光纖在線特邀評論員：邵宇豐 王煉棟
    7/10/2015,2015年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：無源和有源光子器件、光傳輸、光調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

無源和有源光子器件

    來自新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院卓越光子學中心的研究人員介紹了一種新型的可重構(gòu)光啁啾Z變換（OCZT）處理器，其具有全光信號的處理功能。眾所周知，非調(diào)諧離散傅立葉變換（DFT）處理器在運算時所使用的快速傅里葉變換算法，是啁啾Z變換（CZT）算法的一種特殊情況。而研究人員提出的新型可調(diào)諧離散傅立葉變換（DFT）處理器也是啁啾Z變換（CZT）算法的一種特殊情況。因此可調(diào)諧光啁啾Z變換（OCZT）處理器被設(shè)計成使用啁啾Z變換（CZT）算法，并結(jié)合運用了二氧化硅基平面光波電路技術(shù)。為了證明其有效性，研究人員還介紹了一種新型光學離散傅立葉變換處理器的設(shè)計和模擬結(jié)果，同樣是作為合成光啁啾Z變換（OCZT）的一種特殊情況。



    即使處于理想的情況下，多模干涉耦合器（MMI）在振幅和相位方面也會存在誤差。當使用多模干涉耦合器（MMI）構(gòu)造的馬赫曾德爾干涉儀（MZI）時，這些誤差會導(dǎo)致干涉儀產(chǎn)生非理想狀態(tài)的效果。在這里，來自荷蘭埃因霍芬理工大學COBRA研究所的科研人員介紹了一種修正算法，能夠在采用3×3多模干涉耦合器（MMI）構(gòu)造的馬赫曾德爾干涉儀（MZI）中，大幅減少振幅及相位的誤差。這樣的馬赫曾德爾干涉儀（MZI）經(jīng)常會被用于在波長計中進行方案相位估計�？蒲腥藛T的修正算法可以使最大相位估計誤差減少到2◦，使干涉儀可用于設(shè)備生產(chǎn)制造過程中的測量；這要比傳統(tǒng)的方法精度高兩到三倍。

    來自中國浙江大學傳感技術(shù)浙江省重點實驗室、現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室、光及電磁波研究中心的研究人員提出了一種緊湊型的波分復(fù)用/解復(fù)用器，并通過實驗進行了驗證。這種波分復(fù)用/解復(fù)用器通過利用集成了馬赫曾德爾干涉儀光學梳狀濾波器的雙向陣列波導(dǎo)光柵，實現(xiàn)了信道數(shù)量翻番和信道間隔減半。例如，研究人員設(shè)計和制造了一個18信道的波分復(fù)用/解復(fù)用器，信道的間隔為200GHz；經(jīng)測量其附加損耗約為8 dB，信道串擾為-15～-18 dB。這種復(fù)用/解復(fù)用器的引腳尺寸大約是520μm×190μm。

    來自中國計量學院光學與電子科技學院、濟南大學物理科學與技術(shù)學院、香港理工大學電機工程學系和深圳研究院以及浙江大學的研究人員通過實驗證明了可以通過可飽和吸收體對被動鎖模光纖激光器進行操作，這里所使用的可飽和吸收體是以沉積在帶有內(nèi)氣腔的略錐形光纖上的石墨烯為基礎(chǔ)的。這種可飽和吸收體由于激發(fā)包層模式的漸逝場使得強光與石墨烯相互作用，其結(jié)果是生成穩(wěn)定的被動鎖模激光脈沖，脈沖寬度為674飛秒；此外，通過可飽和吸收體還可以實現(xiàn)一次諧波的鎖模操作。

    來自西班牙光子科學研究所和西班牙加泰羅尼亞高等研究院的研究人員介紹了基于光纖的諧振偶極子的用途，以及用于極小分辨率光學顯微鏡的納米級光學納米天線。一個典型的光偶極天線長度僅約100納米，這是由于光的波長通常比無線電波的波長要小約一百萬倍。研究人員展示了他們?nèi)绾瓮ㄟ^聚焦離子束對錐形光纖進行金屬涂層加工，從而戰(zhàn)勝了制作這樣極小長度諧振天線的挑戰(zhàn)，達到了約10納米的精度。光纖為宏觀世界與納米世界之間提供了一種理想的接口，使這種與樣品表面相對應(yīng)的微小納米天線可以以納米精度進行操控。采用單個熒光分子成像和納米技術(shù)后，研究人員實現(xiàn)了低于40納米的光學分辨率（FWHM），這已經(jīng)遠遠低于阿貝衍射極限。顯然，基于光纖的光掃描天線專用納米加工技術(shù)是一個很有前途的發(fā)展方向，將不斷挑戰(zhàn)納米級光學顯微鏡的極限。

光傳輸

     工作于日盲紫外（SB-UV）頻段的無線光通信鏈路在傳輸數(shù)據(jù)時，不需要通過利用大氣散射來保持視距。這種通信鏈路的主要優(yōu)點包括具有安全性和隱蔽性，并且易于部署；然而，由于底層大氣的散射過程，這些鏈路本身也會遭受大路徑損耗和傳播延遲。來自埃及亞歷山大大學電氣工程系和加拿大麥克馬斯特大學電氣與計算機工程系的研究人員認為，在接收機端利用空間自由度可以提高日盲紫外（SB-UV）信道的信息速率。經(jīng)典散射鏈路模型經(jīng)擴展后可為散射光子提供時間和空間的到達信息。研究人員為日盲紫外（SB-UV）信道開發(fā)了一種時空信道模型，采用的是多元成像接收機；并利用空間分集技術(shù)進行延遲補償和檢測器的噪聲抑制。通過對信息傳輸速率的計算，包括考慮了一些特殊情況，其研究結(jié)果表明在使用空間分集技術(shù)的多元接收機信道中，信息速率比在普通單元接收機信道中提高了大約50％。

    射頻（RF）通信與自由空間光（FSO）通信相結(jié)合，對于提高通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率而言是一種很有前途的技術(shù)，不過目前仍然缺乏統(tǒng)一的表達式來描述其性能。在這里，來自中國清華大學電子工程系和清華信息科學與技術(shù)國家重點實驗室的研究人員介紹了一種統(tǒng)一的性能分析框架，可用于非對稱射頻（RF）/自由空間光（FSO）鏈路中的雙跳中繼系統(tǒng)。更具體地說，其中的射頻（RF）鏈路部分遵循廣義的κ-μ或η-μ分布，而自由空間光（FSO）鏈路部分則遵循伽瑪伽瑪分布；由此可以導(dǎo)出由概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)組成的解析表達式。然后，研究人員利用這些結(jié)果，提供了反映中斷概率和誤碼率（BER）的新精確解析表達式。此外，他們還推導(dǎo)出用于高信噪比的中斷概率和不同調(diào)制方案的誤碼率，這對于確定影響系統(tǒng)整體性能的系統(tǒng)參數(shù)和信道參數(shù)是很有用的。這些精確表達式具有通用性，因此可用于射頻（RF）鏈路中的廣義衰落和自由空間光（FSO）鏈路中的指向誤差、大氣湍流以及不同的調(diào)制方案。最后，數(shù)值模擬和蒙特卡羅模擬的結(jié)果，都證明研究人員所提出的統(tǒng)一解析表達式是有效的。



    來自美國賓夕法尼亞州立大學和土耳其沃茲耶因大學電子與電氣工程系的研究人員提出了一種新的概率分布函數(shù)，可以在寬范圍的湍流條件下準確地描述湍流引起的衰落。這種被稱為雙廣義伽瑪（雙GG）的模型，是基于雙隨機閃爍理論，并通過兩個廣義伽瑪分布的乘積發(fā)展而來的。研究人員所推薦的雙廣義伽瑪（雙GG）分布概括了現(xiàn)有的許多湍流信道模型，還為已經(jīng)公布的平面波和球面波模擬數(shù)據(jù)提供了極好的匹配。使用了這種新的統(tǒng)計信道模型，他們推導(dǎo)出中斷概率的封閉式表達式和平均誤碼率，以及在湍流信道中相應(yīng)的自由空間光通信系統(tǒng)漸近表達式。研究人員還驗證了他們推導(dǎo)出的表達式可以涵蓋許多在此前文獻報道中已存在的結(jié)果（關(guān)于伽瑪-伽瑪分布、雙韋布爾分布和特殊情況下的K信道）。

光調(diào)制與光信號處理

    來自英國阿斯頓大學工程和應(yīng)用科學學院光子技術(shù)研究所的研究人員采用計算機模擬和實驗的方法，驗證了一種新型子載波編碼方案，這種編碼方案與預(yù)先電色散補償（pre-EDC）技術(shù)相結(jié)合，用于在相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)中緩解光纖的非線性效應(yīng)。在相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)中，相鄰子載波的頻率間距通常比較�。〝�(shù)十兆赫茲），在光纖鏈路上傳播后，往往會出現(xiàn)具有相關(guān)性的非線性失真。因而，通�？梢酝ㄟ^對相鄰的正交頻分復(fù)用（OFDM）子載波進行編碼處理來實現(xiàn)非線性效應(yīng)的緩解。由此，研究人員提出了在相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)傳輸上采用雙相位共軛雙波的原理。仿真和實驗結(jié)果表明，運用這種簡單的技術(shù)進行編碼并結(jié)合使用50％的預(yù)先電色散補償（pre-EDC），就能夠有效提高相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)的傳輸性能，在采用二進制相移鍵控（BPSK）和正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方式時，性能分別提高1.5 dB和0.8 dB。



     在高速相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)中，載波頻率偏移（CFO）的寬范圍估計和高效的符號定時同步是必不可少的。最近有人提出了在載波頻率偏移（CFO）估計中，使用中國剩余定理（CRT）進行寬范圍估計的想法。而來自韓國電子和電信研究所光與無線融合研究部、韓國科學技術(shù)院電氣工程系的研究人員，在一個實時相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)中，對基于中國剩余定理（CRT）的載波頻率偏移（CFO）估計方法進行了可行性實驗驗證。他們還提出了采用簡化定時度量的兩步符號定時同步方法，同樣用于相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)。通過實時性實驗的結(jié)果表明，這種基于中國剩余定理（CRT）的載波頻率偏移（CFO）算法能夠估算的范圍相當廣（與采樣頻率相一致），研究人員所提出的同步方法也很好地實現(xiàn)了高效精確的符號定時同步。

     來自土耳其海峽大學電氣與電子工程系無線通信實驗室的研究人員，提出了一種新型的多輸入多輸出（MIMO）光調(diào)制方法，包含了天線移頻鍵控調(diào)制以及脈沖位置幅度聯(lián)合調(diào)制。這種方法被稱為光空間調(diào)制（OSM），與傳統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO）光調(diào)制方法相比，能夠提供更高的功率效率和頻譜效率。研究人員提供了一種理論分析框架，用于對自由空間光通信信道中的編碼與未編碼光空間調(diào)制（OSM）進行性能研究，信道的環(huán)境條件可設(shè)定為弱到中度的大氣湍流和中度至強烈的大氣湍流。他們還通過仿真對理論推導(dǎo)結(jié)果的可行性進行了驗證，尤其驗證了收發(fā)信機的關(guān)鍵設(shè)計指標，如頻譜效率、誤碼性能和對抗閃爍效應(yīng)的性能。

    在過去的20年中，糾纏光子亮源導(dǎo)致了量子光學干涉法的復(fù)興。光學干涉測量已經(jīng)是量子力學的測試基礎(chǔ)，并應(yīng)用于一些與量子糾纏相關(guān)的新想法，如量子隱形傳態(tài)、量子密碼、量子光刻技術(shù)、量子計算邏輯門和量子計量。在這里，來自美國路易斯安那州立大學赫恩理論物理研究所、物理與天文學系的研究人員重點關(guān)注在量子計量中，已經(jīng)利用量子光學糾纏原理研制出的、可突破散粒噪聲限制的新方法，這些方法能夠在光纖陀螺儀和用于生物或化學目的的傳感器中使用。他們還討論了在成像系統(tǒng)（諸如激光雷達和光學光刻）中，這種量子糾纏是如何被用來打破瑞利衍射極限的。



光纖技術(shù)

    來自中國臺灣國立聯(lián)合大學光電工程系的研究人員介紹了一種具有強色散補償并且波長可調(diào)諧的光子晶體光纖（WT-DCPCF），這種光纖在結(jié)構(gòu)上是兩種其他光纖的混合，包含有雙同軸芯光子晶體光纖（DCC-PCF）和凹陷包層光子晶體光纖（DeC-PCF）的構(gòu)造。為了提高色散補償效果，這種由雙同軸芯光子晶體光纖（DCC-PCF）和凹陷包層光子晶體光纖（DeC-PCF）組成的混合結(jié)構(gòu)是上述波長可調(diào)諧光子晶體光纖（WT-DCPCF）的基礎(chǔ)。為了使工作波長可調(diào)諧，研究人員在混合結(jié)構(gòu)光纖的中央纖芯插入了一些具有相同的直徑、但折射率不同的中心桿。數(shù)值模擬結(jié)果表明，所插入中心桿的折射率決定了光纖的工作波長，而且這種波長可調(diào)諧光子晶體光纖（WT-DCPCF）在其波長可調(diào)諧范圍內(nèi)（1509-1610nm），具有很高的色散系數(shù)（-39895至47179 ps/km·nm）。這在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的常規(guī)波分復(fù)用系統(tǒng)或稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)中都可以得到應(yīng)用。

    核反應(yīng)堆中燃料組件的振動測量是一項非常重要的工作，可以以此確定反應(yīng)堆堆芯的健康程度和壽命。在新一代液態(tài)重金屬反應(yīng)堆中，這種測量尤其顯得重要，因為這種反應(yīng)堆是采用300℃的熔化的液態(tài)金屬做為冷卻劑，燃料組件就是浸泡在這種具有腐蝕性的液態(tài)金屬中，各個燃料棒之間的距離被限制為幾毫米。來自比利時布魯塞爾自由大學機械工程系和B-PHOT布魯塞爾光子學團隊、比利時核能研究中心的研究人員考慮在這樣的環(huán)境中，使用光纖布拉格光柵作為潛在的手段進行燃料棒的振動測量。他們采用一種特殊的方法將光纖布拉格光柵集成到燃料棒中，并放置在一個類似真正的液體重金屬反應(yīng)堆的環(huán)境中。具體地說，他們把光柵作為振動傳感器，并將燃料棒浸入300℃的液態(tài)重金屬中長達700小時以上，然后將光柵光譜響應(yīng)的信噪比作為時間的函數(shù)進行監(jiān)控和評估。結(jié)果表明，在浸入液態(tài)重金屬400小時后對布拉格峰的精確檢測變得非常具有挑戰(zhàn)性。此外，他們還通過其它方法來延長傳感器的使用壽命，一種是采用更合適的方法將光纖布拉格光柵集成到燃料棒中，另一種是采用備用峰值檢測算法。

    來自波蘭華沙理工大學物理學院的研究人員介紹了四種不同類型的微電極系統(tǒng)，都是用于摻雜液晶光子晶體光纖的動態(tài)電場傳感。其中使用柔性扁平電纜的電極系統(tǒng)，其特點是在動態(tài)電場傳感時具有最短的開關(guān)時間，約為20毫秒。而帶有4個微電極（τ約為36毫秒）的細管系統(tǒng)，對于液晶光子晶體光纖的動態(tài)電場傳感操作是最方便的。研究人員還對細管系統(tǒng)進行了理論分析并做了說明。

    來自英國赫瑞瓦特大學光電子與量子科學研究所應(yīng)用光學與光子部的研究人員介紹了一種光纖溫度傳感器的原理、性能和封裝形式，這種光纖溫度傳感器原理上是以法布里-珀羅（F-P）微腔結(jié)構(gòu)為核心基礎(chǔ)的，當外界溫度發(fā)生改變時，法布里-珀羅（F-P）微腔的長度會發(fā)生變化，從而在反射干涉光譜中可以觀察到相應(yīng)的變化。這種傳感器的性能已經(jīng)在高達1100℃的高溫測量中進行了驗證，在1100℃下進行歷時超過300小時的連續(xù)測量，傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性約為10℃。最后，傳感器的封裝結(jié)構(gòu)是采用一個密封的細管作為保護外罩。

    來自西班牙納瓦拉公立大學電氣與電子工程系和英國倫敦城市大學工程與數(shù)學科學學院的研究人員提出并驗證了一種新的傳感器系統(tǒng)，它通過長周期光柵與光纖激光器（基于光纖布拉格光柵）的獨特組合，可同時對壓力和溫度進行測量。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員開發(fā)了一種新的摻鉺光纖激光器構(gòu)造；這種構(gòu)造的激光器可以實現(xiàn)55 dB的光學信噪比；而它的峰值功率經(jīng)光學頻譜分析儀測量，所達到的范圍在-5 dBm至0 dBm之間。這種新型傳感器系統(tǒng)測量的壓力及溫度信息可通過以下步驟獲得：首先采用獨特的發(fā)射譜線；同時監(jiān)測光纖激光器波長的偏移和功率電平的變化，這兩者呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。