光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 李長祥 周越

    2016年2月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網絡及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、光調制與光信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網絡及其子系統(tǒng)

    蘇州大學電子與信息工程學院、中天寬帶技術有限公司的研究人員認為，子帶虛級聯(lián)（VCAT）技術有助于提高彈性光網絡（EON）的頻譜利用率。另一方面，有效性是光傳送網服務級別協(xié)議（SLA）的一個重要標準。本文論述了子帶虛級聯(lián)（VCAT）技術如何提高彈性光網絡的頻譜利用率（EON）。為此，研究人員使用一種有效的試探算法和二次規(guī)劃最優(yōu)模型，以最大限度地提高加權網絡帶寬可用性。再者，在不同的子路徑之間，可容納的最大偏差時延（MDD）構成了一個虛級聯(lián)（VCAT）連接，這被認為是一種約束。研究人員還對相關的加權網絡帶寬可用性進行了評估。考慮到每一個應答器的頻譜容量有限，他們在擴展模型的基礎上，為每個獨立的應答器分配頻譜。仿真結果表明，相比于無虛級（non-VCAT），子帶虛級聯(lián)技術（VCAT）能夠顯著地提高彈性光網絡（EON）的平均網絡可用性。研究人員觀測到一個趨勢：隨著最大偏差時延（MDD）的增加，平均網絡可用性也會增加，但是最終會達到飽和。此外，每個節(jié)點中可用的轉發(fā)器的限制，將成為節(jié)點對之間配置帶寬的瓶頸。

    瑞典皇家理工學院的研究人員提出，由于光網絡具有較高的數(shù)據速率，導致物理層信息傳輸?shù)南嚓P服務退化，如電源干擾有可能導致大量數(shù)據和收益損失。通過建立不相交鏈路的工作和備份路徑可以保護傳統(tǒng)網絡抗毀性措施不受組件故障的損壞，但對此類攻擊卻不能提供足夠的保護。也就是說，盡管鏈路不相交，由于特定攻擊的傳播特性，工作和備份路徑可能會受到單一攻擊情形的影響。為了加強現(xiàn)有的抗毀性措施，科研人員利用包含這些特性的攻擊組 (AG) 的概念來確定可以同時受到單一攻擊影響的節(jié)點。他們將這個概念應用到專用的路徑保護(DPP)和制定攻擊感知專用保護路徑（AA-DPP）中，旨在建立具有成本效益的不相交攻擊組的主要和備份路徑。對于工作和備份路徑的路由和波長分配，科研人員提出兩步ILT模型，以及更大的問題實例的啟發(fā)式算法。計算結果表明，該方法提供了增強攻擊保護的專用路徑保護方案，且比標準的DPP方法使用的資源更少。

    土耳其比爾肯大學電氣和電子工程的科研人員對同步和異步可見光定位（VLP）系統(tǒng)的理論極限和估計進行了研究。具體來說，克拉美-羅下限(CRLBs)和最大似然估計是對基于波達時間(TOA)的距離估計和/或接收信號強度(RSS)參數(shù)進行探討。針對可見光定位系統(tǒng)，提出了混合波達時間/基于接收信號強度的距離估計。它的CRLB是針對基于波達時間和接收信號強度的距離估計的CRIBs分析比較。此外，為了調查采樣的影響，在采樣率限制下得到的漸近性能結果隨噪聲方差收斂到零。在存在的采樣率限制下，一種改進的基于混合波達時間/接收信號強度的距離估計將提供性能的優(yōu)化。數(shù)值實例是為了證明理論結果。

無源和有源光子器件

    日本國家先進工業(yè)科學技術研究所和光電子技術研究協(xié)會的研究人員，對硅光電芯片的高效性、寬帶和與偏振無關的光輸入輸出（I/O）耦合進行研究，并發(fā)現(xiàn)其實際應用具有重要意義，他們認為未來高性能計算系統(tǒng)所需的高密度光輸入/輸出（I/O）連接必須是單模垂直的光輸入/輸出（I/O）耦合。研究人員使用了45°反射鏡來證明這種光學耦合，這種反射鏡是由一個高性價比的切割技術與拋光技術而集成的。該45°反射鏡被集成到一個硅基上的硅富硅(SiOx )波導中。光束的輪廓是單模光纖耦合的重要因素，為了對其進行評估，研究人員測量近場模式和由45°反射鏡反射光束的遠場模式。在拋光過程中，他們成功的得到了作為垂直光輸出的高質量單模光束。使用45°反射鏡后，他們證實有效的單模垂直光耦合損失約為0.3dB。波長的損耗對于水平極化波（TE)和垂直極化波（TM）的偏振分別小于0.6dB和0.2dB。偏振相關的損耗也很小，它在1500-1600納米的波長范圍內小于0.2dB。

圖1. 倒裝接合硅光子芯片與垂直光耦合的橫截面示意圖。

    伊朗科技大學科研人員提出，采用數(shù)值模擬和理論方法，通過局域表面等離子體的相互作用來增強透射出外平面堆疊電漿縫隙的傳輸。在數(shù)值模擬中，他們采用色散有限差分時域（D-FDTD）模型來進行研究。為了解釋了有限差分時域（FDTD）數(shù)值模擬的結果，并進一步理解這種相互作用，科研人員使用一個磁耦合偶極子近似為理論基礎。他們的研究結果表明，可以通過近場同相和異相層疊納米孔的相互作用來增加或減少的光傳輸�？蒲腥藛T討論認為混合電漿可以使用在外平面的金屬膜層疊納米孔二聚體上。

    伊斯坦布爾科技大學電子與通信工程系研究人員提出在光纖尖端使用形變MEMS元件的新型光纖傳感器。由于其聚對二甲苯/鈦的雙層材料結構，MEMS 膜表現(xiàn)出外平面位移隨著溫度變化。嵌入式衍射光柵形成一個內聯(lián)干涉儀，從位移和溫度可以推斷MEMS元件的連接。裝配式的探測器被放置在通過梯度折射率透鏡準直的單模光纖輸出端。這種新型結構可在標準光纖上集成MEMS探測器，并且MEMS探測器元件易于替換來改變測量范圍和傳感器的響應時間。提供的溫度和時間常數(shù)測量驗證了參考測量，證明其比使用低成本的激光源和光檢測器要優(yōu)化20mK的溫度敏感度和2.5 ms的響應時間。

圖2. MEMS探測器熱光纖溫度傳感器

    喀麥隆雅溫得大學的研究人員提出，對具有一個延遲反饋回路的最簡單的自主光電振蕩器（OEO）的理論和實驗進行了研究。對于將電射頻信號轉換到光域，科研人員提出了不使用外部的強度或相位調制器的自主光電振蕩器，這不同于絕大多數(shù)的自主光電振蕩器。相反，研究人員表明電信號可作為光注入鎖定振蕩器的激光器的驅動泵電流。在此結構下，通過激光二極管的分段線性功率譜密度傳遞函數(shù)進行強度調制，而非是通常馬赫-曾德爾調制器的正弦傳遞函數(shù)。研究人員提供了一個模型來研究自主光電振蕩器簡單架構的動態(tài)。這個模型是延遲積分微分方程，其特征如常規(guī)自主光電振蕩器一樣有三個時間刻度，即寬帶濾波器的高/低截止頻率和時間延遲。自主光電振蕩器的穩(wěn)定性分析表明復雜的分岔行為取決于反饋回路的增益。研究人員表明，霍夫分叉的序列可能導致周期為延遲時間的兩倍的尺度快振蕩，或周期取決于上述三個時間刻度的尺度慢振蕩。科研人員的實驗結果與數(shù)值模擬和實驗測量非常吻合。

光傳輸

    麥克吉爾大學電氣和計算機工程學院的研究人員，提出了一個格式透明的載波相位恢復算法，其用于靈活的城域光網絡，此算法基于一個優(yōu)化的超量體系結構的并行結構。根據系統(tǒng)所需的激光線寬容差來優(yōu)化此并行結構，可以使得導頻開銷和緩沖區(qū)尺寸最小化。研究人員認為，在并行超標量體系結構中，需要權衡激光線寬容差和緩沖區(qū)尺寸減小的兩者關系，為此他們分別在16-QAM，32-QAM和64-QAM系統(tǒng)中進行模擬實驗。結果表明，當使用商用電子外腔激光器（ECL）來相干檢測超過100Gb/s的INMETRO鏈接時，并行超標量體系結構中的緩沖區(qū)尺寸可以明顯減少。隨后研究人員進一步分析得出，若以商用電子外腔激光器（ECL）作為發(fā)射機和本地振蕩器和激光器的單通道系統(tǒng)，實行之前所提出的超標量體系結構的并行處理，可以大幅減少導頻開銷和緩沖區(qū)尺寸。

圖3. 并行超標量體系結構的實驗裝置，SW：開關

    華中科技大學武漢光電國家實驗室的科研人員發(fā)提出并實驗演示了一種新型無色全雙工的無源光網絡（PON）接入結構。利用正交碼和相關接收方法，新型無源光網絡可以緩解由瑞利后向散射（RB）引起的光拍頻干擾（OBI）噪聲問題。一對電正交碼產生并在光線路終端 (OLT)的相同波長下調制。然后，調制的光信號將從光線路終端傳輸?shù)焦饩W絡單元（ONUs）。其中一個碼是用于下行信號的編碼，另一個被用作上行編碼。在光網絡單元中，上行信號進行解調，但不刪除下行信號。單端半導體光放大器既不能額外增加連續(xù)（CW）光源，也不能增益飽和。通過使用這些正交碼，減少了全雙工系統(tǒng)中上行與下行信號的重疊光譜，可以顯著緩解光拍頻干擾噪聲。通過具有不同傳輸距離的實驗來研究傳輸和功率范圍的性能。在光線路終端，再調制的上行信號由相關算法回收。利用相關算法，研究人員可以得到編碼增益，這在長距離傳輸中是非常重要的。由于編碼增益和光拍頻干擾噪聲的緩解，當傳輸距離在 20 到 70 公里之間時，鏈路功率范圍在4至10 dB可以實現(xiàn)5 Gbps的下行和1.25Gbps的上行。

圖4. 全雙工波分復用無源光網絡的傳輸原理圖

光調制與光信號處理

    在高速無線通信系統(tǒng)中，由于其有限的方向性和移動性，使得移動室內定位成為一個高難度的需求業(yè)務。來自墨爾本大學電氣與電子工程學院、斯坦福大學電氣工程系，埃迪斯科文大學電子科學研究所的研究人員，提出了一個新型室內定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光學無線技術與單通道成像接收技術，可以通過接收到的光信號強度和方位角來實現(xiàn)定位功能。實驗研究結果表明，通過檢測接收到的信號強度可以實現(xiàn)約4厘米的定位精度，而且通過檢測接收到的信號角度可以將定位精度進一步提高到約3厘米左右。此外，他們研究了發(fā)送功率水平對系統(tǒng)性能的影響，結果表明，基于接收信號強度的系統(tǒng)通過提高輸入光信號的傳輸功率可相應地提高定位精度。最后，研究人員提出了一個新型三維室內定位系統(tǒng)，其同時具有測量接收信號強度和接收信號到達角度的功能，正是基于此，該系統(tǒng)具有了高度的測量功能。演示實驗表明，該系統(tǒng)的定位精度為7厘米，高度估計誤差小于6厘米。


圖5. 基于數(shù)據傳輸和用戶定位的室內無線光通信系統(tǒng)

    華中科技大學光電信息學院、南洋理工大學電氣與電子工程學院的研究人員，提出了一種特殊的相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM），該系統(tǒng)基于論文中提及的三維（3-D）OFDM調制技術來搭建。研究人員利用三維信號映射和二維傅立葉反變換（IFFT）模塊，使得測試結果的星座圖中最小歐氏距離（MED）增加了8.7%，OFDM信號產生的峰均功率比降低了4分貝。實驗表明，信息在無偏振調制的二維相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM）中，用標準單模光纖（SSMF）以的16.27Gb/s的速率傳輸100公里后，使用三維正交頻分復用方法可以提高約2 dB的非線性容限。理論分析和仿真結果得出，光信噪比（OSNR）代價可以歸因于增加的最小歐氏距離（MED），擴展邊界與編碼增益。為了進一步分析長距離傳輸系統(tǒng)的性能，研究人員建立了一個1000公里標準單模光纖（SSMF）的相干光OFDM（CO-OFDM）模擬系統(tǒng)。經實驗結果驗證，所提出的方法能有效提高相干光OFDM系統(tǒng)（CO-OFDM）的非線性容錯性和傳輸后的接收靈敏度。

光纖技術

來自國防科技大學海洋科學與工程學院的科研人員通過實驗研究證明，基于低反射率光纖布拉格光柵（FBGs）的內聯(lián)時分復用（TDM）光纖中的法布里–佩羅特傳感器陣列在許多傳感應用方面具有很寬廣的應用前景。在光纖布拉格光柵（FBGs）和相同的布拉格波長之間產生的內在多反射（MR）是一個嚴重的問題，將導致信號串擾和產生誤碼。此外，內在多反射（MR）的干擾致使該調制信號的振幅不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，科研人員采用了相位生成載波法作為實驗方案，并對內在多反射（MR）的誘發(fā)串擾波動和解調不穩(wěn)定性進行一個完整的理論論證。研究人員提出了一個干擾合成的有效方法，以減少對內在多反射（MR）的串擾并同時提高系統(tǒng)解調穩(wěn)定性。實驗結果表明，降低5%的光纖光柵反射率可以降低18 dB的串擾和提升1.42dB的系統(tǒng)解調穩(wěn)定性。該方法的原理可以擴展到更多的時分復用（TDM）信道的實際應用中。

來自豐田中央研發(fā)實驗室和倫敦大學學院電子電氣工程系的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，在多模光纖（MMF）輸入時插入內嵌光學元件，它的光學特性大幅度地影響傳播模式功率分布（MPD）�？蒲腥藛T認為他們需要改進系統(tǒng)的設計過程、表征過程并對新的接口標準進行定義，實現(xiàn)具有可預測重現(xiàn)性的穩(wěn)定系統(tǒng)，并鼓勵廣泛使用多模光纖（MMF）系統(tǒng)。為此，他們提出了一個對全新可再生的模式功率分布（MPD）測量與表征的理論定義。他們通過修改環(huán)形通量（EF）后發(fā)現(xiàn)，這是基于一個近場圖樣的漸變折射率多模光纖(GIMMF)，并為基于遠場圖樣（FFPs）的階躍折射率多模光纖（SIMMF）定義了包圍角通量（EAF）。階躍折射率多模光纖（SIMMF）一般被用于低成本的短距離互連，由于光纖延伸到芯模的漸逝尾部包層和表征在光纖中的平衡模式分布（EMD），他們發(fā)現(xiàn)了光纖的模式功率分布（MPD）的變化，揭示了一個少見的插入損耗增加的現(xiàn)象�？蒲腥藛T使用了包圍角通量（EAF）來對這些現(xiàn)象進行量化。他們提出了一種兼容平衡模式分布（EMD）的包圍角通量（EAF）模板。如果設備的系統(tǒng)設計師使用包圍角通量（EAF）的模板來設置啟動條件，研究可以采用相同的組件，甚至可以在更換某些不同供應商采用不同方法制造的組件的情況下，對系統(tǒng)性能進行改進設計�？蒲腥藛T稱這個概念為“綜合模式功率分布（MPD）管理。”

亞利桑那大學光學科學學院和俄羅斯科學院的科研人員通過研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的鍺和硅基玻璃，是通過受激拉曼散射對短波紅外波長放大的最常見的兩種材料，但是由于受激布里淵散射（SBS）的因素，在總的輸出功率和效率上被限制。研究人員實驗研究了在光纖的選擇橫向摻雜分布下的鍺和硅的拉曼增益，改變光纖的聲波導特性提高全在受激布里淵散射（SBS）影響下全飽和拉曼放大功率的臨界值。在鍺增益光纖中，相比于人工制造的磷硅酸鹽玻璃而言，選擇性橫向摻雜可以更好的抑制受激布里淵散射（SBS）。相比于一個標準的階躍折射率光纖如康寧HI-1060，科研人員證明抑制受激布里淵散射（SBS）的鍺光纖在最大峰值的布里淵增益中產生了5dB至6 dB的衰減，而且它允許在受激布里淵散射（SBS）中 超過5dB的抑制并將飽和拉曼放大器增益從15 dB增加至超過22dB。

圖6. 拉曼增益光纖性能測量的反泵實驗裝置圖

陜西省光學信息重點實驗室、西北工業(yè)大學空間應用物理與化學重點實驗室的研究人員，通過使用專門設計的多核光子晶體光纖（PCF），找到了一種產生柱矢量光束（CVBS）的方法。在該光子晶體光纖（PCF）中，纖維有六個軸對稱的核心，核心中的光場呈現(xiàn)為不同的偏振態(tài)，這些由不同的矢量模組合而成。研究人員利用在熔覆層的小型氣孔和圍繞核心的擴大氣孔來控制偏振的模式，這使得切向偏振模式和徑向偏振模式可供選擇。切向偏振模式具有低傳播損耗的特性，而徑向偏振模式則具有高強度的特性。此外，通過調節(jié)包層內的氣孔直徑，可以簡單地調整矢量光束的工作波長范圍。