2014年12月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋
2014年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、无源和有源光子器件、光传输、调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及子系统
    为了能够在自由空间光通信（FSO）中快速建立信道链路，在前一阶段，来自中国北京大学信息科学技术学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、国家计算机网络应急技术处理协调中心的研究人员提出了一个超宽视场（FOV）的捕获方案，其中包含了鱼眼镜头和福格特反常色散光学滤波器。在这篇文章中，研究人员重点关注这个超宽视场捕获方案中的角度测量精度，这是决定是否能迅速建立起自由空间光通信（FSO）链路的主要因素之一。定位处理包括两个组成部分：第一是光点的位置，即所捕获的入射光束成像点的位置；第二是从光点位置到入射角的映射，即将成像点位置转换成入射光束的角度。对于第一部分，目前采用改进型质心定位算法，使成像点的位置精度达到亚像素级，并从理论分析和仿真实验方面都证明了使用这种算法能够获得这样的高精度。对于第二部分，研究人员建议使用鱼眼镜头校准算法，这种算法是鱼眼镜头投影模型和自然邻点插值算法的合成。此外，通过对测量数据的分析，研究人员还发现，可以采用增加测量数据的数据量来逐步提高入射角的角度测量精度。仿真实验的结果表明，这种新方法可以为入射激光束提供高精度的定位，而且这个超宽视场捕获方案的最大角度测量误差小于0.054度（0.94毫弧度）。

    来自瑞典查尔默斯技术大学显微技术与纳米科学系光学实验室以及查尔默斯技术大学信号与系统系通信系统小组的研究人员开发出一种低复杂度的模型，用于在非线性光纤网络中进行信号质量预测。这种建立在高斯噪声基础上的模型，考虑到了信号质量退化的问题，这种退化是由不同的组合色散、非线性信号失真以及放大器噪声而造成的。在模型中，每个信道都可以独立选择自己的中心频率、带宽和发射功率，这使模型本身很适合于应用灵活的波分复用大型光网络，并能够对资源分配及路由进行分析和优化。

[b]无源和有源光子器件
来自波兰华沙工业大学微电子及光电子研究所、荷兰埃因霍芬理工大学COBRA研究所和法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员在这篇文章中介绍了他们最近开发的单片光子集成电路，这种电路能够为光信道波分复用提供高效的幅度调制。具体应用上，这种电路被设计成一个类似于高能物理实验中的读出装置，可以完全满足在各种类型的高速光子发射器中使用。集成电路是由采用通用集成技术工艺的磷化铟基块构成，通过多项目晶圆方式制造出来。文中主要讨论了使用这种光子集成电路的两种装置，分别是马赫-曾德尔调制器和迈克尔逊干涉仪。并在85公里长的光纤上，实现了18.6 GHz调制带宽的信号以10 Gb / s的速率进行无差错传输。

在硅基器件中，使用金属等离子体波导来传输光信号和电偏置信号已被证明是可行的，这些硅基器件在波导和金/硅肖特基势垒二极管（SBD）之间有分隔间隙。光信号传输是通过计算波导边缘的辐射模式，以及测量从肖特基势垒二极管（SBD）中检测到的光电流来确定的。使用时域有限差分模拟方法时，来自波导边缘的辐射模式可以表示为一个干扰条纹。来自日本丰桥技术科学大学电气与电子信息工程系的研究人员对分离长度进行仿真，发现与实验结果相符合；而分离长度依赖于在肖特基势垒二极管（SBD）中检测到的光电流大小。而且，研究人员观察到10兆赫的强度调制光信号能穿过3微米宽的分隔间隙；在波导和硅基衬底之间施加偏置电压，会产生偏置电流并通过整个波导，以此证实了电偏置信号的传输。在肖特基势垒二极管（SBD）中检测到的光电流，几乎不随偏置电压的变化而增加，明显小于在光强度变化时产生的光电流。此外，电流的产生不会影响到在波导表面的等离子体信号。

来自中国天津工业大学电子信息工程学院天津市薄膜电子与通信器件重点实验室、南开大学现代光学研究所光电信息技术科学教育部重点实验室、天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所的科研人员在这篇文章中，通过实验验证和理论分析为大家介绍了一种磁场可调谐光器件，这种器件的基本组成是磁流体（MF）和一条夹在两条单模光纤（SMF）之间的方锥形无芯光纤（NCF）。在无芯光纤（NCF）中要产生增强的渐逝场效应，可通过利用光纤熔接机打造方锥形无芯光纤（NCF）来实现。科研人员研究了这种器件的频谱与其被施加的磁场强度之间的关系。结果表明，多模干涉谱显示，随着磁场强度的增加出现了蓝移现象。当磁场强度范围从25到450奥斯特时，获得的最大灵敏度为-18.7pm /奥斯特。本文中所推荐的可调谐器件具有下列一些优点，其中包括成本低、易于加工、结构简单紧凑、灵敏度高等。因此，这种磁场可调谐方锥形无芯光纤（NCF），将在光纤传感器领域以及光纤通信领域发挥十分重要的潜在应用。

光传输
     来自丹麦科技大学光电工程学系的科研人员通过实验验证了传输容量达到上百吉比特的双向混合光纤无线传输系统，这种系统的无线载波频率是在W波段（75-110千兆赫兹），用于接入网时，能够在无线系统和光纤系统之间实现无缝衔接的数据传输。在这项研究中，科研人员评估了两种情况下混合系统的传输性能：一种情况是在无线终端用户之间，由光纤无线接入链路直接提供用户之间的高速连接；另一种是做为光纤-无线-光纤连接的信号中继，其中高容量的无线链路被用于桥接访问两个由于存在物理障碍而无法连接的光纤系统。在这两种情况下，科研人员比较了在可实现的无线距离范围内，无线发射器中使用和没有使用高频电功率放大器时的传输性能。还通过实验估计了16吉比特/秒的正交相移键控（QPSK）下行信号和1.25吉比特/秒的幅移键控（ASK）上行信号在传输误码率（BER）方面的性能。实验结果表明，室内环境下在无线发射器中使用高频电功率放大器，可以将有效的无线传输距离从1米延长到15米以上，而误码率（BER）性能保持在7％的前向纠错（FEC）阈值以内。

    有了用于相干光通信系统的高速数模转换器，使通信带宽按每个光载波分成数字化的子信道成为可能，并能够实现并行数字信号处理。在这篇文章中，来自比利时布鲁塞尔大学和法国阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究人员使用了多载波偏移-正交幅度调制（QAM），以实现子载波之间无串扰的符号率调制。研究过程中发现，在相干光通信系统中，必然存在一些障碍会损害到子载波的正交性，从而导致有效载荷信号的恢复失败。为此，研究人员提出了一种专用的数字信号处理结构用于实现信道的估计，并运用一种新的算法在多载波偏移-正交幅度调制（QAM）中跟踪相位。为了评估在偏移-正交幅度调制（QAM）中串扰减少所带来的好处，研究人员通过实验对传统的多载波和单载波正交幅度调制（QAM）进行了对比。他们还在长距离传输链路上，用实验测试了多载波偏移-正交幅度调制（QAM）的传输性能。

调制与光信号处理
    在频域中，传播算法是用于分析光波导器件中电磁场传播情况的有力工具。传播算法可以被归类为广角光束传播算法或特征向量扩展算法。与广角光束传播算法相比，特征向量扩展算法本身包括一个准确的辐射波计算、引导模式和倏逝波。常见的数值算法主要依赖于特征值问题的解、或者高阶矩阵方程的解；因此，这样的计算不仅耗费的时间冗长而且很乏味。在这篇文章中，来自德国伊顿公司和多特蒙德应用技术大学电气与信息工程系的研究人员提出了一种方法，这种方法一方面利用了特征向量扩展算法本身固有的优势，另一方面还降低了计算时间，耗时只相当于采用简单矩阵向量乘法的传播算法，并且允许存在大量的离散点。该方法利用了系统矩阵紧凑型特征谱的优势，并能够运用傅立叶分解进行周期性的扩展。

    来自中国南京东南大学移动通信国家重点实验室、广东工业大学信息工程学院、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学计算机&电子&数学科学研究院的科研人员设计了一个中继辅助的自由空间光通信方案，方案中考虑到了通信信道会受到强烈的大气湍流影响，以及由于角度误差引起的指向错误。这里，从信源到目的地的链路假设为全光链路；假定可变增益中继具有放大-转发功能，信源处的电信号在这种中继的帮助通过全光链路转发到目的地。更具体地讲，科研人员首先提出了累积密度函数（CDF）用于端至端信噪比的分析。在累积密度函数（CDF）的基础上，再引导出中断概率、误码率、以及本文所建议系统的平均容量。结果表明，这种系统的分集阶数与信道参数的最小值相关。

    来自中国西南交通大学信息科学与技术学院的研究人员介绍了一个简单的针对一定频率的色散（CD）补偿方案，这是首次提出利用相位调制器与偏振器结合的方法来进行色散补偿，适当调整输入的偏振状态，就可以控制色散链路的频率响应。实验结果表明，这种色散引起的功率衰落（PF）在14吉赫兹频率（传输距离40公里以上）和10.8吉赫兹频率（传输距离65公里以上）处达到最大。此外，本文所推荐的模拟光链路无杂散动态范围提高到了96分贝•HZ2/3，这比基于相位调制的链路高了12分贝，可用于40公里距离的光纤传输。另一方面，研究人员进一步验证了一种改进型的色散（CD）补偿方案，主要改进是采用偏振光束组合器代替了偏振器。这种方法实现了宽带色散（CD）补偿，相当于将两个第一种方案结合在一起；在这种情况下，可以大大降低带宽达15 吉赫兹的射频信号的功率衰落（PF）。与此同时，误差向量幅度也降低至5％左右（只有0.7％的波动）。

    来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系维多利亚研究实验室、莫纳什大学和拉特巴大学的研究人员介绍了一种新设计的数字信号处理（DSP）算法，用于相干光单载波频域均衡（SC-FDE）系统的辅助训练。这种算法的设计是基于两个辅助训练信道估计（TA-CE），对训练序列的要求就是实现信道估计（CE）的最小均方误差。此外，他们还讨论了恒幅零自相关序列和格雷序列在实际执行过程中遇到的问题。研究人员提出在信道估计（CE）时进行时域加窗，从而进一步抑制噪声，优化信道估计（CE），并能够大大地节约系统开销。另外，研究人员已经开发了帧时钟同步和基于格雷序列的频率偏移补偿算法，后者能为长距离传输提供高带宽效率的解决方案。最后，还介绍了一种低复杂度部分间隔的频域均衡器，可以有效降低整个系统的计算复杂度。研究人员对28-Gbaud的相干偏振复用（PDM）系统进行仿真，对10-Gbaud的相干偏振复用（PDM）系统进行实验，以验证本文提出的数字信号处理（DSP）解决方案是否能够为系统稳定运行提供保障，并能适用于高速长距离数字相干接收机。

光纤技术
来自韩国高等科学技术学院物理系、韩国标准科学研究院和韩国中央大学物理系的研究人员展示了一种高效的声光模式转换器，在四模光纤（电信波长下引导的LP01、LP11、LP21及LP02模式）中用于高阶模式下的选择性激发。并通过分析所输出的远场特性，来测量耦合效率和模式的消光比。研究人员将声共振频率和工作带宽与理论结果相比，由此来估计光纤的模态特性、纤芯直径、以及纤芯包层折射率差。

来自西班牙巴斯克国家大学通信工程系和应用物理系的科研人员研究了横向照射阶跃型聚合物光纤对称轴时，光纤中散射光的谱分布。为了达到这个研究目的，科研人员已经在三种不同的商用阶跃型聚合物光纤中进行了依赖于波长的散射测量，测量时的光谱范围为400-750纳米。他们还估计了在这些聚合物光纤中影响作用最大的散射中心的平均尺寸，并从理论上分析了所获得的实验结果。

来自日本北海道室兰工业大学情报电子工学系和千岁科学技术大学光电系统技术系的科研人员介绍了一种新型偏振分离器，这种分离器是他们在一种单偏振多孔光纤（EC-CHFs）基础上研制的，光纤纤芯部分采用多个椭圆孔，其他部位则是圆孔的。科研人员采用了全矢量有限元光束传播法来验证这种偏振分离器，分离器被设计成采用大孔型单偏振多孔光纤（EC-CHFs）（纤芯部分空气填充率为36.73％）和采用小孔型单偏振多孔光纤（EC-CHFs）（纤芯部分空气填充率为4.08％）；经验证，分离器可以将任意一束偏振光完全分离成两个没有任何串扰的正交偏振光束。此外，科研人员还计算了这种偏振分离器的容差特性和波长特性。


来自中国华中科技大学物理学院武汉光电国家实验室、武汉理工大学理学院的研究人员介绍并通过实验验证了一种具有高灵敏度的光纤压力传感器，这种传感器主要使用了简化的空心光子晶体光纤（SHC-PCF）；通过将一根单模光纤与一段简化空心光子晶体光纤（SHC-PCF）相拼接来制造传感器头，而光子晶体光纤末端的空气包层密封是由胶合物和飞秒激光加工来完成的。采用将光纤末端浸入水中的方法，可以在光子晶体光纤的纤芯形成可压缩的法布里珀罗腔。由于光纤芯的空气腔与空气包层经拼接而相通，因此当周围环境的空气压力发生变化时，为了平衡压力空气腔的长度也会产生很大的变化，这就大大增强了传感器的压力敏感度。实验证明了在压力范围为110至130千帕时，传感器的压力灵敏度可达到18.15微米/千帕。在要求高敏感压力测量的领域中，这种传感器具有广泛的应用前景。