5/8/2014，2014年4月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、無源和有源光器件、光傳輸、光調(diào)制與信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

光纖在線特約編輯：邵宇豐 王煉棟 

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)

    來自羅馬尼亞雅西的喬爾基•阿薩基技術(shù)大學(xué)、英國諾森比亞大學(xué)、牛津大學(xué)和中國清華大學(xué)的研究人員介紹一種簡單而有效的方法，在自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)中使用球面凹面鏡（SCM），能夠大大減少光斑抖動和散射效應(yīng)。采用球面凹面鏡（SCM）將光聚焦到一個小面積光電探測器，這樣做的好處是一方面能提高在湍流信道中收集入射散射光束的效率，另一方面也提高了在球面凹面鏡（SCM）焦點(diǎn)位置和信道折射率波動之間分離的效率。這種方法在傳播空間最大到104米的室內(nèi)受控湍流環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估。結(jié)果證明，球面凹面鏡（SCM）可以有效補(bǔ)償光斑散射和抖動影響，從而使自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)的性能得到改善。

    在傳輸帶寬和傳輸距離上，下一代光通信系統(tǒng)將繼續(xù)推動產(chǎn)品向著物理極限發(fā)展。為了解決這個巨大的需求，目前已經(jīng)提出了將數(shù)字信號處理與更先進(jìn)調(diào)制格式和相干檢測技術(shù)結(jié)合使用，在大約超過1000公里的傳輸距離上，使數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)每通道400 Gb/秒。在通過使用線性光纖損傷全補(bǔ)償（采用了數(shù)字均衡算法）后，這些技術(shù)的突破已經(jīng)成為可能。與此同時，在過去的十年中線性均衡技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個合乎邏輯的研究重點(diǎn)是探索如何緩解克爾效應(yīng)引起的非線性信道損傷。在對光纖非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ校瑪?shù)字反向傳播（DBP）是最有前途的措施之一，這在當(dāng)前已被認(rèn)為是一種光纖傳輸損傷的通用補(bǔ)償器，盡管這對計算有較高的要求。因此，基于數(shù)字反向傳播（DBP）的需求，在本文中，來自德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)通信工程學(xué)院和荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員將討論兩項降低硬件復(fù)雜性的建議。第一項建議是對非色散管理鏈接已公布的結(jié)果進(jìn)行了確認(rèn)和擴(kuò)展，而第二項建議介紹了適用于色散管理鏈接的新方法，這兩種建議的結(jié)果顯示其復(fù)雜性分別降低了大約50％至最高85％。在采用單信道和波分復(fù)用（WDM）設(shè)置，輔以先進(jìn)的調(diào)制格式如正交相移鍵控（QPSK）和16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16 -QAM）的條件下，通過比較模擬及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理獲得的結(jié)果，對所建議的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在所有情況下，所考慮的網(wǎng)絡(luò)符號率為25 G符號/秒。后處理的結(jié)果表明，既可以顯著減小硬件復(fù)雜性，而且不會影響系統(tǒng)的性能。最后，在使用色散管理鏈接的條件下，根據(jù)每傳輸一比特所需復(fù)雜運(yùn)算的數(shù)量，對所獲得的復(fù)雜性降低情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

     無源光學(xué)器件，其特點(diǎn)是低成本、零能耗、高可靠性，是今天電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)成單元，同樣也存在于從傳統(tǒng)骨干傳輸網(wǎng)到下一代寬帶接入網(wǎng)中的各個方面。由于無源光學(xué)器件存在這些引人注目的的顯著特點(diǎn)，因此，在本文中，來自加拿大卡爾頓大學(xué)系統(tǒng)與計算機(jī)工程系、加拿大Viscore科技有限公司和加拿大通信研究中心的科研人員尋求它們在新興數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的潛在應(yīng)用，以應(yīng)對因成本和功耗帶來的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。具體來說，研究人員提出了無源光交叉連接網(wǎng)絡(luò)（POXNs），以使數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行達(dá)到節(jié)約成本、省電節(jié)能、可靠通信的目標(biāo)。為了支持在倉庫規(guī)模數(shù)據(jù)中心使用無源光交叉連接網(wǎng)絡(luò)（POXNs），研究人員通過采用先進(jìn)的互連技術(shù)來應(yīng)對物理層的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。接著，研究人員提出了一種分布式輪詢協(xié)議，從介質(zhì)的廣播特性來解決出現(xiàn)的鏈路層問題。通過分析和仿真對協(xié)議的性能進(jìn)行了研究。研究人員還特別開發(fā)了一種分析模型來計算數(shù)據(jù)包預(yù)期延遲的上限和下限。結(jié)果表明，使用這種協(xié)議在帶寬上可以實(shí)現(xiàn)高效率（在本文研究的情況下不低于85％）。此外，研究人員還證明了協(xié)議可以包含支持公平性和服務(wù)質(zhì)量的調(diào)度算法。最后，本文簡述了無源光交叉連接網(wǎng)絡(luò)（POXNs）在不同架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，對降低資源成本和運(yùn)營成本所起的作用。

無源和有源光器件

    來自法國國家科學(xué)研究院-巴黎大學(xué)Aimé Cotton實(shí)驗(yàn)室、法國國家科學(xué)研究院-雷恩第一大學(xué)物理研究所、泰勒斯公司研究與技術(shù)中心和法國國家科學(xué)研究院光子學(xué)與納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的科研人員通過理論研究和實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在光泵浦雙頻垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSEL）中，兩種正交極化模式的光學(xué)混合產(chǎn)生了射頻（RF）拍頻信號相位噪聲。本文對10千赫至50兆赫頻率范圍內(nèi)的射頻（RF）相位噪聲特性進(jìn)行了研究，研究主要針對在兩種激光模式之間三種不同強(qiáng)度的非線性耦合。在理論模型中，科研人員對造成射頻（RF）相位噪聲的兩種不同物理機(jī)理進(jìn)行了研究。在低頻域（通常低于500千赫）時，由光泵浦強(qiáng)度波動引起的半導(dǎo)體有源介質(zhì)的熱波動，在造成射頻（RF）相位噪聲的因素中起到了主要的作用。然而，在較高的頻率域（通常高于500千赫）時，光泵浦強(qiáng)度波動先轉(zhuǎn)成兩種激光模式的強(qiáng)度噪聲，然后再由大數(shù)值的半導(dǎo)體增益介質(zhì)亨利系數(shù)而轉(zhuǎn)成相位噪聲，這是引起射頻（RF）相位噪聲的主要來源。對于后一種機(jī)理，經(jīng)研究證明，兩種激光模式之間的非線性耦合強(qiáng)度，是對射頻（RF）相位噪聲值的大小有著十分重要的作用。所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示都與理論十分吻合。

    要在全頻譜范圍（從1至100千兆赫）產(chǎn)生射頻信號，通常需要使用多個不同的振蕩器，每個振蕩器的工作范圍只能對應(yīng)全頻譜 內(nèi)的某個特定窄頻帶。基于調(diào)制邊帶注入鎖定激光器的光電系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生低相位噪聲的射頻信號，并且信號頻率可調(diào)諧范圍超過七個八度。來自美國特拉華大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系和TechOX產(chǎn)業(yè)的研究人員展示了經(jīng)過努力獲得的結(jié)果，即以耦合了III-V族半導(dǎo)體增益芯片的硅光子集成電路為基礎(chǔ)，而發(fā)展起來的一個非均勻整合版光電系統(tǒng)。為此，研究人員已經(jīng)成功地驗(yàn)證了一種集成激光模塊，并實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧射頻信號的產(chǎn)生，調(diào)諧的最小間隔寬約1赫茲。

    來自丹麥科技大學(xué)光電子工程系、美國菲尼薩公司和華為公司的研究人員對目前在相干光接入技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)行了回顧，主要集中在采用了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）的光接入技術(shù)。實(shí)驗(yàn)演示了在相干檢測無源光鏈路上進(jìn)行的光傳輸，這里使用了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）做為本地振蕩器，并且用直接調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）做為發(fā)射機(jī)，實(shí)驗(yàn)中在C波段以及O波段的傳輸比特率高達(dá)10 Gbps。在展示的數(shù)字（離線）以及模擬（實(shí)時）的包絡(luò)檢測接收機(jī)方案中，用到了與直接調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）相關(guān)的寬線寬和頻率啁啾。此外，結(jié)果表明，對于接入網(wǎng)而言，在相干接收機(jī)的光學(xué)前端，可以通過一個3分貝耦合器來代替90○混頻器。研究人員取得的成果顯示，與用于相干檢測無源光網(wǎng)絡(luò)的本地振蕩器一樣，對于發(fā)射機(jī)而言，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）是很具有吸引力的候選光源。


光傳輸

    在空分復(fù)用（SDM）系統(tǒng)中，狀態(tài)依賴損耗（MDL）是一個廣泛知曉的主要問題。其對系統(tǒng)性能的影響是復(fù)雜的，因?yàn)樗�既會對�?shù)據(jù)傳輸信號產(chǎn)生影響又對累積放大噪聲有影響。在本文中，來自以色列特拉維夫大學(xué)電子物理系和意大利拉奎拉大學(xué)物理及化學(xué)科學(xué)系的研究人員提出了一套步驟，通過標(biāo)準(zhǔn)測量來描述空分復(fù)用（SDM）系統(tǒng)中狀態(tài)依賴損耗（MDL）的特征，這里的標(biāo)準(zhǔn)測量是指對空分復(fù)用（SDM）設(shè)置進(jìn)行的常規(guī)檢查。為了量化狀態(tài)依賴損耗（MDL），研究人員提出的優(yōu)值系數(shù)包含了對所發(fā)送的信號和對噪聲的影響，并且直接與頻譜效率的降低相關(guān)。

光調(diào)制與信號處理

    本文中的研究人員來自英國格拉斯哥卡利多尼安大學(xué)工程與建筑環(huán)境學(xué)院和諾森比亞大學(xué)工廠與環(huán)境學(xué)院，本文研究的主要內(nèi)容是在正交頻分復(fù)用（OFDM）的亮度調(diào)制光無線通信系統(tǒng)中，使用導(dǎo)頻信號來降低峰均比（PAPR）。當(dāng)在接收端用最大似然準(zhǔn)則估算導(dǎo)頻信號時，導(dǎo)頻信號的相位是根據(jù)選擇性映射（SLM）算法來選定的。要建立可靠的通信鏈路，就要求誤碼率（BER）要小于10-3；與基本的光學(xué)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)（無導(dǎo)頻信號也沒有使用降低峰均比（PAPR）的技術(shù)）相比，在誤碼率（BER）方面，導(dǎo)頻輔助光學(xué)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)具有相同的性能。對于高階數(shù)（M > 4）星座的峰均比降低，與傳統(tǒng)的選擇性映射（SLM）算法相比，導(dǎo)頻輔助峰均比（PAPR）降低技術(shù)效果更好。相對于一個基本的光學(xué)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)（無導(dǎo)頻信號也沒有使用降低峰均比（PAPR）的技術(shù)），導(dǎo)頻輔助的M-正交幅度制（QAM）光學(xué)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)，在M= 64和互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）值在10-4時，能夠降低峰均比（PAPR）達(dá)2.5分貝以上。當(dāng)互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）在較低值時，大大降低峰均比（PAPR）是可能的，并且不會降低系統(tǒng)的誤碼性能。時域信號在兩端輕度削波（25倍的信號電平變化）的結(jié)果是峰均比（PAPR）降低了約6.3 dB，此時互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）值也在10-4，不過要具有約3 ×10-5的誤碼平層。雖然有這種可能，即通過信號削波可以實(shí)現(xiàn)峰均比（PAPR）到達(dá)任何所需的水平，但這將是以惡化系統(tǒng)的誤碼性能做為代價。


在基于相位調(diào)制和光外差上轉(zhuǎn)換技術(shù)的光纖系統(tǒng)中，來自中國華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室、丹麥科技大學(xué)光電子工程系和新加坡南洋理工大學(xué)的科研人員提出了一種具有非線性和相位噪聲容忍度的正交頻分復(fù)用（OFDM）W波段信號。通過在光電二極管中用自激振蕩激光器，可產(chǎn)生外差混頻相位調(diào)制的光正交頻分復(fù)用（OFDM）信號，進(jìn)而得到恒定包絡(luò)正交頻分復(fù)用（OFDM）的W波段無線信號，用來抑制非線性損傷。此外，對所需的信號而言，跳動激光器的相位噪聲表現(xiàn)為一種附加項，可以很容易地過濾掉，而不需要使用復(fù)雜的相位噪聲估計和補(bǔ)償算法。在科研人員所做的實(shí)驗(yàn)中，恒定包絡(luò)正交頻分復(fù)用（OFDM）的W波段信號，一種是經(jīng)四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制后以4 Gb/s傳輸，另一種是經(jīng)16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）后以8 Gb/s傳輸，都在單模光維中傳輸距離超過22.8公里并在空氣中傳輸2.3米，達(dá)到的誤碼率低于前向糾錯的限制。


    來自美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)、馬里蘭大學(xué)巴爾的摩縣分校和美國大西洋科學(xué)網(wǎng)的研究人員描述并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對光調(diào)制格式進(jìn)行自動識別的系統(tǒng)，這里所說的光調(diào)制格式是專門反映物理層信號特性的。系統(tǒng)識別的數(shù)據(jù)編碼主要是用二進(jìn)制通斷鍵控或正交相移鍵控調(diào)制的，還有其他輔助調(diào)制模式。符號時鐘速率和最佳色散補(bǔ)償也已經(jīng)被確定。研究人員通過1500次以上不同情況的測試，對該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。所啟用的功能都是為在通用光接收器和已認(rèn)知光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)對可用光學(xué)帶寬進(jìn)行優(yōu)化利用。研究人員還展示了系統(tǒng)處理波分復(fù)用信號的能力，這種波分復(fù)用信號包含有19個信道，具有多種調(diào)制格式和各種不同的色散、信號強(qiáng)度和光學(xué)信噪比。


    來自以色列本古里安大學(xué)光電工程系和電氣與計算機(jī)工程系的研究人員，通過一個端到端的實(shí)驗(yàn)，對用于直流偏置光正交頻分復(fù)用的四種主要自適應(yīng)比特及功率分配算法進(jìn)行了研究，比較了這些算法的比特率和誤碼率。還在不同的信道條件和不同的子載波數(shù)量下，對比較的結(jié)果進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)比較這些算法表現(xiàn)出相近的性能，即使在理論預(yù)計上有些差異，實(shí)驗(yàn)中也沒有哪一種算法具有顯著優(yōu)勢。研究人員對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，這些算法在性能上相差無幾的主要原因是信道估計中的高方差，尤其是在高頻子載波方面。

光纖技術(shù)

    在采用了光學(xué)放大電子補(bǔ)償?shù)碾p極化四相相移鍵控（DP-QPSK）相干零差光學(xué)系統(tǒng)中，可以通過數(shù)值解析來計算其靈敏度和鏈路功率分配，同時也需要考慮到光放大器和相干接收器的主要參數(shù)。來自意大利Intecs公司的研究人員首先推導(dǎo)出放大相干接收機(jī)的信噪比（SNR）表達(dá)式；然后推算出最佳本地振蕩器（LO）的光功率解析表達(dá)式，這里的最佳是指能達(dá)到最大信噪比；并將一個近似的閉合形式解用來當(dāng)作接收器的靈敏度，這個解在大多數(shù)實(shí)際情況下是有效的。通過這種解析運(yùn)算可以得出，當(dāng)光纖的損傷被補(bǔ)償后，鏈路中放大器的合適放置位置可以使光鏈路功率分配最大化。研究人員還將這種近似的閉合形式解與用數(shù)值方法獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，在單信道完全補(bǔ)償?shù)腄P -QPSK相干系統(tǒng)中，對放大器增強(qiáng)模塊進(jìn)行串聯(lián)配置后的性能甚至比加一個前置放大器的性能更好，但增強(qiáng)模塊非常依賴于無放大接收器的特性，并要求對本地振蕩器（LO）的光功率進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)整，以達(dá)到所需要的靈敏度標(biāo)準(zhǔn)。而如果采用加了前置放大器的相干接收機(jī)，其性能就相對差很多，但這種放大器所在的位置使得相干接收機(jī)幾乎不受其固有噪聲源的影響。