光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟

    2015年3月出版的JLT主要刊登了以下一些研究方向的文章，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、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)
    來自英國電信公司的研究人員提供了最新一代無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的總體概述，這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)即將由國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ITU-T）編撰完成。新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將被命名為下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（NG-PON2），它在密集波分復(fù)用的信道間隔上利用多波長技術(shù)，能夠提供的光纖傳輸容量達(dá)40 Gbit/s，并在用戶終端（光網(wǎng)絡(luò)單元ONUs）中使用了可調(diào)諧收發(fā)器技術(shù)。新標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)聚焦在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的需求，正是這種需求推動了標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究以及優(yōu)化選擇，并使之標(biāo)準(zhǔn)化。在國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ITU-T）最終批準(zhǔn)新標(biāo)準(zhǔn)之前，本文還給出了物理層主要光學(xué)規(guī)格的暫行標(biāo)準(zhǔn)。


無源和有源光子器件
    來自愛爾蘭科克大學(xué)廷德爾國家研究院、英國伯明翰工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院阿斯頓光子技術(shù)研究所、愛爾蘭Eblana Photonics公司的研究人員介紹了幾種先進(jìn)的有源和無源光器件，主要是用于在空心光子帶隙光纖上進(jìn)行的波長約為2微米的高速光通信。其中，單頻激光器能夠在10 Gb/s速率下運(yùn)行，并且覆蓋了很寬的光譜范圍。研究人員對波導(dǎo)和表面正常的光電二極管做了性能對比，發(fā)現(xiàn)后者的靈敏度更好，可以支持的傳輸速率高達(dá)15 Gb/s。他們還在大光斑尺寸的波導(dǎo)平臺上對無源波導(dǎo)、90°光混合器和具有100 GHz信道間隔的陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行了演示驗(yàn)證。最后，研究人員驗(yàn)證了一種強(qiáng)電光效應(yīng)，這種強(qiáng)電光效應(yīng)是在應(yīng)變平衡多量子阱中的量子限制斯塔克效應(yīng)，在本文里被用于10 Gb/s速率下運(yùn)行的馬赫-曾德調(diào)制器中。
來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院光網(wǎng)絡(luò)研究組的科研人員展示了一種可進(jìn)行快速波長切換的相干收發(fā)器，它是在半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器和并行數(shù)字信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的�？蒲腥藛T對與半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器相關(guān)的固有頻率和相位噪聲進(jìn)行了分析，并提出了一種直流導(dǎo)頻輔助相位噪聲抑制技術(shù)，用于這種可進(jìn)行快速波長切換的雙極化正交頻分復(fù)用收發(fā)器中。這樣，在800公里的波長路由相干網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射器和接收器就都可以使用市場上能買到的數(shù)字超模分布式布拉格反射激光器了。

石墨烯作為一種新型碳材料，由于其在電、熱、光方面都具有十分出色的特性，而且可集成度很高、成本很低，因此已經(jīng)成為一種非常引人關(guān)注的原料，在光電領(lǐng)域里得到大量應(yīng)用。雖然單層石墨烯只有一個原子的厚度，但仍能夠在很寬的頻譜范圍（從太赫茲到可見光頻率）內(nèi)與光進(jìn)行相互作用。此外，石墨烯本身的固有性質(zhì)使其能與硅光子器件很好地集成，并兼容CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝流程。來自美國猶他大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的研究人員回顧并討論了基于石墨烯的光電器件的最新進(jìn)展，這些器件的工作波長在500納米至500微米范圍之間，主要用于光波束的形成、產(chǎn)生、調(diào)制和檢測等。
    來自法國電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、南巴黎國立高等電信工程師學(xué)院電子物理系、阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室第三至五聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和泰雷茲集團(tuán)的研究人員介紹了一種前置放大高速光接收機(jī)，它包括一個單行載流子光電二極管（UTC-PD），集成在一片帶有一個半導(dǎo)體光放大器（SOA）的芯片上。這種半導(dǎo)體光放大器-單行載流子光電二極管光接收機(jī)具有以下性能：3 分貝帶寬的接收頻率達(dá)到95 GHz以上，噪聲系數(shù)為8 分貝，1至2分貝的低極化相關(guān)損耗，95安培/瓦的峰值響應(yīng)度相當(dāng)于記錄6.1 THz的增益帶寬積。
    對于大規(guī)模集成光路而言，硅基光子技術(shù)既有高折射率差硅波導(dǎo)的特性，又有成熟的制造工藝，因此具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。目前，在這個領(lǐng)域的最新進(jìn)展表明，無論是無源還是有源的光學(xué)元件，都可以集成到同一芯片上。來自美國阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹了一種同相/正交調(diào)制器，這種調(diào)整器與硅光子電路中的光均衡器集成到同一芯片上，能夠產(chǎn)生速率為56 Gbaud的正交相移鍵控信號。在誤碼率為2.4×10-2的情況下，光均衡器可改善光信噪比2.5分貝。
    目前，采用多電平和多載波調(diào)制方式的數(shù)字相干傳輸系統(tǒng)，在傳輸速率上已經(jīng)超越了100-Gbit/s。在本文中，來自日本電報電話公司設(shè)備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、設(shè)備創(chuàng)新中心、接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和NTT電子有限公司的科研人員介紹了一種單芯片400-G相干接收機(jī)，它是建立在二氧化硅平面光波導(dǎo)（PLC）集成平臺上�？蒲腥藛T采用了最小彎曲半徑為300微米的5％-Δ波導(dǎo)和混合集成的磷化銦光電二極管（InP-PD），并將一個極化光束分離器（PBS）、兩個極化旋轉(zhuǎn)器、四路光混合器和十六個高速光電二極管（PD）整合在一個芯片上。與其他同類型接收機(jī)相比，這種無源光接收機(jī)結(jié)構(gòu)小巧緊湊，器件的性能沒有任何下降�？蒲腥藛T還對具有低損耗、高制造公差的三支模斑轉(zhuǎn)換器，以及具有高極化消光比的波片型極化光束分離器（PBS）進(jìn)行了深入的探討和研究。利用這些技術(shù)，他們在平面光波導(dǎo)（PLC）平臺上制成了雙載波雙極化（DP）16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）接收機(jī)，并成功演示了如何對每個信道中的32 Gbaud雙載波雙極化（DP）16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號進(jìn)行解調(diào)。


光傳輸
    來自以色列特拉維夫大學(xué)電氣工程學(xué)院和意大利拉奎拉大學(xué)物理與化學(xué)科學(xué)系的研究人員回顧了在光纖通信系統(tǒng)中，對信道間非線性干擾噪聲（NLIN）建模的過程。建模的關(guān)鍵在于對信道間非線性干擾噪聲（NLIN）方差的準(zhǔn)確提取、對調(diào)制格式的依賴程度、非線性相位噪聲的作用以及存在的時間相關(guān)性。研究人員介紹了建模過程中所采取的重要方法，即利用時間相關(guān)性來減少信道間非線性干擾噪聲（NLIN）的影響；還探討了建模在未來系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。
    第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）是移動通信發(fā)展中的下一個重要階段，這一階段將提供形成網(wǎng)絡(luò)社會的基礎(chǔ)。為了支持第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G），對與之配套的傳輸系統(tǒng)也提出了進(jìn)一步的要求。這種傳輸系統(tǒng)需要滿足更廣泛的業(yè)務(wù)需求；需要支持新興的第五代移動通信無線網(wǎng)絡(luò)（5G）系統(tǒng)（這種無線系統(tǒng)的用戶容量更高、基站數(shù)量也將越來越多）；還必須滿足能夠?qū)Ω骰�站之間的無線信號相互干擾進(jìn)行協(xié)調(diào)；以及滿足無線接入網(wǎng)絡(luò)的部署模型具有高性價比；并且能夠提供一個靈活的資源共享平臺，使不同行業(yè)的用戶通過傳輸應(yīng)用程序接口可以訪問網(wǎng)絡(luò)資源，以獲得各種各樣的傳輸服務(wù)。來自瑞典愛立信研究中心和意大利愛立信研究中心的科研人員總結(jié)了第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵性、決定性因素，在波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和利用集成光子學(xué)開發(fā)的新型光學(xué)設(shè)備基礎(chǔ)上，勾勒出一個實(shí)現(xiàn)可編程高速信號傳輸?shù)母拍睢?

調(diào)制與光信號處理
    來自德國阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室、德國斯圖加特大學(xué)和美國阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹并討論了目前在糾錯編碼領(lǐng)域取得的一些進(jìn)展，并論述了這些編碼方法在光波傳輸系統(tǒng)中的可用性。研究人員介紹了空間耦合編碼的幾種分類，討論幾個空間耦合編碼的設(shè)計方案，說明如何通過度分布的仔細(xì)選擇來構(gòu)成快速可譯代碼。他們使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明了一些空間耦合編碼方法具有良好的性能，其誤碼率是非常低的。最后，研究人員比較了文中所提出的所有方案；說明了在相似的接收機(jī)復(fù)雜度和內(nèi)存需求條件下，空間耦合低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼的性能是如何優(yōu)于傳統(tǒng)的低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼和極性碼的。
    來自意大利米蘭理工大學(xué)電子信息與生物工程系的科研人員展示了一種片上型非侵入式監(jiān)測技術(shù)，用于監(jiān)測在硅光子波導(dǎo)中的正交模傳送。這里所提出的監(jiān)測技術(shù)是利用了最近開發(fā)成功的非接觸式集成光子探針（CLIPP），來實(shí)現(xiàn)一種完全透明的集成光探測器。波導(dǎo)中模傳播的光強(qiáng)度可以用非接觸式集成光子探針（CLIPP）進(jìn)行實(shí)時跟蹤，這樣的監(jiān)測不會導(dǎo)致信號傳播質(zhì)量的下降�？蒲腥藛T利用這一原理，同時監(jiān)測硅光子波導(dǎo)中兩路已調(diào)制10 Gbit/s數(shù)據(jù)信道的傳送強(qiáng)度，這兩路信道在波長和復(fù)用方面是相同的。通過對每一路信號加弱調(diào)制導(dǎo)頻音進(jìn)行標(biāo)識，非接觸式集成光子探針（CLIPP）可以在同一時間區(qū)分兩個不同的信道，對一個信道信號的監(jiān)測不會影響對另一個信道信號的讀取。這種監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用還可以擴(kuò)展到任意極化態(tài)的多種模式，連同非接觸式集成光子探針（CLIPP）探測器所具有的制造簡單性和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容性，使得運(yùn)用這種技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對模分復(fù)用系統(tǒng)中集成元件的監(jiān)測和控制。
    來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院光子與量子電子學(xué)研究所和微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所、科隆大學(xué)化學(xué)系、美國麻省理工學(xué)院電子研究實(shí) 驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)、蒙大拿州立大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院，以及美國英飛朗有限公司、德國科銳安有限公司、AMO有限公司、是德科技有限公司的研究人員，首次證實(shí)了可以使用硅基調(diào)制器產(chǎn)生符號速率為40 Gbaud的16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號。他們的設(shè)備利用有機(jī)硅融合技術(shù)，結(jié)合了帶有電光包覆材料的絕緣硅基槽波導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)高效率的移相器。這些設(shè)備可以產(chǎn)生16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號和正交相移鍵控信號，符號速率分別達(dá)到40 Gbaud和45 Gbaud；在單波長和單極化的情況下，傳輸速率最大可達(dá)到160 Gbit/s。這是目前硅基器件經(jīng)過驗(yàn)證所能達(dá)到的最高值。上述設(shè)備所產(chǎn)生的16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號能耗不到120 fJ/bit，比傳統(tǒng)硅基光調(diào)制器產(chǎn)生的16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16QAM）信號能耗要低一個數(shù)量級。
    隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的增加，遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)對頻譜效率的要求越來越高。在波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，使用16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（QAM-16）技術(shù)是一種理想的選擇；這種技術(shù)所達(dá)到的頻譜效率是正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制技術(shù)頻譜效率的兩倍，是傳統(tǒng)二進(jìn)制開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制技術(shù)頻譜效率的4倍。然而，要產(chǎn)生16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（QAM-16）信號，需要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴、耗電較多。目前，來自美國思科系統(tǒng)公司、斯坦福大學(xué)電氣工程系和意大利思科光子公司的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型16進(jìn)制正交幅度（QAM-16）調(diào)制器，這種調(diào)制器不需要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面類似于傳統(tǒng)的同相/正交（IQ）調(diào)制器。研究人員通過實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果表明，由這種調(diào)制器產(chǎn)生的16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（QAM-16）信號在進(jìn)行單極化、背對背傳輸和零差檢測時，符號速率高達(dá)28.125 Gsymbols/s，對應(yīng)在單極化系統(tǒng)中每波長比特率高達(dá)112.5 Gb/s；轉(zhuǎn)換到雙極化系統(tǒng)中每波長比特率高達(dá)225 Gb/s。這種調(diào)制器采用分段式結(jié)構(gòu)，建立在超低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）光電平臺上，調(diào)制器和驅(qū)動器的功耗不到1瓦。


光纖技術(shù)
    來自法國普睿司曼集團(tuán)的研究人員對用于空分復(fù)用傳輸?shù)南乱淮�光纖，在研究領(lǐng)域里的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述。根據(jù)傳輸途中如何解決固有的串?dāng)_問題，以及表現(xiàn)出的不同特性和限制，下一代光纖可分為多種類別。對這些不同類別的光纖進(jìn)行性能對比，就能發(fā)現(xiàn)它們在未來的不同發(fā)展?jié)摿Α?
    少模光纖（FMFs）在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如空分復(fù)用（SDM）技術(shù)、高能激光發(fā)電及傳輸技術(shù)、色散補(bǔ)償技術(shù)等方面。少模光纖所具有的許多特性（色散、雙折射、模態(tài)內(nèi)容、彎曲損耗）, 都相當(dāng)符合空分復(fù)用（SDM）技術(shù)的需求。在本文中，來自法國電信聯(lián)盟/巴黎高科國立高等電信學(xué)校、布列塔尼大學(xué)、加拿大拉瓦爾大學(xué)光學(xué)中心、魁北克大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院電氣工程系和法國普睿司曼集團(tuán)光纖技術(shù)研發(fā)部的研究人員通過使用相敏低相干光干涉法，使少模光纖在所有LP模態(tài)下可同時表現(xiàn)出其特性。他們還采用了無空間模態(tài)轉(zhuǎn)換的單次測量方法，來獲得差分模態(tài)組的延遲和每個模態(tài)的色散絕對值。
    來自日本電報電話公司接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的科研人員提出了一種采用中等耦合的多芯光纖（MCF）設(shè)計方案，來實(shí)現(xiàn)既能夠降低光纖芯間多輸入多輸出（MIMO）處理的復(fù)雜性，又能夠提高光纖內(nèi)空間利用率的目標(biāo)�？蒲腥藛T運(yùn)用數(shù)值模擬和仿真實(shí)驗(yàn)的方法，對纖芯均勻分布的多芯光纖（MCF）進(jìn)行了研究，分析了模式耦合對光纖芯間微分模延遲（DMD）的影響；結(jié)果表明采用中等耦合的多芯光纖（MCF）設(shè)計可以避免光纖芯間微分模延遲（DMD）的增加，這就能夠通過使用低復(fù)雜度的多輸入多輸出（MIMO）處理來彌補(bǔ)光纖芯間的串?dāng)_。最后，科研人員制作了覆層厚度為125微米的雙LP模式六芯光纖進(jìn)行試驗(yàn)，歸一化信道多樣性最高達(dá)到了18，而模式耦合沒有引起明顯的微分模延遲（DMD）增加。

    來自英國巴斯大學(xué)物理系的研究人員在本期介紹了一種高階模轉(zhuǎn)換器，主要應(yīng)用在纖芯為矩形的帶狀光纖上，它是對光子晶體 光纖進(jìn)行后處理后，在輸入的單模纖芯旁邊引入了一個擴(kuò)大的寄生纖芯而組成的。這兩個纖芯合并形成了輸出的矩形纖芯。通過將光聚焦到輸入纖芯，第三至第六階模就會在輸出端激發(fā)出來，因此該設(shè)備支持損耗較低（小于0.2分貝）并且?guī)�寬較高（1250–1650納米）的實(shí)際應(yīng)用。