2016 年11月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 李长祥 马文哲 季幸平
 2016年11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。 
光网络及子系统
    山东大学信息科学与工程学院的科研人员，采用位于中心局（CO）的光码域反射计（OCDR）和光时域反射计（OTDR）对网络发生的故障进行检测和排除。此方案结合了光时域反射计（OTDR）方案和光编码方案的优点，可以以较低的成本监控整个长距离无源光网络（LR-PON）。中心局（CO）中的网络管理系统（NMS）可以通过监控信息实现初始化监控，定位故障，并保护长距离无源光网络（LR-PON）免受多个故障的影响。通过光编码技术确定光纤链路故障后，可以通过光时域反射计（OTDR）精确定位故障点。光时域反射计（OTDR）精确定位和保护方案可以同时进行，从而可以节省恢复时间。实验结果证明所提出的光通信网络具有一定的可行性和高效性，并且可以支持网络中高容量通信传输。
    来自英国班戈大学电子工程学院的科研人员首次提出并研究了一种新型信号传输技术，此技术被命名为子载波导引功率调制光正交频分叠加复用(SIPM-OOFDM-SPM)。子载波导引功率调制(SIPM)是通过将高（低）阶信号调制格式分配给高（低）功率子载波的方式，来自动创建携带信息子载波的功率模式。叠加复用(SPM)被添加到不同信号调制格式的编码复数中，并将其总和分配给高功率子载波。与传统光正交频分复用(OOFDM)技术相比，子载波导引功率调制(SIPM)和叠加复用(SPM)可以传送额外的信息。在强度调制直接检测无源光网络(IMDD PON)系统中，子载波索引功率调制光正交频分叠加复用(SIPM-OOFDM-SPM)技术显著增加了信号传输容量、减少了链路功率预算及扩大了系统对色散和光纤非线性的性能容限。

图1. SIPM-OOFDM-SPM收发机及传输系统的示意图
    来自云南大学信息科学与工程学院、康戈迪亚大学电气与计算机工程系光子学实验室的科研人员，分别在采用直接调制和外部调制的光载无线通信系统（ROF）中，设计并实验验证了一种双肖特基二极管，并实现了基于超宽带预失真电路（PDC）使其线性化的过程。超宽带预失真电路（PDC）中的双肖特基二极管可用于减少资源占用和提高系统带宽，参数测量显示，该电路可在频率高达40 GHz的情况下正常工作。科研人员根据超宽带预失真电路（PDC）提出了第三阶互调失真（IMD3）理论，并通过分析WiFi信号（2.4 GHz）的两项数值：无杂散动态范围（SFDR）和误差矢量幅度（EVM）来验证该理论。结果显示，此理论与实验测量的数据相互吻合。对于直接调制下光载无线通信系统（ROF）中的超宽带预失真电路（PDC），其无杂散动态范围（SFDR）提高了约12dB。对于使用马赫曾德尔调制器（MZM）作为外部调制的光载无线通信系统（ROF），当频率范围为2至30 GHz时，其超宽带预失真电路（PDC）的无杂散动态范围（SFDR）提高了约5dB。特别的是，当频率范围为2至5 GHz时，无杂散动态范围（SFDR）甚至可以提高12dB。而对于此外调制系统中2.4GHz的WiFi信号来说，在背靠背情况下，误差矢量幅度（EVM）可提高5.15dB；在经过20公里单模光纤传输的以后，误差矢量幅度（EVM）可提高3.5dB。

图2. 直接调制RoF光纤无线传输系统的相关实验装置

无源和有源光子器件
    来自印度班加罗尔大学电子通信工程系的科研人员，通过使用热光调谐，提出了并详细分析了级联微环传感器全范围检测，同时演示了实验研究过程。级联微环传感器将频谱偏移转换为强度变化，减少了用于感测光谱分析昂贵设备的使用。该传感器不采用调谐仍然可以实现高灵敏度，但是只能进行小范围检测。因为单个微环光谱之间的低重叠强度输出趋向于零。若在其中一个微环中使用热光调谐，就可以达到扩展检测范围的目的。监测范围可以达到探测微环整个自由光谱的范围（FSR）。此外，科研人员分析了谐振线宽和微环的自由光谱范围（FSR）对输出强度峰值宽度的影响。通过使用全自由光谱范围（FSR）热光调谐，科研人员证明了半径为100米微环传感器的总检测范围为0.0241折射率单位（RIU），检测限为4.6×10 -5折射率单位（RIU）。基于光电探测器的信号读出与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容可制造性的结合,将加快该设备用于基于硅光学传感平台的进程。

    来自中国南京航空航天大学信息和航海学院的科研人员，研究并提出了一种基于倍频运算的新型电光移频器。此移频器采用集成双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制器，运用了高阶光学单边带调制和偏振复用技术。通过改变调制器直流（DC）偏置的相位和输入射频（RF）信号之间的相位差，科研人员用两个四阶正交相移键控（QPSK）调制器产生两个高阶的单边带（SSB）调制信号。之后，科研人员对两个光信号进行偏振复用，然后投影到一个方向以去除低阶边带保留高阶边带。接着对调制器的最优调制指数进行了数值分析。这种方法的显著优点是能够产生连续且超宽可调谐范围（大于±100 GHz）的频移，并且具有准确、简单且灵动的优势。科研人员通过倍频光频移器实验验证了可以实现-36GHz到36GHz的连续频移。

    来自台湾高雄国立中山大学光子系的科研人员，提出了由传统的实芯纤维(SCF)和中空心纤维(HCF)组成的新型光纤耦合器。中空心纤维（HCF）的中空核可以填充各种功能液体，因此其在调整光子的引导性质方面具有很强的灵活性，能够用作通用光纤传感装置。由实验结果可知，此耦合器的灵敏度为73000nm / RIU。与磁感应灵敏度为10-7emu，精度为±1％的振动样品磁强计相比，新的光纤耦合器具有较高的灵敏度为2.4×10-10emu是常规光谱分析仪最佳性能条件下精度的±1.3×10-2％。

    来自伊朗沙希德•贝赫什提大学电气工程学院的科研人员，基于波长调制的一维光子晶体，设计并制造了一种新的光敏微型机电（MEMS）加速度计，该光学仪器主要由空气介质多层光子带隙（PBG）材料、典型的LED光源、光电二极管和集成光波导四个部分组成。该加速度计所具有的重要优势包括：高可靠性、可忽略不计的交叉轴灵敏度、在整个测量范围内具有良好的线性度、整合能力和相对较宽的测量范围。基于仿真的结果，所得的传感器功能特性如下：机械灵敏度为3.18dB/g、光学灵敏度为1.17dB、线性测量范围为22g、共振频率为8908Hz、交叉轴灵敏度为0dB。基于这些光敏微型机电（MEMS）加速度计的功能特性，科研人员设计的装置可广泛应用于惯性导航、电子消费等领域。

 光传输

    来自斯洛文尼亚马里博尔大学电气工程和计算机科学学院的科研人员，提出了一种高效光纤布拉格光栅（FBG）传感器集成系统。该系统使用的标准电信光电组件较少。通过标准电信分布反馈(DFB)激光二极管能够产生波长扫描光脉冲。该激光二极管的驱动脉冲是高幅度（大于3安）和短持续时间（300纳秒）的电流。此实验实现了超过10纳米总激光二极管的波长扫描，并可以在类似波长内同时询问几个光纤布拉格光栅（FBG）传感器。应用短持续时间波长扫描光脉冲，可以时分复用包含具有重叠特征波长在内的小光纤布拉格光栅（FBG）传感器阵列。当波长扫描的光脉冲，沿着其长度发射到包含单个或多个光纤布拉格光栅（FBG）的光纤时，所发射脉冲的一部分将会朝向检测器反向被反射。由于发射的脉冲波长随时间改变，所以该反射是否发生，取决于光纤布拉格光栅（FBG）传感器特征波长发生的时刻。通过测量反射光脉冲之间的时间延迟，可以确定光纤布拉格光栅（FBG）传感器的特征波长。实验系统展示了在采样率为1KHz、最大采样率超过40KHz时，光纤布拉格光栅（FBG）传感器波长的读取分辨率超过3皮米。一个光纤下的30个光纤布拉格光栅（FBG）传感器，读出/解复用的能力超过3微米。

    来自牛津大学工程科学系的科研人员，研究了一种用于室内光无线通信系统的超高速透明光纤-无线-光纤链路。实验通过在两个终端处组合窄波束和自适应光学单元以实现广域覆盖。该链路在0~3米范围内，传输速率为416 Gb / s和208 Gb / s时，分别具有40°和60°的宽视场（FOV）。光链路对眼睛无害，可以是双向的，可以获得更高的数据速率和更简单的传输方案。科研人员仿真了设计的系统，并得到了与预期一致的数据。该链路可以提供室内覆盖最快的无线链路。

    来自东北大学计算机科学与工程学院的科研人员表明，弹性光网络（EON）提供了细粒度和正交频率间隙，用于建立在数据之间实现高速率数据传输的数据中心（DC）。它包括两个组成部分：从虚拟机到云数据中心（CDC）的节点映射以及从虚拟光路到光纤链路的链路映射。特别地，链路映射必须在频谱连续性、一致性和非重叠性等方面满足一些光纤链路上的刚性约束。因此，当公共链路映射失败时，科研人员就会重新优化具有无中继推挽频谱移动（PPSM）功能的虚级联（VCAT）框架。实验设计的框架将频谱移动与逆复用功能集成起来，通过有效的频谱碎片整理可以满足更多的弹性光网络嵌入（EONE）请求。科研人员优化了受限缓冲器的子带数量以补偿接收端的差分延迟。他们使用宽松整数线性规划（ILP）模型来解决问题，并且还设计了针对四种不同服务的响应启发式排序策略。仿真结果证明，科研人员的方法在提高频谱效率，降低弹性光网络嵌入（EONE）请求的阻塞率方面具有优势。他们的工作重点是设计一个重新优化的弹性光网络嵌入网（EONE），该网络具有推挽频谱移动（PPSM）功能的虚级联（VCAT）框架，包括节点和链接映射过程，而不是简单的频谱碎片整理过程。

图3.弹性光网络嵌入（EONE）的过程图[center]
光调制与光信号处理

    来自德国纳米技术学技术中心的科研人员，调查研究了用于下一代低成本400G光网络的两种网格编码调制（TCM）方案。根据4级脉冲幅度调制（PAM-4）的性能来评估继承性能。实验证明网络编码调制（TCM）在比特率为56和80 Gbps之间时优于4级脉冲幅度调制（PAM-4），因此网络编码调制（TCM）是未来400G波分复用（WDM）网络实现8λx50G的有效方案。由于此实验装置有严格的带宽限制，因此需采用前馈均衡器（FFE）和最大似然序列估计（MLSE）均衡器，才能使误码率（BER）低于KP4阈值(3×10-4)。科研人员发现：在比特率为56 Gbps和波长为1300 纳米的条件下，网格编码调制（TCM）可使光链路传输距离达到40公里，而使用4级脉冲幅度调制（PAM-4）时只能提供30公里的传输距离。当增加比特率时，网格状编码调制（TCM）性能比4级脉冲幅度调制（PAM-4）的性能下降得更快。比特率高于80 Gbps时，网格状编码调制（TCM）与4级脉冲幅度调制（PAM-4）的性能几乎一致。 因此在不使用更高带宽组件的情况下， 4级脉冲幅度调制（PAM-4）更适合4λx100G的波分复用（WDM）网络。

    来自雅典大学信息与通信工程系的科研人员，研究了基于宽带光信号的超快物理随机码发生器。一般通过两种方式获得这种随机序列，一种是半导体激光器相干折叠操作，另一种是放大自发发射(ASE)噪声光电检测。特别在第一种情况相下，混沌信号电位同步性为安全通信提供了保障。科研人员结合了在混沌状态下操作半导体激光器的两个能力—通过适当配置光耦合时高度同步的能力以及连接超快真随机码发生器的能力，并实验展示了一次性密码加密通信协议。实验实现了无错误操作、速率超过 Gb/s的加密系统。在保证随机种子分布的同时，在加密方案上应用前向纠错编码，从而大大减少同步真随机比特序列的误差并优化了系统的解码性能。

    来自美国加利福尼亚大学电气与计算机工程系、电子信息技术系的科研人员指出，无线电频谱作为一种无约束的社会物质基础，它承载着社会、国防和商业间重要的连接，目前价值逐渐增加，成为存在的最稀缺的商品之一。这些频谱都必须精确而严格的分配到窄带窗口中，以用于蜂窝、军事、导航和广播等服务。频带定位最大限度地减少了各个频谱间的相互干扰，但也要求整个蜂窝流量被限制在小于百分之一的物理射频范围内。若要想突破这一限制而在任何频段内自由发射，则信号功率必须很小，以避免干扰现有的通信。假如在一个足够宽的频谱范围内传播信号，就能保证发射信号在任何波段都低于自然噪声，然而，这对子噪声数据通道带来了根本性的挑战：它需要检测突发波形、分离噪声、重建超过GHz的频段。最终，科研人员通过300倍扩展生成了频谱宽度为20MHz的信号，即使远远弱于所接收的噪声，该信号仍能被有效检测并且重构出来。

    来自丹麦科技大学光电工程系的科研人员，在光波分复用（WDM）通信系统中采用了正交幅度调制（QAM），通过数值模拟和实验的方式研究了概率整形对于系统传输距离的影响。在光传输信道中，科研人员首先将Blahut-Arimoto算法进行了修改和优化，从而得到QAM符号的概率质量函数（PMF）。然后，他们采用了基于turbo编码的比特交织编码调制系统，其依赖于多对一标记的方法，来产生期望的概率质量函数（PMF），从而实现整形增益。在实验中，同步和均衡采用的导频符号最大速率为2％，使得系统可以接收到1024QAM的星座映射。整个实验是在5通道的波分复用（WDM）系统中进行的，设置速率为10 GBaud，并增加了系统的传输距离。科研人员使用标准的1024QAM映射，在输入数据速率为4.65位/符号时，传输距离提高了20%；在输入数据速率为5.46位/符号时，传输距离提高了75％。这表明，在不改变调制格式的条件下可以实现系统不同速率的适配。在不同距离和速率的5个波分复用（WDM）信道中，科研人员验证了所提出的1024QAM整形系统的性能。最后，对EXIT图和误码率（BER）的分析表明，迭代解映射对于系统通常是有益的，但并不符合实现整形增益的要求。其中的区别在于，通常需要对每个符号m进行更多比特的解映射。QAM解映射器的复杂度会随着m进行O（m）线性地缩放，与接收器的其他部分相比可以忽略，使得多对一映射和解映射增加的复杂性可忽略。科研人员提出的系统还特别容易与使用turbo编码的调制系统集成。

[center]图4. 用于设计系统的发射机和接收机原理图
光纤技术

    来自悉尼大学光子学和光学科学研究所的科研人员，研究了一种具有空芯和由开槽圆柱谐振器形成包层结构的新型波导。这种新型波导在太赫兹频率范围内可以产生电或磁响应。通过实验可以观察到电响应、磁响应、空间色散、折射率低于1的全内反射、狭缝谐振等现象。这种波导有望应用于未来的新型太赫兹传输中，例如折射率传感器或色散管理系统中的应用。

    来自韩国大学物理系的科研人员，提出一种基于石墨烯-六方氮化硼（hBN）异质结构的硅电吸收调制器。基于石墨烯的各向异性和各向同性，科研人员采用数值分析的方法研究了调制器的光学特性。在各向异性石墨烯模型下，由于泡利阻塞因子的影响，石墨烯片光子吸收随着石墨烯的化学势的增加而减小。 在各向同性石墨烯模型下，由于石墨烯ε近零效应的影响，石墨烯在TM模式时功率显著衰减。

图5. 硅电吸收调制器示意图 (a)鸟瞰图 (b)截面图

     来自上海交通大学光通信系统与网络国家重点实验室、日本筑波大学NTT接入网络服务系统实验室的科研人员，考虑到光纤表面的空气孔缺陷，设计并制造了一种低损耗的孔辅助少模光纤(HA-FMF)。科研人员提出了一种具有“缺陷层”的仿真模型来研究气孔表面缺陷与模态损失之间的关系,得出的仿真计算结果与实验结果相互吻合。理论研究表明，由于孔辅助少模光纤(HA-FMF)中空气孔的表面缺陷，连接孔C的内接圆半径对附加损耗影响最为严重。据此，科研人员设计并制造了空穴辅助双模光纤（HA-TMF），在LP01模式下，此光纤衰耗为0.20dB/km；在LP11模式下，在1550 nm波段下此光纤衰耗为0.26dB/km。即使不使用空气孔的抛光工艺，表面缺陷引起的附加损耗也可以通过控制参数和提高LP11模式的弯曲性能来降低。科研人员认为，此光纤在空分复用中有着巨大的潜在应用价值。

图6. 模态损失测量的实验装置

    来自天津工业大学计算机与通信系的科研人员，提出了两种新的训练符号结构，来减轻偏振分割多路复用（PDM）相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中，发射机IQ失配和信道的失真问题。 为此，他们还提出了两种相应的估计方法。与传统的估计方法相比，第一种方法的优点是IQ不匹配和信道失真是独立估计的，第二种方法的优点是减少了训练符号的数量。通过蒙特卡罗的模拟数值，科研人员验证了PDM CO-OFDM系统中的两种方法。在模拟条件下：相位失配为15°，振幅失配为3dB，传输比特率为100Gb/s，标准信号模式光纤链路为480km，误码率为1e-3，第一种方法需要24dB的光信噪比（OSNR），第二种方法需要28dB的光信噪比（OSNR）。为了测试所提出的训练符号结构的性能，科研人员通过商业软件MATLAB和Optisystem建立了速率为40Gb/s和100Gb/s的PDM CO-OFDM系统。对于每个极化，通过使用QPSK来调制OFDM信号，其中256个子载波包含循环前缀的长度为32。全部256个子载波中的128个承载数据，并且另一半补零以用于过采样。传输光纤链路由循环回路组成，循环回路是长为80km的SSMF，其色散为16.75ps/ns.km，PMD系数为0.5ps/km，衰减参数为0.2dB/km。非线性自相位调制和掺铒光纤放大器（EDFA）噪声系数为-6dB，无光学色散补偿。在每200个OFDM符号中插入训练符号以估计光传输信道失真和IQ失配因子的影响。