光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周俊毅 馬文哲 季幸平 

    2016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)
    來自希臘亞里士多德大學信息學系科研人員，提出了一種基于蟻群優(yōu)化（適用于網絡規(guī)劃和操作）的啟發(fā)式方法，他們基于Swarm原理減少了通信網絡的能量消耗，并且根據(jù)每項通信業(yè)務的請求找到從源到目的地節(jié)點最節(jié)能的路由。研究證明，上述過程可將計算復雜度降低到多項式級別。在代表性骨干網絡拓撲結構中及其實際業(yè)務需求下與其它相關啟發(fā)式方法相比，上述技術方案減少了能耗，這也間接證明了基于波分復用（WDM）的IP光網絡將會被優(yōu)先考慮應用于下一代彈性光網絡中。
    來自美國加利福尼亞大學和中國科學技術大學的科研人員，提出了一種新型光網絡協(xié)調范例，即在自主系統(tǒng)（ASes）管理平面上引入代理平面。代理與每個AS的管理器通信，以協(xié)助在涉及多個運營商的多AS網絡上協(xié)調端到端資源管理和路徑供應。代理平面能夠更新虛擬網絡拓撲結構、管理AS間鏈路和聚合（抽象的）AS內鏈路的資源信息，并處理端到端路由調度，調制格式選擇和頻譜分配（RMSA）問題。盡管如此，由于每個AS的不同動態(tài)管理特性，找到滿足頻譜連續(xù)性和鄰接約束多AS透明路徑的概率可能很低。為了提高域間連接性服務的等級，可以在域間節(jié)點中安裝頻譜轉換器，或者能以全局視圖的方式讓每個AS執(zhí)行整理操作機制。科研人員介紹了一種機制，其中每個AS都擁有控制其內部相關操作過程的能力，例如控制頻譜轉換、實現(xiàn)頻譜碎片整理或其他相關網絡特征的操控。科研人員提出了具有碎片整理能力問題的多頻譜分配自主系統(tǒng)，并對其進行了數(shù)學建模并設計啟發(fā)式算法來解決相關問題，最后使用模擬仿真進行全面測試。測試結果顯示連接的阻塞率減少了26％，上述結果明顯證實了該機制的優(yōu)勢。

無源和有源光子器件
    來自麥克吉爾大學電氣和計算機工程系的科研人員指出，數(shù)據(jù)中心中越來越多的計算服務器架設將使網絡基礎設施的配置面臨更大壓力。為了充分利用當前電子開關或光電元器件的帶寬容量，研究可擴展的高效光互連網絡變得勢在必得，因為該技術利用了光信號能同時在頻域和時域上處理的特性。科研人員設計了一種四通道無源光波長條紋圖（PWSM）裝置，其被動時間通過光的波長復用和解復用來壓縮和擴展串行數(shù)據(jù)包。該設備搭載了集成光學延遲線的1X4通道光學波長解復用器，并設計于低損耗的氮化硅（傳播損耗約3.1dB/ m）波導平臺上。它復用/解復用四個WDM通道，在時域上補償相鄰信道偏移來光學串化/解串化各數(shù)據(jù)分組。在實驗過程中，通過在時域中組合4個分組的16ns數(shù)據(jù)段，在設備的輸出端形成了64ns長的數(shù)據(jù)組。由于集成無源光延遲波導，相鄰信道之間的增量光插入損耗為 9.7dB。四組數(shù)據(jù)段和組合數(shù)據(jù)組的傳輸速率為25Gb/s。實驗證實，在接收光功率為-6.7dBm的情況下，使用該四通道無源光波長條紋圖（PWSM）裝置，恢復的64ns串行數(shù)據(jù)組誤碼率性能低于1x10-9。
    來自杜克大學電氣與計算機工程系的科研人員，提出了一種基于阻抗傳輸邊界條件（ITBC）的混合有限元方法（FEM），以解決石墨烯等離子體模式中的問題。該方法使用了聯(lián)合高斯定律與矢量亥姆霍茲方程橫向分量的變分公式，并通過阻抗傳輸邊界條件（ITBC）的薄石墨烯片模擬了場穿透過程。科研人員采用基于邊緣的矢量LT / QN二階基函數(shù)來擴展電場的橫向分量；采用基于節(jié)點的標量基函數(shù)來離散其縱向分量。結果表明，阻抗傳輸邊界條件混合有限元法（FEM-ITBC）方法具有較高有限元法（FEM）計算精度、較少計算成本等優(yōu)點。科研人員提出的方法可以有效、準確地確定石墨烯等離子體模式，并且未來他們還將會對其他2D材料進行進一步深入研究。
    來自斯坦福大學電氣工程專業(yè)愛德華金茨頓實驗室的科研人員發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心鏈路在使用四級脈沖幅度調制（4-PAM）和直接檢測（DD）的情況下，每個波長可以縮放到100 Gbit/s，但是由于鏈路預算因素的限制，使得該鏈路難以實現(xiàn)波分復用（WDM）或光學電路切換。針對這個問題，科研人員通過使用半導體光放大器（SOA）或雪崩光電二極管（APD），使接收機的靈敏度得到改進。他們還模擬和分析了調制器帶寬限制和啁啾、光纖色散、瞬態(tài)半導體光放大器（SOA）增益飽和、過度散粒噪聲及由雪崩光電二極管（APD）引起的碼間干擾。通過使用四級脈沖幅度調制（4-PAM）和線性均衡技術，以及具有增益為20dB、噪聲系數(shù)為6dB的半導體光放大器（SOA），能使受熱噪聲限制的接收機靈敏度提高6dB。而在同一參考系統(tǒng)上，使用響應度R=0.74 A/W、kA=0.18的雪崩光電二極管（APD）時，接收機靈敏度只能提高4.5dB�？蒲腥藛T進一步提出了一個簡單的算法來優(yōu)化非高斯噪聲分布的強度水平和決策閾值，從而使接收機靈敏度在現(xiàn)有的基礎上再提高1到2dB。對于半導體光放大器（SOA）而言，瞬態(tài)增益飽和效應對接收機靈敏度的影響可以忽略。但是對于單波長預放大的最壞情況而言，接收機動態(tài)范圍將被限制約為15dB。對于雪崩光電二極管（APD）而言，其響應、碰撞電離系數(shù)、低增益帶寬和增益帶寬積是整個控制系統(tǒng)性能的關鍵參數(shù)。
    來自中國電子科技大學光纖傳感與通信重點實驗室的科研人員指出，與其他反射儀相比，偏振敏感光時域反射儀（P-OTDR）存在多點干擾檢測和高精度定位方面的典型問題，從而限制了其實際應用。對此科研人員提出了一種使用二維（2-D）圖像處理和統(tǒng)計聚類的方法以解決此問題。該方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空間或時間信號分析方法，它累積由多個個體事件引起的時間/空間上不一致/不均勻的進化模式，來時間分化光時域反射儀（OTDR）的軌跡。然后利用邊緣檢測和自動聚類方法對不同干擾點進行精確定位，從而建立二維時空演化圖。通過一系列多點干擾實驗，科研人員證明，相比于傳統(tǒng)的直接微分法和快速傅立葉變換譜分析法，該方法具有更好的應用特性。
    來自特倫托大學物理系納米科學實驗室的科研人員指出，在光子集成電路中，耦合微盤諧振器的入射或輸出光過程是集成光子結構的關鍵步驟。然而，基于點接觸的共面總線波導的橫向耦合方案具有對波長具有嚴重的依賴性，這使得在寬光譜區(qū)域中有效激發(fā)諧振模式的過程受到限制。目前，科研人員在比較不同配置的基礎上提出了一種垂直耦合配置方案，其中一個總線波導被掩埋�？蒲腥藛T通過理論和實驗研究證明，由這種模型提供的長作用區(qū)使得最佳耦合光譜范圍擴展至紅外光到可見光；相比于傳統(tǒng)的橫向耦合設備而言，其所受的帶寬限制顯著減少，該特性使得它能被廣泛應用于如變頻等多個實際應用。

光傳輸
    來自葡萄牙里斯本大學高等技術學院電氣與計算機工程系的科研人員，提出并數(shù)值驗證了一種評估四波混頻（FWM）功率的理論方法（TM）。該方法通過虛擬運營商（VCS）和直接檢測(DD)，在基于多頻帶正交頻分復用（MB-OFDM）的超密集波分復用（WDM）城域網中估算四波混頻（FWM）的功率。該城域網中的關鍵配置參數(shù)為：頻帶間跨距為3.125GHz，每個頻帶的數(shù)據(jù)速率為10Gb/s。此外，科研人員還提出了一種簡化的理論方法（STM），在多頻帶正交頻分復用（MB-OFDM）系統(tǒng)中采用高色散光纖，來降低評估四波混頻（FWM）功率過程中的計算復雜度。以上兩種方法都認為四波混頻主要產生于虛擬運營商（VCS）和OFDM頻帶之間。與此同時，分析基于四波混頻（FWM）原因而受損最嚴重的頻帶，科研人員獲得了最大平均功率的解析表達式。TM法和STM法能根據(jù)閾值向量幅度誤差（EVM）和閾值平均功率（TAP）來估計每個WDM信道的平均功率水平，其中閾值向量幅度誤差（EVM）是四波混頻（FWM）損耗下所允許的最大誤差。實驗結果表明，當9條WDM通道中5條通道的數(shù)據(jù)以450 Gb/s的速率在標準單模光纖（SSMF）中傳輸時，TM和STM估計的閾值平均功率（TAP）相差不超過0.5dB。科研人員通過17條WDM通道獲得的閾值平均功率（TAP）來定義功率的上極限（UBPL），信號在10條頻譜間隔為22.81 GHz的標準單模光纖（SSMF）中傳輸后，采用TM法和STM法估算的功率的上極限（UBPL）相差不超過1dB。

圖1. 多頻帶正交頻分復用（MB-OFDM）系統(tǒng)的結構框圖 
光調制與光信號處理
    來自中國科學技術大學無線光通信重點實驗室、清華大學深圳研究生院的科研人員，針對受信號相關噪聲（SDSN）影響的單載波或多載波可見光通信（VLC）系統(tǒng)，提出了一種新型高效調制方法。他們在照明條件約束情況下最大限度地減少系統(tǒng)的符號錯誤率（SER），并通過求解優(yōu)化上述問題來改進星座圖的映射。在單載波系統(tǒng)中，應用最大似然（ML）估計檢測來同時優(yōu)化星座和閾值�？蒲腥藛T證實，該方法優(yōu)于均勻信號檢測和平方根信號檢測；同時他們觀察到，在中高信噪比區(qū)域內均勻信號檢測優(yōu)于平方根信號檢測，而后者在低信噪比區(qū)域表現(xiàn)較好。對于多載波系統(tǒng)，他們在考慮到信號相關噪聲（SDSN）的情況下提出了一個新的信道模型，該模型通過最大化符號之間的最小歐氏距離（MED），在不同的照明條件下改進星座圖映射。此外，科研人員設計的多載波部分包含了直流信息，從而提高了能量效率，甚至在中等尺寸的信號空間內，所設計包含直流信息的光OFDM系統(tǒng)（DCIO-OFDM）中OFDM-QPSK信號可獲得的增益區(qū)間為5至30dB。

圖2. 鎖定并捕獲數(shù)據(jù)的實驗裝置圖
    來自麥克吉爾大學的電氣與計算機工程系的科研人員指出，在光纖傳輸中，多級調制格式之間的靈活轉換是實現(xiàn)高頻譜效率、靈活組網自適應調制技術的關鍵處理功能之一。科研人員提出了一種二進制相移鍵控（BPSK）到正交相移鍵控（QPSK）的全光格式轉換系統(tǒng)，以及從正交相移鍵控（QPSK）到二進制相移鍵控（BPSK）的逆轉換系統(tǒng)。其中，從正交相移鍵控（QPSK）到二進制相移鍵控（BPSK）的逆轉換過程，具有無波長移位轉換的優(yōu)點，并且不損失發(fā)射數(shù)據(jù)，但僅限于單個偏振信號。其中，入射是正交相移鍵控（QPSK），同時輸出是兩個二進制相移鍵控（BPSK）。另外，科研人員提出一種波長保留轉換的新方法，用于在與傳播軸正交的x-y偏振平面上產生相對于x軸有任意偏振旋轉角的偏振分割復用正交相移鍵控（QPSK）信號。該方法基于高度非線性光纖中的正交雙泵四波混頻（FWM）過程實現(xiàn)，其中高度非線性光纖配置有非線性光學環(huán)路。該方法的優(yōu)點是可以同時輸出原始信號和相位共軛信號，并且有很高的信號極化四波混頻（FWM）效率。上述系統(tǒng)中，研究人員通過數(shù)值模擬過程來計算誤碼率和光信噪比的損耗以評估系統(tǒng)的應用性能。

圖3.全光波長調制格式從PDM-QPSK到PDM-BPSK轉換的示意圖
    來自東南大學國家移動通信研究實驗室的科研人員，提出了一種用于強度調制/直接檢測（IM/DD）可見光通信（VLC）系統(tǒng)的重構正交頻分復用（R-OFDM）方案。其中，他們將由紅光、綠光、藍光和琥珀色芯片組成的發(fā)光二極管（RGBA-LED）作為發(fā)射機。在重構正交頻分復用（R-OFDM）方案中，信號在發(fā)光二極管（RGBA-LED）中進行了信號分離以及削波之后（BAC）的偏置或削波之前（SBC）的縮放操作�？蒲腥藛T優(yōu)化了削波之后（BAC）和削波之前（SBC）縮放操作的偏置和縮放因子，并且使用直接檢測算法來恢復接收器處的數(shù)據(jù)。另外，科研人員進一步分析了所提出的重構正交頻分復用（R-OFDM）方案的理論誤碼率（BER）性能。特別是對于多色發(fā)光二極管（LED）可見光傳輸，科研人員還提出了一種低復雜度的并行干擾消除（PIC）算法，可以消除由多色可見光通信（VLC）信道中由于串擾引起的干擾。通過計算實際光信道的數(shù)值結果可驗證所提出重構正交頻分復用（R-OFDM）方案的優(yōu)勢。數(shù)值研究結果表明，相比于傳統(tǒng)的翻轉正交頻分復用（Flip-OFDM）和非對稱限幅正交頻分復用（ACO-OFDM）技術，研究人員提出的重構正交頻分復用（R-OFDM）方案在系統(tǒng)接收靈敏度方面有顯著優(yōu)勢。

圖4.基于RGBA-OFDM方案發(fā)射機結構框圖 
    來自比利時天主教魯汶大學的科研人員，設計了一種可見光通信（VLC）基帶調制方案并構建了一個理論模型，他們將該技術命名為單邊位置調制（SEPM）技術，即通過增加每個符號的位數(shù)目而獲得調光的魯棒性。單邊位置調制（SEPM）在可見光通信（VLC）系統(tǒng)中可以用于調節(jié)光基帶功率并配置開關調制過程。科研人員可以選擇每個符號的位數(shù)目，在如下兩方面的折衷范圍內（其中一方面是可靠性與魯棒性之間的折衷，另一方面是功率和頻譜效率之間的折衷）實現(xiàn)上述過程。在特定范圍內，單邊位置調制（SEPM）能在不影響在高信噪比情況下具有保證光信號傳輸?shù)目尚行浴Ｆ湔{制范圍由每符號的比特數(shù)確定，每符號的比特數(shù)越大，其可行的調制范圍就越大。而每符號的比特數(shù)目增加帶來的缺點是功率效率和頻譜效率都會隨之下降，從而增加收發(fā)同步實現(xiàn)難度并且增加接收機的信號處理復雜度。與功率開關調制的可變通斷鍵控（VOOK）和可變脈沖位置調制（VPPM）進行比較，單邊位置調制（SEPM）具有很好的調制魯棒性。在整個調制范圍內，單邊位置調制（SEPM）的每符號包含2比特信息，并且其功率效率得到相應改善。此外，與可變通斷鍵控（VOOK）相比，該調制技術也具有更高的頻譜效率。

光纖技術
    來自中國海洋大學物理系光學與光電子實驗室的科研人員，提出了一種基于超細光纖并能同時測量海水溫度和鹽度的新方法。該方法用到了含有結諧振器的馬赫曾德爾（MZ）干涉儀。利用馬赫曾德爾（MZ）干涉儀和結共振的組合效應，科研人員得到了典型的透射光譜。當溫度和鹽度變化時，干擾和諧振都呈現(xiàn)線性下降�；�于這種線性關系，他們可以建立測量矩陣，通過收集透射光譜可以同時獲得海水樣品的溫度和鹽度。該方案的混合結構具有高靈敏度和高精度的優(yōu)點，在海洋和其他液體環(huán)境中測量溫度和鹽度將具有巨大的應用優(yōu)勢。
    來自希臘研究與技術基金會、電子結構與激光研究所的科研人員，設計了一種小型的多功能光耦合裝置，該裝置采用了多芯光纖和磁流體熔覆技術。他們將多芯光纖逐漸變細以延伸各個芯的模態(tài)輪廓 ，同時在它們之間引入光耦合，最終完成了該磁場調諧光耦合器的制作。科研人員證實，通過磁流體熔覆來影響磁性折射狀態(tài)下外芯的漸逝場，并在多芯光纖的中心纖芯和外纖芯之間施加約50的高斯磁場通量，便能測量出2.5dB和4.5dB之間的耦合效應。這種芯間耦合光子器件在感測、通信、成像和激光束傳輸應用中頗具發(fā)展前景。
    來自波蘭華沙理工大學微電子與光電子學研究所的科研人員，在單模光纖端面上，研究了納米薄膜堆疊的傳感能力，以期其應用于無標記生物識別。根據(jù)鋁鈦氧化物層折射率的不同：在λ= 1550 nm時，氧化鋁（N～1.58 RIU）和氧化鈦（N～2.42 RIU），該納米膜堆疊由五種周期性交換的材料組成，并用反應性磁控濺射技術沉積而成�？蒲腥藛T實驗發(fā)現(xiàn)，該結構對周圍液體折射率的敏感性為74.4 nm/RIU和44.3 dBm / RIU，對溫度變化的敏感性則可忽略不計。此外，科研人員還發(fā)現(xiàn)，當此結構功能化時可用于選擇性檢測其表面上的生物層的形成。實驗中，生物素-抗生物素蛋白復合物是無標記生物識別能力的重要成分。尤其當生物素非特異性的集團分離分析法（BSA）導致光譜變化響應可忽略不計時，1mg/ml濃度的抗生物素蛋白，可誘導諧振波長偏移3nm，反射功率變化0.8dBm。該實驗方法，在應用于器件批量制造、制備高魯棒性傳感器、全自動堆疊沉積工藝時具備應用前景。
    來自以色列本古里安大學電氣與計算機工程系的科研人員指出，由于較低的功耗和較小的尺寸，可插拔收發(fā)器模塊成為高端口密度數(shù)據(jù)中心的首選連接器件。光學部件可以與電子塊分開地封裝在微小的尺寸中。這里會產生傳輸超寬帶信號的新問題，即在高速耦合印刷模擬跡線上中的耦合衰耗會顯著增強。該模型包括頻率相關性的公式，其被證明在超寬帶信號的傳輸中具有關鍵的作用。他們將標準實踐耦合模型用于子10G系統(tǒng)中來消除串擾。科研人員這種基于包容耦合模型，提出了新的耦合補償技術，并與傳統(tǒng)的耦合補償技術進行了比較。通過蒙特卡羅模擬驗證的綜合分析表明，新引入的耦合補償技術顯著優(yōu)于現(xiàn)有的串擾補償解決方案，對于25G傳輸及速率更快的系統(tǒng)能支持更長的耦合跡線。新的方法基于符號間隔采樣技術和降低復雜度的數(shù)字信號處理技術。在基于100G PAM4傳輸系統(tǒng)中，新提出的補償技術可以支持大于15cm的長的微帶跡線，同時其前向糾錯（FEC）誤碼率（BER）值達10-3。


圖5. 超寬帶光電系統(tǒng)模型圖 
    來自伊拉克穆薩納大學曼物理系、蘇爾大學工學部數(shù)理工系的科研人員，提出并分析了一種超連續(xù)譜生成（SCG）二氧化硅光子晶體光纖（PCF）的新型設計方案。他們設計的新型光纖具有As2S3硫族化物核心區(qū)域、大的非線性系數(shù)和低異常色散�？蒲腥藛T使用全矢量有限元法（FV-FEM）來進行模態(tài)分析，而通過使用分步傅里葉法的非線性薛定方程來模擬SCG。他們深度研究了光纖長度、泵浦峰值功率和泵浦波長對SCG性能的影響。實驗結果表明該光纖具有非常低的零色散波長，其有利于在1.55μm的波長處的泵浦。此外，該設計具有在1.55μm和1.3μm波長處的2656nm和1788nm的超寬帶超連續(xù)譜，據(jù)科研人員研究得知，對于兩個工作波長1.55μm和1.3μm處的光譜也同時具有最大帶寬。

圖6. 二氧化硅PCF與As2S3硫化物核心區(qū)域的截面圖