光纖在線特邀編輯：邵宇豐 周越 馬文哲 季幸平

    8/9/2017,2017年7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(wú)源和有源光子器件、光傳輸、光調(diào)制與光信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。 

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    來(lái)自謝里夫科技大學(xué)電氣工程系的科研人員指出，光碼分多址接入（OCDMA）系統(tǒng)可以通過區(qū)分編碼參數(shù)、功率級(jí)別和分集順序來(lái)支持多種類型的通信服務(wù)�？蒲腥藛T研究了多級(jí)1D / 2D的光碼分多址接入（OCDMA）系統(tǒng)的誤碼率（BER）性能，并提出了一種新型的計(jì)算方法以使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式來(lái)精確估計(jì)系統(tǒng)的誤碼率（BER）。他們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了大致的估計(jì)并研究了影響系統(tǒng)性能靈敏度的因素，如編碼參數(shù)、功率級(jí)別和分集順序等�？紤]到編碼設(shè)計(jì)、編碼基數(shù)和系統(tǒng)性能約束，研究人員定義了兩個(gè)設(shè)計(jì)問題并提供了最優(yōu)解。 然后，科研人員設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)的光碼分多址接入無(wú)源光網(wǎng)（OCDMA-PON），可以靈活分配活躍用戶中的未使用資源，以提高上游系統(tǒng)的傳輸性能。研究人員還推算了近似誤碼率（BER）表達(dá)式，提出了自適應(yīng)光碼分多址接入無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（OCDMA-PON）的兩種自適應(yīng)碼分配算法，并通過仿真來(lái)評(píng)估其性能。仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)碼分配算法可以在動(dòng)態(tài)流量模式下，提高ONU的平均傳輸速率或降低平均傳輸?shù)墓夤β�。依�?jù)仿真結(jié)果，對(duì)于在誤碼率（BER）值為10-7，用戶活動(dòng)概率為0.5的自適應(yīng)光碼分多址接入無(wú)源光網(wǎng)（OCDMA-PON）中，與固定的傳輸速率（傳輸光功率）相比可以增加2.53的固定代碼分配量，相對(duì)于傳輸光功率可以減少0.25的固定代碼分配量。
 
圖1 光碼分多址接入無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)框圖
    來(lái)自浙江大學(xué)光通信實(shí)驗(yàn)室、西南民族大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的科研人員指出，與傳統(tǒng)的波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)相比，靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)（FON）可以通過采用更精細(xì)的資源分配粒度（稱為頻段）、更復(fù)雜的路徑路由和資源分配算法（稱為路由和頻譜分配算法）以適應(yīng)多種服務(wù)連接，且具有較高的組網(wǎng)靈活性和頻譜利用率。然而，頻譜分配中的連續(xù)性和鄰接約束可能會(huì)引入頻譜碎片，其不能被后續(xù)服務(wù)連接利用，從而可能減少可用資源的數(shù)量以及靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)（FON）中的網(wǎng)絡(luò)靈活性。因此，科研人員已經(jīng)提出了許多算法來(lái)通過重新優(yōu)化分散的資源，從而減少頻譜碎片的數(shù)量。這些算法被稱為頻譜碎片整理算法，但是上述算法可能會(huì)引起流量中斷或需要增加額外的組件。為了避免流量中斷和額外組件的需求，研究人員還提出了一些分組RSA算法，通過將頻譜資源預(yù)分為幾個(gè)固定組或可變組，來(lái)抑制它們的生成中的頻譜碎片。 然而，由于一組中的頻譜資源只能分配給一種特定類型的服務(wù)連接，因此這些分組算法的靈活性總是受到服務(wù)連接的種類的限制。在研究中，科研人員將混合分組機(jī)制引入頻譜分配中，并提出了一種基于混合組的RSA算法，即最先采用混合分組（MUFHG）的RSA算法，以抑制靈活網(wǎng)格光網(wǎng)絡(luò)（FON）中頻譜碎片的產(chǎn)生。通過采用混合分組機(jī)制，混合分組（MUFHG）算法能將頻譜資源分配到具有指定分配幾個(gè)靈活組。如果這些業(yè)務(wù)連接的帶寬要求具有多重關(guān)系，每個(gè)頻譜組可以適應(yīng)多種業(yè)務(wù)連接，來(lái)保證每個(gè)組中剩余或釋放的頻譜資源總能被利用。因此，頻譜碎片僅在兩個(gè)相鄰的柔性組之間的頻譜帶中產(chǎn)生。根據(jù)這種方式，所提出的基于混合組的算法可以顯著地抑制它們的生成中的頻譜碎片。此外，混合分組（MUFHG）算法有助于采用優(yōu)化策略來(lái)最大限度地提高后續(xù)服務(wù)連接頻譜資源的使用頻率，并最終能提高網(wǎng)絡(luò)的抗阻塞性能。

無(wú)源和有源光子器件
    來(lái)自山東科技大學(xué)激光研究所、倫敦大學(xué)城市學(xué)院光子學(xué)與儀表研究中心的科研人員，研究了光纖布拉格光柵（FBG）壓力傳感器的基礎(chǔ)技術(shù)原理，設(shè)計(jì)并配置了一種新穎的基于負(fù)壓波（NPW）的管道泄漏檢測(cè)（PLD）系統(tǒng)。為了測(cè)試這套系統(tǒng)，他們已經(jīng)搭建了管道泄漏測(cè)試平臺(tái)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證使用這種基于光纖布拉格光柵（FBG）系統(tǒng)的性能。研究結(jié)果表明：使用基于光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)沿管道的壓力變化趨勢(shì)，從而能夠在線計(jì)算并測(cè)量負(fù)壓波（NPW）；與傳統(tǒng)的負(fù)壓波（NPW）檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行比較后，科研人員發(fā)現(xiàn)新型檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)泄漏量較小的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的泄漏定位監(jiān)測(cè)精度，其原因是由于基于光纖布拉格光柵（FBG）的系統(tǒng)中，沿管道可以復(fù)用更多數(shù)量的傳感器，它們輸出的信號(hào)具有令人滿意的高信噪比特性。研究人員還對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，特別是在對(duì)與外部信號(hào)的響應(yīng)中，可以消除由泵啟動(dòng)或停止引起的干擾，上述過程是通過對(duì)多傳感器陣列捕獲壓力變化的時(shí)間序列并進(jìn)行分析而實(shí)現(xiàn)的。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能最大程度減少發(fā)生虛假警報(bào)的情況。

圖2傳感器系統(tǒng)框圖
    來(lái)自山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院、伯明翰大學(xué)阿斯頓光子技術(shù)研究所的科研人員，提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種基于全分布線性啁啾的光纖布拉格光柵（LCFBG）應(yīng)變傳感器的新型技術(shù)，該技術(shù)具有時(shí)間拉伸和頻域反射測(cè)量（OTS-FDR）的高時(shí)空分辨率特性。全分布線性啁啾的光纖布拉格光柵（LCFBG）有望能夠代替全分布式傳感器，因?yàn)榕c正常的均勻光纖布拉格光柵（FBG）相比，其光柵長(zhǎng)度更長(zhǎng)且反射帶寬更寬。在科研人員設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，邁克爾遜干涉儀設(shè)置了兩個(gè)相同的全分布線性啁啾的光纖布拉格光柵（LCFBG），其中一個(gè)光柵用作參考光柵，而另一個(gè)光柵用作傳感元件�；�于色散誘導(dǎo)的時(shí)間拉伸過程使得目標(biāo)光譜干涉圖可以通過單像素光電探測(cè)器實(shí)時(shí)映射出時(shí)間的干涉波形。傳感光柵的分布應(yīng)變過程可以在捕獲波形的瞬時(shí)根據(jù)射頻頻率進(jìn)行重構(gòu)，其中高空間分辨率也是通過高速數(shù)據(jù)采集過程實(shí)現(xiàn)的。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，科研人員分析了具有不同應(yīng)變分布的全分布式光柵傳感器的超快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程，并實(shí)現(xiàn)了在25mm的標(biāo)距長(zhǎng)度和9.1με的應(yīng)變分辨率下，具有31.5μm的高空間分辨率的50MHz的超高的測(cè)量速度。

圖3 具有超高速和高空間分辨率的LCFBG系統(tǒng)原理框圖

    來(lái)自巴黎圣地亞哥大學(xué)的科研人員指出，對(duì)于頻率掃描技術(shù)而言，布里淵分布式光纖應(yīng)變傳感器通常受限于采集時(shí)間較長(zhǎng)的靜態(tài)過程�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)，對(duì)于承受載荷或振動(dòng)的線性結(jié)構(gòu)完整性的實(shí)現(xiàn)十分必要，例如在海底升降機(jī)、架空管線、長(zhǎng)橋、鐵路或高層塔中進(jìn)行的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于斜率輔助（SA）的單端分布應(yīng)變測(cè)量的新型動(dòng)態(tài)布里淵光時(shí)域反射計(jì)（具有動(dòng)態(tài)BOTDR），該儀器通過調(diào)整光學(xué)本地振蕩器的頻率，以沿著光纖在布里淵增益頻譜的最大斜率處測(cè)量布里淵背向散射功率，并根據(jù)振幅變化它可以檢測(cè)由任何應(yīng)變引起的布里淵頻移過程�？蒲腥藛T為了測(cè)試采集系統(tǒng)的性能，在振動(dòng)的10米鋼管上安裝了三根光纖進(jìn)行測(cè)試，通過這種模型測(cè)試，他們能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量管道的振動(dòng)阻尼和幾何位移。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了7.6Hz的采集率，應(yīng)變誤差為±40μ，空間分辨率為1m。從縱向應(yīng)變的一體化的數(shù)據(jù)來(lái)看，管位移計(jì)算誤差范圍為±12mm�？蒲腥藛T還使用2km光纖傳感器來(lái)比較采用頻率掃描和斜率輔助方法時(shí)的系統(tǒng)性能。
    來(lái)加州大學(xué)圣芭芭拉分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系的科研人員，驗(yàn)證了新型并聯(lián)和串聯(lián)高速垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列的性能，可以很大程度在輸出功率和調(diào)制速度之間的取得折衷。與單個(gè)參考單元相比，陣列結(jié)構(gòu)能將輸出的功率提高，其最大調(diào)制速度卻沒有降低。對(duì)于這些陣列結(jié)構(gòu)，研究人員觀察到其中的電光（E-O）帶寬主要受限于串聯(lián)高速垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）單元中Zn的擴(kuò)散、氧化物釋放孔產(chǎn)生的差分電阻和寄生電容，這將導(dǎo)致VCSEL陣列的RC帶寬限制性降低。此外，串聯(lián)高速垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）的密集封裝陣列具有用于光模式控制的Zn擴(kuò)散孔能將輸出到標(biāo)準(zhǔn)多模光纖（MMF）的耦合損耗最小化。與單個(gè)單元相比，采用并行的串聯(lián)高速垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列，通過OM4的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖（MMF）的傳輸性能得到顯著增強(qiáng)，包括獲得較清晰的眼圖邊緣、更高的信噪比以及更高的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸速率（44 Gb/s）�？蒲腥藛T依據(jù)研究結(jié)果證明，并行陣列的更優(yōu)越的原因是其內(nèi)部阻抗值更接近50歐姆的信號(hào)源，這將最大限度地減少眼圖中由于微波反射引起的時(shí)序抖動(dòng)過程。

光傳輸
    來(lái)自諾克羅斯費(fèi)特有限責(zé)任公司的科研人員采用速率為25 Gbps的短波分復(fù)用（SWDM）操作開發(fā)了TOSA和寬帶ROSA技術(shù)及下一代寬帶多模光纖（NG-WBMMF），并成功實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了53.125 Gbps速率的信號(hào)傳輸過程。實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員還應(yīng)用了具有實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能的商用100 Gbps四電平脈沖幅度調(diào)制集成電路（PAM4-IC），通過鏈路中的4×1光學(xué)多路復(fù)用器和解復(fù)用器，使波長(zhǎng)為850nm、880nm、910nm和940nm的光信號(hào)在下一代寬帶多模光纖（NG-WBMMF）中進(jìn)行了雙波長(zhǎng)傳輸（2λ×53.125Gbps）的測(cè)試。研究人員實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的前向糾錯(cuò)（FEC）誤碼率（BER）值低于前向糾錯(cuò)（FEC）閾值2.4×10-4，并證明了使用具有實(shí)時(shí)DSP的PAM4芯片組的調(diào)制方案可實(shí)現(xiàn)通過NG-WBMMF的傳輸速率達(dá)到100/200 Gbps�？蒲腥藛T還研究了在波長(zhǎng)為976nm和1066 nm處，使用長(zhǎng)波長(zhǎng)TOSA的單波長(zhǎng)傳輸（1λ×53.125 Gbps）過程。在波長(zhǎng)為976 nm處，有效傳輸距離超過300 m；而在波長(zhǎng)為1066 nm處的有效傳輸距離超過200 m。通過從850nm到940nm的單波長(zhǎng)測(cè)試后，科研人員發(fā)現(xiàn)上述過程具有與976nm波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。上述實(shí)驗(yàn)是首次通過使用SWDM、TOSA、ROSA和商用100 Gbps PAM4芯片組的應(yīng)用方案，該方案中研究人員成功在單根NG-WBMMF上傳輸了速率為400 Gbps的光信號(hào)。

圖4 基于PAM4 IC芯片、SWDM 、TOSAs、NG-WBMMF和ROSAs的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

光調(diào)制與光信號(hào)處理
    來(lái)自羅馬大學(xué)信息與電信部工程系、諾桑比亞大學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院的科研人員指出，在室內(nèi)環(huán)境中，可見光通信技術(shù)與眾所周知的射頻技術(shù)相輔相成，協(xié)同發(fā)展，正在成為可行且有前景的通信解決方案。在本文中，科研人員提出了基于波長(zhǎng)域的兩種定位機(jī)制：第一種方法是在假設(shè)每個(gè)定位點(diǎn)使用專用光譜來(lái)讓用戶容易識(shí)別的條件下實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)定位過程，即采用紅-綠-藍(lán)（RGB）的發(fā)光二極管（LED）同時(shí)傳輸三個(gè)不同脈沖流；第二種方法是基于顏色的定位，還是基于紅-綠-藍(lán)（RGB）脈沖的傳輸通過傳統(tǒng)接收信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差方法來(lái)定位。此外，科研人員基于于同色異體的性質(zhì)，使得LED使用的紅色、綠色和藍(lán)色光線混合為人眼提供白光的觀感。
來(lái)自香港中文大學(xué)電子工程系、深圳工業(yè)大學(xué)研究生院電子信息工程系的科研人員指出，光互連是以低功耗和低成本方式，實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)所需的高帶寬通信的潛在解決方案。模式分割復(fù)用（MDM）是一種新興的技術(shù)，其通過多模波導(dǎo)中的模式數(shù)量來(lái)擴(kuò)展單個(gè)波長(zhǎng)載波的容量，并且是一種用于高帶寬上通信的成本較低且十分有效的手段。在模式分割復(fù)用（MDM）網(wǎng)絡(luò)中具有高頻譜效率的高級(jí)調(diào)制格式，可以進(jìn)一步提高光鏈路的數(shù)據(jù)速率。在實(shí)驗(yàn)中，科研人員研究了采用具有兩種波導(dǎo)模式的高級(jí)調(diào)制格式的模式分割復(fù)用（MDM）通信鏈路。其中一種緊湊的單波長(zhǎng)載波鏈路，預(yù)計(jì)將支持2×100 Gb / s的模式復(fù)用容量。該系統(tǒng)的收發(fā)兩端包括集成微環(huán)調(diào)制器、多路復(fù)用器、多模波導(dǎo)互連、模式解復(fù)用器和硅光電探測(cè)器上。每個(gè)模式信道傳輸?shù)恼�交頻分復(fù)用/16 正交振幅調(diào)制（OFDM/16-QAM）信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)7%代價(jià)的硬判決前向糾錯(cuò)（HD-FEC），且具有84Gb/s的凈負(fù)載數(shù)據(jù)速率和100Gb/s的線路速率。
來(lái)自丹麥技術(shù)大學(xué)和華沙理工大學(xué)的科研人員，介紹了一種靈活方案來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻帶的無(wú)載波幅相（Flexible Multi-CAP）調(diào)制方案。他們提出的調(diào)制方案可以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求和傳輸鏈路條件，且具有可變的比特率和很強(qiáng)的功耗適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。首先，科研人員驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果，得到了不同帶寬限制下應(yīng)用方案的通信容量；然后他們實(shí)驗(yàn)證明了，在基于850nm的垂直腔表面發(fā)射激光（VCSEL）的傳輸中，通過OM4多模光纖（MMF）可傳輸超過100m的距離,其數(shù)據(jù)速率高達(dá)40.6 Gb / s，光譜效率高達(dá)4位/ s / Hz。

圖5 多頻帶的無(wú)載波幅相調(diào)制的原理圖

光纖技術(shù)
    來(lái)自俄亥俄大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的科研人員證明，表面等離子體共振（SPR）光纖傳感器可以用作成本有效且相對(duì)簡(jiǎn)單的替代方案用以配置現(xiàn)有高靈敏度生物化學(xué)和電化學(xué)測(cè)量的龐大的棱鏡。這為小型化和遠(yuǎn)程操作能力為難以到達(dá)空間中的單點(diǎn)感測(cè)提供了許多機(jī)會(huì)。光柵輔助和偏振控制是光纖SPR傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵特性，可實(shí)現(xiàn)前所未有的靈敏度和檢測(cè)限度�？蒲腥藛T所研究的生物傳感器配置是利用納米級(jí)金屬涂覆的傾斜光纖布拉格光柵（TFBG），在單模光纖芯中無(wú)需任何結(jié)構(gòu)的修改。這種傳感器提供了高密度窄包層模式光譜梳的附加諧振機(jī)制，與用于高精度表面等離子體吸收重疊更加寬泛。在實(shí)驗(yàn)中，科研人員簡(jiǎn)要研究了等離子體激光TFBG傳感器的原理、表征和實(shí)現(xiàn)，其次他們還研究了生物分子的“表面”和“局部”的親和性，以及電活性生物膜的清潔電化學(xué)活性。
    來(lái)自華為技術(shù)德國(guó)有限公司的科研人員，實(shí)驗(yàn)證明了可基于多模式850 nm垂直腔表面OM4多模光纖（MMF）上，高達(dá)112 Gb / s四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）光信號(hào)的收發(fā)和傳輸。發(fā)射機(jī)側(cè)的激光器（VCSEL）和接收機(jī)采用了的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）中的均衡技術(shù)。由光纖組件引起的強(qiáng)帶寬限制以及光纖的低模態(tài)帶寬所造成的損耗由接收機(jī)中以下三種改進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方案來(lái)補(bǔ)償：1.有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波方法；2.最大似然序列估計(jì)均衡（MLSE）方法；3. MLSE均衡器和FIR級(jí)聯(lián)形式的濾波方法�？蒲腥藛T通過兩種不同的發(fā)射機(jī)來(lái)驗(yàn)證上述方法，即采用30GHz的任意波形發(fā)生器（AWG）和較低帶寬的15GHz市售的DAC來(lái)評(píng)估所有三種前述的均衡方案，并且他們推斷出在這些實(shí)施方式下每個(gè)DSP方案的適用性。研究人員證明，MLSE均衡器和FIR級(jí)聯(lián)形式的濾波方法可以使100米的傳輸過程突破7％的硬判決（HD）前向糾錯(cuò)（FEC）閾值的限制，并且在傳輸之后其信號(hào)接收性能優(yōu)于其他兩種數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方案。對(duì)所有上述情況評(píng)估傳輸器帶寬對(duì)整個(gè)系統(tǒng)BER性能的影響。科研人員提出的解決方案表明，基于發(fā)射激光器（VCSEL）和標(biāo)準(zhǔn)OM4光纖的112 Gb/s 100 m的OM4多模鏈路可實(shí)現(xiàn)下一代100 Gb / s和400 Gb / s光波分復(fù)用（WDM）的互連。
    來(lái)自瑞典查爾默斯技術(shù)大學(xué)顯微技術(shù)與納米科學(xué)系的科研人員在高度非線性的多模光纖中，研究了四波混頻的相互作用過程，并描述了它們的相位匹配條件�；�于這種相互作用的相位匹配條件，他們研究了光纖的色散特性，以放大少模參數(shù)過程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)具有最小的模態(tài)串?dāng)_過程�？蒲腥藛T設(shè)計(jì)的光纖是高度非線性色散位移的多模光纖，該光纖對(duì)于C波段中的幾種模式傳輸都具有高非線性和低色散特性；研究人員還考慮了實(shí)際的生產(chǎn)制造問題，并將兩種光纖中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)公差與其最小值的偏差進(jìn)行了分析比較。