光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 周越 李長祥 馬文哲

  2016年8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)及其子系統(tǒng)
    英國劍橋大學(xué)電氣工程部的科研人員，提出了一種新型的低成本雙邊帶（DSB）頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并采用數(shù)模實驗的方式來證明其理論。新系統(tǒng)能夠傳輸LTE MIMO信號，并支持多種服務(wù)。科研人員在實驗中，使用20MHz帶寬的2×2 LTE MIMO信道，其信號載頻頻率為700MHz。在300m的多模光纖（MMF）中，與速率為54 Mbps的IEEE 802.11 g信號同時傳輸。通過對該系統(tǒng)MIMO信道矩陣的計算以及對條件數(shù)的檢索，科研人員對系統(tǒng)中的實驗結(jié)果進行了分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有較低的誤差向量幅度（EVM），同時MIMO信號的傳輸對IEEE 802.11 g信號的影響可以忽略。科研人員發(fā)現(xiàn)，通過使用前置放大器來最小化由混頻器引入的非線性損耗，將會導(dǎo)致無雜散動態(tài)范圍（SFDR）很廣。與單邊帶（SSB）系統(tǒng)相比，新的雙邊帶（DSB）系統(tǒng)的兩個通道具有不同的誤差向量幅度（EVM），而且使用了多個過濾器。這樣避免了不必要的過濾，但對于兩個信道而言將會引入相同的阻耗。因此，科研人員得出結(jié)論，在改進的MIMO光纖系統(tǒng)中，對于分布式天線系統(tǒng)（DAS），采用雙邊帶（DSB）頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)將成為一種潛在的低成本解決方案。

    臺中中興大學(xué)電力通信工程研究所電氣工程系的科研人員，在多碼鍵控相干光碼分多址（O-CDMA）系統(tǒng)中，研究了去除符號同步的影響。在符號異步的情況下，多碼鍵控調(diào)制可以采用兩次周期互相關(guān)處理�？蒲腥藛T還研究了三種脈沖去除的方法來減少兩次處理的發(fā)生。通過在字碼中采用光正交碼來置換脈沖，科研人員提出了一種單次處理光編碼的有效方法，該方法既能解決光碼分多址（O-CDMA）系統(tǒng)中發(fā)生的“符號異步”問題，同時還能擴大代碼基數(shù)的范圍。科研人員為這三種還原方法和新的光編碼格式搭建了性能分析模型。最后，科研人員通過實驗數(shù)據(jù)來比較它們的性能，并分析計算機仿真結(jié)果以檢驗該模型的有效性。

圖1. 多碼鍵控的波長移碼O-CDMA系統(tǒng)框圖

    蒙特利爾理工學(xué)院計算機與軟件工程系、康考迪亞大學(xué)電氣與計算機工程系的科研人員指出，對于多處理器系統(tǒng)芯片（MPSoCs）上的低功耗和低帶寬金屬互連技術(shù)，硅光子互連（SPI）技術(shù)是近年來值得研究的方向。硅光子互連（SPI）應(yīng)用于波分復(fù)用（WDM）中可實現(xiàn)高效可靠的通信，而這要求不同光子器件（如光子開關(guān)）中心波長精確對齊。但是，硅光子互連對制造非均勻性（即制造過程中的變化）十分敏感，這導(dǎo)致設(shè)備之間的波長不匹配，使得硅光子互連性能退化。為此，科研人員提出了一種計算效率高、精確度穩(wěn)定的方法來研究制造非均勻性對硅光子互連（SPI）的影響。科研人員根據(jù)不同層次的過程變化來建立影響模型：如組件層（即條形光波導(dǎo)）、設(shè)備層（即插濾波器和光開關(guān)），以及系統(tǒng)層（即基于WDM的SPI接口）。此外，科研人員通過設(shè)計、制造和分析了幾個相同的微諧振器來探尋硅光子互連（SPI）與制造非均勻性之間的聯(lián)系�？蒲腥藛T證實，相比傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)芯片（MPSoCs）中采用的數(shù)值模擬方法，其提出的方法能夠節(jié)省大量的時間，未來可大規(guī)模應(yīng)用到被動硅光子互連（SPI）中。

圖2. 基于波分復(fù)用的硅光子互連技術(shù)方案圖

無源和有源光子器件
    中國教育部光電技術(shù)重點實驗室、北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院的科研人員認為，目前單模波導(dǎo)器件的發(fā)展急需光子集成電路技術(shù)的完善。然而，當前關(guān)于單模條件（SMCs）下的絕緣硅片（SOI）脊形波導(dǎo)的研究，未能涵蓋橫截面范圍從小到大的全部情況，這使得各種測定方法之間具有較大的差異性。在本文中，科研人員利用有限元法解模器來全面分析不同截面大小的絕緣硅片（SOI）脊形波導(dǎo)，并將結(jié)果與經(jīng)典索里夫單模條件表達式以及波戈相有效折射率法進行了比較�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，索里夫解析式中的常數(shù)值α取決于脊的高度和極化特征。進一步分析可得，單模條件（SMCs）下的設(shè)備具有更小的插入損耗和更高的耦合效率，所以片上光子電路可以采用更寬的脊骨。
德國波恩馬克斯普朗克射電天文學(xué)研究所、德國門羅系統(tǒng)公司的科研人員，通過分布式反饋外腔二極管激光器，實驗研究了光纖布里淵放大器的強度噪聲。由于相關(guān)強度噪聲嚴重限制了布里淵放大應(yīng)用的性能，科研人員針對不同的泵和信號功率，詳細測量了它們的整體噪聲和噪聲譜�？蒲腥藛T得出了泵的基本結(jié)論，以及不同激光線寬的增耗�？蒲腥藛T在布里淵增益譜內(nèi)進行了高光譜分辨率的測量，結(jié)果表明，信噪比隨著種子信號功率的增大而增大。此外，使用時域有限差分法的仿真模型也與實驗結(jié)果顯示出良好的一致性。
美國亞特蘭大喬治亞理工學(xué)院、埃及曼蘇爾大學(xué)電子與通信工程系的科研人員，設(shè)計了一種等離子數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)有序地高速寫入和讀取數(shù)據(jù)�？蒲腥藛T通過二維時域有限差分法對其進行了數(shù)值模擬。該存儲設(shè)備由納米銀片和兩個絲狀液晶層（NLC）組合而成。納米銀片具有兩個矩形納米孔（nano-holes），其中一個基于絲狀液晶層（NLC）的納米孔用于存儲可見光�？蒲腥藛T建議存儲的格式為三個不同的二進制狀態(tài)“01”，“10”和“11”，此外該格式具有40%的功率吸收效率，13 dB的串擾和1 Gb/s的有序讀寫速度�？蒲腥藛T預(yù)期，其建議的兩位二進制存儲具有較大的存儲容量和超高的比特率，未來可作為大型存儲設(shè)備的基本單元。 

圖3. 雙二進制存儲的橫截面視圖及其存儲機制
伊朗設(shè)拉子大學(xué)計算機與電氣學(xué)院、麻省理工學(xué)院微光子中心與材料科學(xué)與工程系的科研人員指出，色散工程對于高對比指數(shù)的集成光子而言十分重要�？蒲腥藛T目前研究了基于帶槽材料混合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并對色散工程的硅波導(dǎo)多層空間參數(shù)進行了探索�？蒲腥藛T對比了硅和槽材料，以及各種結(jié)構(gòu)參數(shù)之間不同的指數(shù)，深入研究了低色散時帶寬和色散變化之間的關(guān)系。實驗的結(jié)果表明，折射率范圍為1.4至2.9時，根據(jù)色散平坦化理論，只要器件制造技術(shù)允許，任何材料均可以和硅結(jié)合使用。為此，科研人員為色散平坦硅波導(dǎo)的設(shè)計提供了一個通用的指導(dǎo)方針�？蒲腥藛T還指出，在2000 nm的波長范圍中（從近紅外光到中紅外光），可獲得超寬帶低色散，其色散變化為±35 ps/(nm•km)。
武漢國家實驗室光電物理研究所和華中科技大學(xué)的科研人員，設(shè)計了一種石墨烯拉姆齊干涉儀，以研究表面等離子體激元（SPPs）非互惠的相移和調(diào)制。拉姆齊干涉儀是由一個空間上分開的石墨烯對構(gòu)成的，它可支持兩個表面等離子體激元（SPP）模式�？蒲腥藛T通過動態(tài)地調(diào)節(jié)石墨烯表面的導(dǎo)電性，表面等離子體激元（SPP）模式將發(fā)生交叉轉(zhuǎn)換和附加相移。當在干涉儀采用雙調(diào)制區(qū)域，轉(zhuǎn)換后的模式伴隨著一個非互易性相移，該相移可以由調(diào)制長度或相位控制。相移的表面等離子體激元（SPP）模式將干擾未轉(zhuǎn)換的區(qū)域，導(dǎo)致兩者表面等離子體激元（SPP）模式之間隨機的功率分布�？蒲腥藛T研究認為，該技術(shù)在離子體隔離器、相位檢測器和單向模式轉(zhuǎn)換器等器件中具有很好的應(yīng)用前景。
來自華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院、天津大學(xué)精密儀器與光電工程學(xué)院的科研人員，研究并提出了主動控制石墨烯等離子誘導(dǎo)透明（GPIT）超材料的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由周期性排列的單極石墨烯和偶極石墨烯組成的。數(shù)值結(jié)果表明，石墨烯等離子誘導(dǎo)透明（GPIT）結(jié)構(gòu)諧振頻率，可以通過控制靜電門控電壓，來動態(tài)調(diào)整T型石墨帶的費米能級。耦合洛倫茲模型可以應(yīng)用于研究頻率可調(diào)石墨烯的等離子誘導(dǎo)透明（GPIT）的物理機制。此外，太赫茲波光的群折射率可以在太赫茲波段內(nèi)調(diào)控至超過350。科研人員同時發(fā)現(xiàn)，該偶極石墨和單極石墨之間相互作用的強度可以通過改變輻射模式、暗模式以及對稱坡度的距離進行調(diào)整。這些石墨烯等離子誘導(dǎo)透明（GPIT）器件的可調(diào)特征十分重要，這使科研人員能夠在太赫茲波段內(nèi)設(shè)計有源器件，例如超靈敏傳感器、慢光器件和光學(xué)濾波器等。

光傳輸
    日本電報電話公共公司（NTT）接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實驗室的科研人員，提出了一種基于干涉儀的激光相位噪聲抑制新技術(shù)。當干涉儀不受環(huán)境干擾時，科研人員運用該技術(shù)，可有效地在頻域?qū)�激光信號進行相位校正�？蒲腥藛T測量圓形利薩如（Lissajous）干涉圖樣中的同相和正交分量，并從中濾除長期干涉儀漂移后，通過計算短期相位誤差來校正激光相位噪聲。實驗結(jié)果表明，對于一個未采用干涉儀穩(wěn)定技術(shù)的外腔半導(dǎo)體激光器，利用以上技術(shù)，科研人員成功地在頻率100Hz到3MHZ之間降低了約20dB的噪聲�？蒲腥藛T進一步探討了圓形利薩如（Lissajous）干涉圖樣的失衡，科研人員指出振幅不平衡和90度相位偏差將引起的性能退化，通過放大提取的相位噪聲波動可對其進行補償。
    美國倫斯勒理工學(xué)院工程與照明功能系統(tǒng)的科研人員，提出了一種應(yīng)用于室內(nèi)的可見光通信（VLC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了能在微瓦范圍內(nèi)，檢測電平的高靈敏度集成電路（IC）接收器。該鏈路是一個兼容照明的可見光通信（VLC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)的接收機是由集成電路（IC）的低噪聲層設(shè)計的。這種鏈路在千兆每秒速率下的照度僅有250勒克司，且高速680納米激光二極管的發(fā)射光功率僅為600微瓦。為了最大化地提高光功率，科研人員采用了專用的光學(xué)器件用于光轉(zhuǎn)向和光的聚焦發(fā)射。接收機是由在0.35微米互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）的阿爾法磁譜儀（AMS）上集成光電二極管實現(xiàn)的�？蒲腥藛T可以實現(xiàn)一種的無差錯可見光通信（VLC）鏈路，其速率可達1.8 Gb/s，且誤碼率（BER）小于10-9。科研人員實現(xiàn)的另一種可兼容的可見光通信（VLC）鏈路，其速率可達2.5 Gb/s，同時誤碼率低于10-3，通過開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制后傳輸距離可超過12米。據(jù)科研人員所知，這是首次報道的采用集成電路（IC）接收機，實現(xiàn)速率為Gb級別的可見光通信（VLC）鏈路。

圖4. 室內(nèi)可見光通信的應(yīng)用實例原理圖

    來自匈牙利愛立信網(wǎng)絡(luò)功能和云發(fā)展部門的科研人員指出，與模擬光纖無線電、副載波復(fù)用和波分復(fù)用相比，通用公共無線電接口（CPRI）前傳解決方案具有更低的成本。此外，科研人員通過對射頻信道的分配，可以更好地利用商業(yè)收發(fā)器的調(diào)制帶寬，這證明了均勻間隔的信道方案是有效的，但容易受到干擾。ITU-T g.692方案對于干擾具有較高的容限，但是將會消耗更大的帶寬。最后，科研人員提出射頻信道方案，能在帶寬消耗和抵抗互調(diào)干擾之間取得一個接受的平衡點。

光調(diào)制與光信號處理 
    清華大學(xué)電子工程系國家信息科學(xué)與技術(shù)實驗室的科研人員指出，在可見光通信（VLC）系統(tǒng)中，白光發(fā)光二極管（LED）作為發(fā)射端的同時還可提供光源照明。與熒光粉轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管相比，多芯片發(fā)光二極管具有更高的調(diào)制帶寬。因此，基于多芯片的可見光通信（VLC）系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。多芯片發(fā)光二極管的每一個芯片都可以被獨立調(diào)制，這使得通信信道能夠并行地傳輸信息。在本文中，基于多輸入單輸出的可見光通信（VLC）系統(tǒng)，為了最大限度地提高多用戶系統(tǒng)的總速率（Sum Rates），科研人員在考慮亮度、色度、振幅和誤碼率的情況下，提出了一種電力與光功率分配方案。科研人員以人類的視覺顏色出發(fā)，將色度定義在麥克亞當（MacAdam）橢圓附近，即從一個固定的顏色點開始，放松色度約束，使自由色度區(qū)域為一個橢圓。數(shù)值模擬仿真研究結(jié)果表明，由于發(fā)光二極管的動態(tài)范圍有限，隨著總光通量的增加，系統(tǒng)最大總速率（Sum Rates）呈現(xiàn)著一個向下的拋物線趨勢。對于變化的光組件，更高的相關(guān)色溫（CCT）可以進一步提高傳輸速率。此外，仿真結(jié)果表明，在同一相關(guān)色溫（CCT）的情況下，色度約束區(qū)域的形狀（如橢圓或四邊形）不能影響多用戶系統(tǒng)的總速率（Sum Rates）。

圖5. 基于多芯片LED的多用戶多輸入單輸出VLC系統(tǒng)框圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生院電子與信息工程系的科研人員，提出并從理論上探討氮化鋁（AlN）作為中紅外電光（EO）調(diào)制器的波導(dǎo)性能�？蒲腥藛T考慮的設(shè)備配置包括一個帶狀波導(dǎo)調(diào)制器和一個水平槽波導(dǎo)調(diào)制器。科研人員對模式場和電場的有限元進行了分析，對器件的尺寸進行了優(yōu)化，并計算了調(diào)制效率和損耗。當采用15V的調(diào)制器和狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時，最大有效折射率的變化超過了2×10-5�？紤]到氧化物包層的吸收，科研人員將調(diào)制器在2.5μm波長處的損耗設(shè)置為2dB/cm�？蒲腥藛T還發(fā)現(xiàn)，槽波導(dǎo)的調(diào)制效率是正常帶狀波導(dǎo)的兩倍。研究結(jié)果證明，氮化鋁（AlN）在中紅外波長較寬的范圍內(nèi)具有電光效應(yīng)。
日本電報電話公司光子實驗室的科研人員，討論了一種線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）的原理和特性，這個線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）具有較高的線性場響應(yīng)。傳統(tǒng)的馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）呈現(xiàn)非線性（正弦）場響應(yīng)。這種非線性會導(dǎo)致采用高階多層次調(diào)制或脈沖整形技術(shù)的高階數(shù)字相干光傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)一系列問題。為了解決這些問題，科研人員設(shè)計了具有兩級非對稱晶格結(jié)構(gòu)的線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）。它是由兩個馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）組成的，并且這兩個馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）由一對互補電壓信號驅(qū)動。線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）核心思想是利用第一個馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）互補輸出產(chǎn)生了補償信號。這使得在改善線性度的同時，不會損失太多的光功率�？蒲腥藛T首次對線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）的理論細節(jié)進行了論述。為了證明線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）的一些定理，科研人員制作了一個線性同相和正交調(diào)制器（LIQM）。它是由硅平面光波電路和一個具有高速相位調(diào)制器陣列的鈮酸鋰晶片（LiNbO3）混合配置而成的�？蒲腥藛T使用線性同相和正交調(diào)制器（LIQM）進行了實驗并證明：線性同相和正交調(diào)制器（LIQM）和線性光學(xué)調(diào)制器（LOM）比傳統(tǒng)的馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）提供更好了損失線性權(quán)衡。科研人員對12.5-GBd 的十六進制正交振幅調(diào)制（16-QAM ）信號進行了測試，成功地得到了一個清晰的星座圖，并且馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）具有良好的非線性補償功能。

圖6. 常規(guī)馬赫曾德爾調(diào)制器采用多電平信號驅(qū)動下的反應(yīng)圖

瑞典查爾默斯技術(shù)大學(xué)顯微技術(shù)和納米科學(xué)實驗室的科研人員，研究了數(shù)據(jù)速率在50 - 60 GB / s的范圍內(nèi)的四脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號。該信號經(jīng)850 nm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）直接調(diào)制，并通過多模光纖傳輸距離為200米。四脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號的信道條件相比于傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控具有性能優(yōu)勢�？蒲腥藛T經(jīng)過實驗得出，四脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號在使用均衡和前向糾錯碼(FEC)與后向糾錯碼（PFEC）時，其在傳輸距離高達200米時，數(shù)據(jù)速率為56.7千兆/秒，誤碼率僅為10–12。科研人員認為，該編碼適用于未來的以太網(wǎng)和光纖通道，其需要多模光纖每通道的串行數(shù)據(jù)速率超過50千兆每秒。

光纖技術(shù)
特拉維夫大學(xué)電氣工程學(xué)院、霍姆德爾貝爾實驗室光傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)部門的科研人員，提出了一種實用的整形算法以減輕非線性相位噪聲對光纖傳輸?shù)挠绊憽�對于�?shù)據(jù)中心通信的單跨光纖系統(tǒng)來說，頗具應(yīng)用前景。因為單跨光纖系統(tǒng)中，非線性相位噪聲的相關(guān)時間比較短。這使得非線性相位噪聲可以通過自適應(yīng)相位恢復(fù)或均衡而得到緩解。而且較短的相關(guān)時間仍能保證該整形算法高效可靠。科研人員通過外殼映射來實施并優(yōu)化整形算法，以獲得線性和非線性整形增益的最大和。
日本宇都宮工程大學(xué)研究生院的科研人員指出,階躍型多模光纖（SI-MMF）已在汽車和鐵路行業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。階躍型多模光纖（SI-MMF）的模態(tài)功率分布（MPD）會極大地影響其傳輸特性。但由于模態(tài)功率分布（MPD）沒有可用的衡量指標，所以由光纖組成的系統(tǒng)和部件的模態(tài)功率分布（MPD）很少被討論。在此情況下，包圍角通量（EAF）被科研人員研制成功。它是一個新定義在階躍型多模光纖（SI-MMF）模態(tài)功率分布（MPD）的指標�？蒲腥藛T還提出了包圍角通量（EAF）的測量方法，并設(shè)計了能夠fθ成像的測量裝置。這是國際電子技術(shù)委員會規(guī)定的用于測量包圍角通量（EAF）的標準化方法�？蒲腥藛T用這種裝置分析了硬聚合物包層光纖的模態(tài)功率分布（MPD）�？蒲腥藛T研究了儀器的測量誤差，發(fā)現(xiàn)它在95%的包圍角通量（EAF）處具有±0.5 mm的誤差容忍性，在所有變化范圍為±15%的軸中會更寬泛�？蒲腥藛T還研究了儀器的測量再現(xiàn)性，研究結(jié)果表明該裝置具有足夠的再現(xiàn)性，基于重復(fù)測量的標準偏差為0.008。另外，科研人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用較高模式輻射的連接方式是造成插入損耗產(chǎn)生的主要原因。