究。对于将电射频信号转换到光域，科研人员提出了不使用外部的强度或相位调制器的自主光电振荡器，这不同于绝大多数的自主光电振荡器。相反，研究人员表明电信号可作为光注入锁定振荡器的激光器的驱动泵电流。在此结构下，通过激光二极管的分段线性功率谱密度传递函数进行强度调制，而非是通常马赫-曾德尔调制器的正弦传递函数。研究人员提供了一个模型来研究自主光电振荡器简单架构的动态。这个模型是延迟积分微分方程，其特征如常规自主光电振荡器一样有三个时间刻度，即宽带滤波器的高/低截止频率和时间延迟。自主光电振荡器的稳定性分析表明复杂的分岔行为取决于反馈回路的增益。研究人员表明，霍夫分叉的序列可能导致周期为延迟时间的两倍的尺度快振荡，或周期取决于上述三个时间刻度的尺度慢振荡。科研人员的实验结果与数值模拟和实验测量非常吻合。

光传输

    麦克吉尔大学电气和计算机工程学院的研究人员，提出了一个格式透明的载波相位恢复算法，其用于灵活的城域光网络，此算法基于一个优化的超量体系结构的并行结构。根据系统所需的激光线宽容差来优化此并行结构，可以使得导频开销和缓冲区尺寸最小化。研究人员认为，在并行超标量体系结构中，需要权衡激光线宽容差和缓冲区尺寸减小的两者关系，为此他们分别在16-QAM，32-QAM和64-QAM系统中进行模拟实验。结果表明，当使用商用电子外腔激光器（ECL）来相干检测超过100Gb/s的INMETRO链接时，并行超标量体系结构中的缓冲区尺寸可以明显减少。随后研究人员进一步分析得出，若以商用电子外腔激光器（ECL）作为发射机和本地振荡器和激光器的单通道系统，实行之前所提出的超标量体系结构的并行处理，可以大幅减少导频开销和缓冲区尺寸。

图3. 并行超标量体系结构的实验装置，SW：开关

    华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员发提出并实验演示了一种新型无色全双工的无源光网络（PON）接入结构。利用正交码和相关接收方法，新型无源光网络可以缓解由瑞利后向散射（RB）引起的光拍频干扰（OBI）噪声问题。一对电正交码产生并在光线路终端 (OLT)的相同波长下调制。然后，调制的光信号将从光线路终端传输到光网络单元（ONUs）。其中一个码是用于下行信号的编码，另一个被用作上行编码。在光网络单元中，上行信号进行解调，但不删除下行信号。单端半导体光放大器既不能额外增加连续（CW）光源，也不能增益饱和。通过使用这些正交码，减少了全双工系统中上行与下行信号的重叠光谱，可以显著缓解光拍频干扰噪声。通过具有不同传输距离的实验来研究传输和功率范围的性能。在光线路终端，再调制的上行信号由相关算法回收。利用相关算法，研究人员可以得到编码增益，这在长距离传输中是非常重要的。由于编码增益和光拍频干扰噪声的缓解，当传输距离在 20 到 70 公里之间时，链路功率范围在4至10 dB可以实现5 Gbps的下行和1.25Gbps的上行。

图4. 全双工波分复用无源光网络的传输原理图

光调制与光信号处理

    在高速无线通信系统中，由于其有限的方向性和移动性，使得移动室内定位成为一个高难度的需求业务。来自墨尔本大学电气与电子工程学院、斯坦福大学电气工程系，埃迪斯科文大学电子科学研究所的研究人员，提出了一个新型室内定位系统。该系统基于光学无线技术与单通道成像接收技术，可以通过接收到的光信号强度和方位角来实现定位功能。实验研究结果表明，通过检测接收到的信号强度可以实现约4厘米的定位精度，而且通过检测接收到的信号角度可以将定位精度进一步提高到约3厘米左右。此外，他们研究了发送功率水平对系统性能的影响，结果表明，基于接收信号强度的系统通过提高输入光信号的传输功率可相应地提高定位精度。最后，研究人员提出了一个新型三维室内定位系统，其同时具有测量接收信号强度和接收信号到达角度的功能，正是基于此，该系统具有了高度的测量功能。演示实验表明，该系统的定位精度为7厘米，高度估计误差小于6厘米。


图5. 基于数据传输和用户定位的室内无线光通信系统

    华中科技大学光电信息学院、南洋理工大学电气与电子工程学院的研究人员，提出了一种特殊的相干光OFDM系统（CO-OFDM），该系统基于论文中提及的三维（3-D）OFDM调制技术来搭建。研究人员利用三维信号映射和二维傅立叶反变换（IFFT）模块，使得测试结果的星座图中最小欧氏距离（MED）增加了8.7%，OFDM信号产生的峰均功率比降低了4分贝。实验表明，信息在无偏振调制的二维相干光OFDM系统（CO-OFDM）中，用标准单模光纤（SSMF）以的16.27Gb/s的速率传输100公里后，使用三维正交频分复用方法可以提高约2 dB的非线性容限。理论分析和仿真结果得出，光信噪比（OSNR）代价可以归因于增加的最小欧氏距离（MED），扩展边界与编码增益。为了进一步分析长距离传输系统的性能，研究人员建立了一个1000公里标准单模光纤（SSMF）的相干光OFDM（CO-OFDM）模拟系统。经实验结果验证，所提出的方法能有效提高相干光OFDM系统（CO-OFDM）的非线性容错性和传输后的接收灵敏度。

光纤技术

来自国防科技大学海洋科学与工程学院的科研人员通过实验研究证明，基于低反射率光纤布拉格光栅（FBGs）的内联时分复用（TDM）光纤中的法布里–佩罗特传感器阵列在许多传感应用方面具有很宽广的应用前景。在光纤布拉格光栅（FBGs）和相同的布拉格波长之间产生的内在多反射（MR）是一个严重的问题，将导致信号串扰和产生误码。此外，内在多反射（MR）的干扰致使该调制信号的振幅不能达到稳定状态。因此，科研人员采用了相位生成载波法作为实验方案，并对内在多反射（MR）的诱发串扰波动和解调不稳定性进行一个完整的理论论证。研究人员提出了一个干扰合成的有效方法，以减少对内在多反射（MR）的串扰并同时提高系统解调稳定性。实验结果表明，降低5%的光纤光栅反射率可以降低18 dB的串扰和提升1.42dB的系统解调稳定性。该方法的原理可以扩展到更多的时分复用（TDM）信道的实际应用中。

来自丰田中央研发实验室和伦敦大学学院电子电气工程系的科研人员研究发现，在多模光纤（MMF）输入时插入内嵌光学元件，它的光学特性大幅度地影响传播模式功率分布（MPD）。科研人员认为他们需要改进系统的设计过程、表征过程并对新的接口标准进行定义，实现具有可预测重现性的稳定系统，并鼓励广泛使用多模光纤（MMF）系统。为此，他们提出了一个对全新可再生的模式功率分布（MPD）测量与表征的理论定义。他们通过修改环形通量（EF）后发现，这是基于一个近场图样的渐变折射率多模光纤(GIMMF)，并为基于远场图样（FFPs）的阶跃折射率多模光纤（SIMMF）定义了包围角通量（EAF）。阶跃折射率多模光纤（SIMMF）一般被用于低成本的短距离互连，由于光纤延伸到芯模的渐逝尾部包层和表征在光纤中的平衡模式分布（EMD），他们发现了光纤的模式功率分布（MPD）的变化，揭示了一个少见的插入损耗增加的现象。科研人员使用了包围角通量（EAF）来对这些现象进行量化。他们提出了一种兼容平衡模式分布（EMD）的包围角通量（EAF）模板。如果设备的系统设计师使用包围角通量（EAF）的模板来设置启动条件，研究可以采用相同的组件，甚至可以在更换某些不同供应商采用不同方法制造的组件的情况下，对系统性能进行改进设计。科研人员称这个概念为“综合模式功率分布（MPD）管理。”

亚利桑那大学光学科学学院和俄罗斯科学院的科研人员通过研究发现，光纤中的锗和硅基玻璃，是通过受激拉曼散射对短波红外波长放大的最常见的两种材料，但是由于受激布里渊散射（SBS）的因素，在总的输出功率和效率上被限制。研究人员实验研究了在光纤的选择横向掺杂分布下的锗和硅的拉曼增益，改变光纤的声波导特性提高全在受激布里渊散射（SBS）影响下全饱和拉曼放大功率的临界值。在锗增益光纤中，相比于人工制造的磷硅酸盐玻璃而言，选择性横向掺杂可以更好的抑制受激布里渊散射（SBS）。相比于一个标准的阶跃折射率光纤如康宁HI-1060，科研人员证明抑制受激布里渊散射（SBS）的锗光纤在最大峰值的布里渊增益中产生了5dB至6 dB的衰减，而且它允许在受激布里渊散射（SBS）中 超过5dB的抑制并将饱和拉曼放大器增益从15 dB增加至超过22dB。

图6. 拉曼增益光纤性能测量的反泵实验装置图

陕西省光学信息重点实验室、西北工业大学空间应用物理与化学重点实验室的研究人员，通过使用专门设计的多核光子晶体光纤（PCF），找到了一种产生柱矢量光束（CVBS）的方法。在该光子晶体光纤（PCF）中，纤维有六个轴对称的核心，核心中的光场呈现为不同的偏振态，这些由不同的矢量模组合而成。研究人员利用在熔覆层的小型气孔和围绕核心的扩大气孔来控制偏振的模式，这使得切向偏振模式和径向偏振模式可供选择。切向偏振模式具有低传播损耗的特性，而径向偏振模式则具有高强度的特性。此外，通过调节包层内的气孔直径，可以简单地调整矢量光束的工作波长范围。