光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
    2015年10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)制與光信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
來自英國愛丁堡大學Li-Fi研究與開發(fā)中心的科研人員介紹了一種分數(shù)頻率復用（FFR）技術，應用在以直流光正交頻分復用為基礎的光attocell網(wǎng)絡中。這里所說的光attocell網(wǎng)絡是可見光通信系統(tǒng)的一種特殊類型，有著一個蜂窩網(wǎng)絡所具有的全部功能。這種蜂窩網(wǎng)絡由許多范圍極小的小區(qū)所組成，這些范圍極小的小區(qū)就是“光attocell”�？蒲腥藛T對兩種分數(shù)頻率復用（FFR）方案進行了研究，分別是絕對分數(shù)頻率復用方案和軟分數(shù)頻率復用方案。他們對采用分數(shù)頻率復用（FFR）技術的光蜂窩系統(tǒng)進行了分析，主要針對系統(tǒng)的頻譜效率和信號與干擾加噪聲比（SINR）統(tǒng)計。他們還對分別采用全頻率復用技術和分數(shù)頻率復用（FFR）技術的光蜂窩系統(tǒng)進行性能評估和比較；結果表明，在光attocell網(wǎng)絡中，采用分數(shù)頻率復用（FFR）技術的方案能夠有效地減輕干擾的影響，小區(qū)邊緣用戶的信號與干擾加噪聲比（SINR）以及頻譜效率也獲得顯著提高。此外，分數(shù)頻率復用（FFR）技術能夠改善平均頻譜效率�？蒲腥藛T還對一些重要參數(shù)的影響進行了研究，例如小區(qū)半徑等。

圖1  在大小為23米×26米×3米的房間內(nèi)嵌入光attocell網(wǎng)絡

近幾年來，越來越多的用戶正通過云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（DCNs）來實現(xiàn)他們的計算需求和獲得服務，從而使云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（DCNs）上的數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)了指數(shù)級的增長。為了應對這種使工作負載和數(shù)據(jù)流量大幅增長的局面，需要采用一種具有靈活適應能力的方式；為此，人們已經(jīng)提出了許多種能提供網(wǎng)絡動態(tài)拓撲的技術，以適應當前這種數(shù)據(jù)流量變化的情況。其中最具有代表性的方案之一是光交換架構（OSA），它在應用上具有很大的靈活性。然而，光交換架構（OSA）需要太多的時間（10毫秒）來重新配置拓撲結構。這樣一步到位地重新配置拓撲結構，不僅會導致對延遲敏感的數(shù)據(jù)流的性能惡化，而且也會在高吞吐量低延遲的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（DCNs）上造成大量數(shù)據(jù)的丟失。因此，人們需要一種漸進式拓撲結構重新配置方案，來保證對延遲敏感數(shù)據(jù)流的性能并減少數(shù)據(jù)量的丟失。為此，來自中國電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點試驗室和美國紐約州立大學布洛克波特分校計算機科學系的研究人員提出了一種拓撲管理算法（TMA），用于設計這樣一個漸進式拓撲結構重新配置的方案。通過拓撲管理算法（TMA）可以推導出中間拓撲序列和路由方案。他們利用這些中間拓撲序列來逐步實現(xiàn)拓撲結構的重新配置，同時維持拓撲結構的連通性并減少在拓撲結構重新配置時數(shù)據(jù)量的丟失。通過在大量仿真實驗中進行實時監(jiān)測，研究人員發(fā)現(xiàn)使用拓撲管理算法（TMA）可以在拓撲結構重新配置期間減少數(shù)據(jù)量的丟失，而算法本身運行帶來的工作負載較小。

來自印度理工學院卡哈拉格普爾校區(qū)電氣與電子工程通信系、印度理工學院曼迪校區(qū)和比利時根特大學的研究人員，提出了一種用于開放式接入網(wǎng)絡的光分配網(wǎng)絡（ODN）架構。這種架構方案確保了多種業(yè)務公司（BPs）（例如，服務提供商、網(wǎng)絡設備供應商和基礎設施供應商，他們處在光分配網(wǎng)絡的不同層面）的共存性，以及物理層的安全性。另外，對于每一個用戶而言，他們在物理層上是隔離的，這可以防止惡意用戶對網(wǎng)絡進行破壞。研究人員所提出的這種開放接入式光分配網(wǎng)絡（ODN）可支持不同規(guī)模的業(yè)務公司，并能抑制壟斷；這樣就實現(xiàn)了多個業(yè)務公司的并存；同時還支持增量部署能力（ID），可以使業(yè)務公司應對不斷擴大的用戶群。因此，小型業(yè)務公司可以進行合理的初始投資以占有一定的市場份額，然后再隨著業(yè)務的增長而增加。而且，增量部署能力（ID）使網(wǎng)絡的電力消耗可以根據(jù)網(wǎng)絡的承載功能而逐步擴大，達到綠色環(huán)保的目的。這種光分配網(wǎng)絡（ODN）是基于無源光網(wǎng)絡（PON）的架構，從而也具有運營支出（OpEx）低和可用性高的特點。除了這種新型光分配網(wǎng)絡（ODN）架構以外，研究人員還提出了一種用于光線路終端（OLT）的新架構，這是以混合時間波分復用（TWDM）技術為基礎的。業(yè)務公司可以在上述提出的光分配網(wǎng)絡（ODN）中，采用典型的混合時間波分復用（TWDM）技術、波分復用技術或基于混合時間波分復用（TWDM）技術的光線路終端（OLT）架構。

無源和有源光子器件
當前，相敏放大（PSA）作用已經(jīng)引起了人們的強烈關注，這主要是由于它具有這樣一種能力，對光信號中的同相分量進行放大并同時對異相分量進行衰減。這種能力在全光信號處理和光纖通信中得到了多方面的應用，如低噪聲放大、相位再生等等。相敏放大功能可以與不同類型的非線性設備結合使用，包括高非線性光纖（HNLF）、周期極化鈮酸鋰、半導體光放大器（SOA）等等。目前大多數(shù)報道的方案都基于高非線性光纖（HNLF），而基于半導體光放大器（SOA）的相敏放大（PSA）研究工作還鮮有報道。在這里，來自中國華中科技大學武漢光電國家實驗室的科研人員，對半導體光放大器（SOA）中雙泵退化相敏放大（PSA）的特性進行了理論分析和實驗研究。他們對輸入功率、注入電流和與相敏放大（PSA）相關的半導體光放大器（SOA）內(nèi)部損耗進行了調(diào)查，并考慮了與波長有關的影響。實驗結果與數(shù)值計算的結論十分一致�？蒲腥藛T在實驗中獲得的增益消光比約為25 dB，因而在光通信系統(tǒng)中，完全可以實現(xiàn)基于相敏放大（PSA）的片上全光信號處理。

在模分復用系統(tǒng)中，多輸入多輸出（MIMO）均衡常被用于補償線性損傷，這些線性損傷包括模態(tài)色散（MD）和模態(tài)串擾。多輸入多輸出（MIMO）均衡器存儲空間的大小，取決于由模態(tài)色散（MD）引起的群時延（GD）展寬。通過從模式擾頻器引入強模式耦合，可以顯著降低這種由模態(tài)色散（MD）引起的群時延（GD）展寬。來自美國斯坦福大學電氣工程系愛德華.L.金茲頓實驗室的科研人員對這種模式擾頻器的設計進行了研究，擾頻器本質(zhì)上就是用于D = 12種模式（6種空間模式）系統(tǒng)的長周期多模光纖光柵。他們通過優(yōu)化光柵的啁啾函數(shù)，使光柵的模式相關損耗（MDL）達到最小，并同時確保完全的群間模式耦合。一個較好的設計可以在C波段上使光柵的模式相關損耗（MDL）和模式平均損耗分別不超過0.36 dB和0.45 dB�？蒲腥藛T還對這種模式擾頻器在長途傳輸系統(tǒng)中抑制群時延（GD）的效果進行了核實，結果表明擾頻器能夠減少群時延（GD）展寬，這與在強耦合方式中預測的情況相同。

光傳輸
來自愛爾蘭都柏林城市大學工程和計算機學院電子工程系的研究人員，對奈奎斯特波分復用（WDM）超級信道的全光波長轉(zhuǎn)換（WC）性能進行了研究，其研究成果可應用在未來的光網(wǎng)絡中。研究人員認為，把差分四相移相鍵控（DQPSK）和16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）這些先進調(diào)制技術做為子信道的調(diào)制格式，可以分別實現(xiàn)448 Gb/s和896 Gb/s的基本傳輸比特率。他們通過利用退化和非退化四波混頻（FWM）半導體光放大器（SOA），來模擬演示奈奎斯特波分復用（WDM）超級信道的波長轉(zhuǎn)換（WC）；并且還考慮了波長轉(zhuǎn)換過程中升余弦（RC）和根升余弦（RRC）信號脈沖整形的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，波長轉(zhuǎn)換后超級信道的性能會因串擾影響而嚴重受損，這些串擾是來自于超級信道光泵的交叉增益調(diào)制。通過在連續(xù)波光泵和超級信道中心波長（約為200 GHz左右）之間進行失諧設置，使用飽和功率雙重增益的半導體光放大器（SOA）（含有23 dB信號功率比的光泵），波長轉(zhuǎn)換后的超級信道可以實現(xiàn)最佳的性能。

來自德國華為技術有限公司歐洲研究中心和漢堡-哈爾堡工業(yè)大學電信研究所的研究人員，證明了使用一些價格低廉、現(xiàn)成的10 GHz 3dB帶寬光學部件，采用強度調(diào)制（IM）、直接檢測（DD）和一個基于數(shù)字信號處理器的接收機，就能夠?qū)崿F(xiàn)在無補償光纖鏈路上生成和傳輸速率達28 Gb/s的數(shù)據(jù)。這種技術將成為下一代高性價比100 G高速傳輸?shù)挠辛ν苿诱�，傳輸介質(zhì)是色散補償光纖（DCF），在免費城域網(wǎng)中點對點的傳輸距離達到80公里，而在多跨城域環(huán)網(wǎng)中的傳輸距離最高達400公里。實驗現(xiàn)場使用的設備包括級聯(lián)的摻鉺光纖放大器和色散補償光纖（DCF）。實現(xiàn)這種高速傳輸?shù)年P鍵在于：在發(fā)射機中采用信號預失真以補償器件的有限帶寬，一個基于最大似然序列估計均衡器（MLSE）的接收機，以及一種高性能采樣相位調(diào)整算法。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，利用最大似然序列估計均衡器（MLSE）的簡化變量可使得使用的狀態(tài)數(shù)目減少，從而使電子色散補償部分的復雜度顯著降低，達到性能優(yōu)化的目的。這些研究結果揭示了上述技術方案的發(fā)展?jié)摿�和�?yōu)勢，包括能夠低成本過渡至100 Gb/s（4×28 Gb/s）的波分復用傳輸、城域網(wǎng)內(nèi)的點對點遠距離傳輸、多跨城域環(huán)網(wǎng)遠距離傳輸、采用廉價光學元器件和傳統(tǒng)的高性價比強度調(diào)制（IM）/直接檢測（DD）方案。

圖2  城域網(wǎng)結構圖

來自日本會津大學計算機與信息系統(tǒng)系和越南郵電技術學院光通信系的研究人員介紹了一種新型中繼技術，能夠有效改善高速全光自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）性能和覆蓋距離。尤其是他們提出了一種光放大轉(zhuǎn)發(fā)（OAF）中繼技術，這種技術使用了與光硬限幅器（OHL）相結合的摻鉺光纖放大器（EDFA）。光硬限幅器（OHL）的應用，使得自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)（采用了基于摻鉺光纖放大器的光放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼）可以防止放大背景噪聲的積累；因為當系統(tǒng)中有多次轉(zhuǎn)發(fā)中繼時，這種噪聲的積累會顯著降低系統(tǒng)的性能。為了對上述系統(tǒng)做出性能評估，研究人員用伽瑪-伽瑪分布模擬大氣湍流信道，以此對系統(tǒng)從理論上進行分析。他們推出了一個分析端至端傳輸誤碼率（BER）范圍的閉式表達式，其中還考慮到了大氣信道其他方面的影響，包括大氣衰減和光束的幾何擴散，以及由背景光和接收機所引起的噪聲。研究人員利用蒙特卡羅模擬法驗證的結果證實了上述系統(tǒng)與其他常規(guī)系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)越性。

圖3  使用開關鍵控信令的光放大轉(zhuǎn)發(fā)（OAF）中繼自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)

調(diào)制與光信號處理
來自中國南京大學工程管理學院光通信工程研究中心和英國阿斯頓大學阿斯頓光子技術研究所的科研人員，提出了一種相似性匹配的方法（SMM）來獲得布里淵頻移（BFS）的變化；這種方法是從檢測光譜和所選參考光譜之間的頻率差異中，通過比較它們的相似性來確定布里淵頻移（BFS）變化的。在仿真條件下，科研人員比較了三種相似性度量，結果表明相關系數(shù)在確定布里淵頻移（BFS）變化方面更精確。與其它確定布里淵頻移（BFS）變化的方法相比，相似性匹配法（SMM）更適合于復雜的布里淵頻譜分布，它的運算速度更快，獲得的結果更精確，這些優(yōu)勢在科研人員的模擬仿真實驗中得到了驗證。實驗結果表明，使用相似性匹配法（SMM）后，布里淵頻移（BFS）的測量不確定度達到了0.72 MHz，這幾乎是使用曲線擬合法時布里淵頻移（BFS）測量不確定度的三分之一；使用相似性匹配法（SMM）導出布里淵頻移（BFS）變化的運算速度比使用曲線擬合法快了120倍。

來自希臘伯羅奔尼撒半島大學信息與電信系和雅典大學信息與電信系的研究人員，建議在相干自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)中，使用光空間調(diào)制（OSM）來實現(xiàn)空間分集，這是一種簡單的、復雜度低的方法。為此，他們引入了一種通用的分析框架，用于在由湍流引起的衰落信道中獲取光空間調(diào)制（OSM）的平均比特差錯概率（ABEP），這里使用的是編碼和未編碼的光空間調(diào)制（OSM），并帶有相干檢測。雖然這種框架通常對于任何類型基于湍流散射的信道模型都能夠適用，不過分析的重點仍集中在H-K分布上，這種分布可以在很寬的范圍內(nèi)模擬大氣傳播條件，因此得到了非常普遍且有效的應用。研究人員通過使用這種框架進行分析，所獲得的結果表明，在發(fā)射機端或接收機端，光空間調(diào)制（OSM）可以達到的性能與傳統(tǒng)采用空間分集的相干自由空間光（FSO）通信方案相當，而且就頻譜效率和硬件復雜度而言，前者優(yōu)于后者。此外，各種數(shù)值性能評估的結果，包括使用蒙特卡羅模擬法進行的表達式準確度驗證分析都得出了與上述相同的結論。

來自美國斯坦福大學電氣工程系愛德華.L.金茲頓實驗室的研究人員評估了幾種單載波調(diào)制技術，這些技術將應用于傳輸速率為100 Gb/s的單激光器數(shù)據(jù)中心互連鏈路。他們對這些單載波調(diào)制技術方案進行了數(shù)值性能分析，具體方案包括脈沖幅度調(diào)制（PAM）、無載波振幅相位調(diào)制以及正交多脈沖調(diào)制，分析中考慮了光調(diào)制器帶寬的限制和非線性、裁剪、量化噪聲以及光纖色散的影響。所進行的性能評估就是在給定的帶寬內(nèi)，按所指定的平均光功率來實現(xiàn)調(diào)制器的目標誤碼率。研究人員比較了這幾種不同技術方案對數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換和模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換的分辨率、采樣率要求，以及為進行數(shù)字信號處理所需的復雜運算次數(shù)。結果表明，在所考慮的這幾種方案中，4進制脈沖幅度調(diào)制（PAM）是運算復雜程度最低（也意味最節(jié)能）的方案，而且它對數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換和模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換的分辨率要求最低，可低至5比特。

圖4  正交脈沖幅度調(diào)制（PAM）發(fā)射機原理圖

光纖技術
來自中國深圳大學光電工程學院光電子器件與系統(tǒng)教育部重點實驗室和廣東省光電子器件與系統(tǒng)重點實驗室的研究人員，展示了一種簡單、可靠并具有高敏感度的溫度傳感器，這種溫度傳感器是以一個涂覆單模光纖（SMF）環(huán)中的回音壁模式共振激發(fā)為基礎的，這個光纖環(huán)的半徑為5毫米，是通過將一段標準的涂覆單模光纖（SMF）彎曲而成的。在涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的透射光譜上可以觀察到清晰的干涉條紋。當溫度范圍在-60℃至10℃時，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的共振波長表現(xiàn)為線性溫度響應；當溫度范圍在10℃至140℃時，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的共振波長表現(xiàn)為二次溫度響應。此外，涂覆單模光纖（SMF）環(huán)還顯示出超高的靈敏度，在120℃時高達-5.22納米/℃；與非涂覆單模光纖（SMF）環(huán)（例如，在80℃時為0.04納米/℃）相比，其靈敏度（同樣在80℃時為-4.01納米/℃）要高出兩個數(shù)量級。因此，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)可用于開發(fā)一種具有大測量范圍的溫度傳感器，測量范圍從-60℃到140℃。

圖5  涂覆單模光纖（SMF）環(huán)溫度傳感器實驗測試圖