2017 年1月JLT光通信论文评析

邵宇丰 周越 李长祥 马文哲 季幸平
2017年1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、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
来自意大利国家光子网络实验室和TeCIP研究所的科研人员研究表明：相干检测是解决在长距离上实现高比特率传输问题的常用方案。然而，相干检测需要本地振荡器和数字信号处理技术，这就使得它不适用于成本较高且低功率的互连、短距离链路。针对这些问题，直接检测是众多解决方案中的首选，但其主要影响因素是光纤的色散效应。在理论上，组合幅度相移（CAPS）码能够在一定程度上消除色散负面影响，而且可以很容易地实现由直接检测接收器进行直接检测的过程，但是组合幅度相移（CAPS）码的生成却成了一大难题。科研人员发现：组合幅度相移（CAPS）码的复杂性会随着码字的增加而增长，而码字长度又会随着色散的增大而增加。因此科研人员提出了IQ二进制调制方案，这是一种用于近似3阶组合幅度相移（CAPS）码的新技术。这种调制方案可以在比特率为50Gb/s的处理技术情况下实现距离达到18km的传输。

图1. IQ双二进制发射机结构图

    来自三菱电气株式会社通信系统集团、信息技术研发中心的科研人员，提出了一种100 Gb/s的相干波分复用无源光网络（WDM-PON）系统原型。该系统具有100 Gb/s的实时相干收发器、简化的数字信号处理（DSP）以适合跨度访问、以及基于前置放大器的自动增益控制掺铒光纤放大器（AGC-EDFA）。该放大器具有自发放大辐射补偿函数（ACF），以提高上行信号的最小相干检测接收灵敏度，特别是在接收信号功率非常低的时候。基于所提出的技术，科研人员在传输距离超过80公里、光网络单元（ONU）分支数为8的无源光网络（PON）中，首次实现了超过39.1 dB的双向传输增益，上行接收机灵敏度改进为-38.1 dBm。为了探究所提出的相干波分复用无源光网络（WDM-PON）系统在未来5G移动前端（MFH）网络中的可行性，科研人员进一步对相干波分复用无源光网络（WDM-PON）中的100 Gb/s双偏振正交相移键控（DP-QPSK）信号进行了实验探讨，并对该信号施加了128 Kb/s的辅助管理和信道控制（AMCC）。通过将信道控制信号的调制指数设置在5％和40％之间，科研人员成功传输了100 Gb/s的双偏振正交相移键控（DP-QPSK）信号，其功率损失仅为0.2dB。
    来自台湾大学光子学与光电子学研究所、乔治亚理工学院电气与计算机工程学院的科研人员，在混合有线和无线的毫米波系统（MMWOF）中，使用包含双边带载波的中心载波抑制技术和直接编码双色激光二极管（LD）生成了具有低相干性的毫米波（MMW）载波。科研人员在所提出的毫米波系统中，实现了光有线频带带宽为36Gb/s和毫米波（MMW）无线频带带宽为12Gb/s的最大传输容量。科研人员将三种载波频率（28GHz、39GHz和47GHz）的毫米波（MMW）进行合成以实现第五代（5G）移动网络通信。他们提出的双色注入锁定（dual-color injection-locking）能有效地将中心载波功率抑制为-37dBm，这为双色光载波提供的中心载波抑制比为38dB。47 GHz双边带载波注入能够以36 Gbit / s的速率传输64QAM-OFDM数据，其最弱的四波混频模式大大抑制了光纤色散，在25 km单模光纤 （SMF）上传输后最低误码率（BER）为2.1×10 -3。在光基带传输之后，光子混合的28GHz、39GHz和47GHz 毫米波（MMW）与双色载波进行拍频，以显示线宽低于1.2Hz的类似光谱，并使载波信噪比大于41dB。28 GHz的毫米波（MMW）载波可以在1.6 m的自由空间中无线收发传输速度为12 Gbit/s的16QAM-OFDM信号，其平均信噪比为15.3 dB，误差向量幅度为17.1％，接收误码率（BER）为3.3×10-3。
    来自日本电报电话公司NTT网络创新实验室、设备技术实验室的科研人员，设计出基于强度调制/直接检测（IM/DD）的单通道光传输网络，其数据速率可达250 Gbps。当总线速度信号达到300 Gbps时，离散多音调制（DMT）可以由一种数字预处理模拟多路数字模拟转换器（DP-AM-DAC）产生，它包含一个数字处理器、两个数字模拟转换器（DAC）和一个模拟多路复用器（AMUX）。科研人员研究了一种新型方案，能使DP-AM-DAC中的AMUX驱动所需的时钟频率降低50%，因此能更容易地扩展最终输出信号的带宽，并在最后输出的图像信号中得以体现。在实验中，科研人员在37.5 GHz时钟频率下驱动模拟多路复用器（AMUX），最终产生了61.5 GHz带宽的DMT信号。他们使用一种3-dB带宽超过55 GHz的O-Band外调制激光器（EML）作为光发射机，通过10公里单模光纤与光纤放大器的传输后，接收信号的误码率低于软判决前向纠错阈值的20%。


图2. 新型DP-AM-DAC系统的原理图
    来自中国苏州大学计算机科学与技术学院的科研人员，设计了一种新型光纤无线接入网络（ROF），该无源光网络（PON）由一个光线路终端（OLT）和多个光网络单元（ONU）组成。在此基础上，科研人员提出了两种新的接入方案，根据以下两种情况下对网络编码和设备进行关联：（1）每个设备与一个光网络单元（ONU）关联，用于上传和下载其数据分组;（2）每个设备与两个光网络单元（ONU）相关联，用于上传和下载其数据分组。科研人员将此二者称为网络编码设计和对称设备关联（NCSDA）问题、以及网络编码设计和非对称设备关联（NCADA）问题。他们为了解对称设备关联（NCADA）的潜力，对混合整数进行了非线性规划，使分组传输（WNT）的加权数最小化，该加权数与能量消耗和系统容量相关。然后分析了无源光网络（PON）中最小分组传输（WNT）的紧上界，通过混合整数线性规划来近似对称设备关联（NCSDA）问题。科研人员还给出了非对称设备关联（NCADA）问题的理论分析，并将其表示为混合整数线性规划，进一步开发了基于线性规划的高效算法，并给出了网络编码设计，以解决对称设备关联（NCSDA）问题和非对称设备关联（NCADA）问题。


图3. 一种FiWi接入网示例图
无源和有源光子器件
    来自比利时根特大学电信和信息处理（TELIN）系数字通信（DIGCOM）研究中心的科研人员发现，使用由照明LED传输信号的室内可见光定位（VLP）研究已经成为研究界热门方向。近年来，可见光定位（VLP）技术采用了一系列接收机结构和定位算法。科研人员通过使用有一定孔径的接收机和强度检测技术，来分析可见光定位（VLP）系统的性能。基于孔径的接收器包含多个接收元件，其中每个接收元件由光电二极管组成。实验研究表明：这种形式的接收器能够紧凑实现集成，并且可以提供较宽的视场性能以及良好的角度分集性能。实验研究结果证明：此类接收器可以有效地从无方向LED发射光中提取位置的相关信息。科研人员将光电二极管输出处的信号与一组参考信号相关联，并能将接收信号强度以及到达角信息等观测结果直接用于估计接收机的位置。为了评估基于该方法的定位算法性能，科研人员导出了位置估计中的Cramer-Rao下限。实验结果表明：Cramer-Rao下限值取决于所选择的参考信号，并且能使用有限数量的非定向LED获得亚厘米至厘米范围内的准确度。
来自中国武汉华中科技大学国家光电实验室的科研人员，研究了等离激元单模和双模谐振器耦合系统中的等离子体激元诱导透明度（PIT）和慢光性质。裸态的等离子体激元诱导透明度（PIT）效应，来源于槽腔中的辐射驻波模式与环形谐振器中的两个外辐射行波模式之间的相消干涉。科研人员建立了一个理论模型来描述这个等离子体激元诱导透明度（PIT）系统，并且发现分析的结果与数值模拟非常的吻合。科研人员通过改变调制结构的参数来调整透明度窗口，并且详细讨论了等离子体激元诱导透明度（PIT）的两种线形类型。实验结果表明：具有低分辨率和相等双峰的等离子体激元诱导透明度（PIT）窗能够显示高性能的慢光。

图4. MIM双模环形谐振器和单模槽腔耦合系统的示意图

    来自台湾大学光子与光电研究所的科研人员指出，光子和电子由于埋氧层厚度的不同而无法在同一芯片上集成，因此他们用结晶硅芯波导作为互连平台来解决这一问题。硅芯以体硅（100）为基底波导，通过激光系统进行形状再生，随后通过氧化工艺产生二氧化硅包层。虽然硅芯的形状已经改变，但它仍然保持其单晶性质，并且可以进行宽带传输。测试结果显示，沿着轴向的几个局部缺陷会令导波出现明显的散射，并且传播损耗估计约为7dB/cm。科研人员认为观察到的局部缺陷来源于波浪结构，应用所提出的方法可以减少该损耗。此外，芯层与基板的距离可调，侧壁粗糙度良好。除了端面上的耦合损耗，各种损耗可能减小至1dB/cm，而端面上的耦合损耗则能通过适当的耦合器件来加以改善。
    来自耶路撒冷希伯来大学应用物理系、海法大学电气工程部的科研人员，设计了一个具有高测量性能的波导光栅路由器（WGR），其自由光谱范围（FSR）为200 GHz，光谱特征分辨率接近GHz级，该波导光栅路由器可应用于未来的高分辨率的光子光谱处理器（PSP）。科研人员设计波导光栅路由器（WGR）的自由光谱范围，以支持容量为1Tb/s的超级信道的子信道添加或分出。为了降低制造缺陷带来的影响，科研人员将硅基液晶（LCOS）相位空间光调制器（SLM）置于成像配置中，对波导光栅路由器（WGR）出射光束中的250个波导引入相位校正。第二个LCoS-SLM调制器位于傅立叶平面处，用于任意频谱幅度和相位操作。光子光谱处理器（PSP）则用于多个系统传输实验中，以完成亚GHz频谱分辨率的灵活频谱整形和子载波下降解复用。
    来自美国斯坦福大学金斯顿实验室的科研人员研究发现，光学技术在信息处理和通信方面不仅能够有效地解决能量耗散问题，同时还能解决机器内部互连带宽密度的问题。能量耗散总体上取决于环境水平，耗散源逐渐从逻辑运算转变为能量互连。科研人员表明：如果无法大幅度减少传输每比特的能量，未来将不能继续实现信息的指数级增长。光学和光电子物理学可以从根本上解决能量互连和带宽密度问题，而光学可能是这类问题的唯一的可扩展性解决方案。科研人员总结了光电子技术和新型光学器件的相应背景、状态、因素和研究方向，包括波导和新型2D阵列光学系统中的亚毫微微焦耳器件。他们比较了低能光电输出器件的不同方法及其缩放功能，包括激光器、调制器和LED；同时比较了各类材料的各自优势，包括2D材料和其他量子限制结构。互连耗散主要存在于接收机放大器的定时恢复和复用电路中，科研人员利用这种光电子能量减少特性使用光学连接消除线路的能量耗散。实验结果证明：光电探测器的集成可以减少或消除接收器的电路能量，以及消除对定时和多路复用电路的需求（同时解决带宽密度问题），并且通常使用光学器件来节省大型同步系统的功率消耗。

光传输
    直接检测以其成本低、易于集成等优点，在中短距离传输中显示出广阔的应用前景。特别是，由于较高的频谱利用率和较强的抗色散性，单边带（SSB）奈奎斯特副载波调制的应用具有较高的潜力。来自北京大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的科研人员，通过实验设计了800Gb/s（8×100Gb/s）的直接检测光波分复用（WDM）系统，采用奈奎斯特16进制正交幅度调制（16-QAM）和半周期SSB载波调制，在标准单模光纤（SSMF）中传输320km的距离。每个通道载有25GBaud 16-QAM-SSB信号，通道间隔为35GHz。科研人员还比较了单通道和波分复用（WDM）系统的非线性性能。在320km标准单模光纤（SSMF）上传输的波分复用（WDM）系统的误码率（BER）为6.73×10-3。考虑到阙值为20％硬判决前向纠错（HD-FEC）和帧冗余，以2.32b/s/Hz的频谱效率实现650.4Gb/s的净比特率。利用这种有效的频谱调制技术，科研人员的研究实现了C波段高容量直接检测的波分复用（WDM）系统，可以实现在标准单模光纤（SSMF）中传输320km。
    来自巴塞罗那电子通信中心、大阪大学工学院和神奈川富士通有限公司的科研人员，设计并实验证明了一种自适应软件定义网络（SDN），其具有高度灵活的域间协调行动、智能化的业务流程。科研人员还搭建了一个先进的多域多技术测试台，它由一个400Gb/s可变容量光分组交换域和一个Tb/s级灵活光栅波分复用光电路交换域组成。自适应软件定义网络（SDN）中的可控应答器和扩展传输应用编程接口（API），能够实现系统端到端的实时拥塞感应。在数据平面级别，基于正交频分复用（OFDM）的多个转发器用于域间和域内链路，以提供精细的自适应服务。为了进一步提高自适应能力，科研人员还引入了具有SDN能力的特定光学性能监视器。在控制平面中，科研人员扩展了基于应用的网络操作（ABNO）架构，并将其称为自适应SDN协调器。
    来自北京大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的科研人员，设计了一种224Gb/s的单极化直接检测系统，实现在标准单模光纤（SSMF）中传输160km，在C波段使用奈奎斯特16进制正交幅度调制（16-QAM）的半周期单边带（SSB）信号。考虑帧冗余和具有7%硬判决前向纠错（HD-FEC）后，得到的净比特率为203.4Gb/s。在160km的传输后，比特错误率（BER）为3.6×10-3，这小于7%硬判决前向纠错（HD-FEC）4.5×10-3的阙值。在实验中，科研人员在发射机侧的光载波中附加激光，其与信号一起传送。对于短距离传输，载波和信号之间的非线性相互作用通常是不明显的。因此，科研人员的方案等效于采用本地振荡器和单端光电二极管进行的外差相干检测， 通过推导SSB信号的电信噪比（SNR）和光信噪比（OSNR）之间的关系来研究系统性能，最后他们将实验的频谱效率和硬件复杂度与其他直接检测方案进行比较。由单端光电二极管的平方律检测引起的信号-信号差拍干扰（SSBI）能通过接收器侧的迭代技术进行补偿。带宽受限系统中的均衡增强的带内噪声能采用数字后置滤波器以及最大似然序列判决来补偿。研究人员提出的设计能针对数据中心互连和一些大城市区域提供超100G高速直接检测传输的解决方案。

图5. 系统实验配置原理图
光纤技术
    来自暨南大学光子技术研究所的科研人员，提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）反射光纤的生物传感器，用于对高分辨率的尿水通道蛋白-2（AQP2）进行无标记特异性检测。该生物传感器利用具有50nm金涂层的倾斜光纤布拉格光栅（TFBG），来激发表面等离子体共振（SPR），以检测光纤表面和周围环境的折射率变化。传感器的核心模式是温度控制，对周围的折射率不敏感，所以该传感器的可控性较强。实验结果表明，强度变化与水通道蛋白-2（AQP2）的浓度之间保持着线性关系。通过实时分析数值的强度变化，科研人员能够识别大鼠的肾健康状况。这种无标签传感系统利用了传感器与水通道蛋白-2（AQP2）抗体的特定功能，即对靶蛋白的高特异性。捕获尿水通道蛋白-2（AQP2）特异性引起等离子体共振的强度变化，科研人员能够在几分钟内清楚地区分健康和肾病样品，检测极限达到1.5ng/ml。该技术能够快速、无痛、有效地检测阿霉素肾病，在人类肾脏疾病临床诊断中具有重要的价值和应用潜力。
    来自美国亚特兰大州佐治亚理工学院的科研人员，分析了基于PAM-4信号的多模光纤（MMF）链路。采用了波长在850 nm和1050 nm的宽范围垂直腔面发射激光器（VCSEL），有效模式带宽（EMBc）为2 GHz.km至10 GHz.km。科研人员将伪随机比特序列为字长2-7的信号传输于一组标准OM3和OM4光纤，并采用了上述的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。实验结果表明，最远传输距离为150 m时，信号传输速度大于51.56 Gb/s，误码率（BER）小于10-12；最远传输距离为300米时，误码率小于10-4。此外，科研人员设计了在850nm和1100nm宽带之间工作的原型宽带多模光纤（WB-MMF），测试结果表明：最远传输距离为100m时，误码率（BER）小于10-12。在背对背（BTB）系统中传输光信号时，传输速率最高可达到66Gb/s。