2019年8月JLT光通信論文評析
發(fā)布時間：2019-09-17 10:47:06 熱度：2262
光纖在線特邀編輯：邵宇豐，龍穎，胡欽政，王壯，楊杰
2019年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：無線光傳輸系統(tǒng)，光纖傳感技術，光濾波器，光網(wǎng)絡以及光纖輔助無線通信等。筆者將逐一評析。
1. 無線光傳輸系統(tǒng)
埃因霍溫科技大學的Xuebing Zhang等科研人員設計了一種基于陣列波導光柵路由器（AWGR）的室內二維紅外波束控制光無線通信（OWC）系統(tǒng)的串擾緩解傳輸方案。通過在奇數(shù)和偶數(shù)AWGR信道之間創(chuàng)建極化正交性，實現(xiàn)頻譜重疊的AWGR信道之間的高串擾容限。由于具有正交偏振態(tài)的兩個信號在光電二極管中不會相互影響，正交偏振態(tài)上的光學串擾在檢測時不會產(chǎn)生拍頻，因此可以大大減少電域中的串擾效應；減少的串擾可使得所需的保護頻帶減少（提高了對頻譜重疊的容忍度），從而使系統(tǒng)具有更高的頻譜效率。此外，通過縮短芯片上相鄰輸出波導之間的空間間隙，可以增加AWGR的端口數(shù)量。該技術對于AWGR和激光器之間的波長失調具有更好的包容性，因此可以降低串擾AWGR和高波長穩(wěn)定激光器的設計難度。科研人員設計了一個基于四級脈沖調制（4-PAM）的OWC實驗系統(tǒng)，信號傳輸速率可達到20 Gbit/s，傳輸距離為1.2 m[1]。
圖1 基于AWGR的二維紅外波束控制無串擾傳輸方案的工作原理；（a）PBC偶數(shù)通道的輸入光譜；（b）PBC奇數(shù)通道的輸入光譜；（c）PBC后的組合光譜；（d）-（e）通道n和n + 1的光譜；（f）- g）檢測到的電譜
2. 光纖傳感技術
為實現(xiàn)更廣泛的應變測量范圍，哈爾濱工業(yè)大學的Shiyuan Zhao等科研人員設計了一個基于光頻域反射儀的傳感系統(tǒng)，演示了光譜配準和空間校準等功能，并分別在動和靜態(tài)測量的情況下分析了該方案的可行性?？蒲腥藛T展示了光譜配準解調應變值，不僅使數(shù)據(jù)采集速率提高了數(shù)十倍，還保持了較高的測量范圍，測量速率達到了800 Hz；他們分析了大應變測量過程的難度，并設計了一種光譜校準和空間校準相結合的方法，可減少應變變化較大時的失配。為保持較高的空間分辨率，科研人員還設計了一種提取局部測量譜段進行光譜校準的方法，可以實現(xiàn)精確解調過程，標距長度為5 mm；他們還在加速解調過程的圖形處理單元應用中提高了數(shù)據(jù)處理速率，使得該技術將更有希望在實際生活中得以應用[2]。
圖2 （a）實現(xiàn)分布式應變測量的OFDR系統(tǒng)的實驗裝置
3. 光濾波器
加拿大勞里埃大學的Li Wei等科研人員設計了一種全光纖波長連續(xù)可調的平頂梳狀濾波器。該梳狀濾波器采用雙通馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結構，內置兩個耦合器和一個偏振控制器（PC）?？蒲腥藛T展示了無PC的雙通MZI設計過程，以獲得耦合器的最優(yōu)耦合比；然后分析了耦合比對梳狀濾波光譜的影響。在該梳狀濾波器中，第二耦合器設置為3 dB耦合器以形成與PC同步插入的光纖環(huán)路。在PC協(xié)助下，光纖環(huán)鏡（FLM）為雙通道結構提供可變反饋過程，進而實現(xiàn)梳狀濾波器的頻譜響應平坦化和波長可調特性。仿真結果表明，通過改變PC狀態(tài)，可實現(xiàn)可調諧的平頂光譜；并且借助可旋轉的偏振器能在自由光譜范圍內連續(xù)調節(jié)平頂光譜。獨特的調諧特性使得該濾波器成為密集可重配波分復用網(wǎng)絡中應用的理想選擇器件[3]。
圖3 雙通MZI梳狀濾波器的配置方案
4. 光網(wǎng)絡
韓國漢陽大學的Jin Seek Choi等科研人員對軟件定義的光傳輸網(wǎng)絡（SD-OTN）的分層域間配置（HIP）框架結構進行了性能和可擴展性分析，以降低底層OTN的域間路由和波長分配（RWA）過程的復雜度?？蒲腥藛T通過實驗測試平臺搭建了HIP架構，確保在分層控制平面架構中無縫集成多個OTN的過程，并研究了基于封閉排隊模型的吞吐量、延遲時間和功率度量等問題。研究結果表明，HIP架構顯著提高了大規(guī)模OTN配置時延和吞吐量方面的性能。盡管阻塞概率具有邊際效益，但該架構通過在多域SD-OTN使用三層控制平面體系結構，將可擴展性提高了24000倍[4]。
圖4 SD-OTN的分層域間配置
5. 光纖輔助無線通信
第五代移動通信（5G）移動前傳（MFH）網(wǎng)絡將需要高帶寬和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸過程。光載無線通信（RoF）技術作為一種節(jié)省帶寬的有效方法，可以顯著提高光纖通信的傳輸容量。華中科技大學的Yao Zhu等科研人員使用直接調制的三段分布式布拉格反射（3s-DBR）激光器演示了基于波分復用（WDM）的移動前傳網(wǎng)絡。為了傳輸多輸入多輸出（MIMO）的光載無線傳輸，采用了12個具有20 MHz保護頻帶的211 MHz帶寬濾波過程生成了正交頻分復用（OFDM）信號，并分別采用16QAM和64QAM調制生成的OFDM信號在20 km標準單模光纖（SSMF）信道上完成了傳輸實驗。研究結果表明，當傳輸16QAM-OFDM信號時，12個信道都能滿足3GPP標準的誤差矢量幅度要求；而對于64QAM-OFDM信號，由于激光啁啾和光纖色散引起的信號衰減，無法保證在12信道中達到接收靈敏度要求[5]。
圖5 基于WDM-PON網(wǎng)絡的MFH網(wǎng)絡結構
參考文獻：
[1]. Xuebing Zhang, Chao Li. “Crosstalk-Mitigated AWGR-Based Two-Dimensional IR Beam-Steered Indoor Optical Wireless Communication System With a High Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3713–3720, August 1, 2019.
[2]. Shiyuan Zhao, Jiwen Cui. “Performance Investigation of OFDR Sensing System With a Wide Strain Measurement Range”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3721–3727, August 1, 2019.
[3]. Li Wei, Gerard Tatel, “Wavelength Continuously Tunable All-Fiber Flat-Top Comb Filter Based on a Dual-Pass Mach–Zehnder Interferometer”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3740–3749, August 1, 2019.
[4]. Jin Seek Choi, Se Joon Chun, “Performance Analysis of a Hierarchical Inter-Domain Provisioning Framework for Multi-Domain Software-Defined Optical Transport Networks”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3834–3843, August 1, 2019.
[5]. Yao Zhu, Yuze Wu, “Experimental Demonstration of a WDM-RoF Based Mobile Fronthaul With f-OFDM Signals by Using Directly Modulated 3s-DBR Laser”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 16, pp. 3875–3881, July 15, 2019.
2019年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：無線光傳輸系統(tǒng)，光纖傳感技術，光濾波器，光網(wǎng)絡以及光纖輔助無線通信等。筆者將逐一評析。
1. 無線光傳輸系統(tǒng)
埃因霍溫科技大學的Xuebing Zhang等科研人員設計了一種基于陣列波導光柵路由器（AWGR）的室內二維紅外波束控制光無線通信（OWC）系統(tǒng)的串擾緩解傳輸方案。通過在奇數(shù)和偶數(shù)AWGR信道之間創(chuàng)建極化正交性，實現(xiàn)頻譜重疊的AWGR信道之間的高串擾容限。由于具有正交偏振態(tài)的兩個信號在光電二極管中不會相互影響，正交偏振態(tài)上的光學串擾在檢測時不會產(chǎn)生拍頻，因此可以大大減少電域中的串擾效應；減少的串擾可使得所需的保護頻帶減少（提高了對頻譜重疊的容忍度），從而使系統(tǒng)具有更高的頻譜效率。此外，通過縮短芯片上相鄰輸出波導之間的空間間隙，可以增加AWGR的端口數(shù)量。該技術對于AWGR和激光器之間的波長失調具有更好的包容性，因此可以降低串擾AWGR和高波長穩(wěn)定激光器的設計難度。科研人員設計了一個基于四級脈沖調制（4-PAM）的OWC實驗系統(tǒng)，信號傳輸速率可達到20 Gbit/s，傳輸距離為1.2 m[1]。
圖1 基于AWGR的二維紅外波束控制無串擾傳輸方案的工作原理；（a）PBC偶數(shù)通道的輸入光譜；（b）PBC奇數(shù)通道的輸入光譜；（c）PBC后的組合光譜；（d）-（e）通道n和n + 1的光譜；（f）- g）檢測到的電譜
2. 光纖傳感技術
為實現(xiàn)更廣泛的應變測量范圍，哈爾濱工業(yè)大學的Shiyuan Zhao等科研人員設計了一個基于光頻域反射儀的傳感系統(tǒng)，演示了光譜配準和空間校準等功能，并分別在動和靜態(tài)測量的情況下分析了該方案的可行性?？蒲腥藛T展示了光譜配準解調應變值，不僅使數(shù)據(jù)采集速率提高了數(shù)十倍，還保持了較高的測量范圍，測量速率達到了800 Hz；他們分析了大應變測量過程的難度，并設計了一種光譜校準和空間校準相結合的方法，可減少應變變化較大時的失配。為保持較高的空間分辨率，科研人員還設計了一種提取局部測量譜段進行光譜校準的方法，可以實現(xiàn)精確解調過程，標距長度為5 mm；他們還在加速解調過程的圖形處理單元應用中提高了數(shù)據(jù)處理速率，使得該技術將更有希望在實際生活中得以應用[2]。
圖2 （a）實現(xiàn)分布式應變測量的OFDR系統(tǒng)的實驗裝置
3. 光濾波器
加拿大勞里埃大學的Li Wei等科研人員設計了一種全光纖波長連續(xù)可調的平頂梳狀濾波器。該梳狀濾波器采用雙通馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結構，內置兩個耦合器和一個偏振控制器（PC）?？蒲腥藛T展示了無PC的雙通MZI設計過程，以獲得耦合器的最優(yōu)耦合比；然后分析了耦合比對梳狀濾波光譜的影響。在該梳狀濾波器中，第二耦合器設置為3 dB耦合器以形成與PC同步插入的光纖環(huán)路。在PC協(xié)助下，光纖環(huán)鏡（FLM）為雙通道結構提供可變反饋過程，進而實現(xiàn)梳狀濾波器的頻譜響應平坦化和波長可調特性。仿真結果表明，通過改變PC狀態(tài)，可實現(xiàn)可調諧的平頂光譜；并且借助可旋轉的偏振器能在自由光譜范圍內連續(xù)調節(jié)平頂光譜。獨特的調諧特性使得該濾波器成為密集可重配波分復用網(wǎng)絡中應用的理想選擇器件[3]。
圖3 雙通MZI梳狀濾波器的配置方案
4. 光網(wǎng)絡
韓國漢陽大學的Jin Seek Choi等科研人員對軟件定義的光傳輸網(wǎng)絡（SD-OTN）的分層域間配置（HIP）框架結構進行了性能和可擴展性分析，以降低底層OTN的域間路由和波長分配（RWA）過程的復雜度?？蒲腥藛T通過實驗測試平臺搭建了HIP架構，確保在分層控制平面架構中無縫集成多個OTN的過程，并研究了基于封閉排隊模型的吞吐量、延遲時間和功率度量等問題。研究結果表明，HIP架構顯著提高了大規(guī)模OTN配置時延和吞吐量方面的性能。盡管阻塞概率具有邊際效益，但該架構通過在多域SD-OTN使用三層控制平面體系結構，將可擴展性提高了24000倍[4]。
圖4 SD-OTN的分層域間配置
5. 光纖輔助無線通信
第五代移動通信（5G）移動前傳（MFH）網(wǎng)絡將需要高帶寬和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸過程。光載無線通信（RoF）技術作為一種節(jié)省帶寬的有效方法，可以顯著提高光纖通信的傳輸容量。華中科技大學的Yao Zhu等科研人員使用直接調制的三段分布式布拉格反射（3s-DBR）激光器演示了基于波分復用（WDM）的移動前傳網(wǎng)絡。為了傳輸多輸入多輸出（MIMO）的光載無線傳輸，采用了12個具有20 MHz保護頻帶的211 MHz帶寬濾波過程生成了正交頻分復用（OFDM）信號，并分別采用16QAM和64QAM調制生成的OFDM信號在20 km標準單模光纖（SSMF）信道上完成了傳輸實驗。研究結果表明，當傳輸16QAM-OFDM信號時，12個信道都能滿足3GPP標準的誤差矢量幅度要求；而對于64QAM-OFDM信號，由于激光啁啾和光纖色散引起的信號衰減，無法保證在12信道中達到接收靈敏度要求[5]。
圖5 基于WDM-PON網(wǎng)絡的MFH網(wǎng)絡結構
參考文獻：
[1]. Xuebing Zhang, Chao Li. “Crosstalk-Mitigated AWGR-Based Two-Dimensional IR Beam-Steered Indoor Optical Wireless Communication System With a High Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3713–3720, August 1, 2019.
[2]. Shiyuan Zhao, Jiwen Cui. “Performance Investigation of OFDR Sensing System With a Wide Strain Measurement Range”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3721–3727, August 1, 2019.
[3]. Li Wei, Gerard Tatel, “Wavelength Continuously Tunable All-Fiber Flat-Top Comb Filter Based on a Dual-Pass Mach–Zehnder Interferometer”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3740–3749, August 1, 2019.
[4]. Jin Seek Choi, Se Joon Chun, “Performance Analysis of a Hierarchical Inter-Domain Provisioning Framework for Multi-Domain Software-Defined Optical Transport Networks”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 15, pp. 3834–3843, August 1, 2019.
[5]. Yao Zhu, Yuze Wu, “Experimental Demonstration of a WDM-RoF Based Mobile Fronthaul With f-OFDM Signals by Using Directly Modulated 3s-DBR Laser”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 16, pp. 3875–3881, July 15, 2019.
