光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟。
9/8/2015,2015年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網絡及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調制與光信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網絡及其子系統(tǒng)

        來自英國布里斯托大學高性能網絡組、西班牙加泰羅尼亞理工大學和意大利Nextworks有限公司的研究人員，介紹了一個用于光數據中心（DC）的整體解決方案。在這個方案中，數據平面上使用了混合光電路/分組交換技術，而基于OpenDaylight重大擴展的軟件定義網絡（SDN）控制器被用于數據中心網絡（DCN）的控制和管理。研究人員設計和開發(fā)了軟件定義網絡（SDN）控制器中新的功能模塊，并包括了其北向接口（NBI）和南向接口（SBI）。在南向接口（SBI），OpenFlow協(xié)議經擴展后，可以支持擴展OpenDaylight軟件定義網絡（SDN）控制器與光數據中心網絡（DCN）設備之間的通信。在北向接口（NBI），數據中心（DC）應用程序和云管理系統(tǒng)與光數據中心網絡（DCN）可直接進行交互。研究人員設計和開發(fā)的虛擬數據中心（VDC）應用程序可以動態(tài)創(chuàng)建，并規(guī)定能多個并存，不過只有單個虛擬數據中心（VDC）的除外。他們提出了一種光網絡感知虛擬機（VM）的放置方法，用于實現(xiàn)網絡和IT（虛擬機）資源二者的單步調度，以適應虛擬數據中心（VDC）的需求。研究人員還對虛擬數據中心（VDC）的部署過程進行了廣泛的模擬和實驗驗證。

圖1 軟件定義光數據中心（DC）的整體架構

無源和有源光子器件

        對于中距離、短距離的光通信系統(tǒng)而言，至關重要的一點是使用一種復雜性低而性價比高的收發(fā)機，并且具有以高信息譜密度（ISD）傳輸信號的能力。因而，采用頻譜效率較高的直接檢測收發(fā)機，就成為適用于這類光通信系統(tǒng)的解決方案的基礎。來自英國倫敦大學學院電子與電氣工程系光網絡組和德國愛德華光網絡有限公司的研究人員通過實驗證明，一個7×12GHz間隔的波分復用（WDM）傳輸系統(tǒng)中，信道使用的是色散預補償奈奎斯特脈沖整形16進制正交幅度（16-QAM）子載波調制，當系統(tǒng)工作在每信道的凈比特率為24 Gb/s時，可實現(xiàn)的凈光學信息譜密度（ISD）為2.0 b/s/Hz。在研究人員的實驗中，所使用的直接檢測接收機包括一個單端光電二極管和一個模-數轉換器；通過對不同光信噪比下的載波信號功率比進行優(yōu)化，可以使接收機的靈敏度性能達到最大化。所進行的傳輸實驗，使用了由無補償標準單模光纖組成循環(huán)光纖環(huán)，而摻鉺光纖放大器（EDFA）負責放大；實驗中達到的最大傳輸距離（誤碼率低于3.8×10-3）分別為單信道727公里，WDM信號323公里。據研究人員所稱，這是目前在這樣的距離上，采用直接檢測波分復用（WDM）傳輸鏈路所能達到的已知最高信息譜密度（ISD）。

        人們預期在不久的將來，相干技術將用于滿足短距離光纖鏈路上以更高數據速率傳輸的需求。目前在長距離傳輸中使用的數字相干接收機并不適用于短距離鏈路，因為這些數字相干接收機的功耗和尺寸過大、成本過高。如果接收機在模擬域中自己來進行信號處理，那么接收機的功耗、尺寸和成本都可以大幅減少。來自印度理工學院孟買校區(qū)電氣工程系的研究人員介紹了一種100 Gb/s的雙極化正交相移鍵控接收機，它在模擬域中進行信號處理；這種采用130-nm（納米）雙極-互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）工藝設計的接收機，功耗僅為3.5 W（瓦）。仿真的結果表明，當色散存在達到160 ps/nm（皮秒/納米）時誤碼率小于10-3，激光線寬高達200 kHz，發(fā)射機和接收機激光器之間的頻率偏移為100MHz。

圖2 使用基于雙極化正交相移鍵控（DP-QPSK）接收機進行模擬域信號處理的1 Tb/s超級信道

       來自丹麥科技大學光電工程學系和電子工程系、瑞典皇家理工學院光學部、瑞典Acreo公司網絡傳輸實驗室、德國施密特-赫爾穆特大學電氣工程學院的研究人員，構想出基于方程式的半導體激光器速率表示方法，用于在貝葉斯濾波框架中實現(xiàn)載波恢復。他們對濾波器的穩(wěn)定性和模型的誤差影響（未知的或不可用的速率方程式系數）進行了討論；深入探究了兩個潛在的應用領域：相干通信中的激光特征與載波恢復。兩種基于速率方程式的貝葉斯濾波器，即粒子濾波器和擴展卡爾曼濾波器，是在相干接收機中聯(lián)合使用的，用來測量光子晶體腔激光器的頻率噪聲譜，激光器的光纖耦合輸出功率低于20 nW。擴展卡爾曼濾波器也可以在判決引導鎖相環(huán)失鎖的情況下，用于恢復28 GBaud雙極化16進制正交幅度調制（DP-16 QAM）信號。


光傳輸

        來自美國佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院、中興通訊股份有限公司和奧普斯技術有限公司的研究人員介紹了一種大容量高頻譜效率的光移動fronthaul（MFH）架構，主要特點是波長資源共享；架構中多個小區(qū)站點共用一個密集波分復用（DWDM）信道，而不是占用多個獨立的密集波分復用（DWDM）信道。在下行鏈路（DL）中，通過密集波分復用（DWDM）無源光網絡進行子載波復用（SCM）集成；在上行鏈路（UL）中，進行了關鍵技術的創(chuàng)新，即通過超小間隔的光學聚集實現(xiàn)信號接收。研究人員為實現(xiàn)高頻譜效率和低復雜性的上行傳輸提出了兩個新的方案。第一個方案是基于射頻拉遠頭（RRH）中的子載波復用（SCM）技術和基帶處理單元（BBU）中的相干檢測技術，使信道間隔減小到100 MHz。首次成功的LTE信號相干接收，是通過發(fā)自每個射頻拉遠頭（RRH）的配對射頻導頻信號來實現(xiàn)的，其符號速率（15 ksps）比激光線寬小得多。在這個方案的驗證實驗中，4個20 MHz 16進制正交幅度調制正交頻分復用（16-QAM-OFDM） LTE模擬信號，以100 MHz的間隔聚集在一個波長上進行了成功的雙向傳輸。而在第二個建議的上行鏈路（UL）方案中，研究人員在1 GHz波長間隔配置的密集波分復用（DWDM）基礎上，提出了一種低復雜度高密度波分復用（WDM）的方法，運用了新的使用MHz級線寬激光器的相位噪聲不敏感外差式檢波和現(xiàn)有的包絡檢波器。他們通過實驗驗證了對100/200 Mb/s的開關鍵控（OOK）調制信號、或200 Mb/s的16進制正交幅度調制正交頻分復用（16-QAM-OFDM）信號所進行的傳輸和多信道簡單檢測，這些信號具有1 GHz的波長間隔，使用5MHz的線寬激光器，在標準單模光纖上的傳輸距離超過30公里。由于具有極高的頻譜效率、高接收靈敏度和低復雜度，上述方案為未來的大容量移動fronthaul系統(tǒng)實現(xiàn)，在技術上獲得了重大的突破。

        來自新加坡國立大學電氣與計算機工程系和韓國科學技術院電氣工程系的研究人員，評估了使用1.5μm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）進行開關鍵控（OOK）調制和四電平脈沖幅度調制（4-PAM）實現(xiàn)光接入網的可能性。為了達到網絡中功率分配的最大化，研究人員優(yōu)化了10.7 Gb/s信號和21.4 Gb/s信號的消光比，還利用接收端的電均衡。通過對10.7 Gb/s信號進行的實驗比較表明，就色散公差而言，開關鍵控（OOK）調制大大優(yōu)于四電平脈沖幅度調制（4-PAM）。例如，在標準單模光纖（SSMF）上，采用開關鍵控（OOK）調制的信號能夠實現(xiàn)80公里的傳輸，而采用四電平脈沖幅度調制（4-PAM）的信號在傳輸距離上至少要減少一半。盡管如此，四電平脈沖幅度調制（4-PAM）仍然是一種很有效的方法，可以使光接入網中垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）鏈路數據速率翻倍。研究人員在超過18公里長的標準單模光纖（SSMF）上，成功地傳輸了使用1.5μm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）產生的四電平脈沖幅度調制（4-PAM）信號，傳輸速率為21.4 Gb/s。

圖3 （a）開關鍵控信號（b）四電平脈沖幅度調制信號的傳輸實驗裝置

       目前，可見光通信（VLC）要達到較高的數據傳輸速率，所面臨的挑戰(zhàn)主要在以下幾個方面：當前所使用的發(fā)射機調制帶寬較低（由于使用發(fā)光二極管），由多徑傳播引起的符號間干擾（ISI），以及由多個發(fā)射機同時工作導致的同信道干擾（CCI）。來自英國利茲大學電子與電氣工程學院的研究人員，據稱是業(yè)界內首次對激光二極管（LDs）在可見光通信（VLC）系統(tǒng)中，既用作照明又用于通信的應用方案做了全面地考慮，并進行了設計和評估。除此以外，這些研究人員提出了一種成像接收機，用在移動可見光通信（VLC）系統(tǒng)中，可以有效減少符號間干擾（ISI）；他們還提出了一種新型延時自適應技術，除了能減輕同信道干擾（CCI）以外，還能最大限度地提高信號的信噪比，并在用戶不斷移動的情況下降低多徑色散的影響。上述的成像接收機在最壞的外部環(huán)境條件情況下，能夠支持數據速率為5Gb/s的信號傳輸。將延遲自適應方法與成像接收機相結合后（即帶延時自適應技術的成像激光二極管-可見光通信系統(tǒng)），為室內通信的設計規(guī)劃增加了很大的靈活性，設計人員可以考慮在通信條件惡劣的室內環(huán)境下，建立一個能夠提供更高數據傳輸速率（例如達到10 Gb/s）的可見光通信（VLC）系統(tǒng)。在最糟糕的外部環(huán)境情況下，采用上述技術（延遲自適應）后，可見光通信（VLC）信道帶寬（超過16 GHz）內的信號特性獲得了明顯的改善。最后，研究人員對不同場景下可見光通信（VLC）的信道特性和鏈路情況進行了評估，具體的場景包括一個空房間，以及一個由于放置辦公矮柜而造成強烈陰影效應的房間。


調制與光信號處理

        相敏光時域反射計（Φ-OTDR）很容易受到環(huán)境噪聲的干擾，當在安防系統(tǒng)中使用時，不同種類干擾的非線性相干疊加，會使系統(tǒng)很難察覺到真正的人員入侵，并且在實際應用中導致較高的虛警率（NARs）。來自中國電子科技大學生物醫(yī)學信息中心以及光纖傳感與通信教育部重點試驗室的研究人員提出了一種有效的時間信號分離和測定方法，以便在復雜的噪聲環(huán)境中提高檢測性能。不同于傳統(tǒng)上對橫向空間信號的分析，對于每個空間點上相敏光時域反射計（Φ-OTDR）系統(tǒng)的時間變化感測信號而言，其第一次信號值的獲得是通過光時域反射計（OTDR）曲線在不同時刻變化的累積而實現(xiàn)的。然后，縱向時間信號使用小波多尺度分解法進行分解和分析；通過有選擇性地重新組合相應尺度的分量，就能夠有效提取出人員入侵的信號，并且將系統(tǒng)緩慢變化造成的影響與其他環(huán)境干擾區(qū)分開。與傳統(tǒng)上區(qū)分信號與噪聲的方式以及快速傅立葉變換去噪方法相比較，使用上述方法檢測信號得到的信噪比是最好的，可在原來最好情況的基礎上提高最多達35dB。此外，從分解的分量中能夠根據其能量分布特征來有效地確定不同類型的信號，因而在測試中虛警率（NARs）可以被控制在2％以內。

圖4 相敏光時域反射計（Φ-OTDR）系統(tǒng)及其感應原理

        來自葡萄牙電信研究所以及阿威羅大學電子、電信與信息學系的研究人員提出了一種新型的閉合時域（TD）伏爾特拉級數非線性均衡器（VSNE），用于在偏振復用（PM）相干光傳輸系統(tǒng)中減輕克爾相關失真。這種時域伏爾特拉級數非線性均衡器（TD-VSNE），是對基于頻率平坦近似的頻域伏爾特拉級數非線性均衡器（VSNE）進行逆傅立葉分析而獲得的。通過運用新的時域（TD）近似法，研究人員證明了伏爾特拉級數非線性均衡器（VSNE）算法表達式在時域和頻域之間是等價的。為了提高計算效率，他們在時域伏爾特拉級數非線性均衡器（TD-VSNE）中插入一個功率加權時間窗，得到了加權伏爾特拉級數非線性均衡器（W-VSNE）算法；并且證明了加權伏爾特拉級數非線性均衡器（W-VSNE）達到其最大性能的收斂速度比時域伏爾特拉級數非線性均衡器（TD-VSNE）快得多，因此只需要較少的并行濾波器。通過對一個224 Gb/s的偏振復用16進制正交幅度調制（PM-16QAM）光信道進行數值模擬，研究人員將加權伏爾特拉級數非線性均衡器（W-VSNE）的性能/復雜性權衡，與眾所周知的分步傅立葉法（SSFM）以及計算優(yōu)化加權分步傅立葉法（W-SSFM）做了比較。在驗證實驗中，研究人員僅使用了兩個并行的加權伏爾特拉級數非線性均衡器（W-VSNE）濾波器，迭代次數也更少，與加權分步傅立葉法（W-SSFM）相比，計算工作量的減少多達約45％，延遲的減少多達約70％。

        來自加拿大拉瓦爾大學光學、光子與激光中心和電氣與計算機工程系的研究人員提出了一種新型低復雜度的、基于數字濾波的反向傳播算法（DFBP），用于補償半導體光放大器中的非線性失真，這種失真是由于采用了一種以四波混合技術為基礎的波長轉換器而引起的。他們首先運用小信號逼近法開發(fā)了基于數字濾波的反向傳播算法（DFBP），然后通過數值模擬測試了這種算法的性能。他們還經過實驗研究驗證了基于數字濾波的反向傳播算法（DFBP）在波長轉換中的應用，實驗中波長轉換的信號為10 GBaud 16進制正交幅度調制（16-QAM）信號和5 Gbaud 64進制正交幅度調制（64-QAM）信號；使用上述算法后，顯著改善了受到非線性失真限制的波長轉換信號的誤差矢量幅度和誤碼率。

        來自日本電報電話公司設備創(chuàng)新中心和設備技術實驗室的科研人員，詳細討論了一種混合電光（MEO）調制器及其相關關鍵設備的設計和制造。這種混合電光（MEO）調制器利用一個簡單的光電路結構進行模擬電子和光學調制，以產生雙載波正交相移鍵控（QPSK）信號。用于混合電光（MEO）調制器的主要設備包括高速電相位調制器和復合光調制器。科研人員介紹了這兩種設備的設計與制造，一種是高速相位調制器集成電路，這種集成電路使用了0.5μm磷化銦基異質結雙極晶體管（InP HBT）技術；另一種是二氧化硅-鈮酸鋰晶體集成光學振幅與相位調制器。他們對于混合電光（MEO）調制器進行了概念驗證性實驗，證實了這種調制器能夠產生26 GHz間隔14 GBaud的雙載波正交相移鍵控（QPSK）信號。

圖5 混合電光（MEO）調制器的構造和原理圖

光纖技術

        來自日本電報電話公司設備創(chuàng)新中心、設備技術實驗室和光電子實驗室的研究人員，為100千兆以太網（100 GbE）開發(fā)了一種緊湊型光接收次模塊（ROSA），其中使用了多模輸出陣列波導光柵（MM-AWG）和光電二極管（PDs）陣列。四通道硅基多模輸出陣列波導光柵（MM-AWG）具有小于1 dB的低插入損耗；背照式光電二極管具有使感應電流最大化的結構，能夠提供高達0.95 A / W的響應度。為避免由于多模光束與光電二極管之間的低耦合導致響應譜失真，研究人員將光電二極管的有源區(qū)域制成跑道形狀；并根據跑道形狀的扁平比，對多模輸出陣列波導光柵（MM-AWG）與透鏡耦合光電二極管之間的光耦合進行了優(yōu)化。他們所制造的光接收次模塊（ROSA）具有超過0.7 A / W的高平頂光譜響應度，由于允許的裝配公差較大（超過±4μm），因此獲得了很高的環(huán)境穩(wěn)定性。對于經過10公里傳輸后的4×25 Gb/s信號，光接收次模塊（ROSA）的最小接收靈敏度極限為4.8 dB，符合以太網標準。同樣，研究人員也對100千兆以太網（100 GbE）光發(fā)射次模塊的傳輸性能進行了驗證。