光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周越 周俊毅 李長祥 馬文哲
 2016年6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，筆者將逐一評析。 

光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
希臘薩洛尼卡大學情報學系的科研人員指出，迄今為止電信網(wǎng)絡發(fā)展的局限性主要取決于兩個因素，即網(wǎng)絡設備的復雜度與信息傳輸?shù)某杀竞馁M。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛傳播和其業(yè)務的快速增長，相關網(wǎng)絡設備的能源消耗顯著增加。尤其是互聯(lián)網(wǎng)流量的上升導致了所需設備數(shù)量的增加以及網(wǎng)絡設備能源消耗的提升。因此，現(xiàn)代電信網(wǎng)絡高額的資本性支出和運營成本，使得部署市場滲透十分困難。能源消耗的激增最終將成為互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展的障礙。隨著氣候惡化和環(huán)境保護問題受到人們?nèi)找骊P注，科研人員進行了許多工作來提高人們對環(huán)境問題的認識，并設法減少電信網(wǎng)絡的能量消耗。在這種背景下，科研人員對如何減少波分復用(WDM)骨干網(wǎng)絡的IP能源消耗進行了研究。雖然之前已經(jīng)實施了基于光路分支和通訊疏導的方案，并小幅減少了光核心網(wǎng)絡的整體功耗，但是人們并沒有重視虛擬拓撲結構中光路的數(shù)目，以及開發(fā)當前光路的剩余容量。本文通過引入三種啟發(fā)式方案克服了上述缺點，設法顯著降低虛擬拓撲結構中建立的光路數(shù)目；以更有效的方式開發(fā)光路資源并充分利用光路的剩余容量。這些功率感知方案將重點放在波分復用(WDM)光網(wǎng)絡運營階段和能源規(guī)劃問題上。大量的仿真結果表明，科研人員提出的算法相比于傳統(tǒng)的節(jié)能技術，在功耗性能改進方面具有重大突破。

圖1. 基于WDM網(wǎng)絡的IP路由分配方案

來自韓國延世大學電氣與電子工程系的科研人員提出，在正交頻分復用多址（OFDMA）無源光網(wǎng)絡（PON）中，一種用于減輕光拍頻誘導上行多址信號之間多用戶干擾（MUI）的新技術。在一個單波長正交頻分復用（OFDM）的光接入網(wǎng)絡中實現(xiàn)上行多址接入時，光拍頻誘導干擾和偏振多樣性是嚴重降低系統(tǒng)性能的兩大問題�？蒲腥藛T利用自零差相干檢測法提出了總強度聚集（TIA）技術，實驗證明：通過減少正交頻分多址（OFDMA）無源光網(wǎng)絡（PON）中上行多址接入傳輸?shù)亩嘤脩舾蓴_（MUI），能使系統(tǒng)穩(wěn)定地傳輸�？蒲腥藛T提出的技術可以顯著降低多用戶干擾（MUI）的負面影響；在此基礎上，科研人員還提出采取總強度聚集（TIA）技術來減少各種無線、有線多址接入光網(wǎng)絡中的信號干擾影響。
來自東北大學計算機科學與工程學院的科研人員指出，由于電力網(wǎng)絡設備的大規(guī)模部署，光纖無線（Fi-Wi）接入網(wǎng)絡將會迎來高能耗的挑戰(zhàn)。隨著人們對綠色通信基礎設施日益增長的需求，能耗高的問題可能會成為光纖無線（Fi-Wi）接入網(wǎng)絡發(fā)展的主要障礙之一。以前提出的方案說明綠色光纖無線（Fi-Wi）接入網(wǎng)絡包含三個部分，包括網(wǎng)絡設備如光網(wǎng)絡單元（ONU）的優(yōu)化配置、具有服務質(zhì)量（QoS）保證且同時具有高效帶寬分配的光網(wǎng)絡單元（ONU）、根據(jù)流量分布能實現(xiàn)動態(tài)功耗狀態(tài)調(diào)度的光網(wǎng)絡單元(ONU)（主動/睡眠）。然而，這些方案并沒有同時考慮采用節(jié)能設計的無線子網(wǎng)。事實上，當在光學子網(wǎng)中的一些光網(wǎng)絡單元（ONU）被切換到睡眠狀態(tài)時，最初發(fā)送睡眠指令傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡單元（ONU）的無線電端口，只有部分端口將是空閑或是低負荷的�？蒲腥藛T提出了一個新的方案，通過關閉閑置或者低負載的無線電來實現(xiàn)節(jié)能的無線子網(wǎng)。本文致力于設計節(jié)約能源的集成光學和無線網(wǎng)絡，來實現(xiàn)綠色光纖無線（Fi-Wi）接入網(wǎng)。為了設計節(jié)能的方案，科研人員采用了新型的電源狀態(tài)分別來定義無線網(wǎng)絡設備和無線電。針對動態(tài)的傳輸信息，科研人員提出了啟發(fā)式算法，為集成無線的前端和光纖無線（Fi-Wi）接入網(wǎng)的光纖后端節(jié)約能量。首先，科研人員提出了光網(wǎng)絡單元（ONU）休眠機制的節(jié)能算法（EAS），根據(jù)光網(wǎng)絡單元（ONU）的電源動態(tài)調(diào)度的狀態(tài)來判斷流量分布與負荷閾值。然后，科研人員還提出了基于無線電的節(jié)能算法（ERO），通過動態(tài)地控制無線電的電源狀態(tài)來重新配置無線子網(wǎng)的拓撲結構。此外，科研人員在EAS和REO使用無線路由來保障QoS網(wǎng)絡的服務性能。最后，科研人員把提出的EAS和ERO算法策略地結合起來，并將該節(jié)能方案稱為EE。仿真結果表明，隨著參數(shù)的合理設置，在流量負荷很大的范圍內(nèi)，提出的EE方案可以分別節(jié)省從33.14%到64.35%和8.56%到36.42%的能量。

圖2. Fi-Wi接入網(wǎng)絡架構圖

來自中國科技大學信息科學與技術學院的科研人員指出，在多信號域情況下彈性光網(wǎng)絡（EONs）可以提高網(wǎng)絡的可擴展性，擴大服務覆蓋面，并處理多載波的情況。然而，作為一個惡意的客戶端可以從物理層進行跨域攻擊，因此多域彈性光網(wǎng)絡（EONs）的安全問題不容忽視。在本文中，科研人員考慮如何改善多域的彈性光網(wǎng)絡（EONs）的物理層的安全級別。具體來說，科研人員將區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間安全性請求進行劃分，再設計路由和頻譜分配（RSA）的方案。要做到這一點，科研人員分析了共享彈性光網(wǎng)絡（EONs）光學元件下不同客戶的物理層漏洞（尤其是可信的和不可信的），分析潛在攻擊的情況下不同路由和頻譜分配（RSA）的安排，并量化相應的安全威脅與攻擊因子。然后，科研人員定義了具有多域攻擊感知的路由和頻譜分配（RSA）問題，并制定一個整數(shù)線性規(guī)劃模型來準確地解決這個問題。為了減少時間復雜度，科研人員還提出一個啟發(fā)式算法。上述算法能同時在離線和在線的情況下進行大量的模擬計算，研究人員得到的仿真結果驗證了其有效性。

圖3 . 彈性光網(wǎng)絡的路由和頻譜分配圖

來自上海交通大學先進光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡國家重點實驗室、阿維尼翁大學計算機科學實驗室的科研人員指出，盡管彈性光網(wǎng)絡（EONs）有望實現(xiàn)越來越多的動態(tài)和異構通信，然而對于目前的波分復用（WDM）光網(wǎng)絡來說也是一種挑戰(zhàn)——這要求光學器件的帶寬是可變的。混線速率（MLR）光網(wǎng)絡作為一個過渡的解決方案，它允許幾個線路速率共存（例如，10/40/100Gb/s）�；�于混線速率光網(wǎng)絡，科研人員提出了一種距離自適應的預配置環(huán)（p-Cycle）保護方案。根據(jù)每個保護路徑的長度，科研人員設計了路徑-長度-有限預配置環(huán)（p-Cycle）來分配線路速率。與傳統(tǒng)的候選周期枚舉不同，科研人員建立了一個混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，來直接產(chǎn)生最小資本支出（CAPEX）預配置環(huán)�？蒲腥藛T還開發(fā)了兩種算法使提出的混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型具有可擴展性。仿真結果表明，對于MILP預配置環(huán)，該算法可顯著提高時間效率�？蒲腥藛T進一步與其他方案比較預配置環(huán)的設計方法。研究結果表明，本文提出的方法在很大程度上減少了超過40%的資本支出（主要是轉發(fā)器成本）。

圖4. MLR光網(wǎng)絡中的p-Cycle模型圖

無源和有源光子器件
華為加拿大研究中心電氣與計算機工程系的科研人員，展示了一個硅絕緣體上馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）的綜合模型。硅光子調(diào)制器具有很強的非線性相位調(diào)制和頻率響應，可以用在大容量傳輸系統(tǒng)中，而此模型可以實現(xiàn)設備的設計和系統(tǒng)的性能優(yōu)化。此模型包括P-N結相移器和行波電極的物理模型，以及動態(tài)微波光相互作用與時域分析的電路模型�？蒲腥藛T通過時域有限差分法建立分布式電路模型，進而利用此模型仿真了光與微波之間的動態(tài)相互作用。多次使用6毫米相移器的馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）得到實驗結果，通過與此實驗結果對比，可以確定該模型的有效性。仿真結果表明，高速運行速率可達到46Gb/s。另外，這個時域模型可以幫助科研人員預測非線性特性對大信號響應的影響，但對頻域線性模型的預測效果相對較差。

東南大學物理與電子學院光電信息科學與工程系的科研人員，研究了慢光增強的超小型等離子馬赫曾德爾干涉?zhèn)鞲衅�。傳感臂由傳統(tǒng)的金屬-電介質(zhì)-金屬等離子體波導，或者基于電磁感應透明的電漿類似物的波導系統(tǒng)組成。這類電漿電磁感應透明波導系統(tǒng)可被改造來支持慢光模型�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，隨著減速因子的增加，該模型的有效折射率靈敏度相對于填充結構材料的可變折射率有所增加。這種折射率變化靈敏度的慢光增強導致檢測性能的提高�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，在最小可檢測的折射率變化范圍內(nèi)，與使用常規(guī)的金屬-電介質(zhì)-金屬電漿波導傳感器相比，使用電漿電磁感應透明波導系統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀傳感器的折射率靈敏度增強了大約一個數(shù)量級�？蒲腥藛T還發(fā)現(xiàn)，電漿馬赫-曾德爾干涉儀傳感器的折射率靈敏度是波導腔傳感器的靈敏度的兩倍。這個波導腔是由電漿電磁感應透明波導系統(tǒng)和兩個傳統(tǒng)的金屬-電介質(zhì)-金屬波導構成的

美國菲尼薩公司的科研人員，研發(fā)了一種具有28GHz帶寬的高速1310nm 鋁-多量子阱(Al-MQW)掩埋異質(zhì)激光器。通過28 Gbaud四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）和56Gb/s非歸零（NRZ）調(diào)制對激光器的傳輸性能進行比較。結果顯示，兩者都能滿足10km的鏈路預算，但是56Gb/s非歸零（NRZ）調(diào)制的靈敏度比前者多2dB，這歸因于直接調(diào)制激光器較寬的帶寬和非歸零（NRZ）調(diào)制較大的峰峰電壓。另一方面，28Gbaud四電平脈沖幅度調(diào)制的優(yōu)點在于減少了發(fā)射端和接收端PIN二極管的帶寬需求，能將較低的偏壓施加到激光器和具有較高響應度的PIN上，換句話說，該優(yōu)點為在具有低功率損耗中的高溫操作提供了可行性方案。與−60ps/nm負色散光纖的背靠背靈敏度相比，兩種調(diào)制都表現(xiàn)出負色散罰值，可以通過觀察激光器的啁啾特性來預測實驗結果。可靠性研究結果表示，該激光器能在85°C 且在輸出電壓為恒定偏壓60mA的情況下連續(xù)發(fā)光長達11600h。

滑鐵盧大學電氣與計算機工程系、德黑蘭大學電氣與計算機工程系的科研人員指出，納米天線具有光波輻射結構，其無線電頻率的相關部分是基于相同的物理原則而被設計的。然而,在光學頻率范圍內(nèi)，材料物理性質(zhì)的不同，將使得入射電磁場產(chǎn)生不同的反應，這促成了它們在光學中的新應用。為了分析和設計這些天線結構，需要對傳統(tǒng)方法進行一些修改�？蒲腥藛T提出了一種處理復雜圖像的格林方程，來模擬多層介質(zhì)嵌入式納米天線中光波間的相互作用。該方法結合了退火算法，來設計和優(yōu)化由強耦合納米尺度散射體組成的結構�？蒲腥藛T表明，該方法不僅可以提高光學設備的效率，而且當它們在適當?shù)臅r候被激活時，可以實現(xiàn)信道的正交傳輸。本文還提供了一個新的方案來對光學信息系統(tǒng)中的信號進行編碼和復用。

愛爾蘭利默里克大學電子和計算機學院光通信研究組的科研人員，提出了一種應變多量子阱(MQW)半導體光放大器(SOAs)的穩(wěn)態(tài)模型（steady-state）。實驗極化模型的最小二乘擬合可放大自發(fā)輻射光譜，以獲取難以測量的模型參數(shù)：如線展寬線型系數(shù)、俄歇復合系數(shù)、帶隙收縮系數(shù)和帶間吸收系數(shù)。科研人員根據(jù)載流子密度來模擬應變多量子阱的捕獲和逃逸過程，其中載流子密度取決于凈逸出時間，并引起障礙效應�？蒲腥藛T仿真獲得了實驗數(shù)據(jù)并把它們進行了比較，研究結果證明了該模型的準確性和通用性。


光傳輸
武漢華中科技大學光電信息學院的科研人員,將恒定幅度零自相關序列（CAZAC）預編碼技術應用到帶寬有限且距離較長的直接檢測光正交頻分復用(DDO-OFDM)系統(tǒng)中，其中恒幅零自相關序列（CAZAC）預編碼技術與信號和信道無關。經(jīng)過恒幅零自相關序列預編碼后，根據(jù)均衡每個子載波的信噪比，科研人員提出了一個簡化的自適應調(diào)制方案。數(shù)值仿真結果表明，采用優(yōu)化調(diào)制指數(shù)，在給定的接收光功率情況下，傳統(tǒng)的8.23Gb/s的雙邊帶（DSB）調(diào)制QPSK-OFDM信號無法實現(xiàn)100公里標準單模光纖（SSMF）的傳輸，而恒幅零自相關序列（CAZAC）可以實現(xiàn)100公里標準單模光纖的傳輸且色散引起的功耗低至2.7 dB。當恒幅零自相關序列（CAZAC）預編碼被應用到16.46 Gbps 16QAM-OFDM系統(tǒng)中，它的優(yōu)勢將更為明顯。由于頻率分集，采用恒幅零自相關序列（CAZAC）的OFDM系統(tǒng)證明更多的色散容限能改進接收機的接收靈敏度。科研人員還分析了每個單獨子載波的信噪比（SNR）。當使用預編碼時，其平坦度能顯著改進調(diào)制格式和提升傳輸距離。基于平坦的信噪比（SNR）曲線的先驗知識，科研人員將自適應調(diào)制算法簡化至三步，其中應用了位加載而省略了功率加載過程。

圖5. (a)DDO-OFDM傳送系統(tǒng)圖 (b)發(fā)送端CAZAC預編碼原理圖

來自華中科技大學武漢光電國家實驗室的科研人員提出，模分復用(MDM)技術能有效地擴大傳輸容量。為了延長傳輸距離和提高相位編碼模分復用(MDM)通信系統(tǒng)的透明性，模分復用(MDM)需要更多的全光相位再生(PR)。然而，模分復用(MDM)信號的相位再生(PR)鮮有報道。科研人員提出并論證了模分復用(MDM)信號的同步相位再生(PR)。相位再生(PR)性能依賴于多模非線性波導的色散控制，并得到較強的幀內(nèi)相敏放大(PSAs)，其中涉及的泵和模分復用(MDM)信號分量被承載在相同的模式下。另一方面，由于相位的嚴重不匹配或微弱的非線性耦合，弱相敏放大/四波混頻在不同模式之間的相互作用得以保證�？蒲腥藛T對詳細特征進行了研究，以進一步優(yōu)化相位再生的性能。研究結果表明，對遞降的20 Gbit/s模分復用(MDM)差分相移鍵控(PSK)信號進行有效的相位壓縮，雙模再生信號的誤差向量幅值分別從10.7％和11.5％降至4.9％和3.7％。

圖6. MDM信號的PR原理圖

光調(diào)制與光信號處理
加拿大英屬哥倫比亞大學的科研人員，提出一種使用開關鍵控（OOK）和源信息轉換的自由空間光（FSO）通信。結果表明，源信息變換能使該系統(tǒng)在不需要信道狀態(tài)信息和湍流模型的概率密度函數(shù)（PDF）的情況下檢測開關鍵控（OOK）信號�？蒲腥藛T推導出檢測閾值的概率密度函數(shù)（PDF）的解析表達式，并且通過平均誤碼率（BER）獲得其上限。數(shù)值研究表明，與理想的自適應探測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以獲得良好的性能，不僅大大降低了算法復雜度，而且在σ=0.25的對數(shù)正態(tài)分布湍流信道的誤碼率為1× 10−9時，信噪比損失僅為1.8dB。

加拿大蒙特利爾國家能源材料和通信研究院的科研人員，基于時域針孔理論，提出了一組非相干光強度波形的時域成像方案，并對它們進行了全面分析。這些分析都包括：時域放大、壓縮系統(tǒng)、時間-頻率映射和頻率-時間映射過程，它們都涉及到光學色散譜線的合理配置以及一個窄的時間門（時域針孔）。科研人員研究了非相干光強度波形的時域成像方案中的主要性能規(guī)格，這包括映射條件、時域/頻域分解的精確估計和操作窗口（時間/光譜視野）�？蒲腥藛T還設計了系統(tǒng)性能優(yōu)化的方程，并討論了理論假設和設計權衡的問題。科研人員的理論研究結果與之前的模擬實驗結果保持一致，并在本文中得到了進一步驗證。

光纖技術
斯坦福大學電氣工程系金茲頓實驗室的科研人員指出，由于多模光纖（MMF）中傳播的多模式和群延遲（GD）的影響，多輸入多輸出（MIMO）數(shù)字信號處理（DSP）的模分復用（MDM）可能具有很高的復雜度。本文討論多模光纖（MMF）中群延遲（GD）、復雜度的影響和多輸入多輸出（MIMO）數(shù)字信號處理（DSP）影響的管理。首先，科研人員回顧了多模光纖（MMF）傳輸模型的廣義瓊斯和斯托克斯表達式，并利用這兩個表達式來描述關鍵群延遲（GD）派生的屬性。然后，科研人員描述了群延遲（GD）管理的三種方法：1）優(yōu)化的光纖設計2）模式耦合以及3）群延遲（GD）的補償。對于方法1），科研人員解釋，以盡量減少傳輸群延遲（GD）為設計原則�？蒲腥藛T回顧實驗結果，表明制備工藝的非理想特性能顯著提高群延遲（GD）蔓延，單單這個方法可能無法實現(xiàn)足夠低的群延遲（GD）傳輸。方法2），科研人員描述了組內(nèi)和組間的耦合機制。科研人員描述基于光子燈籠或長周期光纖光柵模式的擾頻器，都可以保證強大的群體間的耦合。方法3），科研人員回顧群延遲（GD）補償系統(tǒng)的設計原則并表明群延遲（GD）補償只是在內(nèi)部間的隨機耦合部分有效。最后，科研人員提供了自適應多輸入多輸出（MIMO）頻域均衡算法綜述�？紤]到復雜性，性能權衡和適應時間，科研人員表明，群延遲（GD）擴展是確定多輸入多輸出（MIMO）數(shù)字信號處理（DSP）可行性的關鍵因素，其可行性需要更好的群延遲（GD）過程管理。

伊朗伊斯法罕大學理學院物理系的科研人員，推導出了兩個最低階表面等離子體模型（SP）的色散關系。這個模型結構由圍繞在弱化包層光纖外層的薄銀層組成�？蒲腥藛T通過減少金屬厚度來完成模型分裂。通過分析表面等離子體（SP）和光纖模型的色散圖，科研人員研究了相位匹配的條件�？蒲腥藛T測定了高精度的傳輸距離、場結構圖和諧振波長。在外界環(huán)境的折射率范圍為1.333-1.375時，科研人員得到 7.13 × 10−6 RIU的靈敏度。在這種結構下，即便是在紅外區(qū)域，短距離的表面等離子體（SP）模型也不能被激發(fā)�？蒲腥藛T研究了表面等離子體（SP）的芯半徑、金屬厚度、環(huán)境折射率和工作波長的臨界條件。實驗證明，在基于光纖折射率傳感器的表面等離子體（SP）共振中，上述方法有助于最優(yōu)設計單等離子體模型的結構。