光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周越  周俊毅 馬文哲
    2017年4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)
    來自意大利國家工業(yè)技術(shù)中心的科研人員指出，可以采用路徑計算元素（PCE）的架構(gòu)來完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）的解決方案。 他們將路徑計算元素（PCE）間通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）的信息導(dǎo)出機制結(jié)合起來，如鏈路狀態(tài)擴展的BGP協(xié)議（BGP-LS），可在具有不同層、域和技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）。例如基于IP/MPLS 的彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）等多層網(wǎng)絡(luò)是這種場景的典型例子。然而，為了保持可擴展性，特別是在考慮了集中式實體（如路徑計算元素和控制器）的情況下，這些目前采用的出口機制被設(shè)計用于有限的交換信息。此外，一些信息（例如，路由器接口和收發(fā)器卡關(guān)聯(lián)）在控制平面級別并不總是可用。因此，迄今為止，科研人員已經(jīng)遍歷有限部署的層間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）程序。在這項研究中，他們提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)元素，稱為開放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。利用這種數(shù)據(jù)庫平臺的最新技術(shù)，可以同時確保高可擴展性和可靠性的性能，通過一系列特殊查詢運行的重新優(yōu)化了專用控制和管理應(yīng)用程序，而不依賴于復(fù)雜的控制基礎(chǔ)架構(gòu)，或者不會使編排器過載，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的實現(xiàn)并實現(xiàn)了高級的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）。科研人員還提出和實施了一種基于互連網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TE）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，使專用的應(yīng)用程序能夠執(zhí)行復(fù)雜的多域/層操作。該數(shù)據(jù)庫成功地用于多層網(wǎng)絡(luò)中，并能有效地、可擴展性地進行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的維護。

圖1. 基于多層次NetAPP管理架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖
    來自日本三菱電機株式會社信息技術(shù)研發(fā)中心通信系統(tǒng)組的科研人員，首次提出了一種基于100 Gb / s /λ的相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）的系統(tǒng)原型，并研究了一種實時100 Gb / s相干收發(fā)器。由于采用了簡化的數(shù)字信號處理（DSP ）技術(shù)和一種新型具有自動增益控制鉺摻雜光纖放大器（AGC-EDFA）的前置放大器，且具有用于上行的自發(fā)發(fā)射補償功能（ACF），能在接收信號功率非常低的時候能提高相干檢測的最小接收靈敏度。由于采用了科研人員提出的技術(shù)，首次實現(xiàn)了支持8個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）分段傳輸80 km的通信過程，其上行信號接收靈敏度同時提高到-38.1dBm。此外，科研人員還研究了對于即將到來的5G移動前距離（MFH）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，100 Gb/s /λ的相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)將具有很大的應(yīng)用前景，他們還進一步探討了在100 Gb / s /λ基于相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)中，將一個128 kb / s的輔助管理和控制信道（AMCC）疊加在100 Gb / s的偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）信號上。通過將輔助管理和控制信道（AMCC）信號的調(diào)制指數(shù)設(shè)置在5％到40％之間并引入了AMCC信號，他們還成功地實現(xiàn)了100 Gb / s 的偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）信號傳輸，其功率損耗只有0.2 dB。

圖2. 100Gb/s/λ相干WDM-PON系統(tǒng)的實驗設(shè)置圖
    來自意大利布魯諾凱斯勒基金會研究中心網(wǎng)的科研人員指出，隨著空分復(fù)用（SDM）技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用該技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)部署也得到發(fā)展，能夠在預(yù)期容量增益和由此導(dǎo)致的成本增長之間的取得良好的平衡。為了保持空分復(fù)用（SDM）的低成本優(yōu)勢，他們已經(jīng)提出了幾種集成設(shè)備來實現(xiàn)傳輸與接收、放大與切換的功能。然而，在之前其他科研人員研究中很少有研究成果來描述這種網(wǎng)絡(luò)模型，并在實際應(yīng)用中進行管理和控制，特別是對于那些能夠共同切換多個空間尺寸的設(shè)備。為此，科研人員設(shè)計出了YAMATO，這是首個用于處理任何類型的空分復(fù)用（SDM）光纖和切換范例的控制平臺。他們還提出了一種能夠描述任何空分復(fù)用（SDM）鏈路和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型，并演示了基于OpenDaylight框架的網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計和功能。此外，科研人員通過將空分復(fù)用（SDM）與標準光網(wǎng)絡(luò)比較后，發(fā)現(xiàn)的其光學恢復(fù)方案會具有的額外復(fù)雜度。最后，他們測試了所提出的系統(tǒng)，并統(tǒng)計了實驗實現(xiàn)過程的一些性能指標。
來自日本NTT接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實驗室的科研人員，研究了一種實時突發(fā)模式的相干接收機（BMCR），能夠?qū)崿F(xiàn)將來的無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）應(yīng)用的寬動態(tài)范圍接收，其實現(xiàn)關(guān)鍵在于兩個突發(fā)模式分量：用于光功率均衡的自動增益控制半導(dǎo)體光放大器（AGC-SOA）和具有幀檢測（FD）功能的實時數(shù)字信號處理器（DSP）。AGC-SOA可以減少用于基于DSP的信號解調(diào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）中的量化誤差的影響，大大提高了接收機動態(tài)范圍，同時FD的功能可以逐幀優(yōu)化并檢測突發(fā)幀到達 DSP中的自適應(yīng)濾波器的抽頭權(quán)重。實驗證明了具有22dB寬動態(tài)范圍的20Gb / s單極化正交相移鍵控（QPSK）突發(fā)信號的成功實時收發(fā)過程�？蒲腥藛T還提出了基于數(shù)字信號處理器（DSP）的相干無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)的新配置，使用分配給新系統(tǒng)的實時突發(fā)模式的相干接收機（BMCR）和波長方案，以實現(xiàn)現(xiàn)有無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）的平滑遷移。
    來自布里斯托大學電子工程學院、布里斯托大學工學部的科研人員指出，量子密鑰分配（QKD）是通過交換單個光子來產(chǎn)生加密密鑰的新方法。由于光子的測量過程受到量子力學定律的限制，且測量過程的關(guān)鍵在于它們的安全性。常規(guī)公鑰加密技術(shù)依賴于數(shù)學計算的過程，且使用當今技術(shù)無法有效解決，并容易受到計算機網(wǎng)絡(luò)黑客的攻擊。相比之下，量子密鑰分配（QKD）會生成真正的隨機密鑰，能防止計算網(wǎng)絡(luò)黑客的侵入。另一方面，網(wǎng)絡(luò)演進正向軟件化過程邁進，其主要目的是降低部署和網(wǎng)絡(luò)維護中的成本。這個過程取代了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能（甚至全網(wǎng)絡(luò)實例），在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進行定位的軟件分布在商品數(shù)據(jù)中心。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）作為一種新概念，目前在專有的硬件設(shè)備的操作和運行軟件實例中進行解耦。然而，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的安全性仍然需要在現(xiàn)實世界的部署之前解決。特別是，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）跨數(shù)據(jù)中心的分布成為了網(wǎng)絡(luò)運營商的風險，因為竊聽者不僅可能危及虛擬化服務(wù)，還可能危及整個基礎(chǔ)架構(gòu)�？蒲腥藛T首次提出了虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）分發(fā)的安全架構(gòu)解決方案，該方案通過使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）調(diào)度的光網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）業(yè)務(wù)流程和量子密鑰分配（QKD）技術(shù)實現(xiàn)。

圖3. 點對點的分布式NFV-MANO整合結(jié)構(gòu)和量子密鑰分配系統(tǒng)圖

無源和有源光子器件
    來自澳大利亞莫納什大學電氣與計算機系統(tǒng)工程系的科研人員指出，對于基于多輸入多輸出（MIMO）強度調(diào)制直接檢測（IM / DD）的可見光通信（VLC）而言，采用孔徑接收機是一種新穎的接收方式。這種接收器采用了緊湊的平面結(jié)構(gòu)，提供了廣闊的視場和優(yōu)異的角度分集，因此可以適用于諸如智能電話等手持設(shè)備的集成。結(jié)果表明，在典型的情況下，在傳統(tǒng)的接收機空間分集的基礎(chǔ)上以實現(xiàn)類似的性能的光電二極管，分開的傳輸距離必須大于30厘米。科研人員對于孔徑接收機的性能進行深入分析，根據(jù)發(fā)射機的傳輸模式、接收元件（RE）的設(shè)計、發(fā)射機和接收機的相對位置，導(dǎo)出了用于光發(fā)射機和每個接收元件（RE）之間信道增益的表達式。研究結(jié)果證明，一個由多個接收元件（RE）組成的接收器可以分離從不同的方向傳來的信號，這些信號同時還具有低的多流干擾和相關(guān)的多輸入多輸出（MIMO）信道的矩陣特性。科研人員對于典型的室內(nèi)可見光通信（VLC）場景進行了模擬，其中發(fā)光二極管（LED）采用非對稱限幅光學正交頻分復(fù)用（ACO-OFDM）的調(diào)制方式來傳輸信號。他們在視距（LOS）和視距（LOS）漫反射條件下，對于使用線性和非線性均衡器的接收機都測試了結(jié)果，表明漫反射分量會出略微提高誤碼率（BER），同時他們發(fā)現(xiàn)誤碼率（BER）也取決于接收機的位置。 當使用零強制（ZF）線性接收機時，誤碼率（BER）會受到最大衰減信號的影響，因此在房間角落處會造成傳輸性能的下降。

圖4. 一種典型室內(nèi)多輸入多輸出VLC通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

光傳輸
    來自北京富士通研發(fā)中心、日本川崎富士通實驗室的科研人員指出，為了將具有更高頻譜效率的密集波分復(fù)用（DWDM）信道進行分組，進而能精確監(jiān)測和控制相鄰信道之間的信道間隔是十分必要的。因此在研究中，科研人員提出了一種基于設(shè)計的周期性訓練序列，準確可靠的信道間隔監(jiān)控方案。在相干接收機中，他們采用了數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)來估計兩個相鄰信道的載波頻率，然后計算信道間隔。由于訓練序列特殊的周期性結(jié)構(gòu)，使得科研人員可以進行多周期自相關(guān)的處理，從而減少噪聲的影響。他們在4×32GBaud的奈奎斯特雙極化（DP）16QAM系統(tǒng)中證明了提出的方案，同時驗證了通過執(zhí)行多周期自相關(guān)可以提高信道間隔的估計精度。
    來自香港中文大學信息工程系和蘇州大學電子信息學院的科研人員，提出并研究了彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）中全光多播路由、調(diào)制級和頻譜分配（AOM-RMSA）的子樹方案。他們假設(shè)所有節(jié)點都具有多播能力，并且在靜態(tài)和動態(tài)流量場景下，針對全光多播路由、調(diào)制級和頻譜分配（AOM-RMSA）問題，通過單光模式研究子樹方案。在靜態(tài)情況下，科研人員制定了一個整數(shù)線性規(guī)劃（ILP）模型來獲得最優(yōu)解。然后，他們提出了基于兩種時間效率的啟發(fā)式算法，根據(jù)從源到兩個不同目的地的路徑之間的鏈路共享比來構(gòu)造子樹。所提出的新方案與傳統(tǒng)方案相比，有效地降低了光網(wǎng)絡(luò)的阻塞概率。
    來自阿布杜拉國王科技大學電氣與數(shù)學科學與工程系的科研人員，研究了在多用戶（MU）混合射頻/自由空間光（RF/FSO）中繼網(wǎng)絡(luò)中射頻（RF）導(dǎo)致的同頻干擾（CCI）對用戶調(diào)度性能的影響。所考慮的系統(tǒng)包括多個用戶、一個解碼和轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼、一個目的地和竊聽者。在分析中，混合射頻/自由空間光（RF/FSO）頻道分別遵循Nakagami-m / Gamma-Gamma衰落模型，分別與自由空間光（FSO）鏈路上的指向誤差對應(yīng)，然后他們導(dǎo)出了系統(tǒng)中斷概率的精確閉合表達式。然后，在高信噪比加噪聲比（SINR）方面獲得了中斷概率的漸近表達式，以獲得系統(tǒng)性能的更多指標。此外，得到的結(jié)果用于計算不同湍流條件下的最佳發(fā)射功率�？蒲腥藛T在授權(quán)中繼和竊聽者的同頻干擾（CCI）存在下研究了保密性能，使用協(xié)作干擾（CJ）模型來增強物理層（PHY）安全性能，其中為攔截概率導(dǎo)出了封閉形式的表達式。他們還研究了另一個功率分配優(yōu)化問題，以找到最佳的傳輸性能和干擾功率，最后得到的數(shù)值結(jié)果也驗證了派生分析公式。

光調(diào)制與光信號處理
    來自日本NTT網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室、神奈川電話公司的科研人員，提出了的一種8維（8D）正交幅度調(diào)制（QAM）格式，并實驗證明了高波特率下的傳輸性能。高波特率和多電平調(diào)制技術(shù)對于大容量長距離傳輸是必需的，卻不需要增加轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量。然而由于歐幾里德距離較短，高階調(diào)制的光信噪比（OSNR）容差較低。因此，通過擴大最小歐幾里德距離來放寬光信噪比（OSNR）的容差，科研人員提出了8維-正交幅度調(diào)制（8D-QAM）調(diào)制格式。他們提出的各類8維-正交幅度調(diào)制（8D-16QAM，8D-32QAM和8D-64QAM）的頻譜效率分別等價于各類偏振分復(fù)用-正交幅度調(diào)制（PDM-8QAM，PDM-16QAM和PDM-32QAM）。為了確認所提出的8D調(diào)制對高波特率傳輸?shù)倪m用性，科研人員通過迭代軟輸出解碼的實驗實現(xiàn)了96-GBaud 8D-16QAM的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)傳輸5252 km的距離，線路數(shù)據(jù)速率為576-Gbps，凈速率為478-Gbps。在相同的頻譜效率下，與傳統(tǒng)的PDM-8QAM相比，使用迭代軟輸出解碼的8D-16QAM可以將傳輸距離增加1212km。
    來自清華大學電子工程系信息科學與技術(shù)國家重點實驗室的科研人員，提出了一種自適應(yīng)三維（3-D）優(yōu)化，包括比特加載、功率加載和網(wǎng)格編碼調(diào)制，用于在衰落信道中的光學直接檢測正交頻分復(fù)用（OFDM）。這種方法可以有效地改善電光元件，例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等各種器件的帶寬。他們進行實驗了以驗證這種3-D優(yōu)化，并將其性能與2-D優(yōu)化的性能進行比較，即僅對位加載和功率加載進行比較。 最終實驗結(jié)果表明，與衰落信道中的2-D優(yōu)化相比，3-D優(yōu)化的接收機靈敏度可以在誤碼率（BER）為10-3的條件下提高2dB。通過采用簡單的方案，科研人員提出了自適應(yīng)實現(xiàn)最佳3-D優(yōu)化，與在衰落信道中使用自適應(yīng)2-D優(yōu)化相比，數(shù)據(jù)速率提高了32％。通過自適應(yīng)三維優(yōu)化，還實現(xiàn)了在20公里標準單模光纖鏈路上成功發(fā)送了采用10 GHz馬赫-曾德爾（MZ）強度調(diào)制器的16 GHz光正交頻分復(fù)用（OOFDM）信號，馬赫-曾德爾（MZ）的調(diào)制帶寬調(diào)制器提高了60％，數(shù)據(jù)速率提高了40％。
    來自丹麥技術(shù)大學光子工程系、慕尼黑技術(shù)大學通信工程研究所的科研人員，在采用256QAM調(diào)制的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，對非線性相位噪聲（NLPN）展開了研究。在發(fā)射機的極窄線寬激光器（<1 kHz）和接收機中，他們提取了拉曼放大鏈路中非線性噪聲的相位部分。在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，科研人員測試了非線性相位噪聲（NLPN）的自相關(guān)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與理論預(yù)測相符，他們還設(shè)計了幾種候選算法來跟蹤和補償非線性相位噪聲（NLPN）。實驗結(jié)果表明，相較于僅使用相關(guān)屬性的標準方法，使用基于非線性相位噪聲（NLPN）的分布算法可以得到更高的增益。對于基準距離為1600公里的5x10 GBaud的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)，使用該算法能使系統(tǒng)距離增長300公里。這些增益與單通道數(shù)字反向傳播的增益相當，科研人員將在未來把這兩種技術(shù)結(jié)合使用，并進一步提出更優(yōu)的改進方法。

圖5. 波分復(fù)用系統(tǒng)的實驗裝置圖

光纖技術(shù)
    來自德國慕尼黑工業(yè)大學通信工程、諾基亞-貝爾實驗室的科研人員，在德國電信測試網(wǎng)絡(luò)中成功地測試了對于德國光纖通信環(huán)網(wǎng)，并研究了概率形狀星座映射調(diào)制的適用性。在該環(huán)網(wǎng)中，他們通過無源光分插復(fù)用器實現(xiàn)了八個德國城市的添加/關(guān)閉節(jié)點，在擴展的C波段提供了12頻帶的400 GHz的寬帶。采用多個級聯(lián)的分插復(fù)用器來減少可用帶寬，科研人員使用16QAM、36QAM和64QAM等調(diào)制格式以及可變的帶寬，傳輸了速率為1Tbit / s的四載波超頻道，其中擴展了一系列概率形星座的映射調(diào)制。他們在現(xiàn)場環(huán)境中通過兩個示例驗證了概率整形優(yōu)于標準的64QAM和16QAM格式。同時實驗還測試了兩種典型的1Tbit / s工作頻道，傳輸距離分別為419 km和951 km，頻譜效率分別為6.75bit / s / Hz和5 bit / s / Hz。對于在200 GHz帶寬中傳輸速率為1Tbit / s的概率形超級信道，傳輸?shù)淖畲缶嚯x大約為1500公里；對于距離超過1500公里的保護路徑，其頻率效率必須降低，傳輸比特率為100 Gbit / s；對于測試網(wǎng)絡(luò)中最長的雙向路徑（即2159 km的保護路徑），最大傳輸比特率為800 Gbit / s。