2016年6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 马文哲
 2016年6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
希腊萨洛尼卡大学情报学系的科研人员指出，迄今为止电信网络发展的局限性主要取决于两个因素，即网络设备的复杂度与信息传输的成本耗费。然而，随着互联网的广泛传播和其业务的快速增长，相关网络设备的能源消耗显着增加。尤其是互联网流量的上升导致了所需设备数量的增加以及网络设备能源消耗的提升。因此，现代电信网络高额的资本性支出和运营成本，使得部署市场渗透十分困难。能源消耗的激增最终将成为互联网持续发展的障碍。随着气候恶化和环境保护问题受到人们日益关注，科研人员进行了许多工作来提高人们对环境问题的认识，并设法减少电信网络的能量消耗。在这种背景下，科研人员对如何减少波分复用(WDM)骨干网络的IP能源消耗进行了研究。虽然之前已经实施了基于光路分支和通讯疏导的方案，并小幅减少了光核心网络的整体功耗，但是人们并没有重视虚拟拓扑结构中光路的数目，以及开发当前光路的剩余容量。本文通过引入三种启发式方案克服了上述缺点，设法显著降低虚拟拓扑结构中建立的光路数目；以更有效的方式开发光路资源并充分利用光路的剩余容量。这些功率感知方案将重点放在波分复用(WDM)光网络运营阶段和能源规划问题上。大量的仿真结果表明，科研人员提出的算法相比于传统的节能技术，在功耗性能改进方面具有重大突破。

图1. 基于WDM网络的IP路由分配方案

来自韩国延世大学电气与电子工程系的科研人员提出，在正交频分复用多址（OFDMA）无源光网络（PON）中，一种用于减轻光拍频诱导上行多址信号之间多用户干扰（MUI）的新技术。在一个单波长正交频分复用（OFDM）的光接入网络中实现上行多址接入时，光拍频诱导干扰和偏振多样性是严重降低系统性能的两大问题。科研人员利用自零差相干检测法提出了总强度聚集（TIA）技术，实验证明：通过减少正交频分多址（OFDMA）无源光网络（PON）中上行多址接入传输的多用户干扰（MUI），能使系统稳定地传输。科研人员提出的技术可以显著降低多用户干扰（MUI）的负面影响；在此基础上，科研人员还提出采取总强度聚集（TIA）技术来减少各种无线、有线多址接入光网络中的信号干扰影响。
来自东北大学计算机科学与工程学院的科研人员指出，由于电力网络设备的大规模部署，光纤无线（Fi-Wi）接入网络将会迎来高能耗的挑战。随着人们对绿色通信基础设施日益增长的需求，能耗高的问题可能会成为光纤无线（Fi-Wi）接入网络发展的主要障碍之一。以前提出的方案说明绿色光纤无线（Fi-Wi）接入网络包含三个部分，包括网络设备如光网络单元（ONU）的优化配置、具有服务质量（QoS）保证且同时具有高效带宽分配的光网络单元（ONU）、根据流量分布能实现动态功耗状态调度的光网络单元(ONU)（主动/睡眠）。然而，这些方案并没有同时考虑采用节能设计的无线子网。事实上，当在光学子网中的一些光网络单元（ONU）被切换到睡眠状态时，最初发送睡眠指令传输到光网络单元（ONU）的无线电端口，只有部分端口将是空闲或是低负荷的。科研人员提出了一个新的方案，通过关闭闲置或者低负载的无线电来实现节能的无线子网。本文致力于设计节约能源的集成光学和无线网络，来实现绿色光纤无线（Fi-Wi）接入网。为了设计节能的方案，科研人员采用了新型的电源状态分别来定义无线网络设备和无线电。针对动态的传输信息，科研人员提出了启发式算法，为集成无线的前端和光纤无线（Fi-Wi）接入网的光纤后端节约能量。首先，科研人员提出了光网络单元（ONU）休眠机制的节能算法（EAS），根据光网络单元（ONU）的电源动态调度的状态来判断流量分布与负荷阈值。然后，科研人员还提出了基于无线电的节能算法（ERO），通过动态地控制无线电的电源状态来重新配置无线子网的拓扑结构。此外，科研人员在EAS和REO使用无线路由来保障QoS网络的服务性能。最后，科研人员把提出的EAS和ERO算法策略地结合起来，并将该节能方案称为EE。仿真结果表明，随着参数的合理设置，在流量负荷很大的范围内，提出的EE方案可以分别节省从33.14%到64.35%和8.56%到36.42%的能量。

图2. Fi-Wi接入网络架构图

来自中国科技大学信息科学与技术学院的科研人员指出，在多信号域情况下弹性光网络（EONs）可以提高网络的可扩展性，扩大服务覆盖面，并处理多载波的情况。然而，作为一个恶意的客户端可以从物理层进行跨域攻击，因此多域弹性光网络（EONs）的安全问题不容忽视。在本文中，科研人员考虑如何改善多域的弹性光网络（EONs）的物理层的安全级别。具体来说，科研人员将区域内和区域间安全性请求进行划分，再设计路由和频谱分配（RSA）的方案。要做到这一点，科研人员分析了共享弹性光网络（EONs）光学元件下不同客户的物理层漏洞（尤其是可信的和不可信的），分析潜在攻击的情况下不同路由和频谱分配（RSA）的安排，并量化相应的安全威胁与攻击因子。然后，科研人员定义了具有多域攻击感知的路由和频谱分配（RSA）问题，并制定一个整数线性规划模型来准确地解决这个问题。为了减少时间复杂度，科研人员还提出一个启发式算法。上述算法能同时在离线和在线的情况下进行大量的模拟计算，研究人员得到的仿真结果验证了其有效性。

图3 . 弹性光网络的路由和频谱分配图

来自上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室、阿维尼翁大学计算机科学实验室的科研人员指出，尽管弹性光网络（EONs）有望实现越来越多的动态和异构通信，然而对于目前的波分复用（WDM）光网络来说也是一种挑战——这要求光学器件的带宽是可变的。混线速率（MLR）光网络作为一个过渡的解决方案，它允许几个线路速率共存（例如，10/40/100Gb/s）。基于混线速率光网络，科研人员提出了一种距离自适应的预配置环（p-Cycle）保护方案。根据每个保护路径的长度，科研人员设计了路径-长度-有限预配置环（p-Cycle）来分配线路速率。与传统的候选周期枚举不同，科研人员建立了一个混合整数线性规划（MILP）模型，来直接产生最小资本支出（CAPEX）预配置环。科研人员还开发了两种算法使提出的混合整数线性规划（MILP）模型具有可扩展性。仿真结果表明，对于MILP预配置环，该算法可显著提高时间效率。科研人员进一步与其他方案比较预配置环的设计方法。研究结果表明，本文提出的方法在很大程度上减少了超过40%的资本支出（主要是转发器成本）。

图4. MLR光网络中的p-Cycle模型图

无源和有源光子器件
华为加拿大研究中心电气与计算机工程系的科研人员，展示了一个硅绝缘体上马赫-曾德调制器（MZM）的综合模型。硅光子调制器具有很强的非线性相位调制和频率响应，可以用在大容量传输系统中，而此模型可以实现设备的设计和系统的性能优化。此模型包括P-N结相移器和行波电极的物理模型，以及动态微波光相互作用与时域分析的电路模型。科研人员通过时域有限差分法建立分布式电路模型，进而利用此模型仿真了光与微波之间的动态相互作用。多次使用6毫米相移器的马赫-曾德调制器（MZM）得到实验结果，通过与此实验结果对比，可以确定该模型的有效性。仿真结果表明，高速运行速率可达到46Gb/s。另外，这个时域模型可以帮助科研人员预测非线性特性对大信号响应的影响，但对频域线性模型的预测效果相对较差。

东南大学物理与电子学院光电信息科学与工程系的科研人员，研究了慢光增强的超小型等离子马赫曾德尔干涉传感器。传感臂由传统的金属-电介质-金属等离子体波导，或者基于电磁感应透明的电浆类似物的波导系统组成。这类电浆电磁感应透明波导系统可被改造来支持慢光模型。科研人员发现，随着减速因子的增加，该模型的有效折射率灵敏度相对于填充结构材料的可变折射率有所增加。这种折射率变化灵敏度的慢光增强导致检测性能的提高。科研人员发现，在最小可检测的折射率变化范围内，与使用常规的金属-电介质-金属电浆波导传感器相比，使用电浆电磁感应透明波导系统的马赫-曾德尔干涉仪传感器的折射率灵敏度增强了大约一个数量级。科研人员还发现，电浆马赫-曾德尔干涉仪传感器的折射率灵敏度是波导腔传感器的灵敏度的两倍。这个波导腔是由电浆电磁感应透明波导系统和两个传统的金属-电介质-金属波导构成的

美国菲尼萨公司的科研人员，研发了一种具有28GHz带宽的高速1310nm 铝-多量子阱(Al-MQW)掩埋异质激光器。通过28 Gbaud四电平脉冲幅度调制（PAM4）和56Gb/s非归零（NRZ）调制对激光器的传输性能进行比较。结果显示，两者都能满足10km的链路预算，但是56Gb/s非归零（NRZ）调制的灵敏度比前者多2dB，这归因于直接调制激光器较宽的带宽和非归零（NRZ）调制较大的峰峰电压。另一方面，28Gbaud四电平脉冲幅度调制的优点在于减少了发射端和接收端PIN二极管的带宽需求，能将较低的偏压施加到激光器和具有较高响应度的PIN上，换句话说，该优点为在具有低功率损耗中的高温操作提供了可行性方案。与−60ps/nm负色散光纤的背靠背灵敏度相比，两种调制都表现出负色散罚值，可以通过观察激光器的啁啾特性来预测实验结果。可靠性研究结果表示，该激光器能在85°C 且在输出电压为恒定偏压60mA的情况下连续发光长达11600h。

滑铁卢大学电气与计算机工程系、德黑兰大学电气与计算机工程系的科研人员指出，纳米天线具有光波辐射结构，其无线电频率的相关部分是基于相同的物理原则而被设计的。然而,在光学频率范围内，材料物理性质的不同，将使得入射电磁场产生不同的反应，这促成了它们在光学中的新应用。为了分析和设计这些天线结构，需要对传统方法进行一些修改。科研人员提出了一种处理复杂图像的格林方程，来模拟多层介质嵌入式纳米天线中光波间的相互作用。该方法结合了退火算法，来设计和优化由强耦合纳米尺度散射体组成的结构。科研人员表明，该方法不仅可以提高光学设备的效率，而且当它们在适当的时候被激活时，可以实现信道的正交传输。本文还提供了一个新的方案来对光学信息系统中的信号进行编码和复用。

爱尔兰利默里克大学电子和计算机学院光通信研究组的科研人员，提出了一种应变多量子阱(MQW)半导体光放大器(SOAs)的稳态模型（steady-state）。实验极化模型的最小二乘拟合可放大自发辐射光谱，以获取难以测量的模型参数：如线展宽线型系数、俄歇复合系数、带隙收缩系数和带间吸收系数。科研人员根据载流子密度来模拟应变多量子阱的捕获和逃逸过程，其中载流子密度取决于净逸出时间，并引起障碍效应。科研人员仿真获得了实验数据并把它们进行了比较，研究结果证明了该模型的准确性和通用性。


光传输
武汉华中科技大学光电信息学院的科研人员,将恒定幅度零自相关序列（CAZAC）预编码技术应用到带宽有限且距离较长的直接检测光正交频分复用(DDO-OFDM)系统中，其中恒幅零自相关序列（CAZAC）预编码技术与信号和信道无关。经过恒幅零自相关序列预编码后，根据均衡每个子载波的信噪比，科研人员提出了一个简化的自适应调制方案。数值仿真结果表明，采用优化调制指数，在给定的接收光功率情况下，传统的8.23Gb/s的双边带（DSB）调制QPSK-OFDM信号无法实现100公里标准单模光纤（SSMF）的传输，而恒幅零自相关序列（CAZAC）可以实现100公里标准单模光纤的传输且色散引起的功耗低至2.7 dB。当恒幅零自相关序列（CAZAC）预编码被应用到16.46 Gbps 16QAM-OFDM系统中，它的优势将更为明显。由于频率分集，采用恒幅零自相关序列（CAZAC）的OFDM系统证明更多的色散容限能改进接收机的接收灵敏度。科研人员还分析了每个单独子载波的信噪比（SNR）。当使用预编码时，其平坦度能显著改进调制格式和提升传输距离。基于平坦的信噪比（SNR）曲线的先验知识，科研人员将自适应调制算法简化至三步，其中应用了位加载而省略了功率加载过程。

图5. (a)DDO-OFDM传送系统图 (b)发送端CAZAC预编码原理图

来自华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员提出，模分复用(MDM)技术能有效地扩大传输容量。为了延长传输距离和提高相位编码模分复用(MDM)通信系统的透明性，模分复用(MDM)需要更多的全光相位再生(PR)。然而，模分复用(MDM)信号的相位再生(PR)鲜有报道。科研人员提出并论证了模分复用(MDM)信号的同步相位再生(PR)。相位再生(PR)性能依赖于多模非线性波导的色散控制，并得到较强的帧内相敏放大(PSAs)，其中涉及的泵和模分复用(MDM)信号分量被承载在相同的模式下。另一方面，由于相位的严重不匹配或微弱的非线性耦合，弱相敏放大/四波混频在不同模式之间的相互作用得以保证。科研人员对详细特征进行了研究，以进一步优化相位再生的性能。研究结果表明，对递降的20 Gbit/s模分复用(MDM)差分相移键控(PSK)信号进行有效的相位压缩，双模再生信号的误差向量幅值分别从10.7％和11.5％降至4.9％和3.7％。

图6. MDM信号的PR原理图

光调制与光信号处理
加拿大英属哥伦比亚大学的科研人员，提出一种使用开关键控（OOK）和源信息转换的自由空间光（FSO）通信。结果表明，源信息变换能使该系统在不需要信道状态信息和湍流模型的概率密度函数（PDF）的情况下检测开关键控（OOK）信号。科研人员推导出检测阈值的概率密度函数（PDF）的解析表达式，并且通过平均误码率（BER）获得其上限。数值研究表明，与理想的自适应探测系统相比，该系统可以获得良好的性能，不仅大大降低了算法复杂度，而且在σ=0.25的对数正态分布湍流信道的误码率为1× 10−9时，信噪比损失仅为1.8dB。

加拿大蒙特利尔国家能源材料和通信研究院的科研人员，基于时域针孔理论，提出了一组非相干光强度波形的时域成像方案，并对它们进行了全面分析。这些分析都包括：时域放大、压缩系统、时间-频率映射和频率-时间映射过程，它们都涉及到光学色散谱线的合理配置以及一个窄的时间门（时域针孔）。科研人员研究了非相干光强度波形的时域成像方案中的主要性能规格，这包括映射条件、时域/频域分解的精确估计和操作窗口（时间/光谱视野）。科研人员还设计了系统性能优化的方程，并讨论了理论假设和设计权衡的问题。科研人员的理论研究结果与之前的模拟实验结果保持一致，并在本文中得到了进一步验证。

光纤技术
斯坦福大学电气工程系金兹顿实验室的科研人员指出，由于多模光纤（MMF）中传播的多模式和群延迟（GD）的影响，多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）的模分复用（MDM）可能具有很高的复杂度。本文讨论多模光纤（MMF）中群延迟（GD）、复杂度的影响和多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）影响的管理。首先，科研人员回顾了多模光纤（MMF）传输模型的广义琼斯和斯托克斯表达式，并利用这两个表达式来描述关键群延迟（GD）派生的属性。然后，科研人员描述了群延迟（GD）管理的三种方法：1）优化的光纤设计2）模式耦合以及3）群延迟（GD）的补偿。对于方法1），科研人员解释，以尽量减少传输群延迟（GD）为设计原则。科研人员回顾实验结果，表明制备工艺的非理想特性能显著提高群延迟（GD）蔓延，单单这个方法可能无法实现足够低的群延迟（GD）传输。方法2），科研人员描述了组内和组间的耦合机制。科研人员描述基于光子灯笼或长周期光纤光栅模式的扰频器，都可以保证强大的群体间的耦合。方法3），科研人员回顾群延迟（GD）补偿系统的设计原则并表明群延迟（GD）补偿只是在内部间的随机耦合部分有效。最后，科研人员提供了自适应多输入多输出（MIMO）频域均衡算法综述。考虑到复杂性，性能权衡和适应时间，科研人员表明，群延迟（GD）扩展是确定多输入多输出（MIMO）数字信号处理（DSP）可行性的关键因素，其可行性需要更好的群延迟（GD）过程管理。

伊朗伊斯法罕大学理学院物理系的科研人员，推导出了两个最低阶表面等离子体模型（SP）的色散关系。这个模型结构由围绕在弱化包层光纤外层的薄银层组成。科研人员通过减少金属厚度来完成模型分裂。通过分析表面等离子体（SP）和光纤模型的色散图，科研人员研究了相位匹配的条件。科研人员测定了高精度的传输距离、场结构图和谐振波长。在外界环境的折射率范围为1.333-1.375时，科研人员得到 7.13 × 10−6 RIU的灵敏度。在这种结构下，即便是在红外区域，短距离的表面等离子体（SP）模型也不能被激发。科研人员研究了表面等离子体（SP）的芯半径、金属厚度、环境折射率和工作波长的临界条件。实验证明，在基于光纤折射率传感器的表面等离子体（SP）共振中，上述方法有助于最优设计单等离子体模型的结构。