2016 年8月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周俊毅 周越 李长祥 马文哲

  2016年8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
    英国剑桥大学电气工程部的科研人员，提出了一种新型的低成本双边带（DSB）频率转换系统，并采用数模实验的方式来证明其理论。新系统能够传输LTE MIMO信号，并支持多种服务。科研人员在实验中，使用20MHz带宽的2×2 LTE MIMO信道，其信号载频频率为700MHz。在300m的多模光纤（MMF）中，与速率为54 Mbps的IEEE 802.11 g信号同时传输。通过对该系统MIMO信道矩阵的计算以及对条件数的检索，科研人员对系统中的实验结果进行了分析，发现该系统具有较低的误差向量幅度（EVM），同时MIMO信号的传输对IEEE 802.11 g信号的影响可以忽略。科研人员发现，通过使用前置放大器来最小化由混频器引入的非线性损耗，将会导致无杂散动态范围（SFDR）很广。与单边带（SSB）系统相比，新的双边带（DSB）系统的两个通道具有不同的误差向量幅度（EVM），而且使用了多个过滤器。这样避免了不必要的过滤，但对于两个信道而言将会引入相同的阻耗。因此，科研人员得出结论，在改进的MIMO光纤系统中，对于分布式天线系统（DAS），采用双边带（DSB）频率转换技术将成为一种潜在的低成本解决方案。

    台中中兴大学电力通信工程研究所电气工程系的科研人员，在多码键控相干光码分多址（O-CDMA）系统中，研究了去除符号同步的影响。在符号异步的情况下，多码键控调制可以采用两次周期互相关处理。科研人员还研究了三种脉冲去除的方法来减少两次处理的发生。通过在字码中采用光正交码来置换脉冲，科研人员提出了一种单次处理光编码的有效方法，该方法既能解决光码分多址（O-CDMA）系统中发生的“符号异步”问题，同时还能扩大代码基数的范围。科研人员为这三种还原方法和新的光编码格式搭建了性能分析模型。最后，科研人员通过实验数据来比较它们的性能，并分析计算机仿真结果以检验该模型的有效性。

图1. 多码键控的波长移码O-CDMA系统框图

    蒙特利尔理工学院计算机与软件工程系、康考迪亚大学电气与计算机工程系的科研人员指出，对于多处理器系统芯片（MPSoCs）上的低功耗和低带宽金属互连技术，硅光子互连（SPI）技术是近年来值得研究的方向。硅光子互连（SPI）应用于波分复用（WDM）中可实现高效可靠的通信，而这要求不同光子器件（如光子开关）中心波长精确对齐。但是，硅光子互连对制造非均匀性（即制造过程中的变化）十分敏感，这导致设备之间的波长不匹配，使得硅光子互连性能退化。为此，科研人员提出了一种计算效率高、精确度稳定的方法来研究制造非均匀性对硅光子互连（SPI）的影响。科研人员根据不同层次的过程变化来建立影响模型：如组件层（即条形光波导）、设备层（即插滤波器和光开关），以及系统层（即基于WDM的SPI接口）。此外，科研人员通过设计、制造和分析了几个相同的微谐振器来探寻硅光子互连（SPI）与制造非均匀性之间的联系。科研人员证实，相比传统的多处理器系统芯片（MPSoCs）中采用的数值模拟方法，其提出的方法能够节省大量的时间，未来可大规模应用到被动硅光子互连（SPI）中。

图2. 基于波分复用的硅光子互连技术方案图

无源和有源光子器件
    中国教育部光电技术重点实验室、北京工业大学电子信息与控制工程学院的科研人员认为，目前单模波导器件的发展急需光子集成电路技术的完善。然而，当前关于单模条件（SMCs）下的绝缘硅片（SOI）脊形波导的研究，未能涵盖横截面范围从小到大的全部情况，这使得各种测定方法之间具有较大的差异性。在本文中，科研人员利用有限元法解模器来全面分析不同截面大小的绝缘硅片（SOI）脊形波导，并将结果与经典索里夫单模条件表达式以及波戈相有效折射率法进行了比较。科研人员发现，索里夫解析式中的常数值α取决于脊的高度和极化特征。进一步分析可得，单模条件（SMCs）下的设备具有更小的插入损耗和更高的耦合效率，所以片上光子电路可以采用更宽的脊骨。
德国波恩马克斯普朗克射电天文学研究所、德国门罗系统公司的科研人员，通过分布式反馈外腔二极管激光器，实验研究了光纤布里渊放大器的强度噪声。由于相关强度噪声严重限制了布里渊放大应用的性能，科研人员针对不同的泵和信号功率，详细测量了它们的整体噪声和噪声谱。科研人员得出了泵的基本结论，以及不同激光线宽的增耗。科研人员在布里渊增益谱内进行了高光谱分辨率的测量，结果表明，信噪比随着种子信号功率的增大而增大。此外，使用时域有限差分法的仿真模型也与实验结果显示出良好的一致性。
美国亚特兰大乔治亚理工学院、埃及曼苏尔大学电子与通信工程系的科研人员，设计了一种等离子数据存储设备，它能够实现有序地高速写入和读取数据。科研人员通过二维时域有限差分法对其进行了数值模拟。该存储设备由纳米银片和两个丝状液晶层（NLC）组合而成。纳米银片具有两个矩形纳米孔（nano-holes），其中一个基于丝状液晶层（NLC）的纳米孔用于存储可见光。科研人员建议存储的格式为三个不同的二进制状态“01”，“10”和“11”，此外该格式具有40%的功率吸收效率，13 dB的串扰和1 Gb/s的有序读写速度。科研人员预期，其建议的两位二进制存储具有较大的存储容量和超高的比特率，未来可作为大型存储设备的基本单元。 

图3. 双二进制存储的横截面视图及其存储机制
伊朗设拉子大学计算机与电气学院、麻省理工学院微光子中心与材料科学与工程系的科研人员指出，色散工程对于高对比指数的集成光子而言十分重要。科研人员目前研究了基于带槽材料混合的波导结构，并对色散工程的硅波导多层空间参数进行了探索。科研人员对比了硅和槽材料，以及各种结构参数之间不同的指数，深入研究了低色散时带宽和色散变化之间的关系。实验的结果表明，折射率范围为1.4至2.9时，根据色散平坦化理论，只要器件制造技术允许，任何材料均可以和硅结合使用。为此，科研人员为色散平坦硅波导的设计提供了一个通用的指导方针。科研人员还指出，在2000 nm的波长范围中（从近红外光到中红外光），可获得超宽带低色散，其色散变化为±35 ps/(nm•km)。
武汉国家实验室光电物理研究所和华中科技大学的科研人员，设计了一种石墨烯拉姆齐干涉仪，以研究表面等离子体激元（SPPs）非互惠的相移和调制。拉姆齐干涉仪是由一个空间上分开的石墨烯对构成的，它可支持两个表面等离子体激元（SPP）模式。科研人员通过动态地调节石墨烯表面的导电性，表面等离子体激元（SPP）模式将发生交叉转换和附加相移。当在干涉仪采用双调制区域，转换后的模式伴随着一个非互易性相移，该相移可以由调制长度或相位控制。相移的表面等离子体激元（SPP）模式将干扰未转换的区域，导致两者表面等离子体激元（SPP）模式之间随机的功率分布。科研人员研究认为，该技术在离子体隔离器、相位检测器和单向模式转换器等器件中具有很好的应用前景。
来自华中科学技术大学光学与电子信息学院、天津大学精密仪器与光电工程学院的科研人员，研究并提出了主动控制石墨烯等离子诱导透明（GPIT）超材料的结构，该结构是由周期性排列的单极石墨烯和偶极石墨烯组成的。数值结果表明，石墨烯等离子诱导透明（GPIT）结构谐振频率，可以通过控制静电门控电压，来动态调整T型石墨带的费米能级。耦合洛伦兹模型可以应用于研究频率可调石墨烯的等离子诱导透明（GPIT）的物理机制。此外，太赫兹波光的群折射率可以在太赫兹波段内调控至超过350。科研人员同时发现，该偶极石墨和单极石墨之间相互作用的强度可以通过改变辐射模式、暗模式以及对称坡度的距离进行调整。这些石墨烯等离子诱导透明（GPIT）器件的可调特征十分重要，这使科研人员能够在太赫兹波段内设计有源器件，例如超灵敏传感器、慢光器件和光学滤波器等。

光传输
    日本电报电话公共公司（NTT）接入网络服务系统实验室的科研人员，提出了一种基于干涉仪的激光相位噪声抑制新技术。当干涉仪不受环境干扰时，科研人员运用该技术，可有效地在频域对激光信号进行相位校正。科研人员测量圆形利萨如（Lissajous）干涉图样中的同相和正交分量，并从中滤除长期干涉仪漂移后，通过计算短期相位误差来校正激光相位噪声。实验结果表明，对于一个未采用干涉仪稳定技术的外腔半导体激光器，利用以上技术，科研人员成功地在频率100Hz到3MHZ之间降低了约20dB的噪声。科研人员进一步探讨了圆形利萨如（Lissajous）干涉图样的失衡，科研人员指出振幅不平衡和90度相位偏差将引起的性能退化，通过放大提取的相位噪声波动可对其进行补偿。
    美国伦斯勒理工学院工程与照明功能系统的科研人员，提出了一种应用于室内的可见光通信（VLC）系统。该系统使用了能在微瓦范围内，检测电平的高灵敏度集成电路（IC）接收器。该链路是一个兼容照明的可见光通信（VLC）系统，该系统的接收机是由集成电路（IC）的低噪声层设计的。这种链路在千兆每秒速率下的照度仅有250勒克司，且高速680纳米激光二极管的发射光功率仅为600微瓦。为了最大化地提高光功率，科研人员采用了专用的光学器件用于光转向和光的聚焦发射。接收机是由在0.35微米互补金属氧化物半导体（CMOS）的阿尔法磁谱仪（AMS）上集成光电二极管实现的。科研人员可以实现一种的无差错可见光通信（VLC）链路，其速率可达1.8 Gb/s，且误码率（BER）小于10-9。科研人员实现的另一种可兼容的可见光通信（VLC）链路，其速率可达2.5 Gb/s，同时误码率低于10-3，通过开关键控（OOK）调制后传输距离可超过12米。据科研人员所知，这是首次报道的采用集成电路（IC）接收机，实现速率为Gb级别的可见光通信（VLC）链路。

图4. 室内可见光通信的应用实例原理图

    来自匈牙利爱立信网络功能和云发展部门的科研人员指出，与模拟光纤无线电、副载波复用和波分复用相比，通用公共无线电接口（CPRI）前传解决方案具有更低的成本。此外，科研人员通过对射频信道的分配，可以更好地利用商业收发器的调制带宽，这证明了均匀间隔的信道方案是有效的，但容易受到干扰。ITU-T g.692方案对于干扰具有较高的容限，但是将会消耗更大的带宽。最后，科研人员提出射频信道方案，能在带宽消耗和抵抗互调干扰之间取得一个接受的平衡点。

光调制与光信号处理 
    清华大学电子工程系国家信息科学与技术实验室的科研人员指出，在可见光通信（VLC）系统中，白光发光二极管（LED）作为发射端的同时还可提供光源照明。与荧光粉转换发光二极管相比，多芯片发光二极管具有更高的调制带宽。因此，基于多芯片的可见光通信（VLC）系统可实现数据的高速传输。多芯片发光二极管的每一个芯片都可以被独立调制，这使得通信信道能够并行地传输信息。在本文中，基于多输入单输出的可见光通信（VLC）系统，为了最大限度地提高多用户系统的总速率（Sum Rates），科研人员在考虑亮度、色度、振幅和误码率的情况下，提出了一种电力与光功率分配方案。科研人员以人类的视觉颜色出发，将色度定义在麦克亚当（MacAdam）椭圆附近，即从一个固定的颜色点开始，放松色度约束，使自由色度区域为一个椭圆。数值模拟仿真研究结果表明，由于发光二极管的动态范围有限，随着总光通量的增加，系统最大总速率（Sum Rates）呈现着一个向下的抛物线趋势。对于变化的光组件，更高的相关色温（CCT）可以进一步提高传输速率。此外，仿真结果表明，在同一相关色温（CCT）的情况下，色度约束区域的形状（如椭圆或四边形）不能影响多用户系统的总速率（Sum Rates）。

图5. 基于多芯片LED的多用户多输入单输出VLC系统框图

哈尔滨工业大学研究生院电子与信息工程系的科研人员，提出并从理论上探讨氮化铝（AlN）作为中红外电光（EO）调制器的波导性能。科研人员考虑的设备配置包括一个带状波导调制器和一个水平槽波导调制器。科研人员对模式场和电场的有限元进行了分析，对器件的尺寸进行了优化，并计算了调制效率和损耗。当采用15V的调制器和狭缝波导结构时，最大有效折射率的变化超过了2×10-5。考虑到氧化物包层的吸收，科研人员将调制器在2.5μm波长处的损耗设置为2dB/cm。科研人员还发现，槽波导的调制效率是正常带状波导的两倍。研究结果证明，氮化铝（AlN）在中红外波长较宽的范围内具有电光效应。
日本电报电话公司光子实验室的科研人员，讨论了一种线性光学调制器（LOM）的原理和特性，这个线性光学调制器（LOM）具有较高的线性场响应。传统的马赫曾德尔调制器（MZM）呈现非线性（正弦）场响应。这种非线性会导致采用高阶多层次调制或脉冲整形技术的高阶数字相干光传输系统出现一系列问题。为了解决这些问题，科研人员设计了具有两级非对称晶格结构的线性光学调制器（LOM）。它是由两个马赫曾德尔调制器（MZM）组成的，并且这两个马赫曾德尔调制器（MZM）由一对互补电压信号驱动。线性光学调制器（LOM）核心思想是利用第一个马赫曾德尔调制器（MZM）互补输出产生了补偿信号。这使得在改善线性度的同时，不会损失太多的光功率。科研人员首次对线性光学调制器（LOM）的理论细节进行了论述。为了证明线性光学调制器（LOM）的一些定理，科研人员制作了一个线性同相和正交调制器（LIQM）。它是由硅平面光波电路和一个具有高速相位调制器阵列的铌酸锂晶片（LiNbO3）混合配置而成的。科研人员使用线性同相和正交调制器（LIQM）进行了实验并证明：线性同相和正交调制器（LIQM）和线性光学调制器（LOM）比传统的马赫曾德尔调制器（MZM）提供更好了损失线性权衡。科研人员对12.5-GBd 的十六进制正交振幅调制（16-QAM ）信号进行了测试，成功地得到了一个清晰的星座图，并且马赫曾德尔调制器（MZM）具有良好的非线性补偿功能。

图6. 常规马赫曾德尔调制器采用多电平信号驱动下的反应图

瑞典查尔默斯技术大学显微技术和纳米科学实验室的科研人员，研究了数据速率在50 - 60 GB / s的范围内的四脉冲幅度调制（PAM）信号。该信号经850 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）直接调制，并通过多模光纤传输距离为200米。四脉冲幅度调制（PAM）信号的信道条件相比于传统的开关键控具有性能优势。科研人员经过实验得出，四脉冲幅度调制（PAM）信号在使用均衡和前向纠错码(FEC)与后向纠错码（PFEC）时，其在传输距离高达200米时，数据速率为56.7千兆/秒，误码率仅为10–12。科研人员认为，该编码适用于未来的以太网和光纤通道，其需要多模光纤每通道的串行数据速率超过50千兆每秒。

光纤技术
特拉维夫大学电气工程学院、霍姆德尔贝尔实验室光传输系统和网络部门的科研人员，提出了一种实用的整形算法以减轻非线性相位噪声对光纤传输的影响。对于数据中心通信的单跨光纤系统来说，颇具应用前景。因为单跨光纤系统中，非线性相位噪声的相关时间比较短。这使得非线性相位噪声可以通过自适应相位恢复或均衡而得到缓解。而且较短的相关时间仍能保证该整形算法高效可靠。科研人员通过外壳映射来实施并优化整形算法，以获得线性和非线性整形增益的最大和。
日本宇都宫工程大学研究生院的科研人员指出,阶跃型多模光纤（SI-MMF）已在汽车和铁路行业等领域被广泛使用。阶跃型多模光纤（SI-MMF）的模态功率分布（MPD）会极大地影响其传输特性。但由于模态功率分布（MPD）没有可用的衡量指标，所以由光纤组成的系统和部件的模态功率分布（MPD）很少被讨论。在此情况下，包围角通量（EAF）被科研人员研制成功。它是一个新定义在阶跃型多模光纤（SI-MMF）模态功率分布（MPD）的指标。科研人员还提出了包围角通量（EAF）的测量方法，并设计了能够fθ成像的测量装置。这是国际电子技术委员会规定的用于测量包围角通量（EAF）的标准化方法。科研人员用这种装置分析了硬聚合物包层光纤的模态功率分布（MPD）。科研人员研究了仪器的测量误差，发现它在95%的包围角通量（EAF）处具有±0.5 mm的误差容忍性，在所有变化范围为±15%的轴中会更宽泛。科研人员还研究了仪器的测量再现性，研究结果表明该装置具有足够的再现性，基于重复测量的标准偏差为0.008。另外，科研人员通过实验发现，使用较高模式辐射的连接方式是造成插入损耗产生的主要原因。