2018 年3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3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
    来自南京大学光通信工程研究所的科研人员研究发现， 相敏光时域反射仪（OTDR）可通过连续探测脉冲来测算瑞利背散射下干涉衰落的模式方差值，并支持沿传感光纤动态测量外部的干扰。即使没有干扰，由于光源频率漂移（LSFD）的影响， OTDR接收到的迹线缓慢并具有显著失真。科研人员研究证明，这种迹线到迹线的慢失真加剧了捕获低频响应的难度。经过实验验证，基于激光频率扫描和互相关计算的有源补偿方法可以有效抑制LSFD（实验方案如图1所示）。采用主动补偿方法，可以实现对LSFD的跟踪，并且可以极大地抑制迹线到迹线的失真。在平均频率漂移速度为1.68 MHz / s的情况下，可以成功识别出0.5 Hz的振动效应，这将OTDR传感系统的应用领域扩展到了准静态测量领域。

图1 采用主动补偿方法的实验方案

无源和有源光子器件
    来自中国科学院半导体研究所全固态光源实验室的科研人员，详细分析了能支持高功率工作的1×4全光纤功率分配器，并进行了首次实验演示。他们采用融合锥形技术和熔接拼接技术制备的分光器是由一根芯直径为400微米的输入光纤和四根芯径为200微米的输出光纤组成。科研人员在高达166W的激光功率下对该分配器进行了测试。测试结果表明，分配器实现了0.56 dB的低损耗，并且在端口到端口的功率分配比例中，具有小于0.3 dB的优异均匀性。采用三维光束传播法的数值模拟仿真结果表明，通过修改结构参数，该分路器的性能可以得到进一步优化。 
    来自天津工业大学理学院的科研人员设计了一种集成3×3耦合器耦合，具有双环慢光结构（DRSLS）的光学陀螺仪。科研人员详细分析了用于提高角速度检测灵敏度的技术，并推导了反向传播间DRSLS旋转相位差的表达式。在实验中，Y波导集成相位调制器用作光束分离器和组合器，通过向调制器施加方波后，科研人员测试了系统响应的最佳灵敏度，实验证明信号检测的复杂度也大大降低了。
    来自英国南安普顿大学光电研究中心的科研人员提出并证明了一种基于四波混频的相位敏感（PS）实验方案，该方案通过显著增加参量衰减分量（在非线性相移低至0.3rad时），由偏振器实现理想二进制阶跃相位传递函数的功能。PS方案是通过极化混频锁相和正交极化信号与空载混合获得，此方案是采用双泵矢量参量放大器设计的。
    来自中国北京国家计量院、天津大学光电子信息技术教育部重点实验室的科研人员，设计使用频率梳和可调激光器进行绝对距离测量的方法（在射频区域可以获得许多拍频分量）。拍频信号的相位可以确定传输距离。通过略微调整频率梳的重复频率，可将传输距离扩展到105米。
    来自广东省光子传感与通信重点实验室、暨南大学光子技术研究所的科研人员，分析研究了基于超细纤维布拉格光栅（mFBGs）和钯镀层的氢气传感器。由于与涂覆的钯膜层具有瞬逝场相互作用，当它暴露于浓度为5％的氢环境中时， 3.3μm的光栅反射峰将会偏移-1.08nm， 由此产生的波长偏移比传统单模光纤中产生的波长偏移要高26倍。通过理论计算和分析测试结果，在较强的渐逝场中较薄的光栅可实现较高的检测灵敏度（温度灵敏度仅仅增加了27％，反射峰移的响应时间约为60s）。
    来自印度德里国立技术学院物理系和应用科学系的科研人员，设计了一种工作在近红外区域的基于氟玻璃-银-石墨烯等离子体激元结构的表面等离子体共振传感器。科研人员详细分析了石墨烯化学势（μ）与石墨烯层数（L）相结合对传感器性能的影响。实验研究结果表明，对于石墨烯单层（L=1）结构，当0.7 <μ<1eV时，传感器可以稳定工作。

光传输
    来自葡萄牙里斯本大学电气与计算机工程系和电信研究院的科研人员，通过理论分析和实验验证表明，采用虚拟载波辅助直接检测技术及分配2.85GHz的接收器带宽可以搭建100Gb/s超密集多频带正交频分复用（MB-OFDM）系统（采用了9个频带间隔为6 GHz、带宽容量为11 Gb/s的OFDM频带信号）。该系统能够在低复杂度的情况下实现单频带提取，并且提供较高的间隔尺寸、灵活性和可扩展性，适用于大城市通信接入网络的应用。实验结果表明，在误码率低于前向纠错门限的情况下，沿着城域网九个频段的100Gb/s MB-OFDM信号成功完成了150公里的传输。科研人员发现，当信号发射到每个光纤跨度的光功率电平在0到4 dBm范围内时，其信号的传输损耗类似于背对背系统。
    来自加拿大渥太华大学电子工程与计算机科学学院微波光子学研究实验室的科研人员，提出并实验研究了一种基于相位调制的光纤微波传输信号。在发射机中，科研人员使用包含相位调制器（PM）的萨尼亚克（Sagnac）回路产生了两个正交偏振的光信号，其中一个是经过相位调制的，另一个则未经过调制，直接作为远程光学参考信号。正交偏振光信号通过单模光纤（SMF）传输到极化和相位分集相干接收机，并且在接收机进行相干检测。由于经过相位调制的信号和参考信号都是通过相同的SMF传输的，所以两个信号的光学相位相关，并且可以采用数字信号处理算法来恢复原始信号。实验结果表明，与不使用光相位相关参考信号的相位调制和相干I / Q解调链路相比，该传输链路的传输距离从50米扩展到了100千米，并且实现了-9.5 dB的链路增益和115.8 dB·Hz2 / 3的无杂散动态范围（SFDR）。
    来自韩国大田电子通信研究所与材料研究实验室的科研人员基于低成本波分复用的数据中心网络设计了一种多通道、λ/ 4位移的分布式反馈激光二极管阵列（DFB-LDA）。科研人员分别利用选择性生长和电子束光刻技术控制每个通道的增益谱和发射波长。为了降低功耗并提高DFB-LDA的通道均匀性，科研人员引入了平面埋置异质结构（PBH）设计，并且以台面形式（即蚀刻的台面PBH）蚀刻包含有源区和电流阻挡结构的区域。科研人员研究表明，一个8通道300μm长抗反射（AR）且具有λ/ 4偏移的DFB-LDA阈值电流为10 mA，±1.5 mA，并且所有通道的边模抑制比均超过50 dB。该LDA的传输实验结果显示，在10 Gb / s传输速率时，在2 km传输后功率损失小于2 dB。
    来自爱尔兰都柏林城市大学电子工程学院无线电和光通信实验室的科研人员，采用光纤注入锁定技术分析研究了一个独立四输出波长的解复用器，并实现了放大和功率均衡性能的测试过程。他们将每个输出波长的光功率从-30dBm放大到5 dBm，并引入了12.5GHz和6.25GHz两种输入间隔的变化验证了解复用器的灵活性。他们还在100km距离奈奎斯特超密集波分复用网络中对解复用器的系统性能进行了测试（其中奈奎斯特极化分频多路复用信号是采用正交相移键控编码的）。实验研究结果表明，与400kHz线宽梳状源激光器相比，该设备在1.5e-2误码率下的接收灵敏度为1.5dB。

光调制与光信号处理
    来自美国亚特兰大佐治亚理工学院、中国上海国家宽带网络与应用工程研究中心的科研人员，分析了400 GE单载波电子时分复用信号的生成与检测过程（其中的信号是基于120GBd 脉宽调制及四级脉冲幅度调制的信号而生成）。科研人员发现，通过使用新型预均衡方案，信号收发性能得到显著改善。实验结果表明，当该信号的传输速率达到480Gb/s时，引入20％的前向纠错开销仍然能够维持该信号以400 Gb/s的速率进行传输。
    来自意大利比萨圣安娜高等学校的科研人员，设计了用于解调波分复用（WDM）差分相移键控信号的紧凑型器件，该解调器集成在带有半导体光学前置放大器的磷化铟（InP）平台上。他们采用半导体光放大器和自组阵列波导光栅（AWG）制备了光子集成电路（用于狭窄滤波条件下实现WDM信号的解调）。实验研究表明，在八路100GHz间隔AWG的输出通道上，能实现了56Gb/s信号的解调。
    来自越南胡志明市理工大学电子工程系和电信工程系的科研人员，通过实验研究分析了使用有机发光二极管（OLED）的可见光通信（VLC）系统。尽管是采用差分脉冲位置调制和比较器来简单集成的可见光通信系统，但其比特率达到了OLED 3dB调制带宽比的19.7倍。因此，该系统要比很多对VLC采用复杂调制、均衡和同步算法的类似系统更有应用价值。科研人员研究发现，如果采用异步传输方法法，该系统在在同样传输距离上可实现比特传输速率为其他类似系统的四倍。值得注意的是，该系统是首次使用OLED在138kb/s比特率和40厘米传输距离条件下实时传输VLC信号的通信系统。
    来自美国加利福尼亚州斯坦福大学电子工程系光子学和网络实验室的科研人员，实验验证了在含色散补偿的100公里标准单模光纤密集波分复用系统中使用封装可调谐激光器的可行性，并验证了采用10Gb/s磷化铟（InP ）马赫增德尔（Mach-Zehnder）调制器可以实现56 Gb/s四电平脉冲幅度调制信号的电光调制过程（如图2所示）。科研人员考虑到该系统存在的限制传输因素，例如带宽、残余色散、光纤非线性和激光频率漂移，因此他们对这些参数进行了讨论分析。实验研究结果表明，该方案可以应用于数据中心互连的光网络中，并可提供大于4Tb/s的通信容量。

图2  56 Gb / s PAM信号的100公里传输方案

    来自华为技术有限公司深圳传输技术研究部的科研人员研制了一种8×8灵活波长交叉连接开关（FWXC），它支持无竞争特性的柔性栅格波长分配切换过程。科研人员发现，目前应用的大多数开关具有插入损耗大和端口易串扰的特点；而FWXC是一种支持四方向的紧凑无色、无方向、可重构的光学分插复用器。科研人员对10G、40G、100G的混合信号进行了测试；结果证明：测试到的光信噪比（OSNR）损耗小于0.25 dB。

光纤技术
    来自重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室的科研人员对被动锁模光纤激光器中的偏振切换过程进行了实验研究，该激光器是采用高度非线性元件（通过将还原的氧化石墨烯沉积到纤维锥上）形成，具有饱和吸收效应和高非线特性。科研人员增加了泵浦功率，把激光从自脉冲模式转换到矩形脉冲模式，显示出了不同的偏振转换特性。在低泵浦功率下，偏振开关效应很弱。在足够高的泵浦功率下，科研人员发现激光器的极化切换变得明显，并且开关频率可达基本腔往返频率的两倍。除了对特定的高泵浦功率研究之外，随科研人员还首次介绍了该激光器的工作流程，这为在锁模激光器中开发更完整的偏振转换动力学理论模型提供了有用信息。
    来自西班牙巴斯克地区大学毕尔巴鄂高等研究所的科研人员，介绍一种易于制备且具有高度灵敏的光纤温度传感器。该装置由一个光学超细纤维模式干涉仪组成，其中干涉仪是嵌入在用于包装材料的高热光系数聚合物中的（如图3所示）。温度是改变聚合物折射率的一个因素，因此干涉模式之间的相位差导致了干涉图案显著的波长偏移。科研人员在20°C至48°C范围内对传感器进行测试，其温度灵敏度为3101.8 pm /°C。研究结果表明，该传感器的简单性和优异性能，使其在多种应用中具有广泛前景。

图3 测量设置的原理图

    来自上海市固体激光应用重点实验室和中国科学院上海光学精密机械研究所的科研人员，构建了一个可在1000到1099 nm范围内连续调谐的Yb掺杂线性极化光纤环振荡器，并且研究了光纤环振荡器的放大效应（特别是在1000-1025nm短波长范围内的放大效应）（如图4所示）。科研人员采用全光纤单模偏振保持主振荡功率放大器，实现了在1010到1090 nm波长范围内超过10 W的输出，并在1014到1080 nm波长范围内实现了超过30 W的输出。当波长小于1020nm时，插入的带通滤波器可以抑制自发辐射放大过程。科研人员研究发现该振荡器的应用范围很广泛，包括Yb掺杂固体的激光冷却应用也可用到它。


图4 可调谐光纤激光器的配置图

    来自天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室的科研人员，制备并研究了钛内扩散铌酸锂（Ti：LiNbO3）带状波导中的电光长周期光栅（其中的带状波导是嵌入平面波导中的）（如图5所示）。该电光长周期光栅的制备从沿Z轴切割的钢板开始，经历了平面波导、带状波导、SiO2缓冲层和周期性电极的集成工艺过程。实验研究证明，在1.1到1.3μm波长范围内可以观察到节距为675μm的抑制带，在360 V驱动电压下可获得27 dB的最大对比度。科研人员发现该频带随着电压增加而出现线性红移现象。当电压从100V增加到500V并且持续1分钟时，频带偏移值约160nm。科研人员认为原因是平面波导和条形波导中不同的光折射效应导致电压的增加引起频带线性红移，从而使得对比度下降。

图5近场测量实验装置示意图

    来自武汉理工大学理学院与光纤传感技术国家工程实验室的科研人员，采用新方案制备了金纳米棒（GNR），同时用磷脂酰胆碱（PC）优化了用于氢氧化铵检测的表面。十六烷基三甲基溴化铵是GNRs的保护剂，它在氯仿溶液中可加强GNR氢氧化铵的灵敏性。科研人员通过紫外-可见（UV-vis）光谱、ζ电位测量、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜进行了实验。采用PC取代后，科研人员测量出UV-vis光谱纵向等离子体吸收带（LPAB）中的蓝移为9.2nm，并且该ζ电位值降低了16.8mV。通过UV-vis光谱表征对氢氧化铵的响应，科研人员发现在LPAB强度和氢氧化铵量之间存在线性关系，并且每1％氢氧化铵（g / ml，NH3重量相对于待测溶液体积）能获得11.46 a.u.的灵敏度。当氨含量高达0.065％时，响应时间为180±30秒。科研人员发现，用PC改进的GNR最低检测容限为0.004％，远低于工业中广泛使用的电容型氢氧化铵检测（0.1％）。实验结果证明，PC改性的GNR作为氢氧化铵传感器具有潜在的应用前景。
    来自中国计量学院光电技术学院和湖北工业职业技术学院电气与信息工程学院的科研人员，将基于单模-薄芯-单模光纤的夹层结构的Mach-Zehnder干涉仪插入到光纤环形激光腔中，形成了激光弯曲传感器。该传感器对温度不敏感，具有约0.61dBm的输出光强度和高达约63dB的光信噪比，可实现约0.01nm的窄光谱宽度和约1.04nm / m-1的良好弯曲灵敏度。