光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2016年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：調(diào)制技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、激光技術(shù)、光傳輸?shù)�，筆者將逐一評析。
1.調(diào)制技術(shù)
    在過去十年中，具有高頻譜效率和兼容性良好的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)已經(jīng)在光學領(lǐng)域中被廣泛研究，并且相干光OFDM（CO-OFDM）技術(shù)被認為是高速光傳輸和相干PONs的候選技術(shù)。頻偏（FO）估計是FO-OFDM接收機中的重要技術(shù)，當FO未能在信號載體與本地振蕩器（LO）信號間完成對準工作時將會引起載波間干擾嚴重進而導(dǎo)致系統(tǒng)收發(fā)信號性能下降，因此要對信道估計進行輔助校準獲取準確的估計以及提前對FO進行序列補償。為此，基于校準系統(tǒng)的FO估計方法（TS）已經(jīng)被提出。在這些方法中，首先計算TS的相關(guān)性，并計算平均相位，通過計算相位角來獲得與FO估計成正比的增量相關(guān)值。為了對抗噪音和提高精確度，更長的TSs（2×64分）是首選，但會增加計算的復(fù)雜度。此外，F(xiàn)O會隨著時間的推移而波動。事實上，這需要在對FO進行初始估計后采用一個有效的FO跟蹤方法。這個問題可以通過周期性地插入單獨的FO估計來解決，但是這一操作的復(fù)雜性可能很高。而且很少有研究涉及到單載波動態(tài)FO漂移跟蹤問題和OFDM系統(tǒng)。在本文中，研究人員專注于FO漂移跟蹤方面的研究并提出了一種新的應(yīng)用于CO-OFDM系統(tǒng)的迭代估計（IFOE）方法。IFOE周期性地在數(shù)據(jù)塊之間插入TS估計并且跟蹤實際FO。在每個塊/迭代中，只判斷FO信號的容量而不需要相位計算。估計后的FO通過利用來多個先前塊的FO信號信息進行迭代更新（逐塊）。在應(yīng)用典型的外腔激光器（ECL）的相干系統(tǒng)中LO的變化率為幾百赫茲/微秒，而典型的系統(tǒng)速率大約是10GBd。因此，如果在適當?shù)臅r間內(nèi)插入TS，F(xiàn)O變化跟蹤則可以實現(xiàn)。這個理論通過160公里的CO-OFDM傳輸實驗被驗證。結(jié)果表明，IFOE方法可以比一次無跟蹤FO估計獲得更好的性能。最近來自北京大學的研究人員提出了一種新的IFOE方法，此方法可以在CO-OFDM系統(tǒng)中估計和跟蹤FO，這一估計僅記錄FO的信號信息。FO估計在基于多個FO信號信息的塊上被更新，這有助于抵抗噪音。IFOE方法的有效性在QPSK和16QAM的CO-OFDM傳輸實驗中被研究，實驗結(jié)果顯示與使用長TS的單獨FO估計的方法相比，本方案具有最小Q值。

圖1 （a）CO-OFDM系統(tǒng)的DSP框圖。（b）采用IFOE結(jié)構(gòu)CO-OFDM框架結(jié)構(gòu)。 （c）顯示每個子階段上單獨的FO估計量。（d）提出的IFOE在每個子階段的說明。

    電信運營商正在試圖結(jié)合系統(tǒng)的靈活性，魯棒性和兼容性尋找新的能夠在傳輸過程中提高數(shù)據(jù)吞吐量、提升光接入網(wǎng)（OANs）的容量和覆蓋范圍的方案。相干超密集波分復(fù)用（UDWDM）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）一直是一個有吸引力的解決方案，該方案利用收發(fā)器的數(shù)字信號處理（DSP）功能，可以同時提高頻譜效率（SE）和靈活性。該解決方案旨在提供一個虛擬的可調(diào)點對點的WDM系統(tǒng)，即每個用戶擁有專用波長，并且?guī)讉�單極化（SP）和雙極化（DP）調(diào)制格式的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)方案已經(jīng)被提出了。一個具有雙極化正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制格式的UDWDM-PON系統(tǒng)由相位和極化分集相干接收機支持其工作，并提出且演示了離線數(shù)字信號處理功能。綜合奈奎斯特整形，單極化的相位編碼和每個極化的正交信號均可提供一個高頻譜效率網(wǎng)絡(luò)。頻譜效率是解決相干PON問題的方案之一，該方案吸引了大量關(guān)注并已被廣泛研究。收發(fā)器只需要支持一個極化的同相和正交信號，然而需要在光域中進行自動偏振控制處理。在本文中，據(jù)研究人員所得到的研究成果，研究人員根據(jù)相干UDWDM-PON進行了第一個基于M-PSK的單極化系統(tǒng)的實時實驗。分析的結(jié)果源于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）處理的實時數(shù)字信號處理的過程。 硬件DSP討論了DP M-PSK調(diào)制格式的架構(gòu)，這是基于研究人員以前的頻譜效率設(shè)計方案。通過應(yīng)用四個具有電前端接收器只有1 GHz的模擬帶寬1.25Gsa / s模數(shù)轉(zhuǎn)（ADC），研究人員相信它所展示的結(jié)果是數(shù)字相干PON的最低要求采樣率。這是通過使用相位和極化分集相干接收機，結(jié)合DP-QPSK和DP-8PSK調(diào)制格式來實現(xiàn)的，并為每個最終用戶分別提供為2.5和3.75 Gb / s的頻譜效率。 該實驗系統(tǒng)的容量可以輕松實現(xiàn)擴展了更多的激光器（即UDWDM通道），每個用戶的比特率也可以通過增加ADCs的采樣率和帶寬來改善。
    最近來自葡萄牙阿威羅大學的研究人員通過實驗分析了基于DP M-PSK的UDWDM-PON系統(tǒng)的信號傳輸能力，并利用FPGA對OLT / ONU接收器進行仿真實驗。0.625 GbaudDP-QPSK信號和20個信道的DP-8PSK信號能夠在超過100公里的SSMF上成功傳輸。作為確保UDWDM網(wǎng)格靈活性的一種方式，該結(jié)果意味著ODN的功率預(yù)算需權(quán)衡用戶數(shù)量或覆蓋面。利用由復(fù)雜的單極化調(diào)制格式提供的高光譜效率和無線電頻率，降低了操作成本。隨著光子整合結(jié)合相干探測的靈活性和兼容性在逐漸發(fā)展，研究人員一致預(yù)計相OANs將在不久的將來成為一個現(xiàn)實。

圖 2 DAC / ADC光學模擬系統(tǒng)

2.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    由于正交頻分復(fù)用無源光接入網(wǎng)絡(luò)（OFDM-PON）其固有的優(yōu)點，如高光譜效率，接入分散性強，資源分配靈活，正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來光接入網(wǎng)絡(luò)的突出候選技術(shù)。然而，由于PON的傳輸結(jié)構(gòu)，OFDM系統(tǒng)會產(chǎn)生信息安全漏洞，會導(dǎo)致系統(tǒng)易受到主動或者被動的攻擊。因此，需要一種可靠的安全的可以在OFDM-PON中進行數(shù)據(jù)傳輸。最近混沌相關(guān)加密算法吸引了很多研究人員的興趣。 它們已被廣泛應(yīng)用因為其具有吸引人的混沌特征、遍歷性、偽隨機性和初始敏感性高。將數(shù)字混沌納入OFDM傳輸是很自然的事情，就像數(shù)字信號處理（DSP）在在發(fā)射機/接收機中是不可避免的。然而，大量的OFDM子載波帶有高峰平均值功率（PAPR）是其中的主要問題之一，這就需要在接收機中引入非線性失真補償技術(shù)。星座圖拓展（ACE）理論已被提出，并且被證明即使在具有大量子載波的情況下，其效率一直隨著PAPR的減少而減少。對于OFDM-PON，研究人員已經(jīng)提出了使用混沌信號擾亂混沌預(yù)編碼用以減少PAPR的安全方案。在本文中，研究人員首次提出并展示了一個在OFDM-PON中用來增強了物理層安全性的混沌ACE算法，這項改進同時可以改善OFDM傳輸性能。多重數(shù)據(jù)加密在在ACE中產(chǎn)生混沌交織信息，也在OFDM信號同步時產(chǎn)生了混沌訓(xùn)練序列。一個巨大的密鑰空間是由4維（4-D）超數(shù)字混沌模型建立，其中初始值和重復(fù)次數(shù)作為安全密鑰。由于超數(shù)字混沌的初始值敏感度高，只有合法的具有正確安全密鑰的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）才可以產(chǎn)生相應(yīng)的正確混沌序列。在光線路終端（OLT）中實現(xiàn)對發(fā)送的OFDM信號進行解密是必不可少的過程。最近來自上海交通大學的研究人員提出并展示出一種應(yīng)用于OFDM-PON物理層極具安全性的新穎的混沌ACE方案。通過將多重折疊數(shù)據(jù)加密與OFDM幀交織結(jié)合，超OFDM幀交織將會生成和產(chǎn)生同步信號序列，OFDM安全傳輸與巨大的密鑰空間大小為2048！OFDM傳輸性能提高約1 dB，因為OFDM信號的PAPR有效降低。此外，由于混沌幀交織信息由超數(shù)字混沌預(yù)先設(shè)定，需要引入無邊帶信息從而改善光譜效率。具有混沌ACE的16-QAM8.9Gb/sOFDM加密信號的成功傳輸已經(jīng)證明了OFDM-PON物理層安全算法的可行性和保密性。


圖 3.一個16-QAM OFDM信號的星座變化圖， ACE處理之前（a）和之后（b）

3.光傳輸
    無線信號在光纖或光載無線通信系統(tǒng)（RoF）上傳輸是一種可以實現(xiàn)成本效益的有效接入技術(shù)。在RoF鏈接中，全部高成本的信號處理單元集中在中心站（CO），使基站（BS）簡化、降低成本。進一步減少成本和運作BS的成本，RoF鏈路雙向的波長可以再次利用BS，避免使用一個額外的激光源而增加不必要的運行成本。許多方案提出了利用來自下行鏈路光信號的上行波長來進行傳輸，該方案包括注入鎖定法布里-佩羅（Fabry-Pérot）激光二極管，使半導(dǎo)體光放大器（SOA）或反射式SOA（RSOA）的提高增益飽和度。但是，SOA或RSOA的模擬帶寬非常有限（通常約1 GHz）。 此外，在實現(xiàn)穩(wěn)定的注射鎖定時，注入功率必須大，波長必須在同時注入帶寬。且還要盡量減少來自下行鏈路信號的串擾消光比，下行信號光譜效率必須非常低，這將降低下行鏈路傳輸?shù)男阅�。為了避免來自下行信號的串擾，需要引入無幅度調(diào)制的調(diào)制格式，如相位調(diào)制（例如QPSK或DPSK）可以用于下行鏈路傳輸以方便調(diào)制下行鏈路信號。但是，由于下行鏈路信號是相位調(diào)制的，在直接檢測的協(xié)助下必須使用延遲線干涉儀。因此，下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率是不穩(wěn)定的。為解決這個問題，提出了兩種方案。在第一方案中，有兩個正交偏振光波，兩者都是在下行鏈路傳輸過程中偏振下行信號、利用調(diào)制器（PolM）對相位調(diào)制從而進行波長重用。在第二個方案中，強度調(diào)制后的光信號被純光載波偏振復(fù)用然后傳輸?shù)浇邮掌髦�，使用解�?fù)用器極化分離純光載體并用于BS中的波長重用。該方案的主要限制是不能實現(xiàn)兩倍極化復(fù)用，因為傳輸過程占用了其他極化狀態(tài)的數(shù)據(jù)速率。為了提高數(shù)據(jù)速率，最近來自加拿大渥太華大學的研究人員提出了一個基于波分復(fù)用和相干檢測的RoF鏈路。該方案的主要限制是帶載波的光學雙邊帶（DSB + C）必須被調(diào)制，這可能減少光學能源效率。在本文中，研究人員提出并實驗證明了基于載波抑制雙邊帶（CS-DSB）調(diào)制、相干檢測和數(shù)字信號處理（DSP）的雙向RoF鏈路中的波長重用。 為了可以實現(xiàn)下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，帶載波的光學單邊帶（OSSB + C）調(diào)制對光信號進行調(diào)制然后將調(diào)制后的信號傳送到BS。在BS，OSSB + C中一部分信號被發(fā)送到下行鏈路的光電檢測器（PD）中，微波信號被天線檢測并輻射到自由空間。OSSB + C信號的其他部分用于波長重用，該過程通過發(fā)送OSSB + C信號到偏向零點的單電極馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）來實現(xiàn)CS-DSB調(diào)制。在MZM的輸出端，一個CS-DSB信號攜帶上行信號和串擾，這是由于重新調(diào)制會產(chǎn)生下行信號并將其發(fā)回到輸出端。在恢復(fù)上行鏈路信號的同時可以從下行鏈路信號中消除串擾，局部的相干檢測采用振蕩器（LO）激光源來進行，接著進行DSP處理。使用由DSP單元執(zhí)行的算法，上行鏈路信號被恢復(fù)，并且與此同時從激光源引入產(chǎn)生的相位噪聲被消除。所提出的方案被實驗證明極具可行性。實驗證明可以成功在17公里的SMF上傳2.5Gbps 16-QAM下行微波矢量
信號和一個2.5Gbps的16-QAM上行微波矢量信號，由波長重用引起的功率損失代價小于0.8dB。
    RoF鏈路中的波長重用是基于CS-DSB調(diào)制、相干檢測和DSP而進行研究的。 串擾的產(chǎn)生的原因是下行鏈路OSSB信號的重新調(diào)制。從激光源引入的相位噪聲不需要使用相干檢測和DSP。經(jīng)測量波長復(fù)用和光纖傳輸?shù)漠a(chǎn)生的功率損耗小于0.8 dB，這對上行鏈路信號傳輸?shù)挠绊懳⒑跗湮ⅰ１卷椦芯靠梢宰C明2.5 Gbps16-QAM矩形下行鏈路微波信號和2.5Gbps16-QAM上行鏈路微波信號超過可以在SMF上傳輸超過17公里。RoF鏈路接口通過使用最先進的FEC技術(shù)，可以實現(xiàn)上下行鏈路的無差錯傳輸。并且相比于與普通公共廣播RoF鏈路接口，本文提出的方案出的關(guān)鍵突出優(yōu)點在于在RoF鏈路中BS的成本和復(fù)雜性較低。

圖4  提出的基于波長復(fù)用采用CS-DSB調(diào)制、相干檢測和DSP的RoF鏈路的示意圖DF1：數(shù)字濾波器1，DF2：數(shù)字濾波器2

4.激光技術(shù)
    為滿足客戶對數(shù)據(jù)流量不斷增長的需求，數(shù)據(jù)中心的流量一直在穩(wěn)步增長，并且這推動研究尋找具有能源和成本效益且能夠達到高于10 Gb / s傳輸標準的調(diào)制方案。目前研究人員研究了傳輸速率為25 Gb / s的超標準單模光纖（SSMF），并作為IEEE 802.3標準的下一個目標。此外，數(shù)據(jù)中心的物理空間需要很少的資源，研究重點是一直尋求仍然能夠滿足能源和成本要求的一體化緊湊型解決方案。從這個角度來看，直接調(diào)制激光器（DML）已經(jīng)被認為是針對于此方案最好的候選者。事實上，DML被認為是有希望作為短距離外部調(diào)制應(yīng)用的替代品，因為它可以降低成本和功耗。高速DMLs已經(jīng)被證明它的信號傳輸能力可以超過10 Gb/s 。 但是，對DMLs的部署最主要的挑戰(zhàn)是低調(diào)制消光比（ER）和由直接調(diào)制激光電流誘發(fā)的頻率啁啾，這些會降低色散公差。在1300nm波段中工作是后者的一個潛在解決方案。然而，較高的光纖損耗降低了系統(tǒng)的功率預(yù)算。相反，在C波段（1550nm）中運行將是非常需要的。為了克服這些挑戰(zhàn)，從而允許可以在C波段上進行工作，已經(jīng)提出并成功演示了幾種技術(shù)，如使用無源濾波啁啾管理、通過使用延遲干涉儀或微環(huán)諧振器（MRR）簡化ER和色散容限。使用MRR作為增強ER的優(yōu)點在于MRR是可以在絕緣體上（SOI）平臺上以緊湊的方式制造而來。此外，已經(jīng)證明通過使用MRR的下降端口，激光發(fā)射波長和MRR共振可以鎖定在一個有效的方式。另外，由于在SOI平臺上集成III-V材料這項技術(shù)的進步，最近研究結(jié)果顯示利用硅MRR混合DFB激光器可以集成在芯片上，這將會顯著改進DML的性能。因此，在SOI和MRR上的組合III-V激光器是緊湊型發(fā)射機用于短距離應(yīng)用的一種有成效的實施技術(shù)。在本文中，研究人員演示了一個全硅傳輸器以目標比特率為25 Gb/s的速率實現(xiàn)系統(tǒng)的完美運行。這是通過直接調(diào)制III-V / Si混合DFB激光器和優(yōu)化的硅MRR濾波器而實現(xiàn)的。開關(guān)鍵控（OOK）信號在超過2.5公里的SSMF上傳輸后經(jīng)無錯誤（BER <10-9）直接檢測被證明無需色散補償或前向糾錯（FEC）�；�于混合III-V / SOI DFB DML的短距離應(yīng)用發(fā)射機以25Gb/s的速率運行被證明可以通過使用硅MRR補償偏移濾波來增強DML調(diào)制ER和色散公差，并可以在不使用電子均衡技術(shù)的情況下、FEC或色散補償?shù)臈l件下實現(xiàn)超過2.5公里SSMF無差錯傳輸（BER<10-9）。DFB激光器和MRR都可以在SOI平臺上進行制造，這兩個器件可以提供適用于數(shù)據(jù)應(yīng)用中心的緊湊型全硅基發(fā)射器。

圖 5 混合III-V/SOI的DFB激光器結(jié)構(gòu)

    對基于聲光（AO）相互作用的研究一直是開展實用的全光纖AO器件（例如變頻器、衰減器和可調(diào)諧濾波器）研究課題的重點。最近研究人員提出了新的方案，該方案使用駐波和短波聲波。所有這些設(shè)備的優(yōu)點在于它們可提供動態(tài)設(shè)備可調(diào)諧的振幅和光譜響應(yīng)。彎曲波的場會產(chǎn)生周期光纖擾動，導(dǎo)致在基本的核心LP01模式和一些特定的家庭包層LP1n模式之間產(chǎn)生多模共振耦合。因此，LP01模式可以耦合到包層模式中以避免干擾器在纖芯內(nèi)阻礙包層傳播的進行。在這種配置下，器件被當作帶通濾波器來運行，不符合相位匹配條件的光波長會發(fā)生強烈衰減�；�于此機制的全光纖AO可調(diào)諧帶通濾波器（AOTBFs）已被提出并顯示其干擾器由核心模式阻塞器（CMB）組成。CMB的先進制造技術(shù)包括特殊設(shè)計的中空光纖和紫外線（UV）誘導(dǎo)效應(yīng)。這些設(shè)備可以在非諧振模式下實現(xiàn)-35 dB的抑制，并且在基于UV誘導(dǎo)CMB中實現(xiàn)最小為1dB的插入帶通損耗。在本文中，研究人員提出了一個結(jié)合了動態(tài)屬性的AO與AMB的AOTBFs。和之前的AOTBFs相比,該方案的優(yōu)點在于可以避免復(fù)雜的CMB制作程序。此外，無芯光纖沒有生成反射聲波，并且不擾亂包層模式。利用提出的方案，在1545nm的光波長下可獲得-31dB的最大拒收效率。另外，考慮到聲波的衰減通常被忽略，最近來自西班牙瓦倫西亞大學的研究人員證明它是可以通過適當調(diào)整優(yōu)化響應(yīng)耦合從而將AOTBF的應(yīng)用擴展到聲光帶通調(diào)制器（AOBM），繼而進行聲波反射誘導(dǎo)，其幅度調(diào)制調(diào)兩倍聲波頻率產(chǎn)生駐波。

圖6 基于無芯光纖CMB的AOTBF的實驗裝置