光纖在線特邀編輯：
邵宇豐 王煉棟
    2014年7月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、無(wú)源和有源光子器件、光傳輸、光調(diào)制與信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)

    在未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)中需求多樣性的程度很高，不同需求要求提供的服務(wù)不同，由此對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸質(zhì)量的要求也不相同，從而在傳輸鏈路上會(huì)混合使用多種調(diào)制格式或交換技術(shù)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行有效的控制和管理提出了挑戰(zhàn)。認(rèn)知技術(shù)的引入有助于對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在認(rèn)知技術(shù)中通過(guò)采用觀察、表現(xiàn)、學(xué)習(xí)等途徑來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能，尤其考慮了端到端的情況。歐盟的CHRON項(xiàng)目：即認(rèn)知異構(gòu)可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目提出了一種策略，通過(guò)使用認(rèn)知技術(shù)來(lái)有效地控制網(wǎng)絡(luò)。在論文中，來(lái)自丹麥科技大學(xué)光學(xué)工程學(xué)院、西班牙巴利亞多利德大學(xué)、希臘雅典信息技術(shù)學(xué)院、意大利CREATE-NET研究中心、中國(guó)華為技術(shù)有限公司歐洲研究中心和法國(guó)電信華沙研發(fā)中心的研究人員介紹了在整個(gè)項(xiàng)目（如何在未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用認(rèn)知技術(shù)）實(shí)施過(guò)程中，對(duì)不同技術(shù)發(fā)展的情況調(diào)查。

    交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）市場(chǎng)的快速發(fā)展，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)上流量增加，由此提高了人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)能源消耗問(wèn)題的關(guān)注。在論文中，來(lái)自英國(guó)利茲大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院、沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系等的科研人員一起探討了電視收視行為和電視節(jié)目受歡迎程度的動(dòng)態(tài)變化，以便制定一項(xiàng)策略來(lái)最大限度地減少能源消耗�？蒲腥藛T通過(guò)計(jì)算交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）在IP-over-WDM（基于波分復(fù)用的I P傳輸）網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行時(shí)的功耗，對(duì)這項(xiàng)策略的影響進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮了標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目和高清晰度電視節(jié)目。首先，在更靠近最終用戶的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，設(shè)置高速緩存用于存儲(chǔ)最受歡迎的節(jié)目，以此來(lái)降低能源消耗；然后，通過(guò)對(duì)收視行為的研究而制定一項(xiàng)由時(shí)間驅(qū)動(dòng)的緩存內(nèi)容替換策略，以最大限度地提高緩存中內(nèi)容被選中的命中率，從而進(jìn)一步減少能源使用。科研人員開(kāi)發(fā)了一種混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，用來(lái)評(píng)估實(shí)施時(shí)間驅(qū)動(dòng)高速緩存內(nèi)容替換策略時(shí)的網(wǎng)絡(luò)功耗，并通過(guò)仿真驗(yàn)證結(jié)果。最后，科研人員還擴(kuò)展了這種數(shù)學(xué)模型的功能，使之除了執(zhí)行緩存內(nèi)容替換外還具有進(jìn)入睡眠模式的能力，這樣能源消耗會(huì)更低。研究結(jié)果表明，使用緩存進(jìn)行基于時(shí)間的內(nèi)容替換，可以提高緩存中內(nèi)容被選中的命中率；與未使用緩存相比，全部的功率消耗最大可減少達(dá)86％�？蒲腥藛T通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)，與使用標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視相比，使用高清晰度電視可以節(jié)省更多的功率消耗，因此這種策略將有利于交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。


    來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員提出了一個(gè)新的設(shè)想，在無(wú)線與可見(jiàn)光一體化通信系統(tǒng)中，使用單個(gè)發(fā)射機(jī)和多個(gè)傾斜的光接收器進(jìn)行室內(nèi)的三維定位。基于在實(shí)驗(yàn)中獲得的發(fā)射器和接收器的特征數(shù)據(jù)，研究人員建立了一個(gè)模擬信道鏈接。本文所提出的三維定位算法的基礎(chǔ)是增益差異，這種差異是信號(hào)到達(dá)角度和接收信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)。研究人員通過(guò)演示表明，該算法能夠提供包括高度在內(nèi)的精確定位數(shù)據(jù)，并能排除小區(qū)間內(nèi)的干擾。



無(wú)源和有源光子器件

    低損耗的硅波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)高性能光子集成電路的關(guān)鍵。在論文中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、格雷斯半導(dǎo)體制造公司和華力微電子公司技術(shù)研發(fā)部的研究人員介紹了納米硅波導(dǎo)的制造原理、特征以及對(duì)損耗的分析。納米硅波導(dǎo)是采用了0.13微米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，在硅晶絕緣體（SOI）晶片上制造出來(lái)的。為了減少傳播損耗，在制造過(guò)程中使用的光刻法和蝕刻法都進(jìn)行了優(yōu)化，以使波導(dǎo)的側(cè)壁光滑。在1550納米波長(zhǎng)的TE和TM模式下，所獲得的波導(dǎo)傳播損耗分別為2.4±0.2和0.59±0.32 分貝/厘米。研究人員用一種理論方法來(lái)估計(jì)在TE和TM模式下波導(dǎo)的傳播損耗，并且還要考慮到來(lái)自波導(dǎo)的兩個(gè)側(cè)壁表面和頂部/底部表面的散射損耗。計(jì)算結(jié)果表明，在TE和TM模式下，由波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度引起的損耗是傳播損耗的主要來(lái)源�？倐鞑�損耗中，波導(dǎo)的兩個(gè)側(cè)壁表面和頂部/底部表面在導(dǎo)致?lián)p耗方面起了同等的作用。從理論上估計(jì)出的傳播損耗與測(cè)量的結(jié)果相符合。

    來(lái)自中國(guó)浙江大學(xué)信息科學(xué)與電子工程系的科研人員對(duì)環(huán)形諧振器中的回音壁模式（WGMS）進(jìn)行了研究。他們采用共形變換的方法將環(huán)形諧振器轉(zhuǎn)換成更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，利用橫向共振的原理來(lái)計(jì)算諧振頻率，并將傳輸線理論應(yīng)用于計(jì)算電磁波場(chǎng)。科研人員還在不同高Q值的諧振器（包括直徑幾個(gè)微米的小諧振器和直徑幾個(gè)毫米的大諧振器）中，對(duì)諧振頻率和場(chǎng)分布進(jìn)行了研究。論文中所使用的方法，為對(duì)包含環(huán)形諧振器的設(shè)備進(jìn)行分析提供了一種更有效的途徑。

    來(lái)自中國(guó)北京大學(xué)電子學(xué)系電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹了一種方法，可以使帶有鎖相環(huán)（PLL）的單回路光電振蕩器（OEO）具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的頻率。光電振蕩器（OEO）是通過(guò)一個(gè)具有PID調(diào)節(jié)器的鎖相環(huán)（PLL）電路，將頻率鎖定到一個(gè)高度穩(wěn)定的微波參考信號(hào)上。采用這種方法，研究人員獲得了高度穩(wěn)定的3.035 GHz微波信號(hào)，該信號(hào)在頻率偏移量為10Hz處的相位噪聲為-65 dBC/Hz；在平均1000秒的時(shí)間里，信號(hào)的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了6.98×10-14。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用由鎖相環(huán)（PLL）鎖定的光電振蕩器（OEO）后，信號(hào)的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性和低偏移量頻率處的相位噪聲性能都獲得了極大的改善。因此，在微波光子學(xué)的應(yīng)用中，鎖相環(huán)（PLL）鎖定的光電振蕩器（OEO），將成為高穩(wěn)定、低相位噪聲微波發(fā)生器的一個(gè)強(qiáng)有力的候選對(duì)象。

    來(lái)自中國(guó)浙江大學(xué)光電技術(shù)學(xué)院、浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、香港理工大學(xué)電氣工程系、香港理工大學(xué)深圳研究所、深圳大學(xué)光電子學(xué)研究所、教育部和廣東省光電器件與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北理工大學(xué)電氣電子與信息工程學(xué)院的科研人員介紹了一種用于折射率和高溫傳感的超小型微纖維傳感頭。這種設(shè)備在形式上是一種馬赫-曾德干涉儀，通過(guò)沿一部分微纖維創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)氣腔而構(gòu)成，呈現(xiàn)出約4202nm/折射率指數(shù)單元的高折射率靈敏度以及41pm/°C的良好溫度敏感性，并能在高達(dá)1100℃的高溫下維持優(yōu)異的工作性能。

光傳輸

    來(lái)自美國(guó)阿爾卡特-朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)OFS 實(shí)驗(yàn)室的科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)速率為256 Gb/s的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能方面的研究。這種傳輸系統(tǒng)在無(wú)色散補(bǔ)償?shù)腡erawave SLA+ 光纖上采用了偏振復(fù)用16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（PDM-16QAM），使用了摻鉺光纖放大器（EDFA）、混合拉曼/摻鉺光纖放大器和全后向泵浦拉曼放大器。通過(guò)對(duì)37.5 GHz和50 GHz的信道間隔以及級(jí)聯(lián)的可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，傳輸系統(tǒng)的信道間隔無(wú)論是37.5 GHz還是50 GHz，在沒(méi)有可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）的情況下，與僅僅使用摻鉺光纖放大器（EDFA）相比，使用混合拉曼/摻鉺光纖放大器和全后向泵浦拉曼放大器可以使傳輸距離分別達(dá)到約70％和100％的增長(zhǎng)，從2000公里分別增加到3500公里和4200公里，系統(tǒng)假設(shè)為20%的軟判決前向糾錯(cuò)（SD-FEC）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，使用級(jí)聯(lián)的可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）在50 GHz信道間隔下對(duì)系統(tǒng)影響很小，但在37.5 GHz信道間隔下會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能，幾乎抵消了從拉曼放大器上獲得的增益，這是由于可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）濾波效應(yīng)引起的高誤碼所導(dǎo)致的損害。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不使用可重構(gòu)光分/插復(fù)用器（ROADM）時(shí)，對(duì)于相同數(shù)量的信道，傳輸系統(tǒng)在37.5 GHz和50 GHz信道間隔下具有相似的性能。

    在該篇論文中，來(lái)自日本電報(bào)電話公司接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，對(duì)頻分復(fù)用相干光時(shí)域反射儀（FDM-OTDR）中存在的信道間串?dāng)_（XT）進(jìn)行了理論說(shuō)明。光時(shí)域反射儀（OTDR）在反射率急劇變化的地方，由于信道間串?dāng)_（XT）的影響而降低了空間的跟蹤精度，這些信道間串?dāng)_（XT）主要取決于頻率信道間隔、脈沖波形和信號(hào)處理時(shí)的加權(quán)函數(shù)�？蒲腥藛T的研究表明，光時(shí)域反射儀（OTDR）跟蹤精度的惡化，可以使用脈沖響應(yīng)分析來(lái)充分模擬，并且能通過(guò)加權(quán)函數(shù)以及對(duì)探測(cè)脈沖形狀進(jìn)行切趾來(lái)有效抑制信道間串?dāng)_（XT）。此外，在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，科研人員還提出了一種新的對(duì)非線性自相位調(diào)制（SPM）進(jìn)行抑制的方案，用以適應(yīng)處理后的探測(cè)脈沖傳輸。最后，對(duì)脈沖響應(yīng)、光時(shí)域反射儀（OTDR）跟蹤和對(duì)自相位調(diào)制（SPM）進(jìn)行抑制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。



調(diào)制與信號(hào)處理

    來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員提出了一種在強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/ DD）系統(tǒng)中使用，基于雙極化的I/Q信道分離基帶正交頻分復(fù)用（OFDM）光傳輸技術(shù)。通過(guò)與中頻（IF）上變頻的正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)相比較，研究人員用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了論文所建議系統(tǒng)的性能。為了獲得更好的性能，研究中使用了自適應(yīng)調(diào)制的光正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)50公里單模光纖的傳輸后，達(dá)到的最大傳輸速率為 28G比特/秒，并且只占用了4 G赫茲的信號(hào)帶寬。在基于極化的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/ DD）多路正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中，與其他方法（IF上變頻法或埃爾米特對(duì)稱法）相比，本文所提出的技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)和較低的計(jì)算復(fù)雜度。


    來(lái)自韓國(guó)漢城東國(guó)大學(xué)電子與電氣工程部的科研人員提出了子載波強(qiáng)度調(diào)制（SIM）/空間調(diào)制（SM）輔助的自由空間光通信方案，并使用了分集接收技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，科研人員研究了所提出的子載波強(qiáng)度調(diào)制（SIM）/空間調(diào)制（SM）方案的性能；并在加性高斯白噪聲（AWGN）信道、以及用于戶外的對(duì)數(shù)正態(tài)分布大氣信道環(huán)境下，與那些傳統(tǒng)的子載波強(qiáng)度調(diào)制（SIM）方案進(jìn)行了對(duì)比。在加性高斯白噪聲（AWGN）信道中對(duì)所提方案的誤碼性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，其頻譜效率為2比特/秒/赫茲，由此驗(yàn)證了仿真結(jié)果。數(shù)值結(jié)果表明，在前述兩種信道中，無(wú)論其頻譜效率如何，所提出的子載波強(qiáng)度調(diào)制（SIM）/空間調(diào)制（SM）方案在性能方面都可以勝過(guò)傳統(tǒng)的空間調(diào)制（SM）方案。研究人員經(jīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明實(shí)了，在該方案中通過(guò)采用多個(gè)接收器，進(jìn)一步減少了閃爍效應(yīng)的有害影響。此外，論文所提出的子載波強(qiáng)度調(diào)制（SIM）/空間調(diào)制（SM）方案由于使用了分集接收技術(shù)，在頻譜效率和接收機(jī)的數(shù)量增加的情況下，應(yīng)對(duì)湍流所引起的衰落的能力更強(qiáng)了。

    在該篇論文中，來(lái)自中國(guó)北京大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院先進(jìn)光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及富士通研發(fā)中心的研究人員提出了一種方法來(lái)自動(dòng)控制鈮酸鋰馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）的偏置電壓，這種方法經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。自動(dòng)偏置控制（ABC）方法是基于低成本的相干檢測(cè)，這里的相干檢測(cè)采用了3×3光耦合裝置，從而提高了抖動(dòng)檢測(cè)的靈敏度。研究人員通過(guò)對(duì)所監(jiān)控的抖動(dòng)頻率分量（代表光信號(hào)的殘留載波成分）進(jìn)行最小化處理，使調(diào)制器的偏置電壓得到了優(yōu)化。他們還引入了0～π/2方波相位調(diào)制，用于減輕由3×3耦合器的不平衡性所導(dǎo)致的檢測(cè)波動(dòng)，提高了監(jiān)控的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文所提出的方法對(duì)不同的調(diào)制格式普遍適用，并能針對(duì)內(nèi)部的同相/正交（I/Q）分量和外部光正交調(diào)制器的相位偏置，實(shí)現(xiàn)高精度的偏置控制。對(duì)于單載波（SC）調(diào)制和光正交頻分復(fù)用調(diào)制而言，這種自動(dòng)偏置控制（ABC）方法所導(dǎo)致的損耗是微不足道的。除此以外，研究人員還介紹了對(duì)溫度擾動(dòng)的容忍度。

    當(dāng)前，在使用強(qiáng)度調(diào)制的光傳輸鏈路中，人們對(duì)無(wú)載波幅度相位（CAP）調(diào)制的應(yīng)用具有越來(lái)越濃厚的興趣。采用多電平調(diào)制原理的無(wú)載波幅度相位（CAP）調(diào)制可以達(dá)到較高的頻譜效率并且運(yùn)行成本較低。這種調(diào)制技術(shù)有一個(gè)有趣的特點(diǎn)，它的信號(hào)基帶可以擴(kuò)展到三維或更多的維度上。在論文中，來(lái)自波蘭華沙理工大學(xué)電信研究所的研究人員介紹的內(nèi)容是圍繞三維無(wú)載波幅度相位（CAP）調(diào)制技術(shù)的。主要討論的是在三維空間中應(yīng)用的收發(fā)濾波器設(shè)計(jì)、頻譜效率和數(shù)字均衡技術(shù)。有幾個(gè)與三維無(wú)載波幅度相位（CAP）調(diào)制傳輸相關(guān)的問(wèn)題值得注意。最顯著是峰均功率比問(wèn)題，在三維調(diào)制中峰均功率比遠(yuǎn)高于一維或二維調(diào)制，并且三維均衡器的輸出與噪聲有相關(guān)性。后者的問(wèn)題將會(huì)嚴(yán)重降低誤碼率性能，但可以通過(guò)噪聲白化均衡技術(shù)使其被有效減輕。最后，在階躍型聚合物光纖傳輸鏈路中，用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)一維、二維和三維無(wú)載波幅度相位（CAP）調(diào)制方式進(jìn)行了比較。

    來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員提出了一種新的頻率分配方法，以便在基于載波分配可見(jiàn)光通信技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，重新有效地使用射頻（RF）頻率。研究人員在論文中探討了六邊形、正方形和長(zhǎng)方形單元布局的性能特征。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)這種實(shí)時(shí)室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)不同的單元布局加以分析比較來(lái)確定最佳的頻率分配。


光纖技術(shù)

    在該篇論文中，來(lái)自希臘雅典大學(xué)信息學(xué)與電信學(xué)系的科研人員設(shè)計(jì)并分析了全光纖寬帶模式多路復(fù)用器（MMUXs），這主要應(yīng)用于模分復(fù)用和波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。該設(shè)備是基于級(jí)聯(lián)的二維或三維對(duì)稱少模光纖（FMF）耦合器�？蒲腥藛T根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方法，將這種全光纖寬帶模式多路復(fù)用器（MMUXs）優(yōu)化以使其工作在C波段和多種模式（LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02）下，其響應(yīng)接近平坦，平均插入損耗約為1.6分貝；科研人員還借助于全矢量光束傳播法對(duì)少模光纖（FMF）耦合器和全光纖寬帶模式多路復(fù)用器（MMUXs）的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)值分析。如果進(jìn)一步考慮每種線性極化（LP）模式的兩個(gè)極化狀態(tài)，這種全光纖寬帶模式多路復(fù)用器（MMUXs）就可以支持12種空間信道的聯(lián)合使用；與單一空間信道系統(tǒng)相比，在光纖傳輸系統(tǒng)中使用這種空分復(fù)用（模式和極化狀態(tài)）技術(shù)，相當(dāng)于增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)的容量。