2016 年3月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周越 周俊毅 李长祥 

    2016年3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
    为了更好地服务未来基于高速网络的高性能互联网应用，来自布里斯托尔大学电气和电子工程高性能网络组的研究人员提出了一种虚拟化的光纤网络设计，以为每个应用程放序建立一个专用的虚拟光纤网络（VON）。虚拟化带宽可变收发器（V-BVT）是支持多个VON创建的关键因素。研究人员提出了一个可行的V-BVT架构，可以成为软件定义下光网络中的一部分。所提出的V-BVT具有新颖性，可以提供独立操作、控制和具有管理能力的客户机或者更高级别的网络控制器。此外，科研人员提出了一个具体的V-BVT虚拟化算法，以使多个VON同时高效地创建，但独立的虚拟机共享同一物理资源V-BVT。基于该VON需求、V-BVT资源可用性和光网络状态的要求，虚拟收发器可提供特定的比特率、副载波、调制格式以及每个VON对应的波特率。科研人员进一步发现所提出的V-BVT架构可以在实验平台上利用网络控制器进行软件定义。基于提出虚拟化算法的V-BVT资源分配还可以使用扩展的OpenFlow协议。科研人员提出并且实验证明的V-BVT可以在控制平面上实现虚拟收发控制和管理独立，同时在物理层上实现共存和隔离的功能。

图1. 光网络中互联用户的V-BVT虚拟化过程
    日本KDDI研发实验室和国家信息与通信技术研究所通信部的科研人员指出，网络虚拟化是一个新兴的技术，使多个用户共享一个底层物理基础设施，可以隔离运行在不同虚拟基础架构中用户的流量。该技术的目的是提高网络利用率，同时减少在运营商的网络管理方面的复杂度。基于上述考虑，软件定义网络（SDN）的模式可以通过让网络具有自动化和可编程性从而实现简化网络配置，降低供应商的基础设施量和服务需求的运算量。SDN技术可以根据具体的配置方法或协议来减少厂商锁定协议的问题。基于应用的网络操作（ABNO）是关键的网络功能组件的工具箱，可以提供应用驱动的网络化管理。使用ABNO的服务供应可能涉及数据平面元素的直接配置，或者委托给几个控制平面模块。科研人员基于ABNO的两种情况来验证光学域多租户中的虚拟网络，其中根据该架构来协调多个控制平面的实例。科研人员选择拥塞检测和故障恢复来开展研究，以证明快速重新计算和重新配置在物理层上可操作性。

图2. 斯特劳斯控制平面结构的应用示例
    基于泡克耳斯效应的超高效光学调制器已成为今天光通信网络中的重要组成部分。对于下一代的光传输链路，硅光子技术的应用成为了建立新的密集集成光学元件的新浪潮。然而，这项新技术不能利用基于泡克耳斯效应的光开关的优势，对此分如下两点原因：首先，硅并没有表现出任何泡克耳斯效应；第二，要将非线性材料与硅光子结合起来，这在技术上很难处理。来自IBM瑞士研究院、洛桑联邦理工学院光电和薄膜电子实验室的科研人员，寻找到了一种制备集成钛酸钡薄膜的方法，该薄膜的硅光子晶体结构具有很强的电光系数。研究人员强调尝试多种设计方案，讨论实际加工过程，以及被动性功能和主动性结构的当前实验结果。实验包括耦合器和干涉仪，以及可调性为4μW / nm的谐振环，该谐振环由电驱动，灵敏度高且不易挥发。在基于非线性氧化物的超低功耗硅光子开关领域中完成的该实验结果，不但代表着相关领域的突破性进展，而且也在基于混合钛酸钡的硅光子平台中揭示了未来的新应用前景。
    意大利米兰理工大学的科研人员提出，5G移动接入使每个用户具有更高的数据传输速率和更低的通信信号延迟方面，还可更好地控制网络智能话和精细控制等。为实现上述目标，5G网络的铺设将借助如小区部署、多点协调（CoMP，ICICI）、基带单元（BUS）霍特林的集中式无线电接入网络（C-RAN）等解决方案。因为采用此类技术需要一个高容量低延时的接入/汇聚网络来支持回程、无线电协调和前传（即数字化的基带信号），所以基于波分复用（WDM）的光接入/汇聚网络被认为是5G传输的一个优秀的候选方案。上述方案的实现中的一个关键步骤是需要从相应的小区基站物理地分离出BBU，这将有望在系统配置和功率耗费上大大节省预算成本。然而，这需要插入额外的高比特率通信量，也需要包含有非常严格的通信延迟控制。因此，BBU合并的数量、前传延迟和网络容量的利用率之间出现了一个折衷。对于通过WDM汇聚网和整数线性规划形式化的C-RAN部署，研究人员提出了新型的BBU布局优化设计，他们通过汇聚网上BBU达到一定数量，来共同支持融合的固定和移动通信过程。
英国布鲁托斯大学电气电子工程系的研究人员对适合于大型数据中心（DC）基础架构的服务提供方案进行了设计研究。他们发现，基础架构的运作联系过程中的一个主要问题是大规模高密度的数据中心中可利用资源和用于控制和管理信息相关需求数量的增加所引起的可扩展性。为了解决该可扩展性问题，研究人员提出了采用图形分解与压缩感知理论相结合的方法，并进行时间监控和优化大型数据库的操作。该方法利用计算机空间和时间的相关性以及基于网络资源优化配置的特点，来监视和优化通信度量标准，例如减少延迟的控制和信息能量的管理。研究人员的模拟测试结果表明，从数据传送到控制平面的数据量和相关控制过程的都被有效优化。

图3.2D/3D网状连接的分层大型数据中心网络架构示例图

无源和有源光子器件
    采用空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）和高增益掺铥光纤放大器（TDFA），可在2μm波长的范围实现一个低损耗、低延迟的光传输窗口。来自爱尔兰廷德尔国家研究所、南安普顿大学光电研究中心的科研人员，使用直接调制激光器和基于LiNbO3的调制器对这些波长实施了各种单通道或多通道的传输实验。他们检测了采用基于InP的马赫–曾德尔调制器（MZM）进行外部调制的4×10 Gb/s NRZ-OOK WDM信号，并在1.15多公里空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）中进行了低损耗传输性能分析。研究人员采用的直接探测方案要求在100兆赫兹间隔的信道中具有25dB的信噪比；在上述条件下，研究人员证明，在2μm波长范围内，通过增加光波导中的电光重叠调整基于InP的马赫–曾德尔调制器（MZM），可以得到最低的Vπ值，峰峰–调制电压从4伏特显著降低到2.7伏特，此时其带宽为9千兆赫。

图4.WDM传输实验装置

光传输
    阿斯顿大学光子技术研究所，伦敦大学光网络集团的科研人员，通过实验证明：在一个实际长度为75公里，使用拉曼中继放大器，并且包含十条通信速率高达400 Gb/s的超级光学通道的传输链路中，使用对偏振不敏感的双波段光学相位共轭技术，可以获得较好的信号增益。科研人员进一步实验证明，如果将功率不对称和偏振模色散产生的不利因素考虑进来，便可以估测出对应的通信有效传输距离。

图5.发射机配置结果图
    日本KDDI研发实验室与大阪大学的研究人员提出，在波分复用（WDM）信道间隔小于信号波特率的超奈奎斯特波分复用系统中，如采用严格的光谱整形技术，波分复用串扰和符号间干扰之间将存在一定联系。为优化该联系中的折衷影响，研究人员提出采用具有最大似然估计的多二进制整形技术。为了阐明频谱效率和所需的信号信噪比(SNR)之间的关系，研究人员采用数值模拟和实验研究了多进制整形的超奈奎斯特波分复用正交振幅调制信号的误码率特性。实验结果表明，系统需要的信噪比优化过程等效于信号传输中距离和频谱利用率的优化过程。

  图6.基于多进制整形的三通道超奈奎斯特WDM-AM信号产生和接收的结构配置图

 光调制与光信号处理
    日本日立研发集团技术创新信息与电信中心的科研人员指出，在下一代网络中，为证明100Gb/s通道的高速光收发器在短距离终端应用中的价值，可使用光学延迟和强度检测的方法，通过现场可编程门阵列（FPGA）的单偏振十六进制振幅移相键控（16APSK）/十六进制正交振幅调制（16QAM）的方法，构建一个全速率和全功能的收发机原型系统。科研人员实验研究了上述系统中的收发性能，如基于FPGA上研究了多电平调制/解调、定时恢复、基于前向纠错（FEC）和线性均衡的过程，并证实了该收发器电路的小尺寸和低功耗的可行性。为了对基于延迟检测的多级信令性能进行改进，科研人员先前分析了各种信号补偿技术，如接收侧的相位噪声估计、色散消除电路设计、平衡光电检测器不平衡补偿和非欧几里德度量符号判定等。本文展示了该系统的理论研究基础、FPGA实现过程、实时信号解调和误码率（BER）性能检测方法，同时也实验实现了使用四信道波分复用（WDM）技术，在长度为18.2公里的单模光纤（SMF）速率为448Gb/s的传输过程。  
    墨尔本帕克维尔大学机电部和电子工程系的研究人员指出，直接调制激光器（DML）的频率啁啾负面效应一直是阻碍DML在高速光信号传输中影响接收性能的关键因素。综合上述考虑，科研人员还认为该线性调频脉冲可以作为强度调制（IM）和调频（FM）的组合技术实现应用。利用相干检测，该技术提供了本地振荡器的波长参考范围；通过时间积分，调频（FM）过程可以转换为相位调制过程。也就是说，科研人员意识到对于单个DML而言，可以实现二维的复杂调制（CM）。如果积分操作，直接调制激光器的复杂调制（CM-DML）过程是卷积的实现过程，同时最大似然序列的估算也可应用于解调过程。相对于传统的IM-DML技术，CM-DML使用相干检测的光信噪比（OSNR）灵敏度超过-10dB，相对于正交相移键控（QPSK）7％的前向纠错（FEC）门限，它的灵敏度降低至6dB。科研人员通过实验证明：使用CM-DML后，双极化（DP）的四进制脉冲幅度调制（PAM-4）信号在标准单模光纤中可以传输1000公里。这些实验揭示了CM-DML的巨大应用潜力，在未来有希望能取代商业化的双极化四相相移键控（DP-QPSK）调制产品而得到推广。
    法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的科研人员采用数值模拟和实验相结合的研究方式，在改变带宽效率调制时，对多载波和单载波的非线性容限进行了比较研究。科研人员提出了两种不同的配置，即在50 GHz的间隔的WDM网格下使用4和8个副载波进行24和48 GBps双极化四相相移键控（DP-QPSK）调制过程，并且比较了等效的单载波系统测试结果。数值模拟和实验的结果都证明，研究人员设计并验证的相关配置可以影响多载波的信号传输性能和通信带宽效率，造成多载波传输方式的非线性容限改善与通信带宽效率下降。

    意大利都灵理工大学电子与信息学院、马里奥高等学院、大连大学信息工程学院的研究人员，讨论了优化传输符号速率（SRO）引起的非线性缓解效应，并分析了其对信号传输质量提升之间的关系。首先，科研人员做了理论分析和仿真研究后发现，非线性EGN模型能够影响到前面提及的非线性效应，尤其体现在四波混频效应上；研究人员还发现，对于PM-QPSK光信号在整个C波段上传输而言，若将传输符号速率（SRO）从2GBD优化至6 GBD，则相应地可将传输范围大幅提升约10%至25%。在C波段范围内， PM-QPSK光信号在单模光纤链路中传输后，其对传输符号速率（SRO）的优化性能比理想数字光信号的传输，尽管其传输通常应用于带宽为32 GBD的通道上。然后，科研人员成功开展了实验研究，获得了理论验证和模拟预测比较吻合的实验结果。他们实施的具体实验配置包括：19路PM-QPSK光信号传输链路，利用纯硅芯光纤在每路通道中以128 Gb /s的通信速率传输信息，光纤链路跨距距离长达108公里，并同时使用掺铒光纤放大器实施中继放大。实验结果证明该传输系统的传输带宽范围获得了约13.5%的增长；当单载波光信号传输应用于上述每条光纤通道中时，占用带宽为32 GBD，而当8路子载波传输于每条光纤链路通道时，占用带宽为4GBD。科研人员还深化了理论研究过程，并指出该系统的传输带宽增长范围约为PM-16QAM系统的 50% 至60% 。

光纤技术
    直径为50μm、纤心折射率渐变的多模光纤可用于复用模式传输，该传输模式使用了多输入多输出数字信号处理与选择模式复用技术。睿司曼集团埃因霍温研究小组和法国阿图瓦佛兰德斯工业园的科研人员，分析和描述了该类多模光纤的应用模式，并将它们与低阶差分模式群延迟数模光纤进行了详细比较。研究人员观测到：多种微分模式延迟（DMDs）共存于多芯光纤（MCF）和/或少模光纤中。从多输入多输出（MIMO）均衡技术实施的角度来看，每一个多芯和/或多模信号的最佳均衡抽头长度应根据不同的微分模式延迟（DMD）值变化而变化。相应地，为获得满意的实际性能，我们可以进行复杂的计算来为每一个抽头寻找最佳的匹配长度。
    日本横须贺市NTT网络创新实验室、冲绳国家技术研究所的研究人员，提出了一种应对多种微分模式延迟（DMDs）的新技术，该技术同时还可以改善有复杂计算过程的新型自适应MIMO均衡方法的实施过程。该方法提出为所有的多芯和/或多模信号采用相同的抽头长度，并采用最大微分模式延迟（DMD）技术来降低计算成本。由于设置了非最佳的抽头长度而引起了噪声增强的负面影响，为了消除这些影响，该方法应用了改进的比例归一化最小均方（IPNLMS）算法。基于系数的整体稀疏性，研究人员采用杠杆均衡系数来更新抽头系数，并采用改进的比例归一化最小均方（IPNLMS）算法周期性地更新均衡系数，按比例提高前面的系数，使得信号中包含的有效参数得到提升，而噪声部分则被大幅抑制。研究人员还使用一个简单的稀疏度量算法来计算系数的整体稀疏性，以确定IPNLMS参数。
    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极有前景的减轻光纤非线性负面效应的传输方法。尽管非线性傅里叶变换（NFT）和使用非线性信号谱的特征值通信（离散和连续）模式近年来被广泛关注，然而由于基于非线性傅里叶变换的光传输研究方法采用了无损非线性薛定谔方程（(NLSE)）的可积特性，原来的方法只能直接应用到理想分布式光纤拉曼放大器的光纤链路中。研究人员详细研究了非线性逆合成（NIS）方案中的非理想拉曼增益谱，并将其发送信息直接编码到非线性信号谱的连续部分；他们还通过研究拉曼增益的平均效应，提出了非理想拉曼增益谱光纤链路的无损平均路径（LPA）模型。研究结果表明，使用无损平均路径模型的非线性逆合成方案能够提供3dB的传输性能增益，且该增益特性与拉曼增益性能无关。