邵宇豐 周越 李長祥 馬文哲 季幸平
2017年1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、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
來自意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實驗室和TeCIP研究所的科研人員研究表明：相干檢測是解決在長距離上實現(xiàn)高比特率傳輸問題的常用方案。然而，相干檢測需要本地振蕩器和數(shù)字信號處理技術(shù)，這就使得它不適用于成本較高且低功率的互連、短距離鏈路。針對這些問題，直接檢測是眾多解決方案中的首選，但其主要影響因素是光纖的色散效應(yīng)。在理論上，組合幅度相移（CAPS）碼能夠在一定程度上消除色散負面影響，而且可以很容易地實現(xiàn)由直接檢測接收器進行直接檢測的過程，但是組合幅度相移（CAPS）碼的生成卻成了一大難題�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)：組合幅度相移（CAPS）碼的復(fù)雜性會隨著碼字的增加而增長，而碼字長度又會隨著色散的增大而增加。因此科研人員提出了IQ二進制調(diào)制方案，這是一種用于近似3階組合幅度相移（CAPS）碼的新技術(shù)。這種調(diào)制方案可以在比特率為50Gb/s的處理技術(shù)情況下實現(xiàn)距離達到18km的傳輸。

圖1. IQ雙二進制發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖

    來自三菱電氣株式會社通信系統(tǒng)集團、信息技術(shù)研發(fā)中心的科研人員，提出了一種100 Gb/s的相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)原型。該系統(tǒng)具有100 Gb/s的實時相干收發(fā)器、簡化的數(shù)字信號處理（DSP）以適合跨度訪問、以及基于前置放大器的自動增益控制摻鉺光纖放大器（AGC-EDFA）。該放大器具有自發(fā)放大輻射補償函數(shù)（ACF），以提高上行信號的最小相干檢測接收靈敏度，特別是在接收信號功率非常低的時候�；�于所提出的技術(shù)，科研人員在傳輸距離超過80公里、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）分支數(shù)為8的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中，首次實現(xiàn)了超過39.1 dB的雙向傳輸增益，上行接收機靈敏度改進為-38.1 dBm。為了探究所提出的相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)在未來5G移動前端（MFH）網(wǎng)絡(luò)中的可行性，科研人員進一步對相干波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）中的100 Gb/s雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）信號進行了實驗探討，并對該信號施加了128 Kb/s的輔助管理和信道控制（AMCC）。通過將信道控制信號的調(diào)制指數(shù)設(shè)置在5％和40％之間，科研人員成功傳輸了100 Gb/s的雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）信號，其功率損失僅為0.2dB。
    來自臺灣大學光子學與光電子學研究所、喬治亞理工學院電氣與計算機工程學院的科研人員，在混合有線和無線的毫米波系統(tǒng)（MMWOF）中，使用包含雙邊帶載波的中心載波抑制技術(shù)和直接編碼雙色激光二極管（LD）生成了具有低相干性的毫米波（MMW）載波�？蒲腥藛T在所提出的毫米波系統(tǒng)中，實現(xiàn)了光有線頻帶帶寬為36Gb/s和毫米波（MMW）無線頻帶帶寬為12Gb/s的最大傳輸容量�？蒲腥藛T將三種載波頻率（28GHz、39GHz和47GHz）的毫米波（MMW）進行合成以實現(xiàn)第五代（5G）移動網(wǎng)絡(luò)通信。他們提出的雙色注入鎖定（dual-color injection-locking）能有效地將中心載波功率抑制為-37dBm，這為雙色光載波提供的中心載波抑制比為38dB。47 GHz雙邊帶載波注入能夠以36 Gbit / s的速率傳輸64QAM-OFDM數(shù)據(jù)，其最弱的四波混頻模式大大抑制了光纖色散，在25 km單模光纖 （SMF）上傳輸后最低誤碼率（BER）為2.1×10 -3。在光基帶傳輸之后，光子混合的28GHz、39GHz和47GHz 毫米波（MMW）與雙色載波進行拍頻，以顯示線寬低于1.2Hz的類似光譜，并使載波信噪比大于41dB。28 GHz的毫米波（MMW）載波可以在1.6 m的自由空間中無線收發(fā)傳輸速度為12 Gbit/s的16QAM-OFDM信號，其平均信噪比為15.3 dB，誤差向量幅度為17.1％，接收誤碼率（BER）為3.3×10-3。
    來自日本電報電話公司NTT網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室、設(shè)備技術(shù)實驗室的科研人員，設(shè)計出基于強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）的單通道光傳輸網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)速率可達250 Gbps。當總線速度信號達到300 Gbps時，離散多音調(diào)制（DMT）可以由一種數(shù)字預(yù)處理模擬多路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DP-AM-DAC）產(chǎn)生，它包含一個數(shù)字處理器、兩個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和一個模擬多路復(fù)用器（AMUX）�？蒲腥藛T研究了一種新型方案，能使DP-AM-DAC中的AMUX驅(qū)動所需的時鐘頻率降低50%，因此能更容易地擴展最終輸出信號的帶寬，并在最后輸出的圖像信號中得以體現(xiàn)。在實驗中，科研人員在37.5 GHz時鐘頻率下驅(qū)動模擬多路復(fù)用器（AMUX），最終產(chǎn)生了61.5 GHz帶寬的DMT信號。他們使用一種3-dB帶寬超過55 GHz的O-Band外調(diào)制激光器（EML）作為光發(fā)射機，通過10公里單模光纖與光纖放大器的傳輸后，接收信號的誤碼率低于軟判決前向糾錯閾值的20%。


圖2. 新型DP-AM-DAC系統(tǒng)的原理圖
    來自中國蘇州大學計算機科學與技術(shù)學院的科研人員，設(shè)計了一種新型光纖無線接入網(wǎng)絡(luò)（ROF），該無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）由一個光線路終端（OLT）和多個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）組成。在此基礎(chǔ)上，科研人員提出了兩種新的接入方案，根據(jù)以下兩種情況下對網(wǎng)絡(luò)編碼和設(shè)備進行關(guān)聯(lián)：（1）每個設(shè)備與一個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）關(guān)聯(lián)，用于上傳和下載其數(shù)據(jù)分組;（2）每個設(shè)備與兩個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）相關(guān)聯(lián)，用于上傳和下載其數(shù)據(jù)分組�？蒲腥藛T將此二者稱為網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計和對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCSDA）問題、以及網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計和非對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCADA）問題。他們?yōu)榱私鈱ΨQ設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCADA）的潛力，對混合整數(shù)進行了非線性規(guī)劃，使分組傳輸（WNT）的加權(quán)數(shù)最小化，該加權(quán)數(shù)與能量消耗和系統(tǒng)容量相關(guān)。然后分析了無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中最小分組傳輸（WNT）的緊上界，通過混合整數(shù)線性規(guī)劃來近似對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCSDA）問題。科研人員還給出了非對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCADA）問題的理論分析，并將其表示為混合整數(shù)線性規(guī)劃，進一步開發(fā)了基于線性規(guī)劃的高效算法，并給出了網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計，以解決對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCSDA）問題和非對稱設(shè)備關(guān)聯(lián)（NCADA）問題。


圖3. 一種FiWi接入網(wǎng)示例圖
無源和有源光子器件
    來自比利時根特大學電信和信息處理（TELIN）系數(shù)字通信（DIGCOM）研究中心的科研人員發(fā)現(xiàn)，使用由照明LED傳輸信號的室內(nèi)可見光定位（VLP）研究已經(jīng)成為研究界熱門方向。近年來，可見光定位（VLP）技術(shù)采用了一系列接收機結(jié)構(gòu)和定位算法�？蒲腥藛T通過使用有一定孔徑的接收機和強度檢測技術(shù)，來分析可見光定位（VLP）系統(tǒng)的性能。基于孔徑的接收器包含多個接收元件，其中每個接收元件由光電二極管組成。實驗研究表明：這種形式的接收器能夠緊湊實現(xiàn)集成，并且可以提供較寬的視場性能以及良好的角度分集性能。實驗研究結(jié)果證明：此類接收器可以有效地從無方向LED發(fā)射光中提取位置的相關(guān)信息�？蒲腥藛T將光電二極管輸出處的信號與一組參考信號相關(guān)聯(lián)，并能將接收信號強度以及到達角信息等觀測結(jié)果直接用于估計接收機的位置。為了評估基于該方法的定位算法性能，科研人員導(dǎo)出了位置估計中的Cramer-Rao下限。實驗結(jié)果表明：Cramer-Rao下限值取決于所選擇的參考信號，并且能使用有限數(shù)量的非定向LED獲得亞厘米至厘米范圍內(nèi)的準確度。
來自中國武漢華中科技大學國家光電實驗室的科研人員，研究了等離激元單模和雙模諧振器耦合系統(tǒng)中的等離子體激元誘導(dǎo)透明度（PIT）和慢光性質(zhì)。裸態(tài)的等離子體激元誘導(dǎo)透明度（PIT）效應(yīng)，來源于槽腔中的輻射駐波模式與環(huán)形諧振器中的兩個外輻射行波模式之間的相消干涉�？蒲腥藛T建立了一個理論模型來描述這個等離子體激元誘導(dǎo)透明度（PIT）系統(tǒng)，并且發(fā)現(xiàn)分析的結(jié)果與數(shù)值模擬非常的吻合�？蒲腥藛T通過改變調(diào)制結(jié)構(gòu)的參數(shù)來調(diào)整透明度窗口，并且詳細討論了等離子體激元誘導(dǎo)透明度（PIT）的兩種線形類型。實驗結(jié)果表明：具有低分辨率和相等雙峰的等離子體激元誘導(dǎo)透明度（PIT）窗能夠顯示高性能的慢光。

圖4. MIM雙模環(huán)形諧振器和單模槽腔耦合系統(tǒng)的示意圖

    來自臺灣大學光子與光電研究所的科研人員指出，光子和電子由于埋氧層厚度的不同而無法在同一芯片上集成，因此他們用結(jié)晶硅芯波導(dǎo)作為互連平臺來解決這一問題。硅芯以體硅（100）為基底波導(dǎo)，通過激光系統(tǒng)進行形狀再生，隨后通過氧化工藝產(chǎn)生二氧化硅包層。雖然硅芯的形狀已經(jīng)改變，但它仍然保持其單晶性質(zhì)，并且可以進行寬帶傳輸。測試結(jié)果顯示，沿著軸向的幾個局部缺陷會令導(dǎo)波出現(xiàn)明顯的散射，并且傳播損耗估計約為7dB/cm。科研人員認為觀察到的局部缺陷來源于波浪結(jié)構(gòu)，應(yīng)用所提出的方法可以減少該損耗。此外，芯層與基板的距離可調(diào)，側(cè)壁粗糙度良好。除了端面上的耦合損耗，各種損耗可能減小至1dB/cm，而端面上的耦合損耗則能通過適當?shù)鸟詈掀骷�來加以改善�?
    來自耶路撒冷希伯來大學應(yīng)用物理系、海法大學電氣工程部的科研人員，設(shè)計了一個具有高測量性能的波導(dǎo)光柵路由器（WGR），其自由光譜范圍（FSR）為200 GHz，光譜特征分辨率接近GHz級，該波導(dǎo)光柵路由器可應(yīng)用于未來的高分辨率的光子光譜處理器（PSP）�？蒲腥藛T設(shè)計波導(dǎo)光柵路由器（WGR）的自由光譜范圍，以支持容量為1Tb/s的超級信道的子信道添加或分出。為了降低制造缺陷帶來的影響，科研人員將硅基液晶（LCOS）相位空間光調(diào)制器（SLM）置于成像配置中，對波導(dǎo)光柵路由器（WGR）出射光束中的250個波導(dǎo)引入相位校正。第二個LCoS-SLM調(diào)制器位于傅立葉平面處，用于任意頻譜幅度和相位操作。光子光譜處理器（PSP）則用于多個系統(tǒng)傳輸實驗中，以完成亞GHz頻譜分辨率的靈活頻譜整形和子載波下降解復(fù)用。
    來自美國斯坦福大學金斯頓實驗室的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，光學技術(shù)在信息處理和通信方面不僅能夠有效地解決能量耗散問題，同時還能解決機器內(nèi)部互連帶寬密度的問題。能量耗散總體上取決于環(huán)境水平，耗散源逐漸從邏輯運算轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰炕ミB。科研人員表明：如果無法大幅度減少傳輸每比特的能量，未來將不能繼續(xù)實現(xiàn)信息的指數(shù)級增長。光學和光電子物理學可以從根本上解決能量互連和帶寬密度問題，而光學可能是這類問題的唯一的可擴展性解決方案。科研人員總結(jié)了光電子技術(shù)和新型光學器件的相應(yīng)背景、狀態(tài)、因素和研究方向，包括波導(dǎo)和新型2D陣列光學系統(tǒng)中的亞毫微微焦耳器件。他們比較了低能光電輸出器件的不同方法及其縮放功能，包括激光器、調(diào)制器和LED；同時比較了各類材料的各自優(yōu)勢，包括2D材料和其他量子限制結(jié)構(gòu)�；ミB耗散主要存在于接收機放大器的定時恢復(fù)和復(fù)用電路中，科研人員利用這種光電子能量減少特性使用光學連接消除線路的能量耗散。實驗結(jié)果證明：光電探測器的集成可以減少或消除接收器的電路能量，以及消除對定時和多路復(fù)用電路的需求（同時解決帶寬密度問題），并且通常使用光學器件來節(jié)省大型同步系統(tǒng)的功率消耗。

光傳輸
    直接檢測以其成本低、易于集成等優(yōu)點，在中短距離傳輸中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。特別是，由于較高的頻譜利用率和較強的抗色散性，單邊帶（SSB）奈奎斯特副載波調(diào)制的應(yīng)用具有較高的潛力。來自北京大學先進光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的科研人員，通過實驗設(shè)計了800Gb/s（8×100Gb/s）的直接檢測光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)，采用奈奎斯特16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）和半周期SSB載波調(diào)制，在標準單模光纖（SSMF）中傳輸320km的距離。每個通道載有25GBaud 16-QAM-SSB信號，通道間隔為35GHz�？蒲腥藛T還比較了單通道和波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)的非線性性能。在320km標準單模光纖（SSMF）上傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用（WDM）系統(tǒng)的誤碼率（BER）為6.73×10-3�？紤]到闕值為20％硬判決前向糾錯（HD-FEC）和幀冗余，以2.32b/s/Hz的頻譜效率實現(xiàn)650.4Gb/s的凈比特率。利用這種有效的頻譜調(diào)制技術(shù)，科研人員的研究實現(xiàn)了C波段高容量直接檢測的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在標準單模光纖（SSMF）中傳輸320km。
    來自巴塞羅那電子通信中心、大阪大學工學院和神奈川富士通有限公司的科研人員，設(shè)計并實驗證明了一種自適應(yīng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），其具有高度靈活的域間協(xié)調(diào)行動、智能化的業(yè)務(wù)流程�？蒲腥藛T還搭建了一個先進的多域多技術(shù)測試臺，它由一個400Gb/s可變?nèi)萘抗夥纸M交換域和一個Tb/s級靈活光柵波分復(fù)用光電路交換域組成。自適應(yīng)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）中的可控應(yīng)答器和擴展傳輸應(yīng)用編程接口（API），能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)端到端的實時擁塞感應(yīng)。在數(shù)據(jù)平面級別，基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的多個轉(zhuǎn)發(fā)器用于域間和域內(nèi)鏈路，以提供精細的自適應(yīng)服務(wù)。為了進一步提高自適應(yīng)能力，科研人員還引入了具有SDN能力的特定光學性能監(jiān)視器。在控制平面中，科研人員擴展了基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)操作（ABNO）架構(gòu)，并將其稱為自適應(yīng)SDN協(xié)調(diào)器。
    來自北京大學先進光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的科研人員，設(shè)計了一種224Gb/s的單極化直接檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)在標準單模光纖（SSMF）中傳輸160km，在C波段使用奈奎斯特16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）的半周期單邊帶（SSB）信號�？紤]幀冗余和具有7%硬判決前向糾錯（HD-FEC）后，得到的凈比特率為203.4Gb/s。在160km的傳輸后，比特錯誤率（BER）為3.6×10-3，這小于7%硬判決前向糾錯（HD-FEC）4.5×10-3的闕值。在實驗中，科研人員在發(fā)射機側(cè)的光載波中附加激光，其與信號一起傳送。對于短距離傳輸，載波和信號之間的非線性相互作用通常是不明顯的。因此，科研人員的方案等效于采用本地振蕩器和單端光電二極管進行的外差相干檢測， 通過推導(dǎo)SSB信號的電信噪比（SNR）和光信噪比（OSNR）之間的關(guān)系來研究系統(tǒng)性能，最后他們將實驗的頻譜效率和硬件復(fù)雜度與其他直接檢測方案進行比較。由單端光電二極管的平方律檢測引起的信號-信號差拍干擾（SSBI）能通過接收器側(cè)的迭代技術(shù)進行補償。帶寬受限系統(tǒng)中的均衡增強的帶內(nèi)噪聲能采用數(shù)字后置濾波器以及最大似然序列判決來補償。研究人員提出的設(shè)計能針對數(shù)據(jù)中心互連和一些大城市區(qū)域提供超100G高速直接檢測傳輸?shù)慕鉀Q方案。

圖5. 系統(tǒng)實驗配置原理圖
光纖技術(shù)
    來自暨南大學光子技術(shù)研究所的科研人員，提出了一種基于表面等離子體共振（SPR）反射光纖的生物傳感器，用于對高分辨率的尿水通道蛋白-2（AQP2）進行無標記特異性檢測。該生物傳感器利用具有50nm金涂層的傾斜光纖布拉格光柵（TFBG），來激發(fā)表面等離子體共振（SPR），以檢測光纖表面和周圍環(huán)境的折射率變化。傳感器的核心模式是溫度控制，對周圍的折射率不敏感，所以該傳感器的可控性較強。實驗結(jié)果表明，強度變化與水通道蛋白-2（AQP2）的濃度之間保持著線性關(guān)系。通過實時分析數(shù)值的強度變化，科研人員能夠識別大鼠的腎健康狀況。這種無標簽傳感系統(tǒng)利用了傳感器與水通道蛋白-2（AQP2）抗體的特定功能，即對靶蛋白的高特異性。捕獲尿水通道蛋白-2（AQP2）特異性引起等離子體共振的強度變化，科研人員能夠在幾分鐘內(nèi)清楚地區(qū)分健康和腎病樣品，檢測極限達到1.5ng/ml。該技術(shù)能夠快速、無痛、有效地檢測阿霉素腎病，在人類腎臟疾病臨床診斷中具有重要的價值和應(yīng)用潛力。
    來自美國亞特蘭大州佐治亞理工學院的科研人員，分析了基于PAM-4信號的多模光纖（MMF）鏈路。采用了波長在850 nm和1050 nm的寬范圍垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），有效模式帶寬（EMBc）為2 GHz.km至10 GHz.km�？蒲腥藛T將偽隨機比特序列為字長2-7的信號傳輸于一組標準OM3和OM4光纖，并采用了上述的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。實驗結(jié)果表明，最遠傳輸距離為150 m時，信號傳輸速度大于51.56 Gb/s，誤碼率（BER）小于10-12；最遠傳輸距離為300米時，誤碼率小于10-4。此外，科研人員設(shè)計了在850nm和1100nm寬帶之間工作的原型寬帶多模光纖（WB-MMF），測試結(jié)果表明：最遠傳輸距離為100m時，誤碼率（BER）小于10-12。在背對背（BTB）系統(tǒng)中傳輸光信號時，傳輸速率最高可達到66Gb/s。