光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟
2014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(wǎng)絡及子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調制與光信號處理、光纖技術，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)
    為了能夠在自由空間光通信（FSO）中快速建立信道鏈路，在前一階段，來自中國北京大學信息科學技術學院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室、國家計算機網(wǎng)絡應急技術處理協(xié)調中心的研究人員提出了一個超寬視場（FOV）的捕獲方案，其中包含了魚眼鏡頭和福格特反常色散光學濾波器。在這篇文章中，研究人員重點關注這個超寬視場捕獲方案中的角度測量精度，這是決定是否能迅速建立起自由空間光通信（FSO）鏈路的主要因素之一。定位處理包括兩個組成部分：第一是光點的位置，即所捕獲的入射光束成像點的位置；第二是從光點位置到入射角的映射，即將成像點位置轉換成入射光束的角度。對于第一部分，目前采用改進型質心定位算法，使成像點的位置精度達到亞像素級，并從理論分析和仿真實驗方面都證明了使用這種算法能夠獲得這樣的高精度。對于第二部分，研究人員建議使用魚眼鏡頭校準算法，這種算法是魚眼鏡頭投影模型和自然鄰點插值算法的合成。此外，通過對測量數(shù)據(jù)的分析，研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以采用增加測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量來逐步提高入射角的角度測量精度。仿真實驗的結果表明，這種新方法可以為入射激光束提供高精度的定位，而且這個超寬視場捕獲方案的最大角度測量誤差小于0.054度（0.94毫弧度）。

    來自瑞典查爾默斯技術大學顯微技術與納米科學系光學實驗室以及查爾默斯技術大學信號與系統(tǒng)系通信系統(tǒng)小組的研究人員開發(fā)出一種低復雜度的模型，用于在非線性光纖網(wǎng)絡中進行信號質量預測。這種建立在高斯噪聲基礎上的模型，考慮到了信號質量退化的問題，這種退化是由不同的組合色散、非線性信號失真以及放大器噪聲而造成的。在模型中，每個信道都可以獨立選擇自己的中心頻率、帶寬和發(fā)射功率，這使模型本身很適合于應用靈活的波分復用大型光網(wǎng)絡，并能夠對資源分配及路由進行分析和優(yōu)化。

[b]無源和有源光子器件
來自波蘭華沙工業(yè)大學微電子及光電子研究所、荷蘭埃因霍芬理工大學COBRA研究所和法國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員在這篇文章中介紹了他們最近開發(fā)的單片光子集成電路，這種電路能夠為光信道波分復用提供高效的幅度調制。具體應用上，這種電路被設計成一個類似于高能物理實驗中的讀出裝置，可以完全滿足在各種類型的高速光子發(fā)射器中使用。集成電路是由采用通用集成技術工藝的磷化銦基塊構成，通過多項目晶圓方式制造出來。文中主要討論了使用這種光子集成電路的兩種裝置，分別是馬赫-曾德爾調制器和邁克爾遜干涉儀。并在85公里長的光纖上，實現(xiàn)了18.6 GHz調制帶寬的信號以10 Gb / s的速率進行無差錯傳輸。

在硅基器件中，使用金屬等離子體波導來傳輸光信號和電偏置信號已被證明是可行的，這些硅基器件在波導和金/硅肖特基勢壘二極管（SBD）之間有分隔間隙。光信號傳輸是通過計算波導邊緣的輻射模式，以及測量從肖特基勢壘二極管（SBD）中檢測到的光電流來確定的。使用時域有限差分模擬方法時，來自波導邊緣的輻射模式可以表示為一個干擾條紋。來自日本豐橋技術科學大學電氣與電子信息工程系的研究人員對分離長度進行仿真，發(fā)現(xiàn)與實驗結果相符合；而分離長度依賴于在肖特基勢壘二極管（SBD）中檢測到的光電流大小。而且，研究人員觀察到10兆赫的強度調制光信號能穿過3微米寬的分隔間隙；在波導和硅基襯底之間施加偏置電壓，會產(chǎn)生偏置電流并通過整個波導，以此證實了電偏置信號的傳輸。在肖特基勢壘二極管（SBD）中檢測到的光電流，幾乎不隨偏置電壓的變化而增加，明顯小于在光強度變化時產(chǎn)生的光電流。此外，電流的產(chǎn)生不會影響到在波導表面的等離子體信號。

來自中國天津工業(yè)大學電子信息工程學院天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室、南開大學現(xiàn)代光學研究所光電信息技術科學教育部重點實驗室、天津大學精密儀器與光電子工程學院激光與光電子研究所的科研人員在這篇文章中，通過實驗驗證和理論分析為大家介紹了一種磁場可調諧光器件，這種器件的基本組成是磁流體（MF）和一條夾在兩條單模光纖（SMF）之間的方錐形無芯光纖（NCF）。在無芯光纖（NCF）中要產(chǎn)生增強的漸逝場效應，可通過利用光纖熔接機打造方錐形無芯光纖（NCF）來實現(xiàn)�？蒲腥藛T研究了這種器件的頻譜與其被施加的磁場強度之間的關系。結果表明，多模干涉譜顯示，隨著磁場強度的增加出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象。當磁場強度范圍從25到450奧斯特時，獲得的最大靈敏度為-18.7pm /奧斯特。本文中所推薦的可調諧器件具有下列一些優(yōu)點，其中包括成本低、易于加工、結構簡單緊湊、靈敏度高等。因此，這種磁場可調諧方錐形無芯光纖（NCF），將在光纖傳感器領域以及光纖通信領域發(fā)揮十分重要的潛在應用。

光傳輸
     來自丹麥科技大學光電工程學系的科研人員通過實驗驗證了傳輸容量達到上百吉比特的雙向混合光纖無線傳輸系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的無線載波頻率是在W波段（75-110千兆赫茲），用于接入網(wǎng)時，能夠在無線系統(tǒng)和光纖系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫銜接的數(shù)據(jù)傳輸。在這項研究中，科研人員評估了兩種情況下混合系統(tǒng)的傳輸性能：一種情況是在無線終端用戶之間，由光纖無線接入鏈路直接提供用戶之間的高速連接；另一種是做為光纖-無線-光纖連接的信號中繼，其中高容量的無線鏈路被用于橋接訪問兩個由于存在物理障礙而無法連接的光纖系統(tǒng)。在這兩種情況下，科研人員比較了在可實現(xiàn)的無線距離范圍內，無線發(fā)射器中使用和沒有使用高頻電功率放大器時的傳輸性能。還通過實驗估計了16吉比特/秒的正交相移鍵控（QPSK）下行信號和1.25吉比特/秒的幅移鍵控（ASK）上行信號在傳輸誤碼率（BER）方面的性能。實驗結果表明，室內環(huán)境下在無線發(fā)射器中使用高頻電功率放大器，可以將有效的無線傳輸距離從1米延長到15米以上，而誤碼率（BER）性能保持在7％的前向糾錯（FEC）閾值以內。

    有了用于相干光通信系統(tǒng)的高速數(shù)模轉換器，使通信帶寬按每個光載波分成數(shù)字化的子信道成為可能，并能夠實現(xiàn)并行數(shù)字信號處理。在這篇文章中，來自比利時布魯塞爾大學和法國阿爾卡特朗訊貝爾實驗室的研究人員使用了多載波偏移-正交幅度調制（QAM），以實現(xiàn)子載波之間無串擾的符號率調制。研究過程中發(fā)現(xiàn)，在相干光通信系統(tǒng)中，必然存在一些障礙會損害到子載波的正交性，從而導致有效載荷信號的恢復失敗。為此，研究人員提出了一種專用的數(shù)字信號處理結構用于實現(xiàn)信道的估計，并運用一種新的算法在多載波偏移-正交幅度調制（QAM）中跟蹤相位。為了評估在偏移-正交幅度調制（QAM）中串擾減少所帶來的好處，研究人員通過實驗對傳統(tǒng)的多載波和單載波正交幅度調制（QAM）進行了對比。他們還在長距離傳輸鏈路上，用實驗測試了多載波偏移-正交幅度調制（QAM）的傳輸性能。

調制與光信號處理
    在頻域中，傳播算法是用于分析光波導器件中電磁場傳播情況的有力工具。傳播算法可以被歸類為廣角光束傳播算法或特征向量擴展算法。與廣角光束傳播算法相比，特征向量擴展算法本身包括一個準確的輻射波計算、引導模式和倏逝波。常見的數(shù)值算法主要依賴于特征值問題的解、或者高階矩陣方程的解；因此，這樣的計算不僅耗費的時間冗長而且很乏味。在這篇文章中，來自德國伊頓公司和多特蒙德應用技術大學電氣與信息工程系的研究人員提出了一種方法，這種方法一方面利用了特征向量擴展算法本身固有的優(yōu)勢，另一方面還降低了計算時間，耗時只相當于采用簡單矩陣向量乘法的傳播算法，并且允許存在大量的離散點。該方法利用了系統(tǒng)矩陣緊湊型特征譜的優(yōu)勢，并能夠運用傅立葉分解進行周期性的擴展。

    來自中國南京東南大學移動通信國家重點實驗室、廣東工業(yè)大學信息工程學院、沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學計算機&電子&數(shù)學科學研究院的科研人員設計了一個中繼輔助的自由空間光通信方案，方案中考慮到了通信信道會受到強烈的大氣湍流影響，以及由于角度誤差引起的指向錯誤。這里，從信源到目的地的鏈路假設為全光鏈路；假定可變增益中繼具有放大-轉發(fā)功能，信源處的電信號在這種中繼的幫助通過全光鏈路轉發(fā)到目的地。更具體地講，科研人員首先提出了累積密度函數(shù)（CDF）用于端至端信噪比的分析。在累積密度函數(shù)（CDF）的基礎上，再引導出中斷概率、誤碼率、以及本文所建議系統(tǒng)的平均容量。結果表明，這種系統(tǒng)的分集階數(shù)與信道參數(shù)的最小值相關。

    來自中國西南交通大學信息科學與技術學院的研究人員介紹了一個簡單的針對一定頻率的色散（CD）補償方案，這是首次提出利用相位調制器與偏振器結合的方法來進行色散補償，適當調整輸入的偏振狀態(tài)，就可以控制色散鏈路的頻率響應。實驗結果表明，這種色散引起的功率衰落（PF）在14吉赫茲頻率（傳輸距離40公里以上）和10.8吉赫茲頻率（傳輸距離65公里以上）處達到最大。此外，本文所推薦的模擬光鏈路無雜散動態(tài)范圍提高到了96分貝•HZ2/3，這比基于相位調制的鏈路高了12分貝，可用于40公里距離的光纖傳輸。另一方面，研究人員進一步驗證了一種改進型的色散（CD）補償方案，主要改進是采用偏振光束組合器代替了偏振器。這種方法實現(xiàn)了寬帶色散（CD）補償，相當于將兩個第一種方案結合在一起；在這種情況下，可以大大降低帶寬達15 吉赫茲的射頻信號的功率衰落（PF）。與此同時，誤差向量幅度也降低至5％左右（只有0.7％的波動）。

    來自澳大利亞墨爾本大學電氣與電子工程系維多利亞研究實驗室、莫納什大學和拉特巴大學的研究人員介紹了一種新設計的數(shù)字信號處理（DSP）算法，用于相干光單載波頻域均衡（SC-FDE）系統(tǒng)的輔助訓練。這種算法的設計是基于兩個輔助訓練信道估計（TA-CE），對訓練序列的要求就是實現(xiàn)信道估計（CE）的最小均方誤差。此外，他們還討論了恒幅零自相關序列和格雷序列在實際執(zhí)行過程中遇到的問題。研究人員提出在信道估計（CE）時進行時域加窗，從而進一步抑制噪聲，優(yōu)化信道估計（CE），并能夠大大地節(jié)約系統(tǒng)開銷。另外，研究人員已經(jīng)開發(fā)了幀時鐘同步和基于格雷序列的頻率偏移補償算法，后者能為長距離傳輸提供高帶寬效率的解決方案。最后，還介紹了一種低復雜度部分間隔的頻域均衡器，可以有效降低整個系統(tǒng)的計算復雜度。研究人員對28-Gbaud的相干偏振復用（PDM）系統(tǒng)進行仿真，對10-Gbaud的相干偏振復用（PDM）系統(tǒng)進行實驗，以驗證本文提出的數(shù)字信號處理（DSP）解決方案是否能夠為系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供保障，并能適用于高速長距離數(shù)字相干接收機。

光纖技術
來自韓國高等科學技術學院物理系、韓國標準科學研究院和韓國中央大學物理系的研究人員展示了一種高效的聲光模式轉換器，在四模光纖（電信波長下引導的LP01、LP11、LP21及LP02模式）中用于高階模式下的選擇性激發(fā)。并通過分析所輸出的遠場特性，來測量耦合效率和模式的消光比。研究人員將聲共振頻率和工作帶寬與理論結果相比，由此來估計光纖的模態(tài)特性、纖芯直徑、以及纖芯包層折射率差。

來自西班牙巴斯克國家大學通信工程系和應用物理系的科研人員研究了橫向照射階躍型聚合物光纖對稱軸時，光纖中散射光的譜分布。為了達到這個研究目的，科研人員已經(jīng)在三種不同的商用階躍型聚合物光纖中進行了依賴于波長的散射測量，測量時的光譜范圍為400-750納米。他們還估計了在這些聚合物光纖中影響作用最大的散射中心的平均尺寸，并從理論上分析了所獲得的實驗結果。

來自日本北海道室蘭工業(yè)大學情報電子工學系和千歲科學技術大學光電系統(tǒng)技術系的科研人員介紹了一種新型偏振分離器，這種分離器是他們在一種單偏振多孔光纖（EC-CHFs）基礎上研制的，光纖纖芯部分采用多個橢圓孔，其他部位則是圓孔的�？蒲腥藛T采用了全矢量有限元光束傳播法來驗證這種偏振分離器，分離器被設計成采用大孔型單偏振多孔光纖（EC-CHFs）（纖芯部分空氣填充率為36.73％）和采用小孔型單偏振多孔光纖（EC-CHFs）（纖芯部分空氣填充率為4.08％）；經(jīng)驗證，分離器可以將任意一束偏振光完全分離成兩個沒有任何串擾的正交偏振光束。此外，科研人員還計算了這種偏振分離器的容差特性和波長特性。


來自中國華中科技大學物理學院武漢光電國家實驗室、武漢理工大學理學院的研究人員介紹并通過實驗驗證了一種具有高靈敏度的光纖壓力傳感器，這種傳感器主要使用了簡化的空心光子晶體光纖（SHC-PCF）；通過將一根單模光纖與一段簡化空心光子晶體光纖（SHC-PCF）相拼接來制造傳感器頭，而光子晶體光纖末端的空氣包層密封是由膠合物和飛秒激光加工來完成的。采用將光纖末端浸入水中的方法，可以在光子晶體光纖的纖芯形成可壓縮的法布里珀羅腔。由于光纖芯的空氣腔與空氣包層經(jīng)拼接而相通，因此當周圍環(huán)境的空氣壓力發(fā)生變化時，為了平衡壓力空氣腔的長度也會產(chǎn)生很大的變化，這就大大增強了傳感器的壓力敏感度。實驗證明了在壓力范圍為110至130千帕時，傳感器的壓力靈敏度可達到18.15微米/千帕。在要求高敏感壓力測量的領域中，這種傳感器具有廣泛的應用前景。