2016 年1月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周俊毅 李长祥 周越

    2016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

来自丹麦科技大学光电工程系高速光通信组的科研人员提出了一种由多维交换节点组成的新型基于环的数据中心架构。节点与节点之间通过多芯光纤互联，并可以提供三种不同的物理开关，分层覆盖三种维度（空间、波长和时间。他们提出的架构允许在不同维度进行缩放，并在同一时间提供支持不同粒度的连接。 环形拓扑结构减少了所需的不同物理链路的数量，从而产生更简化的布线和更简易的链路管理，同时光学旁路拥有低延迟和低功耗的前景。 多维交换节点的性能已被采用多芯光纤连接的三个网络节点的示范实验验证。为了通过切换不同的物理维度连接不同的节点，研究人员已经建立兼具高容量波长和时间共享的亚波长的连接。无差错性能（误码率（BER）<10-9）已经实现在所有调查的切换脚本下为具有的各种粒度建立连接。科研人员对系统的可扩展性进行了研究，通过增加传输速率到1T比特/秒/芯，相当于在单个7芯的多芯光纤中7T 比特/秒的吞吐量。通过对所有连接的无差错性能（误码率（BER）<10-9）的进行实验，科研人员证明他们提出的架构能够满足数据中心现有的需求并能适应未来的业务增长。

图1.  基于多维交换节点的环形结构图

    来自伊朗Alzahra大学计算机工程系的科研人员设计了一个再生器安置（RP）的可扩展框架，该框架可以将路由、调制电平选择和频谱分配（RMSA）聚合在半透明的弹性光网络中。他们首先介绍一个基于路径的数学公式，可以解决给定一组指定的再生器安放位置的路由、调制电平选择和频谱分配（RMSA）的问题。在初始再生器安置（RP）的计算阶段，他们重复调用混合整数线性规划（MILP）模型来确定提高再生器性能的最佳顺序。科研人员由将分区服务器提供服务的需求分成小组，并且用递归的方式解决提出的混合整数线性规划（MILP）模型的可扩展性问题。在随机性,体积,跳跃长度和一次通过需求订购的方面与以前的工作进行比较后，他们制定了一个新的自适应路由和基于影响需求的分组和排序方案，优于传统随机或资源消耗型的方案。研究人员表明，当组尺寸被减少到一个时，为路由、调制电平选择和频谱分配（RMSA）问题而设计的递归混合整数线性规划（MILP）的解决方案密切对应了理想的非递归混合整数线性规划（MILP）方案在宽范围通信业务负荷的变化。为了进一步推广的递归模型的可扩展性，他们基于频谱分配可用性的概念，分析了路径的选择、需求分组和排序的影响，最终开发的启发式算法。数值仿真验证了他们的方案，递归整数线性规划（MILP）方案可以在很短的的运行时间内得到之前研究人员提出的启发式算法几乎相同的性能。这使他们能够精确分析德国电信网络在重流量负载下的对实际光纤通带的设置方式。他们发现，实现网络吞吐量超过100TB / s

无源和有源光子器件

    来自日本电报电话公共公司设备创新中心，光子学实验室和设备技术实验室的研究人员，使用经光学多路复用器阵列单片集成的直接调制DFB激光器（DML），制作了一个小型的100千兆以太网（100GbE）发射机光学子组件（TOSA）。通过使用他们特别设计的InGaAlAs / InGaAlAs多量子阱，即使当操作温度高达55°时，在1295-1310 nm波长范围内，仍可获得较大的信号增益。设备中4通道数组芯片只有2毫米×2.4毫米大小。并且研究人员制作的发射机光学子组件（TOSA）也仅有7.2毫米（宽）×14.3毫米（长）×6.5毫米（高），这适用于一个CFP2收发器或更小的100千兆以太网（100GbE）收发器 。对于所有的通道，发射机光学子组件（TOSA）的3dB带宽超过了17 GHz，传输速率达到了25.8 Gbit/s。此设备可在4路25.8 Gbit/s通道中，利用单模光纤无差错传输超过30公里。

来自日本三菱电机研究实验室和英国伦敦大学的科研人员设计了一个导频辅助数字相干接收机，能够检测一个传输速率为1T/ s并具有光学前端的超级信道。他们对接收调试算法进行了设计，并计算了均衡器系数，子信道的信噪比（SNR），和传输的星座图。随后科研人员详细描述了对算法进行的导频辅助操作，提供导频辅助恒模均衡并估算在多个相干子信道中的联合载波相位。他们证明该相干接收机可以对净比特率超过1 TB / s的超级信道进行检测。科研人员使用了11×10 GBd 的64进制DP相正交振幅调制（DP-64QAM）的奈奎斯特超级信道，总比特率可达1.32 Tb / s。

图2.  超宽带数字相干光接收机实验装置框图
    来自弗吉尼亚大学电气与计算机工程系的研究人员，研制了两种单向光电二极管。其具有背照、倒装键合、电荷补偿的特性，并且带宽超过110 GHz。其中一种直径为10um，它在100G赫兹下可提供的射频（RF）输出功率为9.6dBm；另一种直径为6um，它在110G赫兹下可提供的射频（RF）输出功率为7.8dBm。为了评估带宽的限制因素，研究人员基于S参数拟合，建立了一种参数提取分析模型。

    来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员提出，在许多领域，宽带电磁波吸收器具有重要的实际意义。在高频上，具有多层次结构的电流吸收器面临着制造困难和设计复杂的问题。在研究中，他们制造了一个宽带、广角、偏振无关和常规棱锥体结构的完美红外线吸收器，但只采用单一的透明导电氧化物材料，而没有使用多层设计。研究人员引入传输线模型来控制复杂的频率响应。全波仿真与理论预测的结果相一致。这种简化的配置能够减少制造和设计的困难，并在许多方面的应用中都表现出巨大潜力，例如能量收集、红外探测和成像系统等。

光传输

    来自伦敦大学光学网络集团，阿斯顿大学光子技术研究所和马德里光学研究所的科研人员，对10 GBD pdm-16qam超通道的无中继传输性能进行了分析。该通道具有7奈奎斯特间隔，采用全频段的信号相干检测和多通道数字反向传播（MCDBP）技术以减少非线性效应。在无中继传输实验当中，研究人员对如下两个放大系统的性能进行了研究：（1）掺铒光纤放大器（EDFA），（2）二阶双向拉曼泵浦放大器，并直接比较了可实现的信息速率（AIRS）。在不同距离跨度中进行的实验表明，对于6.8比特/秒/赫兹的信息速率，拉曼系统使距离跨度增加了93公里（36%）。另外，在此距离，两种放大方案中多通道数字反向传播（MCDBP）技术为信息传输速率提高了1 bit/s/Hz（到达7.8 bit/s/Hz）。当采用低密度奇偶校验码时，拉曼和多通道数字反向传播（MCDBP）的信息速率增益理论依然适用。此外，对于者两种不同的放大系统，研究人员对多通道数字反向传播（MCDBP）算法在性能和计算复杂度方面进行了比较。结果表明，为达到最大的多通道数字反向传播（MCDBP）增益，由于光纤非线性分布的影响，拉曼系统需要的计算复杂度大约为多通道数字反向传播系统（MCDBP）的四倍。

图3.  子通道（奈奎斯特空间）中使用EDFA和拉曼的PDM-16QAM无中继传输系统

    来自亚历山大大学电气工程系，麦克吉尔大学电气与计算机工程系的研究人员，通过调制和斯托克斯空间直接检测的方式，检测了单一激光强度在两正交偏振，偏振相位和偏振差分相位上的四正交度量或自由度（DOF）。在发射端，双极化同步四相（DP-IQ）调制器，通过一个4通道数字模拟转换器（DAC）驱动来压印传输的数据到上述四自由度（DOF）。每个极化传播符号来自于多圈/多相星座图，例如双环/四进制相移键控（PSK）或双环/ 8PSK，这导致了偏振复用（PDM）的强度格式与偏振相位，以及偏振差分相位调制(PDM-IM-IPMIDPM)。在接收端，一个新的直接检测（DD）前端包含两个2×4 90°混合物，两个单端光电二极管（PDS）、四个平衡PDS，耦合器和偏振器件，它产生六路包含所有四调制自由度（DOF）信息的电流，这些信息可借助于斯托克斯空间中的后续数字信号处理（DSP）检索。装备建议的收发器后，研究人员实验表明，采用40G波特双环PDM（偏振复用）/ 8PSK（八进制相移键控）调制，设置硬判决（HD）-前向纠错编码（FEC）的判决门限后为3.8×10-3，并在单模光纤（SMF）中以320 Gb/s的速度传输10公里，可产生8比特/符号的信号。此外，研究人员还得出，若采用45G波特双环PDM（偏振复用）/ 8PSK（八进制相移键控）调制，设置软判决（SD）-前向纠错编码（FEC）的判决门限为2×10-2后，在单模光纤（SMF）中以360 Gb/s的速度传输20公里后信号的情况。

光调制与光信号处理

    来自法国诺宰阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员，提出了一种新的相干光OFDM应答器方法，这种方法不仅能回收微秒级数据脉冲，还能符合存在于光槽交换内部数据中心网络的严格滤波约束。在大节点计数环境下，对滤波效果进行检验。科研人员对CO-OFDM在跨越100个长级联节点时的性能进行研究，并将结果与典型奈奎斯特脉冲形方法进行比较。相比于Nyquist脉冲信号，COOFDM表现出40％扩展覆盖范围，50Gbps 更高的总平均率和>4 GHz的额外失谐容限。

    来自意大利都灵理工大学电子与电讯学科的科研人员，通过传输符号率优化（SRO）方法的非线性缓解来增加覆盖范围。首先,科研人员做了理论和模拟，表明EGN 模型是能正确解释实验现象的非线性模型，其具体版本包括四波混频。然后，科研人员发现，在2~6G波特范围的最佳符号率对于全C波段PM-QPSK系统覆盖范围的增加是巨大的，约为10%-25%。对于C波段PM-QPSK系统上的单模光纤，研究人员发现缓解的潜力，因其符号率优化大于数字反向传播理想情况下给予的符号率优化 (后者用 32 G 波特率的通道带宽)。然后，科研人员设置了一个实验来验证理论和仿真预测。它由19个跨距长度108公里和仅有掺铒光纤放大器放大的相干信道组成。在可编程开关电容滤波器上，每个信道在128 Gbit / s操作。他们发现，当从在32 G波特的每信道传输单载波变为在4 G波特的每信道传输8个副载波时，覆盖范围增加约为13.5％，这与EGN模型预测相一致。科研人员还将SRO的理论研究扩展到PM-16QAM中，并发现了性质上相似的结果，虽然PM-QPSK的潜在覆盖范围增加仅有50%到60%。下一步，他们将具体探讨去除长相关相位和偏振噪声的最佳符号率对PM 16QAM的影响。

    来自葡萄牙阿威罗大学电子、电信与信息学院的研究人员提出，下一代400G光传输系统部署的关键技术是光学超信道和数字非线性缓解技术。科研人员通过实验评估了基于偏振复用 (PM) 16QAM 和 64QAM 调制的双重和三重载波 400 G 超信道的多载波数字反向传播 (MCDBP) 的性能与复杂度。作为目前广泛使用的基于全视野（TF）DBP的非线性补偿的替代，研究人员证明其耦合方程 (CE) DBP 方法可以使计算效率更高，同时在采样率和电带宽有限的情况下，接收机前端的非理想均等也更鲁棒。采用放置在WDM系统的75 GHz的时隙中的三重载波PM-16QAM 超信道，科研人员证明使用EC-DBP的超长距离信号覆盖范围达到了6600公里，对应的相对色散均衡化（CDE）增加了32％。在光网络中，针对 400G传输的高光谱效率的解决方案，科研人员将结果扩展到被放置到50GHz的时隙中的三重载波的PM-64QAM超信道，在单个超信道上通过使用EC-DBP的最大信号覆盖范围达到1750公里，对应的相对色散均衡化（CDE）增加了60％。

    来自武汉华中科技大学光学与信息学院的研究人员基于星座图分类的技术，提出并理论验证了M进制交错正交幅度调制（OQAM）信号的低复杂度载波相位恢复（CPR）。由于相位噪声引起的串扰，OQAM信号对激光线宽的耐受性非常差，研究人员发现，OQA M信号的奇、偶数样本只有伴随相位噪声的常规星座图旋转。通过分类星座图的线性拟合，从线性拟合函数的斜率可以得到载波相位估计。与科研人员最近提出的改进的盲相搜索 (MBPS) 方法相比，CPR的计算复杂性（CC）不会比M进制OQAM调制增加太多。考虑到16 -OQAM的CPR，研究人员表明，在乘法器（加法器）形式中，通过8.47 ( 7.34) 的因子可以显著降低CC，在满足条件时，性能可与MBPS相媲美。对于16QAM，在CD=300ps/nm的和DGD=10ps的情况下，线宽容限和符号持续时间的乘积就是0.7 dB所需的OSNR代价。

[/center]图4.  16 OQAM条件下提出的CPR 方法原理图

光纤技术

来自巴伊兰大学工程学院，特拉维夫大学电气工程学院、工程学院的研究人员，对一根空间分辨率为2厘米，长度为8.8公里的光纤，进行了分布式布里渊分析。共测量了所有440000个潜在的分辨率点。其中，一个位于泵波的输出端的7厘米长的热点，在实验中被正确识别。研究人员计算得出：布里渊频移局部估计值的实验误差为3.5兆赫。该分析建立在如下基础上：由周期相位调制泵和信号波引起的超过2000个相关峰，它们同时生成，且进行布里渊相互作用。单体峰通过一个10000位长的周期序列(泵波雷达形编码)进行布里渊放大，并在接收端检测后压缩。研究人员对超过1公里的光纤，进行了布里渊相互作用的广泛数值模拟。他们采用了最先进的分布式布里渊传感器，使结果达到了厘米分辨率。

[center]图5.  长距离，高分辨率分布的布里渊光纤分析实验装置。
SSB：单边带。AWG：任意波形发电机。EDFA:掺铒光纤放大器。
实心线表示纤维路径，虚线表示射频电缆 
    来自西班牙马德里的卡洛斯三世大学电子技术学院的研究人员提出，快速光纤双色测温仪应用到光通信波段中，对加工过程中的温度进行测量。在多路输出选择器和光电子设备中使用现成的低损耗光纤，以获得具有成本效益的传感解决方案，同时降低温度测量误差和最小可测温度。该系统无需使用准直透镜，就能够测量非常高的局部温度。科研人员设计允许测量温度在300～650℃的范围内的高温计，并实现满量程温度误差低至4％。他们还对影响温度测量值的因素进行了研究，以便确定传感器的局限性，例如在光纤的端部可能的损害，光谱损耗衰减和响应或在纤维端部与目标之间的距离。最后，高温计被应用在转向过程中，将光纤传感器嵌入到标准的工具支架上。铬镍铁合金718温度测量显示报告和仿真结果完全一致。

图6.  高温计和实验装置的原理图

     来自英国剑桥大学工学系电气工程科光子系统中心的科研人员为了能使传输数据率大于1 Gb / s，提出了在无线可见光通信（VLC）系统中前馈预均衡与正交振幅调制（QAM）联合调制的方案。仿真结果表明，有着简单几个抽头的前馈预均衡能够更好地除去在视线（LOS）可见光通信（VLC）传输链路中产生有限链路带宽的码间干扰（ISI），与后均衡相比可提供高达5 dB的更高的接收机灵敏度。预均衡方案是采用在自由空间可见光通信（VLC）链路下的脉冲幅度调制（PAM）调制来实现的，相比与不归零码（NRZ）调制它提供了一个增强的频谱效率。在这项工作中，微像素化的发光二级管（μLEDs）被用作发射机，因为相比常规的大直径的发光二级管它们显示出更高的调制带宽。科研人员在接收器上使用一个雪崩光电二极管（APD），以提供一个增强的链路功率预算。传输距离大于0.6 m的无错误（误码率（BER）＜10-12 ）2 Gb / s的自由空间可见光通信（VLC）实验证实了使用简单的3抽头前馈预均衡器和4进制脉冲幅度调制（PAM-4）的调制方案。结果表明，只有少数抽头的前馈预均衡可以大大提高微像素化的发光二级管（μLEDs）基于链路的性能，并为高速的可见光通信（VLC）链路提供一个简单且节约成本的解决方案。