2018 年2月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 季幸平 
  2018年2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、无源及有源光子器件、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
来自韩国高等科学技术研究所的科研人员发现，随着灾害发生的频率和损害严重程度越来越高，网络运营商越来越关心如何为光网络基础设施提供灾难恢复措施，如果仅通过增加网络器件冗余配置来减轻网络服务中断的可能性，空间效率低下且成本高昂。随着科技的进步，无线技术是潜在的高效多样化候选解决方案。科研人员讨论分析了具有抗灾能力的无线链路增强型光网络基础设施方案。他们设计了一个寻找光网络拓扑结构中链路子集的优化模型，通过无线链路增强配置最大限度地提高了给定预算成本下确保整体网络可用性的灾后恢复能力。为降低最优设计解的计算复杂度，科研人员提出了一种新型启发式算法，即通过对两种搜索算法（详尽的枚举搜索和简单的启发式搜索)性能对比验证了启发式算法具有更高的效率和可扩展性。

无源及有源光子器件
来自西安电子科技大学物理与光电工程学院半导体技术国家重点实验室的科研人员，研究了采用表面氮化镓（GaN）纳米结构为光阱的铟氮化稼（InGaN ）多量子阱（MQWs）太阳能电池的应用性能。从外量子效率（EQE）和光致发光光谱的测量结果来看，光电响应的增强有助于器件的应用性能改善。由于有效的光吸收效应增加，转换效率从1.02％（平面）显著提高到2.235％（纳米孔表面）。虽然性能提升有限，但是实验结果显示通过在InGaN/GaN的MQWs单元表面引入纳米结构是提高转换效率的一种有效方法。
来自加拿大渥太华大学物理系的科研人员，提出并演示了在双核As2Se3聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）锥上测量高灵敏度温度和应变的方法。结合PMMA包层的热膨胀系数、微米直径As2Se3芯的尺度以及As2Se3和PMMA的折射率之间的巨大差异，科研人员实现了较高灵敏度的测量过程。在双芯光纤中科研人员通过测量主偏振轴透射光谱获得了115pm/℃和4.21pm /με的较高灵敏度，通过测量第二偏振轴获得了35.5pm/℃和3.16pm /με的高灵敏度。由于As2Se3和PMMA热膨胀系数之间的数量级差异，导致PMMA包层对As2Se3芯形成热感应挤压，从而完成了主偏振轴温度、应变及灵敏度之间的解相关过程，使得该方案能够同时测量温度和应变的变化，其中温度和应变不确定度分别为0.15°C和1.87με。
来自荷兰埃因霍温理工大学光电子器件研究所的科研人员发现，具有高（大于99％）转换效率的集成偏振转换器（PC），在基于磷化铟（InP）的光子集成电路领域将存在新的应用可行性。科研人员描述了如何将PC添加到包含半导体光放大器（SOA）的电路中实现偏振无关的放大过程（科研人员通过将PC置于两个相同SOA之间来获得极化独立性）。这种方法的优点是不需要在设计和制造两方面进行折衷考虑（当使用两个PC时，极化转换效率高于99.5％，转换器引起的额外插入损耗低于0.5dB），同时包含PC、SOA的偏振相关增益（PDG）从17dB降低到仅0.3dB。文献调研结果证明：上述测试值与使用其它技术找到的最佳PDG值相当；且在整个C波段和变化的泵电流下可实现PDG的有效降低。偏振转换器的结构图如图1所示。

图1. 偏振转换器的结构图
来自爱尔兰都柏林皇家三一学院电子电气工程系的科研人员研究了基于硅（Si）微结构的一维光子晶体（1D PC）复合材料的光谱。该复合光子晶体基于Si空气结构设计，由两个具有不同晶格常数的周期性一维PC组成。其中，PC使用光刻法制备然后进行Si的各向异性化学蚀刻。科研人员结合使用了基于红外显微模式工作的傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪测量了该结构的反射和透射光谱。科研人员测量获得的透射光谱显示出扩展的光子阻带（SB）之间的特征透射带。理论和实验研究结果表明：扩展SB的位置不取决于复合结构内个体PC的顺序；一般而言，复合结构中的电场分布与各个PC组件的电场分布相似。
来自英国剑桥大学电子工程系光电系统研究中心的科研人员，通过蓝色微型二极管（μLED），雪崩光电二极管（APD）接收器在单波长上实现了PAM-32信号的调制生成方案，并在单根10m 低损耗阶跃型塑料光纤（SI-POF）上实现了10 Gb /s的双向数据传输。10 Gb/s LED-POF通信链路的建立包含双向配置过程，该配置使总体通信容量翻了一番,其中使用的APD由于与PIN光电二极管相比性价比更高，因此可提供更高的链路功率预算。此外，该方案提供的高频谱效率以及均衡技术，能够充分利用链路带宽，并且其中的光信号传输速率高于传统开关键控光信号的传输速率。仿真分析和实验结果证明了上述方案的可行性，并且在双向传输过程中，该方案同时实现了5Gb/s的数据传输，接受信号的误码率（BER）小于10-3（两个传输方向之间的串扰代价小于0.5dB）。

光传输
来自瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学信号与系统研究所的科研人员，为了研究波分复用（WDM）系统中波长信道的通信容量，对相关波长上的传输信号建立了统计分析模型（例如，假设所有波长的发射机都是彼此独立配置的，并且这些发射机具有相同的信号功率或者使用相同的调制格式）。研究结果表明：该模型的建立对单波长信息传输速率的配置有着深远的影响；基于此科研人员在建模分析的基础上实现了最大速率的波分复用系统配置。
来自台湾台中国立勤益科技大学电子工程系的科研人员，设计了一种新型具有高灵敏度和高分辨率的局域表面等离子体共振（LSPR）生化传感器，如图2所示。该传感器依据不同的功能分成了两个子组件，即单模光纤和金属阵列。位于传感器左侧和右侧的单模光纤用来输入和输出光信号。包含圆柱形纳米金属颗粒排列的金属阵列用作传感器的检测区域。为有效降低存储器容量和计算时间，科研人员提出了两种创新技术（即对象网格划分和边界网格划分）能与有限元方法相结合实现分析过程（即以三角形元素的面积为基础，以1：8：160：1600的比例对物体边界、小物体、中等物体和大物体进行网格划分）。基于改进的数值模拟方法和六个设计程序科研人员开发和分析了LSPR生化传感器。研究结果表明，新型LSPR生化传感器的性能优于目前两款商用高性能生化传感器，并具有长度较短（约430μm）、分辨率高（约-120dB）和灵敏度高（约127604nm/RIU）等潜在应用优势。

图2. 传感器的三维结构图像

光调制与光信号处理
来自爱尔兰都柏林城市大学无线电和光通信实验室的科研人员演示了一个100Gb/s短距离信号传输系统，并使用了基于增益切换单片集成激光器的多载波发射机。其中，具有12.5GHz自由光谱范围的光梳源是通过增益切换集成无源反馈激光器来实现的。实验中，100Gb/s波分复用单边带直接检测正交频分复用（WDM-SSB-DD-OFDM）系统在25km标准单模光纤上收发信号的频谱效率为1.8b/s/Hz；传输25公里后的接收灵敏度达到-14.2dBm。采用相位和幅度预补偿方法，科研人员还优化了SSB-OFDM调制过程，从而减少了信道间干扰并克服了由滤光器引起的功率衰落过程。
来自意大利米兰理工大学、德国通信工程研究所的科研人员研究证明：Colavolpe，Barbieri和Caire在2005年推出的迭代解调和解码算法需要采用引导符号来分析受相位噪声影响的信道。然而，引导符号降低了系统的频谱效率，并降低了通信吞吐量。科研人员研究证明：基于网格的解调过程可以用来引导迭代过程而不需要导频符号。此外，科研人员论述了基于网格解调的复杂性问题。研究结果证明，迭代之后的解调和解码性能实际上不受复杂度降低的影响，前提是解调器需保证无循环滑动操作。从测试的数值结果可以看出，对于与实际线宽相关的相位噪声分析过程可以采用无循环滑动操作完成，因此该方案中引入的相关算法计算复杂度降低。
目前，一些科研人员设计、制备并测量了低插入损耗和低串扰宽带的2×2马赫增德尔（Mach-Zehnder）开关，并将其应用于纳秒级光学数据路由系统中。科研人员提出了一个仿真方案来计算开关的频谱特性，并使用此特性设计了两个开关（一个基于定向耦合器，另一个使用两节定向耦合器以获得更大带宽）。研究结果表明，以推挽方式驱动的交换机能够牺牲光学带宽作为代价来降低插入损耗和光学串扰的影响（其插入损耗约1dB，在O波段45纳米光学带宽上光学串扰小于-23dB）。

光纤技术
来自韩国汉城延世大学光子器件的科研人员，分析了二硫化钨（WS2）薄膜的非线性光学特性，并通过实验证明了其作为非线性饱和吸收体在被动锁模光纤激光器中的应用潜力。科研人员制备了侧面抛光纤维（SPF），并覆盖WS2膜以提供有效渐逝场的相互作用过程。科研人员使用两种方法制备WS2膜：第一种方案是采用液相剥离方法形成少量层纳米片；第二种方案是采用化学气相沉积（CVD）法在SiO2基底上生长均匀的多层WS2，并通过旋涂WS2溶液或剥离SPF上的多层CVD的 WS2来制备两种SPF可饱和吸收剂。科研人员构建了一个全光纤环形腔，并将覆盖在SPF上的WS2薄膜与作为增益介质的掺铒光纤结合用作模式锁定器，如图3所示。他们使用旋涂的WS2 SPF产生了稳定的类孤子脉冲（具有5.6nm的光谱宽度和467fs的脉冲持续时间）。包含CVD的WS2 SPF的光纤激光腔产生了光谱宽度为8.23 nm，脉冲宽度为332 fs的孤子脉冲序列。科研人员进一步指出：WS2薄膜作为激光应用的新型二维非线性光学材料具有很高的实用价值。

图 3.光纤环形激光器配置图
来自印度加尔各答光纤光子事业部、中央玻璃和陶瓷研究所的科研人员，研分析了一种铋（Bi）掺杂氧化钇-铝硅酸盐玻璃（Y-Al-SiO2：Bi）的显微吸收性、荧光特性和拉曼散射特性。在与铝（Al）共掺杂的Bi掺杂二氧化硅纤维固中，科研人员确定了Bi原子和Bi相关荧光活性中心的空间分布趋势（集中在周围环状区域）。他们发现在该区域形成的纳米Bi簇，其显示特性很弱或无荧光产生。上述现象的产生被认为是造成泵信号重叠因子恶化的原因，并将降低基于Bi掺杂铝硅酸盐的光纤激光器和放大器的工作效率。
来自俄罗斯乌里扬诺夫斯克州立大学的科研人员在理论分析和实验研究中发现，高非线性正常色散增强光纤中光脉冲的演变已经成为热门研究方向。他们证明：在时间稳定的情况下，锥形波导中的光谱将增宽并且施加高质量脉冲压缩过程中需要线性频率调制过程。相关实验装置如图4所示。

图4. 实验装置
来自西班牙潘普洛纳纳瓦拉公立大学电气和电子工程系的科研人员，基于两种随机分布反馈光纤激光器的制备过程研发了窄带发射光信号的方案。他们已经测量了窄至3.2μm的谱线宽度；另外，科研人员还验证了多波长工作时相关光电器件设置的变化过程。上述方案都呈现出一种简单的拓扑结构（其中组合使用的相移光纤布拉格光栅和常规光纤布拉格光栅被作为滤波元件得到应用，如图5所示）。

图5.随机DFB光纤激光器的配置图
来自俄罗斯圣彼得堡国立大学放射物理系的科研人员，建立了相敏光时域反射仪（OTDR）中接收信号的统计分析模型（接收到的信号是由高相干源探测得到的）。其中，后向散射过程模型是由具有适当参数的一组离散散射体建模而成（可推导用于计算背向散射信号的幅度方程和相位方程）。该模型还预测了振幅信号的光谱及自相关特性，其预测结果与实验结果近似度较高。为了研究OTDR系统的实际传感应用过程，科研人员研究了其中相位信号的收发特性，证明了该模型的应用可行性和与实验结果的良好匹配性。科研人员进一步指出，分布式振动传感系统更详细的建模过程及其对光纤干扰的响应分析将成为未来值得关注的焦点问题。
来自荷兰代尔夫特理工大学纳米科学研究所的科研人员，设计了基于光子晶体平板两个级联腔的光学传感器。科研人员采用三维模拟过程分析了传感器谐振过程中的品质因数。他们发现，通过在总线通道中引入反射器并且通过控制两个腔和下降通道之间的耦合过程，可以显著提高工作效率。除模拟分析之外，科研人员还制备了两个腔体传感器，并测试了它对水和油渗透的光学响应过程。实验数据显示：水样和油样之间的折射率差为0.12（导致了18.3nm的波长偏移，该结果与20nm的模拟结果完全吻合并且具有153nm RIU-1的灵敏度）；水和油渗透的共振峰在其透射光谱中具有良好的选择性。他们进一步指出，该传感器可广泛应用于生物分析、化学检测和环境监测等领域。
来自加拿大多伦多大学电子与计算机工程系的科研人员研究发现，非线性相位噪声已成为长距离相干光纤通信系统发展过程中的主要限制因素视。实验结果表明：上述相位噪声依赖于信号本身特性，并且与时间变化过程函数相关。因此，他们提出了一种采用辅助代码期望的最大化算法来减轻非线性相位噪声负面影响。数值模拟仿真分析和实验研究结果表明，对于双偏振波分复用16QAM光通信系统中，采用上述算法后，其发射功率容差可以增加1.5dB，光学信噪比要求可以放宽0.3dB。