光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 李長祥 周越

    2016年2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(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)

    蘇州大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、中天寬帶技術(shù)有限公司的研究人員認(rèn)為，子帶虛級(jí)聯(lián)（VCAT）技術(shù)有助于提高彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的頻譜利用率。另一方面，有效性是光傳送網(wǎng)服務(wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。本文論述了子帶虛級(jí)聯(lián)（VCAT）技術(shù)如何提高彈性光網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率（EON）。為此，研究人員使用一種有效的試探算法和二次規(guī)劃最優(yōu)模型，以最大限度地提高加權(quán)網(wǎng)絡(luò)帶寬可用性。再者，在不同的子路徑之間，可容納的最大偏差時(shí)延（MDD）構(gòu)成了一個(gè)虛級(jí)聯(lián)（VCAT）連接，這被認(rèn)為是一種約束。研究人員還對相關(guān)的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)帶寬可用性進(jìn)行了評(píng)估。考慮到每一個(gè)應(yīng)答器的頻譜容量有限，他們在擴(kuò)展模型的基礎(chǔ)上，為每個(gè)獨(dú)立的應(yīng)答器分配頻譜。仿真結(jié)果表明，相比于無虛級(jí)（non-VCAT），子帶虛級(jí)聯(lián)技術(shù)（VCAT）能夠顯著地提高彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的平均網(wǎng)絡(luò)可用性。研究人員觀測到一個(gè)趨勢：隨著最大偏差時(shí)延（MDD）的增加，平均網(wǎng)絡(luò)可用性也會(huì)增加，但是最終會(huì)達(dá)到飽和。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中可用的轉(zhuǎn)發(fā)器的限制，將成為節(jié)點(diǎn)對之間配置帶寬的瓶頸。

    瑞典皇家理工學(xué)院的研究人員提出，由于光網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)速率，導(dǎo)致物理層信息傳輸?shù)南嚓P(guān)服務(wù)退化，如電源干擾有可能導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)和收益損失。通過建立不相交鏈路的工作和備份路徑可以保護(hù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性措施不受組件故障的損壞，但對此類攻擊卻不能提供足夠的保護(hù)。也就是說，盡管鏈路不相交，由于特定攻擊的傳播特性，工作和備份路徑可能會(huì)受到單一攻擊情形的影響。為了加強(qiáng)現(xiàn)有的抗毀性措施，科研人員利用包含這些特性的攻擊組 (AG) 的概念來確定可以同時(shí)受到單一攻擊影響的節(jié)點(diǎn)。他們將這個(gè)概念應(yīng)用到專用的路徑保護(hù)(DPP)和制定攻擊感知專用保護(hù)路徑（AA-DPP）中，旨在建立具有成本效益的不相交攻擊組的主要和備份路徑。對于工作和備份路徑的路由和波長分配，科研人員提出兩步ILT模型，以及更大的問題實(shí)例的啟發(fā)式算法。計(jì)算結(jié)果表明，該方法提供了增強(qiáng)攻擊保護(hù)的專用路徑保護(hù)方案，且比標(biāo)準(zhǔn)的DPP方法使用的資源更少。

    土耳其比爾肯大學(xué)電氣和電子工程的科研人員對同步和異步可見光定位（VLP）系統(tǒng)的理論極限和估計(jì)進(jìn)行了研究。具體來說，克拉美-羅下限(CRLBs)和最大似然估計(jì)是對基于波達(dá)時(shí)間(TOA)的距離估計(jì)和/或接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)參數(shù)進(jìn)行探討。針對可見光定位系統(tǒng)，提出了混合波達(dá)時(shí)間/基于接收信號(hào)強(qiáng)度的距離估計(jì)。它的CRLB是針對基于波達(dá)時(shí)間和接收信號(hào)強(qiáng)度的距離估計(jì)的CRIBs分析比較。此外，為了調(diào)查采樣的影響，在采樣率限制下得到的漸近性能結(jié)果隨噪聲方差收斂到零。在存在的采樣率限制下，一種改進(jìn)的基于混合波達(dá)時(shí)間/接收信號(hào)強(qiáng)度的距離估計(jì)將提供性能的優(yōu)化。數(shù)值實(shí)例是為了證明理論結(jié)果。

無源和有源光子器件

    日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所和光電子技術(shù)研究協(xié)會(huì)的研究人員，對硅光電芯片的高效性、寬帶和與偏振無關(guān)的光輸入輸出（I/O）耦合進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，他們認(rèn)為未來高性能計(jì)算系統(tǒng)所需的高密度光輸入/輸出（I/O）連接必須是單模垂直的光輸入/輸出（I/O）耦合。研究人員使用了45°反射鏡來證明這種光學(xué)耦合，這種反射鏡是由一個(gè)高性價(jià)比的切割技術(shù)與拋光技術(shù)而集成的。該45°反射鏡被集成到一個(gè)硅基上的硅富硅(SiOx )波導(dǎo)中。光束的輪廓是單模光纖耦合的重要因素，為了對其進(jìn)行評(píng)估，研究人員測量近場模式和由45°反射鏡反射光束的遠(yuǎn)場模式。在拋光過程中，他們成功的得到了作為垂直光輸出的高質(zhì)量單模光束。使用45°反射鏡后，他們證實(shí)有效的單模垂直光耦合損失約為0.3dB。波長的損耗對于水平極化波（TE)和垂直極化波（TM）的偏振分別小于0.6dB和0.2dB。偏振相關(guān)的損耗也很小，它在1500-1600納米的波長范圍內(nèi)小于0.2dB。

圖1. 倒裝接合硅光子芯片與垂直光耦合的橫截面示意圖。

    伊朗科技大學(xué)科研人員提出，采用數(shù)值模擬和理論方法，通過局域表面等離子體的相互作用來增強(qiáng)透射出外平面堆疊電漿縫隙的傳輸。在數(shù)值模擬中，他們采用色散有限差分時(shí)域（D-FDTD）模型來進(jìn)行研究。為了解釋了有限差分時(shí)域（FDTD）數(shù)值模擬的結(jié)果，并進(jìn)一步理解這種相互作用，科研人員使用一個(gè)磁耦合偶極子近似為理論基礎(chǔ)。他們的研究結(jié)果表明，可以通過近場同相和異相層疊納米孔的相互作用來增加或減少的光傳輸。科研人員討論認(rèn)為混合電漿可以使用在外平面的金屬膜層疊納米孔二聚體上。

    伊斯坦布爾科技大學(xué)電子與通信工程系研究人員提出在光纖尖端使用形變MEMS元件的新型光纖傳感器。由于其聚對二甲苯/鈦的雙層材料結(jié)構(gòu)，MEMS 膜表現(xiàn)出外平面位移隨著溫度變化。嵌入式衍射光柵形成一個(gè)內(nèi)聯(lián)干涉儀，從位移和溫度可以推斷MEMS元件的連接。裝配式的探測器被放置在通過梯度折射率透鏡準(zhǔn)直的單模光纖輸出端。這種新型結(jié)構(gòu)可在標(biāo)準(zhǔn)光纖上集成MEMS探測器，并且MEMS探測器元件易于替換來改變測量范圍和傳感器的響應(yīng)時(shí)間。提供的溫度和時(shí)間常數(shù)測量驗(yàn)證了參考測量，證明其比使用低成本的激光源和光檢測器要優(yōu)化20mK的溫度敏感度和2.5 ms的響應(yīng)時(shí)間。

圖2. MEMS探測器熱光纖溫度傳感器

    喀麥隆雅溫得大學(xué)的研究人員提出，對具有一個(gè)延遲反饋回路的最簡單的自主光電振蕩器（OEO）的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。對于將電射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到光域，科研人員提出了不使用外部的強(qiáng)度或相位調(diào)制器的自主光電振蕩器，這不同于絕大多數(shù)的自主光電振蕩器。相反，研究人員表明電信號(hào)可作為光注入鎖定振蕩器的激光器的驅(qū)動(dòng)泵電流。在此結(jié)構(gòu)下，通過激光二極管的分段線性功率譜密度傳遞函數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，而非是通常馬赫-曾德爾調(diào)制器的正弦傳遞函數(shù)。研究人員提供了一個(gè)模型來研究自主光電振蕩器簡單架構(gòu)的動(dòng)態(tài)。這個(gè)模型是延遲積分微分方程，其特征如常規(guī)自主光電振蕩器一樣有三個(gè)時(shí)間刻度，即寬帶濾波器的高/低截止頻率和時(shí)間延遲。自主光電振蕩器的穩(wěn)定性分析表明復(fù)雜的分岔行為取決于反饋回路的增益。研究人員表明，霍夫分叉的序列可能導(dǎo)致周期為延遲時(shí)間的兩倍的尺度快振蕩，或周期取決于上述三個(gè)時(shí)間刻度的尺度慢振蕩�？蒲腥藛T的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量非常吻合。

光傳輸

    麥克吉爾大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的研究人員，提出了一個(gè)格式透明的載波相位恢復(fù)算法，其用于靈活的城域光網(wǎng)絡(luò)，此算法基于一個(gè)優(yōu)化的超量體系結(jié)構(gòu)的并行結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)所需的激光線寬容差來優(yōu)化此并行結(jié)構(gòu)，可以使得導(dǎo)頻開銷和緩沖區(qū)尺寸最小化。研究人員認(rèn)為，在并行超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)中，需要權(quán)衡激光線寬容差和緩沖區(qū)尺寸減小的兩者關(guān)系，為此他們分別在16-QAM，32-QAM和64-QAM系統(tǒng)中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)使用商用電子外腔激光器（ECL）來相干檢測超過100Gb/s的INMETRO鏈接時(shí)，并行超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)中的緩沖區(qū)尺寸可以明顯減少。隨后研究人員進(jìn)一步分析得出，若以商用電子外腔激光器（ECL）作為發(fā)射機(jī)和本地振蕩器和激光器的單通道系統(tǒng)，實(shí)行之前所提出的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的并行處理，可以大幅減少導(dǎo)頻開銷和緩沖區(qū)尺寸。

圖3. 并行超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置，SW：開關(guān)

    華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員發(fā)提出并實(shí)驗(yàn)演示了一種新型無色全雙工的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）接入結(jié)構(gòu)。利用正交碼和相關(guān)接收方法，新型無源光網(wǎng)絡(luò)可以緩解由瑞利后向散射（RB）引起的光拍頻干擾（OBI）噪聲問題。一對電正交碼產(chǎn)生并在光線路終端 (OLT)的相同波長下調(diào)制。然后，調(diào)制的光信號(hào)將從光線路終端傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)單元（ONUs）。其中一個(gè)碼是用于下行信號(hào)的編碼，另一個(gè)被用作上行編碼。在光網(wǎng)絡(luò)單元中，上行信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，但不刪除下行信號(hào)。單端半導(dǎo)體光放大器既不能額外增加連續(xù)（CW）光源，也不能增益飽和。通過使用這些正交碼，減少了全雙工系統(tǒng)中上行與下行信號(hào)的重疊光譜，可以顯著緩解光拍頻干擾噪聲。通過具有不同傳輸距離的實(shí)驗(yàn)來研究傳輸和功率范圍的性能。在光線路終端，再調(diào)制的上行信號(hào)由相關(guān)算法回收。利用相關(guān)算法，研究人員可以得到編碼增益，這在長距離傳輸中是非常重要的。由于編碼增益和光拍頻干擾噪聲的緩解，當(dāng)傳輸距離在 20 到 70 公里之間時(shí)，鏈路功率范圍在4至10 dB可以實(shí)現(xiàn)5 Gbps的下行和1.25Gbps的上行。

圖4. 全雙工波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的傳輸原理圖

光調(diào)制與光信號(hào)處理

    在高速無線通信系統(tǒng)中，由于其有限的方向性和移動(dòng)性，使得移動(dòng)室內(nèi)定位成為一個(gè)高難度的需求業(yè)務(wù)。來自墨爾本大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院、斯坦福大學(xué)電氣工程系，埃迪斯科文大學(xué)電子科學(xué)研究所的研究人員，提出了一個(gè)新型室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光學(xué)無線技術(shù)與單通道成像接收技術(shù)，可以通過接收到的光信號(hào)強(qiáng)度和方位角來實(shí)現(xiàn)定位功能。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，通過檢測接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)約4厘米的定位精度，而且通過檢測接收到的信號(hào)角度可以將定位精度進(jìn)一步提高到約3厘米左右。此外，他們研究了發(fā)送功率水平對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，基于接收信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)通過提高輸入光信號(hào)的傳輸功率可相應(yīng)地提高定位精度。最后，研究人員提出了一個(gè)新型三維室內(nèi)定位系統(tǒng)，其同時(shí)具有測量接收信號(hào)強(qiáng)度和接收信號(hào)到達(dá)角度的功能，正是基于此，該系統(tǒng)具有了高度的測量功能。演示實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的定位精度為7厘米，高度估計(jì)誤差小于6厘米。


圖5. 基于數(shù)據(jù)傳輸和用戶定位的室內(nèi)無線光通信系統(tǒng)

    華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院、南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員，提出了一種特殊的相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM），該系統(tǒng)基于論文中提及的三維（3-D）OFDM調(diào)制技術(shù)來搭建。研究人員利用三維信號(hào)映射和二維傅立葉反變換（IFFT）模塊，使得測試結(jié)果的星座圖中最小歐氏距離（MED）增加了8.7%，OFDM信號(hào)產(chǎn)生的峰均功率比降低了4分貝。實(shí)驗(yàn)表明，信息在無偏振調(diào)制的二維相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM）中，用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）以的16.27Gb/s的速率傳輸100公里后，使用三維正交頻分復(fù)用方法可以提高約2 dB的非線性容限。理論分析和仿真結(jié)果得出，光信噪比（OSNR）代價(jià)可以歸因于增加的最小歐氏距離（MED），擴(kuò)展邊界與編碼增益。為了進(jìn)一步分析長距離傳輸系統(tǒng)的性能，研究人員建立了一個(gè)1000公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）的相干光OFDM（CO-OFDM）模擬系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，所提出的方法能有效提高相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM）的非線性容錯(cuò)性和傳輸后的接收靈敏度。

光纖技術(shù)

來自國防科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院的科研人員通過實(shí)驗(yàn)研究證明，基于低反射率光纖布拉格光柵（FBGs）的內(nèi)聯(lián)時(shí)分復(fù)用（TDM）光纖中的法布里–佩羅特傳感器陣列在許多傳感應(yīng)用方面具有很寬廣的應(yīng)用前景。在光纖布拉格光柵（FBGs）和相同的布拉格波長之間產(chǎn)生的內(nèi)在多反射（MR）是一個(gè)嚴(yán)重的問題，將導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_和產(chǎn)生誤碼。此外，內(nèi)在多反射（MR）的干擾致使該調(diào)制信號(hào)的振幅不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，科研人員采用了相位生成載波法作為實(shí)驗(yàn)方案，并對內(nèi)在多反射（MR）的誘發(fā)串?dāng)_波動(dòng)和解調(diào)不穩(wěn)定性進(jìn)行一個(gè)完整的理論論證。研究人員提出了一個(gè)干擾合成的有效方法，以減少對內(nèi)在多反射（MR）的串?dāng)_并同時(shí)提高系統(tǒng)解調(diào)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低5%的光纖光柵反射率可以降低18 dB的串?dāng)_和提升1.42dB的系統(tǒng)解調(diào)穩(wěn)定性。該方法的原理可以擴(kuò)展到更多的時(shí)分復(fù)用（TDM）信道的實(shí)際應(yīng)用中。

來自豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和倫敦大學(xué)學(xué)院電子電氣工程系的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，在多模光纖（MMF）輸入時(shí)插入內(nèi)嵌光學(xué)元件，它的光學(xué)特性大幅度地影響傳播模式功率分布（MPD）�？蒲腥藛T認(rèn)為他們需要改進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、表征過程并對新的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)具有可預(yù)測重現(xiàn)性的穩(wěn)定系統(tǒng)，并鼓勵(lì)廣泛使用多模光纖（MMF）系統(tǒng)。為此，他們提出了一個(gè)對全新可再生的模式功率分布（MPD）測量與表征的理論定義。他們通過修改環(huán)形通量（EF）后發(fā)現(xiàn)，這是基于一個(gè)近場圖樣的漸變折射率多模光纖(GIMMF)，并為基于遠(yuǎn)場圖樣（FFPs）的階躍折射率多模光纖（SIMMF）定義了包圍角通量（EAF）。階躍折射率多模光纖（SIMMF）一般被用于低成本的短距離互連，由于光纖延伸到芯模的漸逝尾部包層和表征在光纖中的平衡模式分布（EMD），他們發(fā)現(xiàn)了光纖的模式功率分布（MPD）的變化，揭示了一個(gè)少見的插入損耗增加的現(xiàn)象�？蒲腥藛T使用了包圍角通量（EAF）來對這些現(xiàn)象進(jìn)行量化。他們提出了一種兼容平衡模式分布（EMD）的包圍角通量（EAF）模板。如果設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用包圍角通量（EAF）的模板來設(shè)置啟動(dòng)條件，研究可以采用相同的組件，甚至可以在更換某些不同供應(yīng)商采用不同方法制造的組件的情況下，對系統(tǒng)性能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)�？蒲腥藛T稱這個(gè)概念為“綜合模式功率分布（MPD）管理�！�

亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)學(xué)院和俄羅斯科學(xué)院的科研人員通過研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的鍺和硅基玻璃，是通過受激拉曼散射對短波紅外波長放大的最常見的兩種材料，但是由于受激布里淵散射（SBS）的因素，在總的輸出功率和效率上被限制。研究人員實(shí)驗(yàn)研究了在光纖的選擇橫向摻雜分布下的鍺和硅的拉曼增益，改變光纖的聲波導(dǎo)特性提高全在受激布里淵散射（SBS）影響下全飽和拉曼放大功率的臨界值。在鍺增益光纖中，相比于人工制造的磷硅酸鹽玻璃而言，選擇性橫向摻雜可以更好的抑制受激布里淵散射（SBS）。相比于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的階躍折射率光纖如康寧HI-1060，科研人員證明抑制受激布里淵散射（SBS）的鍺光纖在最大峰值的布里淵增益中產(chǎn)生了5dB至6 dB的衰減，而且它允許在受激布里淵散射（SBS）中 超過5dB的抑制并將飽和拉曼放大器增益從15 dB增加至超過22dB。

圖6. 拉曼增益光纖性能測量的反泵實(shí)驗(yàn)裝置圖

陜西省光學(xué)信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西北工業(yè)大學(xué)空間應(yīng)用物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，通過使用專門設(shè)計(jì)的多核光子晶體光纖（PCF），找到了一種產(chǎn)生柱矢量光束（CVBS）的方法。在該光子晶體光纖（PCF）中，纖維有六個(gè)軸對稱的核心，核心中的光場呈現(xiàn)為不同的偏振態(tài)，這些由不同的矢量模組合而成。研究人員利用在熔覆層的小型氣孔和圍繞核心的擴(kuò)大氣孔來控制偏振的模式，這使得切向偏振模式和徑向偏振模式可供選擇。切向偏振模式具有低傳播損耗的特性，而徑向偏振模式則具有高強(qiáng)度的特性。此外，通過調(diào)節(jié)包層內(nèi)的氣孔直徑，可以簡單地調(diào)整矢量光束的工作波長范圍。