光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 李長祥 周越

    2016年1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)

來自丹麥科技大學(xué)光電工程系高速光通信組的科研人員提出了一種由多維交換節(jié)點(diǎn)組成的新型基于環(huán)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過多芯光纖互聯(lián)，并可以提供三種不同的物理開關(guān)，分層覆蓋三種維度（空間、波長和時間。他們提出的架構(gòu)允許在不同維度進(jìn)行縮放，并在同一時間提供支持不同粒度的連接。 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了所需的不同物理鏈路的數(shù)量，從而產(chǎn)生更簡化的布線和更簡易的鏈路管理，同時光學(xué)旁路擁有低延遲和低功耗的前景。 多維交換節(jié)點(diǎn)的性能已被采用多芯光纖連接的三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的示范實驗驗證。為了通過切換不同的物理維度連接不同的節(jié)點(diǎn)，研究人員已經(jīng)建立兼具高容量波長和時間共享的亞波長的連接。無差錯性能（誤碼率（BER）<10-9）已經(jīng)實現(xiàn)在所有調(diào)查的切換腳本下為具有的各種粒度建立連接。科研人員對系統(tǒng)的可擴(kuò)展性進(jìn)行了研究，通過增加傳輸速率到1T比特/秒/芯，相當(dāng)于在單個7芯的多芯光纖中7T 比特/秒的吞吐量。通過對所有連接的無差錯性能（誤碼率（BER）<10-9）的進(jìn)行實驗，科研人員證明他們提出的架構(gòu)能夠滿足數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的需求并能適應(yīng)未來的業(yè)務(wù)增長。

圖1.  基于多維交換節(jié)點(diǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)圖

    來自伊朗Alzahra大學(xué)計算機(jī)工程系的科研人員設(shè)計了一個再生器安置（RP）的可擴(kuò)展框架，該框架可以將路由、調(diào)制電平選擇和頻譜分配（RMSA）聚合在半透明的彈性光網(wǎng)絡(luò)中。他們首先介紹一個基于路徑的數(shù)學(xué)公式，可以解決給定一組指定的再生器安放位置的路由、調(diào)制電平選擇和頻譜分配（RMSA）的問題。在初始再生器安置（RP）的計算階段，他們重復(fù)調(diào)用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型來確定提高再生器性能的最佳順序�？蒲腥藛T由將分區(qū)服務(wù)器提供服務(wù)的需求分成小組，并且用遞歸的方式解決提出的混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型的可擴(kuò)展性問題。在隨機(jī)性,體積,跳躍長度和一次通過需求訂購的方面與以前的工作進(jìn)行比較后，他們制定了一個新的自適應(yīng)路由和基于影響需求的分組和排序方案，優(yōu)于傳統(tǒng)隨機(jī)或資源消耗型的方案。研究人員表明，當(dāng)組尺寸被減少到一個時，為路由、調(diào)制電平選擇和頻譜分配（RMSA）問題而設(shè)計的遞歸混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）的解決方案密切對應(yīng)了理想的非遞歸混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）方案在寬范圍通信業(yè)務(wù)負(fù)荷的變化。為了進(jìn)一步推廣的遞歸模型的可擴(kuò)展性，他們基于頻譜分配可用性的概念，分析了路徑的選擇、需求分組和排序的影響，最終開發(fā)的啟發(fā)式算法。數(shù)值仿真驗證了他們的方案，遞歸整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）方案可以在很短的的運(yùn)行時間內(nèi)得到之前研究人員提出的啟發(fā)式算法幾乎相同的性能。這使他們能夠精確分析德國電信網(wǎng)絡(luò)在重流量負(fù)載下的對實際光纖通帶的設(shè)置方式。他們發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量超過100TB / s

無源和有源光子器件

    來自日本電報電話公共公司設(shè)備創(chuàng)新中心，光子學(xué)實驗室和設(shè)備技術(shù)實驗室的研究人員，使用經(jīng)光學(xué)多路復(fù)用器陣列單片集成的直接調(diào)制DFB激光器（DML），制作了一個小型的100千兆以太網(wǎng)（100GbE）發(fā)射機(jī)光學(xué)子組件（TOSA）。通過使用他們特別設(shè)計的InGaAlAs / InGaAlAs多量子阱，即使當(dāng)操作溫度高達(dá)55°時，在1295-1310 nm波長范圍內(nèi)，仍可獲得較大的信號增益。設(shè)備中4通道數(shù)組芯片只有2毫米×2.4毫米大小。并且研究人員制作的發(fā)射機(jī)光學(xué)子組件（TOSA）也僅有7.2毫米（寬）×14.3毫米（長）×6.5毫米（高），這適用于一個CFP2收發(fā)器或更小的100千兆以太網(wǎng)（100GbE）收發(fā)器 。對于所有的通道，發(fā)射機(jī)光學(xué)子組件（TOSA）的3dB帶寬超過了17 GHz，傳輸速率達(dá)到了25.8 Gbit/s。此設(shè)備可在4路25.8 Gbit/s通道中，利用單模光纖無差錯傳輸超過30公里。

來自日本三菱電機(jī)研究實驗室和英國倫敦大學(xué)的科研人員設(shè)計了一個導(dǎo)頻輔助數(shù)字相干接收機(jī)，能夠檢測一個傳輸速率為1T/ s并具有光學(xué)前端的超級信道。他們對接收調(diào)試算法進(jìn)行了設(shè)計，并計算了均衡器系數(shù)，子信道的信噪比（SNR），和傳輸?shù)男亲鶊D。隨后科研人員詳細(xì)描述了對算法進(jìn)行的導(dǎo)頻輔助操作，提供導(dǎo)頻輔助恒模均衡并估算在多個相干子信道中的聯(lián)合載波相位。他們證明該相干接收機(jī)可以對凈比特率超過1 TB / s的超級信道進(jìn)行檢測。科研人員使用了11×10 GBd 的64進(jìn)制DP相正交振幅調(diào)制（DP-64QAM）的奈奎斯特超級信道，總比特率可達(dá)1.32 Tb / s。

圖2.  超寬帶數(shù)字相干光接收機(jī)實驗裝置框圖
    來自弗吉尼亞大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的研究人員，研制了兩種單向光電二極管。其具有背照、倒裝鍵合、電荷補(bǔ)償?shù)奶匦�，并且�(guī)�寬超過110 GHz。其中一種直徑為10um，它在100G赫茲下可提供的射頻（RF）輸出功率為9.6dBm；另一種直徑為6um，它在110G赫茲下可提供的射頻（RF）輸出功率為7.8dBm。為了評估帶寬的限制因素，研究人員基于S參數(shù)擬合，建立了一種參數(shù)提取分析模型。

    來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員提出，在許多領(lǐng)域，寬帶電磁波吸收器具有重要的實際意義。在高頻上，具有多層次結(jié)構(gòu)的電流吸收器面臨著制造困難和設(shè)計復(fù)雜的問題。在研究中，他們制造了一個寬帶、廣角、偏振無關(guān)和常規(guī)棱錐體結(jié)構(gòu)的完美紅外線吸收器，但只采用單一的透明導(dǎo)電氧化物材料，而沒有使用多層設(shè)計。研究人員引入傳輸線模型來控制復(fù)雜的頻率響應(yīng)。全波仿真與理論預(yù)測的結(jié)果相一致。這種簡化的配置能夠減少制造和設(shè)計的困難，并在許多方面的應(yīng)用中都表現(xiàn)出巨大潛力，例如能量收集、紅外探測和成像系統(tǒng)等。

光傳輸

    來自倫敦大學(xué)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)，阿斯頓大學(xué)光子技術(shù)研究所和馬德里光學(xué)研究所的科研人員，對10 GBD pdm-16qam超通道的無中繼傳輸性能進(jìn)行了分析。該通道具有7奈奎斯特間隔，采用全頻段的信號相干檢測和多通道數(shù)字反向傳播（MCDBP）技術(shù)以減少非線性效應(yīng)。在無中繼傳輸實驗當(dāng)中，研究人員對如下兩個放大系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究：（1）摻鉺光纖放大器（EDFA），（2）二階雙向拉曼泵浦放大器，并直接比較了可實現(xiàn)的信息速率（AIRS）。在不同距離跨度中進(jìn)行的實驗表明，對于6.8比特/秒/赫茲的信息速率，拉曼系統(tǒng)使距離跨度增加了93公里（36%）。另外，在此距離，兩種放大方案中多通道數(shù)字反向傳播（MCDBP）技術(shù)為信息傳輸速率提高了1 bit/s/Hz（到達(dá)7.8 bit/s/Hz）。當(dāng)采用低密度奇偶校驗碼時，拉曼和多通道數(shù)字反向傳播（MCDBP）的信息速率增益理論依然適用。此外，對于者兩種不同的放大系統(tǒng)，研究人員對多通道數(shù)字反向傳播（MCDBP）算法在性能和計算復(fù)雜度方面進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，為達(dá)到最大的多通道數(shù)字反向傳播（MCDBP）增益，由于光纖非線性分布的影響，拉曼系統(tǒng)需要的計算復(fù)雜度大約為多通道數(shù)字反向傳播系統(tǒng)（MCDBP）的四倍。

圖3.  子通道（奈奎斯特空間）中使用EDFA和拉曼的PDM-16QAM無中繼傳輸系統(tǒng)

    來自亞歷山大大學(xué)電氣工程系，麥克吉爾大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的研究人員，通過調(diào)制和斯托克斯空間直接檢測的方式，檢測了單一激光強(qiáng)度在兩正交偏振，偏振相位和偏振差分相位上的四正交度量或自由度（DOF）。在發(fā)射端，雙極化同步四相（DP-IQ）調(diào)制器，通過一個4通道數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）驅(qū)動來壓印傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到上述四自由度（DOF）。每個極化傳播符號來自于多圈/多相星座圖，例如雙環(huán)/四進(jìn)制相移鍵控（PSK）或雙環(huán)/ 8PSK，這導(dǎo)致了偏振復(fù)用（PDM）的強(qiáng)度格式與偏振相位，以及偏振差分相位調(diào)制(PDM-IM-IPMIDPM)。在接收端，一個新的直接檢測（DD）前端包含兩個2×4 90°混合物，兩個單端光電二極管（PDS）、四個平衡PDS，耦合器和偏振器件，它產(chǎn)生六路包含所有四調(diào)制自由度（DOF）信息的電流，這些信息可借助于斯托克斯空間中的后續(xù)數(shù)字信號處理（DSP）檢索。裝備建議的收發(fā)器后，研究人員實驗表明，采用40G波特雙環(huán)PDM（偏振復(fù)用）/ 8PSK（八進(jìn)制相移鍵控）調(diào)制，設(shè)置硬判決（HD）-前向糾錯編碼（FEC）的判決門限后為3.8×10-3，并在單模光纖（SMF）中以320 Gb/s的速度傳輸10公里，可產(chǎn)生8比特/符號的信號。此外，研究人員還得出，若采用45G波特雙環(huán)PDM（偏振復(fù)用）/ 8PSK（八進(jìn)制相移鍵控）調(diào)制，設(shè)置軟判決（SD）-前向糾錯編碼（FEC）的判決門限為2×10-2后，在單模光纖（SMF）中以360 Gb/s的速度傳輸20公里后信號的情況。

光調(diào)制與光信號處理

    來自法國諾宰阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員，提出了一種新的相干光OFDM應(yīng)答器方法，這種方法不僅能回收微秒級數(shù)據(jù)脈沖，還能符合存在于光槽交換內(nèi)部數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格濾波約束。在大節(jié)點(diǎn)計數(shù)環(huán)境下，對濾波效果進(jìn)行檢驗。科研人員對CO-OFDM在跨越100個長級聯(lián)節(jié)點(diǎn)時的性能進(jìn)行研究，并將結(jié)果與典型奈奎斯特脈沖形方法進(jìn)行比較。相比于Nyquist脈沖信號，COOFDM表現(xiàn)出40％擴(kuò)展覆蓋范圍，50Gbps 更高的總平均率和>4 GHz的額外失諧容限。

    來自意大利都靈理工大學(xué)電子與電訊學(xué)科的科研人員，通過傳輸符號率優(yōu)化（SRO）方法的非線性緩解來增加覆蓋范圍。首先,科研人員做了理論和模擬，表明EGN 模型是能正確解釋實驗現(xiàn)象的非線性模型，其具體版本包括四波混頻。然后，科研人員發(fā)現(xiàn)，在2~6G波特范圍的最佳符號率對于全C波段PM-QPSK系統(tǒng)覆蓋范圍的增加是巨大的，約為10%-25%。對于C波段PM-QPSK系統(tǒng)上的單模光纖，研究人員發(fā)現(xiàn)緩解的潛力，因其符號率優(yōu)化大于數(shù)字反向傳播理想情況下給予的符號率優(yōu)化 (后者用 32 G 波特率的通道帶寬)。然后，科研人員設(shè)置了一個實驗來驗證理論和仿真預(yù)測。它由19個跨距長度108公里和僅有摻鉺光纖放大器放大的相干信道組成。在可編程開關(guān)電容濾波器上，每個信道在128 Gbit / s操作。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)從在32 G波特的每信道傳輸單載波變?yōu)樵? G波特的每信道傳輸8個副載波時，覆蓋范圍增加約為13.5％，這與EGN模型預(yù)測相一致�？蒲腥藛T還將SRO的理論研究擴(kuò)展到PM-16QAM中，并發(fā)現(xiàn)了性質(zhì)上相似的結(jié)果，雖然PM-QPSK的潛在覆蓋范圍增加僅有50%到60%。下一步，他們將具體探討去除長相關(guān)相位和偏振噪聲的最佳符號率對PM 16QAM的影響。

    來自葡萄牙阿威羅大學(xué)電子、電信與信息學(xué)院的研究人員提出，下一代400G光傳輸系統(tǒng)部署的關(guān)鍵技術(shù)是光學(xué)超信道和數(shù)字非線性緩解技術(shù)�？蒲腥藛T通過實驗評估了基于偏振復(fù)用 (PM) 16QAM 和 64QAM 調(diào)制的雙重和三重載波 400 G 超信道的多載波數(shù)字反向傳播 (MCDBP) 的性能與復(fù)雜度。作為目前廣泛使用的基于全視野（TF）DBP的非線性補(bǔ)償?shù)奶娲�，研究人員證明其耦合方程 (CE) DBP 方法可以使計算效率更高，同時在采樣率和電帶寬有限的情況下，接收機(jī)前端的非理想均等也更魯棒。采用放置在WDM系統(tǒng)的75 GHz的時隙中的三重載波PM-16QAM 超信道，科研人員證明使用EC-DBP的超長距離信號覆蓋范圍達(dá)到了6600公里，對應(yīng)的相對色散均衡化（CDE）增加了32％。在光網(wǎng)絡(luò)中，針對 400G傳輸?shù)母吖庾V效率的解決方案，科研人員將結(jié)果擴(kuò)展到被放置到50GHz的時隙中的三重載波的PM-64QAM超信道，在單個超信道上通過使用EC-DBP的最大信號覆蓋范圍達(dá)到1750公里，對應(yīng)的相對色散均衡化（CDE）增加了60％。

    來自武漢華中科技大學(xué)光學(xué)與信息學(xué)院的研究人員基于星座圖分類的技術(shù)，提出并理論驗證了M進(jìn)制交錯正交幅度調(diào)制（OQAM）信號的低復(fù)雜度載波相位恢復(fù)（CPR）。由于相位噪聲引起的串?dāng)_，OQAM信號對激光線寬的耐受性非常差，研究人員發(fā)現(xiàn)，OQA M信號的奇、偶數(shù)樣本只有伴隨相位噪聲的常規(guī)星座圖旋轉(zhuǎn)。通過分類星座圖的線性擬合，從線性擬合函數(shù)的斜率可以得到載波相位估計。與科研人員最近提出的改進(jìn)的盲相搜索 (MBPS) 方法相比，CPR的計算復(fù)雜性（CC）不會比M進(jìn)制OQAM調(diào)制增加太多�？紤]到16 -OQAM的CPR，研究人員表明，在乘法器（加法器）形式中，通過8.47 ( 7.34) 的因子可以顯著降低CC，在滿足條件時，性能可與MBPS相媲美。對于16QAM，在CD=300ps/nm的和DGD=10ps的情況下，線寬容限和符號持續(xù)時間的乘積就是0.7 dB所需的OSNR代價。

[/center]圖4.  16 OQAM條件下提出的CPR 方法原理圖

光纖技術(shù)

來自巴伊蘭大學(xué)工程學(xué)院，特拉維夫大學(xué)電氣工程學(xué)院、工程學(xué)院的研究人員，對一根空間分辨率為2厘米，長度為8.8公里的光纖，進(jìn)行了分布式布里淵分析。共測量了所有440000個潛在的分辨率點(diǎn)。其中，一個位于泵波的輸出端的7厘米長的熱點(diǎn)，在實驗中被正確識別。研究人員計算得出：布里淵頻移局部估計值的實驗誤差為3.5兆赫。該分析建立在如下基礎(chǔ)上：由周期相位調(diào)制泵和信號波引起的超過2000個相關(guān)峰，它們同時生成，且進(jìn)行布里淵相互作用。單體峰通過一個10000位長的周期序列(泵波雷達(dá)形編碼)進(jìn)行布里淵放大，并在接收端檢測后壓縮。研究人員對超過1公里的光纖，進(jìn)行了布里淵相互作用的廣泛數(shù)值模擬。他們采用了最先進(jìn)的分布式布里淵傳感器，使結(jié)果達(dá)到了厘米分辨率。

[center]圖5.  長距離，高分辨率分布的布里淵光纖分析實驗裝置。
SSB：單邊帶。AWG：任意波形發(fā)電機(jī)。EDFA:摻鉺光纖放大器。
實心線表示纖維路徑，虛線表示射頻電纜 
    來自西班牙馬德里的卡洛斯三世大學(xué)電子技術(shù)學(xué)院的研究人員提出，快速光纖雙色測溫儀應(yīng)用到光通信波段中，對加工過程中的溫度進(jìn)行測量。在多路輸出選擇器和光電子設(shè)備中使用現(xiàn)成的低損耗光纖，以獲得具有成本效益的傳感解決方案，同時降低溫度測量誤差和最小可測溫度。該系統(tǒng)無需使用準(zhǔn)直透鏡，就能夠測量非常高的局部溫度�？蒲腥藛T設(shè)計允許測量溫度在300～650℃的范圍內(nèi)的高溫計，并實現(xiàn)滿量程溫度誤差低至4％。他們還對影響溫度測量值的因素進(jìn)行了研究，以便確定傳感器的局限性，例如在光纖的端部可能的損害，光譜損耗衰減和響應(yīng)或在纖維端部與目標(biāo)之間的距離。最后，高溫計被應(yīng)用在轉(zhuǎn)向過程中，將光纖傳感器嵌入到標(biāo)準(zhǔn)的工具支架上。鉻鎳鐵合金718溫度測量顯示報告和仿真結(jié)果完全一致。

圖6.  高溫計和實驗裝置的原理圖

     來自英國劍橋大學(xué)工學(xué)系電氣工程科光子系統(tǒng)中心的科研人員為了能使傳輸數(shù)據(jù)率大于1 Gb / s，提出了在無線可見光通信（VLC）系統(tǒng)中前饋預(yù)均衡與正交振幅調(diào)制（QAM）聯(lián)合調(diào)制的方案。仿真結(jié)果表明，有著簡單幾個抽頭的前饋預(yù)均衡能夠更好地除去在視線（LOS）可見光通信（VLC）傳輸鏈路中產(chǎn)生有限鏈路帶寬的碼間干擾（ISI），與后均衡相比可提供高達(dá)5 dB的更高的接收機(jī)靈敏度。預(yù)均衡方案是采用在自由空間可見光通信（VLC）鏈路下的脈沖幅度調(diào)制（PAM）調(diào)制來實現(xiàn)的，相比與不歸零碼（NRZ）調(diào)制它提供了一個增強(qiáng)的頻譜效率。在這項工作中，微像素化的發(fā)光二級管（μLEDs）被用作發(fā)射機(jī)，因為相比常規(guī)的大直徑的發(fā)光二級管它們顯示出更高的調(diào)制帶寬�？蒲腥藛T在接收器上使用一個雪崩光電二極管（APD），以提供一個增強(qiáng)的鏈路功率預(yù)算。傳輸距離大于0.6 m的無錯誤（誤碼率（BER）＜10-12 ）2 Gb / s的自由空間可見光通信（VLC）實驗證實了使用簡單的3抽頭前饋預(yù)均衡器和4進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）的調(diào)制方案。結(jié)果表明，只有少數(shù)抽頭的前饋預(yù)均衡可以大大提高微像素化的發(fā)光二級管（μLEDs）基于鏈路的性能，并為高速的可見光通信（VLC）鏈路提供一個簡單且節(jié)約成本的解決方案。