2015年6月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀评论员：邵宇丰 王炼栋
    7/10/2015,2015年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

无源和有源光子器件

    来自新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院卓越光子学中心的研究人员介绍了一种新型的可重构光啁啾Z变换（OCZT）处理器，其具有全光信号的处理功能。众所周知，非调谐离散傅立叶变换（DFT）处理器在运算时所使用的快速傅里叶变换算法，是啁啾Z变换（CZT）算法的一种特殊情况。而研究人员提出的新型可调谐离散傅立叶变换（DFT）处理器也是啁啾Z变换（CZT）算法的一种特殊情况。因此可调谐光啁啾Z变换（OCZT）处理器被设计成使用啁啾Z变换（CZT）算法，并结合运用了二氧化硅基平面光波电路技术。为了证明其有效性，研究人员还介绍了一种新型光学离散傅立叶变换处理器的设计和模拟结果，同样是作为合成光啁啾Z变换（OCZT）的一种特殊情况。



    即使处于理想的情况下，多模干涉耦合器（MMI）在振幅和相位方面也会存在误差。当使用多模干涉耦合器（MMI）构造的马赫曾德尔干涉仪（MZI）时，这些误差会导致干涉仪产生非理想状态的效果。在这里，来自荷兰埃因霍芬理工大学COBRA研究所的科研人员介绍了一种修正算法，能够在采用3×3多模干涉耦合器（MMI）构造的马赫曾德尔干涉仪（MZI）中，大幅减少振幅及相位的误差。这样的马赫曾德尔干涉仪（MZI）经常会被用于在波长计中进行方案相位估计。科研人员的修正算法可以使最大相位估计误差减少到2◦，使干涉仪可用于设备生产制造过程中的测量；这要比传统的方法精度高两到三倍。

    来自中国浙江大学传感技术浙江省重点实验室、现代光学仪器国家重点实验室、光及电磁波研究中心的研究人员提出了一种紧凑型的波分复用/解复用器，并通过实验进行了验证。这种波分复用/解复用器通过利用集成了马赫曾德尔干涉仪光学梳状滤波器的双向阵列波导光栅，实现了信道数量翻番和信道间隔减半。例如，研究人员设计和制造了一个18信道的波分复用/解复用器，信道的间隔为200GHz；经测量其附加损耗约为8 dB，信道串扰为-15～-18 dB。这种复用/解复用器的引脚尺寸大约是520μm×190μm。

    来自中国计量学院光学与电子科技学院、济南大学物理科学与技术学院、香港理工大学电机工程学系和深圳研究院以及浙江大学的研究人员通过实验证明了可以通过可饱和吸收体对被动锁模光纤激光器进行操作，这里所使用的可饱和吸收体是以沉积在带有内气腔的略锥形光纤上的石墨烯为基础的。这种可饱和吸收体由于激发包层模式的渐逝场使得强光与石墨烯相互作用，其结果是生成稳定的被动锁模激光脉冲，脉冲宽度为674飞秒；此外，通过可饱和吸收体还可以实现一次谐波的锁模操作。

    来自西班牙光子科学研究所和西班牙加泰罗尼亚高等研究院的研究人员介绍了基于光纤的谐振偶极子的用途，以及用于极小分辨率光学显微镜的纳米级光学纳米天线。一个典型的光偶极天线长度仅约100纳米，这是由于光的波长通常比无线电波的波长要小约一百万倍。研究人员展示了他们如何通过聚焦离子束对锥形光纤进行金属涂层加工，从而战胜了制作这样极小长度谐振天线的挑战，达到了约10纳米的精度。光纤为宏观世界与纳米世界之间提供了一种理想的接口，使这种与样品表面相对应的微小纳米天线可以以纳米精度进行操控。采用单个荧光分子成像和纳米技术后，研究人员实现了低于40纳米的光学分辨率（FWHM），这已经远远低于阿贝衍射极限。显然，基于光纤的光扫描天线专用纳米加工技术是一个很有前途的发展方向，将不断挑战纳米级光学显微镜的极限。

光传输

     工作于日盲紫外（SB-UV）频段的无线光通信链路在传输数据时，不需要通过利用大气散射来保持视距。这种通信链路的主要优点包括具有安全性和隐蔽性，并且易于部署；然而，由于底层大气的散射过程，这些链路本身也会遭受大路径损耗和传播延迟。来自埃及亚历山大大学电气工程系和加拿大麦克马斯特大学电气与计算机工程系的研究人员认为，在接收机端利用空间自由度可以提高日盲紫外（SB-UV）信道的信息速率。经典散射链路模型经扩展后可为散射光子提供时间和空间的到达信息。研究人员为日盲紫外（SB-UV）信道开发了一种时空信道模型，采用的是多元成像接收机；并利用空间分集技术进行延迟补偿和检测器的噪声抑制。通过对信息传输速率的计算，包括考虑了一些特殊情况，其研究结果表明在使用空间分集技术的多元接收机信道中，信息速率比在普通单元接收机信道中提高了大约50％。

    射频（RF）通信与自由空间光（FSO）通信相结合，对于提高通信网络覆盖率而言是一种很有前途的技术，不过目前仍然缺乏统一的表达式来描述其性能。在这里，来自中国清华大学电子工程系和清华信息科学与技术国家重点实验室的研究人员介绍了一种统一的性能分析框架，可用于非对称射频（RF）/自由空间光（FSO）链路中的双跳中继系统。更具体地说，其中的射频（RF）链路部分遵循广义的κ-μ或η-μ分布，而自由空间光（FSO）链路部分则遵循伽玛伽玛分布；由此可以导出由概率密度函数和累积分布函数组成的解析表达式。然后，研究人员利用这些结果，提供了反映中断概率和误码率（BER）的新精确解析表达式。此外，他们还推导出用于高信噪比的中断概率和不同调制方案的误码率，这对于确定影响系统整体性能的系统参数和信道参数是很有用的。这些精确表达式具有通用性，因此可用于射频（RF）链路中的广义衰落和自由空间光（FSO）链路中的指向误差、大气湍流以及不同的调制方案。最后，数值模拟和蒙特卡罗模拟的结果，都证明研究人员所提出的统一解析表达式是有效的。



    来自美国宾夕法尼亚州立大学和土耳其沃兹耶因大学电子与电气工程系的研究人员提出了一种新的概率分布函数，可以在宽范围的湍流条件下准确地描述湍流引起的衰落。这种被称为双广义伽玛（双GG）的模型，是基于双随机闪烁理论，并通过两个广义伽玛分布的乘积发展而来的。研究人员所推荐的双广义伽玛（双GG）分布概括了现有的许多湍流信道模型，还为已经公布的平面波和球面波模拟数据提供了极好的匹配。使用了这种新的统计信道模型，他们推导出中断概率的封闭式表达式和平均误码率，以及在湍流信道中相应的自由空间光通信系统渐近表达式。研究人员还验证了他们推导出的表达式可以涵盖许多在此前文献报道中已存在的结果（关于伽玛-伽玛分布、双韦布尔分布和特殊情况下的K信道）。

光调制与光信号处理

    来自英国阿斯顿大学工程和应用科学学院光子技术研究所的研究人员采用计算机模拟和实验的方法，验证了一种新型子载波编码方案，这种编码方案与预先电色散补偿（pre-EDC）技术相结合，用于在相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中缓解光纤的非线性效应。在相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中，相邻子载波的频率间距通常比较小（数十兆赫兹），在光纤链路上传播后，往往会出现具有相关性的非线性失真。因而，通常可以通过对相邻的正交频分复用（OFDM）子载波进行编码处理来实现非线性效应的缓解。由此，研究人员提出了在相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统传输上采用双相位共轭双波的原理。仿真和实验结果表明，运用这种简单的技术进行编码并结合使用50％的预先电色散补偿（pre-EDC），就能够有效提高相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统的传输性能，在采用二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）调制方式时，性能分别提高1.5 dB和0.8 dB。



     在高速相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中，载波频率偏移（CFO）的宽范围估计和高效的符号定时同步是必不可少的。最近有人提出了在载波频率偏移（CFO）估计中，使用中国剩余定理（CRT）进行宽范围估计的想法。而来自韩国电子和电信研究所光与无线融合研究部、韩国科学技术院电气工程系的研究人员，在一个实时相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中，对基于中国剩余定理（CRT）的载波频率偏移（CFO）估计方法进行了可行性实验验证。他们还提出了采用简化定时度量的两步符号定时同步方法，同样用于相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统。通过实时性实验的结果表明，这种基于中国剩余定理（CRT）的载波频率偏移（CFO）算法能够估算的范围相当广（与采样频率相一致），研究人员所提出的同步方法也很好地实现了高效精确的符号定时同步。

     来自土耳其海峡大学电气与电子工程系无线通信实验室的研究人员，提出了一种新型的多输入多输出（MIMO）光调制方法，包含了天线移频键控调制以及脉冲位置幅度联合调制。这种方法被称为光空间调制（OSM），与传统的多输入多输出（MIMO）光调制方法相比，能够提供更高的功率效率和频谱效率。研究人员提供了一种理论分析框架，用于对自由空间光通信信道中的编码与未编码光空间调制（OSM）进行性能研究，信道的环境条件可设定为弱到中度的大气湍流和中度至强烈的大气湍流。他们还通过仿真对理论推导结果的可行性进行了验证，尤其验证了收发信机的关键设计指标，如频谱效率、误码性能和对抗闪烁效应的性能。

    在过去的20年中，纠缠光子亮源导致了量子光学干涉法的复兴。光学干涉测量已经是量子力学的测试基础，并应用于一些与量子纠缠相关的新想法，如量子隐形传态、量子密码、量子光刻技术、量子计算逻辑门和量子计量。在这里，来自美国路易斯安那州立大学赫恩理论物理研究所、物理与天文学系的研究人员重点关注在量子计量中，已经利用量子光学纠缠原理研制出的、可突破散粒噪声限制的新方法，这些方法能够在光纤陀螺仪和用于生物或化学目的的传感器中使用。他们还讨论了在成像系统（诸如激光雷达和光学光刻）中，这种量子纠缠是如何被用来打破瑞利衍射极限的。



光纤技术

    来自中国台湾国立联合大学光电工程系的研究人员介绍了一种具有强色散补偿并且波长可调谐的光子晶体光纤（WT-DCPCF），这种光纤在结构上是两种其他光纤的混合，包含有双同轴芯光子晶体光纤（DCC-PCF）和凹陷包层光子晶体光纤（DeC-PCF）的构造。为了提高色散补偿效果，这种由双同轴芯光子晶体光纤（DCC-PCF）和凹陷包层光子晶体光纤（DeC-PCF）组成的混合结构是上述波长可调谐光子晶体光纤（WT-DCPCF）的基础。为了使工作波长可调谐，研究人员在混合结构光纤的中央纤芯插入了一些具有相同的直径、但折射率不同的中心杆。数值模拟结果表明，所插入中心杆的折射率决定了光纤的工作波长，而且这种波长可调谐光子晶体光纤（WT-DCPCF）在其波长可调谐范围内（1509-1610nm），具有很高的色散系数（-39895至47179 ps/km·nm）。这在光纤通信网络中的常规波分复用系统或稀疏波分复用系统中都可以得到应用。

    核反应堆中燃料组件的振动测量是一项非常重要的工作，可以以此确定反应堆堆芯的健康程度和寿命。在新一代液态重金属反应堆中，这种测量尤其显得重要，因为这种反应堆是采用300℃的熔化的液态金属做为冷却剂，燃料组件就是浸泡在这种具有腐蚀性的液态金属中，各个燃料棒之间的距离被限制为几毫米。来自比利时布鲁塞尔自由大学机械工程系和B-PHOT布鲁塞尔光子学团队、比利时核能研究中心的研究人员考虑在这样的环境中，使用光纤布拉格光栅作为潜在的手段进行燃料棒的振动测量。他们采用一种特殊的方法将光纤布拉格光栅集成到燃料棒中，并放置在一个类似真正的液体重金属反应堆的环境中。具体地说，他们把光栅作为振动传感器，并将燃料棒浸入300℃的液态重金属中长达700小时以上，然后将光栅光谱响应的信噪比作为时间的函数进行监控和评估。结果表明，在浸入液态重金属400小时后对布拉格峰的精确检测变得非常具有挑战性。此外，他们还通过其它方法来延长传感器的使用寿命，一种是采用更合适的方法将光纤布拉格光栅集成到燃料棒中，另一种是采用备用峰值检测算法。

    来自波兰华沙理工大学物理学院的研究人员介绍了四种不同类型的微电极系统，都是用于掺杂液晶光子晶体光纤的动态电场传感。其中使用柔性扁平电缆的电极系统，其特点是在动态电场传感时具有最短的开关时间，约为20毫秒。而带有4个微电极（τ约为36毫秒）的细管系统，对于液晶光子晶体光纤的动态电场传感操作是最方便的。研究人员还对细管系统进行了理论分析并做了说明。

    来自英国赫瑞瓦特大学光电子与量子科学研究所应用光学与光子部的研究人员介绍了一种光纤温度传感器的原理、性能和封装形式，这种光纤温度传感器原理上是以法布里-珀罗（F-P）微腔结构为核心基础的，当外界温度发生改变时，法布里-珀罗（F-P）微腔的长度会发生变化，从而在反射干涉光谱中可以观察到相应的变化。这种传感器的性能已经在高达1100℃的高温测量中进行了验证，在1100℃下进行历时超过300小时的连续测量，传感器的系统稳定性约为10℃。最后，传感器的封装结构是采用一个密封的细管作为保护外罩。

    来自西班牙纳瓦拉公立大学电气与电子工程系和英国伦敦城市大学工程与数学科学学院的研究人员提出并验证了一种新的传感器系统，它通过长周期光栅与光纤激光器（基于光纤布拉格光栅）的独特组合，可同时对压力和温度进行测量。为了实现这一目标，研究人员开发了一种新的掺铒光纤激光器构造；这种构造的激光器可以实现55 dB的光学信噪比；而它的峰值功率经光学频谱分析仪测量，所达到的范围在-5 dBm至0 dBm之间。这种新型传感器系统测量的压力及温度信息可通过以下步骤获得：首先采用独特的发射谱线；同时监测光纤激光器波长的偏移和功率电平的变化，这两者呈现出明显的线性关系。