2016 年7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7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
来自英国爱丁堡大学工程学院无线网络研究与发展中心、爱尔兰都柏林诺基亚贝尔实验室的科研人员指出，运用无线回程通信（WBC）以及室外小型基地台（SCs）的能量转移技术，可以显著降低通信系统设备的安装成本。在没有外部环境光污染的影响下，科研人员对室内无线光能量传输至室外小型基地台（SCs）的过程进行了研究。实验设备采用了四个红色激光二极管（LDS），和放置高度为5.2米、填充因子为69%的晶体硅太阳能电池板。其中用于光无线链路的总能耗效率为3.2%，红色激光二极管（LDS）的平均效率为26.8%。太阳能电池的能耗损失仅为10.6%，平均效率为13.3%。此链路系统与英国最先进的感应功率传输系统相比，总功耗效率方面提高了2.7倍。
来自埃因霍温科技大学电气工程系的科研人员，研究了基于氮掺杂磷化铟衬底集成的马赫增德尔调制器阵列中的电串扰负面影响，证明它会导致传输性能下降。值得一提的是，在10Gb/s的OOK调制中，相邻调制器之间的共同接地回路会引起-20dB的高耦合噪声，这将导致系统功率损失超过10dB。此外，科研人员还证明了在共接地减少的情况下，电串扰影响也将显著减少，且随调制器分离距离的变化而变化。实验结果表明，在速率为10Gb/s系统中，每−40dB的串扰误差就会造成1 dB的功率损失。

图1.相关马赫增德尔调制器结构的内部示意图
来自悉尼大学光子学与光科学研究所光学超高带宽设备系统中心和日本先进工业科学和技术研究所的科研人员指出，随着光信号的调制格式变得更加复杂，全光波长转换器的应用将会给光网络的升级带来极大的好处。对于不同数据传输速率和调制格式的光信号，全光波长转换器都能对其进行波长转换。相对于传统的光-电-光转换器，全光波长转换器能在透明度、带宽和实际应用级联方面充分发挥其应用特征优势。在本文中，科研人员介绍了最新开发的全光波长转换器，在噪声系数为6.2 dB的C波段下，它能实现双极化（DP）相位调制信号的无缝转换。随后，对于高阶正交幅度调制格式，科研人员通过实验验证和数值模拟计算的方法，对波长转换器的级联运算过程进行了研究，他们发现由于波长转换器的独特应用优势，DP-QPSK,、DP-16QAM和DP-64QAM信号的级联操作过程能够较好地实现。 
来自英国南安普敦大学光电研究中心的科研人员提出，高容量、低成本且传输距离超过50公里的无中继传输，将成为下一代跨数据中心通信的备选方案。当传输距离超过50公里时，一般要求信号在1550nm低损耗电信宽带光纤中传输，但此时光信号的传输性能会由于色散影响而被削弱。通过使用长度为150公里、带宽为1550nm普通单模光纤(SMF-28)的无中继传输，科研人员对基于离散多音调制的直接调制直接检测系统的性能进行了研究。利用无啁啾调制器和推挽式铌酸锂外部马赫曾德尔调制器(MZM)，科研人员实验研究和比较了采用两种不同类型直接调制激光器的可达通信容量。科研人员发现，使用较大带宽信号的优势将随着传输距离的增大而逐渐减少，并且28 Gbit/s 和25 Gbit/s的光信号经8GHz带宽调制分别传输50km和75km后，能获得小于3.8 ×10−3的误码率。

图2.无中继传输的实验系统图
来自北京大学电子工程与计算机科学系下一代光通信系统与网络国家重点实验室的科研人员提出了一种基于表面等离子体的单向耦合方案，该表面等离子体适用于广角范围的自由空间光应用。研究证明：在单宽（single wide）处理方式中，极不对称激励特性是由在斜入射缺陷中的非对称模式激发而造成的；并且，强非对称激励的单脊模式仍然存在于周期性的介电脊光栅中；通过级联不对称模式激发峰和光栅共振角峰模式，角半峰全宽（AFWHM）值可以扩大到39度；能利用啁啾光栅将角半峰全宽（AFWHM）进一步扩大到52度，以进一步实现脊宽平顶角响应的特性。

无源和有源光子器件
来自美国纽约市美国国际商用机器公司（IBM）沃森研究中心、卡塔戈哥斯达黎加理工学院的科研人员，通过实验设计了一种新型的四通道波分复用（WDM）发射装置。其设计采用了多相集成的III-V族半导体硅光子、低功耗的32nm硅-绝缘体互补金属氧化物半导体（SOI-CMOS）。发射机与驱动集成电路（ICs）进行组合包装后能在1.3μm波长范围内工作。
为了满足数据中心内部和数据中心之间的互连应用，在25 Gb/s的速率下，所有的四个通道经过背靠背、2km和10km的单模光纤（SMF）传输后，接收灵敏度可以保持在较高水平（误码率小于10−12）；并且由于四个SOI-CMOS驱动集成电路功耗已低至了19.2mw，使得能量效率提高到0.19 PJ /bit。
来自中国空间技术研究院钱学森实验室、天津大学信息技术与光电子工程光电技术重点实验室的科研人员，在增益光纤长度、初始脉冲中心波长、持续时间、啁啾和时间分布的多因素影响下，进行了有效抛物线自相似演化实验，进而研究了高增益光纤放大器中强增益整形影响的原理。科研人员建立了一种光谱分辨率分析的数值模型，以描述可变波长的相关增益。科研人员通过实验测得了初始中心波长的特定区域和自相似演化的持续时间。随着增益光纤长度的增加，初始中心波长和自相似演化的持续时间都会增加。对于短长度高增益的放大器，一个适当负值的初始啁啾能抵抗增益整形的变化和促进自相似演化，且能提供一个有效输出宽带。此外，科研人员对短长度高增益放大器的快速抛物线脉冲产生过程进行了深入研究，并指出了飞秒光纤放大器、周期脉冲光源、高功率频率梳及其相关应用性能扩展的潜在应用优势。
来自日本国家信息与通信技术研究所光电子器件研究实验室的科研人员，提出了一种无偏单向运动载流子光二极管（UTC-PD）的设计方案。UTC-PD具有超过110GHz的可调频率范围，并被应用到固定光纤通信和载波光无线通信的光网络系统中。根据光吸收层和载流子电极层的载流子浓度，科研人员对无偏模式的设计与分析过程进行了详细解释。实验结果表明，科研人员开发的新型UTC-PD具有超过110 GHz的工作频率和3dB的工作带宽。对于光纤通信的固定网络应用模式，研究人员制造出了基于反射式的UTC-PD高波特率光接收机。在无偏100 GHz工作频率的情况下，科研人员观测到眼图具有高达107GBd的清晰开口和3—7 mA的高幅度光电流。假设无线光通信利用光子电源供电，科研人员开发的UTC-PD有助于减少馈送到接收机模块的电流衰耗。此外，研究人员还证明应用新型UTC-PD 和110 GHz InP基的放大器能够获得较低的系统功耗。
来自印度德里印度理工学院物理系的科研人员，利用AZ15nXT的上下包层，在ITO薄膜的玻璃基板上，制作出了基于向列液（LC）芯波导的电控光开关。在外加电场存在时，液晶分子的再定位对光的TE和TM偏振产生不同的引导属性。充分考虑到液晶材料的各向异性，科研人员选择适当的包覆层厚度来最小化导模的传播损耗。科研人员制造的在阈值电压为3.5 Vpp下的工作设备，可被等价为消光比大于15 dB光TM偏振的光开关。对于长度为10mm的光波导，在施加电压为10V时，科研人员通过实验获得了7.96dB的插入损耗。科研人员设计及制备的器件作为电控光开关或延迟器具有很大的应用前景，特别是在低频领域中的应用。
来自麦克马斯特大学电气与计算机工程系的科研人员指出，当使用石墨烯作为硅基波导材料时，TM模式的模态特性变化显著大于TE模式的模态特性变化，因此他们提出并验证了一种基于少层石墨烯的硅波导TE-Pass偏振器。这种偏振器性能的优点包括高消光比、TE模式下较低的插入损耗、超小型的封装和通过栅压石墨烯化学势的动态变化来调节带宽。科研人员进一步揭示了通过级联多个偏振器可以显著增加工作带宽，其中偏振器由一种嵌入少层石墨烯的硅波导组成，且每个偏振器被用作不同的栅极电压偏置。实验结果表明，采用七个偏振器进行级联的方式能够在可用通信波长上实现20 dB的消光比，并在带宽超过120 nm的TE模式下实现小于0.13dB低插入损耗。科研人员特别强调该方案可以通过级联更多的石墨烯基硅波导实现进一步改进，从而获得超宽带宽，这意味着其在SOI平台中的具有较好的应用前景。

光传输
来自瑞典爱立信公司研究所、里约热内卢天主教大学电信研究中心的科研人员，提出了一种有效的方法（即利用子载波复用技术）来监测光纤链路的性能。科研人员指出，数据发射机对数据传输过程几乎没有影响，并且还为光纤线路提供了反射测量功能，实验过程中的空间分辨率和故障检测灵敏度分别精确到10m和1.0 dB开展测试。结合上述考虑，科研人员通过分配一个空的子载波频带进行光纤链路监测。研究结果证明，在新兴光通信传输网络中，如短距离模拟移动前传（front haul）系统中，上述方法因其良好的性能表现而颇具发展前景。
来自考文垂大学计算机电子与数学学院、爱丁堡大学研究与开发中心数字通信研究所的科研人员认为，基于LED的可见光通信可以为用户提供高速率的数据传输服务。为进一步提升数据的有效传输速率，科研人员利用不同颜色光的波分复用技术来产生白光，以传输不同的数据流。科研人员提出了一种三原色的方法，并分析了颜色组合对数据传输速率的影响。科研人员采用速率自适应正交频分复用方案，成功演示了一个基于LED的通信系统，它的数据传输速率能超过10GB/s。

图3.基于WDM-VLC的分色镜实验装置图
来自德克萨斯A&M大学和费萨尔大学工程学院的科研人员，着重研究了多用户混合射频（RF）/发射概率调度的自由空间光（FSO）中继网络的性能。科研人员还研究了第一中继中过时信道信息（OCI）对系统性能的影响。此外，科研人员提出了新的功率分配方案来优化总体系统的收发通信性能。研究人员设计的系统包含多个用户收发端设备、一个放大继电器和一个接收器。用户通过射频链路与中继节点连接，中继节点通过自由空间光（FSO）链路与接收器连接。考虑到方向误差的影响，科研人员假定第一跳变信道遵循瑞利衰落信道模型，假定第二跳变信道遵循Gamma-Gamma衰落信道模型。通过研究中断概率、平均误码率和遍历信道容量，科研人员推算出了闭合形式的相关解析表达式。此外，科研人员在高信噪比的条件下对系统的传输性能进行了研究，将所述的分集阶数和编码增益导出并进行了详细分析；他们根据渐近结果发现，在总功率的约束下，用户和继电器的功率将会决定系统的最小中断概率。科研人员使用蒙特卡罗方法进行数值模拟仿真以验证取得确切和渐近的结果。实验结果表明，在弱大气湍流的情况下，系统传输性能会受到射频（RF）信道和系统中分集阶数的影响。在强大气湍流的情况下，系统传输性能会受到自由空间光（FSO）信道的影响，而分集阶数会受到湍流衰落的最小值和方向误差的影响。
来自美国斯坦福大学电机工程系E.L.Ginzton实验室的科研人员提出，优化信道功率可以最大限度的提高光通信系统的最小冗余度或总容量。基于高斯噪声非线性模型，每个通道中的信噪比（SNR）都可以用信道功率的凸函数来表示。根据对信噪比表达式的分析，科研人员阐述了凸函数最优化的目的，即实现最小冗余度或最大容量（结合光纤通信容量和编码上限考虑）。在网状网络和具有不同信噪比要求的点对点通信链路中，科研人员注意到了功率优化的性能增益过程。与此相反，在具有一致的放大器噪声和调制格式的光通信系统中，优化后的功率分配与传统平坦的功率分配过程相比其优势并不明显。在14点NSFNET网络中，相比于平坦的功率分配过程，优化后的功率分配过程获得平均1.5 dB的余量增益；在具有3到13点的NSFNET网络子集中，优化后的功率分配过程获得平均1.4 dB的余量增益。

光调制与光信号处理
来自法国巴黎萨克莱大学国家科学研究中心的科研人员，在下一代无源光网络（PON）商用系统的突发模式（Burst-Mode）工作状态下，测量了直接调制激光器随时间变化的上行波长漂移过程。科研人员采用一种新的测量方法证明，国际电信联盟（ITU）提出的关于最大波长漂移的建议应加以改进。科研人员证实，国际电信联盟（ITU）的相关建议中，由于不同信道的邻近波长干扰，直接调制激光器随时间变化的上行波长漂移将导致通信质量下降，甚至使通信发生故障，因此科研人员提出了一种特殊的方法来解决这个问题。
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的科研人员指出，多维无载波振幅相位调制（CAP）作为一种先进的调制格式，因其具有良好性能，在光通信领域中成为了新的研究热点。科研人员提出了一种新型多波段三维无载波振幅相位调制（3D-CAP）的方案，并研究了其在短距离光通信系统中的应用。方案中应用的数字滤波器采用了极值算法，同时科研人员为避免码间干扰得负面影响而添加了附加线性约束过程。科研人员仿真分析了数字滤波器在光纤链路数据速率超过100GB/S时的工作性能；类似于离散多音频调制技术，几个独立的频带可以加载不同的3D-CAP信号以来提升非平坦通道的误差容限。科研人员通过数值模拟研究证明，多波段3D-CAP信号在总比特率为112.5千兆/秒、单模光纤传输距离为2公里的传输情况下，系统收发性能大大优于传统的3D-CAP收发方案。

图4. 多波段三维无载波振幅相位调制（3D-CAP）的系统方案图
来自德国科锐安高级技术部门的科研人员提出了一种补偿收发器电带宽限制的新型数字预加重算法：即当数模转换器/模数转换器（DAC / ADC）的频率响应已知时，基于DAC / ADC的输入信号和输出信号之间所需的均方误差实现最小化，科研人员提出并验证了该新型数字预加重算法。研究人员重点研究了DAC / ADC的补偿过程，针对数模转换器的带宽线性补偿他们在背靠背系统中分别与无数字预加重方法及先前公布的传统方法进行比较研究，重新对该算法的有效性进行了评估。评估分析结果表明，当使用DAC / ADC模型时，在应用高级调制格式的情况下，科研人员提出的数字预加重（发送端）或数字补偿（发送端和接收端）处理算法能明显提高最大传输符号率。当采用具有6GHz电带宽和六位有效数的高速数模转换器时，在调制信号格式为16QAM的情况下，最大符号速率可提高60％以上。此外，在实验测量的基础上，科研人员对加性噪声源的影响进行评估，这有助于进一步改进数字预加重模块的设计过程。最后，科研人员通过实验验证了所提出算法的有效性，研究结果表明数值模拟仿真结果和实验结果非常匹配。

图5.数字预加重算法在光通信中的应用图

来自多伦多大学电气和计算机工程系的科研人员指出，非线性傅立叶变换信号的三个要素过程（离散特征值、离散谱振幅以及连续光谱）在一般情况下均可以独立操作。科研人员探讨了如何使用离散特征值检测信息传输的过程，并提出了一种多孤子信号集的启发式设计方案，使其频谱效率大于3b/s/Hz。在采用穷举搜索方法之后，科研人员通过对信号集加窗处理，以削减高脉冲宽度或高带宽异常，进而设计出多特征值位置编码的方法，同时设计了具有较低复杂度和较高效率的网格编码。考虑到孤子信号不经过任何脉冲展宽时，若系统长度参数大于色散长度参数，则会产生有限的带宽扩展过程。相关实验研究证明，仅依靠特征值调节不能解决在商用化光纤传输系统的非线性问题。当色散非常小并且非线性占主导地位时，例如接近于零色散、波长在1300纳米时，科研人员提出的方法可有效提高光纤传输系统的信号收发性能。

图6. 采用NFT技术的通信系统框图

光纤技术
来自印度理工学院布巴内斯瓦尔校区纳米光子学和电浆子光学实验室的科研人员，设计并制备了一种基于法布里-佩罗特谐振原理的双空气腔干涉仪，并证明它可用于物理参数的检测，如测量应变率和曲率灵敏度。科研人员通过拼接得到一种特殊的光纤，使上述干涉仪具有高度稳定且紧凑的结构；使用的光纤被称为空芯光子晶体光纤（HCPCF），科研人员着重优化了它们的拼接参数，使该双空气腔干涉仪在远程操作下的滞后作用可以小到忽略不计；如果根据用户需求来改变空腔的几何形状，可以实现轻松控制干涉图样的过程。实验结果测量得出，科研人员设计的器件结构应变率为4.08 、曲率灵敏度为2.23 、温度灵敏度从0.5变化至9点 。此外，科研人员还指出，探针中的固体二氧化硅区域可以用来研究周围介质对折射率的影响。