光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 李長祥 周越 
2016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)
布拉德利大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息系統(tǒng)系的科研人員指出，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的一種新方法，采用該方法不但具有在專有硬件上解耦網(wǎng)絡(luò)的特性，也能自適應(yīng)地服務(wù)終端用戶需求，還能為了滿足網(wǎng)絡(luò)功能的實際需求，在系統(tǒng)運行時自動創(chuàng)建和部署網(wǎng)絡(luò)功能的實例。基于相同的物理底層網(wǎng)絡(luò)，科研人員提出了分配網(wǎng)絡(luò)功能和共享終端到終端需求的綜合設(shè)計方案，并證明了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的部分缺陷應(yīng)歸咎于網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商。因此科研人員設(shè)計了一種雙用戶策略的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型在一定程度上反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)功能實例分配與網(wǎng)絡(luò)中路由爭奪物理資源的競爭關(guān)系；科研人員還依據(jù)此模型得出了一個混合整數(shù)規(guī)劃的最優(yōu)解，另外根據(jù)博弈論設(shè)計了一種基于迭代支配的消除算法。

圖1. 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的模型圖
蘇州大學(xué)電子信息工程學(xué)院、北京郵電大學(xué)光電子信息與光通信國家重點實驗室的科研人員，討論了網(wǎng)絡(luò)成本的最小化問題——在靈活的帶寬光網(wǎng)絡(luò)中，如何保留虛擬光網(wǎng)絡(luò)（VONs）映射。對于每個虛擬鏈路，科研人員提供專用的保護(hù)路徑，即主路徑和備份路徑，以此在物理網(wǎng)絡(luò)上保證鏈路的高生存能力。為了簡化虛擬鏈接映射，科研人員通過協(xié)調(diào)虛擬光網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個擴(kuò)展的輔助系統(tǒng)�？蒲腥藛T設(shè)計了一個整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）模型，通過LBSD（最大帶寬需求（LB）的虛擬鏈路vs最短距離（SD））映射法和LCSD（最大計算資源需求（LC）vs最短距離（SD））映射法，來最小化一個特定的虛擬光網(wǎng)絡(luò)（VONs）的網(wǎng)絡(luò)成本。作為對比，科研人員還提出了一種基線映射方法，命名為LCLC（最大計算資源（LC）需求vs最大計算資源（LC）配置）映射法。仿真結(jié)果表明，相對于LCLC映射法，ILP模型的LBSD和LCSD映射法不僅解決了網(wǎng)絡(luò)總費用的最小化問題，還能保證頻譜使用量和再生器的數(shù)量也是最少的。在6節(jié)點和14節(jié)點網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中，LBSD映射法可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)成本，頻譜使用量和再生器的數(shù)量都接近ILP模型的最優(yōu)解。

牛津大學(xué)工程科學(xué)系和倫敦大學(xué)電子與電氣工程系的科研人員建立了一個新型無線光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線光由光纖接入點向移動終端建立透明和雙向的光鏈路，如圖2所示。通過定位和跟蹤，該系統(tǒng)可在室內(nèi)環(huán)境（氣溫由-30度變化至+30度）中建立一條傳輸速率達(dá)到50Gb/s的光鏈路。整個系統(tǒng)視野覆蓋半徑可達(dá)3米，定位精度為0.05度，指向精度為2.5毫米。該實驗表明，科研人員利用自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)有效通信所需的校準(zhǔn)過程，可實現(xiàn)超高速率的無線光鏈路傳輸。

圖2. 通信試驗裝置的結(jié)構(gòu)框圖

在多用戶場景中，彈性光網(wǎng)絡(luò)（EONs）可以提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，擴(kuò)大服務(wù)范圍，并處理多載波情況。然而,惡意客戶端可以從物理層發(fā)動跨域攻擊，所以安全問題在多域彈性光網(wǎng)絡(luò)（EONs）中不容忽視。來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的科研人員，討論了如何提高多域彈性光網(wǎng)絡(luò)物理層的安全水平。出于安全考慮，科研人員檢查了物理層的漏洞，并根據(jù)域內(nèi)和域間請求來選擇不同的路由和頻譜分配（RSA）方案。由于不同的客戶（尤其是可信的和不可信的）在彈性光網(wǎng)絡(luò)中共享光學(xué)元件，科研人員分析了潛在的攻擊可能性，并用攻擊因子量化了相應(yīng)的安全威脅。根據(jù)攻擊因子的大小，來執(zhí)行不同的路由和頻譜分配（RSA）方案。然后，科研人員提出了基于多域攻擊感知的路由和頻譜分配（RSA）問題，并制定一個整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）模型來精確地解決它。為了降低時間復(fù)雜度，科研人員還提出了一種啟發(fā)式算法，通過使用大量離線或在線的模擬配置方案對此算法進(jìn)行了評估，仿真結(jié)果驗證了其有效性。

無源和有源光子器件
無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)因其具有高效、可靠、成本低廉等優(yōu)點，在接入網(wǎng)絡(luò)中已成為一種叫較有前景的方案。然而，無源光網(wǎng)絡(luò)的管理尚未實現(xiàn)自動化，需要網(wǎng)絡(luò)操作員的干預(yù)。近年來，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）已經(jīng)成為一個新興的技術(shù)。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）交換機(jī)中，通過分離控制平面和數(shù)據(jù)平面，以及提供動態(tài)細(xì)粒度的軟件定義網(wǎng)絡(luò)流量管理，能增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)的可控性和可管理性。臺灣國立中興大學(xué)通信工程系的科研人員提出，把底層物理的GPON轉(zhuǎn)換為基于OpenFlow協(xié)議的虛擬SDN交換機(jī)。虛擬交換機(jī)可以用來連接廣闊地理位置上的多個站點。類似于一個真正的OpenFlow交換機(jī)，科研人員使用一個標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow控制器來控制GPON虛擬開關(guān)。OpenFlow代理嵌入在位于GPON底層的光線路終端（OLT）中，該代理與外部OpenFlow控制器進(jìn)行通信，通過OLT內(nèi)部的光網(wǎng)絡(luò)單元和控制接口對ONU進(jìn)行管理。科研人員創(chuàng)建了一個可商業(yè)化的GPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原型，它在虛擬交換機(jī)中可實現(xiàn)所有的OpenFlow功能，包括數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、帶寬計量、統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集和狀態(tài)報告。實驗結(jié)果表明，GPON虛擬交換機(jī)可以正確地執(zhí)行OpenFlow1.3定義的所有功能。其流表條目修改、動態(tài)帶寬控制、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控的性能可媲美真正的OpenFlow交換機(jī)性能。

圖3. 基于OFDMA-PON的時分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
伊朗塔比阿特莫達(dá)勒斯大學(xué)電氣與計算機(jī)工程學(xué)院的科研人員，通過推導(dǎo)伴隨離子體效應(yīng)的光譜二元函數(shù)，提出了能一種快速解決周期性等離子納米天線(PPNAs)散射問題的方案�？蒲腥藛T將光譜二元函數(shù)應(yīng)用到積分方程，以計算周期性等離子納米天線(PPNAs)的感應(yīng)面電流密度。其中，積分方程是利用矩伽遼金方法通過整個域的基礎(chǔ)和測試功能建立的�？蒲腥藛T借助此計算方案，分析了幾種案例的散射特性，并利用有限元法對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。為了量化這種方法的效率，科研人員根據(jù)空間諧波次數(shù)計算了收斂速度和運算時間。計算結(jié)果表明該方法可以高效、快速地分析這種周期性電漿結(jié)構(gòu)。此外，科研人員研究了一組周期性等離子納米天線(PPNAs)在單軸各向異性基板上的散射特性，并利用光軸方向函數(shù)將其量化�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，在使用各向異性材料情況下，周期性等離子納米天線(PPNAs)的基底允許額外的自由度來控制散射信息。

臺灣國立中山大學(xué)光子系、臺灣交通大學(xué)光子系統(tǒng)研究所的科研人員，介紹了一種基于正交頻分多址接入（OFDMA）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的延時分復(fù)用（DDM）方案。在該方案中，檢測正交頻分復(fù)用（OFDM）信號所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），其操作不同于傳統(tǒng)的OFDMA-PON檢測，每個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的采樣率低于奈奎斯特速率�；�于光網(wǎng)絡(luò)單元之間預(yù)分配的相對時間延遲，終端可以檢測到從光鏈路發(fā)送的預(yù)處理信號，其原因是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在次奈奎斯特采樣率下運行所引起的下行信號的頻譜混疊。值得注意的是，該方案減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對采樣率而不是對模擬帶寬的要求，因此所有發(fā)送載波可以保留之前頻譜混疊。所以，該方案可以降低延時分復(fù)用（DDM）的計算復(fù)雜度以及解調(diào)過程中的功率消耗，使成本降低同時效率得到提高。

光傳輸

伯明翰阿斯頓大學(xué)光子技術(shù)研究所的科研人員指出，采用非線性傅立葉變換（NFT）與非線性信號頻譜（包括離散和連續(xù)）特征值通信的方法，在克服光纖非線性損失方面具有廣闊的前景。在本文中，科研人員首次展示了越洋距離達(dá)到10 GBD的非線性逆合成信號（4 Gb/s線速度）的產(chǎn)生、檢測和傳輸過程，其中傳輸信息直接編碼到非線性信號光譜的連續(xù)部分�？蒲腥藛T運用有效的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，使得信號傳輸距離達(dá)到7344公里，誤比特率降至2.1×10−2，這低于前向糾錯（FEC）閾值的20%。與先前證明的基于非線性傅立葉變換系統(tǒng)相比，本方法在數(shù)據(jù)容量和傳輸距離方面進(jìn)行了改進(jìn)。在基于非線性傅立葉變換的通信系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，科研人員取得了重大的進(jìn)步。

澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)的科研人員指出，在網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)指數(shù)級的增長趨勢下，無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)（WOBAN）被認(rèn)為是頗具前景的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的可靠性強(qiáng)和容量大的優(yōu)點，以犧牲無線網(wǎng)絡(luò)的普遍性和移動性為代價，向終端用戶提供有效的服務(wù)。與其它的下一代通信網(wǎng)絡(luò)一樣，無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)面臨著以犧牲服務(wù)質(zhì)量（QoS）和能量效率來換取高傳輸速率的問題。在本文中，科研人員提出了一種新的資源管理技術(shù)，來提升無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中集成光無線單元的能量效率。該技術(shù)增加了無線和光學(xué)部件的空閑時間（而不是以犧牲終端應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量為代價），在空閑時間內(nèi)使其休眠從而達(dá)到節(jié)能的目的。結(jié)果表明，在無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中，延長空閑時間和使用資源管理能適應(yīng)日常流量波動情況，從而在節(jié)約能量的同時，滿足不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。

圖4. 無線光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科研人員提出，基于發(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）已成為當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域�？梢姽馔ㄐ艦槭覂�(nèi)定位提供了一種切實可行的解決方案。在有墻壁、地板和天花板的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，科研人員研究了多徑效應(yīng)對二維室內(nèi)可見光通信（VLC）定位的影響。對于所提出的定位系統(tǒng)，科研人員提出了采用LED燈作為發(fā)射器，采用光電二極管作為檢測接收信號強(qiáng)度信息接收器的新方案�？蒲腥藛T利用改進(jìn)的蒙特卡洛方法來計算光信道的脈沖響應(yīng)。科研人員分析了各反射順序的接收功率，使用功率衰減來計算發(fā)射器和接收器間的距離�？蒲腥藛T進(jìn)一步估計房間里所有位置的定位誤差，并與此前沒有考慮的反射工作進(jìn)行了比較。最后，科研人員提出了使用校準(zhǔn)的方法來減少多徑反射的影響。

圖5. 使用信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的收發(fā)裝置框圖

光調(diào)制與光信號處理

葡萄牙里斯本大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系研究所的科研人員指出，虛擬載波輔助直接檢測的單邊帶（SSB）多頻帶（MB）正交頻分復(fù)用（OFDM）的城域網(wǎng)性能，會受到環(huán)間OFDM頻帶轉(zhuǎn)移和激光波長漂移的影響。42.8Gbit/s的三波段和57.07Gbit/s的四波段SSB-MB-OFDM信號，都具有6.25 GHz的頻段間隔。為了評估環(huán)間帶傳輸和激光波長漂移對系統(tǒng)的影響，科研人員使用了十六進(jìn)制和三十二進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM,32QAM）進(jìn)行實驗，如圖6所示。實驗結(jié)果表明，在僅考慮環(huán)帶間轉(zhuǎn)移的損耗（即忽略相關(guān)的激光波長漂移）、使用類似的−3dB帶寬頻段選擇器實現(xiàn)跨環(huán)傳輸?shù)那闆r下，能實現(xiàn)最大4波段和最大12波段傳輸，使光信噪比衰減不超過1dB�？蒲腥藛T將環(huán)間帶傳輸和激光波長漂移的影響結(jié)合在一起考慮，在−400和200兆赫之間和-500和500兆赫之間，分別采用16-QAM和32-QAM調(diào)制的帶轉(zhuǎn)移，采用頻率漂移會使光信噪比衰減不超過1dB。

圖6. 采用虛擬載波輔助直接檢測SSB-MB-OFDM信號的系統(tǒng)圖
考克大學(xué)廷德爾國家研究所的科研人員設(shè)計并制造了一種在頻分復(fù)用（FDMA）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中的反射式瞄準(zhǔn)發(fā)射機(jī)。它是由一個硅光子集成電路（Si-PIC）包括反射式馬赫曾德調(diào)制器（MZM）及其倒裝晶片互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）驅(qū)動器組成的，其中兩個芯片通過高密度和低鍍銅微柱的方式互連。科研人員成功實現(xiàn)了在一種頻分復(fù)用（FDMA）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON），其傳輸方式是正交相移鍵控（QPSK）和十六進(jìn)制正交振幅調(diào)制（16QAM），其子載波的符號率為500兆波特，誤碼率低于2.10e-3。正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制的子載波有效接入帶寬是1GHz至7GHz，損耗為9 dB；十六進(jìn)制正交振幅調(diào)制（16QAM）調(diào)制的子載波有效接入帶寬是2GHz至4GHz，損耗為5 dB。

愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院數(shù)字通信與LiFi研發(fā)中心的科研人員，研究了數(shù)據(jù)調(diào)制方式對白光LED發(fā)光質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，若保持LED平均驅(qū)動電流不變，LED發(fā)射光的質(zhì)量也將保持不變。對于一個直流平衡的調(diào)制信號，其平均值保持不變，即使瞬時驅(qū)動電流產(chǎn)生波動，數(shù)據(jù)調(diào)制不會對測量光的質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)生重大影響。因此，在可見光通信的應(yīng)用中，使用直流平衡的信號、對LED進(jìn)行熱管理是保證LED發(fā)射光預(yù)期質(zhì)量的前提。

加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的科研人員，提出了一種基于開關(guān)鍵控（OOK）和源信息轉(zhuǎn)換的自由空間光通信（FSO）技術(shù)。研究結(jié)果表明，在不需要獲取瞬時信道狀態(tài)信息和湍流模型的概率密度函數(shù)（pdf）的情況下，源信息轉(zhuǎn)換能使系統(tǒng)檢測到開關(guān)鍵控（OOK）信號。科研人員推導(dǎo)出檢測閾值的概率密度函數(shù)，并測得了平均誤碼率（BER）的上限。研究數(shù)據(jù)表明，對于理想化的自適應(yīng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)良好的性能，復(fù)雜度明顯降低，對于σ = 0.25的正態(tài)分布湍流信道，在誤碼率為1 × 10−9 時，信噪比性能損失僅為1.8dB。

光纖技術(shù)
上海工程技術(shù)大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院的科研人員，設(shè)計了一種帶有圓形氣孔的六角形光子晶體光纖，它可在較寬的波段中保持單偏振單模（SPSM）特性�；�于W型輪廓和三重晶格缺陷的設(shè)計，此光纖可以在保證損耗低于0.01dB/Km的情況下，提供1600 納米寬的單偏振單模（SPSM）譜（從0.406到2.304微米）。對目前所有帶有圓形氣孔的六角形晶體光纖而言，以上的數(shù)據(jù)跨度最為寬泛，科研人員用簡單的“棧和畫”的方法來將此實現(xiàn)。為了讓光纖能在寬譜中使用，科研人員調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，在一定單偏振單模（SPSM）窗口內(nèi)，允許平坦色散操作。該實驗結(jié)果在通信系統(tǒng)中非常理想，色散和偏振模色散可以被徹底消除。 

中國香港中文大學(xué)電子工程系的科研人員提出：采用光柵耦合器的光纖，常規(guī)的硅光波導(dǎo)能有效耦合，而對于從光纖到金屬槽光波導(dǎo)的直接耦合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外尚未有結(jié)構(gòu)能與其相媲美，特別是在耦合效率、光纖帶寬和小尺寸方面。此前提出模式轉(zhuǎn)換的方法采用錐形漏斗結(jié)構(gòu)逐漸擠壓條帶進(jìn)入金屬插槽，因其有效指標(biāo)有很大的區(qū)別且各種模型間很不匹配，從而限制了它們的耦合效率�？蒲腥藛T指出，在硅錐形結(jié)構(gòu)前加入另一個硅帶槽模型轉(zhuǎn)換器能提高耦合效率。此外，反向錐形漏斗結(jié)構(gòu)能降低金屬吸收損耗，從而進(jìn)一步提高耦合效率。研究人員實驗測得，在波長1640為納米時，耦合到200納米寬的金屬-絕緣體-金屬插槽耦合損失為3 dB，耦合到80納米寬的金屬-絕緣體-金屬插槽耦合損失為4 dB.

來自中國東北大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的科研人員提出，由于電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大規(guī)模部署，光纖無線（FiWi）接入網(wǎng)絡(luò)面臨著高能耗的挑戰(zhàn)。以前研究工作提出，綠色光纖無線接入網(wǎng)絡(luò)覆蓋三個方面，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)化配置，如光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）；具有服務(wù)質(zhì)量保證的光網(wǎng)絡(luò)單元的高能效帶寬分配；根據(jù)流量配置的光網(wǎng)絡(luò)單元動態(tài)調(diào)用電源狀態(tài)（主動/休眠）。然而，這些研究并沒有將無線子網(wǎng)的節(jié)能設(shè)計考慮在內(nèi)。事實上，當(dāng)光學(xué)子網(wǎng)的某些光網(wǎng)絡(luò)單元切換到睡眠狀態(tài)時，相應(yīng)的無線接口將處于空閑或低負(fù)載狀態(tài)。通過關(guān)閉空閑或低負(fù)荷的無線電通訊設(shè)備，為無線子網(wǎng)節(jié)能提供了潛在機(jī)會。通過對集成光學(xué)和節(jié)省無線子網(wǎng)能源的研究，本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了綠色多模無線接入光纖無線系統(tǒng)，如圖7所示。為了使其具有高效節(jié)能的優(yōu)勢，科研人員對無線前端和光網(wǎng)絡(luò)單元接入網(wǎng)的光纖后端節(jié)省的能源進(jìn)行集成，并提出了啟發(fā)式算法。首先，通過對帶有負(fù)荷閾值的流量配置進(jìn)行判斷，科研人員提出了具有光網(wǎng)絡(luò)單元休眠機(jī)制的節(jié)能算法（EAS），用來動態(tài)調(diào)度光網(wǎng)絡(luò)單元的功率狀態(tài)。其次，科研人員提出基于關(guān)閉無線電設(shè)備的節(jié)能算法，通過動態(tài)控制射頻的電源狀態(tài)，來重新配置無線子網(wǎng)的拓?fù)�。此外，EAS 和 ERO采用無線重路由，以保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。通過EAS和ERO算法的結(jié)合，科研人員提出了一種EE全面節(jié)能方案。數(shù)值仿真結(jié)果表明，通過合理配置參數(shù)，與寬范圍的流量負(fù)載的節(jié)能方案相比，EE方案節(jié)省了33.14%至64.35%的能量；與無節(jié)能且服務(wù)質(zhì)量敏感的節(jié)能方案相比，EE方案節(jié)省了8.56％至36.42％的能量。

圖7.光纖無線接入網(wǎng)絡(luò)示意圖