2018 年4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4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

香港中文大学信息工程系、浙江大学光学与电磁研究中心的科研人员研究发现， 在相干正交频分复用系统中，采用图像处理领域中的偏斜补偿技术可以有效补偿矩形信号星座由于共同相位误差而导致的旋转负面效应。科研人员设计了一种改进方案进一步降低了算法的复杂性，并且采用数值模拟的方法调查研究了数据测试量对结果的影响。科研人员比较分析了新型的改进算法和传统的盲相式搜索算法。研究结果表明，应用上述新型改进算法就能实现与传统导频辅助方法相当的信号收发性能。

日本千叶县古河电气有限公司的科研人员研究论证了在动态光路网络（DOPN）中进行色散补偿的过程。科研人员采用快速可调分布式放大啁啾采样光栅分布反射激光器、现场可编程门阵列（FPGA）泵浦控制器和基于光谱剪切干涉仪的快速色散监测器，搭建了一种基于四波混频过程的全自动参数可调色散补偿器（P-TDC）。色散监视器通过检测路径中色散的变化过程，将监视信号向前馈送至FPGA控制器。快速可调激光器可以通过改变参数值来设置其波长，从而进行色散补偿。科研人员在DOPN测试平台中进行实验，结果显示该色散补偿器具有小于17 ms的响应时间。实验结果表明，自主P-TDC具有亚毫秒级别的响应时间。

无源和有源光子器件

清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室的科研人员通过研究证明，傅立叶域锁模(FDML)激光器是一种出色的波长扫描源，可与高速光纤布拉格光栅（FBG）联合使用。当激光器应用于远程FBG传感时，由于激光器的扫描周期较短，传输延迟会导致传感信号偏离其实际位置，从而引起较大的波长解调误差。科研人员设计了一种用于延迟补偿的自动校准方法，主要实现过程是将具有波长标记的法布里-珀罗标准具插入到参考光路中以实时监测波长扫描过程中的非线性效应，使用插值算法可以计算出FBG的绝对响应波长。


图1 （a）FDML掺铒光纤激光器的实验装置（b）基于FDML光纤激光器的FBG传感系统

来自英国南安普顿大学光电研究中心的科研人员，设计了一种基于四波混频的新型相位敏感（PS）方案。科研人员增加参量衰减分量后发现当非线性相移低至0.3rad时，偏振器可实现理想的二进制阶跃相位传递过程（PS方案是通过采用极化混频锁相及正交极化信号与空载混合应用实现的）。

德国布伦瑞克工业大学的科研人员研发了一种能稳定应用于毫米（mm）波领域的新型技术，其中毫米（mm）波是通过干扰频率梳的两条谱线产生的（频率梳是由飞秒光纤激光器产生）。为了补偿激光器的重复频率漂移过程，科研人员通过调制过程提取梳状线以使得mm波趋于稳定。实验研究发现，该新型技术可以产生稳定的高质量毫米波，其载波偏移量为10 kHz时，谱线宽度为1 Hz，相位噪声为-134 dBc / Hz。


图2 高质量稳定毫米波生成的实验装置图

日本筑波国家先进工业科学与技术研究所、电子与光子学研究所的科研人员，实验证明了基于二氧化硅的T形悬浮氮化硅环形谐振器的可行性。与类似设备相比，该谐振器可以在保证高品质因数的同时，增强与周围环境的互动性。谐振器是由一个波导宽度为1.3μm的定向耦合器和一个曲率半径为20μm的环形结构组合而成；在消光比约为9.2dB时，自由光谱范围为5.48nm的1550.4nm波长处，可以获得较高的品质因数值（谐振器的灵敏度约为247nm / RIU）。科研人员证明，该谐振器具有广泛的光学传感应用前景。

韩国首尔延世大学物理与应用物理研究所和光子器件物理实验室的科研人员，研发了基于锥形光纤饱和吸收体（SA）的全光纤锁模激光器（该激光器是封装在WS2纳米片中的）。科研人员使用标准火焰刷涂方法制造了锥形光纤（其相互作用长度为3mm，腰径为10和15μm）。科研人员采用液相剥离法后通过渐逝场的相互作用，沿着锥形光纤的相互作用长度制备光学沉积的WS2纳米片。科研人员制备了一个环形锁模激光器，可产生锥形直径为10μm的SA进行脉冲传输（该脉冲的持续时间为369 fs，3dB的光谱带宽为7.5 nm）。另一方面，若使用腰径为15μm的锁模器来传输脉冲，该输出的脉冲脉冲持续时间为563fs，3dB带宽为5.2nm。实验研究结果证明，腰径较小的锥形纤维拥有更宽的光谱带宽、更快的脉冲持续时间和更窄的3dB带宽。

新加坡科学技术研究局数据存储研究所的科研人员在分布式反馈激光二极管中对λ/ 4相移异质III-V / Si的横向折射率耦合光栅进行了性能分析。横向折射率耦合光栅具有无畸变横模分布的优点（层数和光栅长度的变化与耦合系数有关，耦合系数与光栅中心间距成反比）。III-V脊宽度为2至4μm和蚀刻深度为120至240nm时，耦合系数的范围在100到330cm-1之间。科研人员采用基于二维有限元模型的热阻抗计算后发现最大可能的光输出功率范围在2到6 mW之间。

俄罗斯圣彼得堡国立信息技术大学的科研人员分析了矩阵型CCD准直器系统，并以以较低成本实现了相关光电子器件与激光器的对准过程（在采用脉冲激光测距仪的方案中，激光发射器轴与测距仪的准直轴进行了精确匹配）。上述系统有助于解决光电器件通过不同接收通道实现准直轴高精度对准的问题。

光传输

加拿大多伦多大学电气和计算机工程系的科研人员在1800公里传输范围内，成功实验验证了具有三个特征值的非线性频分多路复用（NFDM）信号的调制和无误差检测过程。实验中，科研人员通过独立的开关键控信号进行调制，从而形成了用于非线性光纤传输的3位NFDM符号。


图3 NFDM信号传输的实验设置图

目前，科研人员设计了一种在128 Gb / s双偏振8-正交调幅（DP 8-QAM）密集波分复用（DWDM）系统中使用根多项式（RP）脉冲来减轻光纤非线性负面效应影响光信号传输的方案。RP脉冲具有快渐近衰减率、低峰均功率比和窄脉冲宽度等特性，因此可以一定程度上容忍通道内非线性效应、数模转换器量化效应和定时恢复误差的负面影响。在25GHz信道间隔的9通道DWDM传输实验中，RP脉冲传输的最大距离为4800公里，相对于平方根升余弦形状脉冲，传输距离延长了300公里（再循环回路的长度）。


图4  DWDM传输实验装置图

光调制与光信号处理

华中科技大学光电信息工程学院的科研人员设计了一种基于双FBG的射频（RF）光纤干涉仪，该光纤干涉仪主要用于数公里到几十公里的远程测量领域。科研人员采用网络分析仪扫描频率的方法在微波域中检测干扰谱（当光载波经长距离往返生成微波干涉后，波长差的变化转变成RF相位差的变化）。该传感器具有易复用、抗随机扰动、自适应温度等优点，尤其是与可进行普通波长调节的光学传感器相比，其测试灵敏度更高。科研人员使用6.5km长的单模光纤（SMF）进行了光栅应变过程的测量，在SMF中实现了53.57 kHz /με的高灵敏度测量过程。


图5 基于FBG的RF干涉过程示意图

大阪大学电子信息工程学系的科研人员，设计并制备了一种电光空间光调制器，该调制器是通过周期极化MgO：s-LiTaO3薄晶体中的波导来进行调制的。在355 nm波长处，该调制器可以实现精确的调制过程（当采用10 V低电压驱动时）。在高达2.7kW / cm2的光强下，相关波导在超过1000小时的寿命测试过程中，在模式应用和透光率方面具有良好的稳定性能。

光纤技术

金士顿罗德岛大学电气和生物医学工程系的科研人员研究发现：在应变测试和温度传感领域，基于光纤传感技术的太赫兹（THz）光栅在体现了一定的实用性，其原因是它可基于更高阶的谐振峰值在有限的动态范围内提高测试灵敏度。如果使用较低阶的谐振峰值进行感应可以获得更大的动态范围，但是要以降低精度为代价。科研人员设计了一种使用飞秒激光器研制的π相移太赫兹光纤布拉格光栅（能够在更大的动态范围内检测到应变过程，并且与传统方法相比可提高测量精度）；他们设计的第二种太赫兹光栅结构与第一种相似（同一根光纤上串联），但其没有π相移结构。科研人员建立并分析了上述器件的理论模型，并证明了该模型与实验观察到的器件物理学性能匹配。

西安微波科学与技术国家重点实验室和中国空间技术研究院空间无线电技术研究所的科研人员基于双平行马赫增德尔调制器（MZM）和不对称功率分配器设计了一种线性模拟光子链路的实验系统。科研人员调整射频信号的功率分配比使得系统中两个子调制器的三阶互调失真（IMD3）相互平衡。科研人员通过实验研究分析了功率分配比对IMD3抑制性能的影响。实验结果显示，当功率分配比为0.1时，IMD3抑制约62.1dB；与单MZM的应用方案相比，该方案在1Hz带宽内的无杂散动态范围提高了23 dB。

美国斯坦福大学先进材料实验室的科研人员设计了一种调整光谱吸收特性的方法，该方法可应用于基于金属材料镜上超薄平面吸收半导体膜制备过程中。科研人员通过调整金属超材料的填充率来改变波长大小，从而使其在固定厚度的损耗膜中进行强吸收；通过控制金属超材料镜上有损薄膜入射光的反射相位实现调谐过程。
 
马来西亚大学工程学院电气工程系综合光波研究组的科研人员设计了一种简单两环结构基于六方晶格光子晶体光纤（PCF）的生物传感器，该传感器具有表面等离子体共振（SPR）现象，可将活性等离子体金层和分析物（样品）放置在光纤结构外部，代替放置在气孔内部实现更加简单直接的制作工艺流程。此外，该传感器的双折射特性能还可以显著改善测试灵敏度。科研人员采用有限元法（FEM）对导向特性和传感性能进行了数值研究。通过改变波长和振幅，该传感器可以达到的最大灵敏度分别为4000nm / RIU和320 RIU-1，分辨率分别为2.5×10-5和3.125×10-5 RIU。实验结果表明，PCF生物传感器可用于生物和生化分析物检测过程。

华东师范大学精密光谱学国家重点实验室的科研人员认为红外光谱学在应用科学和基础科学中发挥着重要的作用，因此过去的几十年间，很多学者都致力于研究红外光谱的测量。近年来，基于频梳激光器的傅里叶变换光谱仪由于其快速准确的测量过程而引起了很多科研人员的研究兴趣；但是红外光谱仪的检测灵敏度仍然需要进一步提升。目前，科研人员采用同步激光源的波长可调频率上转换检测技术设计了一种基于单光子级别的具有高检测灵敏度的高效红外光谱仪；该光谱仪转换效率高，背景噪声低，能在单光子水平下成功检测硫化氢气体的红外透射光谱。实验研究结果表明，该光谱仪在气体监测和远程光谱分析中具有潜在应用价值。

意大利比萨圣安娜高等学校的科研人员设计并研发了一个 用于差分正交相移键控信号检测的超小型集成硅接收器，该接收器是基于两个可调谐硅绝缘体微环谐振器和四个集成锗光电探测器制备的。实验研究结果表明，该接收器可探测的信号速率范围在10到20GBd之间。

上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的科研人员，设计并制备了一种在1 到3 GHz光纤带宽内基于受激布里渊散射（SBS）效应的高选择性矩形滤光片。科研人员采用双级泵分流装置使滤波器的选择性提高了16 dB以上，并且在2 GHz光纤带宽内滤波器的选择性超过40 dB。科研人员使用精确的数字反馈补偿和非线性效应管控技术，对滤波器进行了精心设计，并采用相干检测技术评估放大信号的信噪比，分析了单、双级滤波器的噪声性能。实验研究结果表明，与单级滤光片相比，双级滤光片有更高的选择性，在改善噪声性能方面也更优异。科研人员表示，由于内在性能调整的灵活性和对噪声性能的改进特性，SBS滤波器在微波光子学领域具有广阔的应用前景。

哈尔滨工程大学自动化学院的科研人员研究证明：在偏振复用相干光纤通信系统中，传统的正交频分复用（OFDM）信号和离散傅里叶变换扩展OFDM（DFT-S-OFDM）信号通过牺牲高频区域中零填充副载波的波特率减轻了频率衰落负面效应，或用较长的循环前缀（CP）来消除残余码间干扰（ISI）。为了进一步优化OFDM信号的收发性能，科研人员提出采用离散的菲涅耳变换扩展OFDM（DFnT-S-OFDM）方案完成在时间和频率双维度上进行信息有效传播的方案；同时，科研人员还设计了一种具有低复杂度编码过程的新型预编码方案。 仿真研究结果表明，与常规OFDM信号相比，DFnT-S-OFDM信号能更有效地减少频率衰落过程；与DFT-S-OFDM信号相比，DFnT-S-OFDM信号能更好地抵抗残余ISI。