光纖在線特邀編輯：邵宇豐，馬文哲
    2017年5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)
來自日本電報(bào)電話公司接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，提出并展示了一種監(jiān)測基于布里淵無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中分支損耗的新方案。所提出的應(yīng)用方案還包含線性頻率消除的泵浦脈沖，它可以補(bǔ)償光纖鏈路中布里淵散射分布帶來的增益損耗，而且其泵能量效率比常規(guī)頻移方案更高。該方案用掃頻泵浦脈沖闡明了布里淵聲波動(dòng)力學(xué)，并測試了監(jiān)測基于布里淵損耗的性能。最后，成功實(shí)現(xiàn)了1.65微米波段直接調(diào)制分布式反饋激光器的實(shí)驗(yàn)過程，在現(xiàn)場部署的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）遠(yuǎn)程監(jiān)控中達(dá)到了令人滿意的效果。
來自德國斯圖加特諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員將光以太網(wǎng)（OE）系統(tǒng)應(yīng)用于融合光傳輸和交換網(wǎng)絡(luò)。它將分組交換網(wǎng)絡(luò)的靈活性與傳輸系統(tǒng)的高速性相結(jié)合應(yīng)用在光以太網(wǎng)（OE）中，旨在通過線性總線規(guī)劃的方法進(jìn)行覆蓋大都市區(qū)的應(yīng)用，并搭建兩端連接到核心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。在邏輯上功能，將光以太網(wǎng)（OE）系統(tǒng)作為分布式分組交換機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，并用端到端前向糾錯(cuò)（FEC）替代昂貴的逐跳誤差糾正，只在中間節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行符號再生。上述方案采用了多點(diǎn)對點(diǎn)容器聚合的方式來滿足大數(shù)據(jù)塊前向糾錯(cuò)（FEC）的要求。同時(shí)，它將源流量的交換粒度保持到64字節(jié)的數(shù)據(jù)包，而不會(huì)犧牲吞吐量，延遲或節(jié)點(diǎn)數(shù)的可擴(kuò)展性。此外，光以太網(wǎng)（OE）的架構(gòu)復(fù)雜性取決于典型的傳輸線卡而不是高容量分組交換機(jī)。該方案設(shè)計(jì)了調(diào)制格式，信號處理和前向糾錯(cuò)（FEC），分組分段/重組，排隊(duì)，路由和擁塞控制開始功能范圍等一系列模塊。并通過不同抽象層次的模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些設(shè)計(jì)的實(shí)用性。通過該設(shè)計(jì)，在速率不低于1Tbit / s的情況下光信號實(shí)現(xiàn)傳輸高達(dá)1500公里（km），并且在分組聚合或流量梳理過程中其通信容量能夠得到充分的利用。該設(shè)計(jì)架構(gòu)嚴(yán)格，靈活性高，數(shù)據(jù)包傳輸延遲較低。
來自日本電報(bào)電話公司網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，采用含有2個(gè)子載波的雙極化十六進(jìn)制進(jìn)制正交幅度調(diào)制（2SC-DP-16QAM）提高了400-Gbps光傳輸系統(tǒng)的收發(fā)性能水平。與傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理技術(shù)相比，400-Gbps數(shù)字相干光傳輸技術(shù)較為領(lǐng)先。研究人員證明，將400-Gbps傳輸系統(tǒng)覆蓋傳統(tǒng)100-Gbps傳輸系統(tǒng)上，并不影響現(xiàn)有的100-Gbps通道中的光信號傳輸。另外，通過同時(shí)傳輸 100-Gbps和400-Gbps信號的長期穩(wěn)定性并測試其結(jié)果，證明了高級數(shù)字相干傳輸?shù)目尚行院统錾�的收發(fā)性能。研究人員還進(jìn)一步說明了高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字反向傳播信號處理的非線性失真補(bǔ)償，以及相干數(shù)字信號處理（DSP）的高性能軟判決前向糾錯(cuò)（SD-FEC）技術(shù)。通過這些先進(jìn)的數(shù)字相干技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了2個(gè)子載波雙極化16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（2SC-DP-16QAM）信號長達(dá)1900多公里的傳輸。

圖1. 高速光通信傳輸系統(tǒng)提高通信容量的三個(gè)維度
來自愛爾蘭光子系統(tǒng)集團(tuán)泰德爾國家研究所的科研人員，研究了單邊帶（SSB）快速正交頻分復(fù)用（OFDM）中的載波間干擾（ICI），其副載波利用度是常規(guī)OFDM的一半。由于快速正交頻分復(fù)用（OFDM）中的非正交變換引起的載波間干擾（ICI）降低了系統(tǒng)性能，并且單抽頭均衡器不可能補(bǔ)償色散，這是因?yàn)榫矸e定理不能應(yīng)用于變換對的數(shù)學(xué)原因?qū)е�。由此研究人員提出了一種基于單邊帶（SSB）調(diào)制的有效的相干光快速正交頻分復(fù)用（OFDM）方案。在目前已提出的方案中，通過適當(dāng)?shù)牟僮骺梢酝ㄟ^頻域過采樣對二分之一空間的子載波進(jìn)行解復(fù)用，載波間干擾（ICI）是完全可以避免的。與其它方案相比，單邊均衡器可以容易地應(yīng)用于接收機(jī)中以補(bǔ)償信道色散的負(fù)面影響。此外，研究人員分析并推導(dǎo)出了相關(guān)表達(dá)式，可以用于評估由載波間干擾（ICI）引起的性能下降問題，并通過數(shù)值分析證實(shí)了這一結(jié)論。仿真結(jié)果也顯示了該方案的優(yōu)點(diǎn)。最后，研究人員實(shí)現(xiàn)了第一次實(shí)現(xiàn)了使用八進(jìn)制振幅鍵控（8-ASK）的36 Gb/ s單邊帶（SSB）快速正交頻分復(fù)用（OFDM）信號的頻譜效率高達(dá)6bit/ s / Hz。

圖2. 基于單邊帶（SSB）調(diào)制的相干光快速正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)框圖

無源和有源光子器件
來自中國臺灣大學(xué)國立光子與光電研究所的科研人員，通過使用包含雙邊帶載波的載波抑制發(fā)射機(jī)，研制了一種激光二極管。該激光二極管是針對光載有線和無線毫米波（MMWoF）系統(tǒng)生成具有低相干性毫米波（MMW）載波的直接編碼激光二極管。在光載有線和無線毫米波（MMWoF）鏈路中，實(shí)現(xiàn)了36 Gb / s的光載有線頻帶和12 Gb / s的毫米波（MMW）無線頻帶的最大傳輸容量。為了實(shí)現(xiàn)第五代（5G）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信，頻率為28GHz、39GHz和47GHz毫米波（MMW）三個(gè)載波被采用；中心載波功率抑制在-37 dBm，可以將光載波的中心載波抑制比增加到38 dB。頻率為47 GHz的雙邊帶載波注入使得六十四進(jìn)制正交振幅調(diào)制正交頻分復(fù)用（64-QAM –OFDM）數(shù)據(jù)的傳輸速率高達(dá)36 Gb / s。在25 公里（km）單模光纖的傳輸下，最低的誤碼率（BER）為2.1×10-3，這是由于四波混頻模式大大抑制了光纖色散的影響。在光基帶傳輸之后，光子混合的28GHz、39GHz和47GHz毫米波（MMW）載波通過外差混合，顯示出小于1.2Hz的相似譜線寬和41.7dB的載波噪聲比（CNR）。28 GHz毫米波（MMW）載波可以使十六進(jìn)制正交振幅調(diào)制正交頻分復(fù)用（16-QAM –OFDM）數(shù)據(jù)在空閑空間無線傳輸1.6 m米。其速率為12 Gb / s，平均信噪比為15.3 dB，誤差向量為17.1％，接收誤碼率（BER）為3.3×10-3。
來自葡萄牙里斯本大學(xué)的科研人員提出了一種分析離散變化模型，并在相位匹配區(qū)域中分析了具有彎曲和扭轉(zhuǎn)擾動(dòng)的完全均勻弱耦合多芯光纖（MCF）（具有相似但不同參數(shù)的核心）的纖芯間串?dāng)_（ICXT），其中彎曲半徑小于臨界彎曲半徑。比較了具有七個(gè)核的弱耦合階躍折射率多芯光纖（MCF）耦合模式方程的仿真結(jié)果，并提出了更為準(zhǔn)確的平均纖芯間串?dāng)_（ICXT）功率估計(jì)。考慮到完全均勻的完全均勻弱耦合多芯光纖（MCF）和提出的模型，得到的估計(jì)值可能存在平均核心間串?dāng)_（ICXT）功率超過4dB的差異。
來自澳大利亞悉尼大學(xué)物理學(xué)院的科研人員，使用基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)制（N-SVM）非線性均衡器（NLE），首次實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s的十六進(jìn)制正交幅度調(diào)制相干光正交頻分復(fù)用（16-QAM-CO-OFDM）信號傳輸2000公里。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與基于沃爾泰拉的非線性均衡器（NLE）相比，基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)（N-SVM）非線性均衡器（NLE）使得最佳發(fā)射光功率增加了2 dB。基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)（N-SVM）非線性均衡器（NLE）能夠解決確定性光纖引起的非線性效應(yīng)以及非線性和隨機(jī)噪聲之間的相互作用（例如，偏振模色散）的能力，進(jìn)而能夠提高系統(tǒng)的性能。與基于沃爾泰拉的非線性均衡器（NLE）相比，基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)（N-SVM）非線性均衡器（NLE）對載波間非線性串?dāng)_效應(yīng)的容忍性更高，特別是同時(shí)應(yīng)用于所有子載波的情況下。與常規(guī)的支持向量機(jī)（SVM）相反，所提出的算法具有降低分類器的復(fù)雜度，提供較低的計(jì)算量和執(zhí)行時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)的支持向量機(jī)制（SVM）相比，基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)（N-SVM）非線性均衡器（NLE）的計(jì)算復(fù)雜度降低了約6倍。


圖3. 基于沃爾泰拉的非線性均衡器（NLE）或基于牛頓算法的快速支持向量機(jī)（N-SVM）非線性均衡器的40 Gb / s的相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
來自北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，基于兩個(gè)零色散波長的空隙-二氧化硅光子晶體光纖的基本波導(dǎo)模式，將以1550nm為中心的飛秒脈沖發(fā)射到深色正常色散區(qū)域中，實(shí)驗(yàn)展示了聯(lián)合四波混頻效應(yīng)。當(dāng)滿足多模式相位匹配條件時(shí)，基本波導(dǎo)模式中1550nm的泵浦波將轉(zhuǎn)換為二次導(dǎo)波模式下的約1258 nm左右的反斯托克斯波和2018 nm左右的斯托克斯波。當(dāng)輸入平均功率為90mW的飛秒脈沖在長度為22 cm的光子晶體光纖內(nèi)傳播時(shí)，反斯托克斯和斯托克斯波的轉(zhuǎn)換效率分別為8.5％和6.8％。在基于模式四波混頻的頻率轉(zhuǎn)換過程中，基本波導(dǎo)模式和二階導(dǎo)波模式之間的光纖彎曲和離散效應(yīng)對其影響非常小。
來自馬來西亞大學(xué)光子學(xué)研究中心的科研人員，提出并展示了使用鍍鋁膜作為可飽和吸收體（SA）的被動(dòng)Q開關(guān)式二微米光纖激光器�？娠柡臀�收體（SA）由最初用于抑制紫外線的太陽能色調(diào)膜組成，并放置在摻銩光纖激光器中。在134.41mW的泵浦功率下觀察到Q開關(guān)，在205.08mW的最大泵浦功率下，重復(fù)率從22.96 kHz穩(wěn)定地增加到40.32kHz。

光傳輸
來自斯坦福大學(xué)電氣工程系金斯頓實(shí)驗(yàn)室的科研人員，提出一種使用耦合模式理論的動(dòng)態(tài)信道模型，來描述在多模光纖（MMF）中由快速環(huán)境擾動(dòng)引起的時(shí)變極化模式和空間模式耦合。當(dāng)給定對其作用的環(huán)境擾動(dòng)的分布時(shí)，該模型能夠計(jì)算端到端模分復(fù)用（MDM）鏈路的時(shí)變瓊斯（Jones）傳遞矩陣。該模型的本質(zhì)是假設(shè)多模光纖（MMF）具有源自制造和布線的內(nèi)置缺陷，當(dāng)鏈路穩(wěn)定時(shí)，多模光纖（MMF）會(huì)再現(xiàn)模式耦合和分散的預(yù)期行為。軸向應(yīng)力，曲率和外部電磁場都會(huì)造成環(huán)境擾動(dòng)，并調(diào)制光纖特性，以在動(dòng)態(tài)通道中產(chǎn)生時(shí)變模式相移，模式耦合和模態(tài)色散。即使環(huán)境動(dòng)力學(xué)的時(shí)間尺度要慢得多，在次秒時(shí)間尺度上，通道動(dòng)力學(xué)速率也可以在微秒級。當(dāng)D增加時(shí)，模分復(fù)用（MDM）通道演進(jìn)得更快，因?yàn)橥饬�可能造成模式耦合系�?shù)矩陣變化地更強(qiáng)和更快。增加模分復(fù)用（MDM）鏈路的鉸鏈長度也增加了動(dòng)態(tài)速率，因?yàn)榉植际綌_動(dòng)可以在較長的長度上與信道相互作用。隨著模式D或鏈路長度的增加，信道動(dòng)態(tài)性的提高速度可能對長距離模分復(fù)用（MDM）系統(tǒng)中的自適應(yīng)多輸入多輸出（MIMO）均衡造成一定的影響。這時(shí)需要通過重新設(shè)計(jì)自適應(yīng)均衡器，以便能夠跟蹤通道的快速變化。然而，動(dòng)態(tài)信道跟蹤能力和靜態(tài)信道中的漸近均方誤差（MSE）存在固有的折衷。長組延遲擴(kuò)展需要較大的循環(huán)前綴（CP）長度，而高循環(huán)前綴（CP）效率需要較大的傅里葉變換（FFT）次數(shù)，但是當(dāng)通道快速變化時(shí)，大的傅里葉變換（FFT）次數(shù)會(huì)減慢均衡器跟蹤并導(dǎo)致更高的均方誤差（MSE）。
來自斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系的科研人員對6模式少模光纖（FMF）中模間四波混頻（IM-FWM）的波長和偏振進(jìn)行了詳細(xì)的測量，并測量了泵的兩個(gè)不同波長（1nm和4nm）分離的四波混頻（FWM）效率，還在這兩種情況下觀察到功率強(qiáng)烈的波長依賴性。為了了解功率波動(dòng)的起源，科研人員研究了四波混頻（FWM）的線性特性以及泵和探針的極化效應(yīng)。測量了所有6種光纖模式之間的線性傳遞矩陣，以了解光纖在線性狀態(tài)下的行為，并觀察到不同LP11模式之間的強(qiáng)線性耦合。常規(guī)的模間四波混頻（IM-FWM）波長圖案是相對穩(wěn)定的，并且如果光纖不受干擾則持續(xù)數(shù)分鐘，但是隨著機(jī)械或熱擾動(dòng)的微小變化，其變化劇烈。模間四波混頻（IM-FWM）在LP11模式中強(qiáng)烈依賴于泵的極化；然而，加擾LP01探頭的極化不會(huì)影響空載功率，并且在同一光纖中模內(nèi)四波混頻（FWM）中沒有這種“噪聲”影響。
來自英國斯特拉斯克萊德大學(xué)物理系光子學(xué)研究所的科研人員，研制了具有集成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）控制功能的智能陣列發(fā)光二極管（LED）照明設(shè)備。該設(shè)備可在照明區(qū)域中實(shí)現(xiàn)10ms內(nèi)自動(dòng)定位。該定位系統(tǒng)是通過合適的空間照明圖案序列結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。如果控制電子設(shè)備能有效利用發(fā)光二極管（LED）的MHz帶寬，未來可實(shí)現(xiàn)在10微妙內(nèi)自動(dòng)定位。通過調(diào)整發(fā)射器的數(shù)量和所使用的投影光學(xué)元件，能改變定位的精度和面積覆蓋率，定位的精度可達(dá)5mm。通過使用散焦投影和空間插值開發(fā)合適的解碼算法，可以實(shí)現(xiàn)比采樣網(wǎng)格更好的分辨率，但這對發(fā)光二極管（LED）的正交調(diào)制提出了要求，并增加了接收端的復(fù)雜度。該技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍較為廣泛。另外，通過對16個(gè)連接用戶的無線光空分多址訪問的實(shí)驗(yàn)，總數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1.2Gb/s，誤碼率（BER）小于10-4。

光調(diào)制與光信號處理
來自華盛頓海軍研究實(shí)驗(yàn)室光學(xué)科學(xué)部的科研人員，模擬了MUTC光電檢測器的等效電路模型，并實(shí)現(xiàn)了最大似然估計(jì)程序。在實(shí)驗(yàn)中得出并證明了參數(shù)估計(jì)模型的線性最小二乘法和最大似然法。實(shí)驗(yàn)得出了各種不同操作下的結(jié)果，包括不同的偏置電壓和光電流的水平。參數(shù)估計(jì)連接到光電檢測器的等效電路模型，證明了與器件型號物理連接的成功。討論了對電路參數(shù)行為的粗略分析，但通過與漂移擴(kuò)散模型進(jìn)行比較，可以精確地識別不同操作點(diǎn)的物理機(jī)制。未來研究人員還將探索與物理機(jī)制相關(guān)的參數(shù)并進(jìn)行高階非線性分析（。
來自日本東京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新研究院的科研人員，研究了在聚合物光纖（POF）中布里淵頻移（BFS）的應(yīng)變與溫度交叉靈敏度。布里淵頻移（BFS）的應(yīng)變系數(shù)取決于溫度的變化情況。在0-1.2％和4.0-9.0％的應(yīng)變范圍內(nèi)，溫度依賴性分別為1.5和-0.3 MHz /(％•°C)的線性關(guān)系；在4.0-9.0％的應(yīng)變范圍內(nèi)，布里淵頻移（BFS）基本上隨著溫度的升高而降低；在大于13％的應(yīng)變范圍內(nèi)，布里淵頻移（BFS）在聚合物光纖（POF）中不在受溫度的影響。

圖4. 用于測量應(yīng)變（或溫度）對布里淵頻移（BFS）影響的實(shí)驗(yàn)裝置

光纖技術(shù)
來自中國寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室的科研人員，實(shí)驗(yàn)證明了使用高數(shù)值孔徑（NA〜1.4）的As2Se3-As2S3多材料硫族化物玻璃纖維生成超連續(xù)譜（SC）的過程。通過改進(jìn)的一步擠出法制造纖維預(yù)制件，然后將纖維預(yù)制件嵌入小芯型纖維中。對于直徑為10μm的As2Se3芯和直徑為246μm的As2S3包層，光纖在在4.5μm波長附近表現(xiàn)出零色散特性，在5.8μm波長處最小損耗約為5.2dB/m。在短脈沖寬度為〜150fs的4.8μm激光泵浦的20cm長纖維中產(chǎn)生從1.4至8.8μm的產(chǎn)生的SC。在4.8μm激光泵浦的20cm長纖維中產(chǎn)生從1.4至8.8μm的超連續(xù)譜（SC）。其中，4.8μm激光器的短脈沖寬度為150fs。還提出了使用超高數(shù)值孔徑（3.5和4.8μm）纖維生成紫外超連續(xù)譜（SC）的數(shù)值模擬方法。該數(shù)值模擬方法可以得到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。
來自美國維拉諾瓦大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的科研人員研究了兩種類型具有三個(gè)實(shí)芯的微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）結(jié)構(gòu)，并研究了微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）的熱特性。在溫度為18℃至40℃情況下測試了微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）的光學(xué)行為，以避免燃燒光纖的外涂層。測量到光纖的加熱直徑約為70μm，這表明可以應(yīng)用于微流體。微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）A的芯間距比微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）B更小。微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）B中存在的不穩(wěn)定性不太明顯。測量趨勢表明，光纖輸出具有溫度依賴性的，如果光纖孔中填充合適的熱物質(zhì)，則可以提高設(shè)備的靈敏度。在保護(hù)通道中的空氣冷卻速度與擴(kuò)散速率（空氣流量為0.6s（在20℃）至1s（在80℃））相同，氣孔直徑為1.08微米。與三段間隔纖維相比，四周間隔通道擁有額外的空氣通道，這使得在較低溫度下也可以快速地冷卻。隨著溫度升高，空氣不能在足夠的時(shí)間內(nèi)冷卻，使得強(qiáng)度分布隨時(shí)間變得更加均勻。微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）A和微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）B中核心耦合的偏振依賴性受熱變化的影響。將耦合模式的極化分量應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）A證明了芯的輸出強(qiáng)度具有不對稱性。為了控制光纖的熱敏感性，提高雙折射性能，在對雙折射和強(qiáng)度分布進(jìn)行建模時(shí)應(yīng)該考慮到極化纖芯的折射率。通過將材料注入格子的孔中可用來調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)光纖（MOF）。當(dāng)溫度升高時(shí)，注入更多的熱活性材料會(huì)迫使光纖幾何形狀發(fā)生更大的變形，從而在相對核心強(qiáng)度下引起更顯著的響應(yīng)。研究人員預(yù)測采用微流體來增強(qiáng)傳感器的敏感性將開辟一種新的設(shè)計(jì)和制備傳感器的方法。

圖5.MOF A（左）和MOF B（右）的橫截面差異顯示圖