光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
8/20/2015，2015年7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、調(diào)制與光信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    來自葡萄牙阿威羅大學(xué)電子、電信與信息學(xué)系和美國邁阿密大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的研究人員，對(duì)在實(shí)際運(yùn)行的光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，配對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑長度進(jìn)行了分析。通過分析研究人員發(fā)現(xiàn)，要對(duì)最短路徑長度建模，采用約翰遜SB分布是最適合的。他們根據(jù)柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（KS）統(tǒng)計(jì)對(duì)分布的有效性進(jìn)行評(píng)估；約翰遜SB分布可提供0.0423的平均柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（KS）統(tǒng)計(jì)值，這表明了這種分布精度良好。他們還說明了最短路徑長度的關(guān)鍵參數(shù)，例如平均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差，這些都可以從網(wǎng)絡(luò)的凸區(qū)域部分中進(jìn)行估計(jì)。研究人員研制的用于最短路徑長度的約翰遜SB分布模型，只是使用網(wǎng)絡(luò)的基本信息。這種模型能夠依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)來估算路徑長度，如果在透明光網(wǎng)絡(luò)中采用合適的調(diào)制格式，估算值的平均誤差僅為6.4％。值得注意的是，獲得這些估計(jì)值并不需要網(wǎng)絡(luò)的全部信息，僅有網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置信息是必需的。

    來自塞爾維亞尼什大學(xué)電子工程學(xué)院、希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)和阿拉伯聯(lián)合酋長國哈里發(fā)大學(xué)的科研人員，對(duì)由射頻（RF）鏈路/自由空間光（FSO）鏈路混合組成的雙跳中繼系統(tǒng)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)中一部分放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的選擇是根據(jù)過時(shí)信道狀態(tài)信息（CSI）來設(shè)定的。通過伽瑪-伽瑪分布模型可以看出，射頻（RF）鏈路是受制于瑞利衰落，而自由空間光（FSO）鏈路是受大氣湍流的影響；對(duì)于系統(tǒng)的中斷概率和平均誤碼率（BER），科研人員推導(dǎo)出了新的分析表達(dá)式，并通過蒙特卡羅模擬進(jìn)行了數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的中斷概率和平均誤碼率（BER）主要依賴于以下幾個(gè)重要參數(shù)：湍流的強(qiáng)度、射頻（RF）一跳上的平均信噪比（SNR）、自由空間光（FSO）一跳上的電信號(hào)平均信噪比、中繼的數(shù)量、以及所選擇的中繼的等級(jí)；而在當(dāng)前的源中繼信道與它的過時(shí)信道狀態(tài)信息（CSI）之間，所存在的時(shí)間相關(guān)性可能帶來的影響，也需要加以考慮。上述結(jié)果說明了，過時(shí)信道狀態(tài)信息（CSI）用于中繼選擇會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響，尤其是在自由空間光（FSO）一跳中湍流強(qiáng)度較弱的情況下。此外，通過增加中繼數(shù)量來改善系統(tǒng)性能，這種方法的實(shí)際效果高度依賴于自由空間光（FSO）信道的狀態(tài)。


    來自法國微電子學(xué)電磁學(xué)與光子學(xué)研究所微波特性實(shí)驗(yàn)室的科研人員，對(duì)于在毫米波（MMW）頻帶范圍內(nèi)，光載無線（RoF）通信系統(tǒng)中幅度噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，做了一次完整的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。他們提出了一種模擬仿真的方法來確定噪聲的起源，認(rèn)為對(duì)誤差向量幅度（EVM）影響最大的地方就是幅度噪聲的起源處。這種方法的基礎(chǔ)是對(duì)誤差向量幅度（EVM）趨勢(shì)進(jìn)行的分析。科研人員以實(shí)驗(yàn)和理論分析為手段，認(rèn)真仔細(xì)地研究了不同種類的光學(xué)噪聲和電氣噪聲對(duì)誤差向量幅度（EVM）的影響，這些噪聲主要包括相對(duì)強(qiáng)度噪聲、散粒噪聲和熱噪聲等。他們?cè)谏鲜龅墓廨d無線（RoF）通信系統(tǒng)中，分別使用兩種技術(shù)來產(chǎn)生毫米波（MMW）信號(hào)，并從幅度噪聲的視角比較了這兩種技術(shù)引起的誤差向量幅度（EVM）的情況。第一種技術(shù)是使用兩個(gè)獨(dú)立的分布式反饋激光器，在一個(gè)光檢測(cè)器的輸出口產(chǎn)生毫米波（MMW）信號(hào)；第二種產(chǎn)生毫米波（MMW）信號(hào)的技術(shù)是基于被動(dòng)鎖模激光二極管的。光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，可通過使用基于包絡(luò)檢測(cè)器的非相干下轉(zhuǎn)換法進(jìn)行消除；科研人員將這種方法進(jìn)行了模擬運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果匹配良好。

無源和有源光子器件
來自北京大學(xué)電子系區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)一種基于受激布里淵散射（SBS）原理的雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）進(jìn)行了驗(yàn)證。他們利用兩個(gè)激光器來實(shí)現(xiàn)雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）的可調(diào)諧性，其中一個(gè)充當(dāng)信號(hào)激光器，另一個(gè)被用作為泵浦激光器；通過直接調(diào)諧泵浦激光器的波長，就可以達(dá)到產(chǎn)生一個(gè)寬范圍射頻信號(hào)的目的，調(diào)諧的范圍是從直流至60 GHz。據(jù)研究人員所稱，這是目前通過雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）在基本頻率上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的最寬可調(diào)范圍。在2公里和4公里長度的雙環(huán)路光纖上，當(dāng)光電振蕩器（OEO）的振蕩頻率被設(shè)置為5、10或20GHz時(shí)，在10kHz偏移處測(cè)量得到的單邊帶（SSB）相位噪聲為-100 dBc /Hz；其中光電振蕩器（OEO）的振蕩頻率為10GHz時(shí)，邊模抑制比（SMSR）是35 dB。與單環(huán)路結(jié)構(gòu)的光電振蕩器（OEO）相比，這里所采用的雙環(huán)路結(jié)構(gòu)光電振蕩器（OEO）在頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性方面都有所提高。采用單環(huán)路結(jié)構(gòu)和雙環(huán)路結(jié)構(gòu)的光電振蕩器（OEO），其在1-s頻率波動(dòng)的艾倫方差上，平均值分別為1.2×10-7和4.9×10-11。另外，這也是首次使用了基于控制理論的相位噪聲模型，來評(píng)估基于受激布里淵散射（SBS）原理的雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）的單邊帶（SSB）相位噪聲性能，并做了詳細(xì)記錄。在100 Hz至100 MHz的偏移頻率范圍內(nèi)，相位噪聲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與上述相位噪聲模型都能夠較好地吻合。通過不同的相位噪聲測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析以及進(jìn)行理論推導(dǎo)，都表明在研究人員所推薦的光電振蕩器（OEO）中，頻率偏移超過100 kHz后，由受激布里淵散射（SBS）引起的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲是相位噪聲的主要來源。


來自葡萄牙圣地亞哥大學(xué)電信研究所和日本國家信息與通信技術(shù)研究所的科研人員對(duì)不同結(jié)構(gòu)的相敏放大器（PSA）進(jìn)行了理論上和數(shù)值上的研究，這些相敏放大器（PSA）由周期性極化鈮酸鋰（PPLN）器件組成，研究的重點(diǎn)在于其在光通信系統(tǒng)中所起的放大作用。研究的范圍涵蓋了單模、二模和四模相敏放大器（PSA），每種放大器又分成單光泵結(jié)構(gòu)和雙光泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。對(duì)于每一種結(jié)構(gòu)，科研人員都提供了放大器最大增益和最小增益的解析表達(dá)式，說明了光泵功率和信號(hào)波、以及周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)的長度和效率帶來的影響。解析表達(dá)式是通過求解耦合微分方程來進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證的，這里的耦合微分方程用來描述周期性極化鈮酸鋰（PPLN）器件內(nèi)的非線性相互作用。研究所得到的結(jié)果顯示，所有結(jié)構(gòu)的相敏放大器（PSA）的增益，都隨著光泵波功率、周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)長度和效率的增長而呈指數(shù)增加，然而與信號(hào)波功率幾乎毫無關(guān)系。此外，研究還表明相敏放大器（PSA）結(jié)構(gòu)中的中間相互作用是必不可少的，這可以造成波在二次諧波帶的增益減少6 dB。科研人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，帶有中間相互作用的二模相敏放大器（PSA），無論是單光泵結(jié)構(gòu)還是雙光泵結(jié)構(gòu)，在增益帶寬方面都沒有顯著差異。最后，研究表明四模相敏放大器（PSA）只有在非常嚴(yán)格的條件下才可能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，與二模相敏放大器（PSA）相比，在增益方面并沒有什么優(yōu)勢(shì)。

光傳輸
由多徑衰落信道誘發(fā)的內(nèi)在虛假干擾（IMI），會(huì)對(duì)正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（OFDM / OQAM）系統(tǒng)造成重大的損害。因此，對(duì)這樣的系統(tǒng)而言，精確的信道估計(jì)是非常需要的。最近，在模擬研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，都有關(guān)于相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（OFDM / OQAM）系統(tǒng)（CO-OFDM / OQAM）的報(bào)道。然而，到目前為止，這些報(bào)道中都沒有從理論上討論過內(nèi)在虛假干擾（IMI）對(duì)系統(tǒng)的影響，以及進(jìn)行精確信道估計(jì)的方法。在這里，來自北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)一種頻域光纖信道傳輸模型進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，這種傳輸模型代表了受內(nèi)在虛假干擾（IMI）影響的偏振復(fù)用（PDM）相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（CO-OFDM / OQAM）系統(tǒng)，其中的內(nèi)在虛假干擾（IMI）是由色散（CD）和偏振模色散（PMD）所導(dǎo)致的。這些研究人員論述了滿負(fù)荷（FL）頻域信道估計(jì)方法和半負(fù)荷（HL）頻域信道估計(jì)方法，以用于減輕內(nèi)在虛假干擾（IMI）對(duì)系統(tǒng)的影響。此外，研究人員還比較了上述兩種方法的計(jì)算復(fù)雜性、以及應(yīng)對(duì)色散（CD）和偏振模色散（PMD）時(shí)的穩(wěn)健性。這些理論分析的結(jié)果，通過對(duì)偏振復(fù)用（PDM）相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（CO-OFDM / OQAM）系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)值蒙特卡羅模擬得到了驗(yàn)證。


在下一代計(jì)算機(jī)中，互連速度的提高是一個(gè)十分重要的性能改進(jìn)；這些不斷出現(xiàn)的需求，推動(dòng)著通信技術(shù)從電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到光領(lǐng)域。人們?yōu)榇碎_發(fā)了多種很有潛力的互連技術(shù)，其中之一是自由空間光互連（FSOI）。這種技術(shù)是在計(jì)算機(jī)元器件之間采用激光鏈路，與波導(dǎo)技術(shù)中的通常指標(biāo)相比，自由空間光互連（FSOI）技術(shù)由于空氣的低折射率而能夠提供一個(gè)更低的傳播延遲下限。在強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)系統(tǒng)中，基于直流偏置光學(xué)正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）的自由空間光互連（FSOI）技術(shù)可以達(dá)到出色的數(shù)據(jù)吞吐量。然而，要提高互連速度需要增大互連密度，增大互連密度會(huì)使串?dāng)_增強(qiáng)，因此制約自由空間光互連（FSOI）技術(shù)實(shí)施的主要問題是必須在互連密度和串?dāng)_水平之間進(jìn)行權(quán)衡，串?dāng)_的產(chǎn)生主要是由衍射效應(yīng)以及激光鏈路未對(duì)準(zhǔn)所引起的。來自以色列本-古里安大學(xué)光電工程部和電氣與計(jì)算機(jī)工程系、以色列沙蒙(SCE)工程大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員，利用固有的直流偏置光學(xué)正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）資源分配能力，來提升和改善這種自由空間光互連（FSOI）的互連密度。串?dāng)_導(dǎo)致的干擾被定義為聯(lián)合多鏈路比特與功率分配優(yōu)化。他們通過理論分析揭示了用于密集自由空間光互連（FSOI）的一般準(zhǔn)則。除此以外，研究人員還提出了復(fù)雜度被降低了的數(shù)值次優(yōu)化算法，用于聯(lián)合多鏈路比特與功率分配。仿真實(shí)驗(yàn)表明，這種次優(yōu)化算法的結(jié)果已經(jīng)很接近理論上的最佳性能了。


調(diào)制與光信號(hào)處理
靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)通過采用一種更密集的頻率分配方式，來更好地對(duì)光纖的容量加以利用。對(duì)于一個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)而言，當(dāng)然希望信道間隔越小越好，這樣光纖容量的利用率會(huì)較高；但這也要求更窄帶的濾波器，還會(huì)增加線性碼間干擾（ISI），并有可能顯著降低系統(tǒng)的傳輸距離。目前的商業(yè)相干接收機(jī)都使用了符號(hào)檢測(cè)器，而這些符號(hào)檢測(cè)器對(duì)于碼間干擾（ISI）又是十分敏感的。在這種情況下，奈奎斯特間隔被認(rèn)為是波分復(fù)用（WDM）中信道間隔的最終極限。不過，來自意大利國家工業(yè)技術(shù)中心研究部和帕爾馬大學(xué)信息工程系的研究人員表明，通過在接收機(jī)端采用一種復(fù)雜度有限的柵格處理方法，不僅奈奎斯特波分復(fù)用靈活柵格網(wǎng)絡(luò)的范圍可以顯著擴(kuò)展，而且高于奈奎斯特信道極限[即更高的頻譜效率（SE）]的信道密度也可能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)采用一些眾所周知的信息理論技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)出一種復(fù)雜度有限的柵格處理方法，并且對(duì)靈活柵格架構(gòu)中的頻譜效率（SE）增益進(jìn)行了量化，其中使用了頻率柵格超過12.5 GHz的波長選擇開關(guān)。


來自中國華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院和武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室、中國武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、以及中國蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院的科研人員，對(duì)實(shí)施中止偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）后，正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)中相位噪聲的影響進(jìn)行了研究，這里的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)是基于使用雙光泵高度非線性光纖中的四波混頻。他們首先進(jìn)行了一個(gè)全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)象是偏分復(fù)用正交頻分復(fù)用（PDM-OFDM）的8/16/32進(jìn)制-正交幅度調(diào)制（QAM）信號(hào)；采用了具有10 MHz線寬的分布式反饋（DFB）激光器作為相干雙光泵源。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果表明，通過利用分布式反饋（DFB）激光器作為相干雙光泵進(jìn)行波長變換后，所接收到的信號(hào)如同連續(xù)信號(hào)一樣，具有相同的誤碼率（BER）性能。此外，經(jīng)傳輸速率為557 Gb / s超級(jí)信道離散傅立葉變換擴(kuò)頻的偏分復(fù)用正交頻分復(fù)用（PDM-OFDM）8進(jìn)制-正交幅度調(diào)制（QAM）信號(hào)，也采用上述基于相干雙光泵原理的方案進(jìn)行了全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中波長轉(zhuǎn)換之后，在7％前向糾錯(cuò)（FEC）的限制條件下［誤碼率（BER）為 3.8×10-3］，觀察到轉(zhuǎn)換中光信噪比（OSNR）付出的代價(jià)很�。�< 0.8 dB），可以忽略不計(jì)。研究人員的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，從光泵傳來的相位噪聲是能夠被有效消除的。同時(shí)也說明了全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）可以在波長沖突節(jié)點(diǎn)處的偏振復(fù)用動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

多維編碼調(diào)制技術(shù)，由于有高信噪比的靈敏度并且多維符號(hào)之間的歐幾里德距離很大，所以已經(jīng)接近到非線性香農(nóng)極限了。這種調(diào)制技術(shù)也是通過消除相位模糊來避免周跳的。來自美國泰科電子海底通信有限責(zé)任公司的研究人員回顧了帶有多維映射的比特交織編碼調(diào)制的設(shè)計(jì)原則，以及其在具有不同頻譜效率的長途傳輸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來的性能，這些實(shí)驗(yàn)分別在色散管理光纖傳輸系統(tǒng)和色散非管理光纖傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行。

光纖技術(shù)

來自加拿大艾伯塔大學(xué)機(jī)械工程系和生物醫(yī)學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹了他們研制的第一種基于布拉格光柵的傳感器系統(tǒng)，主要應(yīng)用于創(chuàng)傷生物力學(xué)，尤其是由頭部撞擊引起的頭盔接觸力測(cè)量。上述系統(tǒng)包括一個(gè)鋁制的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于承受頭盔受撞擊時(shí)產(chǎn)生的典型沖擊力和共振，并使整個(gè)傳感器系統(tǒng)捕獲在撞擊中所有與瞬態(tài)受力相關(guān)的頻譜分量。研究人員利用結(jié)構(gòu)有限元模型和應(yīng)變光學(xué)關(guān)系來預(yù)測(cè)受沖擊力以及機(jī)械共振時(shí)的傳感器靈敏度。這種模型預(yù)測(cè)通過采用實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的方法來驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)表明，平均有10％對(duì)受力敏感性進(jìn)行的模型預(yù)測(cè)需要結(jié)果校準(zhǔn)。模型預(yù)測(cè)第一次機(jī)械共振的共振頻率是72 kHz。這種沖擊力傳感器也可用于采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)和試驗(yàn)頭型進(jìn)行的頭盔撞擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的可重復(fù)性：撞擊力測(cè)量的最大標(biāo)準(zhǔn)差是施加到受撞擊頭型上的凈力的0.4％，對(duì)持續(xù)時(shí)間內(nèi)瞬變力測(cè)量的平均誤差只有4％。以往的研究人員在工作中也曾間接地提出使用布拉格光柵傳感器參與瞬態(tài)沖擊力的測(cè)量。這種傳感器既可以應(yīng)用于頭盔測(cè)試，也可被應(yīng)用于模擬人頭型的瞬態(tài)力分布測(cè)量，因此可參與與有關(guān)頭盔性能和頭部受傷相關(guān)的研究。