光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平 周越  

    2017年9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)
    來自加利福尼亞圣芭芭拉大學的科研人員，設計和制造了具有高Q諧振器的寬可調諧半導體激光器，從而實現了利用兩環(huán)略有不同的圓周游標效應來完成寬調諧的過程。在激光腔內引入具有相當大的圓周第三環(huán)具有相應較高的Q值�？蒲腥藛T通過研究這類激光器的控制過程發(fā)現，芯片上的監(jiān)測光電二極管可以直接用于集成激光器；這進一步顯示了完全集成的優(yōu)勢。因為激光器中包含的額外監(jiān)測光電探測器結構簡單，不需要其他的操作步驟即可進行制備。科研人員還證明：隨著光子集成芯片的復雜性增加，需要加入更多的監(jiān)測光電探測器對其進行控制。


圖1.腔內具有高Q環(huán)制造的激光器示意圖
    來自蘇州大學電子與信息工程學院的科研人員，研究了在共享備份路徑保護下，IP彈性光網絡（EON）混合通道中的流量整理過程，并開發(fā)了基于輔助圖形啟發(fā)式算法來共享和保護IP流量的通用光通道。他們將集成保護（即跨層保護容量共享）與非集成保護（即覆蓋保護）進行了對比研究，以突出跨層共享的改進效能利用率。通過采用模擬研究，依據所使用的最大頻率（FS）數量、備用容量、冗余靜態(tài)流量需求，以及所需的轉發(fā)器數量，研究人員進行了網絡性能的有效評估。對于動態(tài)流量需求，實際應用中也可以獲得帶寬阻塞概率（BBP）。 科研人員發(fā)現，與使用專用信道流量梳理的技術相比，所提出的混合信道流量梳理方案可以降低帶寬阻塞概率（BBP）和所需的轉發(fā)器數量，同時還可以提高頻譜效率。與其他現有技術相比較，集成保護技術也被認為比覆蓋保護更為有效。雖然每個節(jié)點只有有限數量的轉發(fā)器，但每個轉發(fā)器的最大頻率（FS）數量足以使得具有混合信道流量梳理、跨層備用容量共享的IP彈性光網絡具備良好的通信性能。
    來自西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞技術大學（UPC）、電信技術中心的科研人員，設計了一種用于計算在中等透明MAC（MT-MAC）協(xié)議下，實施光纖/無線融合的60GHz無線光纖（RoF）系統(tǒng)應用的端到端分組延遲的分析模型。為了計算有效周期，該模型考慮了通過光纖和無線介質進行融合傳輸和數據交換所消耗的協(xié)議時間，MT-MAC可以有效地在RoF中心局（CO）和最終用戶之間提供直接和無縫的交互信息傳輸。上述分析模型使科研人員能夠在固定業(yè)務模式下，研究混合RoF網絡的各種性能，并在此基礎上進行深入的延遲性能分析（如各種信息容量可用性場景、變化的負載條件、光信號傳輸范圍、傳輸窗口長度和數據數據包大�。�。研究人員推導的理論結果與實驗過程吻合程度較高，他們還證明了MT-MAC方案可在5G無線應用時代發(fā)揮其潛在價值。



圖2  MT-MAC無線光纖系統(tǒng)的示意圖


無源和有源光子器件
    來自美國紐瓦克特拉華大學電氣與計算機工程系的科研人員，設計了一種具有高運行效率的低剖面光波超寬帶（UWB）連接陣列（CA）天線�？蒲腥藛T將微型光學棱鏡引入光纖中實現了與高功率電荷補償單行載體（CC-MUTC）光電二極管的高效耦合，其中采用的光電二極管是在集成CA天線元件的饋電點直接連接的。上述技術顯著減少了系統(tǒng)成本耗費，并且成功地吧八個光電二極管耦合的有源偶極子元件組成了一維CA天線陣列。實驗研究結果表明，在頻率為6-17 GHz之間，帶寬為3 dB的情況下，上述陣列可以高效實現波束成形和波束轉向的過程；并且在頻率為13 GHz，帶寬為27.5 dB點處，可以實現有效各向同性輻射功率（EIRP）峰值。
    來自馬來西亞吉隆坡馬來亞大學光子學研究中心的科研人員，發(fā)現濕度傳感器在傳感材料中依賴于濕度誘導的折射率變化�；�于聚合物的微絲可以在不需要進一步涂覆的情況下吸收水蒸汽分子并檢測濕度變化過程，但其在靈敏度和復雜度的折衷上仍然面臨挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T研究了使用復雜的涂覆方法、共振結構和納米結構膜作為增強器件靈敏度的技術；并同時設計了一種簡單的技術，用于制作基于瓊脂糖摻雜聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的高靈敏度相對濕度（RH）傳感器�？蒲腥藛T測量了PMMA摻雜瓊脂糖凝膠超細纖維的直徑和其均勻度分別為6μm和10 mm。上述傳感器可以在相對較寬濕度范圍（50%-80％）內實現高達2.9μW的功率變化，并且呈現線性響應，其相關系數為98.29％，靈敏度為相對濕度的0.421％，分辨率為相對濕度的0.431％。實驗研究結果證明，上述基于瓊脂糖的光學傳感器為現有的電學傳感器提供了有效補充，并將促進瓊脂糖在化學傳感技術中的應用。
    來自北京大學和聯通集團有限公司的科研人員，研究發(fā)現微距跟蹤和指向誤差對自由空間光通信中的鏈路性能和位錯誤概率有顯著影響。因此，科研人員設計了一種基于點前角和同向對準誤差的測量方法，此方法可以顯著減輕跟蹤和指向誤差的負面影響，從而降低自由空間光通信系統(tǒng)的功率耗費。通過使用角立方反射器、離軸反射望遠鏡、真空長光路和抗干擾支撐結構設計技術，可以精確測量微角度（特別是由兩個相互反平行的寬非相干光束形成的共對準誤差角）。科研人員分析了測量設備的結構，測量方法和理論測量模型；分析結果表明，前點角的不確定度和對準誤差均優(yōu)于0.2μrad。驗證性實驗結果還表明，前點角準確度和共對準誤差均小于1μrad。    
    來自蔚山科學技術大學電氣與計算機工程學院的科研人員，開發(fā)了一種使用體硅襯底制造硅波導和器件的新工藝。上述工藝主要由一個硅干蝕刻和一個硅濕蝕刻過程組成。硅濕式蝕刻的使用使得上述工藝過程簡單和價格低廉。由于硅濕式蝕刻的各向異性特性，其制成的體硅基（BSB）波導由矩形基座上的倒置梯形鐵芯和底座下方的梯形基座組成。此外，當彎曲部的曲率半徑足夠大時，可以實現幾何平滑的體硅基（BSB）波導彎曲。體硅基（BSB）波導的傳播損耗取決于濕蝕刻的條件，當橫向磁極化的傳播損耗為4.0或0.79 dB/cm時，體硅基（BSB）波導彎曲的最小曲率半徑為500μm�？蒲腥藛T因此證明，體硅基（BSB）波導可用于制備簡單幾何形狀的低成本傳感器。
    來自桑尼奧大學光電部工程系的科研人員，設計了一種用于磁共振成像（MRI）應用的光纖磁場傳感器。該傳感器基于光纖應變傳感器（光纖布拉格光柵 - FBG）與傳感材料（磁致伸縮）集成制備。科研人員考慮到傳感材料（磁致伸縮）的響應對具有不同預載荷的縱向和橫向磁場的依賴性，分析研究了傳感材料（磁致伸縮）塊結合的光纖布拉格光柵（FBG）的響應；基于上述響應的參數表征，制造了三軸磁場傳感器。通過考慮不同傳感器響應之間的相互依賴性，也實現了從三個光纖布拉格光柵（FBG）中的有效解調算法。實驗結果證明了三軸傳感器測量磁場的能力，同時還進行了性能評估和關鍵分析，最終得到了有效的傳感配置能力和限制特性。依據上述原理，科研人員還研制了由20個三軸傳感器構成的傳感系統(tǒng)，以用于研究磁共振成像（MRI）診斷中心的磁場強度分布映射過程。

光傳輸
    來自基洛納不列顛哥倫比亞大學應用科學學院的科研人員指出，光無線（OW）定位技術在過去十年中在室內定位應用中將引起人們廣泛的關注。上述技術可利用到達角度（AOA）測量的方法，實現基于光學網格三角測量的方法來進行室內定位。上述基于AOA的光無線（OW）定位系統(tǒng)可以進行準確的位置估計，但是需要重新設計光信號接收機�？蒲腥藛T完成了該接收機的設計，操作和實驗驗證。光接收機需要被設計為具有足夠小的到達角度（AOA）誤差（其值為為AOA = 1°，在寬角度視場（FOV）下為AOA = 100°）。該設計允許光接收機基于3×3的網格進行定位，其中每個光信標被唯一標識，并采用多個頻率和顏色通道。光信號被間隔開以充分利用光接收機的寬角度視場（FOV）。整個到達角度（AOA）相對于基于光無線（OW）定位系統(tǒng)的位置誤差為1.7厘米，這與目前更復雜的定位系統(tǒng)所能達到的誤差相當。因此，科研人員設計的基于到達角度（AOA）的新型技術可以在未來的室內定位系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用。
    來自德國伊爾梅諾斯理工大學通信研究實驗室的科研人員指出，離散多音傳輸（DMT）方案，諸如非對稱限幅（AC）離散多音傳輸（DMT）和直流（DC）偏置離散多音傳輸（DMT）方案，是采用強度調制（IM）和直接檢測（DD）的色散光通道的流行的多載波傳輸方案。
    這些傳輸方案利用循環(huán)前綴（CP）在接收機處產生簡單的頻域均衡。在實驗中，科研人員提出了用于這種光學系統(tǒng)的兩種新穎的離散多音傳輸（DMT）信令方案，其中的保護間隔由唯一字（UW）構成，即確定性數據無關序列。這種方法是很可行的，因為在頻域中增加了冗余，并且UW是離散傅里葉變換（DFT）間隔的一部分。結果表明，他們提出的UW-DMT方案在色散光通道中勝過傳統(tǒng)的CP-DMT方案，還可以使用信道統(tǒng)計來設計代碼生成器矩陣，并且可以進一步提高UW-DMT方案的性能。然而，對于減少長度的光纖，兩種方案的功率損耗都可以達到相同的傳輸速率。此外，UW可以另外用于其他目的，例如同步和信道估計等。

光調制與光信號處理
    來自西北工業(yè)大學電子信息學院和西安電子科技大學綜合業(yè)務網絡國家重點實驗室的科研人員，設計并實驗證明了寬帶光子微波單邊帶（SSB）上變頻器和同相/正交（I / Q）調制器。其中上變頻的雙并聯馬赫-曾德調制器（DPMZM）的子調制器可調制中頻（IF）和本地振蕩器（LO）信號，并且產生的射頻（RF）信號的相位可以通過DPMZM的工作點進行任意調整。采用偏振復用的DP-MZM（pdm-dpmzm），寬帶微波光子I/Q射頻轉換器可以構建SSB上變頻調制或I/Q調制過程。實驗中，在頻率為16-40GHz的LO和頻率為2-8GHz的IF取值條件下，將發(fā)生抑制載波過程和生成SSB信號。科研人員在I / Q調制的實驗演示中，生成了具有低誤差矢量幅度（EVMs）值具有10-40GHz副載波頻率的16進制正交幅度調制信號和64進制正交幅度調制信號。
    來自西安交通大學和重慶交通大學的科研人員，研究了空間電離輻射對工作波長值為1550nm二進制啟閉鍵控（OOK）、差分相移鍵控（DPSK）和二進制相移鍵控（BPSK）的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的在軌性能影響。他們通過模擬Co60伽馬射線照射光通信系統(tǒng)中的基本光電子器件（總劑量為30krad），并依據理論分析計算得出了相關的電離輻射損傷因子，并證明了電離輻射會引起通信終端的劣化和系統(tǒng)收發(fā)性能的下降。隨后，科研人員還分析了四個典型軌道的電離輻射環(huán)境，并進一步研究得出了不同衛(wèi)星間通信鏈路的在軌信號傳輸性能。研究結果表明，增加對GEO和HEO衛(wèi)星的EDFA、光發(fā)射機和終端的輻射防護是十分必要的保護手段，同時研究結果也表明了BPSK調制方案在空間電離輻射環(huán)境下最具應用優(yōu)勢。    
    來自德國基爾大學的科研人員證明，采用直接檢測技術來消除光纖通信系統(tǒng)中功率衰落的負面影響是提高傳輸速率或信號覆蓋范圍的關鍵方法。人們曾經使用的一些解決方案常包括附加組件（例如色散補償光纖或IQ調制器），將會增加系統(tǒng)的成本耗費。在實驗過程中，科研人員研究了用于補償功率衰落的Tomlinson-Harashima預編碼技術，該技術通過對具有頻譜零值的信道使用反饋均衡技術，消除了信號錯誤傳播的影響。 在采用長度為25公里到100公里的標準單模光纖傳輸實驗中（研究人員控制信號數據速率范圍值為56至560Gb / s），他們驗證了采用Tomlinson-Harashima預編碼技術具有顯著應用優(yōu)勢，具體體現為不僅可使用數字信號處理算法來有效補償功率衰減，并能保持系統(tǒng)靈活性且同時具有低成本效益。


圖3 相關實驗系統(tǒng)原理框圖
    來自意大利摩德納大學的科研人員研究了一種新型組合的互相關爾伯特變換解調算法，用于跟蹤具有多峰反射光譜的光纖布拉格光柵（FBG）的波長位移過程。他們展示了如何使用希爾伯特變換來將波長輪廓的最大值定位到尋找過零點的方案。與其它解調算法（如質心檢測算法和互相關算法）相比，該方法具有更高的計算精度和更快的響應過程。另外，科研人員研究了多模光纖中產生的多峰反射光譜對采用該算法后的最終計算結果沒有太大影響。最后，基于上述新型算法研究人員在FBG的多峰反射光譜實驗中測量了軸向應變過程。

光纖技術
    來自中國哈爾濱工程大學理學院的科研人員，設計了一種有限元算法（FEM）以分析和預測多圈光纖（MTFC）的彎曲磁場（FODS）應變分布的方法；同時考慮到MTFC的應變分布，FEM可用于評估靈敏度�？蒲腥藛T依據模擬參數制作了基于MTFC的FOODS樣品。通過布里淵光時域分析和振動器分別測量了應變分布和靈敏度。MTFC測試的應變分布結果與其仿真模型具有相同的特征：基于MTFC的FODS預測靈敏度為6448.0 rad/g；測試三個樣品傳感器的制造誤差為7％�？蒲腥藛T認為，所有的FODS數值模擬過程都是在COMSOL Multiphysics環(huán)境中進行的，它在設計或制造基于MTFC的FODS時具有很大的應用潛力，并可用于預測FODS的靈敏度。


圖4 外部振動誘發(fā)的FODS計算偏差（A = 1g）示意圖
    來自浙江省光電材料與器件重點實驗室和寧波大學先進技術研究所紅外材料與器件實驗室的科研人員，對Ge-Sb-Se纖維中長周期光纖光柵（LPFG）的高靈敏度溫度傳感器的設計過程和應用特性進行了相關研究�？蒲腥藛T設定了不同工作模式、工作波長和周圍折射率（SRI）的LPFG，并對其相應條件下的溫度特性進行了研究。研究結果表明，在長度為1.55μm和LP02包層模式下，所設計的Ge-Sb-Se LPFG的溫度靈敏度可達到0.5787nm /℃，比二氧化硅LPFG高約12倍，比As-Se LPFG高1.2倍。當Ge-Sb-Se LPFG的光柵周期在其色散轉折點時，溫度靈敏度達到最大絕對值（為24.715nm /℃）。實驗證明，因為Ge-Sb-Se纖維的折射率相對較高，LPFG對SRI的工作波長和溫度靈敏度影響非常小，因此所設計的基于Ge-Sb-Se的 LPFG溫度傳感器在SRI上具有極強的感測穩(wěn)定性。

圖5.溫度靈敏度相對外部指標變化的趨勢
    來自伯明翰工程與應用科學學院阿斯頓光子技術研究所的科研人員，回顧和擴展了一種耦合線性微分方程的半解析法，以此描述波導缺陷導致的幾種模式的線性耦合過程。通過與數值模擬求解方法相比，證明了所設計的半解析發(fā)法是準確的；他們還將半解析法方案集成到分段的多段模型中用于研究模式色散和模式耦合過程。研究結果表明，依據是否使用模式延遲管理的不同耦合方案，基于上述模型的數值模擬仿真與多模光纖鏈路中的群延遲統(tǒng)計的分析預測是相匹配的。
    來自美國奧蘭多中佛羅里達大學Townes激光研究所的科研人員，研究發(fā)現了受激布里淵散射（SBS）是限制窄線寬光纖激光器功率縮放的主要非線性效應。在較長波長情況下，非線性影響減少，但是SBS增益與波長無關。在單模摻銩光纖中，研究人員將2053nm波長值和MHz-線寬的脈沖源功率值放大到大于100W；并改變脈沖持續(xù)時間以測量SBS閾值。測量結果表明，在2053 nm波長的無源單模光纖中，如果布里淵帶寬值為17.5 MHz時，峰值布里淵增益系數為12.2 pm / W�？蒲腥藛T發(fā)現，雖然峰值布里淵增益系數與在較短波長下實驗的增益系數相當，但自發(fā)布里淵內帶寬將明顯縮小，這表明長波長光源比短波長光源更容易抑制SBS的發(fā)生。