2015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。 
10/8/2015，2015年9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

        来自印度卡哈拉格普尔理工学院电信分校的研究人员，提出了一种基于环的集成无线光网络体系结构和相关的协议，涉及到以太网无源光网络（EPON）和长期演进（LTE）无线网络。上述所提出的协议以及架构都有助于切换延迟的减少。其中所提出的基于环的以太网无源光网络（EPON）架构，能够通过建立光网络单元，利用X2接口与长期演进（LTE）网络实施相互之间的直接通信。研究人员进一步讨论了关于在开放式接入网络架构上，如何实现多个移动服务供应商共同使用一个单一的以太网无源光网络（EPON），而不影响各自的信息安全。研究人员还通过大量模拟实验，对所提出的网络的性能进行了评估；他们引入了一个分析模型来计算经过X2接口的队列延迟，这个分析模型已经通过模拟实验得到了验证。

        在移动网络的建设中，小蜂窝式的部署方式已经被确定为几种面向未来的解决方案之一，但为小蜂窝提供一种高可靠性和高性价比的回程连接就成为一个关键的挑战。要提高小蜂窝网络部署的成本效益，就必须在规划部署时充分利用现有的资源。不过，也不能仅仅局限于现有资源的利用，在部署上仍需要采取战略性规划，否则可能会危及其他方面的需求，例如覆盖范围、容量等。来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员展示了在一个现有光纤资源是稀疏分布的场景中，如何完成一个符合成本效益的小蜂窝网络及其回程线路的规划。为此，研究人员开发了一种优化框架，在符合不同网络需求（例如覆盖和容量）的前提下，尽量减少部署成本。

无源和有源光子器件

        由于集成式偏振转换器（PC）的转换效率非常高（大于99％），因而人们能在磷化铟（InP）基的光子集成电路中达到更高的性能指标。来自荷兰埃因霍芬理工大学光电设备部COBRA校际通信技术研究所、美国Infinera公司和英国奥兰若科技有限公司的研究人员，介绍了如何将这种偏振转换器（PC）添加到一个含有半导体光放大器（SOA）的电路中，以获得与偏振无关的放大效应。通过将偏振转换器（PC）放置在两个相同半导体光放大器（SOA）部件间的中间位置，就可以实现偏振无关性。这种方法的优点是不需要在设计和制造上做任何妥协或让步。经测试，发现其偏振转换效率非常高，达到99.5％以上。由转换器导致的额外插入损耗低于0.5 dB。在电路中放置了偏振转换器（PC）后，半导体光放大器（SOA）的偏振相关增益（PDG）从17 dB减少到仅有0.3 dB；这是目前所能达到的最佳偏振相关增益（PDG）值（研究人员是在检索了相关文献，与采用其他技术所达到的偏振相关增益值进行了比较后得出此结论）。经测试，这种偏振相关增益（PDG）值的降低在整个C波段上都能够实现。


        来自西班牙纳瓦拉公立大学电气与电子工程系的研究人员，借助于两种随机分布反馈光纤激光器方案而生成窄带发射线。经测量，发射线的光谱线宽度窄到仅有3.2 pm（1皮米等于10-12米）；与之前的结果相比较，这是一个显著的进步。这两种激光器方案的目标就是使光谱线宽度尽可能地窄，拓扑结构也很简单，都利用移相光纤布拉格光栅与常规光纤布拉格光栅的组合，来作为滤波元件。

        来自美国国际商用机器公司（IBM）T. J. Watson研究中心和科锐安先进技术集团的科研人员，介绍了宽带2×2马赫-曾德尔开关的设计、制造和测试结果，这种开关具有低串扰和低插入损耗的特点，应用在纳秒级光学数据路由上。科研人员提出了一种仿真框架来计算开关的光谱特性，并用它来设计两种开关：一种开关是基于定向耦合器的，另一种使用了用于更宽带宽的两节式定向耦合器。研究表明，以推挽方式来驱动上述开关能够减少在光带宽上的插入损耗和光串扰。在美国国际商用机器公司（IBM）的90纳米（nm）光子CMOS生产流水线上，科研人员成功地实现了这种仿真设计开关的制造。他们对推挽驱动开关进行了验证实验，结果显示在O波段45纳米（nm）的光带宽上，开关的插入损耗约为1 dB，光串扰小于-23 dB。科研人员的下一步目标是使开关的过渡时间达到约4纳秒（ns），此时移相器平均功耗为1 毫瓦（mW），热效率约为25毫瓦（mW）/π。


光传输

        来自英国剑桥大学工程系电气工程部光子系统中心和斯凯莱德大学光电子研究所的研究人员，介绍了在单根10米长的阶跃折射率塑料光纤（SI-POF）上进行的传输实验，双向数据的传输速率为10 Gb/s，采用了单一波长蓝光微米发光二极管（μLEDs）发射机、雪崩光电二极管（APD）接收机和32进制脉冲幅度调制（PAM-32）方案。这种10 Gb/s发光二极管塑料光纤（LED-POF）启用后，其双向结构带来的好处是使整个信道的容量翻倍；而雪崩光电二极管（APD）由于与传统的PIN光电二极管相比改善了灵敏度，因此能够使链路上的功耗进一步降低。此外，采用32进制脉冲幅度调制（PAM-32）方案后所具有的高频谱效率，再加上均衡技术，使链路带宽得到了充分利用，因而数据传输速率比使用常规通断键控会更高。仿真和实验结果验证了这种双向链路的可行性，可同时在每个方向上实现5 Gb/s的数据传输，整个链路的合并数据传输速率为10 Gb/s，传输误码率小于10-3。链路中两个方向之间的串扰损害经测量小于0.5 dB。

        在长途光纤通信系统中，光纤的传输衰减和色散、来自光放大器的周期性再生非确定性噪声以及光放大器自身的非线性，这些因素结合在一起，会导致对系统性能产生不利影响。为此，人们提出了多种光信号和电信号的处理技术来实现数据传输质量的提高；其中某些技术使用后，系统性能的确比使用其他技术更好，但也由于这些技术的计算复杂性而导致系统成本较高。来自美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程系的研究人员提出了一种改进型非线性判决反馈均衡器的设计，用于具有周期性色散补偿的传统光通信系统。他们对与均衡器系数相关的噪声影响、非线性影响进行了研究，提出并验证了一种用以减少这些影响的次优收敛算法。经过改进后的均衡器所提供的性能，可与使用数字后向传播所获得的性能相媲美，而计算复杂度更低；即使在高功率时光纤的非线性效应十分显著的情况下，也能够有效补偿线性和非线性损害带来的影响。研究人员还对所设计的判决反馈均衡器（DFE）进行了性能预测讨论，主要是使用数值法对有误差传播和无误差传播的情况进行了分析。


光调制与信号处理

        通信信道会受相位噪声的影响，为解决这一问题，科拉沃尔佩（Colavolpe）、巴比里（Barbieri）、开罗（Caire）等学者在2005年提出了迭代解调和解码算法，不过这需要使用导频符号来引导。然而，导频符号的使用降低了系统的频谱效率，最终使系统的数据吞吐量减少。来自意大利米兰理工大学电子信息生物工程系和德国慕尼黑工业大学通信工程研究所的科研人员通过研究表明，基于网格编码的解调方式可以用来引导迭代过程，而并不需要导频符号；此外，他们还解决了基于网格编码解调方式的复杂度问题。数值模拟结果显示，大幅降低复杂度的措施，几乎没有影响到迭代解调和解码的性能，复杂度降低了的解调器仍能够保证正常运行。


        来自中国华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室和新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院的科研人员，对五信道偏振复用奈奎斯特波分复用超级信道进行了研究，在发射端采用数字频谱整形技术的情况下，调制方式分别为偏移16进制正交幅度调制（offset-16QAM）和16进制正交幅度调制（16QAM）。偏移16进制正交幅度调制（offset-16QAM）方案可以大大降低系统实现的复杂性，因为其使用的有限脉冲响应（FIR）滤波器只要35抽头就足以满足需求；与之相比，在16进制正交幅度调制（16QAM）方案中则需要使用81抽头的有限脉冲响应（FIR）滤波器。采用偏移16进制正交幅度调制（offset-16QAM）方案可提高约1.3 dB的背靠背灵敏度；而且，这种方案对数模转换器的各种限制条件（其中包括非跟踪抖动、采样速率和分辨率）适应性更好。科研人员对发射端实施数字频谱整形、采用偏移16进制正交幅度调制（offset-16QAM）的奈奎斯特波分复用超级信道实际运行情况进行了评估，重点是波长信道和相位噪声之间的相位差。即使相位差从0°变化到360°，采用偏移16进制正交幅度调制（offset-16QAM）方案的超级信道光信噪比（OSNR）也未超过1.3 dB的降幅限制；在使用100 kHz线宽的激光器时，与16进制正交幅度调制（16QAM）方案相比还具有约1 dB的整体性能提高。

        在长途相干光纤-光通信系统中，由非线性引起的相位噪声已成为系统性能降低的主要根源。这种相位噪声已被证明不仅与信号相关，而且还与时间有相关性。来自加拿大多伦多大学电气与计算机工程系和德国阿尔卡特朗讯公司贝尔实验室的研究人员，提出了一种码辅助期望最大化算法来减轻这种非线性的相位噪声，这种算法是同时利用非线性导致损伤的时间相关性和软判决差错控制代码进行迭代运算。仿真和实验的结果表明，采用这种算法后，在双偏振波分多路复用16进制正交幅度调制（16QAM）系统里，发射功率的容限可提高1.5 dB；对光信噪比的要求可以放宽0.3 dB，仍然能够实现同样的Q2因子。


        在数字接收机中，往往优先考虑使用的是非数据辅助前馈定时恢复，而不是非数据辅助反馈定时恢复，这是因为前者在循环中不会遭受延迟；然而，带优化预检波滤波器的反馈定时恢复是不会受自身噪声影响的。不过，来自意大利阿尔卡特朗讯公司和米兰理工大学电子信息生物工程系的研究人员首次发现，加入了优化预检波滤波器的前馈定时恢复也不受自身噪声的影响。为此，研究人员提出了一种针对自身噪声功率谱密度的近似方法，用于对接收机性能进行评价分析，这种近似方法的准确度经由仿真实验得到了验证。除此以外，他们还进行了比较前馈定时恢复和反馈定时恢复性能的研究。在比较研究中，通过对于信噪比低于50 dB并受相位噪声影响的定时信号的实时频谱进行跟踪可以看出，尽管存在自身噪声，前馈定时恢复仍优于反馈定时恢复。

        来自加拿大皇后大学电气与计算机工程系的科研人员介绍了一种频率偏移和相位控制的方法，主要用于基于非线性马赫-曾德尔干涉仪的差分相移键控（DPSK）2R（再放大和再整形）再生器。这种控制装置包括一个相干接收机、模拟-数字转换器（ADC）、一个数字信号处理器以及一个光学移频/移相器。对于40 Gb/s的差分相移键控（DPSK）信号，仿真实验的结果表明，模拟-数字转换器（ADC）的采样速率只要能达到335.94 MSa/s，就可以充分估算频率偏移和相位噪声，并相应地调整泵浦信号。科研人员在循环回路模拟中对2R再生器的级联进行评估，还考虑了再生器之间不同间距的情况；其中既使用了理想的差分相移键控（DPSK）信号，也使用了捕获的试验差分相移键控（DPSK）信号。最后他们针对残余跨度色散对设备性能的影响进行了研究。

        对于相干光正交频分复用（COOFDM）系统而言，频率偏移校正（FOC）是必不可少的。来自中国华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室、华中科技大学电子信息与通信学院和新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院的研究人员，通过在频域中设计训练符号，提出了一种鲁棒性强、效率高的频率偏移校正（FOC）算法。这种算法的优势在于克服由发射端设备和物理信道引起的不完美频率响应。为了进一步提高频率偏移校正（FOC）算法在针对光信噪比恶化时的稳定性，研究人员引入了两步迭代运算。他们提出的这种算法，已在实际运行的100公里16进制正交幅度调制-相干光正交频分复用（16QAM-COOFDM）传输系统中得到了应用，可以动态补偿频率偏移。实验中突出而稳定的结果，验证了这种算法所具有的高效性和鲁棒性。


光纤技术

        来自中国黑龙江大学物理科学与技术学院、南京大学现代工程与应用科学学院以及美国密歇根大学生物医学工程系的研究人员，提出了一种多传感器的寻址方法，用于光纤布拉格光栅辅助光纤环形腔衰荡（FBG-FLRD）传感器阵列。这种方法能够同时测量温度和受力的情况。从波长扫描光纤激光器（WSFL）发出的光，被调制成脉冲光，照射到光纤布拉格光栅辅助光纤环形腔衰荡（FBG-FLRD）传感器阵列上。由于由光纤布拉格光栅阵列反射的脉冲光具有一定的时间序列，因此可以区分出每个不同的光纤环形腔衰荡传感器。光纤布拉格光栅反射的脉冲光与波长扫描光纤激光器（WSFL）的触发信号之间存在时间间隔，这一时间间隔能够提供温度变化的信息。通过测量每个光纤布拉格光栅辅助光纤环形腔衰荡（FBG-FLRD）传感器的衰荡时间，就能够测得由温度和受力引起的光纤环损耗，而且可以实现同时实时测量。为了证明上述方法的有效性，研究人员使用了含有六个传感器的阵列进行实验验证，实验中的询问频率为27.5 Hz。

        来自法国利摩日大学Xlim研究所和意大利摩德纳•雷焦•艾米利亚大学恩佐•法拉利工程系的研究人员，介绍了19环内摆线型可果美（Kagome）光纤的特点和制造要领，其纤芯尺寸大于100微米（μm）。这些抑制耦合型光纤在宽带传输范围具有较低的传播损耗（100 dB/km），还具有二氧化硅环绕、低色散、超低功率叠加等特点，因此在超高功率激光处理、超快激光传输和等离子体光子应用等方面使用起来非常有效。