光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 周越 李長祥

    2015年12月出版的JLT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、光傳輸、光調(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)及子系統(tǒng)
    來自謝里夫科技大學(xué)電氣工程系、利茲大學(xué)電子與電氣工程系的科研人員,提出采用正交頻分復(fù)用（OFDM）這種高效的頻譜復(fù)用技術(shù)，利用它在量子網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行量子密鑰分配的方案�？蒲腥藛T提出并詳細(xì)分析了兩種主要方案，均考慮了系統(tǒng)的不完善點(diǎn)，特別是時間錯位問題。實(shí)驗證明，許多服務(wù)提供商使用該多路復(fù)用技術(shù)可以共享基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，而如果采用傳統(tǒng)的無源全光OFDM解碼器則不能提高總密鑰生成率。為了實(shí)現(xiàn)信道數(shù)目中的密鑰生成速率線性增加，科研人員提出了一種非常規(guī)的正交頻分復(fù)用（OFDM）解碼靈敏設(shè)置，其采用了光開關(guān)而非傳統(tǒng)的被動電路。實(shí)驗表明，通過使用研究人員制作的解碼器，帶寬利用率相比傳統(tǒng)的波分復(fù)用技術(shù)可大大提高。


圖1新興量子網(wǎng)絡(luò)的可信節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
    來自意大利國家光子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗室、圣安娜高級學(xué)校儀器服務(wù)中心的研究人員實(shí)驗表明，在一個周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)中進(jìn)行靈活多播操作可提高頻譜效率（SE）。正交相移鍵控（QPSK）和16正交幅度調(diào)制（QAM）的梳狀副載波產(chǎn)生了C波段的二階非線性效應(yīng)（周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)由二次諧波和差頻級聯(lián)產(chǎn)生）。這種技術(shù)允許創(chuàng)建相同間隔的信號多播副本，并獨(dú)立于調(diào)制格式。經(jīng)過80公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的傳輸后，研究人員測量了信號的誤碼率。實(shí)驗結(jié)果表明，具有37.5 GHz信道間隔的25Gb/s多播QPSK的頻譜效率（SE）得到了約1.3 B / S /HZ的增益。通過引入時間–頻率包技術(shù)，能獲得一個60 Gb /sQPSK信號的光波組，該光波組的頻譜效率（SE）為2.7B/S/Hz，載波間隔為20GHZ。
來自瑞典林雪平大學(xué)的科研人員面對未來網(wǎng)絡(luò)的容量需求進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）與空分復(fù)用技術(shù)（SDM）是唯一明顯的長期解決方案。對通過空間的空間纖維的介紹，如多芯光纖（MCF）到增強(qiáng)型光網(wǎng)絡(luò)（EON）提供了一個額外的維度以及對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源優(yōu)化問題的挑戰(zhàn)。有各種類型的技術(shù)空分復(fù)用（SDM）傳輸介質(zhì)、交換、放大；他們每一個在網(wǎng)絡(luò)上的具有不同的能力和限制。例如，采用多芯光纖（MCF）作為用于空分復(fù)用（SDM）的傳輸介質(zhì)減輕用于彈性光網(wǎng)絡(luò)（EON）的路由和頻譜分配問題的頻譜連續(xù)性約束。事實(shí)上，核心可以在網(wǎng)絡(luò)的路由上自由切換到不同的鏈路上。另一方面，內(nèi)在核心串?dāng)_時應(yīng)考慮解決資源分配問題。在彈性的空分復(fù)用（SDM）網(wǎng)絡(luò)交換架構(gòu)中，相對于硬連線可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM）（光學(xué)黑盒），可編程架構(gòu)需求（AOD）的節(jié)點(diǎn)（光學(xué)白盒）可以提供更多的可擴(kuò)展的解決方案。本研究探討了路由，調(diào)制，頻譜，和核心配置（RMSCA）用于通過架構(gòu)需求（AODs）和靜態(tài)的光分插復(fù)用器（ROADM）實(shí)現(xiàn)弱耦合的多芯光纖（MCF）類彈性空分復(fù)用（SDM）網(wǎng)絡(luò)問題。提出的路由，調(diào)制，頻譜，和核心配置（RMSCA）戰(zhàn)略整合頻譜資源分配，交換資源部署，通過一個多目標(biāo)的成本函數(shù)，并在內(nèi)核串?dāng)_方面的物理層受損。所提出的策略執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和物理層之間的跨層優(yōu)化來計算為候補(bǔ)資源解決方案的實(shí)際內(nèi)核串?dāng)_并且加以特別的設(shè)計，以適應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)中部署光節(jié)點(diǎn)的類型。大量的仿真結(jié)果表明，1）通過利用基于光分插復(fù)用器（ROADM）的空分復(fù)用（SDM）網(wǎng)絡(luò)，與基于架構(gòu)需求（AOD）解決方案的資源利用效率的密集結(jié)內(nèi)連接和配置的業(yè)務(wù)量提高顯著，2）內(nèi)核串?dāng)_意識到為基于架構(gòu)需求（AOD）的空分復(fù)用（SDM）網(wǎng)絡(luò)提高基本配置業(yè)務(wù)量的戰(zhàn)略，并且3）隨著流量的增加的時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求（AOD）節(jié)點(diǎn)設(shè)計的交換模塊增長平緩涉及到光分插復(fù)用器（ROADM）中的一個，排位賽AoD的作為未來SDM網(wǎng)絡(luò)一個可擴(kuò)展的和具有成本效益的選擇網(wǎng)絡(luò)。對于未來的空分復(fù)用（SDM）網(wǎng)絡(luò)來說，合理的架構(gòu)需求（AOD）是一個可擴(kuò)展和節(jié)約成本的選擇。

    來自葡萄牙阿威羅大學(xué)電子通信和信息系的科研人員實(shí)驗在自適應(yīng)偏振解復(fù)用（poldemux）的基礎(chǔ)上分析了對信號的偏振態(tài)在斯托克斯空間中的表示方法�；�于斯托克斯偏振解復(fù)用（poldemux）的性能和收斂速度及恒模算法，研究人員對6千赫的最大偏振旋轉(zhuǎn)的雙偏振正交相移鍵控（QPSK）和16進(jìn)制正交振幅調(diào)制（16QAM）的調(diào)制格式進(jìn)行了比較；同時，斯托克斯的自適應(yīng)算法的適用性已經(jīng)在超密集波分復(fù)用的情況下進(jìn)行了超過80公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖測試。測試誤碼率（BER）的結(jié)果表明該系統(tǒng)的功率損失較小，應(yīng)用自適應(yīng)斯托克斯方法后，系統(tǒng)中的累積的色度色散和偏振模色散較小，可在高容量的光城域網(wǎng)和接入網(wǎng)絡(luò)方案中應(yīng)用。


圖2 自適應(yīng)斯托克斯算法驗證的實(shí)驗裝置圖

無源和有源光子器件
    來自美國特拉華大學(xué)的科研人員對均衡增強(qiáng)相位噪聲(EEPN)及其對相干光學(xué)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了全面分析。通過對其進(jìn)行時域分析后，科研人員發(fā)現(xiàn)EEPN是因離散信號的多個延遲版本的干擾引起的，由所接收離散信號的相互混合產(chǎn)生的，在光電探測器中的本機(jī)振蕩器的噪聲邊帶�？蒲腥藛T推導(dǎo)出了一些統(tǒng)計特性，諸如平均值，方差以及EEPN影響的接收信號的誤差向量幅度。在利用電子色散補(bǔ)償?shù)南喔晒鈱W(xué)系統(tǒng)中，科研人員發(fā)現(xiàn)該噪聲與無線通信系統(tǒng)中的多徑衰落相對應(yīng)，并給出了必要的本地振蕩器線寬和/或一般系統(tǒng)配置的緩解帶寬和指定的光信噪損失的閉環(huán)表達(dá)式。

    來自中國香港大學(xué)光電子研究中心高級研究所的研究人員，對拉曼輔助光纖參量放大器（FOPA）的多波長放大過程中的抑制四波混頻（FWM）串?dāng)_進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。他們利用一種反向拉曼泵，通過解析表達(dá)式和仿真模擬驗證了串?dāng)_減小原理。串?dāng)_減少歸因于拉曼輔助光纖參量放大器（FOPA）的參數(shù)泵功率單調(diào)遞增引起的信號功率的特殊變化。他們還討論了信號通道數(shù)、參數(shù)泵與拉曼泵功率對四波混頻(FWM)串?dāng)_的影響。實(shí)驗與之前模擬的結(jié)果相吻合。仿真結(jié)果表明，在相同的信號增益水平下，利用一個更強(qiáng)的拉曼泵結(jié)合一個較弱的參數(shù)泵可以很好的減少串?dāng)_。他們在四波混頻(FWM)中減少了超過7dB的信號串?dāng)_，這來源于拉曼輔助下光纖參量放大器（FOPA）的簡并四波混頻(FWM)和非簡并四波混頻(FWM)過程，此裝置相當(dāng)于傳統(tǒng)拉曼輔助光纖參量放大器（FOPA）加上等效信號增益器。

    來自葡萄牙阿威羅大學(xué)的科研人員通過對包含狀態(tài)變量和測量方程的定義的系統(tǒng)物理模型進(jìn)行研究。對于復(fù)雜的調(diào)制信號，科研人員把擴(kuò)展卡爾曼濾波器應(yīng)用到基于空間的斯托克斯偏振多路分解中。科研人員對該方法的收斂比，跟蹤，計算復(fù)雜性和系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，并與早先提出的最佳擬合平面自適應(yīng)計算的幾何方法進(jìn)行對比分析。這兩種方法的調(diào)諧參數(shù)分析證明，卡爾曼濾波提供的信號的偏振多路分解更魯棒和穩(wěn)定。然而，如果在復(fù)雜度減少方面適當(dāng)?shù)卣{(diào)整90％的增益，所述幾何方法也能達(dá)到類似的性能。


圖3基于斯托克斯空間與偏振相關(guān)的動態(tài)均衡器的結(jié)構(gòu)圖

光傳輸
    彈性光傳輸是指通過靈活分配頻譜和數(shù)據(jù)速率以適應(yīng)于端到端連接請求的所需，以達(dá)到最大限度利用光纖傳輸容量而進(jìn)行的光信號傳輸過程。近年來，科研人員提出了幾種技術(shù)，其中一種技術(shù)是使用奈奎斯特整形濾波器，以減少靈活單載波和多信道光傳輸系統(tǒng)中所需要的信道間隔�？紤]到在帶寬可變收發(fā)器和波長選擇交換機(jī)中使用濾波器形狀的不完美，必須在（子）信道之間分配一個確定的光譜保護(hù)頻帶�；�于這種思想，在濾波器特性和波分復(fù)用頻率柵格間隔方面，科研人員更側(cè)重于研究靈活的奈奎斯特波分復(fù)用傳輸網(wǎng)絡(luò)性能。對于單載波和超信道信號的頻譜分配，研究人員證明了6.25 GHz的信道間隔能為網(wǎng)絡(luò)性能與濾波器需求之間提供良好折衷方案；，對于子信道分配而言，小到3.125 GHz的頻率間間隔需要利用到分辨率在1~1.2GHz范圍內(nèi)的濾波器，實(shí)際應(yīng)用中精密的濾波器分辨率和頻率間隔提供的性能提升可忽略不計。

    來自德國柏林科技大學(xué)的科研人員，對在160公里長的2跨色散補(bǔ)償鏈路中的4×28GBd單偏振16QAM信號傳輸?shù)牟煌�克爾非線性緩解方案進(jìn)行實(shí)驗研究。在中間鏈路實(shí)施頻譜倒置，數(shù)字反向傳播（DBP）和具有數(shù)字相干疊加（DCS）或采用相敏放大傳輸（PSA）的全光相干疊加的相位共軛雙波的基礎(chǔ)上，科研人員對光學(xué)相位共軛（OPC）進(jìn)行研究。該實(shí)驗在一個單信道和一個波分復(fù)用（WDM）方案下進(jìn)行。對于單信道操作，具有數(shù)字相干疊加（DCS）的相位共軛雙波提供的優(yōu)越性能可以與較之沒有非線性緩解信號傳輸?shù)腝2因子最大值高1.7dB的其他緩解方案相媲美。然而，在科研人員的實(shí)驗中，數(shù)字反向傳播（DBP）表現(xiàn)出比其它所有方案更高的非線性閾值。在波分復(fù)用（WDM）的情況下，數(shù)字反向傳播（DBP）表現(xiàn)比其他緩解方案更糟糕，而數(shù)字相干疊加（DCS）提供的Q2因子改進(jìn)比其他技術(shù)Q2 因子改進(jìn)的最大值要高1.9dB。無論在單信道還是在波分復(fù)用（WDM）方案中，相敏放大傳輸（PSA）和中間鏈路光學(xué)相位共軛（OPC）都表現(xiàn)出相似的非線性緩解性能。

光調(diào)制與光信號處理

    來自國立高雄師范大學(xué)光電與通信工程系的科研人員，介紹了一種直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）資源分配技術(shù)，可減輕自由空間光互連系統(tǒng)（FSOI）的串?dāng)_效應(yīng)。他們認(rèn)為直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）的參數(shù)優(yōu)化是減少自由空間光互連系統(tǒng)（FSOI）串?dāng)_效應(yīng)的有效方法。然而，要確定直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）的最佳子載波分配和相應(yīng)的比特和功率負(fù)載，需解決一個棘手的離散優(yōu)化問題，這是非凸和難以明確解決的。在這項研究中，他們使用互熵優(yōu)化（CEO）來解決此問題。仿真結(jié)果表明，科研人員提出的基于互熵優(yōu)化（CEO）的分配方案可以獲得更高的比特傳輸速率，與傳統(tǒng)的貪婪算法或其他隨機(jī)優(yōu)化算法相比較，該方案更不容易受到串?dāng)_的影響。

來自聯(lián)邦大學(xué)電氣工程系、計算機(jī)與電子系和聯(lián)邦理工學(xué)院電子工程系的研究人員，介紹了一種多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方案，該方案適用于直接檢測光正交頻分復(fù)用（DDO-OFDM）的短距離連接系統(tǒng)�；�于遺傳算法，該優(yōu)化方案考慮到兩點(diǎn)影響光功率的情況：1.多載波系統(tǒng)（如帶有子載波映射的4或16正交振幅調(diào)制（QAM）系統(tǒng))的保護(hù)帶減少；2.經(jīng)過40公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）的傳輸過程。仿真結(jié)果表明，在滿足誤碼率小于10−3所需的光強(qiáng)下，光信號在直接檢測光正交頻分復(fù)用（DDO-OFDM）系統(tǒng)中用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）傳輸超過40公里，使用該參數(shù)優(yōu)化方案將有助于提高約2.5db[≈1.8db]的增益。研究人員設(shè)計的仿真系統(tǒng)中，其保護(hù)帶BG等于信號帶寬BW的50%，子載波映射方案為4QAM或16QAM。

圖4傳統(tǒng)的DDO-OFDM系統(tǒng)圖

光纖技術(shù)
    最近，光纖尖端已被用于許多實(shí)際應(yīng)用中，這些應(yīng)用都需要一個特殊的具有預(yù)定錐角的尖端。來自沙希德·貝赫什提大學(xué)激光與等離子體研究所的研究人員，開發(fā)出了一種新型的制造光纖尖端的動態(tài)化學(xué)刻蝕方法，這使得制造帶有預(yù)定錐角的光纖尖端成為可能。研究人員朝已垂直插入過纖維的容器中注入或排出氫氟酸，纖維尖端便制作而成。通過改變酸的注入或排出的流速，他們可以控制纖維接觸酸的高度，利用這種方法可產(chǎn)生3度到33度的尖端錐角�；�于上述過程，研究人員提出了一種涵蓋所有特殊情況的模型，該模型的測試數(shù)據(jù)與實(shí)驗測試結(jié)果保持了良好的一致性。

    來自伯明翰大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、丹麥科技大學(xué)光電學(xué)院的研究人員，提出了一種切割聚合光纖的新方法。人們最常用的切割聚合光纖的方法：利用一把鋒利的刀片直接切割。然而在這種方法中，聚合纖維和刀片都必須預(yù)熱以使其具有韌性，從而防止材料龜裂。為了解決這個問題，研究人員利用聚合物的溫度-時間等價關(guān)系，用更長的切割時間來代替預(yù)熱，同時利用鋸切運(yùn)動來減少光纖端面的損傷。以這種方式，室溫下的聚合纖維可以在幾秒鐘內(nèi)被切割，并且其產(chǎn)生的端面可以與更復(fù)雜和昂貴的加熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的端面相媲美。

    來自中國南京理工大學(xué)光通信工程研究所的科研人員研究表明由于相敏光時域反射計(Φ-OTDR)對整條傳感光纖的動態(tài)干擾的分布測量能力，已被廣泛應(yīng)用到各種用途之中。然而，由于隨機(jī)分布的位置和光纖內(nèi)的散射點(diǎn)的反射率，傳統(tǒng)Φ-OTDR對外部干擾引起的應(yīng)變并不能做到精確測量�？蒲腥藛T提出超弱光纖布拉格光柵（UWFBG）陣列可以產(chǎn)生強(qiáng)烈且可控的反射，同時其插入損耗也在可接受范圍內(nèi)。在相鄰反射光之間的應(yīng)變值與干擾功率變動所建立的確定關(guān)系中，包含主動激光掃頻和去包裹算法。借助超弱光纖布拉格光柵陣列的幫助，Φ-OTDR的能力已經(jīng)達(dá)到能夠進(jìn)行高精度測量應(yīng)變的程度。實(shí)驗中，在具有2m的空間分辨率5公里長的傳感光纖的末端，多點(diǎn)με級動態(tài)應(yīng)變的變化量能被充分捕捉。實(shí)測的應(yīng)變值與馬赫-曾德爾干涉儀法校準(zhǔn)一次獲得值進(jìn)行比較，這兩個值相互匹配得很好，最大偏差也僅有6.2nε，證明該方法的有效性和準(zhǔn)確性。

圖5 提出基于Φ-OTDR傳感系統(tǒng)的UWFBG陣列的設(shè)置圖

    來自波蘭華沙大學(xué)電子系統(tǒng)研究所的科研人員對于刻寫光纖布拉格光柵和一個任意選定布拉格波長提供一個新的簡單和通用的方法。由于照射過程和應(yīng)用程序與適當(dāng)匹配的啁啾相位掩模的優(yōu)化，該方法提供了在幾十納米的范圍內(nèi)調(diào)整光纖布拉格光柵（FBG）諧振波長的能力。然而，結(jié)果所得的光柵具有啁啾;其光譜特性非常接近于均勻分布，這就解釋了為什么這種光柵被稱為準(zhǔn)均勻光纖布拉格光柵（QUFBGs）。刻錄過程的優(yōu)化涉及到兩個參數(shù)的帕累托方法。這里研究介紹的是用于與0.35納米/毫米啁啾2.5厘米相位掩模的準(zhǔn)均勻光纖布拉格光柵（QUFBGs）并允許半最大值全波（FWHM）0.8-0.9納米準(zhǔn)均勻光纖布拉格光柵（QUFBGs）的建模，優(yōu)化和刻錄，以低于-8 dB的最小傳輸和調(diào)整范圍為11.4納米的布拉格波長。據(jù)估計，如果擴(kuò)展到市面出售的15厘米相位掩模，該方法將獲得記錄允許打破74.7納米的調(diào)整范圍。加上與設(shè)計假設(shè)準(zhǔn)均勻光纖布拉格光柵（QUFBGs）刻錄的數(shù)值模擬和實(shí)驗結(jié)果明確的一致性，該記錄的數(shù)值使這種方法具有更多復(fù)雜性和更少的重復(fù)性的，使干涉測量技術(shù)具有競爭力。

    來自以色列希伯來大學(xué)的科研人員利用空間孔徑采樣的概念，對從單模光纖到多模光纖的高效模分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行研究，并將其擴(kuò)展到支持多達(dá)十種空間模式的環(huán)狀階躍折射率光纖和支持九種光學(xué)軌道角動量模式（當(dāng)考慮偏振態(tài)的各種情況時，模數(shù)要加倍）的環(huán)向折射率分布光纖中。對于較低的平均耦合損耗和模式相關(guān)損耗或平衡而言，每個采樣束孔就是空間的形狀。優(yōu)化表明應(yīng)該通過采樣光圈模分復(fù)用的可伸縮性和一致的低損耗來提高模數(shù)，而不是利用基于相位全息圖的模轉(zhuǎn)換技術(shù)。孔徑采樣方法發(fā)現(xiàn)細(xì)輸入光纖的對準(zhǔn)誤差和光纖幾何扭曲具有魯棒性。

圖6 準(zhǔn)均勻光纖布拉格光柵（QUFBGs）刻寫設(shè)置模型圖