2016 年12月JLT光通信论文评析

浏览量：

导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰周俊毅马文哲季幸平

    2016年12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
    来自希腊亚里士多德大学信息学系科研人员，提出了一种基于蚁群优化（适用于网络规划和操作）的启发式方法，他们基于Swarm原理减少了通信网络的能量消耗，并且根据每项通信业务的请求找到从源到目的地节点最节能的路由。研究证明，上述过程可将计算复杂度降低到多项式级别。在代表性骨干网络拓扑结构中及其实际业务需求下与其它相关启发式方法相比，上述技术方案减少了能耗，这也间接证明了基于波分复用（WDM）的IP光网络将会被优先考虑应用于下一代弹性光网络中。
    来自美国加利福尼亚大学和中国科学技术大学的科研人员，提出了一种新型光网络协调范例，即在自主系统（ASes）管理平面上引入代理平面。代理与每个AS的管理器通信，以协助在涉及多个运营商的多AS网络上协调端到端资源管理和路径供应。代理平面能够更新虚拟网络拓扑结构、管理AS间链路和聚合（抽象的）AS内链路的资源信息，并处理端到端路由调度，调制格式选择和频谱分配（RMSA）问题。尽管如此，由于每个AS的不同动态管理特性，找到满足频谱连续性和邻接约束多AS透明路径的概率可能很低。为了提高域间连接性服务的等级，可以在域间节点中安装频谱转换器，或者能以全局视图的方式让每个AS执行整理操作机制。科研人员介绍了一种机制，其中每个AS都拥有控制其内部相关操作过程的能力，例如控制频谱转换、实现频谱碎片整理或其他相关网络特征的操控。科研人员提出了具有碎片整理能力问题的多频谱分配自主系统，并对其进行了数学建模并设计启发式算法来解决相关问题，最后使用模拟仿真进行全面测试。测试结果显示连接的阻塞率减少了26％，上述结果明显证实了该机制的优势。

无源和有源光子器件
    来自麦克吉尔大学电气和计算机工程系的科研人员指出，数据中心中越来越多的计算服务器架设将使网络基础设施的配置面临更大压力。为了充分利用当前电子开关或光电元器件的带宽容量，研究可扩展的高效光互连网络变得势在必得，因为该技术利用了光信号能同时在频域和时域上处理的特性。科研人员设计了一种四通道无源光波长条纹图（PWSM）装置，其被动时间通过光的波长复用和解复用来压缩和扩展串行数据包。该设备搭载了集成光学延迟线的1X4通道光学波长解复用器，并设计于低损耗的氮化硅（传播损耗约3.1dB/ m）波导平台上。它复用/解复用四个WDM通道，在时域上补偿相邻信道偏移来光学串化/解串化各数据分组。在实验过程中，通过在时域中组合4个分组的16ns数据段，在设备的输出端形成了64ns长的数据组。由于集成无源光延迟波导，相邻信道之间的增量光插入损耗为 9.7dB。四组数据段和组合数据组的传输速率为25Gb/s。实验证实，在接收光功率为-6.7dBm的情况下，使用该四通道无源光波长条纹图（PWSM）装置，恢复的64ns串行数据组误码率性能低于1x10-9。
    来自杜克大学电气与计算机工程系的科研人员，提出了一种基于阻抗传输边界条件（ITBC）的混合有限元方法（FEM），以解决石墨烯等离子体模式中的问题。该方法使用了联合高斯定律与矢量亥姆霍兹方程横向分量的变分公式，并通过阻抗传输边界条件（ITBC）的薄石墨烯片模拟了场穿透过程。科研人员采用基于边缘的矢量LT / QN二阶基函数来扩展电场的横向分量；采用基于节点的标量基函数来离散其纵向分量。结果表明，阻抗传输边界条件混合有限元法（FEM-ITBC）方法具有较高有限元法（FEM）计算精度、较少计算成本等优点。科研人员提出的方法可以有效、准确地确定石墨烯等离子体模式，并且未来他们还将会对其他2D材料进行进一步深入研究。
    来自斯坦福大学电气工程专业爱德华金茨顿实验室的科研人员发现，数据中心链路在使用四级脉冲幅度调制（4-PAM）和直接检测（DD）的情况下，每个波长可以缩放到100 Gbit/s，但是由于链路预算因素的限制，使得该链路难以实现波分复用（WDM）或光学电路切换。针对这个问题，科研人员通过使用半导体光放大器（SOA）或雪崩光电二极管（APD），使接收机的灵敏度得到改进。他们还模拟和分析了调制器带宽限制和啁啾、光纤色散、瞬态半导体光放大器（SOA）增益饱和、过度散粒噪声及由雪崩光电二极管（APD）引起的码间干扰。通过使用四级脉冲幅度调制（4-PAM）和线性均衡技术，以及具有增益为20dB、噪声系数为6dB的半导体光放大器（SOA），能使受热噪声限制的接收机灵敏度提高6dB。而在同一参考系统上，使用响应度R=0.74 A/W、kA=0.18的雪崩光电二极管（APD）时，接收机灵敏度只能提高4.5dB。科研人员进一步提出了一个简单的算法来优化非高斯噪声分布的强度水平和决策阈值，从而使接收机灵敏度在现有的基础上再提高1到2dB。对于半导体光放大器（SOA）而言，瞬态增益饱和效应对接收机灵敏度的影响可以忽略。但是对于单波长预放大的最坏情况而言，接收机动态范围将被限制约为15dB。对于雪崩光电二极管（APD）而言，其响应、碰撞电离系数、低增益带宽和增益带宽积是整个控制系统性能的关键参数。
    来自中国电子科技大学光纤传感与通信重点实验室的科研人员指出，与其他反射仪相比，偏振敏感光时域反射仪（P-OTDR）存在多点干扰检测和高精度定位方面的典型问题，从而限制了其实际应用。对此科研人员提出了一种使用二维（2-D）图像处理和统计聚类的方法以解决此问题。该方法代替传统的空间或时间信号分析方法，它累积由多个个体事件引起的时间/空间上不一致/不均匀的进化模式，来时间分化光时域反射仪（OTDR）的轨迹。然后利用边缘检测和自动聚类方法对不同干扰点进行精确定位，从而建立二维时空演化图。通过一系列多点干扰实验，科研人员证明，相比于传统的直接微分法和快速傅立叶变换谱分析法，该方法具有更好的应用特性。
    来自特伦托大学物理系纳米科学实验室的科研人员指出，在光子集成电路中，耦合微盘谐振器的入射或输出光过程是集成光子结构的关键步骤。然而，基于点接触的共面总线波导的横向耦合方案具有对波长具有严重的依赖性，这使得在宽光谱区域中有效激发谐振模式的过程受到限制。目前，科研人员在比较不同配置的基础上提出了一种垂直耦合配置方案，其中一个总线波导被掩埋。科研人员通过理论和实验研究证明，由这种模型提供的长作用区使得最佳耦合光谱范围扩展至红外光到可见光；相比于传统的横向耦合设备而言，其所受的带宽限制显著减少，该特性使得它能被广泛应用于如变频等多个实际应用。

光传输
    来自葡萄牙里斯本大学高等技术学院电气与计算机工程系的科研人员，提出并数值验证了一种评估四波混频（FWM）功率的理论方法（TM）。该方法通过虚拟运营商（VCS）和直接检测(DD)，在基于多频带正交频分复用（MB-OFDM）的超密集波分复用（WDM）城域网中估算四波混频（FWM）的功率。该城域网中的关键配置参数为：频带间跨距为3.125GHz，每个频带的数据速率为10Gb/s。此外，科研人员还提出了一种简化的理论方法（STM），在多频带正交频分复用（MB-OFDM）系统中采用高色散光纤，来降低评估四波混频（FWM）功率过程中的计算复杂度。以上两种方法都认为四波混频主要产生于虚拟运营商（VCS）和OFDM频带之间。与此同时，分析基于四波混频（FWM）原因而受损最严重的频带，科研人员获得了最大平均功率的解析表达式。TM法和STM法能根据阈值向量幅度误差（EVM）和阈值平均功率（TAP）来估计每个WDM信道的平均功率水平，其中阈值向量幅度误差（EVM）是四波混频（FWM）损耗下所允许的最大误差。实验结果表明，当9条WDM通道中5条通道的数据以450 Gb/s的速率在标准单模光纤（SSMF）中传输时，TM和STM估计的阈值平均功率（TAP）相差不超过0.5dB。科研人员通过17条WDM通道获得的阈值平均功率（TAP）来定义功率的上极限（UBPL），信号在10条频谱间隔为22.81 GHz的标准单模光纤（SSMF）中传输后，采用TM法和STM法估算的功率的上极限（UBPL）相差不超过1dB。

图1. 多频带正交频分复用（MB-OFDM）系统的结构框图
光调制与光信号处理
来自中国科学技术大学无线光通信重点实验室、清华大学深圳研究生院的科研人员，针对受信号相关噪声（SDSN）影响的单载波或多载波可见光通信（VLC）系统，提出了一种新型高效调制方法。他们在照明条件约束情况下最大限度地减少系统的符号错误率（SER），并通过求解优化上述问题来改进星座图的映射。在单载波系统中，应用最大似然（ML）估计检测来同时优化星座和阈值。科研人员证实，该方法优于均匀信号检测和平方根信号检测；同时他们观察到，在中高信噪比区域内均匀信号检测优于平方根信号检测，而后者在低信噪比区域表现较好。对于多载波系统，他们在考虑到信号相关噪声（SDSN）的情况下提出了一个新的信道模型，该模型通过最大化符号之间的最小欧氏距离（MED），在不同的照明条件下改进星座图映射。此外，科研人员设计的多载波部分包含了直流信息，从而提高了能量效率，甚至在中等尺寸的信号空间内，所设计包含直流信息的光OFDM系统（DCIO-OFDM）中OFDM-QPSK信号可获得的增益区间为5至30dB。

图2. 锁定并捕获数据的实验装置图
来自麦克吉尔大学的电气与计算机工程系的科研人员指出，在光纤传输中，多级调制格式之间的灵活转换是实现高频谱效率、灵活组网自适应调制技术的关键处理功能之一。科研人员提出了一种二进制相移键控（BPSK）到正交相移键控（QPSK）的全光格式转换系统，以及从正交相移键控（QPSK）到二进制相移键控（BPSK）的逆转换系统。其中，从正交相移键控（QPSK）到二进制相移键控（BPSK）的逆转换过程，具有无波长移位转换的优点，并且不损失发射数据，但仅限于单个偏振信号。其中，入射是正交相移键控（QPSK），同时输出是两个二进制相移键控（BPSK）。另外，科研人员提出一种波长保留转换的新方法，用于在与传播轴正交的x-y偏振平面上产生相对于x轴有任意偏振旋转角的偏振分割复用正交相移键控（QPSK）信号。该方法基于高度非线性光纤中的正交双泵四波混频（FWM）过程实现，其中高度非线性光纤配置有非线性光学环路。该方法的优点是可以同时输出原始信号和相位共轭信号，并且有很高的信号极化四波混频（FWM）效率。上述系统中，研究人员通过数值模拟过程来计算误码率和光信噪比的损耗以评估系统的应用性能。

图3.全光波长调制格式从PDM-QPSK到PDM-BPSK转换的示意图
来自东南大学国家移动通信研究实验室的科研人员，提出了一种用于强度调制/直接检测（IM/DD）可见光通信（VLC）系统的重构正交频分复用（R-OFDM）方案。其中，他们将由红光、绿光、蓝光和琥珀色芯片组成的发光二极管（RGBA-LED）作为发射机。在重构正交频分复用（R-OFDM）方案中，信号在发光二极管（RGBA-LED）中进行了信号分离以及削波之后（BAC）的偏置或削波之前（SBC）的缩放操作。科研人员优化了削波之后（BAC）和削波之前（SBC）缩放操作的偏置和缩放因子，并且使用直接检测算法来恢复接收器处的数据。另外，科研人员进一步分析了所提出的重构正交频分复用（R-OFDM）方案的理论误码率（BER）性能。特别是对于多色发光二极管（LED）可见光传输，科研人员还提出了一种低复杂度的并行干扰消除（PIC）算法，可以消除由多色可见光通信（VLC）信道中由于串扰引起的干扰。通过计算实际光信道的数值结果可验证所提出重构正交频分复用（R-OFDM）方案的优势。数值研究结果表明，相比于传统的翻转正交频分复用（Flip-OFDM）和非对称限幅正交频分复用（ACO-OFDM）技术，研究人员提出的重构正交频分复用（R-OFDM）方案在系统接收灵敏度方面有显著优势。

图4.基于RGBA-OFDM方案发射机结构框图
    来自比利时天主教鲁汶大学的科研人员，设计了一种可见光通信（VLC）基带调制方案并构建了一个理论模型，他们将该技术命名为单边位置调制（SEPM）技术，即通过增加每个符号的位数目而获得调光的鲁棒性。单边位置调制（SEPM）在可见光通信（VLC）系统中可以用于调节光基带功率并配置开关调制过程。科研人员可以选择每个符号的位数目，在如下两方面的折衷范围内（其中一方面是可靠性与鲁棒性之间的折衷，另一方面是功率和频谱效率之间的折衷）实现上述过程。在特定范围内，单边位置调制（SEPM）能在不影响在高信噪比情况下具有保证光信号传输的可行性。其调制范围由每符号的比特数确定，每符号的比特数越大，其可行的调制范围就越大。而每符号的比特数目增加带来的缺点是功率效率和频谱效率都会随之下降，从而增加收发同步实现难度并且增加接收机的信号处理复杂度。与功率开关调制的可变通断键控（VOOK）和可变脉冲位置调制（VPPM）进行比较，单边位置调制（SEPM）具有很好的调制鲁棒性。在整个调制范围内，单边位置调制（SEPM）的每符号包含2比特信息，并且其功率效率得到相应改善。此外，与可变通断键控（VOOK）相比，该调制技术也具有更高的频谱效率。

光纤技术
    来自中国海洋大学物理系光学与光电子实验室的科研人员，提出了一种基于超细光纤并能同时测量海水温度和盐度的新方法。该方法用到了含有结谐振器的马赫曾德尔（MZ）干涉仪。利用马赫曾德尔（MZ）干涉仪和结共振的组合效应，科研人员得到了典型的透射光谱。当温度和盐度变化时，干扰和谐振都呈现线性下降。基于这种线性关系，他们可以建立测量矩阵，通过收集透射光谱可以同时获得海水样品的温度和盐度。该方案的混合结构具有高灵敏度和高精度的优点，在海洋和其他液体环境中测量温度和盐度将具有巨大的应用优势。
    来自希腊研究与技术基金会、电子结构与激光研究所的科研人员，设计了一种小型的多功能光耦合装置，该装置采用了多芯光纤和磁流体熔覆技术。他们将多芯光纤逐渐变细以延伸各个芯的模态轮廓，同时在它们之间引入光耦合，最终完成了该磁场调谐光耦合器的制作。科研人员证实，通过磁流体熔覆来影响磁性折射状态下外芯的渐逝场，并在多芯光纤的中心纤芯和外纤芯之间施加约50的高斯磁场通量，便能测量出2.5dB和4.5dB之间的耦合效应。这种芯间耦合光子器件在感测、通信、成像和激光束传输应用中颇具发展前景。
    来自波兰华沙理工大学微电子与光电子学研究所的科研人员，在单模光纤端面上，研究了纳米薄膜堆叠的传感能力，以期其应用于无标记生物识别。根据铝钛氧化物层折射率的不同：在λ= 1550 nm时，氧化铝（N～1.58 RIU）和氧化钛（N～2.42 RIU），该纳米膜堆叠由五种周期性交换的材料组成，并用反应性磁控溅射技术沉积而成。科研人员实验发现，该结构对周围液体折射率的敏感性为74.4 nm/RIU和44.3 dBm / RIU，对温度变化的敏感性则可忽略不计。此外，科研人员还发现，当此结构功能化时可用于选择性检测其表面上的生物层的形成。实验中，生物素-抗生物素蛋白复合物是无标记生物识别能力的重要成分。尤其当生物素非特异性的集团分离分析法（BSA）导致光谱变化响应可忽略不计时，1mg/ml浓度的抗生物素蛋白，可诱导谐振波长偏移3nm，反射功率变化0.8dBm。该实验方法，在应用于器件批量制造、制备高鲁棒性传感器、全自动堆叠沉积工艺时具备应用前景。
    来自以色列本古里安大学电气与计算机工程系的科研人员指出，由于较低的功耗和较小的尺寸，可插拔收发器模块成为高端口密度数据中心的首选连接器件。光学部件可以与电子块分开地封装在微小的尺寸中。这里会产生传输超宽带信号的新问题，即在高速耦合印刷模拟迹线上中的耦合衰耗会显著增强。该模型包括频率相关性的公式，其被证明在超宽带信号的传输中具有关键的作用。他们将标准实践耦合模型用于子10G系统中来消除串扰。科研人员这种基于包容耦合模型，提出了新的耦合补偿技术，并与传统的耦合补偿技术进行了比较。通过蒙特卡罗模拟验证的综合分析表明，新引入的耦合补偿技术显着优于现有的串扰补偿解决方案，对于25G传输及速率更快的系统能支持更长的耦合迹线。新的方法基于符号间隔采样技术和降低复杂度的数字信号处理技术。在基于100G PAM4传输系统中，新提出的补偿技术可以支持大于15cm的长的微带迹线，同时其前向纠错（FEC）误码率（BER）值达10-3。

图5. 超宽带光电系统模型图
来自伊拉克穆萨纳大学曼物理系、苏尔大学工学部数理工系的科研人员，提出并分析了一种超连续谱生成（SCG）二氧化硅光子晶体光纤（PCF）的新型设计方案。他们设计的新型光纤具有As2S3硫族化物核心区域、大的非线性系数和低异常色散。科研人员使用全矢量有限元法（FV-FEM）来进行模态分析，而通过使用分步傅里叶法的非线性薛定方程来模拟SCG。他们深度研究了光纤长度、泵浦峰值功率和泵浦波长对SCG性能的影响。实验结果表明该光纤具有非常低的零色散波长，其有利于在1.55μm的波长处的泵浦。此外，该设计具有在1.55μm和1.3μm波长处的2656nm和1788nm的超宽带超连续谱，据科研人员研究得知，对于两个工作波长1.55μm和1.3μm处的光谱也同时具有最大带宽。