光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
10/13/2014,2014年9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)及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光信號傳輸、調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。
 光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    在當(dāng)今世界，存在著各種人為和自然發(fā)生的不可預(yù)測事件（例如：大規(guī)模殺傷性武器的襲擊、地震、龍卷風(fēng)等），這些事件所引起的災(zāi)害，都將會對受災(zāi)地區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)造成數(shù)量巨大的損失，并有可能使骨干光網(wǎng)絡(luò)中斷。由于在最近幾次大的災(zāi)害事件中，主干通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖傳輸系統(tǒng)都因受災(zāi)而中斷，因此光網(wǎng)絡(luò)運營商需要事先制訂緊急預(yù)備方案，一方面增強通信光網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)害中的抗損性，另一方面要做到在災(zāi)后能盡快恢復(fù)通信傳輸。來自土耳其薩卡里亞大學(xué)計算機工程系、意大利米蘭理工大學(xué)電子與信息系和美國加利福尼亞州立大學(xué)戴維斯分校的研究人員提出：1）對發(fā)生災(zāi)害而可能造成的光網(wǎng)絡(luò)破壞性因素，在事先應(yīng)該積極主動地進行預(yù)評估并建立相應(yīng)的預(yù)防措施。具體來說，建議網(wǎng)絡(luò)運營商建立具有災(zāi)害風(fēng)險意識的預(yù)案和措施，這在災(zāi)害發(fā)生時可以最大限度地減少所受的損失。2）災(zāi)后的恢復(fù)措施中應(yīng)該考慮到，在大災(zāi)剛過去時，很多通信網(wǎng)絡(luò)故障可能是由于相關(guān)級聯(lián)連接的中斷而引起的。因此，網(wǎng)絡(luò)運營商事先必須制訂一個對應(yīng)的重建方案來恢復(fù)這些中斷的連接。很多實例表明，針對不同類型的災(zāi)害（大規(guī)模殺傷性武器的襲擊、地震、龍卷風(fēng)等），事先制訂各種相應(yīng)的預(yù)案可以在災(zāi)害發(fā)生時顯著減少受災(zāi)的風(fēng)險和損失，并能很快恢復(fù)。
 
無源和有源光子器件
    來自葡萄牙波爾圖大學(xué)工程學(xué)院和德國萊布尼茲光子技術(shù)研究所的研究人員提出了一種干涉型光纖傳感器的設(shè)計方案，這種傳感器是以一種特殊設(shè)計的雙包層光纖后處理技術(shù)為基礎(chǔ)進行開發(fā)的，同時由于探測頭的設(shè)計因素導(dǎo)致該傳感器對外界環(huán)境變化很敏感。為了分析這種情況，研究人員分別將探測頭放入溫度敏感變化的液體和氣體（在1個大氣壓下）中進行實驗。通過將所測得的兩個信號進行比較，能夠判斷溫度變化對液體折射率變化的影響。不僅是信號幅度會由于周圍介質(zhì)而產(chǎn)生變化，而且干涉模式中的相位也會因此而改變。這是由于在三波干涉裝置里，光纖結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)向感測頭端面處薄隔膜的存在所引起的。研究人員通過用感測頭測量在空氣和水中的溫度變化，就可進行水面折射率的間接測量。盡管獲得的靈敏度低于一些文獻中所報道的數(shù)值，但應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是在測量中沒有將光纖芯暴露在外部介質(zhì)中，文中推薦的傳感器容易制造、堅固、測量重復(fù)性好。
來自荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)電氣工程系光子集成組COBRA學(xué)會的研究人員通過實驗表明，在磷化銦基的光子集成電路中，基板的厚度會影響有源器件和無源器件之間的熱串?dāng)_。對熱串?dāng)_的量化方法是以一個馬赫-曾德爾調(diào)制器為測試主體，測量其電光響應(yīng)的影響度，作為熱串?dāng)_的量化值；同時，在相對于馬赫-曾德爾調(diào)制器的不同距離上放置半導(dǎo)體光學(xué)放大器，這代表熱源及其位置。當(dāng)基板的厚度（t）固定不變時，直流開關(guān)曲線的漂移指數(shù)隨著距離（d）的增加而降低，其中d是指馬赫-曾德爾調(diào)制器和熱源之間的距離。研究人員進一步說明了漂移量是如何取決于d和t的比值：d / t＞1是最好的情況，可以將熱串?dāng)_效應(yīng)減低到最小程度；而d / t＜1會極大影響馬赫-曾德爾調(diào)制器的直流開關(guān)曲線，從而降低其消光比。
  
    來自日本早稻田大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員通過實驗和分析，對兩種掩埋溝道式聚合物波導(dǎo)熱光開關(guān)的特性進行了研究和比較，這兩種熱光開關(guān)分別是1）使用一個單一多模干涉耦合器的多模干涉（MMI）開關(guān)；2）馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）開關(guān)。尤其是馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）開關(guān)，在實驗中顯示出以下特性：功耗低（3.5毫瓦）、速度高（低于200微秒的響應(yīng)時間）、偏振無關(guān)以及帶寬約為80納米。這些低功耗、相對高速度、以及偏振無關(guān)的開關(guān)特性幾乎與設(shè)計要求完全一致。此外，研究人員還提出了一種改進型的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)，用于進一步降低開關(guān)功耗；在采用了增強熱定位結(jié)構(gòu)后，預(yù)計最終功耗將低于0.5毫瓦。
  
    來自新加坡科學(xué)技術(shù)研究機構(gòu)數(shù)據(jù)存儲研究所的科研人員介紹了一種近場等離子換能器，可以高效地從電介質(zhì)波導(dǎo)模式變換到所需要的等離子體模式，以便將納米光能量轉(zhuǎn)移到磁記錄介質(zhì)上，主要應(yīng)用在熱輔助磁記錄（HAMR）技術(shù)中。這里所介紹的換能器是一種錐形混合等離子體介質(zhì)波導(dǎo)，通常包含兩種混合等離子體模式。沿著錐形體，一種混合模式接近截止，同時另一種接近短程表面等離子體模式；由于其相對均勻且較強的縱向磁場分量，使耦合光能量可以順利進入尺寸超過28納米的納米點記錄介質(zhì)。耦合到短程表面等離子體模式里的能量，在換能器輸入端的效率大約是62％，這個效率可沿長度保持不變。這些能量依次順利耦合進記錄介質(zhì)，此時最大的吸收效率為7.87％，并且能在較大的范圍內(nèi)保持近似的吸收效率。即使寫入的磁記錄點離換能器有30納米偏離，該點的最大吸收效率也有6.44％。在文中提出的換能器構(gòu)造中，金屬物、間隙和電介質(zhì)層都能自行對齊，因此對制造偏差的容錯性也較好。較高的效率、較好的容錯性以及加工制造的簡易性，使這種科研人員所介紹的換能器非常適合熱輔助磁記錄（HAMR）技術(shù)的應(yīng)用，并且有可能應(yīng)用到納米聚焦方面。
  
    來自日本古河電氣公司Fitel光學(xué)實驗室的研究人員介紹了一種緊湊型相干混頻器的設(shè)計及特點，這種混頻器本質(zhì)上是一種由摻氧化鋯的二氧化硅玻璃組成的高Δ平面光波電路（PLC）。這種具有5％或更高Δ的平面光波電路（PLC）是通過使用氧化鋯作為摻雜劑來實現(xiàn)的。制造出來的5.5％-Δ氧化鋯-二氧化硅平面光波電路（PLC），其傳播損耗通過對制造工藝的優(yōu)化而降低至0.02分貝/厘米。相干混頻器的設(shè)計和制造采用了氧化鋯-二氧化硅平面光波電路（PLC），混頻器芯片的尺寸已被減小到4毫米×2毫米。研究人員還通過一種優(yōu)化的光點尺寸轉(zhuǎn)換器，將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和氧化鋯-二氧化硅平面光波電路（PLC）之間的耦合損耗減小到低于0.31分貝/面。
 光信號傳輸
    相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）是一個非常具有吸引力的傳輸技術(shù)，能夠從根本上消除由色差色散和偏振模式色散所引起的符號間干擾。人們要求相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和操作運行簡單、高效，并且具有可靠的性能評估方法。在這篇文章中，來自英國伯明翰工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院阿斯頓光子技術(shù)研究所的研究人員展示了一種精確的誤碼率估計方法，主要用于四相相移鍵控（QPSK）相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）傳輸，這種方法是基于所接收到的四相相移鍵控（QPSK）符號的概率密度函數(shù)。通過與其他已知的方法（包括數(shù)據(jù)輔助和非數(shù)據(jù)輔助誤差矢量幅度法）比較，研究人員發(fā)現(xiàn)，在單信道和波分多路復(fù)用的四相相移鍵控（QPSK）相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）傳輸系統(tǒng)中，使用本文所推薦的方法可以提供對系統(tǒng)性能最精確的估計。
    來自澳大利亞墨爾本大學(xué)節(jié)能電信中心、美國圣母大學(xué)低能量系統(tǒng)技術(shù)中心和阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的科研人員，對相干長距離傳輸系統(tǒng)（傳輸速率為100-G比特/秒）中端到端的能量消耗進行了建模和分析。他們著重研究了在端至端的能量消耗上前向糾錯（FEC）所帶來的影響。科研人員在不同傳輸距離、不同輸入誤碼率的情況下，比較了100-G比特/秒傳輸中常用調(diào)制方式的能量效率，調(diào)制方式有雙極化正交相移鍵控（DP-QPSK）和雙極化16進制正交幅度調(diào)制（DP-16-QAM）兩種。文中所建的能量模型包含了發(fā)射機、增強模塊、鏈路放大器還有接收機的能量消耗。與以往的數(shù)字信號處理模型相比，這里提供了一個非常詳細(xì)的模型，不僅包括所有重要的功能塊（例如定時、載波恢復(fù)、色差和極化模式色散補償以及前向糾錯（FEC）等），同時也考慮到了在每個時鐘周期里要處理的樣本數(shù)量的影響，以及除了乘法運算以外其他運算的影響�？蒲腥藛T已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳輸系統(tǒng)中接收機能耗占據(jù)了整個系統(tǒng)能耗的絕大部分，這主要是由于在遠(yuǎn)距離傳輸中使用了電子色散補償。研究結(jié)果表明：在短距離傳輸?shù)那闆r下，硬判決解碼對這兩種調(diào)制方式已經(jīng)足夠，雙極化16進制正交幅度調(diào)制（DP-16-QAM）比雙極化正交相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制能量效率更高。然而，隨著傳輸距離的增大，雙極化16進制正交幅度調(diào)制（DP-16-QAM）需要增加軟判決解碼，由低符號率所節(jié)省的能量會被軟判決解碼的能耗所抵消；在這種情況下，這兩種調(diào)制方式具有大致相似的能耗。
 
調(diào)制與光信號處理
    來自丹麥科技大學(xué)光電子工程系的研究人員宣布首次用實驗論證了用于偏振復(fù)用相干檢測光纖鏈路的疊加編碼調(diào)制（SCM）技術(shù)。文中所建議的編碼調(diào)制方案，結(jié)合了相移比特符號映射（PSM）技術(shù)，用來實現(xiàn)信號波形的無源整形。疊加編碼調(diào)制-相移比特符號映射（SCM-PSM）所輸出的星座圖表現(xiàn)出非雙射準(zhǔn)高斯統(tǒng)計分布，這種分布漸近地達到香農(nóng)容量的極限。相對于256進制的正交幅度調(diào)制（QAM），256進制的疊加編碼調(diào)制-相移比特符號映射（SCM-PSM）靈敏度改善多達0.7分貝。這里特征波的形成是由于相反符號的疊加、而且沒有使用用于信號整形的額外編碼器；與傳統(tǒng)方案相比，文中所建議的方案大大降低了發(fā)射機和接收機的處理復(fù)雜度。此外，在比特交錯編碼調(diào)制迭代譯碼（BICM-ID）的應(yīng)用結(jié)構(gòu)中使用了單級編碼策略（SL-SCM），這主要用于前向糾錯。光纖傳輸系統(tǒng)的特征是根據(jù)背靠背情況下的信噪比而定的，并且與在加性高斯白噪聲信道中進行理想傳輸?shù)哪�擬結(jié)果相關(guān)。最后，研究人員在實驗中分別使用16進制、32進制和64進制的疊加編碼調(diào)制-相移比特符號映射（SCM-PSM）技術(shù)，以雙極化方式、6G波特率的傳輸速率，在240公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中進行非色散管理傳輸，然后都成功地進行了解調(diào)和解碼，從而證明了文中所建議的編碼調(diào)制方案的可行性。
 
    來自比利時布魯塞爾自由大學(xué)應(yīng)用物理與光學(xué)系布魯塞爾光學(xué)團隊和比利時泰科電子有限公司的研究人員提出了一種綜合數(shù)學(xué)建模方法，與數(shù)值方法一起用于光時域反射計（OTDR）的仿真，使之具有能力在無源（點對多點）光網(wǎng)絡(luò)（PON）中，模擬產(chǎn)生光時域反射計（OTDR）蹤跡。據(jù)研究人員介紹，他們提出的這種光時域反射計（OTDR）模擬器是第一種具有產(chǎn)生蹤跡功能的仿真算法，從而超出了目前光時域反射計（OTDR）模擬技術(shù)的水平。在文中介紹的方法中，待測的光纖網(wǎng)絡(luò)被視為一個線性時不變單輸入/單輸出系統(tǒng)，研究人員可以計入光時域反射計（OTDR）脈沖形狀的影響。此外，目前光時域反射計（OTDR）設(shè)備存在的一些限制因素，如檢測器的（非線性）功率飽和、由光時域反射計（OTDR）噪聲導(dǎo)致的動態(tài)范圍限制以及檢測器的帶寬限制，也一起被納入到仿真模型中。研究人員通過使用光時域反射計（OTDR）的實際測量來對仿真結(jié)果進行了實驗驗證，將仿真的蹤跡和所測量的蹤跡相比較，兩者表現(xiàn)出良好的一致性。顯然，實驗證明了這種仿真方法可以在無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中得到很好的應(yīng)用，包括含有分路器級聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)；這就為電信運營商在光纖到戶的網(wǎng)絡(luò)中，探討和運用具有成本效益的集中監(jiān)控技術(shù)提供了重要的工具。
    來自法國國家應(yīng)用科學(xué)研究所、雷恩電子與電信研究所的科研人員提出了一種用于光通信的新型離散多音頻（DMT）調(diào)制方案。在新方案里提出了一種由偽隨機（PN）序列和補零（ZP）序列混合而成的架構(gòu)，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的循環(huán)前綴作為離散多音頻（DMT）傳輸?shù)谋Ｗo間隔，以獲得更高的頻譜效率。上述的偽隨機-補零-離散多音頻（PN-ZP-DMT）調(diào)制方案直接再次使用偽隨機（PN）序列，目的是進行信道估計。這種偽隨機-補零-離散多音頻（PN-ZP-DMT）調(diào)制方案主要被應(yīng)用在塑料光纖（POF）傳輸系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)上離散多音頻（DMT）基于塊的信道估計以及時間-頻率基于導(dǎo)頻的信道估計相比，這種基于偽隨機（PN）序列的信道估計，在塑料光纖（POF）系統(tǒng)中同時提高了性能和頻譜效率�？蒲腥藛T對偽隨機（PN）序列的最佳長度選擇進行了研究。仿真結(jié)果表明，基于偽隨機（PN）序列的信道估計能夠更加接近最佳性能。此外，他們還研究了在塑料光纖（POF）上進行偽隨機-補零-離散多音頻（PN-ZP-DMT）傳輸時，可能遇到的一些實際問題；例如系統(tǒng)的復(fù)雜性、時間同步誤差的影響等。最后，在低成本的50米階躍光纖系統(tǒng)中，采用偽隨機-補零-離散多音頻（PN-ZP-DMT）傳輸實現(xiàn)了1.49 G比特/秒的網(wǎng)速，這也最終證實了文中所提出的新型調(diào)制方案的有效性。
 光纖技術(shù)
    來自瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室、IBM蘇黎世研究中心和美國道康寧公司的科研人員，通過使用定制的激光直寫系統(tǒng)，制造出一種單模聚合物光波導(dǎo)，做為用于板級芯片之間進行光互連的裝置。他們開發(fā)出一種新型可曝光成像的聚硅氧烷材料，這種材料在制造過程中損耗低、工藝簡單、并且可以大面積加工，在使用運行過程中可靠性高�？蒲腥藛T所設(shè)計的聚硅氧烷光波導(dǎo)的橫截面面積為5.5×5.5平方微米，光纖芯與包層聚合物之間的折射率差為0.0086，在1.3微米波長下以單模方式運行；沿波導(dǎo)直線傳播損耗達到了0.28分貝/厘米。這種波導(dǎo)已經(jīng)制造出來并廣泛應(yīng)用于各種無源光器件，包括Y型分光器、定向耦合器和馬赫-曾德爾干涉儀等。這樣的成果表明，通過采用文中所推薦的聚硅氧烷材料和相關(guān)制造工藝，可以很好地實現(xiàn)短距離光互連鏈路。