2017 年6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

    2017年6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 
    来自澳大利亚墨尔本大学工程学院电气与电子系的科研人员，研究发现触觉互联网（TI）采用新的实时人机交互应用程序/服务可以改变人们的日常生活。然而，指标的实现需要对底层通信基础设施进行彻底的重整，因为这些应用/服务需要运营商级的可靠性，超高的安全性和超低延迟（大约1 ms）。为了满足严格的延迟目标，科研人员预计将服务器放置在距离触觉边缘仅几公里的短距离处。除了在无线触觉的边缘上进行重大且持续研究外，科研人员认为还需要加强对局域网（LAN）部分的关注以支持触觉互联网的愿景。针对这一挑战，科研人员分析报告了设计局域网的第一个方案，以促进延迟敏感的触觉互联网流量和带宽密集型应用的融合交付。具体来说，我们的解决方案是采用一种被称为触觉互联网动态波长和带宽分配算法（TI-DWBA）的预测资源分配算法，将无源光局域网（LAN）上的时间和波分复用技术相结合。TI-DWBA的作用主要有：(a)估计每个集成光网络终端/无线接入点（ONT / WAP）的触觉互联网（TI）和非TI流量的平均带宽，（b）利用中心局的预测机制预测并分配每个ONT / WAP上累积流量的带宽和波长，（c）动态地改变网络中的有效波长数，缓解网络拥塞从而满足端到端等待时间的约束。在各种网络配置、流量分布、流量比例和流量负载的影响下，科研人员用TI-DWBA算法，对触觉互联网流量端到端延迟的有效性进行了测试。结果表明，可实现100μs级的超低端到端延迟。 

图1传统的基于铜缆和MMF的局域网络（LAN）和无源光接入网络的比较

     来自希腊加泰罗尼亚政治大学和雅典信息技术学院的科研人员，近来已经对空间集成的交换架构进行了研究，试图为基于空分复用（SDM）光纤的网络提供交换能力，并降低了实施的成本。 这些体系结构依赖于以下的切换模式，提供不同的光谱和空间的交换粒度：独立开关（IND SW），它提供了充分的空间频谱的灵活性；接头开关（J-SW），它把所有的空间模式作为一个单一的实体；和分数联合开关（FRJSW），即空间模式的子组作为独立的单位一起交换。由于空间资源（模式、核心或单模光纤）被分组，最后两个范例被归类为空间组交换（SG-SW）解决方案。 在本文中，科研人员比较了上面列出的空分复用（SDM）切换范例的性能（在频谱利用率，数据占用率和网络交换基础设施成本方面），在网络规划情况下研究不同空间和频谱交换粒度。空间粒度与空间资源的分组有关，而光谱粒度取决于波长选择开关（WSS）支持的信道波特率和频谱分辨率。科研人员考虑使用两种波长选择开关（WSS）技术来处理空分复用（SDM）的切换范式：1）当前的波长选择开关（WSS）技术 2）具有两倍分辨率改进的波长选择开关（WSS）技术。他们假设在所有链路上的单模光纤束作为近期的SDM解决方案。结果表明，随着流量需求规模的增大，所有切换范式的性能都会随之减少，但较小的空间和频谱粒度会导致小流量需求的性能显著改善。另外，科研人员还证明，为了在空分复用（SDM）网络中具有全局最佳频谱利用率，光谱交换粒度必须适应流量大小。 最后，他们计算了每个交换架构所需的波长选择开关（WSS）的数量及其端口数，并且假定采用两种波长选择开关（WSS）技术（当前的波长选择开关（WSS）技术、改进分辨率的波长选择开关（WSS）技术）的实现方式，来估计空分复用（SDM）网络的相关交换成本。
    来自北京大学光通信系统与网络国家重点实验室的科研人员指出，云无线接入网（C-RAN）作为一种新颖的网络架构，可满足不断增长的用户需求。特别对于云无线接入网（C-RAN）的运营费用（OPEX），包括能源消耗等，这是人民共同关心的一个问题。 以前对云无线接入网（C-RAN）能耗评估的研究仅考虑一个虚拟服务器和一个远程射频头（RRH）的情况而忽略光学前沿，因此不能为整个接入网络提供整体分析。 在本文中，我们分析了使用基于以太网的TDM-PON（即10G-EPON）作为光学前沿的整个云无线接入网（C-RAN）架构的能耗。 显然，在引入前端部分后，对整个网络的能源问题的分析变得更加复杂。基于队列理论，科研人员为云无线接入网（C-RAN）中的能量分析提供了新的网络流量建模。 而且，他们还提出了一种方法来提高服务质量（QoS），并能使系统在最节能的状态下工作。此外，他们还进行了云无线接入网（C-RAN）与10G-EPON-LTE架构的比较，并在两个网络中分析功率延迟权衡、功率随着请求到达率的变化以及的日常功率分配。

无源和有源光子器件
    来自华中科技大学光电子学院光电国家实验室的科研人员，提出并展示了基于八抽头有限脉冲响应（FIR）硅集成电路的光子高频微波信号发生器。与传统的微波系统相比，高频微波系统具有一些优点。在之前已经提出了基于不同技术的单频微波信号生成方案，包括光注入锁定，锁相环和双波长激光源。但这些方案需要庞大的衍射光学元件，并且对环境波动和低功率效率敏感。另一个替代方案是使用频率-时间映射。但由于映射的约束微波波形超过100 GHz是很难获得的。此外，离散的方案和集成方案，具有紧凑性和低功耗的共同优点。但是基于傅立叶合成方法的方案需要具有高分辨率的光谱分散器，这将降低制造公差，并且使得大规模制造变得困难。而这些方案中产生的微波最大中心频率只有80GHz。该基于八抽头有限脉冲响应（FIR）硅集成电路的光子高频微波信号发生器，通过利用热加热器调节每个抽头的振幅，获得了一些典型的包络线，如三角形包络线，锯齿波包络线和高斯包络线等。与以前的方案相比，生成的微波信号为125 GHz，远高于80 GHz（以前的记录），并且可以集成在硅绝缘体（SOI）上，还具有低功耗的优点。此外，该发生器不需要任何分散器，因此它具有大的制造公差，并且容易大规模集成。微波频率由相邻抽头之间的时间延迟决定，中心频率可以在33.3 GHz到200 GHz之间变化，这是一个非常宽的带宽。

图2. 脉冲发生器示意图
    来自墨西哥阿格斯卡连特斯市中心光学研究中心的科研人员，研究了一种使用多核耦合结构的高灵敏度光纤折射率传感器。近年来，有学者通过数值模拟预测了使用双芯光子晶体光纤（PCF）耦合器作为传感元件的折射率（RI）传感器的灵敏度会急剧增加。灵敏度的数值范围从14,000到70,000 nm / RIU，最高的实验证明灵敏度为30,000 nm / RIU。类似于液芯结构的情况，这些光子晶体光纤（PCF）耦合器传感器包括实验证明的光子晶体光纤（PCF）耦合器传感器受其本身操作原理的限制，不能用于感测具有生物相关性的约1.33左右折射率（RI）的水溶液。其操作原理仅用于具有高于波导材料的折射率（RI）液体，即1.45。基于表面等离子体共振（> 50,000nm / RIU，不基于光纤）的光纤折射率传感器已经被证明具有相当灵敏度但在折射率（RI）范围内的操作能力不如其它折射率（RI）传感器。基于有损模式共振的折射率（RI）传感器，使用D型光纤上的金属氧化物和聚合物涂层，其在两个极化下产生激发谐振并在光谱窗口内产生多个共振。这些类型的传感器已经证明了在1.44附近的折射率（RI）的灵敏度> 30万nm / RIU，在1.33左右的折射率（RI）为14,500nm / RIU。而科研人员提出了由七个核心（即七芯光纤（SCF））组成的多核耦合结构的高灵敏度折射率（RI）传感器。通常，基于多核耦合结构的传感器提供了许多优点，其中它们是正弦响应，以及它们对于核之间相互耦合的小变化具有高灵敏度。此外，这些感测架构是紧凑的，全光纤，制造简单，并且可以通过可控地蚀刻多芯纤维部分的包层来调整它们的灵敏度。实验结果表明，可以获得1×104nm / RIU的灵敏度，使得标准实验室分级设备可以解决10-4-10-5的折射率（RI）变化。该折射率（RI）传感器灵敏度低于上述一些传感器的灵敏度。然而，该传感器的制造简单，并且不需要额外的增强机制。更重要的是，我们的传感器不限于在特定的折射率（RI）范围内操作。这开启了在生物应用中使用这种类型的感测架构的可能性。
来自山东大学材料国家重点实验室的科研人员，研究了一种基于(Yb0.1Y0.9)3(Sc1.5Ga0.5)Ga3O12(Yb:YSGG)晶体的连续调Q激光器。在过去几年中，二维（2D）材料显示出优异的物理和化学性质。最近，二硫化钨（WS2）已经成为一种受欢迎的新型二维材料。类似于二硫化钼（MoS2），二硫化钨（WS2）也是层状过渡金属二硫属元素。在光学中，二硫化钨（WS2）膜具有饱和吸收和宽带非线性光学响应的特性。它被用作激光系统中调Q脉冲激光器的饱和吸收体。在这项工作中，科研人员制作了脊波导结构的Yb表面：通过精密的金刚石切片将平面波导处理成脊状波导。高速旋转（转速为20.000rpm，切割速度为0.1mm / s）的金刚石刀片切割平面波导并将凹槽制成平面。槽的宽度为20μm，厚度为50μm。在相邻的沟槽之间，平面波导的片段构成脊状波导。通过控制槽的分离距离，将脊波导的宽度调整为40μm。在940纳米（nm）的泵浦激光器下，连续（CW）激光器的最大输出功率为52.3 毫瓦（mW），波长为1024纳米（nm）时，斜率为46%。然后二硫化钨（WS2）涂覆到波导表面作为可饱和吸收体。调Q脉冲激光器的最小脉冲持续时间为125 纳秒（ns）。

图3（a）激光生成实验装置的原理图（b）YSGG波导（c）WS2膜
    来自台湾国立光子与光电研究所、清华大学通信工程系光子技术研究所的科研人员，利用一种无色激光二极管发射机，搭建了多载波码分多址（MC-CDMA）长距离无源光网络（LR-PON），并将该系统的性能与典型正交频分复用（OFDM）格式下的同一系统进行了比较。科研人员通过消除处理应用基于最小均方误差（MMSE）的多码干扰（MCI），可以有效地抑制多载波码分多址（MC-CDMA）PON中的多码干扰（MCI）的相对量，同时还根据误差向量幅度（EVM）的偏差进行分析。由于直接调制无色激光二极管的双边带特性，正交频分复用（OFDM）和多载波码分多址（MC-CDMA）格式在光纤传输后会产生严重的功率衰减。由于正交频分复用（OFDM）PON的部分子载波未能达到指定的前向纠错（FEC）的门槛，这会对传输75公里后的子载波和3%数据造成的巨大性能偏差。与此相反，科研人员在多载波码分多址（MC-CDMA）方案中，设计的发射机可以实现从背对背到50公里的距离传输。结果表明，即使在75公里传输之后，在前向纠错（FEC）准则下子载波之间的接收性能也较为均衡。 

图4. 下一代有线和无线融合WDM-PON概念图
    来自南京航空航天大学雷达成像与微波重点实验室的科研人员指出，由于基于光学单边带（OSSB）调制的光矢量分析仪（OVA）可达到亚赫兹分辨率而具有较大应用优势。然而，光学单边带（OSSB）信号的精度和动态范围会受到多余边带的影响，包括高阶边带和不需要的一级边带。科研人员已经研究了高阶边带的影响，并提出了几种抑制高阶边带引起误差的方法。 然而，他们对多余的一级边带影响的研究仍然不足。在实验中，科研人员建立了分析模型，并进行了数值模拟，以全面研究多余一阶边带对基于光学单边带（OSSB）调制的光矢量分析仪（OVA）的精度和动态范围影响。然后，他们通过实验验证了仿真结果，发现多余的一次边带对测量精度有明显影响，对动态范围有限制。考虑到传输响应的一些先前信息是已知的，即使出现较大的多余一阶边带时，仍然可以实现被测器件的某些高精度参数的测量。本研究可以为基于光学单边带（OSSB）调制的光矢量分析仪（OVA）的设计和应用提供指导。   
 
图5. （a）以10G-EPON作为前端的C-RAN架构图 （b）传统10G-EPON-LTE架构图

光传输
    来自中国科学院无线光通信重点实验室、中国科技大学信息科学与技术学院的科研人员，采用了混合泊松分布来表征用于光无线散射通信的信道湍流。表征光无线散射通信信道的一个重要特征是信道湍流引起的衰落。对于具有接收的连续波形的射频（RF）通信和视距（LOS）光无线通信，信道衰落可以由接收信号强度的波动表征。然而，对于光无线散射通信，较大的链路路径损耗往往会导致检测信号极弱。在这种情况下，光学计数检测器引入一种随机性较强的泊松（Poisson）分布，用于检测光电子数量。这与用于射频（RF）通信信号和具有足够大接收光信号能量的波形光接收机基本不同，而后者通常存在于诸如可见光通信的视距（LOS）光无线通信中。换句话说，湍流引起的光无线散射通信引起双重随机过程，通过大气传播的信号经历一定的衰落，然后光子计数接收器通过泊松分布随机化输出计算到光电子数量。对于这种检测泊松（Poisson）分布式光电子的光学无线散射通信，检测到的是光电子平均数量的波动，而不是检测到的光电子的数量。科研人员用混合泊松分布来表征检测到的光电子的平均数量分布，目的是通过将泊松分布检测的光电子数与平均数的波动相耦合来表征光无线散射通信湍流引起的信道衰落。提出了期望最大化（EM）算法来估计混合分布的每个分量。我们还提出了湍流引起衰落时间相关性的估计方法，这对于设计帧长度和信道估计的训练信号模式至关重要。实验结果显示，混合泊松分布的分量估计就具有良好的性能和时间相关性。此外，建立了光无线通信通道测试系统，并进行了室外现场测试，收发距离为1500米。从实验结果可以看出，相干时间长度可达数百毫秒。

光调制与光信号处理
    来自瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学信号与系统系的科研人员，研究发现多电平脉冲幅度调制（M-PAM）可以为大容量和小功耗的云计算提供技术支持。与传统的开关键控（OOK）调制相比，高阶脉冲幅度调制（PAM）可以产生更高的频谱效率，但也更容易受到物理层退化的影响。科研人员通过仔细的研究搭建了一个跨层分析框架，来检测数据中心网络环境中的PAM传输性能其中的网络环境可以支持光学组播和波长路由。我们的数据分析是在基于阵列波导光栅（AWG）核心和分布式广播域的交换机架构中得到的，实验发现其呈现出不同的物理路径和随机性，并且不受串扰噪声的控制。具有速率适配的里德-所罗门编码被并入PAM收发器以补偿损伤。蒙特卡罗模拟指出AWG串扰对波长复用架构中高阶PAM的显著影以及穿越多个路由阶段的信号码率自适应的重要性。研究结果表明，8-PAM能够为在一个广播域中终止的信号提供最高的有效比特率，但其在域间连接过程中效果不佳。另一方面，4-PAM的区域间容量的损耗可以降低至20.7％。科研人员表明，实验结果还需要软件定义的PAM收发器设计来支持调制阶数和码率的适配。  

光纤技术
    来自厦门大学信息科学与技术学院光波技术研究所的科研人员，提出了一种基于特殊多模光纤（FMF）模式下干扰检测折射率变化的新颖方案。 他们特别设计了测量中使用的特殊多模光纤（FMF）的参数和折射率分布，这使得在操作波长内仅传输LP01和LP02模式，传播常数差异Δβ在这两种模式之间达到最大临界波长（CWL）。用于检测周围折射率（SRI）的在线马赫-曾德尔干涉测量传感器，是通过将特殊多模光纤（FMF）与两段常规单模光纤进行拼接构成的。 科研人员首次证明，在1.316〜1.439的测量范围内，最大临界波长（CWL）将随着周围折射率（SRI）的变化而单调变化。最大临界波长（CWL）的实验灵敏度会随着周围折射率（SRI）的增加而增加。 实验中，科研人员得到了在1.316〜1.383范围内140.626±12.560nm/RIU的灵敏度；当范围为1.433〜1.439时，得到的最大灵敏度为2489.796±190.179nm/RIU。目前刻蚀的特殊多模光纤（FMF）参数分别为：在周围折射率（SRI）的范围为1.316〜1.383时，折射指数的检测门限（LoD）为3.413×10-4 RIU；在周围折射率（SRI）的范围为1.433〜1.439时，折射指数的检测门限（LoD）为1.928×10-5 RIU。