2017 年9月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 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，笔者将逐一评析。 

光网络及其子系统
    来自加利福尼亚圣芭芭拉大学的科研人员，设计和制造了具有高Q谐振器的宽可调谐半导体激光器，从而实现了利用两环略有不同的圆周游标效应来完成宽调谐的过程。在激光腔内引入具有相当大的圆周第三环具有相应较高的Q值。科研人员通过研究这类激光器的控制过程发现，芯片上的监测光电二极管可以直接用于集成激光器；这进一步显示了完全集成的优势。因为激光器中包含的额外监测光电探测器结构简单，不需要其他的操作步骤即可进行制备。科研人员还证明：随着光子集成芯片的复杂性增加，需要加入更多的监测光电探测器对其进行控制。


图1.腔内具有高Q环制造的激光器示意图
    来自苏州大学电子与信息工程学院的科研人员，研究了在共享备份路径保护下，IP弹性光网络（EON）混合通道中的流量整理过程，并开发了基于辅助图形启发式算法来共享和保护IP流量的通用光通道。他们将集成保护（即跨层保护容量共享）与非集成保护（即覆盖保护）进行了对比研究，以突出跨层共享的改进效能利用率。通过采用模拟研究，依据所使用的最大频率（FS）数量、备用容量、冗余静态流量需求，以及所需的转发器数量，研究人员进行了网络性能的有效评估。对于动态流量需求，实际应用中也可以获得带宽阻塞概率（BBP）。 科研人员发现，与使用专用信道流量梳理的技术相比，所提出的混合信道流量梳理方案可以降低带宽阻塞概率（BBP）和所需的转发器数量，同时还可以提高频谱效率。与其他现有技术相比较，集成保护技术也被认为比覆盖保护更为有效。虽然每个节点只有有限数量的转发器，但每个转发器的最大频率（FS）数量足以使得具有混合信道流量梳理、跨层备用容量共享的IP弹性光网络具备良好的通信性能。
    来自西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚技术大学（UPC）、电信技术中心的科研人员，设计了一种用于计算在中等透明MAC（MT-MAC）协议下，实施光纤/无线融合的60GHz无线光纤（RoF）系统应用的端到端分组延迟的分析模型。为了计算有效周期，该模型考虑了通过光纤和无线介质进行融合传输和数据交换所消耗的协议时间，MT-MAC可以有效地在RoF中心局（CO）和最终用户之间提供直接和无缝的交互信息传输。上述分析模型使科研人员能够在固定业务模式下，研究混合RoF网络的各种性能，并在此基础上进行深入的延迟性能分析（如各种信息容量可用性场景、变化的负载条件、光信号传输范围、传输窗口长度和数据数据包大小）。研究人员推导的理论结果与实验过程吻合程度较高，他们还证明了MT-MAC方案可在5G无线应用时代发挥其潜在价值。



图2  MT-MAC无线光纤系统的示意图


无源和有源光子器件
    来自美国纽瓦克特拉华大学电气与计算机工程系的科研人员，设计了一种具有高运行效率的低剖面光波超宽带（UWB）连接阵列（CA）天线。科研人员将微型光学棱镜引入光纤中实现了与高功率电荷补偿单行载体（CC-MUTC）光电二极管的高效耦合，其中采用的光电二极管是在集成CA天线元件的馈电点直接连接的。上述技术显著减少了系统成本耗费，并且成功地吧八个光电二极管耦合的有源偶极子元件组成了一维CA天线阵列。实验研究结果表明，在频率为6-17 GHz之间，带宽为3 dB的情况下，上述阵列可以高效实现波束成形和波束转向的过程；并且在频率为13 GHz，带宽为27.5 dB点处，可以实现有效各向同性辐射功率（EIRP）峰值。
    来自马来西亚吉隆坡马来亚大学光子学研究中心的科研人员，发现湿度传感器在传感材料中依赖于湿度诱导的折射率变化。基于聚合物的微丝可以在不需要进一步涂覆的情况下吸收水蒸汽分子并检测湿度变化过程，但其在灵敏度和复杂度的折衷上仍然面临挑战。科研人员研究了使用复杂的涂覆方法、共振结构和纳米结构膜作为增强器件灵敏度的技术；并同时设计了一种简单的技术，用于制作基于琼脂糖掺杂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的高灵敏度相对湿度（RH）传感器。科研人员测量了PMMA掺杂琼脂糖凝胶超细纤维的直径和其均匀度分别为6μm和10 mm。上述传感器可以在相对较宽湿度范围（50%-80％）内实现高达2.9μW的功率变化，并且呈现线性响应，其相关系数为98.29％，灵敏度为相对湿度的0.421％，分辨率为相对湿度的0.431％。实验研究结果证明，上述基于琼脂糖的光学传感器为现有的电学传感器提供了有效补充，并将促进琼脂糖在化学传感技术中的应用。
    来自北京大学和联通集团有限公司的科研人员，研究发现微距跟踪和指向误差对自由空间光通信中的链路性能和位错误概率有显著影响。因此，科研人员设计了一种基于点前角和同向对准误差的测量方法，此方法可以显著减轻跟踪和指向误差的负面影响，从而降低自由空间光通信系统的功率耗费。通过使用角立方反射器、离轴反射望远镜、真空长光路和抗干扰支撑结构设计技术，可以精确测量微角度（特别是由两个相互反平行的宽非相干光束形成的共对准误差角）。科研人员分析了测量设备的结构，测量方法和理论测量模型；分析结果表明，前点角的不确定度和对准误差均优于0.2μrad。验证性实验结果还表明，前点角准确度和共对准误差均小于1μrad。    
    来自蔚山科学技术大学电气与计算机工程学院的科研人员，开发了一种使用体硅衬底制造硅波导和器件的新工艺。上述工艺主要由一个硅干蚀刻和一个硅湿蚀刻过程组成。硅湿式蚀刻的使用使得上述工艺过程简单和价格低廉。由于硅湿式蚀刻的各向异性特性，其制成的体硅基（BSB）波导由矩形基座上的倒置梯形铁芯和底座下方的梯形基座组成。此外，当弯曲部的曲率半径足够大时，可以实现几何平滑的体硅基（BSB）波导弯曲。体硅基（BSB）波导的传播损耗取决于湿蚀刻的条件，当横向磁极化的传播损耗为4.0或0.79 dB/cm时，体硅基（BSB）波导弯曲的最小曲率半径为500μm。科研人员因此证明，体硅基（BSB）波导可用于制备简单几何形状的低成本传感器。
    来自桑尼奥大学光电部工程系的科研人员，设计了一种用于磁共振成像（MRI）应用的光纤磁场传感器。该传感器基于光纤应变传感器（光纤布拉格光栅 - FBG）与传感材料（磁致伸缩）集成制备。科研人员考虑到传感材料（磁致伸缩）的响应对具有不同预载荷的纵向和横向磁场的依赖性，分析研究了传感材料（磁致伸缩）块结合的光纤布拉格光栅（FBG）的响应；基于上述响应的参数表征，制造了三轴磁场传感器。通过考虑不同传感器响应之间的相互依赖性，也实现了从三个光纤布拉格光栅（FBG）中的有效解调算法。实验结果证明了三轴传感器测量磁场的能力，同时还进行了性能评估和关键分析，最终得到了有效的传感配置能力和限制特性。依据上述原理，科研人员还研制了由20个三轴传感器构成的传感系统，以用于研究磁共振成像（MRI）诊断中心的磁场强度分布映射过程。

光传输
    来自基洛纳不列颠哥伦比亚大学应用科学学院的科研人员指出，光无线（OW）定位技术在过去十年中在室内定位应用中将引起人们广泛的关注。上述技术可利用到达角度（AOA）测量的方法，实现基于光学网格三角测量的方法来进行室内定位。上述基于AOA的光无线（OW）定位系统可以进行准确的位置估计，但是需要重新设计光信号接收机。科研人员完成了该接收机的设计，操作和实验验证。光接收机需要被设计为具有足够小的到达角度（AOA）误差（其值为为AOA = 1°，在宽角度视场（FOV）下为AOA = 100°）。该设计允许光接收机基于3×3的网格进行定位，其中每个光信标被唯一标识，并采用多个频率和颜色通道。光信号被间隔开以充分利用光接收机的宽角度视场（FOV）。整个到达角度（AOA）相对于基于光无线（OW）定位系统的位置误差为1.7厘米，这与目前更复杂的定位系统所能达到的误差相当。因此，科研人员设计的基于到达角度（AOA）的新型技术可以在未来的室内定位系统中发挥积极作用。
    来自德国伊尔梅诺斯理工大学通信研究实验室的科研人员指出，离散多音传输（DMT）方案，诸如非对称限幅（AC）离散多音传输（DMT）和直流（DC）偏置离散多音传输（DMT）方案，是采用强度调制（IM）和直接检测（DD）的色散光通道的流行的多载波传输方案。
    这些传输方案利用循环前缀（CP）在接收机处产生简单的频域均衡。在实验中，科研人员提出了用于这种光学系统的两种新颖的离散多音传输（DMT）信令方案，其中的保护间隔由唯一字（UW）构成，即确定性数据无关序列。这种方法是很可行的，因为在频域中增加了冗余，并且UW是离散傅里叶变换（DFT）间隔的一部分。结果表明，他们提出的UW-DMT方案在色散光通道中胜过传统的CP-DMT方案，还可以使用信道统计来设计代码生成器矩阵，并且可以进一步提高UW-DMT方案的性能。然而，对于减少长度的光纤，两种方案的功率损耗都可以达到相同的传输速率。此外，UW可以另外用于其他目的，例如同步和信道估计等。

光调制与光信号处理
    来自西北工业大学电子信息学院和西安电子科技大学综合业务网络国家重点实验室的科研人员，设计并实验证明了宽带光子微波单边带（SSB）上变频器和同相/正交（I / Q）调制器。其中上变频的双并联马赫-曾德调制器（DPMZM）的子调制器可调制中频（IF）和本地振荡器（LO）信号，并且产生的射频（RF）信号的相位可以通过DPMZM的工作点进行任意调整。采用偏振复用的DP-MZM（pdm-dpmzm），宽带微波光子I/Q射频转换器可以构建SSB上变频调制或I/Q调制过程。实验中，在频率为16-40GHz的LO和频率为2-8GHz的IF取值条件下，将发生抑制载波过程和生成SSB信号。科研人员在I / Q调制的实验演示中，生成了具有低误差矢量幅度（EVMs）值具有10-40GHz副载波频率的16进制正交幅度调制信号和64进制正交幅度调制信号。
    来自西安交通大学和重庆交通大学的科研人员，研究了空间电离辐射对工作波长值为1550nm二进制启闭键控（OOK）、差分相移键控（DPSK）和二进制相移键控（BPSK）的卫星光通信系统的在轨性能影响。他们通过模拟Co60伽马射线照射光通信系统中的基本光电子器件（总剂量为30krad），并依据理论分析计算得出了相关的电离辐射损伤因子，并证明了电离辐射会引起通信终端的劣化和系统收发性能的下降。随后，科研人员还分析了四个典型轨道的电离辐射环境，并进一步研究得出了不同卫星间通信链路的在轨信号传输性能。研究结果表明，增加对GEO和HEO卫星的EDFA、光发射机和终端的辐射防护是十分必要的保护手段，同时研究结果也表明了BPSK调制方案在空间电离辐射环境下最具应用优势。    
    来自德国基尔大学的科研人员证明，采用直接检测技术来消除光纤通信系统中功率衰落的负面影响是提高传输速率或信号覆盖范围的关键方法。人们曾经使用的一些解决方案常包括附加组件（例如色散补偿光纤或IQ调制器），将会增加系统的成本耗费。在实验过程中，科研人员研究了用于补偿功率衰落的Tomlinson-Harashima预编码技术，该技术通过对具有频谱零值的信道使用反馈均衡技术，消除了信号错误传播的影响。 在采用长度为25公里到100公里的标准单模光纤传输实验中（研究人员控制信号数据速率范围值为56至560Gb / s），他们验证了采用Tomlinson-Harashima预编码技术具有显著应用优势，具体体现为不仅可使用数字信号处理算法来有效补偿功率衰减，并能保持系统灵活性且同时具有低成本效益。


图3 相关实验系统原理框图
    来自意大利摩德纳大学的科研人员研究了一种新型组合的互相关尔伯特变换解调算法，用于跟踪具有多峰反射光谱的光纤布拉格光栅（FBG）的波长位移过程。他们展示了如何使用希尔伯特变换来将波长轮廓的最大值定位到寻找过零点的方案。与其它解调算法（如质心检测算法和互相关算法）相比，该方法具有更高的计算精度和更快的响应过程。另外，科研人员研究了多模光纤中产生的多峰反射光谱对采用该算法后的最终计算结果没有太大影响。最后，基于上述新型算法研究人员在FBG的多峰反射光谱实验中测量了轴向应变过程。

光纤技术
    来自中国哈尔滨工程大学理学院的科研人员，设计了一种有限元算法（FEM）以分析和预测多圈光纤（MTFC）的弯曲磁场（FODS）应变分布的方法；同时考虑到MTFC的应变分布，FEM可用于评估灵敏度。科研人员依据模拟参数制作了基于MTFC的FOODS样品。通过布里渊光时域分析和振动器分别测量了应变分布和灵敏度。MTFC测试的应变分布结果与其仿真模型具有相同的特征：基于MTFC的FODS预测灵敏度为6448.0 rad/g；测试三个样品传感器的制造误差为7％。科研人员认为，所有的FODS数值模拟过程都是在COMSOL Multiphysics环境中进行的，它在设计或制造基于MTFC的FODS时具有很大的应用潜力，并可用于预测FODS的灵敏度。


图4 外部振动诱发的FODS计算偏差（A = 1g）示意图
    来自浙江省光电材料与器件重点实验室和宁波大学先进技术研究所红外材料与器件实验室的科研人员，对Ge-Sb-Se纤维中长周期光纤光栅（LPFG）的高灵敏度温度传感器的设计过程和应用特性进行了相关研究。科研人员设定了不同工作模式、工作波长和周围折射率（SRI）的LPFG，并对其相应条件下的温度特性进行了研究。研究结果表明，在长度为1.55μm和LP02包层模式下，所设计的Ge-Sb-Se LPFG的温度灵敏度可达到0.5787nm /℃，比二氧化硅LPFG高约12倍，比As-Se LPFG高1.2倍。当Ge-Sb-Se LPFG的光栅周期在其色散转折点时，温度灵敏度达到最大绝对值（为24.715nm /℃）。实验证明，因为Ge-Sb-Se纤维的折射率相对较高，LPFG对SRI的工作波长和温度灵敏度影响非常小，因此所设计的基于Ge-Sb-Se的 LPFG温度传感器在SRI上具有极强的感测稳定性。

图5.温度灵敏度相对外部指标变化的趋势
    来自伯明翰工程与应用科学学院阿斯顿光子技术研究所的科研人员，回顾和扩展了一种耦合线性微分方程的半解析法，以此描述波导缺陷导致的几种模式的线性耦合过程。通过与数值模拟求解方法相比，证明了所设计的半解析发法是准确的；他们还将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过程。研究结果表明，依据是否使用模式延迟管理的不同耦合方案，基于上述模型的数值模拟仿真与多模光纤链路中的群延迟统计的分析预测是相匹配的。
    来自美国奥兰多中佛罗里达大学Townes激光研究所的科研人员，研究发现了受激布里渊散射（SBS）是限制窄线宽光纤激光器功率缩放的主要非线性效应。在较长波长情况下，非线性影响减少，但是SBS增益与波长无关。在单模掺铥光纤中，研究人员将2053nm波长值和MHz-线宽的脉冲源功率值放大到大于100W；并改变脉冲持续时间以测量SBS阈值。测量结果表明，在2053 nm波长的无源单模光纤中，如果布里渊带宽值为17.5 MHz时，峰值布里渊增益系数为12.2 pm / W。科研人员发现，虽然峰值布里渊增益系数与在较短波长下实验的增益系数相当，但自发布里渊内带宽将明显缩小，这表明长波长光源比短波长光源更容易抑制SBS的发生。