光纖在線特邀編輯：邵宇豐，馬文哲，周俊毅，周越，李長祥，季幸平
    2017年3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、光調(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)及子系統(tǒng)
    來自日本電報電話公共公司（NTT）網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室、南安普敦大學(xué)光電研究中心的科研人員，提出并展示了一種密集空分復(fù)用（DSDM）系統(tǒng)，其通過32芯單模光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。他們分析了新型32芯低串?dāng)_異構(gòu)光纖的特點，并詳細(xì)敘述了部分循環(huán)回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)�？蒲腥藛T通過設(shè)計和制造一種特殊的光纖，使得密集空分復(fù)用（DSDM）系統(tǒng)，在空間多樣性超過30的傳輸路徑上，首次實現(xiàn)了超過一千公里的單向傳輸，其平均跨度串?dāng)_低至34.5dB/51.4km。間隔為12.5GHz的20通道密集空分復(fù)用（DSDM）系統(tǒng)中采用了偏分復(fù)用16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（PDM-16QAM）信號，具有201.46b/s/Hz的高頻譜效率。科研人員進(jìn)一步提升傳輸距離至1644.8公里，此距離為51.4公里的32倍，也是密集空分復(fù)用（DSDM）系統(tǒng)傳輸距離的三倍多，而且當(dāng)傳輸超過1000公里后，空間多樣性也隨之顯著增加。為此，他們研究了部分循環(huán)回路系統(tǒng)中串?dāng)_對Q值的影響，結(jié)果表明Q值與纖芯間串?dāng)_有很強(qiáng)的相關(guān)性，具體取決于纖芯分配�？蒲腥藛T認(rèn)為，他們提出的部分循環(huán)回路系統(tǒng)可作為常規(guī)循環(huán)回路系統(tǒng)的替代方案，它證明了多核傳輸光纖在長距離情況下的傳輸性能，特別的是，當(dāng)纖芯數(shù)量較多時，核芯間串?dāng)_取決于纖芯配置。


圖1.新型的部分循環(huán)回路系統(tǒng)的配置框圖
    來自丹麥技術(shù)大學(xué)光子工程系的科研人員研究探索了新的技術(shù)方法，來解決現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)流量日益增長的問題。短距離光數(shù)據(jù)鏈路在這種情況下起到了關(guān)鍵作用，可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)鏈路。近來，科研人員為了提高基于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）傳輸鏈路的性能進(jìn)行了大量的研究工作，其中垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是大規(guī)模部署所需成本效益最優(yōu)的解決方案。用實驗的方法演示了在850nm的多模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）下， 10m~100m的OM4多模光纖（MMF）以高達(dá)107.5Gb / s的數(shù)據(jù)速率，采用強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測方法進(jìn)行傳輸?shù)倪^程。實驗結(jié)果顯示，7％以下前向糾錯限額的誤碼率為3.8×10-3，從而實現(xiàn)了100.5Gb / s的傳輸。
    來自愛爾蘭都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院連接研究中心的科研人員指出，未來5G服務(wù)的主要特點是：前所未有的高速率，無處不在的便利性，超低的延遲以及更高的可靠性。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在的分散網(wǎng)絡(luò)并不會受到下一代用戶需求的挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T提出了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)融合的新視角，以及一種多維度的端到端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，以實現(xiàn)未來的5G服務(wù)。他們對端到端網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方式進(jìn)行了分析之后，為人們提供了5G網(wǎng)絡(luò)的需求分析，并對主要標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)目前正在進(jìn)行的工作進(jìn)行了概述。然后，科研人員通過介紹整體的架構(gòu)框架以提出網(wǎng)絡(luò)融合的概念，它在一個統(tǒng)一的和連貫的網(wǎng)絡(luò)中，匯集了各種不同的技術(shù)并最終形成了“多維融合系統(tǒng)”。他們介紹了多維融合的新穎解釋，引導(dǎo)著人們?nèi)ヌ剿鞴?jié)點整合和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的方方面面，并進(jìn)一步深入研究無線光集成、光數(shù)據(jù)中心和接入城域網(wǎng)在未來的融合細(xì)節(jié)。然后，科研人員討論了如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享的所有權(quán)模式來加速5G愿景的實現(xiàn)，并設(shè)想了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）將在5G中發(fā)揮的作用。最后，他們分析了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中心業(yè)務(wù)模式的新需求，并針對5G網(wǎng)絡(luò)中不斷增長的研究領(lǐng)域提出了一些見解。
    來自亞利桑那州圖森城，亞利桑那大學(xué)電氣和計算機(jī)工程系的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，由于接收機(jī)的信噪比有限，所以增加單模光纖高速光傳輸?shù)娜萘亢皖l譜效率便成了一個很大的挑戰(zhàn)。傳輸容量可以通過調(diào)整調(diào)制格式來進(jìn)行優(yōu)化。然而，科研人員發(fā)現(xiàn)在四維空間中容量超過6位或6個符號的時候，高維度調(diào)制格式的綜合收發(fā)性能是否能否優(yōu)于二維調(diào)制格式，仍然值得探索。通過使用各種調(diào)制格式的互信息和廣義互信息（GMI）進(jìn)行容量分析，表明信號星座可以被幾何形狀化，通過等能信令可以近似為最佳高斯分布，從而接近香農(nóng)極限標(biāo)準(zhǔn)的正方形正交幅度調(diào)制（QAM）模式�？蒲腥藛T通過研究幅度相移鍵控（APSK）的設(shè)計規(guī)則，發(fā)現(xiàn)了映射的六十四進(jìn)制幅度相移鍵控（64APSK），其在8.4 b / s / Hz的目標(biāo)頻譜效率（SE）下的理論值僅為0.5 dB。實驗結(jié)果表明，在SE小于9b / s / Hz時，灰色映射的六十四進(jìn)制幅度相移鍵控（64APSK）比在四維廣義互信息（GMI）容量下的64QAM好約0.5dB，其中當(dāng)頻譜效率為目標(biāo)SE時，六十四進(jìn)制幅度相移鍵控（64APSK）與香農(nóng)極限相比，具有約3.6dB的光信噪比損耗�？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)，用24.8 G baud 速率的64APSK，調(diào)制168個信道，并在低密度奇偶校驗（23 090,16,160，0.7）碼處進(jìn)行位糾錯，能夠成功的傳輸6375公里。實驗結(jié)果表明，在經(jīng)過非線性補(bǔ)償后，當(dāng)C波段總?cè)萘繛?4.9Tb / s時，可以實現(xiàn)8.3b / s / Hz的頻譜效率（SE）。

無源和有源光子器件
    來自西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞政治大學(xué)光通信組的科研人員認(rèn)為，人們對比特率和服務(wù)質(zhì)量的高要求，正推動著電信運(yùn)營商使用更靈活的技術(shù)將基于波分復(fù)用（WDM）的核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級，以實現(xiàn)更靈活的動態(tài)配置和流量分配。學(xué)術(shù)和行業(yè)對彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的研究使其已經(jīng)成為一個成熟的技術(shù)，準(zhǔn)備逐步升級基于波分復(fù)用（WDM）的網(wǎng)絡(luò)。其中，彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）功能包括靈活的頻譜分配，超100 Gb / s的連接，先進(jìn)的調(diào)制格式和對時變流量的彈性。所涉及的各種功能，彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和算法比波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多。通過利用這些功能，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商降低成本的新機(jī)遇應(yīng)運(yùn)而生。例如需要配置的數(shù)據(jù)中心互連，來適應(yīng)大大減少過度配置�？蒲腥藛T回顧和擴(kuò)展了數(shù)學(xué)模型和算法，以解決與彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的設(shè)計、操作和重新優(yōu)化的相關(guān)優(yōu)化問題。此外，他們提供了兩個實際例子作為說明，闡述了網(wǎng)絡(luò)生命周期如何擴(kuò)展以及如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析。

圖2. 拓展網(wǎng)絡(luò)生存周期的方案

    來自日本大阪大學(xué)工程研究院、川崎富士通有限公司實驗室的科研人員指出，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）業(yè)務(wù)流程為在多個域，多種技術(shù)和多用戶應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)場景提供了一種管理端到端業(yè)務(wù)的可行解決方案。其關(guān)鍵作用在于：（1）傳輸應(yīng)用程序編程接口（API）的控制協(xié)調(diào)協(xié)議（COP），以保證其異構(gòu)控制平面范例（例如OpenFlow，GMPLS/PCE）的互通；（2）在特定域下，可切換帶寬或比特率可變的轉(zhuǎn)發(fā)器（S-BVT）能夠提供端到端的帶寬自適應(yīng)服務(wù)。為此，科研人員提出并實驗證明了一種自適應(yīng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的多域多技術(shù)光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)編排。為了說明這個概念，他們搭建了一個先進(jìn)的多域/技術(shù)測試平臺，該平臺由400 Gb/ s可變?nèi)萘縊PS域和Tb/ s級靈活WDM OCS域組成。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）采用了可控轉(zhuǎn)發(fā)器和擴(kuò)展傳輸程序編程接口（API），以支持端到端的實時業(yè)務(wù)擁塞感知。在控制平面中，基于應(yīng)用程序（ABNO）的網(wǎng)絡(luò)操作架構(gòu)已擴(kuò)展為自適應(yīng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的業(yè)務(wù)流程。科研人員通過實例表明，當(dāng)啟用所提出的自適應(yīng)SDN編排時，可實現(xiàn)不同領(lǐng)域的端到端實時連接。由于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)都可以動態(tài)變化，潛在的SDN控制器可以重新調(diào)整其決策，以實現(xiàn)更好的資源分配策略。

光傳輸
    巴西來自英國電訊和中國華為的科研人員，第一次使用64G波特速率光轉(zhuǎn)發(fā)器，成功實現(xiàn)了實時光信號傳輸?shù)膶嶒�。在該實驗中，光信號�?.6 Tb / s的速率傳輸了359公里，以及以2Tb / s的速率傳輸了727公里。另外，在359公里完全管理的靈活網(wǎng)格光鏈路上，成功演示了速率高達(dá)5.6Tb / s的光纖信道道，其中包括速率為28×64G波特的200G雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）子信道。100 GE客戶端信號在所有子通道上傳輸，表現(xiàn)出了長時間穩(wěn)定的端到端無錯誤性能。對于64 G波特的雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）信道，實現(xiàn)了3.92 bit / s / Hz的頻譜效率，信道間隔寬度為51 GHz。研究人員通過軟件靈活地配置速率光轉(zhuǎn)發(fā)器，成功展示了快速傳輸通道容量的變化過程（從2.6到5.2 Tb/s），其中包括100 GE客戶端映射，這相當(dāng)于容量上升至2Tb/min。他們還在在倫敦和都柏林之間727公里的實時電信網(wǎng)絡(luò)中搭建了靈活網(wǎng)格光纖鏈路，成功地展示了使用高達(dá)64G波特的200 G雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）光信號以及由光轉(zhuǎn)發(fā)器控制的100 G雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）和200 G雙偏振十六進(jìn)制正交振幅鍵控（DP-16QAM）光信號的實時2 Tb/s超高速傳輸。

圖3. 支持727公里傳輸?shù)默F(xiàn)場實驗部署方案

    來自瑞典皇家理工學(xué)院信息和通信技術(shù)學(xué)院的科研人員，研究了具有55GHz帶寬（BW）的1300nm分布式反射（DR）激光器，并在沒有任何預(yù)均衡處理的情況下，使用四電平脈沖幅度調(diào)制（4PAM）成功完成了112Gb / s的光信號傳輸。在分布式反射（DR）激光器的設(shè)計和操作中實現(xiàn)了兩個效應(yīng)：光子（P-P）諧振和失諧。在分布式反饋激光器（DFB）和分布式反射（DR）激光器腔共存的分布式布拉格反射器（DBR）模式之間實現(xiàn)了光子（P-P）共振效應(yīng)。根據(jù)調(diào)制過程中的頻率啁啾，在分布式布拉格反射器（DBR）中有效地提高了差分增益。失諧負(fù)載的組合效應(yīng)抵消了RC的頻率限制，減小了松弛振蕩的衰減，并且在調(diào)制響應(yīng)中產(chǎn)生了高通濾波效應(yīng)的腔內(nèi)FM-AM轉(zhuǎn)換效應(yīng)。研究人員對10 G b / s速率的非歸零碼（NRZ）光信號和四電平脈沖幅度調(diào)制（4PAM）光信號進(jìn)行了仿真模擬和實驗研究。實驗結(jié)果證明， DR激光器在傳輸鏈路上實現(xiàn)了112 G b / s的四電平脈沖幅度調(diào)制（4PAM）傳輸，而無需在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。

    來自愛爾蘭廷德爾國立大學(xué)科克學(xué)院的科研人員指出，可以通過使用全網(wǎng)狀平坦的光芯分布方式來減少長距離的基于動態(tài)可重構(gòu)時分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-DWDM PON）的節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)量。在實驗中，科研人員研究了基于動態(tài)可重構(gòu)時分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-DWDM PON）架構(gòu)的靈活性（它可以將一個物理層的多個業(yè)務(wù)類型進(jìn)行整合）。由于存在不同的信息業(yè)務(wù)和調(diào)制格式，對于10G的住宅 PON業(yè)務(wù)接入、100G專用信道和無線前端中的動態(tài)可重構(gòu)時分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-DWDM PON）系統(tǒng)應(yīng)用，該系統(tǒng)支持100公里的傳輸和多達(dá)512個用戶的應(yīng)用（所采用的系統(tǒng)通道數(shù)量為40個），同時采用了摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器作為放大器節(jié)點。這是科研人員首次采用PON物理層集成的方式實現(xiàn)接入系統(tǒng)和核心網(wǎng)絡(luò)中端到端軟件定義的網(wǎng)絡(luò)管理。他們還研究了兩種業(yè)務(wù)使用情況：（1）具有端到端的快速保護(hù)機(jī)制，能在主鏈路出現(xiàn)故障的情況下進(jìn)行終端服務(wù)恢復(fù); （2）在流量增加的需求下，能實現(xiàn)動態(tài)的波長分配過程。

圖4. 相關(guān)無源光網(wǎng)絡(luò)接入示意圖

光調(diào)制與光信號處理
    來自西班牙加泰羅尼亞電信中心的科研人員實驗證明了基于自適應(yīng)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（SDN）能實現(xiàn)高度靈活和域間協(xié)調(diào)操控的智能調(diào)度功能。他們研究了由400 Gb / s可變?nèi)萘抗夥纸M交換域和Tb / s級靈活網(wǎng)格波分復(fù)用光交換網(wǎng)絡(luò)，并搭建了先進(jìn)的多域多技術(shù)測試平臺。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）提供了可控轉(zhuǎn)發(fā)器和擴(kuò)展傳輸應(yīng)用程序編程的接口，并配置了對端到端實時服務(wù)的擁塞感知應(yīng)用流程。在數(shù)據(jù)平面層，采用基于正交頻分復(fù)用信號應(yīng)用的方法以適應(yīng)細(xì)粒度的通信業(yè)務(wù)的使用。研究人員指出：引入具有軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）能力的光學(xué)性能監(jiān)視器以提高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性具有重要意義；在控制平面中利用一個自適應(yīng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）協(xié)調(diào)器，還能擴(kuò)展基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新應(yīng)用。

    來自美國斯坦福大學(xué)金斯頓實驗室的科研人員研究提出，光子學(xué)不但能提供降低信息處理和通信能耗的新方法，還可同時解決系統(tǒng)內(nèi)部互連帶寬受限的問題。目前，耗如果不能大幅減少每通道傳輸?shù)哪芰�，信息的指�?shù)級增長會使得光網(wǎng)絡(luò)中能耗大大增加。光學(xué)和光電子學(xué)中的物理機(jī)制可從根本上解決互連和帶寬受限問題，并極有可能成為唯一可擴(kuò)展的解決方案。研究人員總結(jié)了新型光電子技術(shù)和光電子器件的應(yīng)用背景，目前狀態(tài)，未來機(jī)會和重要研究方向，比較了具備低能量衰耗的光電子器件的不同制備方法（包括激光器，調(diào)制器和發(fā)光二極管（LED），諧振器的制備），以及不同材料制備的特性（包括2-D材料和其他量子限制結(jié)構(gòu)），提出使用光學(xué)連接能消除線路能源耗散以及減少光電子器件功率衰耗的影響的。還有一個主要的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部互連耗散是來自接收機(jī)放大器的電子電路定時恢復(fù)和復(fù)用過程，這可以通過光電探測器的集成來解決，并能減少或消除接收機(jī)中的電路能量。自由空間光學(xué)或光通信系統(tǒng)中器件集成也能消除定時和多路復(fù)用電路的需要（同時也解決帶寬受限問題）。

光纖技術(shù)
    來自英國南安普頓光電研究中心的科研人員，研究了一種高效的單模管狀反諧振空芯光纖，此光纖在約1200nm工作波長處能夠達(dá)到約25dB / km的最小損耗，并且具有非常寬的低損耗工作窗口（在1000nm~1400nm范圍內(nèi)損耗低于30dB / km，且超過1000nm時，帶寬值低于6dB ）。研究人員盡管設(shè)計了相對較大的模場直徑（32μm），但對于單模光纖(SMF-28)而言同樣能夠找到對接的光纖連接器件。實驗研究結(jié)果表明，1065nm、1565nm和1963 nm的三段不同波長的光信號，通過100米光纖傳輸后，成功實現(xiàn)了無差錯10G開關(guān)鍵控數(shù)據(jù)信號的接收。

    來自大連大學(xué)信息工程學(xué)院的科研人員指出，近幾年的科研文獻(xiàn)中出現(xiàn)了大量在無色散補(bǔ)償情況相干光通信系統(tǒng)非線性傳輸建模的研究報道，其中研究較多的是人們對高斯噪聲（GN）模型進(jìn)行了改進(jìn)和分析，提出了所謂的增強(qiáng)型GN模型或EGN模型。此外，考慮到非線性傳輸?shù)脑S多具體應(yīng)用方面（包括非線性調(diào)制格式、符號率、非線性相位特性、極化噪聲、自發(fā)發(fā)射噪聲的影響等等），科研人員正試圖結(jié)合實際搭建相關(guān)模型，并提供可能有效解決不同終端用戶需求的方案。
來自日本接入網(wǎng)有限公司的科研人員指出，寬帶接入業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢正在從固定業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向移動業(yè)務(wù)。因此，光接入系統(tǒng)的的基礎(chǔ)架構(gòu)正在從光纖到大樓（FTTB）轉(zhuǎn)變?yōu)橹С止潭ê鸵苿訉拵�業(yè)務(wù)的公共接入基礎(chǔ)架構(gòu)。他們推測各種網(wǎng)絡(luò)虛擬運(yùn)營商將在通用平臺上提供各種增值業(yè)務(wù)；特別是，考慮到移動接入業(yè)務(wù)的持續(xù)增長，使用光接入的移動前端（MFH）在支持小型區(qū)域大規(guī)模部署通信系統(tǒng)方面變得越來越重要�？蒲腥藛T首先回顧并討論了未來移動前端網(wǎng)絡(luò)的解決方案，以解決無線接入網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，然后研究了固定業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)的接入網(wǎng)融合過程，并提出了實現(xiàn)相關(guān)融合技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型；最后探討了如何降低接入網(wǎng)絡(luò)光電器件成本耗費的方法。

    來自日本北海道大學(xué)科技學(xué)院、NTT公司網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室的科研人員，研究了適用于空間密度大的多模多芯光纖結(jié)構(gòu)。首先，他們討論了包層直徑對機(jī)械可靠性的影響，設(shè)計了小于250μm目標(biāo)包層直徑的制備方法以保持與常規(guī)光纖相同的可靠性；然后，優(yōu)化結(jié)構(gòu)獲得了低差分模式延遲（DMD）特性，并指出六邊形設(shè)計的19芯結(jié)構(gòu)可具有發(fā)展優(yōu)越性。最后，他們研制了具有246μm包層直徑的6模19芯光纖，該類光纖支持小于0.24dB / km的低損耗光信號傳輸。

圖5.漸變折射率示意圖、六角形/方形19/21芯MCF結(jié)構(gòu)圖