2014年7月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：
邵宇丰 王炼栋
    2014年7月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及子系统

    在未来光网络中需求多样性的程度很高，不同需求要求提供的服务不同，由此对网络中传输质量的要求也不相同，从而在传输链路上会混合使用多种调制格式或交换技术，这对网络如何进行有效的控制和管理提出了挑战。认知技术的引入有助于对网络进行优化，在认知技术中通过采用观察、表现、学习等途径来提高网络性能，尤其考虑了端到端的情况。欧盟的CHRON项目：即认知异构可重构光网络项目提出了一种策略，通过使用认知技术来有效地控制网络。在论文中，来自丹麦科技大学光学工程学院、西班牙巴利亚多利德大学、希腊雅典信息技术学院、意大利CREATE-NET研究中心、中国华为技术有限公司欧洲研究中心和法国电信华沙研发中心的研究人员介绍了在整个项目（如何在未来光网络中运用认知技术）实施过程中，对不同技术发展的情况调查。

    交互式网络电视（IPTV）市场的快速发展，导致互联网上流量增加，由此提高了人们对互联网能源消耗问题的关注。在论文中，来自英国利兹大学电子与电气工程学院、沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王大学电气与计算机工程系等的科研人员一起探讨了电视收视行为和电视节目受欢迎程度的动态变化，以便制定一项策略来最大限度地减少能源消耗。科研人员通过计算交互式网络电视（IPTV）在IP-over-WDM（基于波分复用的I P传输）网络上运行时的功耗，对这项策略的影响进行了评估，计算时同时考虑了标准清晰度电视节目和高清晰度电视节目。首先，在更靠近最终用户的网络节点上，设置高速缓存用于存储最受欢迎的节目，以此来降低能源消耗；然后，通过对收视行为的研究而制定一项由时间驱动的缓存内容替换策略，以最大限度地提高缓存中内容被选中的命中率，从而进一步减少能源使用。科研人员开发了一种混合整数线性规划（MILP）模型，用来评估实施时间驱动高速缓存内容替换策略时的网络功耗，并通过仿真验证结果。最后，科研人员还扩展了这种数学模型的功能，使之除了执行缓存内容替换外还具有进入睡眠模式的能力，这样能源消耗会更低。研究结果表明，使用缓存进行基于时间的内容替换，可以提高缓存中内容被选中的命中率；与未使用缓存相比，全部的功率消耗最大可减少达86％。科研人员通过研究还发现，与使用标准清晰度电视相比，使用高清晰度电视可以节省更多的功率消耗，因此这种策略将有利于交互式网络电视（IPTV）的长远发展。


    来自韩国延世大学电气与电子工程系的研究人员提出了一个新的设想，在无线与可见光一体化通信系统中，使用单个发射机和多个倾斜的光接收器进行室内的三维定位。基于在实验中获得的发射器和接收器的特征数据，研究人员建立了一个模拟信道链接。本文所提出的三维定位算法的基础是增益差异，这种差异是信号到达角度和接收信号强度的函数。研究人员通过演示表明，该算法能够提供包括高度在内的精确定位数据，并能排除小区间内的干扰。



无源和有源光子器件

    低损耗的硅波导是实现高性能光子集成电路的关键。在论文中，来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室、格雷斯半导体制造公司和华力微电子公司技术研发部的研究人员介绍了纳米硅波导的制造原理、特征以及对损耗的分析。纳米硅波导是采用了0.13微米互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，在硅晶绝缘体（SOI）晶片上制造出来的。为了减少传播损耗，在制造过程中使用的光刻法和蚀刻法都进行了优化，以使波导的侧壁光滑。在1550纳米波长的TE和TM模式下，所获得的波导传播损耗分别为2.4±0.2和0.59±0.32 分贝/厘米。研究人员用一种理论方法来估计在TE和TM模式下波导的传播损耗，并且还要考虑到来自波导的两个侧壁表面和顶部/底部表面的散射损耗。计算结果表明，在TE和TM模式下，由波导侧壁粗糙度引起的损耗是传播损耗的主要来源。总传播损耗中，波导的两个侧壁表面和顶部/底部表面在导致损耗方面起了同等的作用。从理论上估计出的传播损耗与测量的结果相符合。

    来自中国浙江大学信息科学与电子工程系的科研人员对环形谐振器中的回音壁模式（WGMS）进行了研究。他们采用共形变换的方法将环形谐振器转换成更简化的结构，利用横向共振的原理来计算谐振频率，并将传输线理论应用于计算电磁波场。科研人员还在不同高Q值的谐振器（包括直径几个微米的小谐振器和直径几个毫米的大谐振器）中，对谐振频率和场分布进行了研究。论文中所使用的方法，为对包含环形谐振器的设备进行分析提供了一种更有效的途径。

    来自中国北京大学电子学系电路与系统实验室的研究人员介绍了一种方法，可以使带有锁相环（PLL）的单回路光电振荡器（OEO）具有长期稳定的频率。光电振荡器（OEO）是通过一个具有PID调节器的锁相环（PLL）电路，将频率锁定到一个高度稳定的微波参考信号上。采用这种方法，研究人员获得了高度稳定的3.035 GHz微波信号，该信号在频率偏移量为10Hz处的相位噪声为-65 dBC/Hz；在平均1000秒的时间里，信号的频率稳定度达到了6.98×10-14。这些实验结果表明，在使用由锁相环（PLL）锁定的光电振荡器（OEO）后，信号的长期频率稳定性和低偏移量频率处的相位噪声性能都获得了极大的改善。因此，在微波光子学的应用中，锁相环（PLL）锁定的光电振荡器（OEO），将成为高稳定、低相位噪声微波发生器的一个强有力的候选对象。

    来自中国浙江大学光电技术学院、浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、香港理工大学电气工程系、香港理工大学深圳研究所、深圳大学光电子学研究所、教育部和广东省光电器件与系统重点实验室、湖北理工大学电气电子与信息工程学院的科研人员介绍了一种用于折射率和高温传感的超小型微纤维传感头。这种设备在形式上是一种马赫-曾德干涉仪，通过沿一部分微纤维创建一个内气腔而构成，呈现出约4202nm/折射率指数单元的高折射率灵敏度以及41pm/°C的良好温度敏感性，并能在高达1100℃的高温下维持优异的工作性能。

光传输

    来自美国阿尔卡特-朗讯公司贝尔实验室和美国OFS 实验室的科研人员通过实验对速率为256 Gb/s的传输系统进行了性能方面的研究。这种传输系统在无色散补偿的Terawave SLA+ 光纤上采用了偏振复用16进制正交幅度调制（PDM-16QAM），使用了掺铒光纤放大器（EDFA）、混合拉曼/掺铒光纤放大器和全后向泵浦拉曼放大器。通过对37.5 GHz和50 GHz的信道间隔以及级联的可重构光分/插复用器（ROADM）对系统性能的影响进行研究，科研人员发现，传输系统的信道间隔无论是37.5 GHz还是50 GHz，在没有可重构光分/插复用器（ROADM）的情况下，与仅仅使用掺铒光纤放大器（EDFA）相比，使用混合拉曼/掺铒光纤放大器和全后向泵浦拉曼放大器可以使传输距离分别达到约70％和100％的增长，从2000公里分别增加到3500公里和4200公里，系统假设为20%的软判决前向纠错（SD-FEC）。研究人员还发现，使用级联的可重构光分/插复用器（ROADM）在50 GHz信道间隔下对系统影响很小，但在37.5 GHz信道间隔下会严重降低系统的性能，几乎抵消了从拉曼放大器上获得的增益，这是由于可重构光分/插复用器（ROADM）滤波效应引起的高误码所导致的损害。研究人员进一步发现，当不使用可重构光分/插复用器（ROADM）时，对于相同数量的信道，传输系统在37.5 GHz和50 GHz信道间隔下具有相似的性能。

    在该篇论文中，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，对频分复用相干光时域反射仪（FDM-OTDR）中存在的信道间串扰（XT）进行了理论说明。光时域反射仪（OTDR）在反射率急剧变化的地方，由于信道间串扰（XT）的影响而降低了空间的跟踪精度，这些信道间串扰（XT）主要取决于频率信道间隔、脉冲波形和信号处理时的加权函数。科研人员的研究表明，光时域反射仪（OTDR）跟踪精度的恶化，可以使用脉冲响应分析来充分模拟，并且能通过加权函数以及对探测脉冲形状进行切趾来有效抑制信道间串扰（XT）。此外，在相关的实验过程中，科研人员还提出了一种新的对非线性自相位调制（SPM）进行抑制的方案，用以适应处理后的探测脉冲传输。最后，对脉冲响应、光时域反射仪（OTDR）跟踪和对自相位调制（SPM）进行抑制的实验结果进行了讨论。



调制与信号处理

    来自韩国延世大学电气与电子工程系的研究人员提出了一种在强度调制/直接检测（IM/ DD）系统中使用，基于双极化的I/Q信道分离基带正交频分复用（OFDM）光传输技术。通过与中频（IF）上变频的正交频分复用（OFDM）系统相比较，研究人员用实验验证了论文所建议系统的性能。为了获得更好的性能，研究中使用了自适应调制的光正交频分复用（OFDM）信号。实验结果表明，经50公里单模光纤的传输后，达到的最大传输速率为 28G比特/秒，并且只占用了4 G赫兹的信号带宽。在基于极化的强度调制/直接检测（IM/ DD）多路正交频分复用（OFDM）系统中，与其他方法（IF上变频法或埃尔米特对称法）相比，本文所提出的技术实现起来具有相对简单的硬件结构和较低的计算复杂度。


    来自韩国汉城东国大学电子与电气工程部的科研人员提出了子载波强度调制（SIM）/空间调制（SM）辅助的自由空间光通信方案，并使用了分集接收技术。利用计算机仿真技术，科研人员研究了所提出的子载波强度调制（SIM）/空间调制（SM）方案的性能；并在加性高斯白噪声（AWGN）信道、以及用于户外的对数正态分布大气信道环境下，与那些传统的子载波强度调制（SIM）方案进行了对比。在加性高斯白噪声（AWGN）信道中对所提方案的误码性能进行了数学分析，其频谱效率为2比特/秒/赫兹，由此验证了仿真结果。数值结果表明，在前述两种信道中，无论其频谱效率如何，所提出的子载波强度调制（SIM）/空间调制（SM）方案在性能方面都可以胜过传统的空间调制（SM）方案。研究人员经实验进一步证明实了，在该方案中通过采用多个接收器，进一步减少了闪烁效应的有害影响。此外，论文所提出的子载波强度调制（SIM）/空间调制（SM）方案由于使用了分集接收技术，在频谱效率和接收机的数量增加的情况下，应对湍流所引起的衰落的能力更强了。

    在该篇论文中，来自中国北京大学电子工程与计算机科学学院先进光通信系统和网络国家重点实验室以及富士通研发中心的研究人员提出了一种方法来自动控制铌酸锂马赫-曾德调制器（MZM）的偏置电压，这种方法经过了实验验证。自动偏置控制（ABC）方法是基于低成本的相干检测，这里的相干检测采用了3×3光耦合装置，从而提高了抖动检测的灵敏度。研究人员通过对所监控的抖动频率分量（代表光信号的残留载波成分）进行最小化处理，使调制器的偏置电压得到了优化。他们还引入了0～π/2方波相位调制，用于减轻由3×3耦合器的不平衡性所导致的检测波动，提高了监控的准确性。实验结果表明，论文所提出的方法对不同的调制格式普遍适用，并能针对内部的同相/正交（I/Q）分量和外部光正交调制器的相位偏置，实现高精度的偏置控制。对于单载波（SC）调制和光正交频分复用调制而言，这种自动偏置控制（ABC）方法所导致的损耗是微不足道的。除此以外，研究人员还介绍了对温度扰动的容忍度。

    当前，在使用强度调制的光传输链路中，人们对无载波幅度相位（CAP）调制的应用具有越来越浓厚的兴趣。采用多电平调制原理的无载波幅度相位（CAP）调制可以达到较高的频谱效率并且运行成本较低。这种调制技术有一个有趣的特点，它的信号基带可以扩展到三维或更多的维度上。在论文中，来自波兰华沙理工大学电信研究所的研究人员介绍的内容是围绕三维无载波幅度相位（CAP）调制技术的。主要讨论的是在三维空间中应用的收发滤波器设计、频谱效率和数字均衡技术。有几个与三维无载波幅度相位（CAP）调制传输相关的问题值得注意。最显著是峰均功率比问题，在三维调制中峰均功率比远高于一维或二维调制，并且三维均衡器的输出与噪声有相关性。后者的问题将会严重降低误码率性能，但可以通过噪声白化均衡技术使其被有效减轻。最后，在阶跃型聚合物光纤传输链路中，用实验方法对一维、二维和三维无载波幅度相位（CAP）调制方式进行了比较。

    来自韩国延世大学电气与电子工程系的研究人员提出了一种新的频率分配方法，以便在基于载波分配可见光通信技术的室内定位系统中，重新有效地使用射频（RF）频率。研究人员在论文中探讨了六边形、正方形和长方形单元布局的性能特征。他们通过实验对这种实时室内定位系统进行了验证，并对不同的单元布局加以分析比较来确定最佳的频率分配。


光纤技术

    在该篇论文中，来自希腊雅典大学信息学与电信学系的科研人员设计并分析了全光纤宽带模式多路复用器（MMUXs），这主要应用于模分复用和波分复用传输系统。该设备是基于级联的二维或三维对称少模光纤（FMF）耦合器。科研人员根据不同的设计方法，将这种全光纤宽带模式多路复用器（MMUXs）优化以使其工作在C波段和多种模式（LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02）下，其响应接近平坦，平均插入损耗约为1.6分贝；科研人员还借助于全矢量光束传播法对少模光纤（FMF）耦合器和全光纤宽带模式多路复用器（MMUXs）的运行进行了数值分析。如果进一步考虑每种线性极化（LP）模式的两个极化状态，这种全光纤宽带模式多路复用器（MMUXs）就可以支持12种空间信道的联合使用；与单一空间信道系统相比，在光纤传输系统中使用这种空分复用（模式和极化状态）技术，相当于增加了一个数量级的容量。