光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
8/20/2015，2015年7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、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)
    來自葡萄牙阿威羅大學(xué)電子、電信與信息學(xué)系和美國邁阿密大學(xué)電氣與計算機工程系的研究人員，對在實際運行的光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，配對節(jié)點之間的最短路徑長度進行了分析。通過分析研究人員發(fā)現(xiàn)，要對最短路徑長度建模，采用約翰遜SB分布是最適合的。他們根據(jù)柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（KS）統(tǒng)計對分布的有效性進行評估；約翰遜SB分布可提供0.0423的平均柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（KS）統(tǒng)計值，這表明了這種分布精度良好。他們還說明了最短路徑長度的關(guān)鍵參數(shù)，例如平均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差，這些都可以從網(wǎng)絡(luò)的凸區(qū)域部分中進行估計。研究人員研制的用于最短路徑長度的約翰遜SB分布模型，只是使用網(wǎng)絡(luò)的基本信息。這種模型能夠依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)來估算路徑長度，如果在透明光網(wǎng)絡(luò)中采用合適的調(diào)制格式，估算值的平均誤差僅為6.4％。值得注意的是，獲得這些估計值并不需要網(wǎng)絡(luò)的全部信息，僅有網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置信息是必需的。

    來自塞爾維亞尼什大學(xué)電子工程學(xué)院、希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)和阿拉伯聯(lián)合酋長國哈里發(fā)大學(xué)的科研人員，對由射頻（RF）鏈路/自由空間光（FSO）鏈路混合組成的雙跳中繼系統(tǒng)進行了研究。系統(tǒng)中一部分放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的選擇是根據(jù)過時信道狀態(tài)信息（CSI）來設(shè)定的。通過伽瑪-伽瑪分布模型可以看出，射頻（RF）鏈路是受制于瑞利衰落，而自由空間光（FSO）鏈路是受大氣湍流的影響；對于系統(tǒng)的中斷概率和平均誤碼率（BER），科研人員推導(dǎo)出了新的分析表達式，并通過蒙特卡羅模擬進行了數(shù)值結(jié)果驗證。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的中斷概率和平均誤碼率（BER）主要依賴于以下幾個重要參數(shù)：湍流的強度、射頻（RF）一跳上的平均信噪比（SNR）、自由空間光（FSO）一跳上的電信號平均信噪比、中繼的數(shù)量、以及所選擇的中繼的等級；而在當(dāng)前的源中繼信道與它的過時信道狀態(tài)信息（CSI）之間，所存在的時間相關(guān)性可能帶來的影響，也需要加以考慮。上述結(jié)果說明了，過時信道狀態(tài)信息（CSI）用于中繼選擇會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響，尤其是在自由空間光（FSO）一跳中湍流強度較弱的情況下。此外，通過增加中繼數(shù)量來改善系統(tǒng)性能，這種方法的實際效果高度依賴于自由空間光（FSO）信道的狀態(tài)。


    來自法國微電子學(xué)電磁學(xué)與光子學(xué)研究所微波特性實驗室的科研人員，對于在毫米波（MMW）頻帶范圍內(nèi)，光載無線（RoF）通信系統(tǒng)中幅度噪聲對系統(tǒng)性能的影響，做了一次完整的理論分析和實驗研究。他們提出了一種模擬仿真的方法來確定噪聲的起源，認(rèn)為對誤差向量幅度（EVM）影響最大的地方就是幅度噪聲的起源處。這種方法的基礎(chǔ)是對誤差向量幅度（EVM）趨勢進行的分析�？蒲腥藛T以實驗和理論分析為手段，認(rèn)真仔細地研究了不同種類的光學(xué)噪聲和電氣噪聲對誤差向量幅度（EVM）的影響，這些噪聲主要包括相對強度噪聲、散粒噪聲和熱噪聲等。他們在上述的光載無線（RoF）通信系統(tǒng)中，分別使用兩種技術(shù)來產(chǎn)生毫米波（MMW）信號，并從幅度噪聲的視角比較了這兩種技術(shù)引起的誤差向量幅度（EVM）的情況。第一種技術(shù)是使用兩個獨立的分布式反饋激光器，在一個光檢測器的輸出口產(chǎn)生毫米波（MMW）信號；第二種產(chǎn)生毫米波（MMW）信號的技術(shù)是基于被動鎖模激光二極管的。光源相位噪聲對系統(tǒng)性能的影響，可通過使用基于包絡(luò)檢測器的非相干下轉(zhuǎn)換法進行消除；科研人員將這種方法進行了模擬運行和實驗運行，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果匹配良好。

無源和有源光子器件
來自北京大學(xué)電子系區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室的研究人員通過實驗，對一種基于受激布里淵散射（SBS）原理的雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）進行了驗證。他們利用兩個激光器來實現(xiàn)雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）的可調(diào)諧性，其中一個充當(dāng)信號激光器，另一個被用作為泵浦激光器；通過直接調(diào)諧泵浦激光器的波長，就可以達到產(chǎn)生一個寬范圍射頻信號的目的，調(diào)諧的范圍是從直流至60 GHz。據(jù)研究人員所稱，這是目前通過雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）在基本頻率上已經(jīng)實現(xiàn)的最寬可調(diào)范圍。在2公里和4公里長度的雙環(huán)路光纖上，當(dāng)光電振蕩器（OEO）的振蕩頻率被設(shè)置為5、10或20GHz時，在10kHz偏移處測量得到的單邊帶（SSB）相位噪聲為-100 dBc /Hz；其中光電振蕩器（OEO）的振蕩頻率為10GHz時，邊模抑制比（SMSR）是35 dB。與單環(huán)路結(jié)構(gòu)的光電振蕩器（OEO）相比，這里所采用的雙環(huán)路結(jié)構(gòu)光電振蕩器（OEO）在頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性方面都有所提高。采用單環(huán)路結(jié)構(gòu)和雙環(huán)路結(jié)構(gòu)的光電振蕩器（OEO），其在1-s頻率波動的艾倫方差上，平均值分別為1.2×10-7和4.9×10-11。另外，這也是首次使用了基于控制理論的相位噪聲模型，來評估基于受激布里淵散射（SBS）原理的雙環(huán)路光電振蕩器（OEO）的單邊帶（SSB）相位噪聲性能，并做了詳細記錄。在100 Hz至100 MHz的偏移頻率范圍內(nèi)，相位噪聲實驗的結(jié)果與上述相位噪聲模型都能夠較好地吻合。通過不同的相位噪聲測試，并對實驗結(jié)果進行分析以及進行理論推導(dǎo)，都表明在研究人員所推薦的光電振蕩器（OEO）中，頻率偏移超過100 kHz后，由受激布里淵散射（SBS）引起的放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲是相位噪聲的主要來源。


來自葡萄牙圣地亞哥大學(xué)電信研究所和日本國家信息與通信技術(shù)研究所的科研人員對不同結(jié)構(gòu)的相敏放大器（PSA）進行了理論上和數(shù)值上的研究，這些相敏放大器（PSA）由周期性極化鈮酸鋰（PPLN）器件組成，研究的重點在于其在光通信系統(tǒng)中所起的放大作用。研究的范圍涵蓋了單模、二模和四模相敏放大器（PSA），每種放大器又分成單光泵結(jié)構(gòu)和雙光泵結(jié)構(gòu)進行討論。對于每一種結(jié)構(gòu)，科研人員都提供了放大器最大增益和最小增益的解析表達式，說明了光泵功率和信號波、以及周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)的長度和效率帶來的影響。解析表達式是通過求解耦合微分方程來進行數(shù)值模擬驗證的，這里的耦合微分方程用來描述周期性極化鈮酸鋰（PPLN）器件內(nèi)的非線性相互作用。研究所得到的結(jié)果顯示，所有結(jié)構(gòu)的相敏放大器（PSA）的增益，都隨著光泵波功率、周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)長度和效率的增長而呈指數(shù)增加，然而與信號波功率幾乎毫無關(guān)系。此外，研究還表明相敏放大器（PSA）結(jié)構(gòu)中的中間相互作用是必不可少的，這可以造成波在二次諧波帶的增益減少6 dB�？蒲腥藛T通過觀察發(fā)現(xiàn)，帶有中間相互作用的二模相敏放大器（PSA），無論是單光泵結(jié)構(gòu)還是雙光泵結(jié)構(gòu)，在增益帶寬方面都沒有顯著差異。最后，研究表明四模相敏放大器（PSA）只有在非常嚴(yán)格的條件下才可能實現(xiàn)運行，與二模相敏放大器（PSA）相比，在增益方面并沒有什么優(yōu)勢。

光傳輸
由多徑衰落信道誘發(fā)的內(nèi)在虛假干擾（IMI），會對正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（OFDM / OQAM）系統(tǒng)造成重大的損害。因此，對這樣的系統(tǒng)而言，精確的信道估計是非常需要的。最近，在模擬研究和實驗驗證方面，都有關(guān)于相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（OFDM / OQAM）系統(tǒng)（CO-OFDM / OQAM）的報道。然而，到目前為止，這些報道中都沒有從理論上討論過內(nèi)在虛假干擾（IMI）對系統(tǒng)的影響，以及進行精確信道估計的方法。在這里，來自北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室的研究人員對一種頻域光纖信道傳輸模型進行了系統(tǒng)的分析，這種傳輸模型代表了受內(nèi)在虛假干擾（IMI）影響的偏振復(fù)用（PDM）相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（CO-OFDM / OQAM）系統(tǒng)，其中的內(nèi)在虛假干擾（IMI）是由色散（CD）和偏振模色散（PMD）所導(dǎo)致的。這些研究人員論述了滿負荷（FL）頻域信道估計方法和半負荷（HL）頻域信道估計方法，以用于減輕內(nèi)在虛假干擾（IMI）對系統(tǒng)的影響。此外，研究人員還比較了上述兩種方法的計算復(fù)雜性、以及應(yīng)對色散（CD）和偏振模色散（PMD）時的穩(wěn)健性。這些理論分析的結(jié)果，通過對偏振復(fù)用（PDM）相干光正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（CO-OFDM / OQAM）系統(tǒng)進行的數(shù)值蒙特卡羅模擬得到了驗證。


在下一代計算機中，互連速度的提高是一個十分重要的性能改進；這些不斷出現(xiàn)的需求，推動著通信技術(shù)從電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到光領(lǐng)域。人們?yōu)榇碎_發(fā)了多種很有潛力的互連技術(shù)，其中之一是自由空間光互連（FSOI）。這種技術(shù)是在計算機元器件之間采用激光鏈路，與波導(dǎo)技術(shù)中的通常指標(biāo)相比，自由空間光互連（FSOI）技術(shù)由于空氣的低折射率而能夠提供一個更低的傳播延遲下限。在強度調(diào)制/直接檢測系統(tǒng)中，基于直流偏置光學(xué)正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）的自由空間光互連（FSOI）技術(shù)可以達到出色的數(shù)據(jù)吞吐量。然而，要提高互連速度需要增大互連密度，增大互連密度會使串?dāng)_增強，因此制約自由空間光互連（FSOI）技術(shù)實施的主要問題是必須在互連密度和串?dāng)_水平之間進行權(quán)衡，串?dāng)_的產(chǎn)生主要是由衍射效應(yīng)以及激光鏈路未對準(zhǔn)所引起的。來自以色列本-古里安大學(xué)光電工程部和電氣與計算機工程系、以色列沙蒙(SCE)工程大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員，利用固有的直流偏置光學(xué)正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）資源分配能力，來提升和改善這種自由空間光互連（FSOI）的互連密度。串?dāng)_導(dǎo)致的干擾被定義為聯(lián)合多鏈路比特與功率分配優(yōu)化。他們通過理論分析揭示了用于密集自由空間光互連（FSOI）的一般準(zhǔn)則。除此以外，研究人員還提出了復(fù)雜度被降低了的數(shù)值次優(yōu)化算法，用于聯(lián)合多鏈路比特與功率分配。仿真實驗表明，這種次優(yōu)化算法的結(jié)果已經(jīng)很接近理論上的最佳性能了。


調(diào)制與光信號處理
靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)通過采用一種更密集的頻率分配方式，來更好地對光纖的容量加以利用。對于一個光纖傳輸系統(tǒng)而言，當(dāng)然希望信道間隔越小越好，這樣光纖容量的利用率會較高；但這也要求更窄帶的濾波器，還會增加線性碼間干擾（ISI），并有可能顯著降低系統(tǒng)的傳輸距離。目前的商業(yè)相干接收機都使用了符號檢測器，而這些符號檢測器對于碼間干擾（ISI）又是十分敏感的。在這種情況下，奈奎斯特間隔被認(rèn)為是波分復(fù)用（WDM）中信道間隔的最終極限。不過，來自意大利國家工業(yè)技術(shù)中心研究部和帕爾馬大學(xué)信息工程系的研究人員表明，通過在接收機端采用一種復(fù)雜度有限的柵格處理方法，不僅奈奎斯特波分復(fù)用靈活柵格網(wǎng)絡(luò)的范圍可以顯著擴展，而且高于奈奎斯特信道極限[即更高的頻譜效率（SE）]的信道密度也可能實現(xiàn)。經(jīng)采用一些眾所周知的信息理論技術(shù)，研究人員設(shè)計出一種復(fù)雜度有限的柵格處理方法，并且對靈活柵格架構(gòu)中的頻譜效率（SE）增益進行了量化，其中使用了頻率柵格超過12.5 GHz的波長選擇開關(guān)。


來自中國華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院和武漢光電國家實驗室、中國武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室、以及中國蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院的科研人員，對實施中止偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）后，正交頻分復(fù)用（OFDM）信號中相位噪聲的影響進行了研究，這里的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號是基于使用雙光泵高度非線性光纖中的四波混頻。他們首先進行了一個全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）的實驗研究，對象是偏分復(fù)用正交頻分復(fù)用（PDM-OFDM）的8/16/32進制-正交幅度調(diào)制（QAM）信號；采用了具有10 MHz線寬的分布式反饋（DFB）激光器作為相干雙光泵源。實驗測得的結(jié)果表明，通過利用分布式反饋（DFB）激光器作為相干雙光泵進行波長變換后，所接收到的信號如同連續(xù)信號一樣，具有相同的誤碼率（BER）性能。此外，經(jīng)傳輸速率為557 Gb / s超級信道離散傅立葉變換擴頻的偏分復(fù)用正交頻分復(fù)用（PDM-OFDM）8進制-正交幅度調(diào)制（QAM）信號，也采用上述基于相干雙光泵原理的方案進行了全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）實驗驗證。實驗中波長轉(zhuǎn)換之后，在7％前向糾錯（FEC）的限制條件下［誤碼率（BER）為 3.8×10-3］，觀察到轉(zhuǎn)換中光信噪比（OSNR）付出的代價很�。�< 0.8 dB），可以忽略不計。研究人員的實驗驗證表明，從光泵傳來的相位噪聲是能夠被有效消除的。同時也說明了全光波長轉(zhuǎn)換（AOWC）可以在波長沖突節(jié)點處的偏振復(fù)用動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)上實際實現(xiàn)。

多維編碼調(diào)制技術(shù)，由于有高信噪比的靈敏度并且多維符號之間的歐幾里德距離很大，所以已經(jīng)接近到非線性香農(nóng)極限了。這種調(diào)制技術(shù)也是通過消除相位模糊來避免周跳的。來自美國泰科電子海底通信有限責(zé)任公司的研究人員回顧了帶有多維映射的比特交織編碼調(diào)制的設(shè)計原則，以及其在具有不同頻譜效率的長途傳輸實驗中表現(xiàn)出來的性能，這些實驗分別在色散管理光纖傳輸系統(tǒng)和色散非管理光纖傳輸系統(tǒng)中進行。

光纖技術(shù)

來自加拿大艾伯塔大學(xué)機械工程系和生物醫(yī)學(xué)儀器實驗室的研究人員介紹了他們研制的第一種基于布拉格光柵的傳感器系統(tǒng)，主要應(yīng)用于創(chuàng)傷生物力學(xué)，尤其是由頭部撞擊引起的頭盔接觸力測量。上述系統(tǒng)包括一個鋁制的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，用于承受頭盔受撞擊時產(chǎn)生的典型沖擊力和共振，并使整個傳感器系統(tǒng)捕獲在撞擊中所有與瞬態(tài)受力相關(guān)的頻譜分量。研究人員利用結(jié)構(gòu)有限元模型和應(yīng)變光學(xué)關(guān)系來預(yù)測受沖擊力以及機械共振時的傳感器靈敏度。這種模型預(yù)測通過采用實驗校準(zhǔn)的方法來驗證；實驗表明，平均有10％對受力敏感性進行的模型預(yù)測需要結(jié)果校準(zhǔn)。模型預(yù)測第一次機械共振的共振頻率是72 kHz。這種沖擊力傳感器也可用于采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗和試驗頭型進行的頭盔撞擊實驗。實驗結(jié)果具有良好的可重復(fù)性：撞擊力測量的最大標(biāo)準(zhǔn)差是施加到受撞擊頭型上的凈力的0.4％，對持續(xù)時間內(nèi)瞬變力測量的平均誤差只有4％。以往的研究人員在工作中也曾間接地提出使用布拉格光柵傳感器參與瞬態(tài)沖擊力的測量。這種傳感器既可以應(yīng)用于頭盔測試，也可被應(yīng)用于模擬人頭型的瞬態(tài)力分布測量，因此可參與與有關(guān)頭盔性能和頭部受傷相關(guān)的研究。