光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟 
    2014年8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)，無源和有源光子器件，傳輸、調(diào)制與光信號處理和光纖技術(shù)等，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    在多信道以太無源光接入網(wǎng)絡(luò)（EPON）中，與僅僅只單獨使用時分復(fù)用（TDM）或波分復(fù)用（WDM）技術(shù)相比，混合調(diào)度使用波分復(fù)用/時分復(fù)用（WDM/ TDM）技術(shù)的情況日益普及，因為這樣做可以提供更大的靈活性、更加高效節(jié)能的負載分布以及增加支持寬帶的用戶數(shù)量。來自印度理工學(xué)院電子與電氣通信工程系的研究人員總結(jié)了現(xiàn)有的各種多信道以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）設(shè)計，并提出了一種新的方案，用以進一步提高調(diào)度效率。為此，他們已經(jīng)開發(fā)出來一種改進型穩(wěn)定匹配算法（MSMA），并推出了一種可預(yù)測的及時反應(yīng)調(diào)度框架，用于在實時狀態(tài)下能動態(tài)啟動這種改進型穩(wěn)定匹配算法（MSMA）。研究人員還提供了大量的模擬結(jié)果，用來證明與其他現(xiàn)有設(shè)計方案相比，他們所提出的調(diào)度方案具有更高的有效性。
    從最終用戶的觀點來看，光數(shù)據(jù)分組包與電路集成網(wǎng)絡(luò)（OPCInet）可根據(jù)用戶不同的使用需求和場合，同時提供高速率的傳輸、價格低廉的服務(wù)、可確定的延遲以及低損耗的數(shù)據(jù)服務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的觀點來看，這種網(wǎng)絡(luò)通過一個簡單的控制機制，就可以實現(xiàn)大容量交換，并且能耗低、使用非常靈活、資源利用率高。在這篇文章中，主要介紹了光數(shù)據(jù)分組包與電路集成網(wǎng)絡(luò)（OPCInet）、及其擴展的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）近期在研發(fā)方面的進展。來自日本國家信息與通信技術(shù)研究所的研究人員已經(jīng)開發(fā)出光數(shù)據(jù)分組包與電路集成（OPCI）節(jié)點，在100 G比特/秒的光分組交換部分，這種節(jié)點能夠在光分組網(wǎng)邊緣、具有突發(fā)容限的光放大器中、以及有光纖延遲的光學(xué)緩沖器中進行以太網(wǎng)幀和光數(shù)據(jù)分組包之間的相互切換。這種光數(shù)據(jù)分組包與電路集成（OPCI）節(jié)點已實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組包錯誤率小于10-4，目前已經(jīng)可以作為一個實驗室網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點訪問因特網(wǎng)。電路交換部分的控制、以及光分組資源和電路資源之間的移動邊界控制都采用了分布式自動控制機制。在文中推薦的用于數(shù)據(jù)分組包和電路交換光學(xué)系統(tǒng)中，都采用了集中控制機制和分布式控制機制。研究人員還說明了基于分組的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）系統(tǒng)，是如何利用IP地址和光數(shù)據(jù)分組包與電路集成（OPCI）節(jié)點標識符之間的映射來進行結(jié)構(gòu)配置的；介紹了如何通過web界面，根據(jù)來自多個服務(wù)供應(yīng)商的需求而生成切換表。
    來自西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電信與多媒體研究所光學(xué)和量子通信小組的科研人員探討了集成微波光子學(xué)（IMWP）的應(yīng)用，能給未來的接入網(wǎng)帶來什么樣的好處。文中首先回顧了無線接入網(wǎng)（RANs）各種最常見的架構(gòu)，以此來識別架構(gòu)中微波光子元件以及光纖鏈路上無線部分所在的位置。然后，文中提供了一段對集成微波光子學(xué)（IMWP）基本原理的簡要說明，目的是讓讀者了解這種技術(shù)當前發(fā)展的狀態(tài)和未來應(yīng)用的潛力�？蒲腥藛T還討論了將集成微波光子學(xué)（IMWP）技術(shù)融合進無線接入網(wǎng)（RANs）前端鏈路的可能性。其中，他們首先確定了哪些微波光子學(xué)（MWP）功能特性是所需要的，然后再討論了根據(jù)目前和近期該領(lǐng)域可能達到的技術(shù)水平，并論證了把這些功能融合進無線接入網(wǎng)的可行性有多大。

無源和有源光子器件
    目前，有證據(jù)證明許多研究課題都是通過提出一些新型電極圖案設(shè)計，來減少電流擁擠效應(yīng)并提高發(fā)光二極管（LED）的光輸出功率。來自中國臺灣中原大學(xué)機械工程系、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中心、微系統(tǒng)可靠性研發(fā)中心、桃園創(chuàng)新技術(shù)學(xué)院機械工程系的科研人員所進行的這項課題，是通過實驗和數(shù)值分析來研究電極設(shè)計對發(fā)光二極管（LED）發(fā)光效率的影響。為緩解在傳統(tǒng)電極邊緣常見的電流擁擠效應(yīng)，可使用一個擴展的p電極；不過，一個擴展的p電極也會遮蔽從有源層發(fā)射出來的光。因此，科研人員在電極上制作了直徑為3微米或5微米的小孔陣列，并比較了小孔陣列在提高光輸出效率方面的有效性。光學(xué)測量表明，增大小孔直徑可導(dǎo)致光輸出功率的增加；采用了文中所建議的改進方法后，具有5微米孔陣列的發(fā)光二極管（LED）最高輸出功率為48.1毫瓦，比常規(guī)發(fā)光二極管（LED）43.8毫瓦的輸出功率高。在注入電流為500毫安時，經(jīng)改進的發(fā)光二極管（LED）（5微米孔）輸出功率為47.7毫瓦，這幾乎是傳統(tǒng)發(fā)光二極管（LED）（23.7毫瓦）的二倍。數(shù)值分析方法還被用于仿真發(fā)光二極管（LED）有源層內(nèi)的電流密度分布，并利用電流擴展長度與內(nèi)部量子效率之間的關(guān)系來計算發(fā)光強度的分布。科研人員經(jīng)過進一步的建模工作后，可通過蒙特卡洛光線追跡法來模擬光輸出功率，數(shù)值模擬仿真的結(jié)果與從實驗中測量獲得的數(shù)據(jù)高度吻合。

圖1 具有3微米孔陣列的擴展p電極的電子掃描顯像圖
    來自日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)研究所的研究人員，使用1.55微米極化雙穩(wěn)態(tài)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），對全光觸發(fā)器運行時的誤碼率（BER）進行了測量。通過向垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的兩種激光發(fā)射模式注入置位光脈沖和復(fù)位光脈沖，可使得極化雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器運行；這兩種激光發(fā)射模式都能獨立調(diào)節(jié)光波長，并且它們的極化方向是相互正交的。獲得的波形清楚地表明，雖然這些置位光脈沖和復(fù)位光脈沖功率比垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的輸出功率低得多，但在實際測量傳輸速率高達1G比特/秒時，系統(tǒng)的誤碼率（BER）小于1×10-9。研究人員還展示了通過注入同一個激光二極管產(chǎn)生的、具有相同波長的置位光脈沖和復(fù)位光脈沖后全光觸發(fā)器的運行情況。在這種情況下，極化雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器運行速率可達到500比特/秒，與采用注入獨立調(diào)整波長的置位光脈沖和復(fù)位光脈沖的運行情況對比，兩種運行的誤碼率（BER）值幾乎相同。同樣，此時光輸入脈沖功率要比使用兩個不同波長的光輸入脈沖功率要高，但仍然比垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的輸出功率要低。
    對采用正交相移鍵控和數(shù)字相干技術(shù)結(jié)合的光傳輸系統(tǒng)而言，由于其應(yīng)用需要使整個光通信系統(tǒng)使用的光電子器件配置增加，導(dǎo)致了光通信系統(tǒng)中的接收機要既經(jīng)濟又緊湊。在這篇文章中，來自日本電報電話公司光學(xué)實驗室的研究人員，展示了在基于二氧化硅的平面光波電路（PLC）上，對磷化銦光電二極管（PD）的集成應(yīng)用。通過利用粘合劑粘合磷化銦晶片和采用傾斜干法蝕刻技術(shù)，研究人員已經(jīng)在平面光波電路（PLC）上的一小塊集成區(qū)域內(nèi)，成功制造出高速光電二極管（PD）和低損耗微鏡，并且評估了系統(tǒng)接收機的性能。他們使用緊湊型相干接收器實現(xiàn)了32 G波特率的雙極化正交移相鍵控（DP-QPSK）光信號解調(diào)，并在相干接收器的平面光波電路（PLC）上成功集成了八個高速光電二極管（PD）、一個監(jiān)控光電二極管（PD）、一個偏振分束器、兩個90◦光混合器、一個可變光衰減器和微鏡。

傳輸、調(diào)制與光信號處理傳輸
    來自中國華中科技大學(xué)光電子信息學(xué)院下一代互聯(lián)網(wǎng)接入國家工程中心和新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員提出了一種新的方法，他們通過使用混沌技術(shù)和分數(shù)階傅里葉變換（FrFT）技術(shù)，可以同時提高物理層的保密性和正交頻分復(fù)用（OFDM）無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸性能。他們設(shè)計了三維混沌序列，用來產(chǎn)生用于時間同步的訓(xùn)練序列，對正交頻分復(fù)用（OFDM）的副載波進行處理，并能控制分數(shù)傅里葉變換（FrFT）運算的分數(shù)階。分析結(jié)果表明，在文中所提出的方案里，整個密鑰空間的大小可能會超過1050，并且所發(fā)送的正交頻分復(fù)用（OFDM）光信號的峰均功率比可以降低約0.5分貝。此外，研究人員還成功地展示了在超過25公里的單模光纖信道上，使用混沌技術(shù)和分數(shù)階傅里葉變換運算所進行的一個數(shù)據(jù)傳輸實驗，實驗中采用了16相正交幅度調(diào)制（QAM）-正交頻分復(fù)用（OFDM）光信號實現(xiàn)傳輸速率為8.18G比特/秒的通信。實驗結(jié)果表明，不需要提供額外的帶寬，上述實驗系統(tǒng)就能夠有效提高系統(tǒng)保密性和傳輸性能。

圖2 基于混沌和分數(shù)階傅里葉變換（FrFT）技術(shù)的保密正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)原理圖

    對于在短距離內(nèi)達到100 G比特/秒傳輸速率的強度調(diào)制直接檢測光通信系統(tǒng)，來自加拿大女王大學(xué)電氣與計算機工程系和數(shù)學(xué)與統(tǒng)計系的研究人員對其最新進展進行了簡要回顧。通過一個示范性實驗，證明使用數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)射器和接收器可支持相對折衷的符號速率；研究人員考慮使用雙極化、單載波方式和單極化、雙載波方式，來實現(xiàn)112 G比特/秒的16進制正交幅度調(diào)制（QAM）半周期奈奎斯特子載波調(diào)制信號的生成和檢測。在一個背靠背傳輸系統(tǒng)中，使用高帶寬直接調(diào)制負反饋激光器來產(chǎn)生光信號；經(jīng)過單模光纖信號傳輸4公里以上后，使用前置放大接收器成功檢測到了光信號。


圖3 基于雙極化、單載波奈奎斯特子載波調(diào)制的實驗裝置

    來自中國清華大學(xué)電子工程系、中國科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院以及英國諾森比亞大學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院光通信研究組的科研人員提出一種多跳自由空間光通信（FSO）鏈路并進行了通信性能指標分析。實驗鏈路上使用了外差差分相移鍵控調(diào)制技術(shù)，其運行環(huán)境是在湍流引起的衰落信道中。首先，科研人員為多跳自由空間光通信（FSO）系統(tǒng)開發(fā)了一種新型的統(tǒng)計衰落信道模型，該模型中使用了信道狀態(tài)信息輔助和固定增益?zhèn)鞑ィ�并考慮到了大氣湍流、指向誤差和路徑損耗的影響。他們使用Meijer的G函數(shù)來推導(dǎo)多跳自由空間光通信（FSO）信道的函數(shù)封閉表達式，這些函數(shù)包括動差生成函數(shù)、概率密度函數(shù)以及累積分布函數(shù)；然后這些表達式再被用來推導(dǎo)故障可能發(fā)生率和平均誤符號率的極限。實驗結(jié)果證實了該通信系統(tǒng)性能的降低與跳數(shù)是函數(shù)關(guān)系�？蒲腥藛T還對大氣湍流強度變化（由弱至中等和由中等到強烈）對該系統(tǒng)的影響、光束幾何損耗以及指向誤差進行了研究。研究結(jié)果表明，通過使光束變寬可減少指向誤差，但要以犧牲接收信號功率電平為代價；而使光束變窄可以減少光束的幾何損耗，但會增加指向誤差，造成光束對不準而影響光信號接收性能。
    來自美國馬薩諸塞州立大學(xué)電氣與計算機工程系的科研人員對光鎖相環(huán)路（OPLL）中存在的非線性動態(tài)問題進行了研究，以確定上述問題在雷達前端對光鎖相環(huán)路（OPLL）性能的影響。根據(jù)研究結(jié)果，他們提出了一種改進型光鎖相環(huán)路（OPLL）的理論模型，并通過數(shù)值模擬仿真方法研究了外部干擾的存在對光鎖相環(huán)路（OPLL）性能的損害，以及光鎖相環(huán)路（OPLL）在相位跟蹤失效階段中的動態(tài)行為。這些研究結(jié)果都通過實驗觀察得到了驗證。
    來自美國電話電報公司實驗室的研究人員對當前幾種應(yīng)用數(shù)字信號處理（DSP）方式的光通信技術(shù)做了一次系統(tǒng)性綜述，這些技術(shù)都是為支持高頻譜效率（SE）技術(shù)在光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用而提出并論證的，同時這些光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸速率都是400G比特/秒以上并且還有更高速率等級的。上述技術(shù)包括：1）一種新近提出的頻譜效率（SE）-自適應(yīng)光學(xué)調(diào)制技術(shù)——時域混合正交幅度調(diào)制（QAM）；2）兩種先進的發(fā)射端數(shù)字頻譜整形技術(shù)——奈奎斯特信號化（用于進行頻譜效率復(fù)用）和數(shù)字預(yù)均衡（改善容差通道窄化效應(yīng)）；3）一種新近提出的輔助訓(xùn)練兩級載波相位恢復(fù)算法，這種算法被設(shè)計以最小的訓(xùn)練開銷，用來處理周期性相位滑移負面影響問題。此外，研究人員還提出了一種新型基于數(shù)字信號處理（DSP）的方法，用于緩解均衡器增強產(chǎn)生的相位噪聲損害。研究表明，長效記憶色散補償濾波器/均衡器與本地振蕩激光器相位噪聲之間，會由相互影響而引起性能下降；通過使用常用的快速單抽頭反相均衡器（用于典型的載波相位恢復(fù)）與快速多抽頭線性均衡器，能夠?qū)⑿阅芟陆涤行�減輕。最后，簡單介紹了兩種高頻譜效率（SE）400 G比特/秒速率等級的波分復(fù)用（WDM）傳輸實驗，這些實驗中采用了文中提及的數(shù)字信號處理（DSP）算法。

圖4 用于產(chǎn)生和接收時域混合正交幅度調(diào)制（QAM）光信號的(a)發(fā)射器和(b)接收器框圖

    在光通信系統(tǒng)中，自從引入了相干接收機以后，目前已經(jīng)建立了基于軟判決的前向糾錯機制。來自德國阿爾卡特朗訊公司貝爾實驗室的研究人員采用教科書式的說明方法，介紹了一種常用的編碼，即低密度奇偶校驗（LDPC）碼的應(yīng)用。研究人員還討論了編碼技術(shù)的新發(fā)展，例如卷積低密度奇偶校驗（LDPC）編碼技術(shù)；并闡述了作為未來光通信系統(tǒng)中的潛在候選技術(shù)，這些編碼方法是如何使用的。

光纖技術(shù)
    來自日本電報電話公司網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室的研究人員介紹了基于多芯光纖（MCF）、采用空分復(fù)用方式的超高容量長距離光信號傳輸技術(shù)。首先，在文中，研究人員討論了影響多芯光纖（MCF）可達到的最大傳輸總?cè)萘恳约白畲髠鬏斁嚯x的限制因素，并說明相鄰纖芯之間的串擾（XT）會嚴重限制光纖的傳輸距離。接下來，他們闡述了用一種傳播方向交錯（PDI）技術(shù)來抑制串擾（XT）影響。在傳播方向交錯（PDI）技術(shù)中，相鄰的纖芯具有不同的傳播方向，因此，在單獨一根多芯光纖（MCF）中實現(xiàn)了雙向光信號傳輸。在文中，還討論了頻譜效率和幾種多芯光纖（MCF）可達到的傳輸距離，并說明在具有雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的12芯光纖上通過使用傳播方向交錯（PDI）技術(shù)，可以把光信號傳輸范圍擴展三倍。研究人員還描述了在一條12芯DRS光纖上使用傳播方向交錯（PDI）技術(shù)后，所進行的長距離光傳輸實驗情況。
    來自美國OFS實驗室的科研人員在這篇文章中，對適用于放大空分復(fù)用信號的多芯光纖放大器，就其最新發(fā)展做了相關(guān)報告。這些科研人員設(shè)計和并建造了7芯光纖放大器，其中的纖芯可以通過包層單獨或同時泵浦放大，他們還對這些放大器的放大特性和噪聲特性進行了研究。在纖芯泵浦放大器中，平均凈增益為25分貝，噪聲系數(shù)小于4分貝。采用側(cè)耦合包層泵浦技術(shù)后，每個纖芯（在覆蓋C波段的40納米帶寬上）獲得的增益超過了25分貝�？蒲腥藛T還介紹了數(shù)值模擬仿真結(jié)果，說明了進一步改善放大器性能的方法，可以通過改進光纖信道設(shè)計完成，例如對包括增益、噪聲系數(shù)和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）等一些參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置。

圖5 多芯光纖空分復(fù)用光纖信道傳輸鏈路原理圖