光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟。 
10/8/2015，2015年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網絡及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、光調制與信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網絡及其子系統(tǒng)

        來自印度卡哈拉格普爾理工學院電信分校的研究人員，提出了一種基于環(huán)的集成無線光網絡體系結構和相關的協(xié)議，涉及到以太網無源光網絡（EPON）和長期演進（LTE）無線網絡。上述所提出的協(xié)議以及架構都有助于切換延遲的減少。其中所提出的基于環(huán)的以太網無源光網絡（EPON）架構，能夠通過建立光網絡單元，利用X2接口與長期演進（LTE）網絡實施相互之間的直接通信。研究人員進一步討論了關于在開放式接入網絡架構上，如何實現多個移動服務供應商共同使用一個單一的以太網無源光網絡（EPON），而不影響各自的信息安全。研究人員還通過大量模擬實驗，對所提出的網絡的性能進行了評估；他們引入了一個分析模型來計算經過X2接口的隊列延遲，這個分析模型已經通過模擬實驗得到了驗證。

        在移動網絡的建設中，小蜂窩式的部署方式已經被確定為幾種面向未來的解決方案之一，但為小蜂窩提供一種高可靠性和高性價比的回程連接就成為一個關鍵的挑戰(zhàn)。要提高小蜂窩網絡部署的成本效益，就必須在規(guī)劃部署時充分利用現有的資源。不過，也不能僅僅局限于現有資源的利用，在部署上仍需要采取戰(zhàn)略性規(guī)劃，否則可能會危及其他方面的需求，例如覆蓋范圍、容量等。來自澳大利亞墨爾本大學電氣與電子工程系的研究人員展示了在一個現有光纖資源是稀疏分布的場景中，如何完成一個符合成本效益的小蜂窩網絡及其回程線路的規(guī)劃。為此，研究人員開發(fā)了一種優(yōu)化框架，在符合不同網絡需求（例如覆蓋和容量）的前提下，盡量減少部署成本。

無源和有源光子器件

        由于集成式偏振轉換器（PC）的轉換效率非常高（大于99％），因而人們能在磷化銦（InP）基的光子集成電路中達到更高的性能指標。來自荷蘭埃因霍芬理工大學光電設備部COBRA校際通信技術研究所、美國Infinera公司和英國奧蘭若科技有限公司的研究人員，介紹了如何將這種偏振轉換器（PC）添加到一個含有半導體光放大器（SOA）的電路中，以獲得與偏振無關的放大效應。通過將偏振轉換器（PC）放置在兩個相同半導體光放大器（SOA）部件間的中間位置，就可以實現偏振無關性。這種方法的優(yōu)點是不需要在設計和制造上做任何妥協(xié)或讓步。經測試，發(fā)現其偏振轉換效率非常高，達到99.5％以上。由轉換器導致的額外插入損耗低于0.5 dB。在電路中放置了偏振轉換器（PC）后，半導體光放大器（SOA）的偏振相關增益（PDG）從17 dB減少到僅有0.3 dB；這是目前所能達到的最佳偏振相關增益（PDG）值（研究人員是在檢索了相關文獻，與采用其他技術所達到的偏振相關增益值進行了比較后得出此結論）。經測試，這種偏振相關增益（PDG）值的降低在整個C波段上都能夠實現。


        來自西班牙納瓦拉公立大學電氣與電子工程系的研究人員，借助于兩種隨機分布反饋光纖激光器方案而生成窄帶發(fā)射線。經測量，發(fā)射線的光譜線寬度窄到僅有3.2 pm（1皮米等于10-12米）；與之前的結果相比較，這是一個顯著的進步。這兩種激光器方案的目標就是使光譜線寬度盡可能地窄，拓撲結構也很簡單，都利用移相光纖布拉格光柵與常規(guī)光纖布拉格光柵的組合，來作為濾波元件。

        來自美國國際商用機器公司（IBM）T. J. Watson研究中心和科銳安先進技術集團的科研人員，介紹了寬帶2×2馬赫-曾德爾開關的設計、制造和測試結果，這種開關具有低串擾和低插入損耗的特點，應用在納秒級光學數據路由上�？蒲腥藛T提出了一種仿真框架來計算開關的光譜特性，并用它來設計兩種開關：一種開關是基于定向耦合器的，另一種使用了用于更寬帶寬的兩節(jié)式定向耦合器。研究表明，以推挽方式來驅動上述開關能夠減少在光帶寬上的插入損耗和光串擾。在美國國際商用機器公司（IBM）的90納米（nm）光子CMOS生產流水線上，科研人員成功地實現了這種仿真設計開關的制造。他們對推挽驅動開關進行了驗證實驗，結果顯示在O波段45納米（nm）的光帶寬上，開關的插入損耗約為1 dB，光串擾小于-23 dB�？蒲腥藛T的下一步目標是使開關的過渡時間達到約4納秒（ns），此時移相器平均功耗為1 毫瓦（mW），熱效率約為25毫瓦（mW）/π。


光傳輸

        來自英國劍橋大學工程系電氣工程部光子系統(tǒng)中心和斯凱萊德大學光電子研究所的研究人員，介紹了在單根10米長的階躍折射率塑料光纖（SI-POF）上進行的傳輸實驗，雙向數據的傳輸速率為10 Gb/s，采用了單一波長藍光微米發(fā)光二極管（μLEDs）發(fā)射機、雪崩光電二極管（APD）接收機和32進制脈沖幅度調制（PAM-32）方案。這種10 Gb/s發(fā)光二極管塑料光纖（LED-POF）啟用后，其雙向結構帶來的好處是使整個信道的容量翻倍；而雪崩光電二極管（APD）由于與傳統(tǒng)的PIN光電二極管相比改善了靈敏度，因此能夠使鏈路上的功耗進一步降低。此外，采用32進制脈沖幅度調制（PAM-32）方案后所具有的高頻譜效率，再加上均衡技術，使鏈路帶寬得到了充分利用，因而數據傳輸速率比使用常規(guī)通斷鍵控會更高。仿真和實驗結果驗證了這種雙向鏈路的可行性，可同時在每個方向上實現5 Gb/s的數據傳輸，整個鏈路的合并數據傳輸速率為10 Gb/s，傳輸誤碼率小于10-3。鏈路中兩個方向之間的串擾損害經測量小于0.5 dB。

        在長途光纖通信系統(tǒng)中，光纖的傳輸衰減和色散、來自光放大器的周期性再生非確定性噪聲以及光放大器自身的非線性，這些因素結合在一起，會導致對系統(tǒng)性能產生不利影響。為此，人們提出了多種光信號和電信號的處理技術來實現數據傳輸質量的提高；其中某些技術使用后，系統(tǒng)性能的確比使用其他技術更好，但也由于這些技術的計算復雜性而導致系統(tǒng)成本較高。來自美國弗吉尼亞大學電氣與計算機工程系的研究人員提出了一種改進型非線性判決反饋均衡器的設計，用于具有周期性色散補償的傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)。他們對與均衡器系數相關的噪聲影響、非線性影響進行了研究，提出并驗證了一種用以減少這些影響的次優(yōu)收斂算法。經過改進后的均衡器所提供的性能，可與使用數字后向傳播所獲得的性能相媲美，而計算復雜度更低；即使在高功率時光纖的非線性效應十分顯著的情況下，也能夠有效補償線性和非線性損害帶來的影響。研究人員還對所設計的判決反饋均衡器（DFE）進行了性能預測討論，主要是使用數值法對有誤差傳播和無誤差傳播的情況進行了分析。


光調制與信號處理

        通信信道會受相位噪聲的影響，為解決這一問題，科拉沃爾佩（Colavolpe）、巴比里（Barbieri）、開羅（Caire）等學者在2005年提出了迭代解調和解碼算法，不過這需要使用導頻符號來引導。然而，導頻符號的使用降低了系統(tǒng)的頻譜效率，最終使系統(tǒng)的數據吞吐量減少。來自意大利米蘭理工大學電子信息生物工程系和德國慕尼黑工業(yè)大學通信工程研究所的科研人員通過研究表明，基于網格編碼的解調方式可以用來引導迭代過程，而并不需要導頻符號；此外，他們還解決了基于網格編碼解調方式的復雜度問題。數值模擬結果顯示，大幅降低復雜度的措施，幾乎沒有影響到迭代解調和解碼的性能，復雜度降低了的解調器仍能夠保證正常運行。


        來自中國華中科技大學光學與電子信息學院下一代互聯(lián)網接入系統(tǒng)國家工程實驗室和新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院的科研人員，對五信道偏振復用奈奎斯特波分復用超級信道進行了研究，在發(fā)射端采用數字頻譜整形技術的情況下，調制方式分別為偏移16進制正交幅度調制（offset-16QAM）和16進制正交幅度調制（16QAM）。偏移16進制正交幅度調制（offset-16QAM）方案可以大大降低系統(tǒng)實現的復雜性，因為其使用的有限脈沖響應（FIR）濾波器只要35抽頭就足以滿足需求；與之相比，在16進制正交幅度調制（16QAM）方案中則需要使用81抽頭的有限脈沖響應（FIR）濾波器。采用偏移16進制正交幅度調制（offset-16QAM）方案可提高約1.3 dB的背靠背靈敏度；而且，這種方案對數模轉換器的各種限制條件（其中包括非跟蹤抖動、采樣速率和分辨率）適應性更好。科研人員對發(fā)射端實施數字頻譜整形、采用偏移16進制正交幅度調制（offset-16QAM）的奈奎斯特波分復用超級信道實際運行情況進行了評估，重點是波長信道和相位噪聲之間的相位差。即使相位差從0°變化到360°，采用偏移16進制正交幅度調制（offset-16QAM）方案的超級信道光信噪比（OSNR）也未超過1.3 dB的降幅限制；在使用100 kHz線寬的激光器時，與16進制正交幅度調制（16QAM）方案相比還具有約1 dB的整體性能提高。

        在長途相干光纖-光通信系統(tǒng)中，由非線性引起的相位噪聲已成為系統(tǒng)性能降低的主要根源。這種相位噪聲已被證明不僅與信號相關，而且還與時間有相關性。來自加拿大多倫多大學電氣與計算機工程系和德國阿爾卡特朗訊公司貝爾實驗室的研究人員，提出了一種碼輔助期望最大化算法來減輕這種非線性的相位噪聲，這種算法是同時利用非線性導致?lián)p傷的時間相關性和軟判決差錯控制代碼進行迭代運算。仿真和實驗的結果表明，采用這種算法后，在雙偏振波分多路復用16進制正交幅度調制（16QAM）系統(tǒng)里，發(fā)射功率的容限可提高1.5 dB；對光信噪比的要求可以放寬0.3 dB，仍然能夠實現同樣的Q2因子。


        在數字接收機中，往往優(yōu)先考慮使用的是非數據輔助前饋定時恢復，而不是非數據輔助反饋定時恢復，這是因為前者在循環(huán)中不會遭受延遲；然而，帶優(yōu)化預檢波濾波器的反饋定時恢復是不會受自身噪聲影響的。不過，來自意大利阿爾卡特朗訊公司和米蘭理工大學電子信息生物工程系的研究人員首次發(fā)現，加入了優(yōu)化預檢波濾波器的前饋定時恢復也不受自身噪聲的影響。為此，研究人員提出了一種針對自身噪聲功率譜密度的近似方法，用于對接收機性能進行評價分析，這種近似方法的準確度經由仿真實驗得到了驗證。除此以外，他們還進行了比較前饋定時恢復和反饋定時恢復性能的研究。在比較研究中，通過對于信噪比低于50 dB并受相位噪聲影響的定時信號的實時頻譜進行跟蹤可以看出，盡管存在自身噪聲，前饋定時恢復仍優(yōu)于反饋定時恢復。

        來自加拿大皇后大學電氣與計算機工程系的科研人員介紹了一種頻率偏移和相位控制的方法，主要用于基于非線性馬赫-曾德爾干涉儀的差分相移鍵控（DPSK）2R（再放大和再整形）再生器。這種控制裝置包括一個相干接收機、模擬-數字轉換器（ADC）、一個數字信號處理器以及一個光學移頻/移相器。對于40 Gb/s的差分相移鍵控（DPSK）信號，仿真實驗的結果表明，模擬-數字轉換器（ADC）的采樣速率只要能達到335.94 MSa/s，就可以充分估算頻率偏移和相位噪聲，并相應地調整泵浦信號�？蒲腥藛T在循環(huán)回路模擬中對2R再生器的級聯(lián)進行評估，還考慮了再生器之間不同間距的情況；其中既使用了理想的差分相移鍵控（DPSK）信號，也使用了捕獲的試驗差分相移鍵控（DPSK）信號。最后他們針對殘余跨度色散對設備性能的影響進行了研究。

        對于相干光正交頻分復用（COOFDM）系統(tǒng)而言，頻率偏移校正（FOC）是必不可少的。來自中國華中科技大學光學與電子信息學院下一代互聯(lián)網接入系統(tǒng)國家工程實驗室、華中科技大學電子信息與通信學院和新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院的研究人員，通過在頻域中設計訓練符號，提出了一種魯棒性強、效率高的頻率偏移校正（FOC）算法。這種算法的優(yōu)勢在于克服由發(fā)射端設備和物理信道引起的不完美頻率響應。為了進一步提高頻率偏移校正（FOC）算法在針對光信噪比惡化時的穩(wěn)定性，研究人員引入了兩步迭代運算。他們提出的這種算法，已在實際運行的100公里16進制正交幅度調制-相干光正交頻分復用（16QAM-COOFDM）傳輸系統(tǒng)中得到了應用，可以動態(tài)補償頻率偏移。實驗中突出而穩(wěn)定的結果，驗證了這種算法所具有的高效性和魯棒性。


光纖技術

        來自中國黑龍江大學物理科學與技術學院、南京大學現代工程與應用科學學院以及美國密歇根大學生物醫(yī)學工程系的研究人員，提出了一種多傳感器的尋址方法，用于光纖布拉格光柵輔助光纖環(huán)形腔衰蕩（FBG-FLRD）傳感器陣列。這種方法能夠同時測量溫度和受力的情況。從波長掃描光纖激光器（WSFL）發(fā)出的光，被調制成脈沖光，照射到光纖布拉格光柵輔助光纖環(huán)形腔衰蕩（FBG-FLRD）傳感器陣列上。由于由光纖布拉格光柵陣列反射的脈沖光具有一定的時間序列，因此可以區(qū)分出每個不同的光纖環(huán)形腔衰蕩傳感器。光纖布拉格光柵反射的脈沖光與波長掃描光纖激光器（WSFL）的觸發(fā)信號之間存在時間間隔，這一時間間隔能夠提供溫度變化的信息。通過測量每個光纖布拉格光柵輔助光纖環(huán)形腔衰蕩（FBG-FLRD）傳感器的衰蕩時間，就能夠測得由溫度和受力引起的光纖環(huán)損耗，而且可以實現同時實時測量。為了證明上述方法的有效性，研究人員使用了含有六個傳感器的陣列進行實驗驗證，實驗中的詢問頻率為27.5 Hz。

        來自法國利摩日大學Xlim研究所和意大利摩德納•雷焦•艾米利亞大學恩佐•法拉利工程系的研究人員，介紹了19環(huán)內擺線型可果美（Kagome）光纖的特點和制造要領，其纖芯尺寸大于100微米（μm）。這些抑制耦合型光纖在寬帶傳輸范圍具有較低的傳播損耗（100 dB/km），還具有二氧化硅環(huán)繞、低色散、超低功率疊加等特點，因此在超高功率激光處理、超快激光傳輸和等離子體光子應用等方面使用起來非常有效。