2017 年3月JLT光通信论文评析

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导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，马文哲，周俊毅，周越，李长祥，季幸平
2017年3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
来自日本电报电话公共公司（NTT）网络创新实验室、南安普敦大学光电研究中心的科研人员，提出并展示了一种密集空分复用（DSDM）系统，其通过32芯单模光纤进行远距离传输。他们分析了新型32芯低串扰异构光纤的特点，并详细叙述了部分循环回路系统的结构。科研人员通过设计和制造一种特殊的光纤，使得密集空分复用（DSDM）系统，在空间多样性超过30的传输路径上，首次实现了超过一千公里的单向传输，其平均跨度串扰低至34.5dB/51.4km。间隔为12.5GHz的20通道密集空分复用（DSDM）系统中采用了偏分复用16进制正交幅度调制（PDM-16QAM）信号，具有201.46b/s/Hz的高频谱效率。科研人员进一步提升传输距离至1644.8公里，此距离为51.4公里的32倍，也是密集空分复用（DSDM）系统传输距离的三倍多，而且当传输超过1000公里后，空间多样性也随之显著增加。为此，他们研究了部分循环回路系统中串扰对Q值的影响，结果表明Q值与纤芯间串扰有很强的相关性，具体取决于纤芯分配。科研人员认为，他们提出的部分循环回路系统可作为常规循环回路系统的替代方案，它证明了多核传输光纤在长距离情况下的传输性能，特别的是，当纤芯数量较多时，核芯间串扰取决于纤芯配置。

图1.新型的部分循环回路系统的配置框图
    来自丹麦技术大学光子工程系的科研人员研究探索了新的技术方法，来解决现代数据中心数据流量日益增长的问题。短距离光数据链路在这种情况下起到了关键作用，可以实现高速的数据链路。近来，科研人员为了提高基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）传输链路的性能进行了大量的研究工作，其中垂直腔面发射激光器（VCSEL）是大规模部署所需成本效益最优的解决方案。用实验的方法演示了在850nm的多模垂直腔面发射激光器（VCSEL）下， 10m~100m的OM4多模光纤（MMF）以高达107.5Gb / s的数据速率，采用强度调制-直接检测方法进行传输的过程。实验结果显示，7％以下前向纠错限额的误码率为3.8×10-3，从而实现了100.5Gb / s的传输。
    来自爱尔兰都柏林大学圣三一学院连接研究中心的科研人员指出，未来5G服务的主要特点是：前所未有的高速率，无处不在的便利性，超低的延迟以及更高的可靠性。当前网络中广泛存在的分散网络并不会受到下一代用户需求的挑战。科研人员提出了关于网络融合的新视角，以及一种多维度的端到端网络设计方法，以实现未来的5G服务。他们对端到端网络的设计方式进行了分析之后，为人们提供了5G网络的需求分析，并对主要标准化机构目前正在进行的工作进行了概述。然后，科研人员通过介绍整体的架构框架以提出网络融合的概念，它在一个统一的和连贯的网络中，汇集了各种不同的技术并最终形成了“多维融合系统”。他们介绍了多维融合的新颖解释，引导着人们去探索节点整合和网络架构融合的方方面面，并进一步深入研究无线光集成、光数据中心和接入城域网在未来的融合细节。然后，科研人员讨论了如何实现网络共享的所有权模式来加速5G愿景的实现，并设想了软件定义网络（SDN）将在5G中发挥的作用。最后，他们分析了网络应用中心业务模式的新需求，并针对5G网络中不断增长的研究领域提出了一些见解。
    来自亚利桑那州图森城，亚利桑那大学电气和计算机工程系的科研人员研究发现，由于接收机的信噪比有限，所以增加单模光纤高速光传输的容量和频谱效率便成了一个很大的挑战。传输容量可以通过调整调制格式来进行优化。然而，科研人员发现在四维空间中容量超过6位或6个符号的时候，高维度调制格式的综合收发性能是否能否优于二维调制格式，仍然值得探索。通过使用各种调制格式的互信息和广义互信息（GMI）进行容量分析，表明信号星座可以被几何形状化，通过等能信令可以近似为最佳高斯分布，从而接近香农极限标准的正方形正交幅度调制（QAM）模式。科研人员通过研究幅度相移键控（APSK）的设计规则，发现了映射的六十四进制幅度相移键控（64APSK），其在8.4 b / s / Hz的目标频谱效率（SE）下的理论值仅为0.5 dB。实验结果表明，在SE小于9b / s / Hz时，灰色映射的六十四进制幅度相移键控（64APSK）比在四维广义互信息（GMI）容量下的64QAM好约0.5dB，其中当频谱效率为目标SE时，六十四进制幅度相移键控（64APSK）与香农极限相比，具有约3.6dB的光信噪比损耗。科研人员研究发现，用24.8 G baud 速率的64APSK，调制168个信道，并在低密度奇偶校验（23 090,16,160，0.7）码处进行位纠错，能够成功的传输6375公里。实验结果表明，在经过非线性补偿后，当C波段总容量为34.9Tb / s时，可以实现8.3b / s / Hz的频谱效率（SE）。

无源和有源光子器件
    来自西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚政治大学光通信组的科研人员认为，人们对比特率和服务质量的高要求，正推动着电信运营商使用更灵活的技术将基于波分复用（WDM）的核心网络进行升级，以实现更灵活的动态配置和流量分配。学术和行业对弹性光网络（EON）的研究使其已经成为一个成熟的技术，准备逐步升级基于波分复用（WDM）的网络。其中，弹性光网络（EON）功能包括灵活的频谱分配，超100 Gb / s的连接，先进的调制格式和对时变流量的弹性。所涉及的各种功能，弹性光网络（EON）的网络设计和算法比波分复用（WDM）网络复杂得多。通过利用这些功能，网络运营商降低成本的新机遇应运而生。例如需要配置的数据中心互连，来适应大大减少过度配置。科研人员回顾和扩展了数学模型和算法，以解决与弹性光网络（EON）的设计、操作和重新优化的相关优化问题。此外，他们提供了两个实际例子作为说明，阐述了网络生命周期如何扩展以及如何进行网络规划和数据分析。

图2. 拓展网络生存周期的方案

来自日本大阪大学工程研究院、川崎富士通有限公司实验室的科研人员指出，软件定义网络（SDN）业务流程为在多个域，多种技术和多用户应用的网络场景提供了一种管理端到端业务的可行解决方案。其关键作用在于：（1）传输应用程序编程接口（API）的控制协调协议（COP），以保证其异构控制平面范例（例如OpenFlow，GMPLS/PCE）的互通；（2）在特定域下，可切换带宽或比特率可变的转发器（S-BVT）能够提供端到端的带宽自适应服务。为此，科研人员提出并实验证明了一种自适应软件定义网络（SDN）的多域多技术光网络的业务编排。为了说明这个概念，他们搭建了一个先进的多域/技术测试平台，该平台由400 Gb/ s可变容量OPS域和Tb/ s级灵活WDM OCS域组成。软件定义网络（SDN）采用了可控转发器和扩展传输程序编程接口（API），以支持端到端的实时业务拥塞感知。在控制平面中，基于应用程序（ABNO）的网络操作架构已扩展为自适应软件定义网络（SDN）的业务流程。科研人员通过实例表明，当启用所提出的自适应SDN编排时，可实现不同领域的端到端实时连接。由于优化标准和参数都可以动态变化，潜在的SDN控制器可以重新调整其决策，以实现更好的资源分配策略。

光传输
巴西来自英国电讯和中国华为的科研人员，第一次使用64G波特速率光转发器，成功实现了实时光信号传输的实验。在该实验中，光信号以5.6 Tb / s的速率传输了359公里，以及以2Tb / s的速率传输了727公里。另外，在359公里完全管理的灵活网格光链路上，成功演示了速率高达5.6Tb / s的光纤信道道，其中包括速率为28×64G波特的200G双偏振正交相移键控（DP-QPSK）子信道。100 GE客户端信号在所有子通道上传输，表现出了长时间稳定的端到端无错误性能。对于64 G波特的双偏振正交相移键控（DP-QPSK）信道，实现了3.92 bit / s / Hz的频谱效率，信道间隔宽度为51 GHz。研究人员通过软件灵活地配置速率光转发器，成功展示了快速传输通道容量的变化过程（从2.6到5.2 Tb/s），其中包括100 GE客户端映射，这相当于容量上升至2Tb/min。他们还在在伦敦和都柏林之间727公里的实时电信网络中搭建了灵活网格光纤链路，成功地展示了使用高达64G波特的200 G双偏振正交相移键控（DP-QPSK）光信号以及由光转发器控制的100 G双偏振正交相移键控（DP-QPSK）和200 G双偏振十六进制正交振幅键控（DP-16QAM）光信号的实时2 Tb/s超高速传输。

图3. 支持727公里传输的现场实验部署方案

来自瑞典皇家理工学院信息和通信技术学院的科研人员，研究了具有55GHz带宽（BW）的1300nm分布式反射（DR）激光器，并在没有任何预均衡处理的情况下，使用四电平脉冲幅度调制（4PAM）成功完成了112Gb / s的光信号传输。在分布式反射（DR）激光器的设计和操作中实现了两个效应：光子（P-P）谐振和失谐。在分布式反馈激光器（DFB）和分布式反射（DR）激光器腔共存的分布式布拉格反射器（DBR）模式之间实现了光子（P-P）共振效应。根据调制过程中的频率啁啾，在分布式布拉格反射器（DBR）中有效地提高了差分增益。失谐负载的组合效应抵消了RC的频率限制，减小了松弛振荡的衰减，并且在调制响应中产生了高通滤波效应的腔内FM-AM转换效应。研究人员对10 G b / s速率的非归零码（NRZ）光信号和四电平脉冲幅度调制（4PAM）光信号进行了仿真模拟和实验研究。实验结果证明， DR激光器在传输链路上实现了112 G b / s的四电平脉冲幅度调制（4PAM）传输，而无需在发射机上进行预补偿。

来自爱尔兰廷德尔国立大学科克学院的科研人员指出，可以通过使用全网状平坦的光芯分布方式来减少长距离的基于动态可重构时分复用的无源光网络（TDM-DWDM PON）的节点和网络接口的数量。在实验中，科研人员研究了基于动态可重构时分复用的无源光网络（TDM-DWDM PON）架构的灵活性（它可以将一个物理层的多个业务类型进行整合）。由于存在不同的信息业务和调制格式，对于10G的住宅 PON业务接入、100G专用信道和无线前端中的动态可重构时分复用的无源光网络（TDM-DWDM PON）系统应用，该系统支持100公里的传输和多达512个用户的应用（所采用的系统通道数量为40个），同时采用了掺铒光纤放大器或半导体光放大器作为放大器节点。这是科研人员首次采用PON物理层集成的方式实现接入系统和核心网络中端到端软件定义的网络管理。他们还研究了两种业务使用情况：（1）具有端到端的快速保护机制，能在主链路出现故障的情况下进行终端服务恢复; （2）在流量增加的需求下，能实现动态的波长分配过程。

图4. 相关无源光网络接入示意图

光调制与光信号处理
    来自西班牙加泰罗尼亚电信中心的科研人员实验证明了基于自适应软件定义的网络（SDN）能实现高度灵活和域间协调操控的智能调度功能。他们研究了由400 Gb / s可变容量光分组交换域和Tb / s级灵活网格波分复用光交换网络，并搭建了先进的多域多技术测试平台。软件定义网络（SDN）提供了可控转发器和扩展传输应用程序编程的接口，并配置了对端到端实时服务的拥塞感知应用流程。在数据平面层，采用基于正交频分复用信号应用的方法以适应细粒度的通信业务的使用。研究人员指出：引入具有软件定义网络（SDN）能力的光学性能监视器以提高网络适应性具有重要意义；在控制平面中利用一个自适应软件定义网络（SDN）协调器，还能扩展基于现有网络架构的新应用。

    来自美国斯坦福大学金斯顿实验室的科研人员研究提出，光子学不但能提供降低信息处理和通信能耗的新方法，还可同时解决系统内部互连带宽受限的问题。目前，耗如果不能大幅减少每通道传输的能量，信息的指数级增长会使得光网络中能耗大大增加。光学和光电子学中的物理机制可从根本上解决互连和带宽受限问题，并极有可能成为唯一可扩展的解决方案。研究人员总结了新型光电子技术和光电子器件的应用背景，目前状态，未来机会和重要研究方向，比较了具备低能量衰耗的光电子器件的不同制备方法（包括激光器，调制器和发光二极管（LED），谐振器的制备），以及不同材料制备的特性（包括2-D材料和其他量子限制结构），提出使用光学连接能消除线路能源耗散以及减少光电子器件功率衰耗的影响的。还有一个主要的光网络系统内部互连耗散是来自接收机放大器的电子电路定时恢复和复用过程，这可以通过光电探测器的集成来解决，并能减少或消除接收机中的电路能量。自由空间光学或光通信系统中器件集成也能消除定时和多路复用电路的需要（同时也解决带宽受限问题）。

光纤技术
    来自英国南安普顿光电研究中心的科研人员，研究了一种高效的单模管状反谐振空芯光纤，此光纤在约1200nm工作波长处能够达到约25dB / km的最小损耗，并且具有非常宽的低损耗工作窗口（在1000nm~1400nm范围内损耗低于30dB / km，且超过1000nm时，带宽值低于6dB ）。研究人员尽管设计了相对较大的模场直径（32μm），但对于单模光纤(SMF-28)而言同样能够找到对接的光纤连接器件。实验研究结果表明，1065nm、1565nm和1963 nm的三段不同波长的光信号，通过100米光纤传输后，成功实现了无差错10G开关键控数据信号的接收。

    来自大连大学信息工程学院的科研人员指出，近几年的科研文献中出现了大量在无色散补偿情况相干光通信系统非线性传输建模的研究报道，其中研究较多的是人们对高斯噪声（GN）模型进行了改进和分析，提出了所谓的增强型GN模型或EGN模型。此外，考虑到非线性传输的许多具体应用方面（包括非线性调制格式、符号率、非线性相位特性、极化噪声、自发发射噪声的影响等等），科研人员正试图结合实际搭建相关模型，并提供可能有效解决不同终端用户需求的方案。
来自日本接入网有限公司的科研人员指出，宽带接入业务的发展趋势正在从固定业务转向移动业务。因此，光接入系统的的基础架构正在从光纤到大楼（FTTB）转变为支持固定和移动宽带业务的公共接入基础架构。他们推测各种网络虚拟运营商将在通用平台上提供各种增值业务；特别是，考虑到移动接入业务的持续增长，使用光接入的移动前端（MFH）在支持小型区域大规模部署通信系统方面变得越来越重要。科研人员首先回顾并讨论了未来移动前端网络的解决方案，以解决无线接入网络演进中出现的关键问题，然后研究了固定业务和移动业务的接入网融合过程，并提出了实现相关融合技术和网络架构模型；最后探讨了如何降低接入网络光电器件成本耗费的方法。

    来自日本北海道大学科技学院、NTT公司网络创新实验室的科研人员，研究了适用于空间密度大的多模多芯光纤结构。首先，他们讨论了包层直径对机械可靠性的影响，设计了小于250μm目标包层直径的制备方法以保持与常规光纤相同的可靠性；然后，优化结构获得了低差分模式延迟（DMD）特性，并指出六边形设计的19芯结构可具有发展优越性。最后，他们研制了具有246μm包层直径的6模19芯光纤，该类光纤支持小于0.24dB / km的低损耗光信号传输。