2016 年10月JLT光通信论文评析

光纤在线特约编辑：邵宇丰 周越 周俊毅 马文哲 季幸平
11/9/2016，2016年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术等，笔者将逐一评析。 

光网络及其子系统
    来自墨西哥国立自治大学电信工程系的科研人员，利用微倏逝场的作用机理，研发了一种用于测量振动和相对湿度的新型传感器系统。科研人员在通信传输信号的快速傅里叶变换算法（FFT）中，通过对峰峰值的快速傅里叶变换相位的监测，实现了对传感头的监测。当存在具有多种不同灵敏度的干扰频率分量时，信号幅度和波长的变化可能会影响其结果。而此系统不依赖于信号的幅度，且避免了光谱中的波长发生变化，从而使实验结果得到进一步优化。实验结果表明：在相对湿度为0.14πrad/％且灵敏度达到最大的情况下，点传感器能够测量20％-70％宽范围的湿度。当灵敏度大约为0.0051nm-1/Hz时，微传感器可以在320Hz至1300Hz的频率范围内工作。由于系统使用光学读写器作为唯一的有源元件，所以具有较低的成本效益。
来自日本筑波、茨城访问网络服务系统实验室的科研人员，通过使用基于布里渊分析的端反射法，首次在中心站内测量出了无源光接入网络中分支光纤的信号损耗分布规律。科研人员通过采用频移技术补偿场中布里渊频移（BFS）的变化，最终完整地测量了单个分支光纤的损耗分布范围。
    来自西班牙阿尔卡拉大学电子工程系的科研人员，提出了如何检测并分类长气体管道附近的威胁特征；并提出基于相位敏感光时域的反射技术来实现系统的信息识别过程。研究人员研究的系统使用了两种不同的操作模式：（1）机器+活动识别--其输出由特定机器来执行。（2）威胁检测--无论当前实际活动如何，只检测威胁信息。科研人员还提出了不同位置的选择策略和归一化方法，并且对实验数据进行了严格的评估。他们用第一种操作模式，对第二模式的威胁或非威胁情况进行了进一步标记，获得了与实际应用相符的理想结果，并且指出上述两种模式将会拓宽对实际操作的全功能管道威胁检测系统的优化设计路径。研究结果证明，采用光子学技术改进的全功能管道威胁检测系统在实际条件下良好运作，且在未来将具有深远的运用前景。


无源和有源光子器件
    来自韩国基础科学研究所的科研人员，研究了基于微光纤结型谐振器（MKR）的高灵敏度相对湿度（RH）传感器。其中，微光纤结型谐振器（MKR）的涂层材料是聚乙烯醇（PVA）。为了制造出微型光纤相对湿度（RH）感应探头，科研人员设计了一个带有聚乙烯醇（PVA）涂层的微光纤结型谐振器（MKR）。通过利用直径为2微米的微型光纤制成的束带制作了微光纤结型谐振器（MKR），其环直径为70微米并涂覆聚乙烯醇（PVA）。由于微型光纤强倏逝场的作用，该微光纤结型谐振器（MKR）会随着相对湿度（RH）的变化而变化。为了精确测量出相对湿度（RH），科研人员使用快速傅立叶变换（FFT）算法，将该传感器的光谱转换为空间频谱。一旦空气中的湿度增大，涂层中聚乙烯醇（PVA）的有效折射率就会降低，聚乙烯醇（PVA）微光纤结型谐振器（MKR）的自由光谱范围（FSR）将变大，微光纤结型谐振器（MKR）的空间频率随之降低。所以，基于聚乙烯醇（PVA）微光纤结型谐振器（MKR）感测探头可通过空间频率的变化来度量空气中的湿度。科研人员还发现，在高阶模式下相对湿度（RH）探头的灵敏度比低阶模式下有了极大的提高。
    来自伦敦城市大学计算机科学学院数学与工程专业的科研人员指出，在海洋等领域中，传统的压电陶瓷（PZT）传感器已愈发暴露其局限性。为此，他们寻找了一种有效的替代方式——用基于多光纤布拉格光栅（FBG）的传感器进行声发射（AE）检测；并进一步搭建了级联光纤声传感器系统，该系统通过光学滤波器进行信号解调。科研人员在标准化条件下，对该光学传感系统的性能进行了较多性能的实验评估，例如，用玻璃板来检测声信号、使用金属板来判断声源的位置等。实验结果表明，新型光声传感器输出端与压电陶瓷（PZT）传感器输出端之间可实现良好的匹配，其出色的性能不仅体现在监测微弱的声发射（AE）信号，而且还体现在能对多点信号实现同时测量。
    来自巴西库里蒂巴联邦科技大学的科研人员，基于两种夹板固定的方法，对丙烯酸树脂的两种聚合收缩类型进行了研究。科研人员将两个植入物放置在人造骨中，其两个转移接口用丙烯酸树脂进行连接，然后使用光纤布拉格光栅传感器测量两个树脂的收缩程度和温度变化。实验结果显示：其中一个树脂具有较高的温度变化，而两者的收缩程度是相似的。由此可以看出，使用丙戌酸树脂夹板固定的方法在缓和应力松弛和减少聚合收缩方面具有显著的效果。
   来自弗罗茨瓦夫技术大学的科研人员，提出了一种有关聚合收缩问题的数值分析方法，此方法主要考虑聚合收缩对嵌入在复合材料中聚合物的影响，并同时考虑基于二氧化硅的高双折射（HB）光纤的影响。经反复实验研究人员得出的结论如下：聚合是将许多分子结合成大分子化合物的化学过程，因此聚合收缩的方向取决于复合材料表面分子的数量。在高双折射（HB）光纤中，科研人员还提出了一种在层压过程中针对压电光效应的具体分析方案。
来自德国慕尼黑应用科学大学的科研人员，提出并证明了一种新型局部微结构光纤布拉格光栅（LMFBG）制造的方法。这种新型的LMFBG可以同时感测压力和温度。LMFBG是在I型光纤布拉格光栅（FBG）中，使用飞秒（fs）激光烧蚀约86μm长和约27μm的圆周槽，该凹槽具有恒定的深度和陡峭的侧壁。科研人员还发现，由于作用在LMFBG上的轴向压缩力会导致LMFBG的结构部分中产生应力诱导的相移，可以在反射谱中出现通带效应。同时，温度的变化将引起整个光谱的偏移，而不影响其形状。科研人员因此提出了一个描述LMFBG反射光谱的理论模型，它由三个传递矩阵的乘积，即外力、温度和可调自由参数的光功率组成。在温度值为5℃至45℃、压力为0N至-1.44N范围内，基于模型的理论图形很好的对应了LMFBR光谱结构。由于飞秒（fs）激光加工的LMFBG具有精确的结构特征，科研人员能将三个FBG组合在一起来模拟LMFGB。

图1 光纤布拉格光栅的局部微结构图
来自葡萄牙维亚纳堡学院高等工程系、纳瓦拉公立大学电气与电子工程系的科研人员，成功地将长周期光纤光栅（LPFG）刻入硼锗掺杂光纤，使光栅周期小于150微米。此外，他们利用电弧使28号标准单模光纤（SMF）中的长周期光纤光栅（LPFG）到达色散转折点，进而将光栅周期减小至197微米。此前作者曾将28号光纤中的光栅周期缩短至190微米和320微米。据此，科研人员开发了一种高电压电源来大幅减少光栅的周期，通过接入更高阶的包层模式来获得更高的灵敏度。该电源能产生稳定的电流，其电流范围可从10.5毫安变化至21毫安。通过计算机模拟，每个刻在不同纤维上的光栅用于识别包层模式共振。科研人员通过蚀刻或薄膜沉积制作的长周期光纤光栅（LPFG），其外部折射率可从1.33提升至1.42。当外部折射率在1.33至1.41范围内时，虽然该192微米的光栅没有被进一步优化，其折射率的平均灵敏度仍可达-720 nm/RIU。
 
图2 实验系统中的机械装置和高压电源部分
来自日本国防研究院通信系的科研人员，设计了使用光纤布拉格光栅和光频域反射计(OFDR)可以监测多点的振动传感过程。该技术中，其发射端仅仅是一个激光二极管。使用激光二极管控制器注入高频电流可调制它的波长，从而实现高速扫描的过程。实验研究结果表明，该传感器的噪声容量为7 fm/√Hz（实验测量时间为10毫秒）。
 
图3 光频域反射计的测量过程


光传输
来自西班牙纳瓦拉大学电气与电子工程系的科研人员研究了一种随机分布反馈（DFB）光纤激光器。这种随机分布反馈（DFB）光纤激光器具有调制简单、稳定性高的优点，且可以在超过200公里的远距离多路波分复用光网络中使用。该激光器腔调制的灵敏度可用时域反射法来度量。另外，通过调整激光的发射波长，可以测量出反射信号和距离之间的关系。上述方案克服了超远程通信系统的主要缺点，即：有限的复用能力。使用上述方案还可以确定同波长传感器在网络中的位置，也可以用同样的方式间隔波分复用传感器。科研人员进行了两个不同的实验，在第一个实验中，使用可调谐光纤布拉格光栅（FBG）作为激光器的滤波元件。实验结果证明：170公里外空间分辨率为85米的监测站可以同时检测到9个波长在1545-1550 纳米之间光纤布拉格光栅（FBG）。在第二个实验，使用可调滤波器作为激光器的滤波元件。实验结果显示第二个实验的结果比第一个实验的结果相对改善了许多：200公里外空间分辨率为45米的监测站可以同时检测到10个波长在1540-1550 纳米之间光纤布拉格光栅（FBG）。由于材料能力会限制被监测传感器的数量，但该系统的设计可以不受材料的影响而直接监测到更多数量的光纤布拉格光栅（FBG），但科研人员仍不能可靠地估计出可被复用传感器的最大数量，但若使用更先进的反射测量技术和设备可以提高系统的性能。例如，可以通过对增益分布的适当控制来测量出更宽的光谱。总的来说，科研人员通过利用奇异性质，来实现在传感器中实现随机分布反馈（DFB）光纤激光器的应用，该方案相比类似其它装置具有更好的复用能力。
来自以色列巴伊兰大学工学部的科研人员，研究了长度为8.8km、空间分辨率为2cm的分布式布里渊分析方法。在测量过程中，科研人员定位了44万个潜在的分辨率点，并且正确识别了泵波输出端处长度为7cm热点。在布里渊频移的局部值估计中，实验误差为±3.5 MHz。在相关峰超过2,000的情况下，科研人员分析了泵和信号波在周期相位调制时生成的布里渊交互过程。其中，单个峰峰值的布里渊扩增，可以通过10,000位长的非周期序列或者检波压缩后得到有效解析。科研人员还对数千公里、厘米分辨率的光纤布里渊作用进行了数值模拟。研究结果证明：高分辨率分布式布里渊传感器能实现有效实际应用。
 
图4 长距离、高分辨率分布式布里渊光纤传输系统图

光调制与光信号处理
来自德国联邦材料研究和检测机构的科研人员，提出了一种非线性和随机传递函数的解调方法，该方法基于部分补偿光纤直接检测和相干瑞利光时域反射计（C-OTDR）实现。具体而言，已知要感测的动态光纤应变会在空间中以均匀的方式影响较长的传感光纤，科研人员通过在声发射传感器中进行检测，从而能提升检测小振幅、高频动态的光纤应变过程。上述研究表明，光纤中部分信号分量可以通过合适且有效的方式进行平均，从而在C-OTDR信号中提取更多的定量信息。科研人员提出了该方法的理论基础，并研究了有效的实验结果。通过使用迈克尔逊散斑干涉仪的随机正交解调（RQD）法，科研人员能够直接检测并解调单脉冲光纤的C-OTDR信号。与最初的方法类似，RQD应用于C-OTDR反向散射返回信号的实验表明了，在低频漂移和干扰的情况下恢复光纤应变的弱高频调制，能在传感光纤的横截面产生空间均匀的动态应变。尽管与由短脉冲声信号激发且由相位调制光纤传感器的直接干涉测量相比，瑞利C-OTDR提高了相关灵敏度，但是仍然存在1.5-2数量级的灵敏度间隙。

光纤技术 
来自波兰华沙工业大学微电子学和光电子学研究所的科研人员，提出了一种反应离子蚀刻（RIE）应用方案。该方案通过类金刚石碳（DLC）纳米层沉积，采用射频等离子体增强的化学气相沉积（RF PECVD）法，可以有效地调整长周期光纤光栅（LPG）折射率（RI）的灵敏度，蚀刻和沉积都使用同一种工艺。科研人员通过在高阶包覆模式和模式跃迁状态下使用组合等离子体法，可以使得长周期光纤光栅(LPG) 的色散转折点具有良好的调谐。实验结果表明，在窄折射率（RI）范围（1.3344-1.3355 RIU）内，每一个共振的折射率（RI）灵敏度已经增强到超过12,000nm/RIU；在宽折射率（RI）范围（1.3344-1.3355 RIU）内已经增强到超过2,000 nm/RIU。实验结果已经通过数值分析等到证明，该方案显著增强了折射率（RI）的灵敏度并且加大了折射率（RI）范围。
来自意大利巴勒莫大学化学与物理系研究所的科研人员，研究了在恶劣环境（高温，高辐射剂量）下，温度传感器的光频域反射（OFDR）响应，并着重分析了光纤涂层对传感器性能的影响。在各种类型涂料的制备过程中，热处理和辐射处理不尽相同，这使得运用了多种涂料传感器的温度系数变化很小（＜5%）。科研人员实验证明，光纤在进行预热处理时，一些涂层可达到其最大工作温度，如高温丙烯酸酯，其工作温度高达150°C；如聚酰胺涂层，其工作温度高达300°C等。该技术使传感器的温度系数保持稳定，辐射对散射现象的影响将显著降低，当辐射量高达10 mGy时，温度系数（CTS）当波动范围可保持在1%以内。科研人员认为，永久辐射诱导衰减（RIA）法为温度传感器提供了宝贵的技术支持，使得其在恶劣的环境（气温高达300°C、电离辐射达到毫戈瑞水平）下，得以保证较高的空间分辨能力。
来自克兰菲尔德大学工程技术学院、诺丁汉大学电气与电子工程学院的科研人员，提出了一种新型光纤传感技术。该技术基于正弦光频调制，使用了高成本效益的激光二极管，并将一组光纤应变传感器分布在光纤部分反射镜之间，由此实现了干涉信号长距离传输的过程。科研人员将这种信号处理技术称为光纤部分干涉（FSI）技术，并对其进行了深入研究。
来自德国莱布尼茨光子技术研究所的科研人员指出，在通信和传感器领域中，人们通常将单模光纤（SMF）中的光纤布拉格光栅（FBG）作为窄带滤波器，目前这项技术的应用已经相当成熟。其实，在光谱应用领域（例如拉曼光谱）中，光纤布拉格光栅（FBG）滤波器还可用于分离激光探测光，这使得拉曼探针得以简化。为了实现这一功能，科研人员需要把样品中的光收集到光纤中。然而，单模光纤（SMF）的光纤芯区较小，其光收集效率十分有限。科研人员通过使用单模多芯光纤，在提高光收集效率的同时，保证了布拉格（FBG）滤波器的性能。实验结果表明，在61芯光纤中，使用光纤布拉格光栅（FBG）滤波器，可使整个系统的光密度滤波效果提高1.5倍，传输损耗为-15dB。科研人员通过模拟仿真，进一步分析了光纤的几何结构和折射率分布对光栅性能的影响。仿真研究结果证明，相比于传统的均匀光栅，将啁啾光栅应用在多芯光纤中可使滤波性能大大提高。
来自德国莱布尼茨光子技术研究所光纤系的科研人员指出，在温度高达500℃的范围内施加相应的压力，就能在偏振保持的特种光纤中制备布拉格光纤光栅。特种光纤中的I型光栅会在高温退火工艺下再生。在第一个温度的循环周期中，科研人员发现光纤在高温下的双折射率随温度的变化产生了明显的滞后，但是在随后的温度循环中显示了双折射率对温度的依赖性。与普通光纤相比，在室温下这种光纤的双折射率几乎是普通光纤的两倍，并且在低于和高于500℃的线性温度下表现出很大的依赖性，但在两个温度之间具有不同的灵敏度。在该温度下，科研人员对温度和施加的轴向力进行了测量，结果显示出传感器元件的可再生和近似的线性响应。使用2x2矩阵法可以同时测量温度和纵向负载。相反，如果温度高于500℃，光纤内应力施加的部分将会变得粘稠，从而导致光纤的粘弹性现象。在特种偏振保持光纤中，科研人员制造出了光纤布拉格光栅，然后对种子光栅逐步施加高达1000℃的温度，接着施加缓慢的冷却。在实验期间，使用偏振分辨测量技术分别测量快轴和慢轴的光谱，并且通过分析慢轴和快轴中光纤布拉格光栅的光谱峰间距来确定光纤的双折射率。在第一温度循环期间，光纤的双折射率具有与温度相关的非线性和滞后性，结果与其他研究者热应力诱导PM光纤的实验结果一致。非线性似乎与SAP转变温度的交叉点有关，而滞后可能归因于应力和应变的减轻，所述应力和应变会在其制造过程中凝滞在光纤中。在退火过程之后，光纤显示出了比之前几乎加倍的双折射率，并且在随后的缓慢温度循环中，科研人员发现双折射率的温度依赖性并没有滞后。特种光纤的RFBG的应变和温度响应的特征表明，在300℃和500℃之间，布拉格波长对温度和压力的响应是近似线性的。
 
图5 相关测量装置图