光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周越 周俊毅 李長祥 馬文哲
2016年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網絡及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、光調制與光信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。 

光網絡及其子系統(tǒng)
來自英國愛丁堡大學工程學院無線網絡研究與發(fā)展中心、愛爾蘭都柏林諾基亞貝爾實驗室的科研人員指出，運用無線回程通信（WBC）以及室外小型基地臺（SCs）的能量轉移技術，可以顯著降低通信系統(tǒng)設備的安裝成本。在沒有外部環(huán)境光污染的影響下，科研人員對室內無線光能量傳輸至室外小型基地臺（SCs）的過程進行了研究。實驗設備采用了四個紅色激光二極管（LDS），和放置高度為5.2米、填充因子為69%的晶體硅太陽能電池板。其中用于光無線鏈路的總能耗效率為3.2%，紅色激光二極管（LDS）的平均效率為26.8%。太陽能電池的能耗損失僅為10.6%，平均效率為13.3%。此鏈路系統(tǒng)與英國最先進的感應功率傳輸系統(tǒng)相比，總功耗效率方面提高了2.7倍。
來自埃因霍溫科技大學電氣工程系的科研人員，研究了基于氮摻雜磷化銦襯底集成的馬赫增德爾調制器陣列中的電串擾負面影響，證明它會導致傳輸性能下降。值得一提的是，在10Gb/s的OOK調制中，相鄰調制器之間的共同接地回路會引起-20dB的高耦合噪聲，這將導致系統(tǒng)功率損失超過10dB。此外，科研人員還證明了在共接地減少的情況下，電串擾影響也將顯著減少，且隨調制器分離距離的變化而變化。實驗結果表明，在速率為10Gb/s系統(tǒng)中，每−40dB的串擾誤差就會造成1 dB的功率損失。

圖1.相關馬赫增德爾調制器結構的內部示意圖
來自悉尼大學光子學與光科學研究所光學超高帶寬設備系統(tǒng)中心和日本先進工業(yè)科學和技術研究所的科研人員指出，隨著光信號的調制格式變得更加復雜，全光波長轉換器的應用將會給光網絡的升級帶來極大的好處。對于不同數(shù)據(jù)傳輸速率和調制格式的光信號，全光波長轉換器都能對其進行波長轉換。相對于傳統(tǒng)的光-電-光轉換器，全光波長轉換器能在透明度、帶寬和實際應用級聯(lián)方面充分發(fā)揮其應用特征優(yōu)勢。在本文中，科研人員介紹了最新開發(fā)的全光波長轉換器，在噪聲系數(shù)為6.2 dB的C波段下，它能實現(xiàn)雙極化（DP）相位調制信號的無縫轉換。隨后，對于高階正交幅度調制格式，科研人員通過實驗驗證和數(shù)值模擬計算的方法，對波長轉換器的級聯(lián)運算過程進行了研究，他們發(fā)現(xiàn)由于波長轉換器的獨特應用優(yōu)勢，DP-QPSK,、DP-16QAM和DP-64QAM信號的級聯(lián)操作過程能夠較好地實現(xiàn)。 
來自英國南安普敦大學光電研究中心的科研人員提出，高容量、低成本且傳輸距離超過50公里的無中繼傳輸，將成為下一代跨數(shù)據(jù)中心通信的備選方案。當傳輸距離超過50公里時，一般要求信號在1550nm低損耗電信寬帶光纖中傳輸，但此時光信號的傳輸性能會由于色散影響而被削弱。通過使用長度為150公里、帶寬為1550nm普通單模光纖(SMF-28)的無中繼傳輸，科研人員對基于離散多音調制的直接調制直接檢測系統(tǒng)的性能進行了研究。利用無啁啾調制器和推挽式鈮酸鋰外部馬赫曾德爾調制器(MZM)，科研人員實驗研究和比較了采用兩種不同類型直接調制激光器的可達通信容量�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，使用較大帶寬信號的優(yōu)勢將隨著傳輸距離的增大而逐漸減少，并且28 Gbit/s 和25 Gbit/s的光信號經8GHz帶寬調制分別傳輸50km和75km后，能獲得小于3.8 ×10−3的誤碼率。

圖2.無中繼傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)圖
來自北京大學電子工程與計算機科學系下一代光通信系統(tǒng)與網絡國家重點實驗室的科研人員提出了一種基于表面等離子體的單向耦合方案，該表面等離子體適用于廣角范圍的自由空間光應用。研究證明：在單寬（single wide）處理方式中，極不對稱激勵特性是由在斜入射缺陷中的非對稱模式激發(fā)而造成的；并且，強非對稱激勵的單脊模式仍然存在于周期性的介電脊光柵中；通過級聯(lián)不對稱模式激發(fā)峰和光柵共振角峰模式，角半峰全寬（AFWHM）值可以擴大到39度；能利用啁啾光柵將角半峰全寬（AFWHM）進一步擴大到52度，以進一步實現(xiàn)脊寬平頂角響應的特性。

無源和有源光子器件
來自美國紐約市美國國際商用機器公司（IBM）沃森研究中心、卡塔戈哥斯達黎加理工學院的科研人員，通過實驗設計了一種新型的四通道波分復用（WDM）發(fā)射裝置。其設計采用了多相集成的III-V族半導體硅光子、低功耗的32nm硅-絕緣體互補金屬氧化物半導體（SOI-CMOS）。發(fā)射機與驅動集成電路（ICs）進行組合包裝后能在1.3μm波長范圍內工作。
為了滿足數(shù)據(jù)中心內部和數(shù)據(jù)中心之間的互連應用，在25 Gb/s的速率下，所有的四個通道經過背靠背、2km和10km的單模光纖（SMF）傳輸后，接收靈敏度可以保持在較高水平（誤碼率小于10−12）；并且由于四個SOI-CMOS驅動集成電路功耗已低至了19.2mw，使得能量效率提高到0.19 PJ /bit。
來自中國空間技術研究院錢學森實驗室、天津大學信息技術與光電子工程光電技術重點實驗室的科研人員，在增益光纖長度、初始脈沖中心波長、持續(xù)時間、啁啾和時間分布的多因素影響下，進行了有效拋物線自相似演化實驗，進而研究了高增益光纖放大器中強增益整形影響的原理�？蒲腥藛T建立了一種光譜分辨率分析的數(shù)值模型，以描述可變波長的相關增益�？蒲腥藛T通過實驗測得了初始中心波長的特定區(qū)域和自相似演化的持續(xù)時間。隨著增益光纖長度的增加，初始中心波長和自相似演化的持續(xù)時間都會增加。對于短長度高增益的放大器，一個適當負值的初始啁啾能抵抗增益整形的變化和促進自相似演化，且能提供一個有效輸出寬帶。此外，科研人員對短長度高增益放大器的快速拋物線脈沖產生過程進行了深入研究，并指出了飛秒光纖放大器、周期脈沖光源、高功率頻率梳及其相關應用性能擴展的潛在應用優(yōu)勢。
來自日本國家信息與通信技術研究所光電子器件研究實驗室的科研人員，提出了一種無偏單向運動載流子光二極管（UTC-PD）的設計方案。UTC-PD具有超過110GHz的可調頻率范圍，并被應用到固定光纖通信和載波光無線通信的光網絡系統(tǒng)中。根據(jù)光吸收層和載流子電極層的載流子濃度，科研人員對無偏模式的設計與分析過程進行了詳細解釋。實驗結果表明，科研人員開發(fā)的新型UTC-PD具有超過110 GHz的工作頻率和3dB的工作帶寬。對于光纖通信的固定網絡應用模式，研究人員制造出了基于反射式的UTC-PD高波特率光接收機。在無偏100 GHz工作頻率的情況下，科研人員觀測到眼圖具有高達107GBd的清晰開口和3—7 mA的高幅度光電流。假設無線光通信利用光子電源供電，科研人員開發(fā)的UTC-PD有助于減少饋送到接收機模塊的電流衰耗。此外，研究人員還證明應用新型UTC-PD 和110 GHz InP基的放大器能夠獲得較低的系統(tǒng)功耗。
來自印度德里印度理工學院物理系的科研人員，利用AZ15nXT的上下包層，在ITO薄膜的玻璃基板上，制作出了基于向列液（LC）芯波導的電控光開關。在外加電場存在時，液晶分子的再定位對光的TE和TM偏振產生不同的引導屬性。充分考慮到液晶材料的各向異性，科研人員選擇適當?shù)陌�覆層厚度來最小化導模的傳播損耗�？蒲腥藛T制造的在閾值電壓為3.5 Vpp下的工作設備，可被等價為消光比大于15 dB光TM偏振的光開關。對于長度為10mm的光波導，在施加電壓為10V時，科研人員通過實驗獲得了7.96dB的插入損耗�？蒲腥藛T設計及制備的器件作為電控光開關或延遲器具有很大的應用前景，特別是在低頻領域中的應用。
來自麥克馬斯特大學電氣與計算機工程系的科研人員指出，當使用石墨烯作為硅基波導材料時，TM模式的模態(tài)特性變化顯著大于TE模式的模態(tài)特性變化，因此他們提出并驗證了一種基于少層石墨烯的硅波導TE-Pass偏振器。這種偏振器性能的優(yōu)點包括高消光比、TE模式下較低的插入損耗、超小型的封裝和通過柵壓石墨烯化學勢的動態(tài)變化來調節(jié)帶寬�？蒲腥藛T進一步揭示了通過級聯(lián)多個偏振器可以顯著增加工作帶寬，其中偏振器由一種嵌入少層石墨烯的硅波導組成，且每個偏振器被用作不同的柵極電壓偏置。實驗結果表明，采用七個偏振器進行級聯(lián)的方式能夠在可用通信波長上實現(xiàn)20 dB的消光比，并在帶寬超過120 nm的TE模式下實現(xiàn)小于0.13dB低插入損耗�？蒲腥藛T特別強調該方案可以通過級聯(lián)更多的石墨烯基硅波導實現(xiàn)進一步改進，從而獲得超寬帶寬，這意味著其在SOI平臺中的具有較好的應用前景。

光傳輸
來自瑞典愛立信公司研究所、里約熱內盧天主教大學電信研究中心的科研人員，提出了一種有效的方法（即利用子載波復用技術）來監(jiān)測光纖鏈路的性能�？蒲腥藛T指出，數(shù)據(jù)發(fā)射機對數(shù)據(jù)傳輸過程幾乎沒有影響，并且還為光纖線路提供了反射測量功能，實驗過程中的空間分辨率和故障檢測靈敏度分別精確到10m和1.0 dB開展測試。結合上述考慮，科研人員通過分配一個空的子載波頻帶進行光纖鏈路監(jiān)測。研究結果證明，在新興光通信傳輸網絡中，如短距離模擬移動前傳（front haul）系統(tǒng)中，上述方法因其良好的性能表現(xiàn)而頗具發(fā)展前景。
來自考文垂大學計算機電子與數(shù)學學院、愛丁堡大學研究與開發(fā)中心數(shù)字通信研究所的科研人員認為，基于LED的可見光通信可以為用戶提供高速率的數(shù)據(jù)傳輸服務。為進一步提升數(shù)據(jù)的有效傳輸速率，科研人員利用不同顏色光的波分復用技術來產生白光，以傳輸不同的數(shù)據(jù)流。科研人員提出了一種三原色的方法，并分析了顏色組合對數(shù)據(jù)傳輸速率的影響�？蒲腥藛T采用速率自適應正交頻分復用方案，成功演示了一個基于LED的通信系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)傳輸速率能超過10GB/s。

圖3.基于WDM-VLC的分色鏡實驗裝置圖
來自德克薩斯A&M大學和費薩爾大學工程學院的科研人員，著重研究了多用戶混合射頻（RF）/發(fā)射概率調度的自由空間光（FSO）中繼網絡的性能。科研人員還研究了第一中繼中過時信道信息（OCI）對系統(tǒng)性能的影響。此外，科研人員提出了新的功率分配方案來優(yōu)化總體系統(tǒng)的收發(fā)通信性能。研究人員設計的系統(tǒng)包含多個用戶收發(fā)端設備、一個放大繼電器和一個接收器。用戶通過射頻鏈路與中繼節(jié)點連接，中繼節(jié)點通過自由空間光（FSO）鏈路與接收器連接。考慮到方向誤差的影響，科研人員假定第一跳變信道遵循瑞利衰落信道模型，假定第二跳變信道遵循Gamma-Gamma衰落信道模型。通過研究中斷概率、平均誤碼率和遍歷信道容量，科研人員推算出了閉合形式的相關解析表達式。此外，科研人員在高信噪比的條件下對系統(tǒng)的傳輸性能進行了研究，將所述的分集階數(shù)和編碼增益導出并進行了詳細分析；他們根據(jù)漸近結果發(fā)現(xiàn)，在總功率的約束下，用戶和繼電器的功率將會決定系統(tǒng)的最小中斷概率�？蒲腥藛T使用蒙特卡羅方法進行數(shù)值模擬仿真以驗證取得確切和漸近的結果。實驗結果表明，在弱大氣湍流的情況下，系統(tǒng)傳輸性能會受到射頻（RF）信道和系統(tǒng)中分集階數(shù)的影響。在強大氣湍流的情況下，系統(tǒng)傳輸性能會受到自由空間光（FSO）信道的影響，而分集階數(shù)會受到湍流衰落的最小值和方向誤差的影響。
來自美國斯坦福大學電機工程系E.L.Ginzton實驗室的科研人員提出，優(yōu)化信道功率可以最大限度的提高光通信系統(tǒng)的最小冗余度或總容量�；�于高斯噪聲非線性模型，每個通道中的信噪比（SNR）都可以用信道功率的凸函數(shù)來表示。根據(jù)對信噪比表達式的分析，科研人員闡述了凸函數(shù)最優(yōu)化的目的，即實現(xiàn)最小冗余度或最大容量（結合光纖通信容量和編碼上限考慮）。在網狀網絡和具有不同信噪比要求的點對點通信鏈路中，科研人員注意到了功率優(yōu)化的性能增益過程。與此相反，在具有一致的放大器噪聲和調制格式的光通信系統(tǒng)中，優(yōu)化后的功率分配與傳統(tǒng)平坦的功率分配過程相比其優(yōu)勢并不明顯。在14點NSFNET網絡中，相比于平坦的功率分配過程，優(yōu)化后的功率分配過程獲得平均1.5 dB的余量增益；在具有3到13點的NSFNET網絡子集中，優(yōu)化后的功率分配過程獲得平均1.4 dB的余量增益。

光調制與光信號處理
來自法國巴黎薩克萊大學國家科學研究中心的科研人員，在下一代無源光網絡（PON）商用系統(tǒng)的突發(fā)模式（Burst-Mode）工作狀態(tài)下，測量了直接調制激光器隨時間變化的上行波長漂移過程�？蒲腥藛T采用一種新的測量方法證明，國際電信聯(lián)盟（ITU）提出的關于最大波長漂移的建議應加以改進�？蒲腥藛T證實，國際電信聯(lián)盟（ITU）的相關建議中，由于不同信道的鄰近波長干擾，直接調制激光器隨時間變化的上行波長漂移將導致通信質量下降，甚至使通信發(fā)生故障，因此科研人員提出了一種特殊的方法來解決這個問題。
來自上海交通大學先進光通信系統(tǒng)與網絡國家重點實驗室的科研人員指出，多維無載波振幅相位調制（CAP）作為一種先進的調制格式，因其具有良好性能，在光通信領域中成為了新的研究熱點�？蒲腥藛T提出了一種新型多波段三維無載波振幅相位調制（3D-CAP）的方案，并研究了其在短距離光通信系統(tǒng)中的應用。方案中應用的數(shù)字濾波器采用了極值算法，同時科研人員為避免碼間干擾得負面影響而添加了附加線性約束過程�？蒲腥藛T仿真分析了數(shù)字濾波器在光纖鏈路數(shù)據(jù)速率超過100GB/S時的工作性能；類似于離散多音頻調制技術，幾個獨立的頻帶可以加載不同的3D-CAP信號以來提升非平坦通道的誤差容限。科研人員通過數(shù)值模擬研究證明，多波段3D-CAP信號在總比特率為112.5千兆/秒、單模光纖傳輸距離為2公里的傳輸情況下，系統(tǒng)收發(fā)性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的3D-CAP收發(fā)方案。

圖4. 多波段三維無載波振幅相位調制（3D-CAP）的系統(tǒng)方案圖
來自德國科銳安高級技術部門的科研人員提出了一種補償收發(fā)器電帶寬限制的新型數(shù)字預加重算法：即當數(shù)模轉換器/模數(shù)轉換器（DAC / ADC）的頻率響應已知時，基于DAC / ADC的輸入信號和輸出信號之間所需的均方誤差實現(xiàn)最小化，科研人員提出并驗證了該新型數(shù)字預加重算法。研究人員重點研究了DAC / ADC的補償過程，針對數(shù)模轉換器的帶寬線性補償他們在背靠背系統(tǒng)中分別與無數(shù)字預加重方法及先前公布的傳統(tǒng)方法進行比較研究，重新對該算法的有效性進行了評估。評估分析結果表明，當使用DAC / ADC模型時，在應用高級調制格式的情況下，科研人員提出的數(shù)字預加重（發(fā)送端）或數(shù)字補償（發(fā)送端和接收端）處理算法能明顯提高最大傳輸符號率。當采用具有6GHz電帶寬和六位有效數(shù)的高速數(shù)模轉換器時，在調制信號格式為16QAM的情況下，最大符號速率可提高60％以上。此外，在實驗測量的基礎上，科研人員對加性噪聲源的影響進行評估，這有助于進一步改進數(shù)字預加重模塊的設計過程。最后，科研人員通過實驗驗證了所提出算法的有效性，研究結果表明數(shù)值模擬仿真結果和實驗結果非常匹配。

圖5.數(shù)字預加重算法在光通信中的應用圖

來自多倫多大學電氣和計算機工程系的科研人員指出，非線性傅立葉變換信號的三個要素過程（離散特征值、離散譜振幅以及連續(xù)光譜）在一般情況下均可以獨立操作�？蒲腥藛T探討了如何使用離散特征值檢測信息傳輸?shù)倪^程，并提出了一種多孤子信號集的啟發(fā)式設計方案，使其頻譜效率大于3b/s/Hz。在采用窮舉搜索方法之后，科研人員通過對信號集加窗處理，以削減高脈沖寬度或高帶寬異常，進而設計出多特征值位置編碼的方法，同時設計了具有較低復雜度和較高效率的網格編碼。考慮到孤子信號不經過任何脈沖展寬時，若系統(tǒng)長度參數(shù)大于色散長度參數(shù)，則會產生有限的帶寬擴展過程。相關實驗研究證明，僅依靠特征值調節(jié)不能解決在商用化光纖傳輸系統(tǒng)的非線性問題。當色散非常小并且非線性占主導地位時，例如接近于零色散、波長在1300納米時，科研人員提出的方法可有效提高光纖傳輸系統(tǒng)的信號收發(fā)性能。

圖6. 采用NFT技術的通信系統(tǒng)框圖

光纖技術
來自印度理工學院布巴內斯瓦爾校區(qū)納米光子學和電漿子光學實驗室的科研人員，設計并制備了一種基于法布里-佩羅特諧振原理的雙空氣腔干涉儀，并證明它可用于物理參數(shù)的檢測，如測量應變率和曲率靈敏度�？蒲腥藛T通過拼接得到一種特殊的光纖，使上述干涉儀具有高度穩(wěn)定且緊湊的結構；使用的光纖被稱為空芯光子晶體光纖（HCPCF），科研人員著重優(yōu)化了它們的拼接參數(shù)，使該雙空氣腔干涉儀在遠程操作下的滯后作用可以小到忽略不計；如果根據(jù)用戶需求來改變空腔的幾何形狀，可以實現(xiàn)輕松控制干涉圖樣的過程。實驗結果測量得出，科研人員設計的器件結構應變率為4.08 、曲率靈敏度為2.23 、溫度靈敏度從0.5變化至9點 。此外，科研人員還指出，探針中的固體二氧化硅區(qū)域可以用來研究周圍介質對折射率的影響。