2014年9月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
10/13/2014,2014年9月出版的JTL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、光信号传输、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
    在当今世界，存在着各种人为和自然发生的不可预测事件（例如：大规模杀伤性武器的袭击、地震、龙卷风等），这些事件所引起的灾害，都将会对受灾地区的通信网络造成数量巨大的损失，并有可能使骨干光网络中断。由于在最近几次大的灾害事件中，主干通信网络中的光纤传输系统都因受灾而中断，因此光网络运营商需要事先制订紧急预备方案，一方面增强通信光网络在灾害中的抗损性，另一方面要做到在灾后能尽快恢复通信传输。来自土耳其萨卡里亚大学计算机工程系、意大利米兰理工大学电子与信息系和美国加利福尼亚州立大学戴维斯分校的研究人员提出：1）对发生灾害而可能造成的光网络破坏性因素，在事先应该积极主动地进行预评估并建立相应的预防措施。具体来说，建议网络运营商建立具有灾害风险意识的预案和措施，这在灾害发生时可以最大限度地减少所受的损失。2）灾后的恢复措施中应该考虑到，在大灾刚过去时，很多通信网络故障可能是由于相关级联连接的中断而引起的。因此，网络运营商事先必须制订一个对应的重建方案来恢复这些中断的连接。很多实例表明，针对不同类型的灾害（大规模杀伤性武器的袭击、地震、龙卷风等），事先制订各种相应的预案可以在灾害发生时显著减少受灾的风险和损失，并能很快恢复。
 
无源和有源光子器件
    来自葡萄牙波尔图大学工程学院和德国莱布尼兹光子技术研究所的研究人员提出了一种干涉型光纤传感器的设计方案，这种传感器是以一种特殊设计的双包层光纤后处理技术为基础进行开发的，同时由于探测头的设计因素导致该传感器对外界环境变化很敏感。为了分析这种情况，研究人员分别将探测头放入温度敏感变化的液体和气体（在1个大气压下）中进行实验。通过将所测得的两个信号进行比较，能够判断温度变化对液体折射率变化的影响。不仅是信号幅度会由于周围介质而产生变化，而且干涉模式中的相位也会因此而改变。这是由于在三波干涉装置里，光纤结构中转向感测头端面处薄隔膜的存在所引起的。研究人员通过用感测头测量在空气和水中的温度变化，就可进行水面折射率的间接测量。尽管获得的灵敏度低于一些文献中所报道的数值，但应当强调的是在测量中没有将光纤芯暴露在外部介质中，文中推荐的传感器容易制造、坚固、测量重复性好。
来自荷兰埃因霍温理工大学电气工程系光子集成组COBRA学会的研究人员通过实验表明，在磷化铟基的光子集成电路中，基板的厚度会影响有源器件和无源器件之间的热串扰。对热串扰的量化方法是以一个马赫-曾德尔调制器为测试主体，测量其电光响应的影响度，作为热串扰的量化值；同时，在相对于马赫-曾德尔调制器的不同距离上放置半导体光学放大器，这代表热源及其位置。当基板的厚度（t）固定不变时，直流开关曲线的漂移指数随着距离（d）的增加而降低，其中d是指马赫-曾德尔调制器和热源之间的距离。研究人员进一步说明了漂移量是如何取决于d和t的比值：d / t＞1是最好的情况，可以将热串扰效应减低到最小程度；而d / t＜1会极大影响马赫-曾德尔调制器的直流开关曲线，从而降低其消光比。
  
    来自日本早稻田大学科学与工程学院的研究人员通过实验和分析，对两种掩埋沟道式聚合物波导热光开关的特性进行了研究和比较，这两种热光开关分别是1）使用一个单一多模干涉耦合器的多模干涉（MMI）开关；2）马赫-曾德尔干涉仪（MZI）开关。尤其是马赫-曾德尔干涉仪（MZI）开关，在实验中显示出以下特性：功耗低（3.5毫瓦）、速度高（低于200微秒的响应时间）、偏振无关以及带宽约为80纳米。这些低功耗、相对高速度、以及偏振无关的开关特性几乎与设计要求完全一致。此外，研究人员还提出了一种改进型的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，用于进一步降低开关功耗；在采用了增强热定位结构后，预计最终功耗将低于0.5毫瓦。
  
    来自新加坡科学技术研究机构数据存储研究所的科研人员介绍了一种近场等离子换能器，可以高效地从电介质波导模式变换到所需要的等离子体模式，以便将纳米光能量转移到磁记录介质上，主要应用在热辅助磁记录（HAMR）技术中。这里所介绍的换能器是一种锥形混合等离子体介质波导，通常包含两种混合等离子体模式。沿着锥形体，一种混合模式接近截止，同时另一种接近短程表面等离子体模式；由于其相对均匀且较强的纵向磁场分量，使耦合光能量可以顺利进入尺寸超过28纳米的纳米点记录介质。耦合到短程表面等离子体模式里的能量，在换能器输入端的效率大约是62％，这个效率可沿长度保持不变。这些能量依次顺利耦合进记录介质，此时最大的吸收效率为7.87％，并且能在较大的范围内保持近似的吸收效率。即使写入的磁记录点离换能器有30纳米偏离，该点的最大吸收效率也有6.44％。在文中提出的换能器构造中，金属物、间隙和电介质层都能自行对齐，因此对制造偏差的容错性也较好。较高的效率、较好的容错性以及加工制造的简易性，使这种科研人员所介绍的换能器非常适合热辅助磁记录（HAMR）技术的应用，并且有可能应用到纳米聚焦方面。
  
    来自日本古河电气公司Fitel光学实验室的研究人员介绍了一种紧凑型相干混频器的设计及特点，这种混频器本质上是一种由掺氧化锆的二氧化硅玻璃组成的高Δ平面光波电路（PLC）。这种具有5％或更高Δ的平面光波电路（PLC）是通过使用氧化锆作为掺杂剂来实现的。制造出来的5.5％-Δ氧化锆-二氧化硅平面光波电路（PLC），其传播损耗通过对制造工艺的优化而降低至0.02分贝/厘米。相干混频器的设计和制造采用了氧化锆-二氧化硅平面光波电路（PLC），混频器芯片的尺寸已被减小到4毫米×2毫米。研究人员还通过一种优化的光点尺寸转换器，将标准单模光纤和氧化锆-二氧化硅平面光波电路（PLC）之间的耦合损耗减小到低于0.31分贝/面。
 光信号传输
    相干光正交频分复用（CO-OFDM）是一个非常具有吸引力的传输技术，能够从根本上消除由色差色散和偏振模式色散所引起的符号间干扰。人们要求相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统的设计、开发和操作运行简单、高效，并且具有可靠的性能评估方法。在这篇文章中，来自英国伯明翰工程与应用科学学院阿斯顿光子技术研究所的研究人员展示了一种精确的误码率估计方法，主要用于四相相移键控（QPSK）相干光正交频分复用（CO-OFDM）传输，这种方法是基于所接收到的四相相移键控（QPSK）符号的概率密度函数。通过与其他已知的方法（包括数据辅助和非数据辅助误差矢量幅度法）比较，研究人员发现，在单信道和波分多路复用的四相相移键控（QPSK）相干光正交频分复用（CO-OFDM）传输系统中，使用本文所推荐的方法可以提供对系统性能最精确的估计。
    来自澳大利亚墨尔本大学节能电信中心、美国圣母大学低能量系统技术中心和阿尔卡特朗讯贝尔实验室的科研人员，对相干长距离传输系统（传输速率为100-G比特/秒）中端到端的能量消耗进行了建模和分析。他们着重研究了在端至端的能量消耗上前向纠错（FEC）所带来的影响。科研人员在不同传输距离、不同输入误码率的情况下，比较了100-G比特/秒传输中常用调制方式的能量效率，调制方式有双极化正交相移键控（DP-QPSK）和双极化16进制正交幅度调制（DP-16-QAM）两种。文中所建的能量模型包含了发射机、增强模块、链路放大器还有接收机的能量消耗。与以往的数字信号处理模型相比，这里提供了一个非常详细的模型，不仅包括所有重要的功能块（例如定时、载波恢复、色差和极化模式色散补偿以及前向纠错（FEC）等），同时也考虑到了在每个时钟周期里要处理的样本数量的影响，以及除了乘法运算以外其他运算的影响。科研人员已经发现，传输系统中接收机能耗占据了整个系统能耗的绝大部分，这主要是由于在远距离传输中使用了电子色散补偿。研究结果表明：在短距离传输的情况下，硬判决解码对这两种调制方式已经足够，双极化16进制正交幅度调制（DP-16-QAM）比双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制能量效率更高。然而，随着传输距离的增大，双极化16进制正交幅度调制（DP-16-QAM）需要增加软判决解码，由低符号率所节省的能量会被软判决解码的能耗所抵消；在这种情况下，这两种调制方式具有大致相似的能耗。
 
调制与光信号处理
    来自丹麦科技大学光电子工程系的研究人员宣布首次用实验论证了用于偏振复用相干检测光纤链路的叠加编码调制（SCM）技术。文中所建议的编码调制方案，结合了相移比特符号映射（PSM）技术，用来实现信号波形的无源整形。叠加编码调制-相移比特符号映射（SCM-PSM）所输出的星座图表现出非双射准高斯统计分布，这种分布渐近地达到香农容量的极限。相对于256进制的正交幅度调制（QAM），256进制的叠加编码调制-相移比特符号映射（SCM-PSM）灵敏度改善多达0.7分贝。这里特征波的形成是由于相反符号的叠加、而且没有使用用于信号整形的额外编码器；与传统方案相比，文中所建议的方案大大降低了发射机和接收机的处理复杂度。此外，在比特交错编码调制迭代译码（BICM-ID）的应用结构中使用了单级编码策略（SL-SCM），这主要用于前向纠错。光纤传输系统的特征是根据背靠背情况下的信噪比而定的，并且与在加性高斯白噪声信道中进行理想传输的模拟结果相关。最后，研究人员在实验中分别使用16进制、32进制和64进制的叠加编码调制-相移比特符号映射（SCM-PSM）技术，以双极化方式、6G波特率的传输速率，在240公里标准单模光纤中进行非色散管理传输，然后都成功地进行了解调和解码，从而证明了文中所建议的编码调制方案的可行性。
 
    来自比利时布鲁塞尔自由大学应用物理与光学系布鲁塞尔光学团队和比利时泰科电子有限公司的研究人员提出了一种综合数学建模方法，与数值方法一起用于光时域反射计（OTDR）的仿真，使之具有能力在无源（点对多点）光网络（PON）中，模拟产生光时域反射计（OTDR）踪迹。据研究人员介绍，他们提出的这种光时域反射计（OTDR）模拟器是第一种具有产生踪迹功能的仿真算法，从而超出了目前光时域反射计（OTDR）模拟技术的水平。在文中介绍的方法中，待测的光纤网络被视为一个线性时不变单输入/单输出系统，研究人员可以计入光时域反射计（OTDR）脉冲形状的影响。此外，目前光时域反射计（OTDR）设备存在的一些限制因素，如检测器的（非线性）功率饱和、由光时域反射计（OTDR）噪声导致的动态范围限制以及检测器的带宽限制，也一起被纳入到仿真模型中。研究人员通过使用光时域反射计（OTDR）的实际测量来对仿真结果进行了实验验证，将仿真的踪迹和所测量的踪迹相比较，两者表现出良好的一致性。显然，实验证明了这种仿真方法可以在无源光网络（PON）中得到很好的应用，包括含有分路器级联的网络；这就为电信运营商在光纤到户的网络中，探讨和运用具有成本效益的集中监控技术提供了重要的工具。
    来自法国国家应用科学研究所、雷恩电子与电信研究所的科研人员提出了一种用于光通信的新型离散多音频（DMT）调制方案。在新方案里提出了一种由伪随机（PN）序列和补零（ZP）序列混合而成的架构，用来代替传统的循环前缀作为离散多音频（DMT）传输的保护间隔，以获得更高的频谱效率。上述的伪随机-补零-离散多音频（PN-ZP-DMT）调制方案直接再次使用伪随机（PN）序列，目的是进行信道估计。这种伪随机-补零-离散多音频（PN-ZP-DMT）调制方案主要被应用在塑料光纤（POF）传输系统中。与传统上离散多音频（DMT）基于块的信道估计以及时间-频率基于导频的信道估计相比，这种基于伪随机（PN）序列的信道估计，在塑料光纤（POF）系统中同时提高了性能和频谱效率。科研人员对伪随机（PN）序列的最佳长度选择进行了研究。仿真结果表明，基于伪随机（PN）序列的信道估计能够更加接近最佳性能。此外，他们还研究了在塑料光纤（POF）上进行伪随机-补零-离散多音频（PN-ZP-DMT）传输时，可能遇到的一些实际问题；例如系统的复杂性、时间同步误差的影响等。最后，在低成本的50米阶跃光纤系统中，采用伪随机-补零-离散多音频（PN-ZP-DMT）传输实现了1.49 G比特/秒的网速，这也最终证实了文中所提出的新型调制方案的有效性。
 光纤技术
    来自瑞士联邦材料科学与技术实验室、IBM苏黎世研究中心和美国道康宁公司的科研人员，通过使用定制的激光直写系统，制造出一种单模聚合物光波导，做为用于板级芯片之间进行光互连的装置。他们开发出一种新型可曝光成像的聚硅氧烷材料，这种材料在制造过程中损耗低、工艺简单、并且可以大面积加工，在使用运行过程中可靠性高。科研人员所设计的聚硅氧烷光波导的横截面面积为5.5×5.5平方微米，光纤芯与包层聚合物之间的折射率差为0.0086，在1.3微米波长下以单模方式运行；沿波导直线传播损耗达到了0.28分贝/厘米。这种波导已经制造出来并广泛应用于各种无源光器件，包括Y型分光器、定向耦合器和马赫-曾德尔干涉仪等。这样的成果表明，通过采用文中所推荐的聚硅氧烷材料和相关制造工艺，可以很好地实现短距离光互连链路。