光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟

    2015年1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)、無源和有源光器件、光傳輸、調(diào)制與信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）是目前通信市場(chǎng)主要的兩大候選技術(shù)，它們除了有眾所周知的容量高的特點(diǎn)以外，還具有可用于多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是有線接入技術(shù)，以很高的成本效益和高容量而聞名；而第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）是無線寬帶接入技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)取得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，因?yàn)樗�易于部署、具有提供移�?dòng)服務(wù)的能力、并且成本效益較高。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）進(jìn)行技術(shù)融合，就可以形成一種無線光寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)形式具有許多方面的優(yōu)勢(shì)，例如可以在廣大農(nóng)村地區(qū)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、支持移動(dòng)寬帶服務(wù)、并能夠根據(jù)需要在某一地區(qū)進(jìn)行寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速部署。不過在對(duì)寬帶服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求處理方面，這兩種技術(shù)有著不同的設(shè)計(jì)理念。例如，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）采用流量分類方式來支持不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求，而無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）結(jié)構(gòu)中沒有這樣的機(jī)制來區(qū)分不同類型的流量。同樣這兩種技術(shù)在節(jié)能方面也具有不同的方式。在這篇文章中，來自澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)工程學(xué)院的研究人員提出了一種服務(wù)分類映射，將在無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）與第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，這種映射是基于M/G/1排隊(duì)模型的。他們同時(shí)還提出了一種依據(jù)類別的省電機(jī)制，可以顯著改善無線光學(xué)集成設(shè)備的休眠周期，而不會(huì)影響所要求達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量。實(shí)際使用結(jié)果表明，研究人員所提出的依據(jù)類別的省電方案，可以使功耗降低多達(dá)80％，并且能夠保證用戶獲得相應(yīng)服務(wù)級(jí)別所要求的服務(wù)質(zhì)量。


無源和有源器件

    對(duì)于下一代光收發(fā)機(jī)來說，是否成功的關(guān)鍵是發(fā)射機(jī)中使用的數(shù)字信號(hào)預(yù)處理技術(shù)。目前科研人員所面對(duì)的主要挑戰(zhàn)之一是數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）有限的分辨率和-3分貝的帶寬，這嚴(yán)重限制了發(fā)射機(jī)的傳輸性能。另一方面，當(dāng)前頻譜效率很高的傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性信道損傷極為敏感，這又從本質(zhì)上限制了系統(tǒng)所能達(dá)到的最佳性能。在這篇文章中，來自德國(guó)科銳安有限公司研發(fā)部、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)COBRA研究所的科研人員采用了一種簡(jiǎn)單的數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法，用以減輕數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）引起的信號(hào)失真，并進(jìn)一步說明了這種數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法對(duì)非線性傳輸性能的影響�？蒲腥藛T通過數(shù)字計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法不僅可以抵消數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的低通響應(yīng)，使之能以更高的波特率進(jìn)行傳輸，還可以容忍更大的非線性信道誤差。在實(shí)驗(yàn)中，科研人員采用背靠背配置的4進(jìn)制、8進(jìn)制、16進(jìn)制極化復(fù)用正交幅度調(diào)制（PM-QAM）方式，能使系統(tǒng)的傳輸波特率分別達(dá)到50、46和44 Gbaud，此時(shí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）典型參數(shù)規(guī)格為16千兆赫-3分貝帶寬和5.5位有效比特?cái)?shù)。此外，研究還表明，系統(tǒng)的性能改善程度隨著數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法調(diào)制階數(shù)的增加而增加，最大改善幅度達(dá)到約2.2分貝。在傳統(tǒng)采用集總式放大的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸鏈路上，使用數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法后，在4進(jìn)制極化復(fù)用正交幅度調(diào)制（PM-QAM）方式下最大傳輸距離可達(dá)到約10000公里；在8進(jìn)制極化復(fù)用正交幅度調(diào)制（PM-QAM）方式下最大傳輸距離可達(dá)到約5000公里；在16進(jìn)制極化復(fù)用正交幅度調(diào)制（PM-QAM）方式下最大傳輸距離可達(dá)到約3000公里。最后，科研人員還發(fā)現(xiàn)，與采用保持信道間隔（4進(jìn)制、8進(jìn)制和16進(jìn)制極化復(fù)用正交幅度調(diào)制要求的最小信道間隔分別為1.1倍波特率、1.15倍波特率和1.2倍波特率）來減小非線性損傷相比，使用數(shù)字預(yù)加重（DPE）算法更有優(yōu)勢(shì)。

光傳輸
    來自澳大利亞墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員介紹并驗(yàn)證了一種激光相位噪聲補(bǔ)償技術(shù)的有效性，這種補(bǔ)償技術(shù)是用于采用長(zhǎng)符號(hào)的相干光正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)相位噪聲補(bǔ)償是通過混合調(diào)制的多頻帶光正交頻分復(fù)用（OFDM），并由數(shù)字濾波器組技術(shù)輔助完成。而對(duì)于多個(gè)子帶中某一個(gè)子帶，是采用離散傅立葉變換擴(kuò)展正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)進(jìn)行調(diào)制的。研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)16進(jìn)制正交幅度調(diào)制信號(hào)以114.8吉比特/秒的速率在480公里長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上傳輸時(shí)，本文所推薦的技術(shù)可以對(duì)高達(dá)1兆赫茲的激光相位噪聲進(jìn)行補(bǔ)償。
    近期以來，雙向中繼逐漸被認(rèn)為是一種頻譜效率較高的通信技術(shù)。在雙向中繼技術(shù)中，兩個(gè)用戶處于兩個(gè)不同的時(shí)隙，他們?cè)谝粋�(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下交換信息，從而實(shí)現(xiàn)信息的全速率傳輸。在本文中，來自印度ITM大學(xué)電氣電子與通信工程系和Netaji蘇巴斯技術(shù)學(xué)院電子與通信工程部的研究人員考慮在受到大氣湍流衰落和錯(cuò)位誤差的影響下，如何采用中繼節(jié)點(diǎn)方式來改善雙向自由空間光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。湍流產(chǎn)生的多個(gè)衰落信道，相互之間是獨(dú)立的、但不一定完全相同，可按M-分布建模。錯(cuò)位衰落的特點(diǎn)在于存在指向誤差，因此可以推導(dǎo)出適用于中斷概率和差錯(cuò)率的新型封閉表達(dá)式。研究人員還考慮了系統(tǒng)的誤碼性能，對(duì)以采用子載波強(qiáng)度調(diào)制為基礎(chǔ)的M進(jìn)制相移鍵控調(diào)制系統(tǒng)和M進(jìn)制正交幅度調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果通過蒙特卡洛模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
    來自日本日立公司中央研究實(shí)驗(yàn)室的科研人員開發(fā)了一種新型故障恢復(fù)系統(tǒng)，它包括基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的光開關(guān)（SW）單元，在多芯光纖（MCF）鏈路上應(yīng)用。這個(gè)用于管理多芯光纖（MCF）鏈路的故障恢復(fù)系統(tǒng)是通過監(jiān)測(cè)信號(hào)（FRS-MS）來判斷鏈路是否有故障，其中鏈路路徑的使用是在光開關(guān)單元?jiǎng)幼髦�前就已�?jīng)進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)采用激光信號(hào)來監(jiān)測(cè)多芯光纖（MCF）的保護(hù)路徑，一般選擇使用最可靠的路徑作為保護(hù)路徑。在使用故障恢復(fù)系統(tǒng)的多芯光纖（MCF）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中，進(jìn)行了信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，在鏈路多次發(fā)生故障的情況下都進(jìn)行了切換，故障路徑可以在很短的時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)（大約8毫秒）。在第一次切換后經(jīng)檢測(cè)到多芯光纖（MCF）鏈路中仍然沒有信號(hào)，系統(tǒng)馬上進(jìn)行第二次（連續(xù)）切換，故障路徑仍可以在很短的時(shí)間段內(nèi)恢復(fù)（大約25毫秒）。這些恢復(fù)時(shí)間已經(jīng)少于國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ITU-T）的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在多芯光纖（MCF）鏈路上使用這種包含基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）光開關(guān)（SW）單元的故障恢復(fù)系統(tǒng)，對(duì)于增加光網(wǎng)絡(luò)的可靠性是有用的。


光調(diào)制與信號(hào)處理
    傅立葉變換光譜儀（FTS）的光譜分辨率，傳統(tǒng)上的表達(dá)式為Δν=0.5/δmax，其中ν是波數(shù)，δmax是最大光程差（OPD）。這個(gè)方程對(duì)于移動(dòng)鏡系的傅立葉變換光譜儀（FTS）是有效的，因?yàn)槠涔獬滩睿∣PD）與波長(zhǎng)無關(guān)；但不適用于光程差（OPD）與波長(zhǎng)相關(guān)的傅立葉變換光譜儀（FTS）。在這篇文章中，來自中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員考慮到光程差（OPD）的波長(zhǎng)相關(guān)性，將光譜分辨率方程修改為Δν=0.5/[δmax+（dδmax/dν）ν]，使方程表達(dá)式無論在光程差（OPD）-色散還是光程差（OPD）-非色散傅立葉變換光譜儀（FTS）設(shè)備上都能適用。固定式原型傅立葉變換光譜儀（FTS）使用了一種帶有推挽電極的鈮酸鋰波導(dǎo)馬赫–曾德爾干涉儀，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析對(duì)光譜儀在不同波長(zhǎng)下的光譜分辨率一一做了研究，結(jié)果理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極其一致，這表明了修改后的方程完全可以對(duì)傅立葉變換光譜儀（FTS）的分辨率進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。

    由于在現(xiàn)有的可見光通信（VLC）系統(tǒng)中，所使用的發(fā)光二極管調(diào)制帶寬有限，因此這就成為目前系統(tǒng)中的主要限制因素。采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)來提高無線通信的頻譜效率，是當(dāng)前被廣泛研究的重要課題。雖然目前有各種物理層方面的可見光通信（VLC）方案，然而人們對(duì)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)工作原理的了解還不是十分透徹。在這篇文章中，針對(duì)如何在高速可見光通信（VLC）中采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻譜效率，來自中國(guó)東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的研究人員提供了較為深入的分析內(nèi)容。分析所涉及的三種不同方案分別為：直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）、非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用（ACO-OFDM）、以及單載波頻域均衡（SC-FDE）。研究分析結(jié)果表明：在低信噪比區(qū)域中，基于非對(duì)稱限幅光正交頻分復(fù)用（ACO-OFDM）技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制方案優(yōu)于其他兩種方案。與基于直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）技術(shù)的方案相比，基于單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制方案具有更好的性能，并且這個(gè)方案的實(shí)現(xiàn)比另外兩個(gè)方案簡(jiǎn)單得多。

    來自加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院、沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)計(jì)算機(jī)&電子&數(shù)學(xué)科學(xué)研究院的研究人員分析了在伽瑪伽瑪信道和對(duì)數(shù)正態(tài)分布湍流信道中進(jìn)行無線光通信時(shí)，子載波M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）和M進(jìn)制差分相移鍵控（MDPSK）調(diào)制的誤碼率（BER）性能。他們研究了精確誤碼率（BER）和近似誤碼率（BER）之間的關(guān)系，這主要用于子載波M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）和M進(jìn)制差分相移鍵控（MDPSK）調(diào)制，其中近似誤碼率（BER）是通過將誤符號(hào)率除以每符號(hào)的比特?cái)?shù)而獲得的。研究人員還通過漸近分析解析量化了精確誤碼率（BER）和近似誤碼率（BER）之間的差距。M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）和M進(jìn)制差分相移鍵控（MDPSK）的近似誤碼率（BER）精度都取決于信道的情況。如果信道處于弱湍流情況下，近似誤碼率（BER）的表達(dá)式可以以很高的精度來預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能；而如果信道處于強(qiáng)湍流情況下，近似誤碼率（BER）就變得不很準(zhǔn)確，只能作為精確誤碼率（BER）一個(gè)模糊的下限。

    目前，一方面是不斷增長(zhǎng)的室內(nèi)寬帶服務(wù)需求，而另一方面是要求減少越來越多的電磁污染，這就使得相關(guān)科研人員必須尋找更有效的頻譜使用方法。由此，促成了一種可見光通信新模式的產(chǎn)生。在IEEE 802.15.7標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)提出了一種新的調(diào)制方式——色移鍵控（CSK），在支持室內(nèi)通信的同時(shí)，不會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境照明產(chǎn)生影響。在這篇文章中，來自意大利羅馬第一大學(xué)信息、電氣與電信工程系的研究人員提出了一個(gè)基于色移鍵控（CSK）調(diào)制的發(fā)送/接收方案，利用了源于脈沖位置調(diào)制的調(diào)制格式。本文的發(fā)表有兩個(gè)目的：一個(gè)目的是提出了用于這種可見光通信的接收機(jī)架構(gòu)，另一個(gè)目的是通過運(yùn)行來評(píng)估所提方案的性能，并與文獻(xiàn)中其他同類來稿相比較。研究人員所提出的方案抗光干擾能力很強(qiáng)，呈現(xiàn)出高傳輸速率和低誤碼率的特點(diǎn)，相對(duì)于其他方法僅僅是稍微增加了一些接收機(jī)的復(fù)雜度。


    來自中國(guó)湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院和中興通訊等機(jī)構(gòu)的研究人員通過一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)離散傅里葉變換擴(kuò)頻（DFT-擴(kuò)頻）技術(shù)和預(yù)均衡技術(shù)的性能進(jìn)行了比較；在本文中，這兩項(xiàng)技術(shù)都是在244.2-Gb / s的極化復(fù)用-16進(jìn)制正交幅度調(diào)制-正交頻分復(fù)用（PDM-16QAM-OFDM）傳輸系統(tǒng)中使用的。預(yù)均衡技術(shù)用以克服信道中高頻功率衰減是有效的。然而，對(duì)于預(yù)均衡技術(shù)來說，獲取靜態(tài)信道響應(yīng)是非常復(fù)雜的，并且經(jīng)預(yù)均衡技術(shù)處理后，信號(hào)的峰均比（PAPR）甚至有一定的升高。而離散傅里葉變換擴(kuò)頻（DFT-擴(kuò)頻）技術(shù)也能夠用于克服信道中高頻功率衰減，同時(shí)還可以降低正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)的峰均比（PAPR）。研究人員通過實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，單波段離散傅里葉變換擴(kuò)頻（DFT-擴(kuò)頻）技術(shù)展現(xiàn)出極為狹窄的光濾波能力。對(duì)于8×244.2-Gb / s的波分復(fù)用（WDM）極化復(fù)用-16進(jìn)制正交幅度調(diào)制-正交頻分復(fù)用（PDM-16QAM-OFDM）傳輸系統(tǒng)，在軟判定前向糾錯(cuò)門限值設(shè)定為2.4×10-2時(shí)，如果采用預(yù)均衡技術(shù)，其傳輸距離可以達(dá)到2×420公里；而如果采用單波段離散傅里葉變換擴(kuò)頻（DFT-擴(kuò)頻）技術(shù)，則傳輸距離可以延長(zhǎng)到3×420公里。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的說明了在高帶寬相干波分復(fù)用正交頻分復(fù)用（WDM-OFDM）系統(tǒng)中，相對(duì)于預(yù)均衡技術(shù)，使用單波段離散傅里葉變換擴(kuò)頻（DFT-擴(kuò)頻）技術(shù)會(huì)更為有效。


光纖技術(shù)
    光纖傳感器的遠(yuǎn)期目標(biāo)是發(fā)展成為一種微型的、多用途的光纖裝置，這種裝置包含了多種傳感功能，并能夠被看作一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但十分有效的系統(tǒng)。在這里，來自中國(guó)浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、香港理工大學(xué)工程學(xué)院電機(jī)工程系、香港理工大學(xué)深圳研究院、中國(guó)計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院、湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院、華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研人員通過研究證明可以運(yùn)用簡(jiǎn)單方便的方法來實(shí)現(xiàn)這樣的裝置，主要涉及到了微錐形光纖里的內(nèi)空氣腔原理。由于微錐形光纖的內(nèi)空氣腔結(jié)構(gòu)尺寸很小，只有幾十微米，因此外部微小的變化也能在腔內(nèi)空間中得到精確的反映，所以運(yùn)用這種原理的傳感器有靈敏度高、魯棒性好、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。采用這種原理設(shè)計(jì)的光纖傳感器折射率敏感度、應(yīng)變敏感度、溫度敏感度分別可達(dá)到1060 nm / RIU（折射率單位）、22.5 pm /με、80 pm /℃。這種基于微錐形光纖內(nèi)空氣腔的裝置具有靈活、超小型、多功能、高效的特點(diǎn)，為光纖傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了一種很有前途的新途徑。