光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周越 周俊毅 李長祥 

    2016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)及其子系統(tǒng)
    為了更好地服務(wù)未來基于高速網(wǎng)絡(luò)的高性能互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，來自布里斯托爾大學(xué)電氣和電子工程高性能網(wǎng)絡(luò)組的研究人員提出了一種虛擬化的光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以為每個(gè)應(yīng)用程放序建立一個(gè)專用的虛擬光纖網(wǎng)絡(luò)（VON）。虛擬化帶寬可變收發(fā)器（V-BVT）是支持多個(gè)VON創(chuàng)建的關(guān)鍵因素。研究人員提出了一個(gè)可行的V-BVT架構(gòu)，可以成為軟件定義下光網(wǎng)絡(luò)中的一部分。所提出的V-BVT具有新穎性，可以提供獨(dú)立操作、控制和具有管理能力的客戶機(jī)或者更高級別的網(wǎng)絡(luò)控制器。此外，科研人員提出了一個(gè)具體的V-BVT虛擬化算法，以使多個(gè)VON同時(shí)高效地創(chuàng)建，但獨(dú)立的虛擬機(jī)共享同一物理資源V-BVT�；�于該VON需求、V-BVT資源可用性和光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的要求，虛擬收發(fā)器可提供特定的比特率、副載波、調(diào)制格式以及每個(gè)VON對應(yīng)的波特率。科研人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)所提出的V-BVT架構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上利用網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行軟件定義。基于提出虛擬化算法的V-BVT資源分配還可以使用擴(kuò)展的OpenFlow協(xié)議�？蒲腥藛T提出并且實(shí)驗(yàn)證明的V-BVT可以在控制平面上實(shí)現(xiàn)虛擬收發(fā)控制和管理獨(dú)立，同時(shí)在物理層上實(shí)現(xiàn)共存和隔離的功能。

圖1. 光網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)用戶的V-BVT虛擬化過程
    日本KDDI研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和國家信息與通信技術(shù)研究所通信部的科研人員指出，網(wǎng)絡(luò)虛擬化是一個(gè)新興的技術(shù)，使多個(gè)用戶共享一個(gè)底層物理基礎(chǔ)設(shè)施，可以隔離運(yùn)行在不同虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)中用戶的流量。該技術(shù)的目的是提高網(wǎng)絡(luò)利用率，同時(shí)減少在運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)管理方面的復(fù)雜度�；�于上述考慮，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的模式可以通過讓網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)化和可編程性從而實(shí)現(xiàn)簡化網(wǎng)絡(luò)配置，降低供應(yīng)商的基礎(chǔ)設(shè)施量和服務(wù)需求的運(yùn)算量。SDN技術(shù)可以根據(jù)具體的配置方法或協(xié)議來減少廠商鎖定協(xié)議的問題�；�于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)操作（ABNO）是關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)功能組件的工具箱，可以提供應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。使用ABNO的服務(wù)供應(yīng)可能涉及數(shù)據(jù)平面元素的直接配置，或者委托給幾個(gè)控制平面模塊�？蒲腥藛T基于ABNO的兩種情況來驗(yàn)證光學(xué)域多租戶中的虛擬網(wǎng)絡(luò)，其中根據(jù)該架構(gòu)來協(xié)調(diào)多個(gè)控制平面的實(shí)例。科研人員選擇擁塞檢測和故障恢復(fù)來開展研究，以證明快速重新計(jì)算和重新配置在物理層上可操作性。

圖2. 斯特勞斯控制平面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用示例
    基于泡克耳斯效應(yīng)的超高效光學(xué)調(diào)制器已成為今天光通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。對于下一代的光傳輸鏈路，硅光子技術(shù)的應(yīng)用成為了建立新的密集集成光學(xué)元件的新浪潮。然而，這項(xiàng)新技術(shù)不能利用基于泡克耳斯效應(yīng)的光開關(guān)的優(yōu)勢，對此分如下兩點(diǎn)原因：首先，硅并沒有表現(xiàn)出任何泡克耳斯效應(yīng)；第二，要將非線性材料與硅光子結(jié)合起來，這在技術(shù)上很難處理。來自IBM瑞士研究院、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光電和薄膜電子實(shí)驗(yàn)室的科研人員，尋找到了一種制備集成鈦酸鋇薄膜的方法，該薄膜的硅光子晶體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的電光系數(shù)。研究人員強(qiáng)調(diào)嘗試多種設(shè)計(jì)方案，討論實(shí)際加工過程，以及被動(dòng)性功能和主動(dòng)性結(jié)構(gòu)的當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)包括耦合器和干涉儀，以及可調(diào)性為4μW / nm的諧振環(huán)，該諧振環(huán)由電驅(qū)動(dòng)，靈敏度高且不易揮發(fā)。在基于非線性氧化物的超低功耗硅光子開關(guān)領(lǐng)域中完成的該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不但代表著相關(guān)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，而且也在基于混合鈦酸鋇的硅光子平臺(tái)中揭示了未來的新應(yīng)用前景。
    意大利米蘭理工大學(xué)的科研人員提出，5G移動(dòng)接入使每個(gè)用戶具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的通信信號延遲方面，還可更好地控制網(wǎng)絡(luò)智能話和精細(xì)控制等。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，5G網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)將借助如小區(qū)部署、多點(diǎn)協(xié)調(diào)（CoMP，ICICI）、基帶單元（BUS）霍特林的集中式無線電接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）等解決方案。因?yàn)椴捎么祟惣夹g(shù)需要一個(gè)高容量低延時(shí)的接入/匯聚網(wǎng)絡(luò)來支持回程、無線電協(xié)調(diào)和前傳（即數(shù)字化的基帶信號），所以基于波分復(fù)用（WDM）的光接入/匯聚網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是5G傳輸?shù)囊粋�(gè)優(yōu)秀的候選方案。上述方案的實(shí)現(xiàn)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是需要從相應(yīng)的小區(qū)基站物理地分離出BBU，這將有望在系統(tǒng)配置和功率耗費(fèi)上大大節(jié)省預(yù)算成本。然而，這需要插入額外的高比特率通信量，也需要包含有非常嚴(yán)格的通信延遲控制。因此，BBU合并的數(shù)量、前傳延遲和網(wǎng)絡(luò)容量的利用率之間出現(xiàn)了一個(gè)折衷。對于通過WDM匯聚網(wǎng)和整數(shù)線性規(guī)劃形式化的C-RAN部署，研究人員提出了新型的BBU布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，他們通過匯聚網(wǎng)上BBU達(dá)到一定數(shù)量，來共同支持融合的固定和移動(dòng)通信過程。
英國布魯托斯大學(xué)電氣電子工程系的研究人員對適合于大型數(shù)據(jù)中心（DC）基礎(chǔ)架構(gòu)的服務(wù)提供方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。他們發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)架構(gòu)的運(yùn)作聯(lián)系過程中的一個(gè)主要問題是大規(guī)模高密度的數(shù)據(jù)中心中可利用資源和用于控制和管理信息相關(guān)需求數(shù)量的增加所引起的可擴(kuò)展性。為了解決該可擴(kuò)展性問題，研究人員提出了采用圖形分解與壓縮感知理論相結(jié)合的方法，并進(jìn)行時(shí)間監(jiān)控和優(yōu)化大型數(shù)據(jù)庫的操作。該方法利用計(jì)算機(jī)空間和時(shí)間的相關(guān)性以及基于網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化配置的特點(diǎn)，來監(jiān)視和優(yōu)化通信度量標(biāo)準(zhǔn)，例如減少延遲的控制和信息能量的管理。研究人員的模擬測試結(jié)果表明，從數(shù)據(jù)傳送到控制平面的數(shù)據(jù)量和相關(guān)控制過程的都被有效優(yōu)化。

圖3.2D/3D網(wǎng)狀連接的分層大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示例圖

無源和有源光子器件
    采用空芯光子帶隙光纖（HC-PBGF）和高增益摻銩光纖放大器（TDFA），可在2μm波長的范圍實(shí)現(xiàn)一個(gè)低損耗、低延遲的光傳輸窗口。來自愛爾蘭廷德爾國家研究所、南安普頓大學(xué)光電研究中心的科研人員，使用直接調(diào)制激光器和基于LiNbO3的調(diào)制器對這些波長實(shí)施了各種單通道或多通道的傳輸實(shí)驗(yàn)。他們檢測了采用基于InP的馬赫–曾德爾調(diào)制器（MZM）進(jìn)行外部調(diào)制的4×10 Gb/s NRZ-OOK WDM信號，并在1.15多公里空芯光子帶隙光纖（HC-PBGF）中進(jìn)行了低損耗傳輸性能分析。研究人員采用的直接探測方案要求在100兆赫茲間隔的信道中具有25dB的信噪比；在上述條件下，研究人員證明，在2μm波長范圍內(nèi)，通過增加光波導(dǎo)中的電光重疊調(diào)整基于InP的馬赫–曾德爾調(diào)制器（MZM），可以得到最低的Vπ值，峰峰–調(diào)制電壓從4伏特顯著降低到2.7伏特，此時(shí)其帶寬為9千兆赫。

圖4.WDM傳輸實(shí)驗(yàn)裝置

光傳輸
    阿斯頓大學(xué)光子技術(shù)研究所，倫敦大學(xué)光網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)的科研人員，通過實(shí)驗(yàn)證明：在一個(gè)實(shí)際長度為75公里，使用拉曼中繼放大器，并且包含十條通信速率高達(dá)400 Gb/s的超級光學(xué)通道的傳輸鏈路中，使用對偏振不敏感的雙波段光學(xué)相位共軛技術(shù)，可以獲得較好的信號增益�？蒲腥藛T進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，如果將功率不對稱和偏振模色散產(chǎn)生的不利因素考慮進(jìn)來，便可以估測出對應(yīng)的通信有效傳輸距離。

圖5.發(fā)射機(jī)配置結(jié)果圖
    日本KDDI研發(fā)實(shí)驗(yàn)室與大阪大學(xué)的研究人員提出，在波分復(fù)用（WDM）信道間隔小于信號波特率的超奈奎斯特波分復(fù)用系統(tǒng)中，如采用嚴(yán)格的光譜整形技術(shù)，波分復(fù)用串?dāng)_和符號間干擾之間將存在一定聯(lián)系。為優(yōu)化該聯(lián)系中的折衷影響，研究人員提出采用具有最大似然估計(jì)的多二進(jìn)制整形技術(shù)。為了闡明頻譜效率和所需的信號信噪比(SNR)之間的關(guān)系，研究人員采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了多進(jìn)制整形的超奈奎斯特波分復(fù)用正交振幅調(diào)制信號的誤碼率特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)需要的信噪比優(yōu)化過程等效于信號傳輸中距離和頻譜利用率的優(yōu)化過程。

  圖6.基于多進(jìn)制整形的三通道超奈奎斯特WDM-AM信號產(chǎn)生和接收的結(jié)構(gòu)配置圖

 光調(diào)制與光信號處理
    日本日立研發(fā)集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新信息與電信中心的科研人員指出，在下一代網(wǎng)絡(luò)中，為證明100Gb/s通道的高速光收發(fā)器在短距離終端應(yīng)用中的價(jià)值，可使用光學(xué)延遲和強(qiáng)度檢測的方法，通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的單偏振十六進(jìn)制振幅移相鍵控（16APSK）/十六進(jìn)制正交振幅調(diào)制（16QAM）的方法，構(gòu)建一個(gè)全速率和全功能的收發(fā)機(jī)原型系統(tǒng)�？蒲腥藛T實(shí)驗(yàn)研究了上述系統(tǒng)中的收發(fā)性能，如基于FPGA上研究了多電平調(diào)制/解調(diào)、定時(shí)恢復(fù)、基于前向糾錯(cuò)（FEC）和線性均衡的過程，并證實(shí)了該收發(fā)器電路的小尺寸和低功耗的可行性。為了對基于延遲檢測的多級信令性能進(jìn)行改進(jìn)，科研人員先前分析了各種信號補(bǔ)償技術(shù)，如接收側(cè)的相位噪聲估計(jì)、色散消除電路設(shè)計(jì)、平衡光電檢測器不平衡補(bǔ)償和非歐幾里德度量符號判定等。本文展示了該系統(tǒng)的理論研究基礎(chǔ)、FPGA實(shí)現(xiàn)過程、實(shí)時(shí)信號解調(diào)和誤碼率（BER）性能檢測方法，同時(shí)也實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了使用四信道波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，在長度為18.2公里的單模光纖（SMF）速率為448Gb/s的傳輸過程。  
    墨爾本帕克維爾大學(xué)機(jī)電部和電子工程系的研究人員指出，直接調(diào)制激光器（DML）的頻率啁啾負(fù)面效應(yīng)一直是阻礙DML在高速光信號傳輸中影響接收性能的關(guān)鍵因素。綜合上述考慮，科研人員還認(rèn)為該線性調(diào)頻脈沖可以作為強(qiáng)度調(diào)制（IM）和調(diào)頻（FM）的組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。利用相干檢測，該技術(shù)提供了本地振蕩器的波長參考范圍；通過時(shí)間積分，調(diào)頻（FM）過程可以轉(zhuǎn)換為相位調(diào)制過程。也就是說，科研人員意識到對于單個(gè)DML而言，可以實(shí)現(xiàn)二維的復(fù)雜調(diào)制（CM）。如果積分操作，直接調(diào)制激光器的復(fù)雜調(diào)制（CM-DML）過程是卷積的實(shí)現(xiàn)過程，同時(shí)最大似然序列的估算也可應(yīng)用于解調(diào)過程。相對于傳統(tǒng)的IM-DML技術(shù)，CM-DML使用相干檢測的光信噪比（OSNR）靈敏度超過-10dB，相對于正交相移鍵控（QPSK）7％的前向糾錯(cuò)（FEC）門限，它的靈敏度降低至6dB�？蒲腥藛T通過實(shí)驗(yàn)證明：使用CM-DML后，雙極化（DP）的四進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）信號在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中可以傳輸1000公里。這些實(shí)驗(yàn)揭示了CM-DML的巨大應(yīng)用潛力，在未來有希望能取代商業(yè)化的雙極化四相相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制產(chǎn)品而得到推廣。
    法國阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方式，在改變帶寬效率調(diào)制時(shí)，對多載波和單載波的非線性容限進(jìn)行了比較研究�？蒲腥藛T提出了兩種不同的配置，即在50 GHz的間隔的WDM網(wǎng)格下使用4和8個(gè)副載波進(jìn)行24和48 GBps雙極化四相相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制過程，并且比較了等效的單載波系統(tǒng)測試結(jié)果。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都證明，研究人員設(shè)計(jì)并驗(yàn)證的相關(guān)配置可以影響多載波的信號傳輸性能和通信帶寬效率，造成多載波傳輸方式的非線性容限改善與通信帶寬效率下降。

    意大利都靈理工大學(xué)電子與信息學(xué)院、馬里奧高等學(xué)院、大連大學(xué)信息工程學(xué)院的研究人員，討論了優(yōu)化傳輸符號速率（SRO）引起的非線性緩解效應(yīng)，并分析了其對信號傳輸質(zhì)量提升之間的關(guān)系。首先，科研人員做了理論分析和仿真研究后發(fā)現(xiàn)，非線性EGN模型能夠影響到前面提及的非線性效應(yīng)，尤其體現(xiàn)在四波混頻效應(yīng)上；研究人員還發(fā)現(xiàn)，對于PM-QPSK光信號在整個(gè)C波段上傳輸而言，若將傳輸符號速率（SRO）從2GBD優(yōu)化至6 GBD，則相應(yīng)地可將傳輸范圍大幅提升約10%至25%。在C波段范圍內(nèi)， PM-QPSK光信號在單模光纖鏈路中傳輸后，其對傳輸符號速率（SRO）的優(yōu)化性能比理想數(shù)字光信號的傳輸，盡管其傳輸通常應(yīng)用于帶寬為32 GBD的通道上。然后，科研人員成功開展了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了理論驗(yàn)證和模擬預(yù)測比較吻合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們實(shí)施的具體實(shí)驗(yàn)配置包括：19路PM-QPSK光信號傳輸鏈路，利用純硅芯光纖在每路通道中以128 Gb /s的通信速率傳輸信息，光纖鏈路跨距距離長達(dá)108公里，并同時(shí)使用摻鉺光纖放大器實(shí)施中繼放大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該傳輸系統(tǒng)的傳輸帶寬范圍獲得了約13.5%的增長；當(dāng)單載波光信號傳輸應(yīng)用于上述每條光纖通道中時(shí)，占用帶寬為32 GBD，而當(dāng)8路子載波傳輸于每條光纖鏈路通道時(shí)，占用帶寬為4GBD�？蒲腥藛T還深化了理論研究過程，并指出該系統(tǒng)的傳輸帶寬增長范圍約為PM-16QAM系統(tǒng)的 50% 至60% 。

光纖技術(shù)
    直徑為50μm、纖心折射率漸變的多模光纖可用于復(fù)用模式傳輸，該傳輸模式使用了多輸入多輸出數(shù)字信號處理與選擇模式復(fù)用技術(shù)。睿司曼集團(tuán)埃因霍溫研究小組和法國阿圖瓦佛蘭德斯工業(yè)園的科研人員，分析和描述了該類多模光纖的應(yīng)用模式，并將它們與低階差分模式群延遲數(shù)模光纖進(jìn)行了詳細(xì)比較。研究人員觀測到：多種微分模式延遲（DMDs）共存于多芯光纖（MCF）和/或少模光纖中。從多輸入多輸出（MIMO）均衡技術(shù)實(shí)施的角度來看，每一個(gè)多芯和/或多模信號的最佳均衡抽頭長度應(yīng)根據(jù)不同的微分模式延遲（DMD）值變化而變化。相應(yīng)地，為獲得滿意的實(shí)際性能，我們可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算來為每一個(gè)抽頭尋找最佳的匹配長度。
    日本橫須賀市NTT網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、沖繩國家技術(shù)研究所的研究人員，提出了一種應(yīng)對多種微分模式延遲（DMDs）的新技術(shù)，該技術(shù)同時(shí)還可以改善有復(fù)雜計(jì)算過程的新型自適應(yīng)MIMO均衡方法的實(shí)施過程。該方法提出為所有的多芯和/或多模信號采用相同的抽頭長度，并采用最大微分模式延遲（DMD）技術(shù)來降低計(jì)算成本。由于設(shè)置了非最佳的抽頭長度而引起了噪聲增強(qiáng)的負(fù)面影響，為了消除這些影響，該方法應(yīng)用了改進(jìn)的比例歸一化最小均方（IPNLMS）算法。基于系數(shù)的整體稀疏性，研究人員采用杠桿均衡系數(shù)來更新抽頭系數(shù)，并采用改進(jìn)的比例歸一化最小均方（IPNLMS）算法周期性地更新均衡系數(shù)，按比例提高前面的系數(shù)，使得信號中包含的有效參數(shù)得到提升，而噪聲部分則被大幅抑制。研究人員還使用一個(gè)簡單的稀疏度量算法來計(jì)算系數(shù)的整體稀疏性，以確定IPNLMS參數(shù)。
    英國阿斯頓大學(xué)阿斯頓光子技術(shù)研究所的科研人員提出了一種極有前景的減輕光纖非線性負(fù)面效應(yīng)的傳輸方法。盡管非線性傅里葉變換（NFT）和使用非線性信號譜的特征值通信（離散和連續(xù)）模式近年來被廣泛關(guān)注，然而由于基于非線性傅里葉變換的光傳輸研究方法采用了無損非線性薛定諤方程（(NLSE)）的可積特性，原來的方法只能直接應(yīng)用到理想分布式光纖拉曼放大器的光纖鏈路中。研究人員詳細(xì)研究了非線性逆合成（NIS）方案中的非理想拉曼增益譜，并將其發(fā)送信息直接編碼到非線性信號譜的連續(xù)部分；他們還通過研究拉曼增益的平均效應(yīng)，提出了非理想拉曼增益譜光纖鏈路的無損平均路徑（LPA）模型。研究結(jié)果表明，使用無損平均路徑模型的非線性逆合成方案能夠提供3dB的傳輸性能增益，且該增益特性與拉曼增益性能無關(guān)。