光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2018年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)、光傳感與檢測技術(shù)、電光調(diào)制技術(shù)、光互連系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)
目前，正交頻分復(fù)用（OFDM）因其具有高頻譜效率和抗碼間干擾的性能被廣泛用于無線通信系統(tǒng)。最近，基于強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測（IM/DD）技術(shù)的光載無線通信（OWC）系統(tǒng)吸引了研究人員廣泛的興趣；其中基于直流偏置的光OFDM（DCO-OFDM）和非均勻限幅的光OFDM（ACO-OFDM）技術(shù)是兩個經(jīng)常被應(yīng)用的高速通信方案。在DCO-OFDM系統(tǒng)中，直流偏置技術(shù)被引入到雙極性實(shí)值OFDM信號生成過程中以使其信號值呈現(xiàn)非負(fù)狀態(tài)，但未包含有效信號的直流偏置卻耗費(fèi)了發(fā)射機(jī)的光功率。而在ACO-OFDM系統(tǒng)中，僅使用單載波攜帶有效數(shù)據(jù)信息，因此其負(fù)數(shù)信號部分是冗余的。實(shí)際應(yīng)用中，非負(fù)信號可以通過濾波獲得，雖然負(fù)值信號被濾出，但并不會丟失任何有效信息；然而未引入副載波將導(dǎo)致帶寬效率受到制約。因此，研究人員提出采用分層/增強(qiáng)型ACO-OFDM（L/E-ACO-OFDM）系統(tǒng)同時發(fā)送多個ACO-OFDM層以提高頻譜效率。當(dāng)具有足夠多層數(shù)時，幾乎所有的副載波都被有效利用，L/E-ACO-OFDM系統(tǒng)將達(dá)到與DCO-OFDM系統(tǒng)幾乎相同的頻譜效率。同時，L/E-ACO-OFDM系統(tǒng)并不需要直流偏振來生成非負(fù)信號，從而其調(diào)制效率更高，但需要犧配置復(fù)雜的迭代接收機(jī)來消除每層的信號負(fù)剪切噪聲。當(dāng)然，L/E-ACO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字信號處理時的高計(jì)算復(fù)雜度在一定程度上阻礙了它在OWC中的應(yīng)用。L/E-ACO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射的OFDM信號也有高峰均功率比（PAPR）負(fù)面效應(yīng)，這也是不容忽視的問題；因此，部分研究人員提出單載波頻分復(fù)用（SCFDM）將是光通信網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)過程中上行鏈路中可用的關(guān)鍵技術(shù)。曾經(jīng)有研究人員設(shè)計(jì)了基于IM/DD技術(shù)的一種ACO-SCFDM方案，與ACO-OFDM 系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)相比具有較低的PAPR和計(jì)算復(fù)雜度。由于PAPR低，ACO-SCFDM已被應(yīng)用在OWC系統(tǒng)中來抵制非線性負(fù)面?zhèn)鬏斝��?yīng)。由于ACO-SCFDM不采用副載波調(diào)制，其頻譜效率受到制約，因此并不適用對帶寬有限制要求的OWC系統(tǒng)。研究人員在此基礎(chǔ)上提出了OWC系統(tǒng)中更有實(shí)用價值的L/E-ACO-SCFDM調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)支持同時傳輸ACO-SCFDM多層配置信號；并且，L/E-ACO-SCFDM調(diào)制技術(shù)還繼承了ACO-SCFDM的優(yōu)點(diǎn)，具有比L/E-ACO-OFDM更低的PAPR和計(jì)算復(fù)雜度。研究人員指出，與ACO-SCFDM調(diào)制技術(shù)相比L/E-ACO-SCFDM技術(shù)提高了頻譜效率。仿真研究結(jié)果表明，L/E-ACO-SCFDM具有更好的高速信號收發(fā)性能。最近，來自美國哥倫比亞大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種具備低計(jì)算復(fù)雜度和PAPR的L/E-ACO-SCFDM光載無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，當(dāng)互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)（CCDF）值為10-3時，相比L/E-ACO-OFDM系統(tǒng)，其發(fā)射信號的PAPR值更低，上述結(jié)果表明在未來的OWC系統(tǒng)中該方案極具應(yīng)用潛力，其發(fā)射機(jī)系統(tǒng)如圖1所示。


圖1. L/E-ACO-SCFDM系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)配置框圖

正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制結(jié)合光學(xué)相干檢測（CO）和偏振復(fù)用（PDM）技術(shù)后，能夠在光傳輸系統(tǒng)中有效提高頻譜效率（SE）、提升數(shù)據(jù)傳輸速率和減少信號間干擾（ISI）的負(fù)面影響。在電信號復(fù)用過程，特別是在有大量副載波調(diào)制時，OFDM系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)展現(xiàn)出比奈奎斯特FDM系統(tǒng)更低的計(jì)算復(fù)雜度。在傳統(tǒng)的OFDM中，由于光電器件帶寬的限制，高頻條件下發(fā)射信號將存在一定的衰落效應(yīng)。高頻子載波可采用填充零值信號的方案（視為零填充副載波）以形成有效保護(hù)頻帶去除衰落效應(yīng)。但是，保護(hù)頻帶需通過低通濾波器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換消除系統(tǒng)中混疊噪聲信號的影響，該過程降低了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的工作效率，并將在固定采樣率情形下降低發(fā)射波特率。而實(shí)際在靈活配置的城域光網(wǎng)絡(luò)中，級聯(lián)波長選擇性開關(guān)（WSS）常被引入，已有相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了幾種預(yù)加載和自適應(yīng)加載方案以最大化WSS數(shù)據(jù)吞吐率，但上述方案需要獲知頻率響應(yīng)從而數(shù)字信號處理過程具有高復(fù)雜度。另一種方案是應(yīng)用離散傅立葉變換擴(kuò)展OFDM （DFT-S-OFDM）技術(shù)以在有效帶寬上獲得平穩(wěn)信噪比（SNR）。如果采用單載波調(diào)制，DFT-S-OFDM系統(tǒng)收發(fā)信號過程相對敏感，并且克服殘余符號間干擾需要長的循環(huán)前綴（CP）配置。相比較其它技術(shù)而言（如采用交疊相加頻域均衡技術(shù)）雖然可以減少或消除CP長度，但卻額外增加了系統(tǒng)配置的復(fù)雜性�；�于上述考慮，研究人員為改善基于PDM的相干光通信技術(shù)提出了基于一種基于離散菲涅耳變換的擴(kuò)展OFDM（DFnT-S-OFDM）信號收發(fā)方案。研究人員采用DFnT預(yù)編碼器的獨(dú)特時頻調(diào)制特性，使得OFDM信號分布在時間和頻率兩個維度上，從而改善頻率衰落和符號間干擾負(fù)面效應(yīng)，并通過降低CP或保護(hù)頻帶提升信號傳輸速率。研究人員還基于解析表達(dá)式推導(dǎo)了上述方案中的信噪比計(jì)算公式，并證明了該方案具有比奈奎斯特FDM調(diào)制方案更低的數(shù)字信號處理復(fù)雜度。數(shù)值仿真結(jié)果證明，與DFT-S-OFDM調(diào)制技術(shù)相比，DFnT-S-OFDM調(diào)制技術(shù)在改善符號間干擾方面更具應(yīng)用優(yōu)勢。同時，研究人員還設(shè)計(jì)了波分多路復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中級聯(lián)WSS的方案，以證明其應(yīng)用有效性。雖然上述研究過程是基于PDM相干檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，但其中應(yīng)用的大部分光電器件仍可應(yīng)用到非相干系統(tǒng)中。研究人員設(shè)計(jì)的基于PDM的 CO-DFnT-S-OFDM系統(tǒng)示意圖如圖2所示。


圖2. 基于PDM的CO-DFnT-S-OFDM系統(tǒng)示意圖

2.光傳感與檢測技術(shù)
眾所周知，表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)是由p極化電磁（EM）輻射與等離子體在金屬介電界面耦合激發(fā)過程引起的。其產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)也稱為表面等離子體激元（SPPs），它可以通過配置克瑞士曼-雷特爾衰減全反射（ATR）過程來實(shí)現(xiàn)（如圖3所示）。在SPR的實(shí)際應(yīng)用（特別是在生物醫(yī)學(xué)檢測方面）中主要通過非破壞方式評估生物樣品。在紅外（IR）輻射范圍內(nèi)，生物樣品是透明的，與可見光輻射過程相比，其光功率損失可以忽略不計(jì)。因而，在IR范圍內(nèi)進(jìn)行檢測具有明顯的優(yōu)勢（強(qiáng)靈敏度、更低的功率要求和更深的穿透深度等）。在近紅外（NIR）測試范圍中，設(shè)計(jì)SPR傳感器材料的選擇是必須考慮的關(guān)鍵問題。在可見光和紅外光區(qū)域，研究人員已經(jīng)研究了熔凝硅石、硫化鋁、亞碲酸鹽玻璃等材料的檢測過程。在上述材料中，由于重金屬氟化物玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)性能（如低平均色散、低瑞利散射、較小雙折射、光學(xué)性質(zhì)的熱依賴性低、光學(xué)非線性影響低和寬透射窗等），從而可在NIR中進(jìn)行有效檢測。在若干常用金屬（銀,金,銅和鋁）材料中，銀材質(zhì)具有窄光譜檢測響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的檢測精度；但銀材質(zhì)本身的氧化效應(yīng)限制了該優(yōu)勢的應(yīng)用，并將導(dǎo)致檢測不穩(wěn)定性。曾經(jīng)有研究人員證明使用雙金屬層（如銀-銅）結(jié)構(gòu)可有效提高SPR傳感器的穩(wěn)定性。在上述情況下，石墨烯等等離子二維材料由于具備一定的化學(xué)和光學(xué)檢測優(yōu)異性（如不滲透性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性）引起了研究人員的關(guān)注。尤其是石墨烯材料具備獨(dú)特的電子傳輸性能，因此被用于設(shè)計(jì)各類型等離子體激元器件。最近，研究人員提出使用石墨烯雙層結(jié)構(gòu)（結(jié)合石墨烯的等離子體混合納米結(jié)構(gòu)），并設(shè)計(jì)正弦介電變質(zhì)表面將光耦合到石墨烯中的等離子體來制備光子器件或傳感器。研究人員還提出通過電介質(zhì)或石墨烯片形成的衍射光柵來使光與等離子體激元進(jìn)行耦合，并證明石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)也能用于改進(jìn)SPR傳感器的性能。當(dāng)石墨烯單分子層的數(shù)量增加時，其光導(dǎo)率會發(fā)生變化。研究人員分析了電荷載體濃度的變化過程以研究石墨烯在SPR傳感器中化學(xué)勢的影響。實(shí)際上，化學(xué)勢（μ）會導(dǎo)致石墨烯的折射率（RI）和消光系數(shù)（κ）發(fā)生顯著變化，從而影響SPR傳感器的性能。最近，研究人員制備了一種近紅外區(qū)域使用的ZBLAN-銀-石墨烯結(jié)構(gòu)的SPR傳感器，并分析了其中化學(xué)勢和石墨烯單層數(shù)對組合靈敏度因子（CSF）的影響，確定了實(shí)現(xiàn)高精度檢測的最佳工作條件。


圖3 基于SPR傳感器的多層（ZBLAN-銀-石墨烯-分析物）配置示意圖

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量的快速增長，人們對智能光傳輸系統(tǒng)的需求日益增加，從而要求軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）對光信號的控制過程必須體現(xiàn)其靈活性和有效性。目前，數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)吞吐量呈現(xiàn)指數(shù)級增長的趨勢，并且該趨勢導(dǎo)致了地理分布式數(shù)據(jù)中心之間云計(jì)算的需求。因此，按需配置光網(wǎng)絡(luò)容量和光電路交換過程對實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)驅(qū)動的大數(shù)據(jù)傳輸具有極大益處。在高容量數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)環(huán)境中，僅僅采用波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)中將使得數(shù)據(jù)分配和處理過程的效率低下。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商期待支持SDN控制的波長分配光網(wǎng)絡(luò)；但實(shí)際應(yīng)用中，波長交換過程將導(dǎo)致信道功率動態(tài)分配不均衡。其中，光放大器的瞬態(tài)放大響應(yīng)將嚴(yán)重影響波長交換的有效實(shí)現(xiàn)；雖然可通過安置前置反饋放大器來解決該問題，但必須進(jìn)行功率優(yōu)化設(shè)置來實(shí)現(xiàn)對功率漂移效應(yīng)的有效補(bǔ)償。功率漂移效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是采用摻餌光纖放大器（EDFA）時其波長依賴特性將導(dǎo)致放大功率變化，而其它光學(xué)效應(yīng)（如受激拉曼散射）也將產(chǎn)生負(fù)面影響。為避免實(shí)時通信業(yè)務(wù)的中斷，緩解功率偏移過程并使波長分配過程得以重構(gòu)成為必不可少的考慮因素（其中包括多跳功率監(jiān)測反饋和調(diào)諧）。上述過程中，每通道功率調(diào)諧波長選擇性開關(guān)（WSS）的應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)監(jiān)控反饋，實(shí)際應(yīng)用中將花費(fèi)數(shù)分鐘時間來完全校正光路上的偏移。由于每個EDFA的工作點(diǎn)都將影響光纖中的所有WDM信道，任意EDFA放大信道上的功率變化都將導(dǎo)致其余信道上的功率偏移；因此在動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，要確保波長的切換或重構(gòu)過程不對其余信道產(chǎn)生影響難以實(shí)現(xiàn)。上述過程中，進(jìn)行信道間的功率配置一旦產(chǎn)生誤差將導(dǎo)致信噪比（OSNR）劣化或引入非線性負(fù)面效應(yīng)，從而影響光信號的接收靈敏度。實(shí)際應(yīng)用中，如果光信號功率偏移能夠被預(yù)測，則可以通過精確的功率控制來最小化實(shí)際信號的檢測誤差。因此，研究人員考慮引入機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的方法來實(shí)現(xiàn)動態(tài)分配過程（這種方法的原理是根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)測量值來最小化功率影響）。雖然ML方法不需要考慮EDFA的增益特性，但它需要大量歷史數(shù)據(jù)量來支持其做出準(zhǔn)確預(yù)測。由于光網(wǎng)絡(luò)中每個放大器具有獨(dú)特的增益特性和運(yùn)行機(jī)制，經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型仍有一定的應(yīng)用局限性。因此， ML模型可能需要不斷收集新數(shù)據(jù)，并針對不同類型的硬件配置來對ML估計(jì)模型進(jìn)行再次調(diào)整。研究人員還提出了利用增益譜估計(jì)波長分配的方法來減小功率偏移的過程，從而使得功率偏移量降低5%-15%。他們基于全負(fù)載WDM的增益譜來測量和不同波長的單通道增益以估計(jì)該光網(wǎng)絡(luò)的功率偏移量。然而，增益譜在波長切換操作中沒有得到更新。也有研究人員提出了在WDM網(wǎng)絡(luò)中對EDFA進(jìn)行電化處理的方法（他們使用寬帶邊緣發(fā)光二極管作為檢測器，并將所需的檢測信道數(shù)量分成四等分（即400GHz探測間隔）來恢復(fù)0.2dB的功率增益）。目前，研究者分析了從400GHz到800GHz范圍內(nèi)的非均勻探測信號間隔，實(shí)現(xiàn)了小于0.25dB的信號功率檢測誤差。最近，研究人員提出了一種新的檢測方法（通過提供波長實(shí)時功率配置保證光信道傳輸信號時盡量不受干擾）,實(shí)現(xiàn)了基于光學(xué)檢測的高效、低功耗采樣技術(shù)，以此獲得WDM線路放大器增益譜的在線信息。與之前的離線預(yù)估計(jì)技術(shù)相比，該新方法提高了預(yù)估功率精度，同時最小化了采樣數(shù)目（相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示），實(shí)驗(yàn)中采用的探測器用于測量EDFA的增益特性，但不會中斷光信道上的信號傳輸。實(shí)驗(yàn)研究證明，只有10%的WDM信道需要被探測；對于具有5dB功率偏移的雙級EDFA系統(tǒng)，研究人員使用該方法重構(gòu)了放大器增益譜范圍，確保光信號檢測誤差小于0.15dB。在對系統(tǒng)進(jìn)行改變（如重置波長）之前，可以實(shí)現(xiàn)高精度功率漂移預(yù)測過程（在雙跨節(jié)點(diǎn)-節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，相應(yīng)的光功率偏移預(yù)測誤差小于0.2dB）。


圖4 用于功率預(yù)測的WDM光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

3.調(diào)制技術(shù)
為了抑制大氣湍流（AT）對自由空間光通信（FSO）系統(tǒng)收發(fā)光信號的負(fù)面影響，研究人員提出了采用空間分集技術(shù)（在發(fā)射器（Tx）或接收器（Rx）處采用多種孔徑）來對抗光信號衰減。但是，由于FSO系統(tǒng)常被要求進(jìn)行小型化配置，在收發(fā)器模塊中（Tx或Rx中）其有效工作區(qū)域不足以支持空間相干性分離長度超過衰落相關(guān)長度的孔徑（將導(dǎo)致相干FSO信道產(chǎn)生傳輸問題）。因此，全面研究FSO光信號傳輸信道的特性是必需的。研究人員指出，馬拉加（M）分布統(tǒng)計(jì)模型可適用于克服AT影響的FSO系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程（可以映射到使用最廣泛的分布模型，如對數(shù)正態(tài)分布，Gamma-Gamma指數(shù)等）。人們可設(shè)計(jì)基于M分布AT信道的FSO系統(tǒng)，以采用指向誤差法來對接收光信號的誤碼率進(jìn)行分析（M分布式信道模型可完成各態(tài)歷經(jīng)容量的分析）。但是，上述分析是在不相干的無線光通信信道上進(jìn)行的，由于近距離的平行光束通過相同區(qū)域時將存在互擾，因此該類分析方法存在應(yīng)用局限性。據(jù)我們所知，迄今為止還未研究過M分布的AT對FSO系統(tǒng)傳輸光信號性能有無影響。受上述討論的啟發(fā)，研究人員基于格林近似矩陣分析得到了封閉式聯(lián)合概率密度函數(shù)的表達(dá)式和遵循M分布任意相關(guān)隨機(jī)變量（RVs）的互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CDF）特性。因?yàn)榇髿馔牧餍诺赖挠绊戇^程代表了一個亟待解決的關(guān)鍵問題，研究人員考慮應(yīng)用一個單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)（它在系統(tǒng)復(fù)雜性和空間多樣性之間的進(jìn)行權(quán)衡分析）而不是采用一個多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)來進(jìn)行研究。研究人員采用選擇組合（SC）方案對SIMO-FSO系統(tǒng)進(jìn)行了收發(fā)光信號的性能分析。最近，來自印度理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)出一種服從M分布任意相關(guān)FSO信道的多變量中斷概率密度分布模型，并且證明了其應(yīng)用可行性。

4.光互連系統(tǒng)
目前，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展要求更高數(shù)據(jù)速率和更低成本的下一代光互連體系必須盡快實(shí)現(xiàn)，從而要求未來的光電信息處理系統(tǒng)完成光子器件與電子電路（如跨阻放大器（TIA）和激光驅(qū)動器）的單片集成；而應(yīng)用100DBASE-LR4的方案被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高速云數(shù)據(jù)吞吐的一種候選方案（因?yàn)樵摲桨改茉趩文９饫w（SMF）上以1310nm工作波長發(fā)送或接收長達(dá)10公里傳輸?shù)墓庑盘枺�。一種典型方案是采用直接調(diào)制分布式反饋（DFB）激光器（4×25Gb/s）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高速信息的傳輸。但是，與基于多模光纖（MMF）應(yīng)用的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）光信號發(fā)射方案相比，在DFB激光驅(qū)動器的設(shè)計(jì)中存在若干技術(shù)挑戰(zhàn)（包括高電流驅(qū)動下的帶寬影響以及由阻抗不匹配引起的反射問題）。最近，研究人員設(shè)計(jì)了激光驅(qū)動器的配置方案來抑制反射失配問題（單端驅(qū)動器中的主動后端終止（ABT）方案，如圖5所示），測試結(jié)果表明：25.78Gb/s速率的非歸零信號其光學(xué)眼圖（如圖6所示）顯示清晰。


圖5.（a）ABT驅(qū)動器設(shè)計(jì)方案；（b）相關(guān)小信號模型        

圖6. 測試眼圖：（a）未采用ABT；（b）采用ABT