2016 年4月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 李长祥 周俊毅 周越 
    2016年4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、光纤技术等，笔者将逐一评析。 
光网络及其子系统
    来自德国多特蒙德工业大学的科研人员指出，为提高光网络中的能量传输效率，采用适应实际通信量负载能力的信道动态切换方案是极有前途的研究方案。但是，该方法被扰乱其余信道传输的光功率瞬变效应所限制。在透明传输光网络中，瞬变过程可发生在多个节点。科研人员通过分析光功率瞬变过程，证明了动态信道切换的限制，并指出了如何最大限度地降低该局限性。
    来自斯坦福大学电气工程系光电和网络研究实验室的科研人员，设计了一个弹射圆环接光入网络。这种光接入网络由远程供电驱动，并由准被动重构（QPAR）节点控制。准被动重构（QPAR）节点驻留在远程节点（RN），它可以动态地分配和规划用户连接在其输出端口的光通道。从而提高弹射圆环接入网络中的带宽利用率，并保证那些服务不同网络的谐波可以共存。科研人员通过实验展示了一个搭载了2×4×4准被动重构（QPAR）节点的弹射圆环接入网络。准被动重构（QPAR）模块由本地超级电容供电，该电容可用远程激光进行充电。此外，在一个自行设计的控制电路中，准被动重构（QPAR）节点的远程开关控制能力再次得到证实。科研人员通过信道功率预算以及准被动重构（QPAR）中的控制开关来研究系统的可扩展性。相比其他远程节点（RN）结构，在低流量的时候，准被动重构（QPAR）技术使得弹射圆环接入网络所需的通道数减少了50%，并在IP业务不平衡时显著降低了网络服务延迟。仿真结果还表明，准被动重构（QPAR）有助于缓解由多播流量造成的流量服务延迟（最多可到达90%）。

 图1.  (a)准被动重构（QPAR）结构图 (b)双状态元件的结构图 (c)弹射圆环光接入示意图
    来自伦敦大学电气工程学院光网络电子系、剑桥大学电气工程学院工程系的科研人员，从信息论的角度，研究了在未来波长路由的非线性光学网络中，调制的最佳选择电位和前向纠错（FEC）系统开销（OH）。科研人员研究了两种不同的网络拓扑结构：前向纠错（FEC）理想软判决（SD）和基于解码（位）接收机的前向纠错（FEC）硬判决（HD）。通过与7%系统开销（OH）正交相移键控（QPSK）系统的某种标准假设的对比，科研人员得到较大的网络吞吐量增益。国家、大陆和洲际的拓扑结构分别产生了12%，15%和20%的网络吞吐量增益。科研人员进一步得出，在国家和大陆的网络拓扑结构中，使用单种调制格式和双系统开销（OH）可达到最大理论吞吐量至少为75%。
无源和有源光子器件
来自天津大学光电子工程与精密仪器学院的科研人员，设计了一种能在大范围内实现分布式光纤振动传感的非对称双马赫-曾德尔干涉仪(ADMZI)。在上述方案中，科研人员利用两个分布反馈激光束和密集波分复用的方式，显著降低了瑞利反向散射噪声的影响，这将严重恶化在传统双马赫–曾德尔干涉仪(DMZI)传感器的信号噪声比（SNR）。在传输长度为61公里时，使用非对称双马赫-曾德尔干涉仪(ADMZI)会比双马赫–曾德尔干涉仪(DMZI)的信噪比高20分贝。利用基于时间和频率分析的定位算法，61公里传感长度中的定位均方误差可以达到52.5米。

    来自中国计量大学光电技术研究所的科研人员提出了一个基于表面等离子体共振（SPR）的高灵敏光纤微位移传感器。位移传感头由带有电浆面的单模光纤（SMF）和包层部分去除单模光纤(CPR-SMF)（其具有空气间隙）组成。在单模光纤（SMF）的末端，科研人员使用了金属膜来代替包层部分去除单模光纤(CPR-SMF)的底部。仿真结果表明，等离子体共振的透射谱移向较短波长的位移明显增加。等离子体共振（SPR）的传输波长和位移之间是正弦的关系，并且科研人员提出的传感器的灵敏度可高达31.45。传感器的性能可以通过选择厚度为40至50纳米的金属膜和100至150纳米的剩余包层进行组合来优化。因为结构紧凑，所以上述方案能实现高灵敏度的位移测量和控制过程。

    来自开罗夏姆斯大学工程学院的科研人员研发了一种基于微机电系统（MEMS）的新型光学干涉仪，基于空间分割并使用多模干涉（MMI）波导的成像特性来进行光束的组合。该干涉仪能使光线在宽光谱范围内（包括红外和可见光范围）中传播。采用波导的模态分析技术和自由空间传播的角谱方法进行了干涉仪分析，在结构中建立了的光的传播模型。在硅绝缘体晶片上使用深反应离子蚀刻技术制造了光束分离器和整体干涉仪。在多模干涉波导侧壁采用了金属铝，以降低该干涉仪的插入损耗。科研人员制造的分离器和干涉仪在可见光和近红外光谱范围内，通过记录分路器输出的强度分布来验证其宽带的正确操作。该种干涉仪能像傅里叶变换光谱仪一样进行波长测试，其中单片集成的隅角反射镜是由梳状驱动器驱动的。科研人员最终得到的光谱分辨率为2.5纳米，波长为635纳米。

 图2. 多模干涉（MMI）基于空间分割的光学微机电系统（MEMS）干涉仪原理图
来自弗吉尼亚大学电气和计算机工程系的科研人员，发明了一种背照式、倒装芯片键合、具有电荷补偿能力的单行子载流光电二极管（PD），其带宽可超过110千兆赫。其中，10μm直径的光电二极管，在100 GHz射频输出功率高达9.6 dBm；6μm直径的光电二极管在110 GHz射频输出功率高达7.8 dBm。科研人员提出了一种基于S参数拟合的分析模型，可以用于评估的带宽限制因素。

来自加拿大拉瓦尔大学电子与计算机工程系的科研人员进行了实验研究，提出一种非线性失真的后置补偿技术。该技术基于半导体光放大器中四波混频的波长转换器（WC），并利用了低复杂度的基于数字滤波器的反向传输（DFBP）方法。科研人员进行了基于单级波长转换的5 GBD 64-QAM非线性失真的后置补偿。在波长转换器的输入端，科研人员研究了降级的光信噪比存在时的DFBP性能。此外，科研人员首次实验证明了5 GBD 64-QAM信号的双级波长变换，并证明只可能在非线性失真的后置补偿中，比特误码率低于硬判决前向误差校正阈值。这些结果对波长路由光网络的发展具有重要意义。

对于时变信号，在本世纪初引入一种有效的动态计算的概念。基于光通信组件的开发，能使一些光子器件表现出良好的性能。与基于周期不同步的延迟线器件相比，有效带宽通常比物理配置所允许的带宽更大。在相同的物理配置下，为了能使用更多的可用带宽，来自比利时布鲁塞尔自由大学的科研人员提出了包含时间重叠和数个存储的原始解决方案。这个解决方案被用来独立地处理几个任务，但须在相同的物理配置下同时进行，这称之为虚拟存储计算机。科研人员提出使用三个虚拟存储来进行概念验证的演示，结果进一步验证了光子存储计算的多功能性。
光传输
来自清华大学电子工程系和英属哥伦比亚大学的科研人员在有导频辅助的副载波相移键控（PSK）自由空间光通信系统中，研究了最大似然（ML）的相位估计。使用最大似然（ML）相位估计的相位误差概率密度函数，科研人员研究了副载波PSK系统中服从对数正态分布的载波相位误差和在Gamma-Gamma湍流信道下的误码性能。科研人员使用闭合形式的表达式推导出了在湍流信道中的不完全同步的系统渐近信噪比（SNR）损失，并验证了解析表达式和数值模拟仿真的结果。解析表达式表明，副载波相移键控PSK系统中的最大似然（ML）估计相位误差会受到试点长度和调制阶数的影响。

由于光纤的非线性失真限制了光纤传输系统的传输距离和信道容量，为解决该问题来自北京大学新型光通信系统和网络国家重点实验室的科研人员进行了研究，他们设计了一种采用非线性抑制技术的方案，并将11×32G波特的16QAM信号在1400公里的标准单模光纤中进行了传输。基于一阶微扰理论，在基于偏振分复用的波分复用方案中，科研人员提出了一个共轭数据重复（CDR）的非线性抑制原理。接下来，科研人员分别采用了几个非线性抑制方法如共轭数据重复（CDR）、相位共轭双波（PCTW）、数字反向传播（DBP）和基于递归最小二乘（RLS）算法的过滤实验。自相位调制的光学克尔效应，被认为是内通道间的交叉相位调制。实验结果表明，共轭数据重复（CDR）的表现类似于相位共轭双波（PCTW）。通过引入共轭数据重复方案，平均误码率从1.92×10-2降到了1.76×10-3,这相当于3.2分贝的Q2因子推动，包括1.5分贝的改进非线性抑制。相比之下，采用递归最小二乘算法（RLS）滤波和数字反向传播（DBP）在不牺牲数据速率的情况下能达到1.0分贝的Q2因子推动。

图3. 奈奎斯特波分复用传输系统的实验装置图

来自德里印度理工学院电气工程系的科研人员对大气湍流下的自由空间光通信（FSO）链路误码性能进行研究。通过在发射端和接收端分别添加发射孔径和接收孔径，自由空间光通信系统的误码率得到显著的改善。但是，由于建筑物的摇摆产生的指向误差(PEs)具有一定的潜在威胁，即消除基于孔径的自由空间光通信系统多发射/多接收的优势。因此，科研人员研究了空间自由光通信多输入多输出（FSO-MIMO）系统通用性与可操作性，以及在Gamma–Gamma 衰落的大气波动中指向误差的影响。科研人员研究了空间自由光通信多输入多输出系统（FSO-MIMO）的两种方案:等量增益合并(EGC)和最大比值合并(MRC)。对于具有指向误差的Gamma–Gamma 衰落自由空间光通信链路的概率密度函数，科研人员提出了一种新型的基于幂函数的表达式。通过使用导出的误码率表达式，科研人员根据两种方案推导出两个表达式。对于两个系统，科研人员还得到了分集阶数和合并增益。在不同的场景中，科研人员分析了方案性能中指向误差的影响，并指出指向误差显著降低了自由空间光通信多输入多输出（FSO-MIMO）系统的多样性。通过数值模拟仿真和分析推导发现，虽然等量增益合并的方案在现实中实现较为简单，但对于大的指向误差最大比值合并方案更有优势。

来自瑞典查尔姆斯理工大学微米技术与纳米科学学院的科研人员在相干光传输系统中进行了交互信息的实验研究。通过采用四维分布的研究方法，科研人员对估计信道分布的可实现率进行研究。对于单信道和波分复用（WDM）传输链路,科研人员通过控制内联色散补偿的有无进行了研究。科研人员证明，对于没有内联色散补偿的常规波分复用（WDM）系统而言，圆对称的复高斯分布与信道模型十分近似。对于其他信道而言，如具有内联色散补偿的信道，结果将不再正确，并可以在更复杂的四维（4D）分布中实现信息速率的增加。科研人员分析得出，对于非线性信道，通过对四维分布接收星座图的分析，也能够获得可达信息速率的增益。

图4.搭建的光纤通信系统结构示意图
    为改善未来长距离光传输系统的收发性能，空分复用（SDM）已成为一种富有前景的技术。来自柏林工业大学高频技术光子学研究小组的科研人员，提出了一种新的分析方法，可在多模光纤空分复用（SDM）系统的不同光纤模式下，计算信号之间的非线性干扰。科研人员探讨了基于态内和多式联运四波混频理论的几种简化形式，并将仿真模型与一种典型的少模光纤传输系统（其包含3th和6th空间模式）的仿真进行比较和分析。为深刻理解多式联运的非线性信号失真的影响，科研人员将分析的重点侧重于态内的相对强度和多式联运的非线性特性上。同时，科研人员在通过分析模型和进行数值模拟得到了相似的结果，这使得该模型更加简易实用，通过它可以估计多模光纤的空间分复用（SDM）传输系统的整体非线性失真特性。

图5. 多模非线性高斯噪声模型链路设计框图
光调制与光信号处理
正交频分复用（OFDM）技术在实际使用过程中已被证明是一种有效的多载波数字通信技术。近年来，由于光正交频分复用（O-OFDM）技术可获得较高的频谱效率，以及具有对频率选择性信道具有的抗干扰优势而受到广泛关注。因为有上述优势，研究人员认为该技术是跨数据中心通信（如部署短光纤连接）的最佳候选方案之一。来自以色列特拉维夫大学工程学院电气工程学院的科研人员，在直接调制直接探测传输系统中，为直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）传输设计了一种新型高效的符号恢复方案。该系统中的正交频分复用信光号由强度调制（IM）模块发送，直接检测（DD）模块接收；科研人员提出了一种替代限幅的方法来保持一个非负的实值信号，并提出了一种迭代检测算法来保存限幅过程中会丢失的有效信息。相比传统的直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）系统（其中OFDM信号为双标准偏差），科研人员在正交相移键控（QPSK）加性高斯白噪声、平坦信道模型中得到了令人满意的结果——随着独立信号的噪声干扰的增加（信噪比提高了3dB），传输的光功率可减少50%，接收误码率可低于10e-3。

在采用强度调制直接检测(IM/DD)的短距离光纤传输系统中，来自美国伦斯勒理工学院的科研人员通过实验证明了一个快速傅立叶反变换/快速傅立叶变换（IFFT/FFT）点数，将高效的离散傅立叶变换（DFT）扩展到快速傅立叶反变换/快速傅立叶变换（IFFT/FFT）点数。与传统的基于实数IFFT的OFDM相比，基于复数IFFT的OFDM峰值平均功率比和误码率没有太大差别，但会将IFFT点数减少到原来的一半。在本文中，科研人员提出将基于复数FFT的OFDM系统与DFT扩频技术相结合，并在降低PAPR和IFFT/FFT点数的实验中应用，以及改善误码率（BER）的性能。实验结果证明，通过使用离散傅立叶变换（DFT）的扩频技术来降低峰均比，且在误码率3.8×10 e-3（7％硬判定前向纠错阈值）的单模光纤中传输 20.62千米之后，能提高超过2dB的接收灵敏度。此外，通过使用DFT扩频技术，科研人员还进行了基于复数FFT的OFDM和基于实数FFT的OFDM的误码率性能比较，实验结果表明，前者的BER性能比后者略差，但由于减少了IFFT/ FFT点数，前者具有较低的硬件复杂度和更低的功耗。

图6. 基于（a）实数IFFT和（b）复数IFFT的DDO-OFDM发射系统原理图
光纤技术
    来自悉尼大学物理学院光电子与光学研究所、巴格达大学激光研究所的科研人员，研究了将拉伸后的复合金属-聚合物纤维用于线阵列超材料的制备过程。根据相关不稳定原理，金属在拉伸过程中会成为液体，这是因为拉伸产生的表面张力使得金属直径波动，进而导致金属破碎成液滴。对于小波动，科研人员用线性模型来拟合实验结果，以此表示纤维拉伸的不稳定性。对于较大的波动，科研人员分析波动的波长，并观察分析不同长度范围上的破碎残余物。最后，科研人员在金属丝上检测到了氧化物层，他们认为这将会使金属表面的相互作用更加复杂。

来自意大利巴勒莫大学物理化学研究院和法国里昂大学居里安贝尔实验室的科研人员，研究了在掺锗光纤（OFs）中加载高压氧气处理的辐射响应。科研人员发现，掺入高浓度的氧分子间质能显著提高掺锗光纤在紫外域到可见域的抗电离辐射能力，同时改善了紫外线光在未照射光纤中的传输。通过与以前的实验结果进行比较，经过高压氧气加载处理的掺锗光纤（OFs）的抗辐射能力比掺铈光纤更强。这样的改善依赖于基本的辐射诱发机制，其特征在于三个互补的实验技术：共焦微发光（CML），在线辐射诱导衰减（RIA）和电子顺磁共振（EPR）。科研人员已经表明，由于锗光纤的玻璃基质会迫使氧气的扩散，这一现象能够改善锗光纤的内在缺氧性。实验还强调了照射下产生过量氧气的缺陷。虽然对电子顺磁共振而言，在氧过剩和缺氧的缺陷之间已经有一个较好的平衡点，锗掺杂光纤的抗辐射性能可以通过优化加载高压氧气处理的方法得到进一步改善。