2017 年5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，马文哲
2017年5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，提出并展示了一种监测基于布里渊无源光网络（PON）中分支损耗的新方案。所提出的应用方案还包含线性频率消除的泵浦脉冲，它可以补偿光纤链路中布里渊散射分布带来的增益损耗，而且其泵能量效率比常规频移方案更高。该方案用扫频泵浦脉冲阐明了布里渊声波动力学，并测试了监测基于布里渊损耗的性能。最后，成功实现了1.65微米波段直接调制分布式反馈激光器的实验过程，在现场部署的无源光网络（PON）远程监控中达到了令人满意的效果。
来自德国斯图加特诺基亚贝尔实验室的科研人员将光以太网（OE）系统应用于融合光传输和交换网络。它将分组交换网络的灵活性与传输系统的高速性相结合应用在光以太网（OE）中，旨在通过线性总线规划的方法进行覆盖大都市区的应用，并搭建两端连接到核心网络的节点。在逻辑上功能，将光以太网（OE）系统作为分布式分组交换机系统运行，并用端到端前向纠错（FEC）替代昂贵的逐跳误差纠正，只在中间节点中进行符号再生。上述方案采用了多点对点容器聚合的方式来满足大数据块前向纠错（FEC）的要求。同时，它将源流量的交换粒度保持到64字节的数据包，而不会牺牲吞吐量，延迟或节点数的可扩展性。此外，光以太网（OE）的架构复杂性取决于典型的传输线卡而不是高容量分组交换机。该方案设计了调制格式，信号处理和前向纠错（FEC），分组分段/重组，排队，路由和拥塞控制开始功能范围等一系列模块。并通过不同抽象层次的模拟实验验证了这些设计的实用性。通过该设计，在速率不低于1Tbit / s的情况下光信号实现传输高达1500公里（km），并且在分组聚合或流量梳理过程中其通信容量能够得到充分的利用。该设计架构严格，灵活性高，数据包传输延迟较低。
来自日本电报电话公司网络服务系统实验室的科研人员，采用含有2个子载波的双极化十六进制进制正交幅度调制（2SC-DP-16QAM）提高了400-Gbps光传输系统的收发性能水平。与传统的数字信号处理技术相比，400-Gbps数字相干光传输技术较为领先。研究人员证明，将400-Gbps传输系统覆盖传统100-Gbps传输系统上，并不影响现有的100-Gbps通道中的光信号传输。另外，通过同时传输 100-Gbps和400-Gbps信号的长期稳定性并测试其结果，证明了高级数字相干传输的可行性和出色的收发性能。研究人员还进一步说明了高速光通信系统的关键技术包括数字反向传播信号处理的非线性失真补偿，以及相干数字信号处理（DSP）的高性能软判决前向纠错（SD-FEC）技术。通过这些先进的数字相干技术，成功实现了2个子载波双极化16进制正交幅度调制（2SC-DP-16QAM）信号长达1900多公里的传输。

图1. 高速光通信传输系统提高通信容量的三个维度
来自爱尔兰光子系统集团泰德尔国家研究所的科研人员，研究了单边带（SSB）快速正交频分复用（OFDM）中的载波间干扰（ICI），其副载波利用度是常规OFDM的一半。由于快速正交频分复用（OFDM）中的非正交变换引起的载波间干扰（ICI）降低了系统性能，并且单抽头均衡器不可能补偿色散，这是因为卷积定理不能应用于变换对的数学原因导致。由此研究人员提出了一种基于单边带（SSB）调制的有效的相干光快速正交频分复用（OFDM）方案。在目前已提出的方案中，通过适当的操作可以通过频域过采样对二分之一空间的子载波进行解复用，载波间干扰（ICI）是完全可以避免的。与其它方案相比，单边均衡器可以容易地应用于接收机中以补偿信道色散的负面影响。此外，研究人员分析并推导出了相关表达式，可以用于评估由载波间干扰（ICI）引起的性能下降问题，并通过数值分析证实了这一结论。仿真结果也显示了该方案的优点。最后，研究人员实现了第一次实现了使用八进制振幅键控（8-ASK）的36 Gb/ s单边带（SSB）快速正交频分复用（OFDM）信号的频谱效率高达6bit/ s / Hz。

图2. 基于单边带（SSB）调制的相干光快速正交频分复用（OFDM）系统框图

无源和有源光子器件
来自中国台湾大学国立光子与光电研究所的科研人员，通过使用包含双边带载波的载波抑制发射机，研制了一种激光二极管。该激光二极管是针对光载有线和无线毫米波（MMWoF）系统生成具有低相干性毫米波（MMW）载波的直接编码激光二极管。在光载有线和无线毫米波（MMWoF）链路中，实现了36 Gb / s的光载有线频带和12 Gb / s的毫米波（MMW）无线频带的最大传输容量。为了实现第五代（5G）移动网络和卫星通信，频率为28GHz、39GHz和47GHz毫米波（MMW）三个载波被采用；中心载波功率抑制在-37 dBm，可以将光载波的中心载波抑制比增加到38 dB。频率为47 GHz的双边带载波注入使得六十四进制正交振幅调制正交频分复用（64-QAM –OFDM）数据的传输速率高达36 Gb / s。在25 公里（km）单模光纤的传输下，最低的误码率（BER）为2.1×10-3，这是由于四波混频模式大大抑制了光纤色散的影响。在光基带传输之后，光子混合的28GHz、39GHz和47GHz毫米波（MMW）载波通过外差混合，显示出小于1.2Hz的相似谱线宽和41.7dB的载波噪声比（CNR）。28 GHz毫米波（MMW）载波可以使十六进制正交振幅调制正交频分复用（16-QAM –OFDM）数据在空闲空间无线传输1.6 m米。其速率为12 Gb / s，平均信噪比为15.3 dB，误差向量为17.1％，接收误码率（BER）为3.3×10-3。
来自葡萄牙里斯本大学的科研人员提出了一种分析离散变化模型，并在相位匹配区域中分析了具有弯曲和扭转扰动的完全均匀弱耦合多芯光纤（MCF）（具有相似但不同参数的核心）的纤芯间串扰（ICXT），其中弯曲半径小于临界弯曲半径。比较了具有七个核的弱耦合阶跃折射率多芯光纤（MCF）耦合模式方程的仿真结果，并提出了更为准确的平均纤芯间串扰（ICXT）功率估计。考虑到完全均匀的完全均匀弱耦合多芯光纤（MCF）和提出的模型，得到的估计值可能存在平均核心间串扰（ICXT）功率超过4dB的差异。
来自澳大利亚悉尼大学物理学院的科研人员，使用基于牛顿算法的快速支持向量机制（N-SVM）非线性均衡器（NLE），首次实现了40 Gb/s的十六进制正交幅度调制相干光正交频分复用（16-QAM-CO-OFDM）信号传输2000公里。实验结果证明，与基于沃尔泰拉的非线性均衡器（NLE）相比，基于牛顿算法的快速支持向量机（N-SVM）非线性均衡器（NLE）使得最佳发射光功率增加了2 dB。基于牛顿算法的快速支持向量机（N-SVM）非线性均衡器（NLE）能够解决确定性光纤引起的非线性效应以及非线性和随机噪声之间的相互作用（例如，偏振模色散）的能力，进而能够提高系统的性能。与基于沃尔泰拉的非线性均衡器（NLE）相比，基于牛顿算法的快速支持向量机（N-SVM）非线性均衡器（NLE）对载波间非线性串扰效应的容忍性更高，特别是同时应用于所有子载波的情况下。与常规的支持向量机（SVM）相反，所提出的算法具有降低分类器的复杂度，提供较低的计算量和执行时间短的优点。与常规的支持向量机制（SVM）相比，基于牛顿算法的快速支持向量机（N-SVM）非线性均衡器（NLE）的计算复杂度降低了约6倍。

图3. 基于沃尔泰拉的非线性均衡器（NLE）或基于牛顿算法的快速支持向量机（N-SVM）非线性均衡器的40 Gb / s的相干光正交频分复用（CO-OFDM）实验系统
来自北京邮电大学信息光子学国家重点实验室的科研人员，基于两个零色散波长的空隙-二氧化硅光子晶体光纤的基本波导模式，将以1550nm为中心的飞秒脉冲发射到深色正常色散区域中，实验展示了联合四波混频效应。当满足多模式相位匹配条件时，基本波导模式中1550nm的泵浦波将转换为二次导波模式下的约1258 nm左右的反斯托克斯波和2018 nm左右的斯托克斯波。当输入平均功率为90mW的飞秒脉冲在长度为22 cm的光子晶体光纤内传播时，反斯托克斯和斯托克斯波的转换效率分别为8.5％和6.8％。在基于模式四波混频的频率转换过程中，基本波导模式和二阶导波模式之间的光纤弯曲和离散效应对其影响非常小。
来自马来西亚大学光子学研究中心的科研人员，提出并展示了使用镀铝膜作为可饱和吸收体（SA）的被动Q开关式二微米光纤激光器。可饱和吸收体（SA）由最初用于抑制紫外线的太阳能色调膜组成，并放置在掺铥光纤激光器中。在134.41mW的泵浦功率下观察到Q开关，在205.08mW的最大泵浦功率下，重复率从22.96 kHz稳定地增加到40.32kHz。

光传输
来自斯坦福大学电气工程系金斯顿实验室的科研人员，提出一种使用耦合模式理论的动态信道模型，来描述在多模光纤（MMF）中由快速环境扰动引起的时变极化模式和空间模式耦合。当给定对其作用的环境扰动的分布时，该模型能够计算端到端模分复用（MDM）链路的时变琼斯（Jones）传递矩阵。该模型的本质是假设多模光纤（MMF）具有源自制造和布线的内置缺陷，当链路稳定时，多模光纤（MMF）会再现模式耦合和分散的预期行为。轴向应力，曲率和外部电磁场都会造成环境扰动，并调制光纤特性，以在动态通道中产生时变模式相移，模式耦合和模态色散。即使环境动力学的时间尺度要慢得多，在次秒时间尺度上，通道动力学速率也可以在微秒级。当D增加时，模分复用（MDM）通道演进得更快，因为外力可能造成模式耦合系数矩阵变化地更强和更快。增加模分复用（MDM）链路的铰链长度也增加了动态速率，因为分布式扰动可以在较长的长度上与信道相互作用。随着模式D或链路长度的增加，信道动态性的提高速度可能对长距离模分复用（MDM）系统中的自适应多输入多输出（MIMO）均衡造成一定的影响。这时需要通过重新设计自适应均衡器，以便能够跟踪通道的快速变化。然而，动态信道跟踪能力和静态信道中的渐近均方误差（MSE）存在固有的折衷。长组延迟扩展需要较大的循环前缀（CP）长度，而高循环前缀（CP）效率需要较大的傅里叶变换（FFT）次数，但是当通道快速变化时，大的傅里叶变换（FFT）次数会减慢均衡器跟踪并导致更高的均方误差（MSE）。
来自斯坦福大学应用物理系的科研人员对6模式少模光纤（FMF）中模间四波混频（IM-FWM）的波长和偏振进行了详细的测量，并测量了泵的两个不同波长（1nm和4nm）分离的四波混频（FWM）效率，还在这两种情况下观察到功率强烈的波长依赖性。为了了解功率波动的起源，科研人员研究了四波混频（FWM）的线性特性以及泵和探针的极化效应。测量了所有6种光纤模式之间的线性传递矩阵，以了解光纤在线性状态下的行为，并观察到不同LP11模式之间的强线性耦合。常规的模间四波混频（IM-FWM）波长图案是相对稳定的，并且如果光纤不受干扰则持续数分钟，但是随着机械或热扰动的微小变化，其变化剧烈。模间四波混频（IM-FWM）在LP11模式中强烈依赖于泵的极化；然而，加扰LP01探头的极化不会影响空载功率，并且在同一光纤中模内四波混频（FWM）中没有这种“噪声”影响。
来自英国斯特拉斯克莱德大学物理系光子学研究所的科研人员，研制了具有集成互补金属氧化物半导体（CMOS）控制功能的智能阵列发光二极管（LED）照明设备。该设备可在照明区域中实现10ms内自动定位。该定位系统是通过合适的空间照明图案序列结构来实现的。如果控制电子设备能有效利用发光二极管（LED）的MHz带宽，未来可实现在10微妙内自动定位。通过调整发射器的数量和所使用的投影光学元件，能改变定位的精度和面积覆盖率，定位的精度可达5mm。通过使用散焦投影和空间插值开发合适的解码算法，可以实现比采样网格更好的分辨率，但这对发光二极管（LED）的正交调制提出了要求，并增加了接收端的复杂度。该技术的潜在应用范围较为广泛。另外，通过对16个连接用户的无线光空分多址访问的实验，总数据速率可达到1.2Gb/s，误码率（BER）小于10-4。

光调制与光信号处理
来自华盛顿海军研究实验室光学科学部的科研人员，模拟了MUTC光电检测器的等效电路模型，并实现了最大似然估计程序。在实验中得出并证明了参数估计模型的线性最小二乘法和最大似然法。实验得出了各种不同操作下的结果，包括不同的偏置电压和光电流的水平。参数估计连接到光电检测器的等效电路模型，证明了与器件型号物理连接的成功。讨论了对电路参数行为的粗略分析，但通过与漂移扩散模型进行比较，可以精确地识别不同操作点的物理机制。未来研究人员还将探索与物理机制相关的参数并进行高阶非线性分析（。
来自日本东京工业大学创新研究院的科研人员，研究了在聚合物光纤（POF）中布里渊频移（BFS）的应变与温度交叉灵敏度。布里渊频移（BFS）的应变系数取决于温度的变化情况。在0-1.2％和4.0-9.0％的应变范围内，温度依赖性分别为1.5和-0.3 MHz /(％•°C)的线性关系；在4.0-9.0％的应变范围内，布里渊频移（BFS）基本上随着温度的升高而降低；在大于13％的应变范围内，布里渊频移（BFS）在聚合物光纤（POF）中不在受温度的影响。

图4. 用于测量应变（或温度）对布里渊频移（BFS）影响的实验装置

光纤技术
来自中国宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室的科研人员，实验证明了使用高数值孔径（NA〜1.4）的As2Se3-As2S3多材料硫族化物玻璃纤维生成超连续谱（SC）的过程。通过改进的一步挤出法制造纤维预制件，然后将纤维预制件嵌入小芯型纤维中。对于直径为10μm的As2Se3芯和直径为246μm的As2S3包层，光纤在在4.5μm波长附近表现出零色散特性，在5.8μm波长处最小损耗约为5.2dB/m。在短脉冲宽度为〜150fs的4.8μm激光泵浦的20cm长纤维中产生从1.4至8.8μm的产生的SC。在4.8μm激光泵浦的20cm长纤维中产生从1.4至8.8μm的超连续谱（SC）。其中，4.8μm激光器的短脉冲宽度为150fs。还提出了使用超高数值孔径（3.5和4.8μm）纤维生成紫外超连续谱（SC）的数值模拟方法。该数值模拟方法可以得到与实际实验一致的结果。
来自美国维拉诺瓦大学电气与计算机工程系的科研人员研究了两种类型具有三个实芯的微结构光纤（MOF）结构，并研究了微结构光纤（MOF）的热特性。在温度为18℃至40℃情况下测试了微结构光纤（MOF）的光学行为，以避免燃烧光纤的外涂层。测量到光纤的加热直径约为70μm，这表明可以应用于微流体。微结构光纤（MOF）A的芯间距比微结构光纤（MOF）B更小。微结构光纤（MOF）B中存在的不稳定性不太明显。测量趋势表明，光纤输出具有温度依赖性的，如果光纤孔中填充合适的热物质，则可以提高设备的灵敏度。在保护通道中的空气冷却速度与扩散速率（空气流量为0.6s（在20℃）至1s（在80℃））相同，气孔直径为1.08微米。与三段间隔纤维相比，四周间隔通道拥有额外的空气通道，这使得在较低温度下也可以快速地冷却。随着温度升高，空气不能在足够的时间内冷却，使得强度分布随时间变得更加均匀。微结构光纤（MOF）A和微结构光纤（MOF）B中核心耦合的偏振依赖性受热变化的影响。将耦合模式的极化分量应用于微结构光纤（MOF）A证明了芯的输出强度具有不对称性。为了控制光纤的热敏感性，提高双折射性能，在对双折射和强度分布进行建模时应该考虑到极化纤芯的折射率。通过将材料注入格子的孔中可用来调节微结构光纤（MOF）。当温度升高时，注入更多的热活性材料会迫使光纤几何形状发生更大的变形，从而在相对核心强度下引起更显著的响应。研究人员预测采用微流体来增强传感器的敏感性将开辟一种新的设计和制备传感器的方法。