6/10/2014,2014年5月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

光纖在線特約編輯：邵宇豐 王煉棟 

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)

    來自印度理工學(xué)院和比利時根特大學(xué)的研究人員介紹了一種用于光接入網(wǎng)絡(luò)的新架構(gòu)，這種架構(gòu)的特點是具備全面的靈活性和安全性，同時，架構(gòu)分布是完全無源的。不同于其他文獻(xiàn)中的架構(gòu)，這里所提出的設(shè)計不需要在安全性和靈活性之間進(jìn)行折中選擇。由于這種架構(gòu)具有全面的靈活性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時，允許關(guān)閉一定數(shù)量的在線網(wǎng)元以節(jié)約能耗，因此這個架構(gòu)也是一種綠色環(huán)保設(shè)計。本文中所討論的這種與網(wǎng)絡(luò)中使用者數(shù)量無關(guān)的新架構(gòu)設(shè)計，將對未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

    來自美國斯坦福大學(xué)電子工程系愛德華.L.金茲頓實驗室的研究人員提出了一種模塊化的架構(gòu)，用于有支持靈活帶寬超級信道的長距離光網(wǎng)絡(luò)。無色收發(fā)器可以被設(shè)計成能對M=4個子載波進(jìn)行調(diào)制/檢波，每個子載波的符號速率為12.5 吉波特，在采用偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）進(jìn)行調(diào)制時，可實現(xiàn)的最大比特率為200 吉比特/秒。一組N個同步收發(fā)器可以配合起來，對包含N•M個子載波的超級信道進(jìn)行調(diào)制/檢波，使傳輸比特率超過1太比特/秒，這里使用無保護(hù)間隔的正交頻分復(fù)用調(diào)制。在考慮了線性光纖損傷和同步誤差的情況下，研究人員對所提出架構(gòu)的性能進(jìn)行分析和模擬，并建立了能使架構(gòu)實際部署的設(shè)計規(guī)則。仿真結(jié)果顯示，在包含24 個子載波的超級信道中，使用偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）進(jìn)行調(diào)制，可使傳輸速率達(dá)到約1.1太比特/秒，光譜效率達(dá)到了3.5比特/秒/赫茲。

無源和有源光子器件

    來自中國北京大學(xué)物理系國家重點實驗室和北京大學(xué)物理學(xué)院的研究人員提出了一種相位共軛的光纖陀螺儀（FOG）。相位共軛過程中的自然時間反轉(zhuǎn)特性可以消除光學(xué)陀螺儀的大部分不可逆影響，這樣就可以提高光纖陀螺儀（FOG）的性能，從而獲得更好的應(yīng)用。研究人員使用簡并四波混頻（DFWM）處理，以產(chǎn)生反向傳播的相位共軛波，這樣做優(yōu)點是在處理過程中沒有相位匹配約束。簡并四波混頻（DFWM）也是一種參量放大的過程，因此可以在相互作用過程中彌補功率衰減，并能提高信噪比。這種方法也可以提高光纖陀螺儀的靈敏度。研究人員還利用光波導(dǎo)外部的漸逝場與施加的泵場進(jìn)行相互作用。采用這種方式，就可以通過選擇合適的波導(dǎo)尺寸和覆層材料，使非線性相互作用達(dá)到最大化。

    來自中國西北大學(xué)物理學(xué)院、馬來西亞馬來西亞大學(xué)理學(xué)院物理系和光子學(xué)研究中心的科研人員介紹了對雙錐形多模塑料光纖傳感器的優(yōu)化研究，這種傳感器主要用于乙醇（C2H5OH）濃度檢測。通過V-number匹配，以及通過優(yōu)化錐形半徑和錐形長度，可以有效增強傳感器的靈敏度；射線追蹤法可以用來分析倏逝波的穿透深度（EWPD）�？蒲腥藛T所做的理論分析和實驗結(jié)果被用于優(yōu)化錐度比和錐形長度，以實現(xiàn)高倏逝波穿透深度（EWPD）和高靈敏度。分析表明，通過減小錐度比并且同時增大錐形長度，可以提高錐形光纖傳感器的靈敏度。采用錐度比為0.27和錐形長度為8厘米的錐形光纖，可以使傳感器實現(xiàn)1.527毫伏/％的最高靈敏度。按研究人員所建議的參數(shù)優(yōu)化后，錐形光纖傳感器可以檢測出的乙醇濃度最小變化達(dá)到6.55×10-3。


    為了響應(yīng)對多功能集成光譜濾波器不斷增長的需求，來自比利時根特大學(xué)信息技術(shù)系和校際微電子中心的研究人員證明了弱位相一維光柵可以被設(shè)計成能符合任何期望的目標(biāo)頻譜。經(jīng)過對光柵的測量和仿真，結(jié)果表明與目標(biāo)光譜具有很好的符合性。通過分析結(jié)果，研究人員還發(fā)現(xiàn)，設(shè)計過程可以通過使用模擬反射進(jìn)行改善，而不必依賴于計算菲涅耳反射。

光傳輸

    來自美國斯坦福大學(xué)電子工程系的研究人員在介紹了一種在離散多音頻系統(tǒng)發(fā)射機中，通過對量化噪聲和削波失真的頻譜進(jìn)行整形來提高信噪比的方法。這對于寬帶傳輸（例如30千兆赫）尤其重要，因為往往在寬帶傳輸中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率非常有限，只有5-8比特。轉(zhuǎn)換器的分辨率雖然有限但極其重要，降低噪聲對它的影響，將對整個系統(tǒng)的性能改善有顯著效果。研究人員在這里所提出的技術(shù)類似于對Δ-Σ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲整形，但更普通；它是同時對量化噪聲和削波失真進(jìn)行整形，并且不需要過采樣。這項技術(shù)需要子載波上有一個未使用的頻帶存在，一般情況下都會有，例如為音調(diào)預(yù)留而申請的頻帶。使用了該技術(shù)的系統(tǒng)還非常適合于低功耗收發(fā)器，其中計算復(fù)雜度最高的器件是一個短時有限沖激響應(yīng)濾波器。在實際環(huán)境中，通過量化和削波時進(jìn)行上述的技術(shù)處理，可以使噪聲的影響減少6分貝。

    來自意大利拉奎拉大學(xué)物理與化學(xué)科學(xué)系、以色列特拉維夫大學(xué)電子物理系和美國阿爾卡特朗訊公司貝爾實驗室的科研人員，依據(jù)香農(nóng)理論通過研究降低了在量子領(lǐng)域里每單位信息能量消耗的基本極限。與以往的研究不同，他們所提供的解決方案中，可以通過任意方式控制信號從發(fā)射機傳播到接收機。這種方法具有能適應(yīng)多種實際應(yīng)用場合的特點，例如多跨度光纖通信系統(tǒng)。在這種情況下，科研人員獲得了能量消耗的最終量子極限，并提出了一個簡單的二進(jìn)制能源調(diào)制方案，使光譜效率的實際相關(guān)值接近到此極限的同一數(shù)量級。當(dāng)處于相同條件下，在標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)放大相干通信方案中，其能量消耗的量子極限要比上述的最終量子極限高三個數(shù)量級。在本文中設(shè)定量子信道中所傳輸?shù)男畔⒍际菢?biāo)準(zhǔn)信息。

    來自澳大利亞墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員，針對在逐塊相位切換（BPS）直接檢測（DD）系統(tǒng)中光纖的非線性影響，進(jìn)行了全面的分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，簡并四波混頻分量是由主載波和子載波之間的相互作用而產(chǎn)生的，本質(zhì)上是可以通過直接檢測處理來抵消的。在80公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖鏈路上，對于一個100吉比特/秒的逐塊相位切換直接檢測（BPS-DD）系統(tǒng)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)最佳的發(fā)射功率是5毫瓦分貝，最佳的載波信號功率比為12分貝。對于一個單信道的逐塊相位切換直接檢測（BPS-DD）系統(tǒng)，當(dāng)采用低色散光纖后，光纖的非線性損傷就會減少。然而，對于一個多信道的逐塊相位切換直接檢測（BPS-DD）系統(tǒng)，當(dāng)光纖鏈路的色散減小時，信道間串?dāng)_引起的非線性噪音反而增強。


調(diào)制與光信號處理

    來自美國特拉華大學(xué)電氣與計算機工程系的研究人員，在無線光通信領(lǐng)域開發(fā)了一種模擬的信源信道聯(lián)合編碼（JSCC）系統(tǒng)。信源符號直接映射到使用空間填充曲線的信道符號上，然后再用非線性拉伸函數(shù)來減少失真。與數(shù)字系統(tǒng)不同，該方案不需要很長的分組長度便能達(dá)到良好的性能，這樣就顯著降低了解碼器的復(fù)雜度。研究的重點聚焦在采用強度調(diào)制直接檢測（IM/DD）的光學(xué)無線系統(tǒng)。研究人員首先提出了對采用強度調(diào)制直接檢測（IM/DD）無線光信道的理論分析，介紹了用于傳輸數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)設(shè)計原型，該通信系統(tǒng)使用了模擬信源信道聯(lián)合編碼（JSCC）。接著對真實信道的非線性特性進(jìn)行了研究和描述。提出了一種新的技術(shù)來減輕信道的非線性誤差。通過模擬仿真表明，實際系統(tǒng)的性能已經(jīng)非常接近理論極限了。該系統(tǒng)被用于圖像傳輸時，首先用壓縮感知技術(shù)在一組圖像中進(jìn)行取樣，然后使用模擬信源信道聯(lián)合編碼（JSCC）進(jìn)行編碼測量。最后，研究人員展示了這些模擬與實驗的結(jié)果。


    長距離模分復(fù)用（MDM）采用自適應(yīng)多輸入多輸出（MIMO）均衡，以補償模態(tài)串?dāng)_和模態(tài)色散。模分復(fù)用（MDM）系統(tǒng)通常必須使用多輸入多輸出（MIMO）的頻域均衡（FDE），以減少計算的復(fù)雜性；相比之下，單模光纖中的偏振復(fù)用系統(tǒng)采用時域均衡（TDE），具有低復(fù)雜度并且通常用來補償極化影響。對于多輸入多輸出（MIMO）的頻域均衡（FDE）,來自美國斯坦福大學(xué)電子工程系愛德華.L.金茲頓實驗室的學(xué)者們研究了兩種自適應(yīng)算法：最小均方法（LMS）和遞歸最小二乘法（RLS）。研究人員對這些算法的計算復(fù)雜性、循環(huán)前綴效率、自適應(yīng)時間、輸出符號差錯率（SER）以及信道群時延散布和快速傅里葉變換（FFT）塊長的影響進(jìn)行了分析和權(quán)衡。與時域均衡（TDE）相比，使用頻域均衡（FDE）后，計算復(fù)雜度會隨著模態(tài)數(shù)量呈亞線性增長。在光纖支持的模態(tài)數(shù)量為6～30個時，采用遞歸最小二乘法（RLS）的自適應(yīng)時間約為3～5微秒，采用最小均方法（LMS）的自適應(yīng)時間約為15～25微秒。與最小均方法（LMS）相比，遞歸最小二乘法（RLS）可以達(dá)到更少的自適應(yīng)時間、更高的循環(huán)前綴效率、更低的符號差錯率（SER）以及對模式相關(guān)損耗具有更大的包容性，但所付出的代價是每個快速傅里葉變換（FFT）塊的計算復(fù)雜性較高。為了在模分復(fù)用（MDM）系統(tǒng)中保持低的計算復(fù)雜度和短的自適應(yīng)時間，要求總體群時延散布必須較少。這可以通過凹陷包層光纖的一組漸變折射率來實現(xiàn)，與模態(tài)的強耦合相呼應(yīng)，其中的非耦合群時延散布隨著模態(tài)數(shù)量的增加而減少。

    來自美國佐治亞理工大學(xué)電氣與計算機工程學(xué)院、美國電話電報公司實驗室和中國西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的科研人員，首次研究并闡述了在多頻帶光載無線通信（ROF）系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)依賴信道交叉調(diào)制（XM）。由馬赫–曾德爾調(diào)制器（MZM）引起的非線性交叉調(diào)制（XM），包含了帶內(nèi)交叉調(diào)制（XM），這是產(chǎn)生在組成矢量信號的同相分量和正交分量之間；以及帶間交叉調(diào)制（XM），這是產(chǎn)生在標(biāo)量/矢量信號的多個頻帶之間；這些都已經(jīng)通過封閉形式的理論分析進(jìn)行了研究,并且已經(jīng)通過實驗測量進(jìn)行了驗證。理論和實驗的研究得出了一致的結(jié)論，證明了標(biāo)量信號只受帶間交叉調(diào)制（XM）影響；而矢量信號既受帶間交叉調(diào)制（XM）也受帶內(nèi)交叉調(diào)制（XM）影響。帶內(nèi)交叉調(diào)制（XM）導(dǎo)致矢量信號的星座壓縮失真；而帶間交叉調(diào)制（XM）導(dǎo)致標(biāo)量信號的眼圖劣化，并且導(dǎo)致矢量信號的星座縮放失真。為了減輕由數(shù)據(jù)依賴交叉調(diào)制（XM）引起的信號失真，科研人員采用了反正弦預(yù)失真技術(shù)來補償馬赫–森德調(diào)制器（MZM）的非線性響應(yīng)。這樣可實現(xiàn)對帶內(nèi)和帶間交叉調(diào)制（XM）的有效抑制。

    來自英國格拉斯哥卡利多尼亞大學(xué)工程與建筑環(huán)境學(xué)院和愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院數(shù)字通信研究所的研究人員，介紹了廣義空間移位鍵控（GSSK）信號調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點和缺點，這種技術(shù)有低復(fù)雜度、多發(fā)射器的特點，主要用于短距離室內(nèi)可見光通信。為了說明廣義空間移位鍵控（GSSK）具有的高頻譜效率，使用一組Nt個白光發(fā)光二極管（LED）的陣列，通過空間分離發(fā)光二極管（LED）陣列中信道增益的自然差異來演示Nt比特/符號的傳輸。用兩個低功率白光發(fā)光二極管（LED），且每一個在8兆赫頻率上都有3 分貝的調(diào)制帶寬，就可以證明數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)40兆比特/秒（20兆波特）。對于一個平均功率-12.5毫瓦分貝并有2×104個數(shù)據(jù)碼元的接收電信號，在20兆波特傳輸率時測量出誤符號率是7×10-2，在10兆波特（20兆比特/秒）時測量出誤符號率是5×10-5，這里沒有使用任何差錯控制編碼。上述對廣義空間移位鍵控（GSSK）技術(shù)進(jìn)行的實驗證明，這種技術(shù)最適合于固定設(shè)備，其性能對接收器的移動是相當(dāng)敏感的。

    來自愛爾蘭都柏林城市大學(xué)電子工程學(xué)院王子研究所、加拿大拉瓦爾大學(xué)光子學(xué)與激光學(xué)院光學(xué)中心和美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)計算機與電子工程系的研究人員，分析了一種光學(xué)相干通信系統(tǒng)的誤碼率（BER）性能，這種通信系統(tǒng)采用了具有大量額外相位噪聲的多段單片可調(diào)諧激光器。這種相干系統(tǒng)將二階判決引導(dǎo)數(shù)字鎖相環(huán)（DD-PLL）用于相位跟蹤，研究人員對系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行了數(shù)值計算。在16千兆波特率上，用16位二次幅度調(diào)制相干系統(tǒng)（該系統(tǒng)使用一個抽樣光柵分布布拉格反射激光器）進(jìn)行實驗，獲得的結(jié)果證實并確認(rèn)了二階判決引導(dǎo)數(shù)字鎖相環(huán)（DD-PLL）在跟蹤額外相位噪聲方面的性能。

光纖技術(shù)

    來自德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)高頻技術(shù)研究所的研究人員改善了含二氧化硅和氟化物的玻璃纖維的凝膠拼接方法。采用這種方法后，平均損耗低于0.5分貝，材質(zhì)更加堅固、性能更加穩(wěn)定。此外，使用了折射率匹配的凝膠后，拼接處的反射降低到約-42分貝。將25厘米長的摻鐠（Pr3+）/鐿（Yb3+）氟化物(ZBLAN)光纖拼接到二氧化硅光纖上，當(dāng)光泵的功率電平在845納米波長處為144毫瓦時，在使用拼接光纖的光纖激光器諧振腔中，紅色激光輻射達(dá)到了6毫瓦。  


    來自中國哈爾濱工程大學(xué)、教育部光纖集成光學(xué)重點實驗室的科研人員介紹了他們基于模態(tài)干涉儀的單模光纖（SMF）折射率（RI）敏感特性的研究。研究表明，單模光纖（SMF）中不同模態(tài)之間的干涉，會因外部介質(zhì)折射率（RI）的變化而產(chǎn)生完全不同的響應(yīng)。纖芯和低階纖殼模態(tài)之間的干涉具有負(fù)的折射率（RI）敏感度；而纖芯和高階纖殼模態(tài)之間，或者兩種不同階數(shù)的纖殼模態(tài)之間的干涉，則具有正的折射率（RI）敏感度。在實驗驗證中，使用了單模-多模-單模（SMS）光纖邁克爾遜干涉儀，這種干涉儀包含大芯徑階躍多模光纖（MMF）。在基于單模-多模-單模（SMS）的邁克爾遜干涉儀中，多模光纖（MMF）起到模態(tài)耦合器的作用，以便在單模光纖（SMF）中激發(fā)纖殼模態(tài)�？蒲腥藛T在氯化鈉水溶液中，分別對兩種不同長度多模光纖（MMF）的折射率（RI）響應(yīng)進(jìn)行了測試，測試所用的多模光纖（MMF）是基于單模-多模-單模（SMS）結(jié)構(gòu)。最后的研究結(jié)果表明，實驗結(jié)論與理論分析完全吻合。