光纖在線特約編輯：邵宇豐 王煉棟

    2015年5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)及其子系統(tǒng)

    網(wǎng)絡(luò)虛擬化被廣泛認(rèn)為是未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的主要模式之一，因為這種模式具有許多優(yōu)點，包括可擴展性強、網(wǎng)絡(luò)資源可按需分配、網(wǎng)絡(luò)資源的利用率有望提高等。來自英國利茲大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院的科研人員，提出了一種用于云計算網(wǎng)絡(luò)的高效節(jié)能虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（EEVNE），其在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心里通過整合資源來達(dá)到節(jié)省能耗的目的。科研人員采用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）來模擬這種方法在波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用。他們將高效節(jié)能虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（EEVNE）與相關(guān)文獻中的兩種方法——帶寬成本法（CostVNE）和能量感知法（VNE-EA）進行了性能比較。帶寬成本法（CostVNE）是將可用帶寬的使用最優(yōu)化；能量感知法（VNE-EA）是通過減少處于激活狀態(tài)的節(jié)點及鏈路數(shù)量來使功耗最小化，而不考慮數(shù)據(jù)中心和各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體功耗。模擬應(yīng)用的對比結(jié)果表明，在一個低能效電源配置的數(shù)據(jù)中心中，與使用帶寬成本法（CostVNE）相比，高效節(jié)能虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（EEVNE）最大省電可達(dá)到60％（平均20％）�？蒲腥藛T還開發(fā)了一種用于探索研究的實時能量優(yōu)化虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（REOVNE），在節(jié)省能耗的性能方面接近于高效節(jié)能虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（EEVNE）。此外，他們還在采用高能效電源配置的數(shù)據(jù)中心中比較了上述的各種方法；研究了延遲和節(jié)點位置限制對虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法能量效率的影響；并且說明了為在云網(wǎng)絡(luò)中達(dá)到最低的功耗，虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（VNE）是如何影響數(shù)據(jù)中心的最佳位置設(shè)計。最后，科研人員分析了在光正交頻分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，虛擬網(wǎng)絡(luò)映射法（VNE）在節(jié)省能耗和提高頻譜效率方面帶來的好處。


無源和有源光子器件

來自俄羅斯圣彼得堡國立技術(shù)大學(xué)無線電物理科學(xué)系的科研人員，對基于外腔式光纖法布里-珀羅干涉儀（EFPI）的多路位移傳感器分辨率進行了研究。他們仔細(xì)考慮了串行和并行這兩種結(jié)構(gòu)的情況，對二者的優(yōu)點以及存在的問題進行了分析，并且開發(fā)了一種分析模型來描述這兩種結(jié)構(gòu)的分辨率極限。在實驗中，串行和并行結(jié)構(gòu)的多路位移傳感器方案分別用三個和四個傳感元件來實現(xiàn)。采用這兩種結(jié)構(gòu)的傳感器，其光程差的標(biāo)準(zhǔn)差能夠保持在30至80皮米（pm）之間，這是目前已知最好的性能；與任何其他曾經(jīng)報導(dǎo)過的多路外腔式光纖法布里-珀羅干涉儀（EFPI）位移傳感器的分辨率相比，要高出一個數(shù)量級。上述實驗結(jié)果驗證了科研人員分析預(yù)測的準(zhǔn)確；他們還研發(fā)了與實現(xiàn)傳感器分辨率相關(guān)的數(shù)學(xué)裝置，可用于設(shè)置多路傳感器的數(shù)量和光學(xué)參數(shù)，同樣在實驗結(jié)果中得到了良好的驗證。此外，科研人員對傳感器串?dāng)_的主要可能來源也進行了描述，并在實驗中證明了這種考慮的重要性；基于相關(guān)的理論分析和實驗研究，他們還提出了一些建議，來致力于進一步優(yōu)化傳感器的分辨率和消除串音的影響。


來自日本靜岡大學(xué)工程研究生院的研究人員首次提出了一種對光脈沖同時進行相乘和整形的有效方法，這種方法是基于一個利用布拉格光纖光柵的三重采樣光譜濾波器。該方法能夠產(chǎn)生一個光脈沖序列，且具有很大的倍乘因子和任意強度的脈沖形狀。研究人員通過實例對所提出的方法進行了驗證，他們從1 GHz的變換極限高斯脈沖序列中生成了重復(fù)頻率為225 GHz的脈沖序列，并且具有平頂形或三角形的脈沖形狀。

光傳輸

可見光通信（VLC）是一種新近出現(xiàn)的技術(shù)，這種技術(shù)通過利用可見光波段范圍內(nèi)（370～780納米）的電磁波為載體，在提供數(shù)據(jù)傳輸功能的同時也能具有照明功能。為了能在室內(nèi)環(huán)境中，最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸速率并適應(yīng)用戶的移動性，對通信信道進行特征描述是至關(guān)重要的。來自捷克技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院電磁場系和英國諾森比亞大學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院的科研人員介紹了他們所做的分析和實驗的結(jié)果，這些分析和實驗是針對在不同室內(nèi)環(huán)境下（例如有家具的辦公室、空蕩蕩的大廳、走廊等），人的移動對可見光通信（VLC）系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響�？梢姽馔ㄐ牛╒LC）系統(tǒng)利用的是多個安裝在天花板上的發(fā)光二極管，配置成四散發(fā)光，沒有方向性。由于室內(nèi)環(huán)境中人移動的隨機性，科研人員注意到這種移動會形成對光的遮蔽和阻斷，從而影響到傳輸數(shù)據(jù)的可見光鏈路；因此，他們通過使用接收功率分布和延遲分布的累積分布函數(shù)，來研究鏈路信道特性的變化對通信系統(tǒng)性能的影響�？蒲腥藛T驗證了不同的場景中通信信道的特性，在走廊里，信道對抗由人移動造成的信號衰減能力最強；在辦公室和大廳里，接收功率的波動會導(dǎo)致信道性能最脆弱。

為了應(yīng)對未來可以預(yù)見的數(shù)據(jù)傳輸容量的不足，下一代光傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)在于利用更高階的正交幅度調(diào)制格式，從而與當(dāng)前正在運行的商業(yè)系統(tǒng)相比，實現(xiàn)更高的頻譜利用率（SE）。尤其是要實現(xiàn)高達(dá)1 Tb /s傳輸速率的設(shè)想，則采用超級信道方式要優(yōu)于采用標(biāo)準(zhǔn)50 GHz奈奎斯特濾波安置的波分復(fù)用（WDM）信道。此外，利用在超級信道中增加每個子載波符號速率的方法，可有效減少實現(xiàn)1 Tb /s傳輸速率時的元器件數(shù)量，從而降低總體成本。在這方面，來自荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)電氣工程系和德國科銳安公司的研究人員解決了一系列的難題，包括由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）低通濾波引起的符號間干擾（ISI）、超級信道內(nèi)部的串?dāng)_危害，以及在選擇前向糾錯（FEC）碼時要考慮電子元器件性能的限制。他們采用數(shù)字預(yù)加重技術(shù)減小數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）引起的符號間干擾（ISI）；選定1.2倍符號速率作為子載波間隔，將串?dāng)_危害在Q2中限制到小于0.5dB；用23％的前向糾錯（FEC）碼開銷使限幅轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量達(dá)到四個，實現(xiàn)了1 Tb /s的凈數(shù)據(jù)傳輸速率。為達(dá)到5.0 b/s/Hz的頻譜利用率（SE），分配給超級信道的光譜帶寬為200 GHz；研究人員在三種不同的光纖傳輸平臺上，通過試驗對波分復(fù)用（WDM）傳輸性能進行了評估：三種光纖分別是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）、大面積純硅芯光纖（LAPSCF）和大有效面積光纖（LEAF），跨距長度分別為95/121公里、82/164公里和81公里。包含 8×100-Gb /s波分復(fù)用（WDM）信道的1-Tb /s 超級信道，在預(yù)前向糾錯（FEC）閾值為3.37×10-2時，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）、大面積純硅芯光纖（LAPSCF）和大有效面積光纖（LEAF），其最大可傳輸距離分別為1110公里、1921公里和789公里；通過采用EDFA（摻鉺光纖放大）-拉曼混合放大器對傳輸性能進一步改善以后，在同樣的預(yù)前向糾錯（FEC）閾值下，可達(dá)到的傳輸距離分別擴大至2054公里、2952公里和1341公里；再采用單信道數(shù)字反向傳播來減少非線性相位噪聲之后，傳輸?shù)淖畲缶嚯x最終分別擴大至2262公里、3349公里和1530公里。


在光中繼無線通信系統(tǒng)的無線傳輸信道中，湍流、路徑損耗和指向誤差都會導(dǎo)致信號損傷；因此，來自印度德里理工學(xué)院電子與通信工程部的科研人員，對處于上述傳輸條件下的基于子載波強度調(diào)制的光中繼無線通信系統(tǒng)進行了分析。系統(tǒng)的中繼方式按照放大及轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議，光鏈路采用假設(shè)獨立但不同分布（i.n.i.d）的伽瑪伽瑪衰落統(tǒng)計來建模�？蒲腥藛T推導(dǎo)出了一個新的解析表達(dá)式，其等同于端到端目的地位置信號信噪比（SNR）的矩量母函數(shù)和累積分布函數(shù)，并且利用這個表達(dá)式獲得了中斷概率的精確解析表達(dá)式、以及分別對應(yīng)于M進制相移鍵控和M進制正交幅度調(diào)制星座圖的平均誤符號率。這些結(jié)果是依據(jù)一些特殊函數(shù)（例如廣義二元梅耶爾G-函數(shù)）而獲得的，為了進行更深入的研究，科研人員還提出了在高信噪比值處的漸近分析方法，目的是了解各種參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

光調(diào)制與光信號處理

來自歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會西班牙馬德里自治大學(xué)通信系和維戈大學(xué)通信系的科研人員對差分群延遲做了研究，這種差分群延遲是在帶有縱向偏移耦合器的微環(huán)耦合諧振器波導(dǎo)中獲得的�？蒲腥藛T設(shè)計了多種基于該效應(yīng)的設(shè)備裝置，并使用有限差分時域法進行了分析；最后還討論了這些設(shè)備裝置的潛在用途。

高效的非線性四波混頻（FWM）相互作用可以通過對所涉及的光波進行相位匹配或者準(zhǔn)相位匹配（QPM）來實現(xiàn)。通常這僅限于一組四波混頻（FWM）過程的實現(xiàn)。來自比利時布魯塞爾自由大學(xué)應(yīng)用物理與光子學(xué)系布魯塞爾光子學(xué)團隊的研究人員研制出一種方法，可以同時實現(xiàn)兩組任意四波混頻（FWM）過程的準(zhǔn)相位匹配（QPM）。這種雙重準(zhǔn)相位匹配（QPM）方法綜合了兩種準(zhǔn)相位匹配（QPM）技術(shù)，也就是對一組過程通過相位失配切換進行準(zhǔn)相位匹配（QPM），而對另一組過程通過色散補償進行準(zhǔn)相位匹配（QPM）。據(jù)研究人員介紹，這是第一種可以實現(xiàn)兩個任意四波混頻（FWM）過程高效相互作用的方案；在本質(zhì)上，只要是在所關(guān)注波長域中具有單個零色散點特征的任何類型波導(dǎo)介質(zhì)，都可以采用這種方案。研究人員利用該方案的原理設(shè)計出兩種設(shè)備，即波長轉(zhuǎn)換開關(guān)和一對二拉曼波長轉(zhuǎn)換器，可以在比以前更大的光泵信號頻率差下運行。雙重準(zhǔn)相位匹配（QPM）方法允許光波通過更大數(shù)量的非線性光學(xué)過程實現(xiàn)相互作用，并且因此產(chǎn)生了許多基于四波混頻（FWM）的新應(yīng)用。

來自伊朗德黑蘭大學(xué)工學(xué)部電子與計算機工程學(xué)院和應(yīng)用電磁系統(tǒng)卓越中心的研究人員介紹了一種用于分析多層彎曲光波導(dǎo)的新方法，其中主要使用了積分方程技術(shù)。他們利用等效性原理構(gòu)成一個混合場積分方程（CFIE），使用復(fù)雜圖像格林函數(shù)可以及時獲得這個混合場積分方程（CFIE）的解，這是一種解方程速度很快、準(zhǔn)確度很高的方法，并能夠同時減少計算的復(fù)雜度。上述研究人員所提出的方法被應(yīng)用于一般的二維多層彎曲光波導(dǎo)，分析結(jié)果與采用物理光學(xué)方法的結(jié)果進行了比較，其準(zhǔn)確度得到了驗證。
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單邊帶光調(diào)制技術(shù)可以應(yīng)用在多射頻光傳輸鏈路上。人們通常認(rèn)為在射頻輸出的功耗上，單邊帶光調(diào)制要低于傳統(tǒng)的雙邊帶調(diào)制技術(shù)。然而，這種論斷在一些特定的情況下是成立的，但并不是在所有的情況下都成立。來自美國瑞特-帕特森空軍基地空軍研究實驗室傳感器部、空軍研究實驗室材料與制造部和UES股份有限公司的研究人員，通過理論和實驗對采用單邊帶光調(diào)制技術(shù)的光鏈路射頻性能進行了分析，這里所用的單邊帶光調(diào)制是由帶有90°射頻混合的Z切割雙電極馬赫-曾德爾強度調(diào)制器產(chǎn)生的。研究人員將這種單邊帶光調(diào)制技術(shù)的性能與同樣使用馬赫-曾德爾調(diào)制器（采用帶有180°射頻混合的推挽式結(jié)構(gòu)，或者采用單臂驅(qū)動結(jié)構(gòu)）的雙邊帶調(diào)制技術(shù)性能做了對比。主要是通過理論分析和實驗比較了兩者的光邊帶功率、射頻輸出功率、輸出攔截功率和三階互調(diào)非線性無雜散動態(tài)范圍。此外，還從理論上與使用X切割推挽馬赫-曾德爾調(diào)制器的雙邊帶調(diào)制鏈路進行了性能的比較，比較時假定推挽馬赫-曾德爾調(diào)制器的Vπ和插入損耗與單邊帶光調(diào)制所用的雙電極馬赫-曾德爾調(diào)制器相同。