光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
3/11/2015,2015年2月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調制與信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
    目前光纖傳輸技術的廣泛運用，使在公共局域網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸速率大大增加，已經(jīng)可以達到10Gb/s以上。在具體使用場合里，終端用戶發(fā)現(xiàn)采用移動通信方式進行局域網(wǎng)的無線接入是非常方便的。然而，微波頻率有限的頻譜可用性卻導致每個用戶的傳輸速率受到限制，只能達到低得多的速率值；例如，根據(jù)IEEE 802.11ac的標準，5-GHz頻段的速率上限為500 Mb/s。要將光纖傳輸?shù)母邤?shù)據(jù)速率延伸到無線終端設備，就需要大大提高載波的頻率。在本文中，來自英國倫敦大學學院電子與電氣工程系的研究人員介紹了如何運用光子技術，來使毫米波級和太赫茲（THz）頻率的信號進行超高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。


    來自美國阿爾卡特-朗訊公司貝爾實驗室、中國華為美國子公司固定接入實驗室、德國凱澤斯勞滕大學、德國電信咨詢有限公司以及韓國電子和電信研究所的研究人員在這篇文章中介紹了以1.44Tb/s速率進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)場演示情況。演示是在韓國先進研究網(wǎng)絡（KOREN）上進行的，使用的是三組341 Gb/s傳輸速率的極化復用-正交頻分復用（PDM-OFDM）信號，采用了256迭代極性調制。在這個采用分布式管理的商用化波分復用（WDM）傳輸系統(tǒng)中，部署了傳統(tǒng)光纖和支持波分復用（WDM）傳輸?shù)?00 GHz電網(wǎng)，涵蓋了大田與首爾之間248公里的距離。由于使用環(huán)形路由配置，三個信道中信號被發(fā)送的總距離超過了495公里。研究人員在演示實驗中既采用了基于碼間干擾的補償技術，也采用了增強軟判決的解碼技術；通過兩種用于編碼調制的數(shù)字信號處理方法，使演示獲得了成功。

無源和有源光子器件
    來自美國阿爾卡特-朗訊公司貝爾實驗室、德國慕尼黑工業(yè)大學沃爾特肖特基研究所和德國VERTILAS公司的研究人員使用了一種直接調制2×4單片垂直腔表面發(fā)射激光器陣列，來產(chǎn)生400-Gb/s的線速率信號。這種信號包含四個波分復用信道，信道之間間隔為100 GHz，每個信道承載100-Gb/s速率的極化復用四電平脈沖幅度調制信號。研究人員使用數(shù)字相干檢測技術，在5×80公里帶有摻鉺光纖放大器的標準單模干線光纜上成功地發(fā)射了400 Gb/s的信號，其中約20％的開銷用于軟判決前向糾錯，因此最終實現(xiàn)333 Gb/s的凈網(wǎng)絡信息比特率。
    來自英國劍橋大學工程系光子系統(tǒng)中心、美國阿爾卡特-朗訊公司貝爾實驗室和安華高科技公司的研究人員研制了一種新型的密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)，通過引入相鄰信道之間的正交性、采用對波導光柵濾波器重疊排列的方式，在運行激光發(fā)射器時不再需要使用半導體制冷。與傳統(tǒng)密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)相比較，采用這種新型方案實現(xiàn)的系統(tǒng)可以節(jié)省高達68%的功耗。文中還介紹了研究人員在所進行的100 Gb/s（10 Gb/s×10）原理證明實驗中，使用了交替非歸零（NRZ）碼和曼徹斯特（CAP-2Q）調制技術。

    來自中國香港科技大學電子與計算機工程系、美國加利福尼亞大學電氣工程系、美國俄勒岡州立大學以及中國復旦大學的研究人員提出了一種數(shù)字化控制的光接收機（1V、30 Gb/s、1.37 pJ/b）設計方案，采用了65納米互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造技術。這種光接收機包含一個以逆變器為基礎的電感性跨阻放大器、一個完全集成的低壓差穩(wěn)壓器、一個主放大器、一個三級級聯(lián)的連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）、一個兩級限幅放大器和一個輸出驅動器。其中連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）由三級級聯(lián)組成，每級具有不同的峰值頻率（5、12和20 GHz），提供16分貝的可調低頻增益，以適應不同光電檢測器（PD）的特性。經(jīng)過電氣測量，其最大跨阻增益為83 dBΩ（14125Ω），輸出電壓振幅為300毫伏，-3 dB時帶寬為24 GHz，功耗為41毫瓦。此外，在使用28 Gb/s的光電檢測器（PD），并用-5.6 dBm輸入靈敏度的215-1位偽隨機二進制序列（PRBS）作為輸入信號時，所進行的光學測量結果顯示，光接收機可達到的接受碼速為30 Gb/s，誤碼率（BER）為10-12。使用低帶寬14 Gb/s的光電檢測器（PD），同時信號輸入靈敏度降低至0.6 dB，接受碼速仍然可以達到30 Gb/s，誤碼率（BER）為10-12。這充分體現(xiàn)了本文所提出的光接收機和可編程級聯(lián)連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）設計方案的有效性。核心器件的占用面積為0.26平方毫米。
    來自美國國際商用機器公司（IBM）T.J. Watson研究中心和瑞典查爾默斯理工大學顯微技術與納米科學系光子學實驗室的科研人員介紹了所設計的850納米垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）發(fā)射機的性能，它采用了非歸零（NRZ）調制技術，傳輸速率50 Gb/s時工作溫度范圍為30℃至90℃。對于50 Gb/s任意波長垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）鏈路而言，這是發(fā)射機目前所能達到的最高工作溫度。為達到這一目標，科研人員采用了對高速垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）優(yōu)化設計、對驅動器和接收器電路進行均衡化等措施。如果不做均衡化處理，為保證傳輸誤碼率小于10-12，最高工作溫度只能達到57℃。
來自美國洛合鐳信有限公司的研究人員，在本文中展示了一種緊湊型集成光學子模塊，主要應用于以40 Gb/s進行并行短距離傳輸?shù)墓鈱W互連系統(tǒng)。在這種子模塊中，研究人員采用一個硅光學平臺整合所有光學元件，并通過應用高精度硅加工技術來制造無源光纖陣列。這種子模塊能夠在多模光纖上以40 Gb/s的速率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，有效使用距離可達到數(shù)百米。同樣的生產(chǎn)平臺經(jīng)過升級后，就可以生產(chǎn)傳輸速率達100 Gb/s以上的子模塊。

光傳輸
    來自美國寬宇科技有限公司、美國威瑞森電信公司和美國康寧公司的研究人員介紹了他們所做的100G傳輸實驗結果，這項實驗的目的是在系統(tǒng)內(nèi)部不使用任何有源器件的情況下，實現(xiàn)長距離無中繼傳輸。在這種無中繼傳輸系統(tǒng)中，使用了商用分布式拉曼泵浦模塊、增強型拉曼泵浦光放大器、以及帶軟判決前向糾錯的實時處理100G（極化復用-正交相移鍵控）相干收發(fā)器。實驗里作為干線光纜的是兩種類型的超低損耗光纖，具有完全符合G.652b和G.654b標準的特點。實驗過程中，首先是在實驗室環(huán)境下，成功地進行了單獨的100G信道傳輸，在G.652b標準的光纖上傳輸距離超過520.6公里（86.2分貝）；接下來，在野外環(huán)境下采用大有效面積、超低損耗符合G.654b標準的光纖作為干線光纜，成功地進行了單獨100G信道和四個100G信道的傳輸，傳輸距離分別超過556.7公里（90.2分貝）和523.2公里（84.8分貝）。

    工作于瑞典查爾姆斯理工大學微米技術與納米科學學院、澳大利亞莫納什大學電氣與計算機系統(tǒng)工程系光學系統(tǒng)與超高寬帶裝置研究中心的科研人員，對采用相位敏感放大器（PSAs）進行信號放大的傳輸鏈路特性進行了研究。通過文中的分析說明，他們解釋了為什么這種鏈路比采用相位不敏感放大器（PIAs）進行信號放大的傳統(tǒng)鏈路靈敏度更高，并且能夠減輕非線性傳輸失真。這些科研人員使用數(shù)值模擬方法展示了這些特點，尤其是如果對鏈路色散圖進行優(yōu)化，就可能有效緩解自相位調制（SPM）引起的失真和非線性相位噪聲（NLPN）。有用信號和閑頻信號的噪聲特性是十分重要的，要使非線性相位噪聲（NLPN）得到緩解，噪聲必須與鏈路的輸入有相關性�？蒲腥藛T詳細研究了色散圖的作用，結果表明：在一條采用標準單模光纖（SSMF）的鏈路中，能有效緩解非線性效應的最佳色散圖，其所對應的預補償量，相當于由非線性而損失的有效傳輸距離。此外，文中所做的實驗也表明：在采用相位敏感放大器（PSAs）進行信號放大的鏈路中，由于提高了靈敏度并減少了非線性效應，傳送10 GBd 16進制正交幅度調制（16QAM）數(shù)據(jù)的距離達到了105公里�？紤]到各種情況的綜合影響，經(jīng)科研人員測量，在誤碼率（BER）同樣達到1 × 10−3時，與采用傳統(tǒng)相位不敏感放大器（PIAs）放大的鏈路相比，采用相位敏感放大器（PSAs）放大的鏈路能多允許12分貝以上的跨度損耗，這也意味著更遠的傳輸距離。
在各個數(shù)據(jù)中心用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w鏈路，絕大多數(shù)使用的是多模光纖，并采用工作波長為850納米的垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。這些鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)從1996年的1Gb/s發(fā)展到2014年的28 Gb/s。串行數(shù)據(jù)鏈路的這種發(fā)展趨勢（未來傳輸速度達到40至56 Gb/s）對垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）和光電二極管提出了更高的要求。在本文中，來自美國菲尼薩光電通訊有限公司、美國OFS公司和美國博通通信技術有限公司的研究人員首先介紹了在目前常用的28 Gb/s鏈路中，所使用的垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）和光電二極管的特性。然后，還提出了幾種延長鏈路傳輸距離的方法，這些方法都采用了更先進的數(shù)據(jù)編碼方案。最后，研究人員介紹了在多模光纖上使用波分復用技術的成果，驗證了在雙工OM3光纖上，傳輸速度為40 Gb/s的以太網(wǎng)連接最大距離可達到300米；并且還介紹了在模式帶寬為850至 980納米范圍內(nèi)所進行光纖優(yōu)化的結果。

調制與信號處理
    來自日本電報電話公司接入網(wǎng)絡服務系統(tǒng)實驗室和設備創(chuàng)新中心、沖電氣集團實業(yè)有限公司、千歲科學技術大學光電系統(tǒng)工程系的研究人員報道了世界上第一種能在系統(tǒng)級示范的動態(tài)波長分配（DWA）技術，這種技術是在波長可調（λ可調）的波分復用/時分復用-無源光網(wǎng)絡（WDM/TDM-PON）中應用。為了實現(xiàn)動態(tài)波長分配（DWA）技術，需要一種新的動態(tài)波長分配（DWA）算法，用于根據(jù)用戶帶寬的需求，來確定如何將光網(wǎng)絡單元分配給光線路終端端口。此外，波長調諧（λ調諧）序列會導致無數(shù)據(jù)幀的丟失，也就是說，一個無中斷λ調諧序列是必不可少的。因此，研究人員提出了一種雙向無中斷λ調諧序列，并且探討了這種序列使用媒體接入控制板的可行性，這種控制板是研制用于對稱40-Gbit/sλ-可調波分復用/時分復用-無源光網(wǎng)絡（WDM/TDM-PON）的，也是世界上首次使用這樣的控制板。在展示過程中，系統(tǒng)會根據(jù)下行流量負載進行動態(tài)波長分配（DWA）計算，然后自動進行動態(tài)負載平衡操作。


    大型數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)需求促進了短距離通信研究的發(fā)展，這種互聯(lián)所要求的傳輸距離約為數(shù)百公里，每波長的數(shù)據(jù)率超過100G。針對高速短距離通信，最近，來自澳大利亞墨爾本大學電氣與電子工程系、澳大利亞國家信息通訊技術中心維多利亞研究實驗室的研究人員提出了一種斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）技術，可以用類似相干檢測的方法來實現(xiàn)線性的復雜光學信道。在斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）技術中，發(fā)射機將信號和載波置于正交極化上，而接收機在斯托克斯空間中實現(xiàn)對極化不敏感的三維檢測，斯托克斯空間采用數(shù)字信號處理進行極化采集。與單極化相干檢測技術對比，斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）技術可以達到100％的頻譜效率，并同時獲得接收機的相位分量和消除光檢測的非線性。研究人員的實驗表明，對斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）信號分別以80-Gb/s和160-Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率進行傳輸，都能在標準單模光纖上達到160公里以上的距離。與采用極化復用相干檢測技術相比，采用斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）技術顯著降低了系統(tǒng)硬件和數(shù)字信號處理的復雜度，而且與傳統(tǒng)的強度調制直接檢測技術相比則增加了系統(tǒng)的頻譜效率。因此，要實現(xiàn)每波長100G的數(shù)據(jù)率傳輸和超城域網(wǎng)（MAN）的覆蓋，斯托克斯矢量直接檢測（SV-DD）技術可提供具有成本效益的解決方案。這種技術還有在未來高速無源光網(wǎng)絡（PON）中應用的潛力。

    本文探討了運用25 Gb/s垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）技術，在單信道中進行50 Gb/s和100 Gb/s傳輸?shù)目尚行�。來自美國菲尼薩光電通訊有限公司的研究人員，通過實驗證明了在100米OM3多模光纖上，進行50Gb/s傳輸是能夠達到實用程度的。那么，在單信道中進行100 Gb/s傳輸是否可行呢？為了解決這個問題，研究人員通過仿真實驗提出了兩方面的措施：一方面要降低垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）的相對強度噪聲；另一方面是采用一種新的調制技術，其性能比傳統(tǒng)的離散多音頻調制有明顯提高，而增加的計算復雜性很少。
    來自德國柏林工業(yè)大學光學與原子物理研究所、德國高性能微電子創(chuàng)新研究所的科研人員介紹了一種硅基光調制器，它使用了一個位于法布里-珀羅納米波導諧振腔內(nèi)部的新型節(jié)點匹配二極管，這種二極管的長度僅為3微米。文中給出了這種調制器的動態(tài)光譜傳輸行為分析，并驗證了發(fā)送非歸零碼數(shù)據(jù)時速率可達到10 Gb/s。

光纖技術
    來自美國Chiral Photonics公司和比利時校際微電子研究中心的研究人員展示了一種六邊形單片光纖陣列，這種光纖陣列用于硅光子光接口，里面匹配了37個間距為40微米的垂直光柵耦合器，所有通過光接口的信道的耦合標準差為0.7分貝。
當前，隨著通信中數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，銅電纜中的最大有效傳輸距離也在逐漸減小。這種發(fā)展趨勢正在推動著光纖鏈路進入到短距離通信的應用之中。目前，光纖傳輸已經(jīng)在電信和數(shù)據(jù)通信市場領域確立了主導地位，并準備在消費類應用市場尋找商機。消費類產(chǎn)品的通信協(xié)議，例如USB（通用串行總線）接口協(xié)議和雷電接口協(xié)議，正在實現(xiàn)10 Gb/s以及更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。在這種高速傳輸數(shù)據(jù)的情況下，傳統(tǒng)銅電纜的有效傳輸范圍變得僅限于幾米以內(nèi)。光纖傳輸可以突破這種距離限制，能在較長距離內(nèi)有效應用。然而，要成功進入消費類產(chǎn)品市場，光纜還需要有足夠的魯棒性（包括光學性能和機械性能），同時成本要低。在本文中，來自美國康寧公司西部技術中心的研究人員介紹了如何將光纖鏈路的各部分，包括光纖、纜線、耦合光學器件等，通過工程化手段整合到一個系統(tǒng)中運行，并滿足前面所提到的那些要求。