2017 年7月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周越 马文哲 季幸平

    8/9/2017,2017年7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
    来自谢里夫科技大学电气工程系的科研人员指出，光码分多址接入（OCDMA）系统可以通过区分编码参数、功率级别和分集顺序来支持多种类型的通信服务。科研人员研究了多级1D / 2D的光码分多址接入（OCDMA）系统的误码率（BER）性能，并提出了一种新型的计算方法以使用简单的数学形式来精确估计系统的误码率（BER）。他们对系统进行了大致的估计并研究了影响系统性能灵敏度的因素，如编码参数、功率级别和分集顺序等。考虑到编码设计、编码基数和系统性能约束，研究人员定义了两个设计问题并提供了最优解。 然后，科研人员设计了一种自适应的光码分多址接入无源光网（OCDMA-PON），可以灵活分配活跃用户中的未使用资源，以提高上游系统的传输性能。研究人员还推算了近似误码率（BER）表达式，提出了自适应光码分多址接入无源光网络（OCDMA-PON）的两种自适应码分配算法，并通过仿真来评估其性能。仿真结果表明，自适应码分配算法可以在动态流量模式下，提高ONU的平均传输速率或降低平均传输的光功率。依据仿真结果，对于在误码率（BER）值为10-7，用户活动概率为0.5的自适应光码分多址接入无源光网（OCDMA-PON）中，与固定的传输速率（传输光功率）相比可以增加2.53的固定代码分配量，相对于传输光功率可以减少0.25的固定代码分配量。
 
图1 光码分多址接入无源光网络的系统框图
    来自浙江大学光通信实验室、西南民族大学电气与信息工程学院的科研人员指出，与传统的波分复用光网络相比，灵活网格光网络（FON）可以通过采用更精细的资源分配粒度（称为频段）、更复杂的路径路由和资源分配算法（称为路由和频谱分配算法）以适应多种服务连接，且具有较高的组网灵活性和频谱利用率。然而，频谱分配中的连续性和邻接约束可能会引入频谱碎片，其不能被后续服务连接利用，从而可能减少可用资源的数量以及灵活网格光网络（FON）中的网络灵活性。因此，科研人员已经提出了许多算法来通过重新优化分散的资源，从而减少频谱碎片的数量。这些算法被称为频谱碎片整理算法，但是上述算法可能会引起流量中断或需要增加额外的组件。为了避免流量中断和额外组件的需求，研究人员还提出了一些分组RSA算法，通过将频谱资源预分为几个固定组或可变组，来抑制它们的生成中的频谱碎片。 然而，由于一组中的频谱资源只能分配给一种特定类型的服务连接，因此这些分组算法的灵活性总是受到服务连接的种类的限制。在研究中，科研人员将混合分组机制引入频谱分配中，并提出了一种基于混合组的RSA算法，即最先采用混合分组（MUFHG）的RSA算法，以抑制灵活网格光网络（FON）中频谱碎片的产生。通过采用混合分组机制，混合分组（MUFHG）算法能将频谱资源分配到具有指定分配几个灵活组。如果这些业务连接的带宽要求具有多重关系，每个频谱组可以适应多种业务连接，来保证每个组中剩余或释放的频谱资源总能被利用。因此，频谱碎片仅在两个相邻的柔性组之间的频谱带中产生。根据这种方式，所提出的基于混合组的算法可以显着地抑制它们的生成中的频谱碎片。此外，混合分组（MUFHG）算法有助于采用优化策略来最大限度地提高后续服务连接频谱资源的使用频率，并最终能提高网络的抗阻塞性能。

无源和有源光子器件
    来自山东科技大学激光研究所、伦敦大学城市学院光子学与仪表研究中心的科研人员，研究了光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器的基础技术原理，设计并配置了一种新颖的基于负压波（NPW）的管道泄漏检测（PLD）系统。为了测试这套系统，他们已经搭建了管道泄漏测试平台并进行了实验研究，以验证使用这种基于光纤布拉格光栅（FBG）系统的性能。研究结果表明：使用基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的系统可以准确地监测沿管道的压力变化趋势，从而能够在线计算并测量负压波（NPW）；与传统的负压波（NPW）检测技术进行比较后，科研人员发现新型检测系统在检测泄漏量较小的情况下，能够实现更高的泄漏定位监测精度，其原因是由于基于光纤布拉格光栅（FBG）的系统中，沿管道可以复用更多数量的传感器，它们输出的信号具有令人满意的高信噪比特性。研究人员还对该系统进行了评估，特别是在对与外部信号的响应中，可以消除由泵启动或停止引起的干扰，上述过程是通过对多传感器阵列捕获压力变化的时间序列并进行分析而实现的。因此，该系统的设计能最大程度减少发生虚假警报的情况。

图2传感器系统框图
    来自山东大学信息科学与工程学院、伯明翰大学阿斯顿光子技术研究所的科研人员，提出并实验证明了一种基于全分布线性啁啾的光纤布拉格光栅（LCFBG）应变传感器的新型技术，该技术具有时间拉伸和频域反射测量（OTS-FDR）的高时空分辨率特性。全分布线性啁啾的光纤布拉格光栅（LCFBG）有望能够代替全分布式传感器，因为与正常的均匀光纤布拉格光栅（FBG）相比，其光栅长度更长且反射带宽更宽。在科研人员设计的系统中，迈克尔逊干涉仪设置了两个相同的全分布线性啁啾的光纤布拉格光栅（LCFBG），其中一个光栅用作参考光栅，而另一个光栅用作传感元件。基于色散诱导的时间拉伸过程使得目标光谱干涉图可以通过单像素光电探测器实时映射出时间的干涉波形。传感光栅的分布应变过程可以在捕获波形的瞬时根据射频频率进行重构，其中高空间分辨率也是通过高速数据采集过程实现的。在验证性实验中，科研人员分析了具有不同应变分布的全分布式光栅传感器的超快速实时监测过程，并实现了在25mm的标距长度和9.1με的应变分辨率下，具有31.5μm的高空间分辨率的50MHz的超高的测量速度。

图3 具有超高速和高空间分辨率的LCFBG系统原理框图

    来自巴黎圣地亚哥大学的科研人员指出，对于频率扫描技术而言，布里渊分布式光纤应变传感器通常受限于采集时间较长的静态过程。科研人员发现动态分布式应变监测，对于承受载荷或振动的线性结构完整性的实现十分必要，例如在海底升降机、架空管线、长桥、铁路或高层塔中进行的结构应变监测。在实验中，研究人员设计了一种基于斜率辅助（SA）的单端分布应变测量的新型动态布里渊光时域反射计（具有动态BOTDR），该仪器通过调整光学本地振荡器的频率，以沿着光纤在布里渊增益频谱的最大斜率处测量布里渊背向散射功率，并根据振幅变化它可以检测由任何应变引起的布里渊频移过程。科研人员为了测试采集系统的性能，在振动的10米钢管上安装了三根光纤进行测试，通过这种模型测试，他们能够实时测量管道的振动阻尼和几何位移。实验实现了7.6Hz的采集率，应变误差为±40μ，空间分辨率为1m。从纵向应变的一体化的数据来看，管位移计算误差范围为±12mm。科研人员还使用2km光纤传感器来比较采用频率扫描和斜率辅助方法时的系统性能。
    来加州大学圣芭芭拉分校电气与计算机工程系的科研人员，验证了新型并联和串联高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列的性能，可以很大程度在输出功率和调制速度之间的取得折衷。与单个参考单元相比，阵列结构能将输出的功率提高，其最大调制速度却没有降低。对于这些阵列结构，研究人员观察到其中的电光（E-O）带宽主要受限于串联高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）单元中Zn的扩散、氧化物释放孔产生的差分电阻和寄生电容，这将导致VCSEL阵列的RC带宽限制性降低。此外，串联高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的密集封装阵列具有用于光模式控制的Zn扩散孔能将输出到标准多模光纤（MMF）的耦合损耗最小化。与单个单元相比，采用并行的串联高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列，通过OM4的标准多模光纤（MMF）的传输性能得到显着增强，包括获得较清晰的眼图边缘、更高的信噪比以及更高的无差错数据传输速率（44 Gb/s）。科研人员依据研究结果证明，并行阵列的更优越的原因是其内部阻抗值更接近50欧姆的信号源，这将最大限度地减少眼图中由于微波反射引起的时序抖动过程。

光传输
    来自诺克罗斯费特有限责任公司的科研人员采用速率为25 Gbps的短波分复用（SWDM）操作开发了TOSA和宽带ROSA技术及下一代宽带多模光纤（NG-WBMMF），并成功实验实现了53.125 Gbps速率的信号传输过程。实验过程中，研究人员还应用了具有实时数字信号处理（DSP）功能的商用100 Gbps四电平脉冲幅度调制集成电路（PAM4-IC），通过链路中的4×1光学多路复用器和解复用器，使波长为850nm、880nm、910nm和940nm的光信号在下一代宽带多模光纤（NG-WBMMF）中进行了双波长传输（2λ×53.125Gbps）的测试。研究人员实验测量得到的前向纠错（FEC）误码率（BER）值低于前向纠错（FEC）阈值2.4×10-4，并证明了使用具有实时DSP的PAM4芯片组的调制方案可实现通过NG-WBMMF的传输速率达到100/200 Gbps。科研人员还研究了在波长为976nm和1066 nm处，使用长波长TOSA的单波长传输（1λ×53.125 Gbps）过程。在波长为976 nm处，有效传输距离超过300 m；而在波长为1066 nm处的有效传输距离超过200 m。通过从850nm到940nm的单波长测试后，科研人员发现上述过程具有与976nm波长传输系统相同的实验测试结果。上述实验是首次通过使用SWDM、TOSA、ROSA和商用100 Gbps PAM4芯片组的应用方案，该方案中研究人员成功在单根NG-WBMMF上传输了速率为400 Gbps的光信号。

图4 基于PAM4 IC芯片、SWDM 、TOSAs、NG-WBMMF和ROSAs的系统实验装置图

光调制与光信号处理
    来自罗马大学信息与电信部工程系、诺桑比亚大学工程与环境学院的科研人员指出，在室内环境中，可见光通信技术与众所周知的射频技术相辅相成，协同发展，正在成为可行且有前景的通信解决方案。在本文中，科研人员提出了基于波长域的两种定位机制：第一种方法是在假设每个定位点使用专用光谱来让用户容易识别的条件下实现波长定位过程，即采用红-绿-蓝（RGB）的发光二极管（LED）同时传输三个不同脉冲流；第二种方法是基于颜色的定位，还是基于红-绿-蓝（RGB）脉冲的传输通过传统接收信号强度和到达时间差方法来定位。此外，科研人员基于于同色异体的性质，使得LED使用的红色、绿色和蓝色光线混合为人眼提供白光的观感。
来自香港中文大学电子工程系、深圳工业大学研究生院电子信息工程系的科研人员指出，光互连是以低功耗和低成本方式，实现高性能计算机所需的高带宽通信的潜在解决方案。模式分割复用（MDM）是一种新兴的技术，其通过多模波导中的模式数量来扩展单个波长载波的容量，并且是一种用于高带宽上通信的成本较低且十分有效的手段。在模式分割复用（MDM）网络中具有高频谱效率的高级调制格式，可以进一步提高光链路的数据速率。在实验中，科研人员研究了采用具有两种波导模式的高级调制格式的模式分割复用（MDM）通信链路。其中一种紧凑的单波长载波链路，预计将支持2×100 Gb / s的模式复用容量。该系统的收发两端包括集成微环调制器、多路复用器、多模波导互连、模式解复用器和硅光电探测器上。每个模式信道传输的正交频分复用/16 正交振幅调制（OFDM/16-QAM）信号，能够实现7%代价的硬判决前向纠错（HD-FEC），且具有84Gb/s的净负载数据速率和100Gb/s的线路速率。
来自丹麦技术大学和华沙理工大学的科研人员，介绍了一种灵活方案来实现多频带的无载波幅相（Flexible Multi-CAP）调制方案。他们提出的调制方案可以适应不同的数据业务需求和传输链路条件，且具有可变的比特率和很强的功耗适应性等优点。首先，科研人员验证了数值模拟的结果，得到了不同带宽限制下应用方案的通信容量；然后他们实验证明了，在基于850nm的垂直腔表面发射激光（VCSEL）的传输中，通过OM4多模光纤（MMF）可传输超过100m的距离,其数据速率高达40.6 Gb / s，光谱效率高达4位/ s / Hz。

图5 多频带的无载波幅相调制的原理图

光纤技术
    来自俄亥俄大学电气工程与计算机科学系的科研人员证明，表面等离子体共振（SPR）光纤传感器可以用作成本有效且相对简单的替代方案用以配置现有高灵敏度生物化学和电化学测量的庞大的棱镜。这为小型化和远程操作能力为难以到达空间中的单点感测提供了许多机会。光栅辅助和偏振控制是光纤SPR传感器的两个关键特性，可实现前所未有的灵敏度和检测限度。科研人员所研究的生物传感器配置是利用纳米级金属涂覆的倾斜光纤布拉格光栅（TFBG），在单模光纤芯中无需任何结构的修改。这种传感器提供了高密度窄包层模式光谱梳的附加谐振机制，与用于高精度表面等离子体吸收重叠更加宽泛。在实验中，科研人员简要研究了等离子体激光TFBG传感器的原理、表征和实现，其次他们还研究了生物分子的“表面”和“局部”的亲和性，以及电活性生物膜的清洁电化学活性。
    来自华为技术德国有限公司的科研人员，实验证明了可基于多模式850 nm垂直腔表面OM4多模光纤（MMF）上，高达112 Gb / s四电平脉冲幅度调制（PAM-4）光信号的收发和传输。发射机侧的激光器（VCSEL）和接收机采用了的数字信号处理（DSP）中的均衡技术。由光纤组件引起的强带宽限制以及光纤的低模态带宽所造成的损耗由接收机中以下三种改进数字信号处理（DSP）方案来补偿：1.有限脉冲响应（FIR）滤波方法；2.最大似然序列估计均衡（MLSE）方法；3. MLSE均衡器和FIR级联形式的滤波方法。科研人员通过两种不同的发射机来验证上述方法，即采用30GHz的任意波形发生器（AWG）和较低带宽的15GHz市售的DAC来评估所有三种前述的均衡方案，并且他们推断出在这些实施方式下每个DSP方案的适用性。研究人员证明，MLSE均衡器和FIR级联形式的滤波方法可以使100米的传输过程突破7％的硬判决（HD）前向纠错（FEC）阈值的限制，并且在传输之后其信号接收性能优于其他两种数字信号处理（DSP）方案。对所有上述情况评估传输器带宽对整个系统BER性能的影响。科研人员提出的解决方案表明，基于发射激光器（VCSEL）和标准OM4光纤的112 Gb/s 100 m的OM4多模链路可实现下一代100 Gb / s和400 Gb / s光波分复用（WDM）的互连。
    来自瑞典查尔默斯技术大学显微技术与纳米科学系的科研人员在高度非线性的多模光纤中，研究了四波混频的相互作用过程，并描述了它们的相位匹配条件。基于这种相互作用的相位匹配条件，他们研究了光纤的色散特性，以放大少模参数过程，同时实现具有最小的模态串扰过程。科研人员设计的光纤是高度非线性色散位移的多模光纤，该光纤对于C波段中的几种模式传输都具有高非线性和低色散特性；研究人员还考虑了实际的生产制造问题，并将两种光纤中关键结构参数公差与其最小值的偏差进行了分析比较。