光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
    2015年10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(wú)源和有源光子器件、光傳輸、調(diào)制與光信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)Li-Fi研究與開(kāi)發(fā)中心的科研人員介紹了一種分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)，應(yīng)用在以直流光正交頻分復(fù)用為基礎(chǔ)的光attocell網(wǎng)絡(luò)中。這里所說(shuō)的光attocell網(wǎng)絡(luò)是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的一種特殊類型，有著一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)所具有的全部功能。這種蜂窩網(wǎng)絡(luò)由許多范圍極小的小區(qū)所組成，這些范圍極小的小區(qū)就是“光attocell”�？蒲腥藛T對(duì)兩種分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）方案進(jìn)行了研究，分別是絕對(duì)分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案和軟分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用方案。他們對(duì)采用分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)的光蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行了分析，主要針對(duì)系統(tǒng)的頻譜效率和信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）統(tǒng)計(jì)。他們還對(duì)分別采用全頻率復(fù)用技術(shù)和分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)的光蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估和比較；結(jié)果表明，在光attocell網(wǎng)絡(luò)中，采用分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)的方案能夠有效地減輕干擾的影響，小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）以及頻譜效率也獲得顯著提高。此外，分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用（FFR）技術(shù)能夠改善平均頻譜效率�？蒲腥藛T還對(duì)一些重要參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，例如小區(qū)半徑等。

圖1  在大小為23米×26米×3米的房間內(nèi)嵌入光attocell網(wǎng)絡(luò)

近幾年來(lái)，越來(lái)越多的用戶正通過(guò)云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCNs）來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的計(jì)算需求和獲得服務(wù)，從而使云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCNs）上的數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)這種使工作負(fù)載和數(shù)據(jù)流量大幅增長(zhǎng)的局面，需要采用一種具有靈活適應(yīng)能力的方式；為此，人們已經(jīng)提出了許多種能提供網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞募夹g(shù)，以適應(yīng)當(dāng)前這種數(shù)據(jù)流量變化的情況。其中最具有代表性的方案之一是光交換架構(gòu)（OSA），它在應(yīng)用上具有很大的靈活性。然而，光交換架構(gòu)（OSA）需要太多的時(shí)間（10毫秒）來(lái)重新配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣一步到位地重新配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅會(huì)導(dǎo)致對(duì)延遲敏感的數(shù)據(jù)流的性能惡化，而且也會(huì)在高吞吐量低延遲的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCNs）上造成大量數(shù)據(jù)的丟失。因此，人們需要一種漸進(jìn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新配置方案，來(lái)保證對(duì)延遲敏感數(shù)據(jù)流的性能并減少數(shù)據(jù)量的丟失。為此，來(lái)自中國(guó)電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室和美國(guó)紐約州立大學(xué)布洛克波特分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究人員提出了一種拓?fù)涔芾硭惴ǎ═MA），用于設(shè)計(jì)這樣一個(gè)漸進(jìn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新配置的方案。通過(guò)拓?fù)涔芾硭惴ǎ═MA）可以推導(dǎo)出中間拓?fù)湫蛄泻吐酚煞桨�。他們利用這些中間拓?fù)湫蛄衼?lái)逐步實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重新配置，同時(shí)維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通性并減少在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新配置時(shí)數(shù)據(jù)量的丟失。通過(guò)在大量仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究人員發(fā)現(xiàn)使用拓?fù)涔芾硭惴ǎ═MA）可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新配置期間減少數(shù)據(jù)量的丟失，而算法本身運(yùn)行帶來(lái)的工作負(fù)載較小。

來(lái)自印度理工學(xué)院卡哈拉格普爾校區(qū)電氣與電子工程通信系、印度理工學(xué)院曼迪校區(qū)和比利時(shí)根特大學(xué)的研究人員，提出了一種用于開(kāi)放式接入網(wǎng)絡(luò)的光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）架構(gòu)。這種架構(gòu)方案確保了多種業(yè)務(wù)公司（BPs）（例如，服務(wù)提供商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商和基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商，他們處在光分配網(wǎng)絡(luò)的不同層面）的共存性，以及物理層的安全性。另外，對(duì)于每一個(gè)用戶而言，他們?cè)谖锢韺由鲜歉綦x的，這可以防止惡意用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行破壞。研究人員所提出的這種開(kāi)放接入式光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）可支持不同規(guī)模的業(yè)務(wù)公司，并能抑制壟斷；這樣就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)業(yè)務(wù)公司的并存；同時(shí)還支持增量部署能力（ID），可以使業(yè)務(wù)公司應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)大的用戶群。因此，小型業(yè)務(wù)公司可以進(jìn)行合理的初始投資以占有一定的市場(chǎng)份額，然后再隨著業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)而增加。而且，增量部署能力（ID）使網(wǎng)絡(luò)的電力消耗可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的承載功能而逐步擴(kuò)大，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。這種光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）是基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的架構(gòu)，從而也具有運(yùn)營(yíng)支出（OpEx）低和可用性高的特點(diǎn)。除了這種新型光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）架構(gòu)以外，研究人員還提出了一種用于光線路終端（OLT）的新架構(gòu)，這是以混合時(shí)間波分復(fù)用（TWDM）技術(shù)為基礎(chǔ)的。業(yè)務(wù)公司可以在上述提出的光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）中，采用典型的混合時(shí)間波分復(fù)用（TWDM）技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)或基于混合時(shí)間波分復(fù)用（TWDM）技術(shù)的光線路終端（OLT）架構(gòu)。

無(wú)源和有源光子器件
當(dāng)前，相敏放大（PSA）作用已經(jīng)引起了人們的強(qiáng)烈關(guān)注，這主要是由于它具有這樣一種能力，對(duì)光信號(hào)中的同相分量進(jìn)行放大并同時(shí)對(duì)異相分量進(jìn)行衰減。這種能力在全光信號(hào)處理和光纖通信中得到了多方面的應(yīng)用，如低噪聲放大、相位再生等等。相敏放大功能可以與不同類型的非線性設(shè)備結(jié)合使用，包括高非線性光纖（HNLF）、周期極化鈮酸鋰、半導(dǎo)體光放大器（SOA）等等。目前大多數(shù)報(bào)道的方案都基于高非線性光纖（HNLF），而基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的相敏放大（PSA）研究工作還鮮有報(bào)道。在這里，來(lái)自中國(guó)華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研人員，對(duì)半導(dǎo)體光放大器（SOA）中雙泵退化相敏放大（PSA）的特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。他們對(duì)輸入功率、注入電流和與相敏放大（PSA）相關(guān)的半導(dǎo)體光放大器（SOA）內(nèi)部損耗進(jìn)行了調(diào)查，并考慮了與波長(zhǎng)有關(guān)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的結(jié)論十分一致。科研人員在實(shí)驗(yàn)中獲得的增益消光比約為25 dB，因而在光通信系統(tǒng)中，完全可以實(shí)現(xiàn)基于相敏放大（PSA）的片上全光信號(hào)處理。

在模分復(fù)用系統(tǒng)中，多輸入多輸出（MIMO）均衡常被用于補(bǔ)償線性損傷，這些線性損傷包括模態(tài)色散（MD）和模態(tài)串?dāng)_。多輸入多輸出（MIMO）均衡器存儲(chǔ)空間的大小，取決于由模態(tài)色散（MD）引起的群時(shí)延（GD）展寬。通過(guò)從模式擾頻器引入強(qiáng)模式耦合，可以顯著降低這種由模態(tài)色散（MD）引起的群時(shí)延（GD）展寬。來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)電氣工程系愛(ài)德華.L.金茲頓實(shí)驗(yàn)室的科研人員對(duì)這種模式擾頻器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，擾頻器本質(zhì)上就是用于D = 12種模式（6種空間模式）系統(tǒng)的長(zhǎng)周期多模光纖光柵。他們通過(guò)優(yōu)化光柵的啁啾函數(shù)，使光柵的模式相關(guān)損耗（MDL）達(dá)到最小，并同時(shí)確保完全的群間模式耦合。一個(gè)較好的設(shè)計(jì)可以在C波段上使光柵的模式相關(guān)損耗（MDL）和模式平均損耗分別不超過(guò)0.36 dB和0.45 dB。科研人員還對(duì)這種模式擾頻器在長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)中抑制群時(shí)延（GD）的效果進(jìn)行了核實(shí)，結(jié)果表明擾頻器能夠減少群時(shí)延（GD）展寬，這與在強(qiáng)耦合方式中預(yù)測(cè)的情況相同。

光傳輸
來(lái)自愛(ài)爾蘭都柏林城市大學(xué)工程和計(jì)算機(jī)學(xué)院電子工程系的研究人員，對(duì)奈奎斯特波分復(fù)用（WDM）超級(jí)信道的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換（WC）性能進(jìn)行了研究，其研究成果可應(yīng)用在未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)中。研究人員認(rèn)為，把差分四相移相鍵控（DQPSK）和16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）這些先進(jìn)調(diào)制技術(shù)做為子信道的調(diào)制格式，可以分別實(shí)現(xiàn)448 Gb/s和896 Gb/s的基本傳輸比特率。他們通過(guò)利用退化和非退化四波混頻（FWM）半導(dǎo)體光放大器（SOA），來(lái)模擬演示奈奎斯特波分復(fù)用（WDM）超級(jí)信道的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換（WC）；并且還考慮了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中升余弦（RC）和根升余弦（RRC）信號(hào)脈沖整形的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后超級(jí)信道的性能會(huì)因串?dāng)_影響而嚴(yán)重受損，這些串?dāng)_是來(lái)自于超級(jí)信道光泵的交叉增益調(diào)制。通過(guò)在連續(xù)波光泵和超級(jí)信道中心波長(zhǎng)（約為200 GHz左右）之間進(jìn)行失諧設(shè)置，使用飽和功率雙重增益的半導(dǎo)體光放大器（SOA）（含有23 dB信號(hào)功率比的光泵），波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后的超級(jí)信道可以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。

來(lái)自德國(guó)華為技術(shù)有限公司歐洲研究中心和漢堡-哈爾堡工業(yè)大學(xué)電信研究所的研究人員，證明了使用一些價(jià)格低廉、現(xiàn)成的10 GHz 3dB帶寬光學(xué)部件，采用強(qiáng)度調(diào)制（IM）、直接檢測(cè)（DD）和一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理器的接收機(jī)，就能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)補(bǔ)償光纖鏈路上生成和傳輸速率達(dá)28 Gb/s的數(shù)據(jù)。這種技術(shù)將成為下一代高性價(jià)比100 G高速傳輸?shù)挠辛ν苿?dòng)者，傳輸介質(zhì)是色散補(bǔ)償光纖（DCF），在免費(fèi)城域網(wǎng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸距離達(dá)到80公里，而在多跨城域環(huán)網(wǎng)中的傳輸距離最高達(dá)400公里。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備包括級(jí)聯(lián)的摻鉺光纖放大器和色散補(bǔ)償光纖（DCF）。實(shí)現(xiàn)這種高速傳輸?shù)年P(guān)鍵在于：在發(fā)射機(jī)中采用信號(hào)預(yù)失真以補(bǔ)償器件的有限帶寬，一個(gè)基于最大似然序列估計(jì)均衡器（MLSE）的接收機(jī)，以及一種高性能采樣相位調(diào)整算法。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，利用最大似然序列估計(jì)均衡器（MLSE）的簡(jiǎn)化變量可使得使用的狀態(tài)數(shù)目減少，從而使電子色散補(bǔ)償部分的復(fù)雜度顯著降低，達(dá)到性能優(yōu)化的目的。這些研究結(jié)果揭示了上述技術(shù)方案的發(fā)展?jié)摿�和�?yōu)勢(shì)，包括能夠低成本過(guò)渡至100 Gb/s（4×28 Gb/s）的波分復(fù)用傳輸、城域網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸、多跨城域環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸、采用廉價(jià)光學(xué)元器件和傳統(tǒng)的高性價(jià)比強(qiáng)度調(diào)制（IM）/直接檢測(cè)（DD）方案。

圖2  城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

來(lái)自日本會(huì)津大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息系統(tǒng)系和越南郵電技術(shù)學(xué)院光通信系的研究人員介紹了一種新型中繼技術(shù)，能夠有效改善高速全光自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）性能和覆蓋距離。尤其是他們提出了一種光放大轉(zhuǎn)發(fā)（OAF）中繼技術(shù)，這種技術(shù)使用了與光硬限幅器（OHL）相結(jié)合的摻鉺光纖放大器（EDFA）。光硬限幅器（OHL）的應(yīng)用，使得自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)（采用了基于摻鉺光纖放大器的光放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼）可以防止放大背景噪聲的積累；因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)中有多次轉(zhuǎn)發(fā)中繼時(shí)，這種噪聲的積累會(huì)顯著降低系統(tǒng)的性能。為了對(duì)上述系統(tǒng)做出性能評(píng)估，研究人員用伽瑪-伽瑪分布模擬大氣湍流信道，以此對(duì)系統(tǒng)從理論上進(jìn)行分析。他們推出了一個(gè)分析端至端傳輸誤碼率（BER）范圍的閉式表達(dá)式，其中還考慮到了大氣信道其他方面的影響，包括大氣衰減和光束的幾何擴(kuò)散，以及由背景光和接收機(jī)所引起的噪聲。研究人員利用蒙特卡羅模擬法驗(yàn)證的結(jié)果證實(shí)了上述系統(tǒng)與其他常規(guī)系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)越性。

圖3  使用開(kāi)關(guān)鍵控信令的光放大轉(zhuǎn)發(fā)（OAF）中繼自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)

調(diào)制與光信號(hào)處理
來(lái)自中國(guó)南京大學(xué)工程管理學(xué)院光通信工程研究中心和英國(guó)阿斯頓大學(xué)阿斯頓光子技術(shù)研究所的科研人員，提出了一種相似性匹配的方法（SMM）來(lái)獲得布里淵頻移（BFS）的變化；這種方法是從檢測(cè)光譜和所選參考光譜之間的頻率差異中，通過(guò)比較它們的相似性來(lái)確定布里淵頻移（BFS）變化的。在仿真條件下，科研人員比較了三種相似性度量，結(jié)果表明相關(guān)系數(shù)在確定布里淵頻移（BFS）變化方面更精確。與其它確定布里淵頻移（BFS）變化的方法相比，相似性匹配法（SMM）更適合于復(fù)雜的布里淵頻譜分布，它的運(yùn)算速度更快，獲得的結(jié)果更精確，這些優(yōu)勢(shì)在科研人員的模擬仿真實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用相似性匹配法（SMM）后，布里淵頻移（BFS）的測(cè)量不確定度達(dá)到了0.72 MHz，這幾乎是使用曲線擬合法時(shí)布里淵頻移（BFS）測(cè)量不確定度的三分之一；使用相似性匹配法（SMM）導(dǎo)出布里淵頻移（BFS）變化的運(yùn)算速度比使用曲線擬合法快了120倍。

來(lái)自希臘伯羅奔尼撒半島大學(xué)信息與電信系和雅典大學(xué)信息與電信系的研究人員，建議在相干自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)中，使用光空間調(diào)制（OSM）來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集，這是一種簡(jiǎn)單的、復(fù)雜度低的方法。為此，他們引入了一種通用的分析框架，用于在由湍流引起的衰落信道中獲取光空間調(diào)制（OSM）的平均比特差錯(cuò)概率（ABEP），這里使用的是編碼和未編碼的光空間調(diào)制（OSM），并帶有相干檢測(cè)。雖然這種框架通常對(duì)于任何類型基于湍流散射的信道模型都能夠適用，不過(guò)分析的重點(diǎn)仍集中在H-K分布上，這種分布可以在很寬的范圍內(nèi)模擬大氣傳播條件，因此得到了非常普遍且有效的應(yīng)用。研究人員通過(guò)使用這種框架進(jìn)行分析，所獲得的結(jié)果表明，在發(fā)射機(jī)端或接收機(jī)端，光空間調(diào)制（OSM）可以達(dá)到的性能與傳統(tǒng)采用空間分集的相干自由空間光（FSO）通信方案相當(dāng)，而且就頻譜效率和硬件復(fù)雜度而言，前者優(yōu)于后者。此外，各種數(shù)值性能評(píng)估的結(jié)果，包括使用蒙特卡羅模擬法進(jìn)行的表達(dá)式準(zhǔn)確度驗(yàn)證分析都得出了與上述相同的結(jié)論。

來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)電氣工程系愛(ài)德華.L.金茲頓實(shí)驗(yàn)室的研究人員評(píng)估了幾種單載波調(diào)制技術(shù)，這些技術(shù)將應(yīng)用于傳輸速率為100 Gb/s的單激光器數(shù)據(jù)中心互連鏈路。他們對(duì)這些單載波調(diào)制技術(shù)方案進(jìn)行了數(shù)值性能分析，具體方案包括脈沖幅度調(diào)制（PAM）、無(wú)載波振幅相位調(diào)制以及正交多脈沖調(diào)制，分析中考慮了光調(diào)制器帶寬的限制和非線性、裁剪、量化噪聲以及光纖色散的影響。所進(jìn)行的性能評(píng)估就是在給定的帶寬內(nèi)，按所指定的平均光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的目標(biāo)誤碼率。研究人員比較了這幾種不同技術(shù)方案對(duì)數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換和模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換的分辨率、采樣率要求，以及為進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理所需的復(fù)雜運(yùn)算次數(shù)。結(jié)果表明，在所考慮的這幾種方案中，4進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制（PAM）是運(yùn)算復(fù)雜程度最低（也意味最節(jié)能）的方案，而且它對(duì)數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換和模數(shù)（ADC）轉(zhuǎn)換的分辨率要求最低，可低至5比特。

圖4  正交脈沖幅度調(diào)制（PAM）發(fā)射機(jī)原理圖

光纖技術(shù)
來(lái)自中國(guó)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省光電子器件與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，展示了一種簡(jiǎn)單、可靠并具有高敏感度的溫度傳感器，這種溫度傳感器是以一個(gè)涂覆單模光纖（SMF）環(huán)中的回音壁模式共振激發(fā)為基礎(chǔ)的，這個(gè)光纖環(huán)的半徑為5毫米，是通過(guò)將一段標(biāo)準(zhǔn)的涂覆單模光纖（SMF）彎曲而成的。在涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的透射光譜上可以觀察到清晰的干涉條紋。當(dāng)溫度范圍在-60℃至10℃時(shí)，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的共振波長(zhǎng)表現(xiàn)為線性溫度響應(yīng)；當(dāng)溫度范圍在10℃至140℃時(shí)，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)的共振波長(zhǎng)表現(xiàn)為二次溫度響應(yīng)。此外，涂覆單模光纖（SMF）環(huán)還顯示出超高的靈敏度，在120℃時(shí)高達(dá)-5.22納米/℃；與非涂覆單模光纖（SMF）環(huán)（例如，在80℃時(shí)為0.04納米/℃）相比，其靈敏度（同樣在80℃時(shí)為-4.01納米/℃）要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，這種涂覆單模光纖（SMF）環(huán)可用于開(kāi)發(fā)一種具有大測(cè)量范圍的溫度傳感器，測(cè)量范圍從-60℃到140℃。

圖5  涂覆單模光纖（SMF）環(huán)溫度傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖