2016 年9月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周俊毅 马文哲 季幸平 

2016年9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

    土耳其萨卡里亚大学、香港城市大学、加利福尼亚大学的科研人员指出，随着当代经济和社会对互联网依赖程度的逐渐增加，互联网业务中断带来的财产损失以及相关社会成本也随之提升，通信网络生存性设计可视为电信网络设计中的最关键因素。造成互联网服务中断的主要原因是人为破坏或自然灾害（如地震造成的光纤电缆断裂）。当灾难发生后，修理损坏的电缆需要支付高额的费用，部署具有灾难抵御能力的海底电缆可以显著节约成本。为此科研人员研究了海底光缆的部署优化问题来尽可能减少灾难预期成本。在选择光缆路径时，根据部署预算和其他约束性条件，同时考虑到海底光缆随时会因为自然灾害而中断的情况下，科研人员最大限度地减少电缆的受灾影响和社会成本的损失。科研人员通过研究部署一个沿主光缆的备用光缆，可以避免那些与灾难无关的潜在通讯中断情况（例如鲨鱼撕咬）。科研人员部署网状拓扑光通信网络的多个节点时，考虑到了不同的海洋、海底光缆的种类，以及海底地貌环境。科研人员提出了一个整数线性规划(ILP)来解决这个问题，并附带了具有说明性的数值示例。科研人员将其应用到现有的地中海有线电视系统中，以验证该方法。研究结果表明，在略微增加部署成本的情况下，科研人员提出的方案可以显著降低整体预期成本。未来灾难到来时，该设计方案可为社会节约数十亿美元的开支。

图1. 地中海区域的海底光缆通信系统分布图

来自墨尔本大学电气与电子工程系、慕尼黑工业大学、瑞典皇家理工学院信息与通信技术学院的科研人员指出：近年来，固定通信接入用户和移动通信用户的多业务需求呈指数增长。科研人员认为混合无源光接入网（HPCANs）融合是一个具有高带宽的高效解决方案。混合无源光接入网（HPCANs）预计将具有更长的网络跨度，更高的流量，以及支持更多的客户并满足他们不同的带宽要求。据此，纤维及设备的生存能力对混合无源光接入网（HPCANs）来说是一个关键要素。因此，快速的故障检测和随后的恢复服务对用户来说越来越重要。科研人员提出了一种符合上述接入网规格的四生存架构。这些架构不需要依赖于上行传输来激活丢失信号（LOS），从而收发器能够采用睡眠或省电模式以节约能源。上行收发器过渡到睡眠或省电模式会导致无上行信号传输。如果使用传统的方式来讨论网络中设备或光纤架构的故障，上行传输的缺失将会触发错误的信号丢失报警和不必要的开关保护。科研人员将四生存架构混合无源光接入网（HPCANs）与传统的接入网进行了对比，分析时采用了三种不同的人口覆盖密度（大城市、城市、农村），以及三个不同的部署方案（棕地、导管复用、绿地）。科研人员从故障影响因素、年度网络能耗、网络总成本等方面对链接可行性进行了详细的评估。科研人员认为，此项研究为混合无源光接入网生存架构的最佳选择提供了指导性参考，该生存架构可服务于不同的人口覆盖密度和部署方案。

图2. R-DMBSP 光通信系统架构框图

来自加拿大多伦多大学电气与计算机工程系的科研人员，提出采用一种概率整形方案应用于光学波分复用系统，该方案中非线性干扰噪声取决于输入的光信号的功率分布。通过研究高斯白噪声通信信道，研究人员发现16-QAM调制方式映射形成的星座图可以实现对非线性干扰噪声7%的改善；而对分步傅里叶算法的模拟研究显示，即使要获得更高的系统增益在实践中也是可行的。科研人员开发了一个通信传输距离约3280公里的演示系统，其中通过星座映射和低密度奇偶校验码是实现了系统收发性能的改进。研究结果证明：上述方案还可以应用到64-QAM调制光通信系统中。

图3. 应用的光链路物理组件及其形成的收发系统

    来自爱尔兰都柏林三一学院电信中心的科研人员指出，降低下一代光通信网络误码率、网络投资和运营成本是全球所有运营商规划和部署网络的制胜法宝。下一代光纤接入网络的高效部署策略是至关重要的，因为它将影响大规模普及和部署高速宽带通信业务的有效性和可靠性。对于住宅和商业用户而言，利用大容量的光纤通信网络来提供异构服务是一个有前途的战略发展方向。长距离无源光网络（LR-PON）的实现就是这样的战略发展方向之一，因为它共享了更多的有源和无源光子器件，与光通信心核心网络合并在一起，能有效减少资本和运营支出。然而，由于其长距离和大分光比，在设计一个长距离无源光通信网络时，保护机制成为了一个重要的考虑因素，并且中断单一的馈线电缆可能会破坏几千个用户的服务请求。科研人员还证实，光线路终端（OLT）的保护机制将通过中长距离无源光通信网络（LR-PON）业务的实施而得以快速恢复，其快速恢复功能来自于双源共享技术的实现。

图4. 各类型光通信网络保护方案的比较

无源和有源光子器件
    来自新加坡电子与光电研究所的科研人员，从逻辑上组合了两个不同周期的一维光子晶体，所得的双谐振光学结构在沿周期轴（上轴）的局部模式呈现出多样特点。科研人员还研究了这种逻辑组合型光子晶体（LCPCs）的角度响应特性，发现在宽入射角范围内依旧可以使用离轴光激发该晶体（LCPCs）的上轴局部模式。该研究成果的出现表征了对激发晶体（LCPCs）上轴的局部模式有了更大的灵活性，从而拓宽了逻辑组合型光子晶体（LCPCs）的应用范围。
   来自亚里士多德大学信息学系的科研人员，发现了网状骨干光通信网有能力处理大多数接入网之间交换的大流量通信业务。互联网的发展以及其中每个用户对通信带宽需求的增加，使得降低功耗和提供良好的网络性能变得同样重要。为了提升光通信网络能效值，虚拟拓扑网络重构已经成为一种能满足实时光通信骨干网络流量需求的有效技术而受到人们的重视，这意味着在光通信网络运营过程中关闭未充分利用的光信号链路，可以大大降低系统总功耗。目前，科研人员采用负载阈值控制技术来实时监测并控制光通信网络的状态，他们设计了一种基于可预测动态阈值的虚拟拓扑重构技术，提出了一种基于动态阈值的新型重构算法。科研人员通过使用负载预测模块，不但计算了单个动态的高阈值，而且他们通过该方法还提高了算法的适应性和光路的产能利用率，最终显著提高了光通信网络的节能能力。
    来自爱尔兰都柏林城市大学无线光通信实验室的科研人员，探讨了激光模式分割噪声（LMPN）对光学外差过程的影响，并设计采用被动锁模激光二极管（PMLLD）作为毫米波(mm-wave)信号的多模源。科研人员在低频带，特别是毫米波(mm-wave)频带，对激光模式分割噪声（LMPN）进行了较为全面的理论和实验研究。科研人员仿真了模式分区噪声在光路中的分布情况，他们发现当光电二极管（PD）检测到的光学模式数目被限制时，虽然强度噪声会增加，但在光载无线通信(RoF)系统中，激光模式分割噪声（LMPN）的过程将会变弱。科研人员通过相干和非相干接收器研究了激光模式分割噪声（LMPN）对各种模式的影响。实验结果证明，当部分模式不能被有效检测时，信号功率将因噪声影响而下降25 dB。
    来自中国科学院上海光学精密机械研究所、亚利桑那大学光学科学学院的科研人员，首次研究了锁模掺Ho3+ ZBLAN光纤激光器在1.2μm处采用的锁模非线性偏振旋转技术。其中，激光束是由拉曼光纤激光器在1137nm波长处泵浦产生的，且使用的内腔Lyot滤波器是由一根保偏光纤和偏振相关光隔离器组成。科研人员基于该滤波器实现了稳定耗散孤子锁模的过程，并且实验在脉冲持续时间为47ps和重复率为1.77MHz的条件下产生了1.3nJ脉冲；研究人员还证明在更高的泵浦功率下，该激光器能产生高达6.7nJ的多脉冲。
    来自瑞典查尔默斯技术大学信号与信息处理系的科研人员，研究了最佳符号检测过程中存在的未编码偏振复用光纤传输系统中激光的相位噪声问题。为此，科研人员提出了应用最大后验（MAP）符号检测器进行验证。科研人员强调进行相位噪声估计并处理相位噪声的实际过程一般而言并不理想。因此，通过查阅无线通信领域相关文献，科研人员在借鉴比较研究的基础上开发了基于导频算法的最大后验（MAP）符号检测算法；该算法通过联合极化相位噪声估计和符号检测的过程，并且可应用于任意调制格式的收发。通过采用蒙特卡罗方法进行数值模拟研究，科研人员将该算法与现有的光通信系统中的解决方案进行了比较研究后证明：涉及线宽容限的联合极化处理过程可以在单偏振情况下得到显著改善；算法中使用导频开销(OH)小于3％时，激光器的线宽值能达到使用最好盲算法的6倍。

光传输
    来自西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室、西南交通大学信息科学与技术学院的科研人员，研究了采用三个相互耦合的半导体激光器（MCSLs）组成的光通信环形网络中紊乱时间延迟特征（TDS）参数的数值属性，并提出应用多相耦合延迟技术能使时间延迟特征的表征在具有宽泛参数的紊乱强度区域中隐蔽。时间延迟特征模式的演变过程是通过量化自相关函数来表征的，并能对光通信环形网络中的相同耦合时滞以及异构耦合时滞的特性进行比较并实现。通过分析的耦合强度、频率失谐和在时间延迟特征中注入电流的影响，科研人员成功确定了时间延迟特征的隐蔽参数范围。科研人员还发现，理想时间延迟特征隐蔽紊乱强度特性能在光通信环形网络内产生，但其主要受注入电流和耦合强度的影响，且对频率失谐的敏感度较低。值得注意的是，当注入更大的电流和采用较小耦合度时，时间延迟特征的紊乱特性参数值将会更低；此外，与具有相同特性的耦合延迟参数相比，光通信环形网络中的的异构耦合延迟特性可以更好地在宽泛参数区域中隐蔽时间延迟特征。
    来自日本室兰工业大学信息与电子工程学院和北见工业大学工程学院电气电子学院的科研人员，针对光波导器件提出了一种基于梯度的拓扑优化方法—有限差分光束传播方法（BPM），该方法（BPM）采用了参数灵敏度的伴随变量分析和相关的数值模拟分析，因此能实现高效的光波导结构拓扑优化设计过程。科研人员结合一种密度分析方法和有限差分光束传播法来评估纵向变化波导的敏感度；并且，科研人员通过优化S型弯曲和Y分支光波导的设计过程，证实了该方案的有效性。
    来自中国国防科技大学海洋科学与工程学院的科研人员，设计了一种具有四个时分复用（TDM）信道的低串扰和偏振无关直列干涉的光纤传感器阵列。科研人员采用超弱（<1％）的光纤布拉格光栅（FBG）来实现多重反射（MR）的低电平串扰。光纤布拉格光栅（FBG）是在无融合点和相位掩模匹配的单模光纤上制备的。科研人员提出了一种基于相位生成载波（PGC）方案的偏振开关（PS）法，来消除偏振感应信号衰落和输入偏振引起的相位噪声。科研人员进行了实验，验证了PGC-PS方法并测试了由多重反射（MR）引起的串扰。实验中四个时分复用（TDM）传感器的等效能见度的范围分别为：传感器1（0.9至0.92），传感器2（0.95至0.96），传感器3（0.97至0.98），传感器4（0.87至0.88）；科研人员多次测试后，发现该方案能有效地消除由主导光纤的偏振波动引起的相位噪声。在1 kHz的背景噪声可达97 dB/√Hz。通过使用四-时分复用（4-TDM）传感器阵列能够实现低于-45dB的串扰。科研人员首次将相位生成载波（PGC）解调方案和偏振开关（PS）方法结合起来，在采用综合复合指数后，可用于外差审讯方案。此外，虽然在研究中只有四个时分复用（TDM）信道，科研人员通过采用超弱光纤布拉格光栅（FBG）可以将时分复用（TDM）信道扩展到五个，从而实现−40 dB的低串扰。科研人员还发现，这种由超弱光纤布拉格光栅（FBG）降低串扰的方案，特别适用于短距离高分辨率的光纤传感系统，例如拖曳阵列等应用。

图5. 拉力和相位掩模匹配方案示意图
光调制与光信号处理
    来自瑞典查尔默斯技术大学计算机科学与工程系的科研人员，基于软判决低密度奇偶校验码（LDPC），提出了一类前向纠错（FEC）新型光通信传输系统，该光传输系统可应用于传输速率为100Gbps至400Gbps的光通信网络中。上述光传输系统采用了一种“自适应退化”的解码算法，该算法中随着低密度奇偶校验码（LDPC）的随机结构块长度从30000位提高到60000位，开销（OH）比例将由6.7%增加至33%。科研人员还构建了一个3600位的原型低密度奇偶校验码，其开销（OH）为20%。实验研究表明，利用现场可编程门阵列（FPGA）为基础的硬件仿真器能实现该光传输系统接收光信号的误码率（BER）低至10−15。科研人员估计，当误码率（BER）为10−15左右时，净编码增益可从9.6分贝（开销为6.7%）提升到11.2分贝（开销为33%）。科研人员提出了适用于特定应用的集成电路，其解码器运用了28纳米下全耗尽硅绝缘子技术，换句话说，该解码器操作速度可达到400 Gbps，每个信息比特能源消耗低3PJ。
    来自丹麦技术大学光电工程系的科研人员，通过采用基于高对比度光栅（HCGs）的垂直腔，结合运用模态扩展技术、傅里叶模式方法（FMM）并分析其光学性质，研究谐振频率和品质因数（Q-factor）的腔模式特性。科研人员还对谐振频率和品质因数（Q-factor）的计算不确定性进行了分析，并提出了从3维仿真降低到低维仿真的方法，该方法能实现快速地分析近似三维结构。据科研人员调查，通过运用傅里叶模式分析方法（FMM），能在平面异质结构内研究基于高对比度光栅（HCGs）垂直腔的散射损失过程，因此该方法在光学和芯片激光学应用中具有广阔的应用前景。值得注意的是：使用空间离散化技术来研究三维结构的参数值实现起来要求条件更为苛刻。
    来自瑞士理工大学光电系统实验室的科研人员，提出了一种反应灵敏准确的提取异形高非线性光纤（HNLF）任意色散图的有效方法。他们首先采用了一个四波混频（FWM）泵产生了调制不稳定性（MI）的频谱，然后在生成频谱的频带边缘上实现了高灵敏度信号的光学波长定位。在该情况下，若要提取色散波动，由于不稳定性频谱的膨胀或缩小影响，将会对四波混频（FWM）的功率产生更剧烈负面增益；若要沿光纤链路来测量功率分布情况，科研人员则需要选择适当的逆向算法来提取高非线性光纤链路的色散图，以实现高精确度地获取色散分布图。

光纤技术
    来自日本电报电话公司接入网络服务系统实验室的科研人员提出了一种信号相干同步的新型光学相关域反射技术。该技术方案中，相干同步是通过人工生成的相干光来实现的，其中人工生成的相干光是采用任意波形发生器来控制。由于电子设备的灵活性，科研人员可以很容易地生成具有相干性特征的混合光，从而生成一个原始激光器在任意延迟条件下都能实现自相关的门控。科研人员发现只要测量长度小于原激光器光源设计的相干长度，实现相干同步的相关选通就有效。科研人员使用相干同步光频梳在光纤末端进行了菲涅耳反射测量实验，发现在测试光纤（FUT）中只有一个相关峰。上述实验过程中，测试光纤（FUT）的长度为100米，级联电光调制器所产生的光学频率梳的重复率为9.5千兆赫兹，这意味着周期性相关峰之间的间距为10.5毫米。通过对光学频率梳的相关测量，科研人员所提出的新技术消除了周期性相关峰的限制。

图6. 基于相干信号同步的光域反射仪配置方案图

    来自北京航天飞行控制设备研究所的科研人员，为了改善一种干涉型光纤陀螺仪(IFOG)的光路特性开发了一系列信息封装工艺。众所周知，干涉型光纤陀螺仪(IFOG)光路的封装过程主要是针对不同光纤进行拼接操作。首先，科研人员通过修改热剥离过程使光纤表面易剥落的缺陷得以改善；其次，他们采用了一种低损坏率的光纤切割方法，该方法可以有效控制光纤端面的垂直度；最后，为使拼接质量更高，他们应用了光纤熔接机的多电弧放电功能。科研人员使用了单模光纤、保偏光纤和铒掺杂光纤共三种光纤，并采用不同光纤的组合方式实现出了不同的电弧放电功能。干涉型光纤陀螺仪光路的总拼接损耗、基于可靠性指标的韦伯分布以及其它一些综合评价指标都可以用来检验光路组件封装过程的改善效果。科研人员还列举了大量的实验结果以证明所采用的封装技术的可靠性和有效性。
    来自宾夕法尼亚州立大学化学系、南安普敦大学光电研究中心的科研人员设计了一种具有嵌套规则椭圆毛细管的负曲率光纤，该类型光纤如果在电信网络中应用，每路波长的光信号损耗值都非常低。采用有限元数值模拟研究算法分析后发现：该类型光纤与具有同型圆形管的光纤相比具有更低的衰耗特性。因此，科研人员认为，具有低损耗与大带宽的该类型空心光纤在数据传输、传感、高功率传输等领域具有巨大的应用前景，并将为各种非线性光纤光学效应的研究人员提供了理想的科研材料。