光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
2014年11月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)

預(yù)計(jì)在未來的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)能措施將成為一種強(qiáng)制性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文中所討論的方案，就是考慮如何在基于多載波傳輸?shù)暮诵墓饩W(wǎng)絡(luò)中增大節(jié)能效果。這種未來的網(wǎng)絡(luò)將融合多種具有靈活適應(yīng)能力的技術(shù)，主要包括以下幾項(xiàng)：1）自適應(yīng)調(diào)制和編碼；2）靈活的頻譜分配方式；3）波長轉(zhuǎn)換；4）流量疏導(dǎo)。采用了上述這些技術(shù)后，在核心光網(wǎng)絡(luò)中需要研究的問題主要是節(jié)能路由和頻譜分配。為此，來自澳大利亞墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系和美國諾特丹大學(xué)的科研人員提出一個(gè)具有啟發(fā)性的解決方案，方案通過對網(wǎng)絡(luò)資源（如光纖、轉(zhuǎn)發(fā)器和放大器等）的充分利用，為長途光網(wǎng)絡(luò)提供了一種最低能耗的設(shè)計(jì)。在西歐地區(qū)的核心光纖網(wǎng)絡(luò)中，通過與一個(gè)沒有采用上述靈活適應(yīng)技術(shù)的固定結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較試驗(yàn)，得到的數(shù)值結(jié)果表明，融合了靈活適應(yīng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面完全勝過固定結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在低流量需求以及高流量需求時(shí)相比分別節(jié)能4.2（6.4）倍和1.8（1.9）倍。

在這篇文章中，來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和長春理工大學(xué)光學(xué)工程研究所的研究人員分析了使用白色照明發(fā)光二極管（LED）的室內(nèi)定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)的性能是由發(fā)光二極管的布局、接收器電路、光的入射角度、發(fā)光二極管光源和光電二極管等幾方面所決定的�？死�美羅界作為理論精度極限，是通過所接收信號的強(qiáng)度指標(biāo)算法而導(dǎo)出的。研究人員對某些情況下多徑反射、發(fā)光二極管和接收器的非平行光軸對定位精度的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)論表明，如果漫射信道的增益是事先在一定環(huán)境下測定的，且調(diào)制速度遠(yuǎn)低于信道的截止頻率，那么理論精度極限值就不會(huì)受多徑鏈路的影響。研究人員還對系統(tǒng)中的多種噪聲進(jìn)行了詳細(xì)分析；并就室內(nèi)均勻照明對定位精度的影響進(jìn)行了討論。結(jié)果證明，發(fā)光二極管采用三角形排列方式的理論估計(jì)精度要高于發(fā)光二極管采用正方形排列方式的精度。研究人員采用典型的參數(shù)值進(jìn)行模擬，此時(shí)系統(tǒng)的理論定位精度可達(dá)到厘米級的水平。



無源和有源光子器件

光分組交換是用于大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心的下一代顛覆性技術(shù)。支持多波長并行的全光路由器，提高了各種應(yīng)用的運(yùn)行速度并促進(jìn)服務(wù)器虛擬化。盡管在光學(xué)技術(shù)的研究領(lǐng)域最近有不少新進(jìn)展，但是光路由器的實(shí)現(xiàn)所存在的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是缺乏一個(gè)用于光信號緩沖的成熟解決方案。有一種建議是仿效電子數(shù)據(jù)緩沖，通過使用光纖延遲線（FDLs）將沖突的光數(shù)據(jù)包延遲一段固定的時(shí)間；然而，實(shí)際應(yīng)用時(shí)在路由器中光纖延遲線（FDLs）的數(shù)量是有一定限制的，上述的建議會(huì)使路由器端口的運(yùn)行利用率很低，從而犧牲很大部分的網(wǎng)絡(luò)容量。在這篇文章中，來自加拿大多倫多大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室以及拉瓦爾大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系光學(xué)、光子學(xué)和激光研究中心的研究人員介紹了一種新型模塊化路由器的體系結(jié)構(gòu)，這種路由器基于波分復(fù)用（WDM）循環(huán)緩沖器，可以用來解決緩存能力有限的問題。他們還提出了一種負(fù)載均衡調(diào)度技術(shù)，能最大限度地提高光數(shù)據(jù)包的吞吐量。研究人員通過數(shù)學(xué)分析和蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)表明，在波分復(fù)用（WDM）光纖延遲線（FDLs）中進(jìn)行光緩存器整合，并同時(shí)在路由器內(nèi)部使用負(fù)載均衡技術(shù)，由此能產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)據(jù)幾乎無損的路由器，可以靈活應(yīng)對數(shù)據(jù)中心流量異常的情況。進(jìn)一步加強(qiáng)負(fù)載的均衡，能使進(jìn)入光緩存器的光數(shù)據(jù)包數(shù)量最小化，從而使得光數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲可以忽略。研究人員的上述方案設(shè)計(jì)支持在物理層的擴(kuò)展，可經(jīng)過修改用于更大規(guī)模的光集成網(wǎng)絡(luò)。

調(diào)制與光信號處理
在這篇文章中，來自英國劍橋大學(xué)工程系光子系統(tǒng)中心的科研人員介紹了多輸入-多輸出（MIMO）密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)的原理證明演示。演示中使用了標(biāo)準(zhǔn)的非制冷分布式反饋激光器，這種激光器采用強(qiáng)度調(diào)制-方向檢測（IM-DD）技術(shù)，每個(gè)激光器的非相關(guān)溫度漂移被限制在50℃的溫度范圍內(nèi)�？蒲腥藛T引入了基于反饋的激光器偏置控制算法，以保證采用可接受的波長間隔、以及后光電檢測最小均方誤差解碼器來取消信道間的串?dāng)_。通過MATLAB仿真，科研人員研究了多輸入-多輸出（MIMO）接收器的相對靈敏度，這是在激光器隨機(jī)溫度漂移的情況下進(jìn)行的。在超過28公里的單模光纖上，配以最糟的波長分配方案，通過對一個(gè)40通道×12.5Gb /秒的密集波分復(fù)用（DWDM）傳輸系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明了所引入技術(shù)的可行性。

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的使用，使光傳輸系統(tǒng)可以突破由傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)致的波長柵格的限制，從而產(chǎn)生了一種非常靈活的傳輸模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高的頻譜效率，并能夠更好地使用光纖資源。在這篇文章中，來自加拿大滑鐵盧大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系和中國臺(tái)灣中原大學(xué)信息管理系的研究人員提出了一種新型自適應(yīng)傳輸理念，用在彈性相干光正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸系統(tǒng)中，目的是按照能量和頻譜的消耗情況來優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，這里的能量和頻譜消耗是指用于保證傳輸能夠達(dá)到所需數(shù)據(jù)速率的資源消耗。通過對馬赫-曾德爾調(diào)制器的非線性效應(yīng)以及光放大器中被放大的自發(fā)輻射噪聲的綜合考慮，還包括考慮到在電子領(lǐng)域中由于較高的峰值平均功率比（PAPR）造成的性能下降；因此研究人員首先提供了一個(gè)分析模型，用于單彈性光傳輸線的誤碼率性能分析。為了有效的實(shí)現(xiàn)降低峰值平均功率比（PAPR），研究人員引入了一種被稱為簡單零切換的新方法，該方法被認(rèn)為在彈性光傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用是非常合適的，這種方法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度，并且對信道側(cè)的信息幾乎沒有依賴性�；�于上述推薦的分析模型可對優(yōu)化問題進(jìn)行規(guī)劃，并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來解決問題。在案例研究中，研究人員通過大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)對所提出的分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證，從而使讀者對解決優(yōu)化問題的規(guī)劃方案有了更明確的理解。

在采用多電平調(diào)制的相干光學(xué)系統(tǒng)中，前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）中起著至關(guān)重要的作用。不過，在許多編碼理論中，考慮噪聲時(shí)都是假設(shè)加性高斯白噪聲（AWGN）占主導(dǎo)地位；然而在相干光學(xué)系統(tǒng)中，除加性高斯白噪聲（AWGN）以外，相位噪聲（PN）也具有顯著影響；這就會(huì)改變系統(tǒng)的誤差統(tǒng)計(jì)，并影響到前向糾錯(cuò)（FEC）的性能。在這篇文章中，來自瑞典皇家理工學(xué)院、丹麥技術(shù)大學(xué)和英國阿斯頓大學(xué)的科研人員提出了一種新的半解析法，用來制定二進(jìn)制博斯-喬赫里-霍克文黑姆（BCH）碼，以便在具有相位噪聲（PN）的系統(tǒng)使用。這種方法包括從糾錯(cuò)前誤碼率模擬中提取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，科研人員利用這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來確定一種二元二項(xiàng)式模型的參數(shù)，這種模型是用來描述誤碼分布的。采用這種方式，科研人員將糾錯(cuò)前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與糾錯(cuò)后誤碼率和BCH碼聯(lián)系了起來。這種方法的適用范圍是要求糾錯(cuò)前誤碼率在10-3左右，對糾錯(cuò)后誤碼率無要求。通過數(shù)值模擬，科研人員以10-5為糾錯(cuò)后誤碼率的目標(biāo)對方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評估。使用上述方法進(jìn)行編碼，系統(tǒng)達(dá)到了0.2分貝的信噪比目標(biāo)。

離散傅立葉變換擴(kuò)展正交頻分復(fù)用（DFT-S OFDM）是基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的一種改進(jìn)技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)；然而，它有一個(gè)主要缺點(diǎn)是相位噪聲容限降低了，這是由于在離散傅立葉變換擴(kuò)展子載波中采樣速率放緩而導(dǎo)致的。在這里，來自以色列理工學(xué)院電子工程系的研究人員提出了一種相位恢復(fù)方法，用在四進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）相干傳輸中；這種恢復(fù)方法是基于下列技術(shù)的組合：非冗余交織技術(shù)、差分預(yù)編碼技術(shù)和多符號延遲檢測（MSDD）技術(shù)，可適用于各種離散傅立葉變換擴(kuò)展正交頻分復(fù)用（DFT-S OFDM）接收機(jī)。這種方法明顯改善了非線性相位噪聲的容限，并且通過在一千多公里的單模光纖上進(jìn)行四進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）傳輸而得到了驗(yàn)證。

目前，表面等離子體共振（SPR）技術(shù)被廣泛用于檢測金屬表面非常小的折射率變化，雖然這已經(jīng)是一種十分成熟的技術(shù)，但被測樣品的溫度仍然是一項(xiàng)需要認(rèn)真對待并加以控制的重要因素，因?yàn)楸砻娴入x子體共振（SPR）信號會(huì)隨著溫度的變化而改變。這在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)重大問題，因?yàn)樵跍y量過程中，被測樣品的溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度變化而改變，或隨著表面等離子體共振（SPR）傳感器工作溫度的變化而改變。在這篇文章中，來自澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)電子科學(xué)研究所和中國北京大學(xué)電子系的研究人員首次提出一個(gè)針對上述問題的解決方案，可使用傳統(tǒng)的表面等離子體共振（SPR）傳感器同時(shí)測量折射率和溫度，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了演示。采用這個(gè)方案后，在測量過程中既不需要溫度控制也不要求設(shè)備校準(zhǔn)，非常有利于表面等離子體共振（SPR）傳感器在應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行操作使用。


光纖技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)高功率超連續(xù)譜，多芯光子晶體光纖是一個(gè)重要的研究方向。來自中國國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員介紹了兩種基于空氣孔塌縮技術(shù)的后處理方法，使用這些方法可以在七芯光子晶體光纖（SCPCF）中產(chǎn)生近似高斯模場，用于低損耗熔接。第一種方法是通過同時(shí)加熱和塌縮所有空氣孔，使七芯光子晶體光纖（SCPCF）的模場變得更加集中，這樣各個(gè)分離的纖芯模式之間會(huì)變得更加平坦。另一種方法是首先產(chǎn)生類似高斯模場，然后選擇七個(gè)光纖芯之間中央部分的空氣孔進(jìn)行塌縮，最后可以形成一個(gè)集中的大光纖芯。研究人員通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論仿真的結(jié)果，兩種方法都可用于減少七芯光子晶體光纖（SCPCF）和雙包層光纖之間的模場不匹配，使熔接損耗分別降低至0.46分貝和0.22分貝。