光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
    2015年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、光調(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)
    彈性光網(wǎng)絡(luò)（EONs）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）相結(jié)合，產(chǎn)生了軟件定義彈性光網(wǎng)絡(luò)（SD-EONs），這就為增強光網(wǎng)絡(luò)的可編程性和靈活性帶來了新的機遇，而網(wǎng)絡(luò)運營商也能夠更自由靈活地定制自己的基礎(chǔ)設(shè)施。來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院和美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校電氣與計算機工程系的科研人員研究了如何使多域方案適用于軟件定義彈性光網(wǎng)絡(luò)（SD-EONs）。他們在控制平面中設(shè)計了一些功能來幫助多域任務(wù)的完成，并提出了一個域間協(xié)議，使OpenFlow控制器能夠在不同的軟件定義彈性光網(wǎng)絡(luò)（SD-EONs）域里，為進行多域路由規(guī)劃和頻譜分配而協(xié)同運行。在跨國軟件定義彈性光網(wǎng)絡(luò)（SD-EONs）控制平面測試平臺上，研究人員所提出的系統(tǒng)經(jīng)過了運行和實驗驗證，這種測試平臺由兩個跨地理分布的域所組成，兩個域分別在中國和美國。實驗結(jié)果表明，在跨多個軟件定義彈性光網(wǎng)絡(luò)（SD-EONs）域中，該系統(tǒng)的運行情況良好。
    由于云計算和各種遠距離分散分布式云服務(wù)的出現(xiàn)，通過光網(wǎng)絡(luò)互相連接的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)吸引了許多網(wǎng)絡(luò)運營商和服務(wù)提供商的關(guān)注。為了能夠達到更有效且更高效地支持云服務(wù)的目的，人們必須對IT資源以及互聯(lián)網(wǎng)資源的配置進行一番精心策劃。在這里，來自中國北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室、華為技術(shù)有限公司網(wǎng)絡(luò)研究部和北京世紀(jì)互聯(lián)寬帶數(shù)據(jù)中心有限公司數(shù)據(jù)中心運營部的科研人員介紹了一種數(shù)據(jù)中心資源整合配置（DRIP）架構(gòu)，這種架構(gòu)利用了分布式數(shù)據(jù)中心的虛擬化協(xié)調(diào)和運營商的多域軟件定義光網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)中心資源整合配置（DRIP）架構(gòu)的提出，其目的是旨在實現(xiàn)IT資源和光網(wǎng)絡(luò)資源的整合分配。為了研究這種架構(gòu)的可行性和有效性，科研人員在測試平臺上對兩種IT資源分配策略和兩種虛擬網(wǎng)絡(luò)組合策略進行了評估；在驗證實驗中，他們主要依據(jù)三項指標(biāo)來進行性能評估，這三項指標(biāo)是主服務(wù)器CPU利用率、虛擬網(wǎng)絡(luò)故障率和平均等待時間。


無源和有源光子器件
    日本東京工業(yè)大學(xué)精密及智能實驗室光集成系統(tǒng)研究中心、工學(xué)部半導(dǎo)體及MEMS加工中心、日本電報電話公司設(shè)備創(chuàng)新中心和光學(xué)實驗室及電子有限公司、沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齊茲國王大學(xué)的研究人員，提出了一種基于布拉格反射波導(dǎo)陣列的波長選擇開關(guān)（WSS），其封裝引腳的尺寸只有2×6平方毫米；通過將硅基液晶作為交換引擎使用，可以在開關(guān)的182個輸出端口中實現(xiàn)任意切換。研究人員所提出的這種波長選擇開關(guān)（WSS），其模塊長度僅為10厘米，在布拉格反射波導(dǎo)中具有大角度散布的優(yōu)點。60通道波長選擇開關(guān)（WSS）的使用，展示出這種設(shè)備優(yōu)良的性能，它能夠同時提供數(shù)量巨大的端口和波長工作通道。經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，開關(guān)設(shè)備相鄰端口之間的串?dāng)_低于-20分貝；通過優(yōu)化模塊的光路后，這種性能還可以得到進一步提高。采用軟光刻技術(shù)的波導(dǎo)陣列設(shè)計，在與其他功能元器件集成方面也顯示出了無限的潛力。
    隨著波分復(fù)用光通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高每路光載波的比特率被證明是推動系統(tǒng)整體成本下降的最有效方法；然而，當(dāng)這種多載波傳輸系統(tǒng)的傳輸速率達到400 Gb/s時，增加載波數(shù)量的趨勢受到了光電元器件帶寬的限制。法國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室和德國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員在首次展示以400 Gb/s的速率進行橫跨大西洋距離的傳輸時，采用單載波調(diào)制技術(shù)。通過使用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，研究人員成功地產(chǎn)生了16進制正交幅度調(diào)制的64 GBaud雙極化信號。利用奈奎斯特脈沖整形技術(shù)，傳輸信道能夠以66.7 GHz和75 GHz的信道間隔緊密排列，由此產(chǎn)生的頻譜利用率分別為6 bit/s/Hz和5.33 bit/s/Hz。收發(fā)器的設(shè)計是基于碼間干擾的緩解、以及對前向糾錯開銷的優(yōu)化過程。這里還使用了一種具有解碼器優(yōu)化的空間耦合低密度奇偶校驗碼來減少容量間隙。研究人員通過在五個信道進行的傳輸驗證了收發(fā)器的設(shè)計，傳輸距離為6600公里和7200公里，對應(yīng)的頻譜利用率分別為6 bit/s/Hz和5.33 bit/s/Hz。他們還分析了通過使用濾波數(shù)字反向傳播算法降低非線性特性后所能提供的性能增益。
    隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各種新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，例如云計算和基于高速蜂窩網(wǎng)絡(luò)的視頻傳播需求；這些新應(yīng)用導(dǎo)致高速短距離傳輸（用于接入網(wǎng)或數(shù)據(jù)中心）的需求量日益增加。由于PIN接收機靈敏度低，10 Gb/s以上的高速雪崩光電二極管（APD）又很缺乏，因此對于高速接收機而言，光前置放大是一種很有前途的概念。法國III-V實驗室和法國電信的研究人員展示了一種集成了一個SOA（半導(dǎo)體光放大器）-PIN光電路和一個TIA（跨阻放大器）的接收機模塊。這種接收機具有44 A/W的巨大響應(yīng)度、低于2 dB的極化相關(guān)性、8.5 dB的低噪聲系數(shù)和35 GHz的大3 dB帶寬。研究人員所展示的接收機采用非歸零碼（NRZ），在25 Gb/s和40 Gb/s的速率下，創(chuàng)紀(jì)錄地分別實現(xiàn)了-23 dBm和-21 dBm的靈敏度。


光傳輸
    高速光通信要實現(xiàn)Tb/s級的傳輸速率，超級信道傳輸是主要的候選技術(shù)之一。在信號的傳輸過程中，為了實現(xiàn)更高的頻譜利用率，信道之間的間隔應(yīng)盡可能越窄越好。然而，密集的信道分配會引起無法忽略的信道間干擾（ICI），特別是當(dāng)信道之間的間隔接近或低于奈奎斯特帶寬時。日本三菱電機公司信息技術(shù)研發(fā)中心、通信網(wǎng)絡(luò)中心和先進技術(shù)研發(fā)中心、以及美國三菱電子研究實驗室的研究人員，考慮采用聯(lián)合譯碼來消除密集超級信道傳輸中的信道間干擾（ICI）。研究人員還建議使用漢-小林疊加編碼技術(shù)以進一步提高頻譜利用率。此外，有些情況下相鄰子信道的發(fā)射器能夠共享數(shù)據(jù)，這時可以引入臟紙編碼技術(shù)對信道間干擾（ICI）進行預(yù)消除處理。最后，研究人員分析并評估了當(dāng)傳輸信道之間的間隔低于奈奎斯特帶寬時，上述這些方法在消除信道間干擾（ICI）方面的預(yù)計效果。
    來自美國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室、Acacia通信公司、加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校電氣與計算機工程系和韓國電子通信研究院 的研究人員，報導(dǎo)了100 Gb/s實時相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）檢測的現(xiàn)場演示情況，其中每個子載波都采用極化復(fù)用正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制。演示中的相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）背對背傳輸實驗，是在多種混合安裝的光纖上進行的，成功地傳輸了495.2公里，傳輸?shù)恼`碼率（BER）為5×10-9，屬于所報導(dǎo)過的同類型實驗中最低的誤碼率（BER）之一。現(xiàn)場試驗是在使用色散管理技術(shù)的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中進行的，其相鄰信道是10Gb/s的以太網(wǎng)信道。

    來自法國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室和德國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員介紹了應(yīng)用在長途光傳輸系統(tǒng)中的超級信道，其傳輸速率達到1Tb/s。他們采用基于多載波的方法，優(yōu)化了傳輸速率為1Tb/s的相干收發(fā)器的設(shè)計，其中使用了不同的調(diào)制格式，并包含軟判決前向糾錯所需的代碼率。經(jīng)過長途傳輸實驗，研究人員驗證了他們的最優(yōu)化設(shè)計，并在頻譜效率和傳輸速率之間達到了最佳平衡。此外，研究人員還分析了實驗中出現(xiàn)的傳輸損傷，這是因為傳輸速率為1Tb/s的超級信道，在實驗中受制于所使用的傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)的性能，實驗使用的測試臺是由100公里的長跨距標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）和50 GHz的標(biāo)準(zhǔn)波長選擇開關(guān)（WSS）組成的。

光調(diào)制與光信號處理
    為提高光纖通信系統(tǒng)的頻譜利用率，來自瑞典查爾默斯技術(shù)大學(xué)信號與系統(tǒng)系和英國倫敦大學(xué)學(xué)院電子與電氣工程系光網(wǎng)絡(luò)研究組的科研人員對此進行了相關(guān)方案設(shè)計的研究，這些方案是基于不同類型的空間耦合（SC）前向糾錯（FEC）技術(shù)。在方案研究中，科研人員優(yōu)化了從前向糾錯（FEC）編碼器到信號星座圖調(diào)制的編碼比特分配，并且仔細(xì)考慮了兩種類型的空間耦合（SC）編碼。第一種類型的編碼是基于原模圖的低密度奇偶校驗（LDPC）編碼，使用迭代軟判決譯碼技術(shù)進行解碼。第二種類型的編碼是廣義低密度奇偶校驗（LDPC）編碼，使用迭代硬判決譯碼技術(shù)進行解碼。對于這兩種類型的編碼，根據(jù)基于密度演化分析的終止型空間耦合（SC）和咬尾型空間耦合（SC）情況，科研人員采用了相應(yīng)的比特分配優(yōu)化技術(shù)。采用基線順序分配優(yōu)化后的比特分配可以顯著提高咬尾型空間耦合（SC）編碼的性能，降低前向糾錯（FEC）的碼位開銷。而對于終止型空間耦合（SC）編碼，這樣的優(yōu)化方式僅僅導(dǎo)致其邊際性能的提升；在這種情況下，科研人員建議采用順序分配優(yōu)化方式，能夠使其更接近最佳性能。


    在采用極化分集方式的相干檢波器中，四個采樣信道之間的各種失衡情況會迅速降低整個系統(tǒng)的性能。其中的一種失衡情況是接收器偏移，當(dāng)符號速率越高、調(diào)制階數(shù)越高、并使用低滾降脈沖形狀時，這種失衡對系統(tǒng)的影響越大；因此，需要對偏移進行補償。來自法國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員評估了一種接收器偏移補償技術(shù)的性能，這種補償技術(shù)是基于復(fù)值多輸入多輸出4×2自適應(yīng)均衡器，該類型的均衡器能夠容忍較大的殘余色散。此外，研究人員還從收斂均衡器抽頭衍生出偏移估計。自適應(yīng)均衡器和衍生估計這兩種補償方法都經(jīng)過了實驗驗證，實驗中所處理的是以46 Gbaud速率在非色散管理試驗臺上經(jīng)過長距離傳輸?shù)男盘�，該信號在發(fā)射時是使用根升余弦濾波器（滾降因子為0.1）整形的奈奎斯特脈沖，并進行了極化復(fù)用，采用了16進制正交幅度調(diào)制。
     來自愛爾蘭科克大學(xué)物理系、英國阿斯頓大學(xué)阿斯頓光子技術(shù)研究所和法國電信科技研發(fā)中心的研究人員，設(shè)計并通過實驗實 現(xiàn)了一種全光可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）方案，這種復(fù)用器主要用于全光正交頻分復(fù)用（OFDM ）超級信道內(nèi)的單個子信道路由。在有10個子信道的光聚合信號里，由于光節(jié)點有各種各樣的功能需求，因此采用的干涉技術(shù)能夠?qū)�單個子信道進行提取、刪除和增加。研究人員所介紹的這個方案實現(xiàn)了與未來每秒傳輸速率達太比特級的超級信道節(jié)點完全柔性兼容。
    來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院光子與量子電子學(xué)研究所和顯微技術(shù)研究所、科隆大學(xué)化學(xué)系、比利時根特大學(xué)信息技術(shù)系光子學(xué)研究組、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、美國英飛朗公司的研究人員，通過將高效硅-有機雜化物（SOH）調(diào)制器直接連接到一片現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的二進制輸出端口，來演示光信號是如何產(chǎn)生和傳送的。利用一個硅-有機雜化物（SOH）馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）和一個硅-有機雜化物（SOH）同相正交（IQ）調(diào)制器，研究人員生成了采用開關(guān)鍵控調(diào)制、二進制相移鍵控調(diào)制、正交相移鍵控調(diào)制和16進制正交幅度調(diào)制（16QAM）的信號。用于驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）的峰-峰電壓值只需0.27 Vpp，而驅(qū)動同相正交（IQ）調(diào)制器的峰-峰電壓值也只有0.41 Vpp。在生成16進制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號時，既不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器，也不需要驅(qū)動放大器，并且調(diào)制器的射頻（RF）能量消耗只有18 fJ / bit，這創(chuàng)造了能耗最低的紀(jì)錄。

光纖技術(shù)
    在光纖通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)上常用的工作波長都在1.55微米以下，而目前，2微米正成為下一個潛在的新工作波長，可提升幾個顯著的好處。首先，空心光子帶隙光纖（HC-PBGF）是將來新型傳輸光纖的候選者之一，具有超低的非線性特性和最低的延遲特性（在這種光纖中光的傳播速度只比在真空中慢0.3％），而且在2微米波長頻帶內(nèi)的傳輸損耗最小。其次，與摻鉺光纖放大器相比，工作在這個光譜區(qū)域的摻銩光纖放大器明顯能夠提供更多的帶寬。為此，來自愛爾蘭埃布拉納光電有限公司、德國海因里希赫茲研究所、弗勞恩霍夫通訊技術(shù)系統(tǒng)研究所和萊布尼茨光子技術(shù)研究所的研究人員展示了一種單信道2微米波長發(fā)射機，它能夠提供大于52Gbit/s的數(shù)據(jù)信號，這是以前展示的發(fā)射機所能提供信號速率的兩倍。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員采用了通過法布里-珀羅半導(dǎo)體激光器直接電流調(diào)制的離散多音頻調(diào)制。激光器的4.4GHz調(diào)制帶寬經(jīng)光注入鎖定增強后，最高可提供的調(diào)制帶寬達到11 GHz。展示中發(fā)射機分別在500米和3.8公里長的空心光子帶隙光纖（HC-PBGF）上進行了傳輸驗證。
     來自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)微米技術(shù)與納米科學(xué)學(xué)院的研究人員，介紹了在50米長的多模光纖上進行的高速實時傳輸實驗，他們采用了兩種調(diào)制方案，分別是56 Gbps的非均衡8電平脈沖幅度調(diào)制（PAM）和70 Gbps的離線均衡4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM）。在這兩種方案里，前向糾錯（FEC）是必不可少的，所達到的傳輸比特率已經(jīng)包含了前向糾錯（FEC）的開銷，誤碼率（BER）要求達到10-12以下。在這個實驗里，使用了一個具有20GHz帶寬的850納米垂直腔表面發(fā)射激光器，以及一個22GHz帶寬的光接收機。研究人員發(fā)現(xiàn)，8電平脈沖幅度調(diào)制（PAM）要求信道帶寬與符號速率相匹配，以避免出現(xiàn)過多的碼間干擾（ISI）；改善4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號的均衡性，能夠顯著提高可實現(xiàn)的傳輸比特率。
    來自日本電報電話公司網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室和設(shè)備技術(shù)實驗室以及接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實驗室、藤倉公司光電子實驗室、島根大學(xué)、大阪府立大學(xué)的研究人員展示了速率在100 Tb/s以上的無中繼傳輸技術(shù)，其中采用了基于多芯光纖的遠程光抽運放大器。他們搭建了速率為120.7 Tb/s、距離為204公里的七芯光纖傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)合計的頻譜利用率（SE）為53.6 b/s/Hz，對于無中繼傳輸而言，這創(chuàng)造了單根光纖傳輸容量的紀(jì)錄，并達到了最高的頻譜利用率（SE）。研究人員還通過使用極化復(fù)用32電平正交幅度調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了光纖每芯最高傳輸容量為17.2 Tb/s（180×95.8 Gb/s）和每芯頻譜利用率（SE）為7.6 b/s/Hz的無中繼傳輸。