光纖在線特邀編輯：邵宇豐 王煉棟

    2014年10月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光信號傳輸、調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    來自澳大利亞南澳大學(xué)電信研究所的研究人員提出了一種基于可見光通信（VLC）的室內(nèi)定位系統(tǒng)。與當(dāng)前存在的其他可見光通信（VLC）定位系統(tǒng)相比，文中所提出的系統(tǒng)在三維空間中估計接收機(jī)的位置時，可以不需要下列嚴(yán)格的條件：1）知道接收機(jī)相對于地面的高度；2）要求接收機(jī)的法線方向與發(fā)光二極管（LED）的法線方向一致。由于這種定位系統(tǒng)使用現(xiàn)有的照明光源做為發(fā)射機(jī)，因此具有較低的安裝成本。接收機(jī)所需要的光線感應(yīng)器和加速度計，在大多數(shù)智能手機(jī)中都有配備，因此大多數(shù)智能手機(jī)都可作為接收機(jī)使用。光線感應(yīng)器和加速度計主要用于測量所接收到的光強(qiáng)度以及智能手機(jī)的方向。最后使用一種低復(fù)雜度的算法，來找出接收機(jī)的位置。這種定位系統(tǒng)不需要獲取光源中發(fā)光二極管（LED）的物理參數(shù)。實驗結(jié)果表明，文中介紹的這種室內(nèi)定位服務(wù)系統(tǒng)平均位置誤差可達(dá)到小于0.25米。

    在下一代無線通信系統(tǒng)中引入了幾個關(guān)鍵性的重要技術(shù)。小蜂窩（Small-cell）和云無線接入網(wǎng)絡(luò)（cloud-RAN）系統(tǒng)已被認(rèn)為是有前途的解決方案，以滿足未來無線接入網(wǎng)絡(luò)的容量需求。此外，利用高頻無線頻帶（例如毫米波頻帶）是另一個擴(kuò)展頻譜的方向，可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。從網(wǎng)絡(luò)角度來看，一個具有高容量、低延遲和可靠回程/去程（backhaul /fronthaul）的網(wǎng)絡(luò)對支持先進(jìn)的無線接入技術(shù)是非常重要的。因此，微波光子技術(shù)在下一代無線通信的綜合光無線接入系統(tǒng)中可以發(fā)揮重要的作用。來自美國佐治亞理工學(xué)院電子與計算機(jī)工程系的科研人員首先回顧了一些用于新一代5G無線通信的關(guān)鍵要點(diǎn)和實現(xiàn)技術(shù)，然后介紹了一種多業(yè)務(wù)小蜂窩（Small-cell）、基于微波光子技術(shù)的無線接入架構(gòu)（云光載無線網(wǎng)絡(luò)）。通過小蜂窩（Small-cell）與云無線接入網(wǎng)絡(luò)（cloud-RAN）相結(jié)合，在綜合光無線接入系統(tǒng)中具備了多頻帶傳送能力，而文中所提出的體系結(jié)構(gòu)可以用簡單靈活的方式實現(xiàn)高速多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；這一點(diǎn)的論證是通過在一個在建的云光載無線測試平臺上，實時進(jìn)行全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）通信而實現(xiàn)的。在一個融合平臺中，要求分別用兩種不同的方法提供傳統(tǒng)服務(wù)和面向未來的高數(shù)據(jù)率毫米波服務(wù)，科研人員對此也進(jìn)行了分析和總結(jié)。


無源和有源光子器件
來自意大利米蘭理工大學(xué)電子信息與生物工程系和意大利思科系統(tǒng)公司的研究人員介紹了一種緊湊型（小于0.65平方毫米）的硅光子可變延遲接收機(jī)，主要用于差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)，其中包含一個裝有集成可調(diào)延遲線的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）。這種接收機(jī)的延遲線是通過在反射結(jié)構(gòu)中采用熱驅(qū)動耦合諧振器光波導(dǎo)（CROW）來實現(xiàn)的，使馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）的延遲在66皮秒到102皮秒范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)可控，因此接收機(jī)的性能也得到優(yōu)化，可以在9.8G至15 G符號/秒之間的任何符號速率下檢測差分相移鍵控（DPSK）信號。延遲線調(diào)諧的原理很簡單，僅有兩個環(huán)形諧振器需要控制，并且能對熱效應(yīng)進(jìn)行有效補(bǔ)償，這種熱效應(yīng)是在高輸入功率情況下，由硅的非線性特性所導(dǎo)致的。研究人員還對這種接收機(jī)能否擴(kuò)展應(yīng)用到100 G符號/秒的系統(tǒng)中，以及接收機(jī)可以實現(xiàn)的最大調(diào)諧范圍進(jìn)行了論述。


來自意大利光子網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實驗室、國家工業(yè)技術(shù)中心和圣安娜高等學(xué)校的研究人員，介紹了第一種以光子學(xué)為基礎(chǔ)的全數(shù)字相干雷達(dá)系統(tǒng)的完整設(shè)計和演示情況。文中所推薦的雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)依賴于一種具有很高靈活性的新型光收發(fā)器，它能夠根據(jù)軟件定義的無線電模式，產(chǎn)生和接收任意波形和載波頻率的信號。該系統(tǒng)的核心是一個單一的鎖模激光器，這種激光器固有的相位和振幅穩(wěn)定性，使其能夠在極寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高質(zhì)量載波，并能以前所未有的高精度直接對高頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理。文中還介紹了在現(xiàn)場試驗驗證的詳細(xì)情況，重點(diǎn)聚焦在光子收發(fā)器、天線的前端以及進(jìn)行數(shù)字信號處理的過程�，F(xiàn)場試驗是在真實場景中，所測的目標(biāo)也是預(yù)先未知的，測試結(jié)果證明了雷達(dá)系統(tǒng)的出色性能。最后，研究人員還介紹和討論了雷達(dá)系統(tǒng)對空中和海上目標(biāo)探測的結(jié)果。

    來自美國德雷塞爾大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的科研人員討論了使用商用設(shè)備對可重構(gòu)天線進(jìn)行光學(xué)控制的技術(shù)。這些技術(shù)被應(yīng)用到一種方向圖可重構(gòu)平面天線上，用來集成光控電路，對布置在每個象限的微帶散熱器進(jìn)行開關(guān)折疊。通過微帶元器件之間的切換，所設(shè)計的天線可以生成單個全向或四個定向的方向圖，在2.4 G赫茲的無線局域網(wǎng)范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配�？蒲腥藛T研究了兩種可能的光學(xué)控制技術(shù)：1）具有開關(guān)作用的P-i-n型光電探測器，2）光敏晶體管控制的射頻（RF）P-i-n型二極管開關(guān)。對于后一種技術(shù)，研究人員進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)值模擬和實驗分析，討論了在可重構(gòu)天線上采用射頻（RF）開關(guān)時的優(yōu)點(diǎn)和局限性。最后，研究人員還收集了輸入阻抗和輻射方向圖的測量值，用以驗證文中所提出的可光學(xué)控制的天線設(shè)計，并與采用標(biāo)準(zhǔn)電控制技術(shù)的天線進(jìn)行了比較。

    對于在光通信中的一些關(guān)鍵應(yīng)用環(huán)節(jié)，利用光子芯片中的非線性光學(xué)效應(yīng)已被證明是非常有效的。微波光子處理器（MWP）也可以受益于采用這樣的技術(shù)，于是就產(chǎn)生了非線性集成微波光子處理器的新概念。在這里，人們看到了芯片上使用非線性光學(xué)效應(yīng)的潛力，可以使處理器具有更強(qiáng)的性能來進(jìn)行射頻信號處理。來自澳大利亞悉尼大學(xué)物理學(xué)院光子學(xué)與光科學(xué)研究所光學(xué)系統(tǒng)超寬帶設(shè)備中心的研究人員回顧了在這個領(lǐng)域最近取得的一些成果，尤其關(guān)注于創(chuàng)建頻率捷變和使用片內(nèi)受激布里淵散射的高抑制微波帶阻濾波器。研究人員還討論了非線性集成微波光子處理器未來的發(fā)展前景，目標(biāo)是使之成為一個通用的、可編程的模擬信號處理器，以及緊湊的、高性能的有源微波濾波器，并且能源利用效率更高。 

來自美國布茲-艾倫-漢密爾頓公司等的研究人員回顧了過去十年間，由美國國防部先進(jìn)研究項目局（DARPA）所資助的這個課題上的進(jìn)展。資助所獲得的最先進(jìn)研究成果主要用于微波光子器件以及微波光子鏈路配置，前者包括低噪聲激光二極管、電光調(diào)制器和高功率光電二極管；后者包括光子下變頻、可重構(gòu)光學(xué)濾光器和光學(xué)鎖相環(huán)。在無雜散動態(tài)范圍（SFDR）內(nèi)，這些資助的研究已經(jīng)帶來了性能上的顯著改善。對性能的測量結(jié)果如下：在16 GHz下使用寬帶外調(diào)制鏈路時，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）超過115分貝•Hz2/3；在10 GHz下使用子倍頻電光調(diào)制器時超過120分貝•Hz2/3；在100 MHz下使用光學(xué)相位鎖定回路作為線性相位解調(diào)器時接近135分貝•Hz2/3；在5 GHz下使用光學(xué)濾波、下變頻和預(yù)失真補(bǔ)償時超過125分貝•Hz2/3。

光信號傳輸
    來自日本大阪大學(xué)工程研究生院電氣電子與信息工程系的研究人員，回顧了用于光纖傳輸系統(tǒng)和光載無線（RoF）傳輸系統(tǒng)的數(shù)字相干技術(shù)，介紹了這項技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，并對未來進(jìn)行了展望。研究人員回顧了數(shù)字相干技術(shù)的兩個關(guān)鍵點(diǎn)：相干接收機(jī)和對光纖中非線性效應(yīng)引起損傷的補(bǔ)償技術(shù)。接下來，介紹了一個100 G數(shù)字相干長距離光纖傳輸系統(tǒng)的商用配置，以及研制400 G和400 G以上傳輸系統(tǒng)所帶來的挑戰(zhàn)。最后，文中關(guān)注的焦點(diǎn)又回到數(shù)字相干光載無線（RoF）傳輸系統(tǒng)上，研究人員介紹了日本一個正在進(jìn)行中的政府資助研發(fā)計劃，名稱是“具有高度復(fù)原性的光及無線無縫通信系統(tǒng)的靈活部署能力”，是在2011年3月日本大地震之后啟動的項目，旨在建立一個光纖和毫米波頻帶的無線無縫傳輸系統(tǒng)。最前沿的光載無線通信技術(shù)用于當(dāng)前社會的實際需要，是尖端科技應(yīng)用的一個很好范例。

    上世紀(jì)70年代末80年代初，美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室通過研究在光纖上開發(fā)了超穩(wěn)定的射頻傳輸系統(tǒng)，這一技術(shù)成功運(yùn)用在國家航空航天局深空網(wǎng)絡(luò)計劃中的全球三大站點(diǎn)上，到目前已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了三十多年。在當(dāng)前和未來的每一個深空任務(wù)中，這種光載射頻傳輸系統(tǒng)是支撐跟蹤、導(dǎo)航以及通訊功能的關(guān)鍵。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行，使得今天在每一個深空跟蹤天線網(wǎng)絡(luò)和世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡上，都采用射頻光子學(xué)做為技術(shù)基礎(chǔ)。這種光載射頻傳輸系統(tǒng)也部署在美國國家航空航天局的陸基和空基行星成像及測繪雷達(dá)上。這些系統(tǒng)還是今天有線和無線行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施——商用光載射頻網(wǎng)絡(luò)的前身。來自美國加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校和噴氣推進(jìn)實驗室的研究人員在本文中提供了一些關(guān)于美國國家航空航天局天線陣列和雷達(dá)系統(tǒng)的闡述，其中光載射頻傳輸起到了十分重要的作用。

調(diào)制與光信號處理
    來自中國南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室的研究人員提出了一種新的方案，用于實現(xiàn)高性能光學(xué)單邊帶（OSSB）調(diào)制，并通過實驗進(jìn)行了驗證；這種光學(xué)單邊帶（OSSB）調(diào)制技術(shù)是以一個雙驅(qū)動器的馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）和一個120°混合耦合器為基礎(chǔ)的。射頻信號被120°混合耦合器分為兩部分，這兩部分信號的功率相等，相位相差120°，然后分別送入雙驅(qū)動器馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）的兩個射頻端口。加上適當(dāng)?shù)闹绷髌�置，就可以生成一個帶有-1階和+2階邊帶（或+1階和-2階邊帶）抑制的光學(xué)單邊帶（OSSB）信號。研究人員還進(jìn)行了數(shù)值模擬和概念驗證實驗。與以往基于90°混合耦合器的光學(xué)單邊帶（OSSB）調(diào)制技術(shù)相比，在光載無線通信系統(tǒng)或光學(xué)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中應(yīng)用這種新的光學(xué)單邊帶（OSSB）調(diào)制技術(shù)，可以使+2階（或-2階）邊帶的抑制能力有明顯改善。
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    在電場誘導(dǎo)力的作用下，會引起帶電粒子和介電電泳產(chǎn)生類似液體流動的效果，基于這種原理，來自中國重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實驗室的研究人員提出了采用光纖法布里-珀羅干涉儀測量高電壓的方案，并對此進(jìn)行了驗證。研究人員通過建立一個二階方程式，表述了電壓信號和輸出光信號之間的關(guān)系。在實驗中，兩個7千伏、50赫茲的正弦信號，以及幾十千伏的瞬時脈沖信號被用作測試電壓源。實驗結(jié)果表明，當(dāng)施加的電壓源為脈沖電壓時，輸出光信號呈現(xiàn)出的波形近似二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。公式推導(dǎo)揭示了這種測量方案的線性特征和在實驗中的二次電壓效應(yīng)。至于對50赫茲的交流電壓信號進(jìn)行測量實驗，所輸出的光波形顯示與原信號只有0.1毫秒的延遲。由此可見，理論分析和實驗結(jié)果具有良好的一致性。此外，方案中也沒有要求用到昂貴的材料和偏振裝置。研究人員表示，文中所提出的這種測量傳感技術(shù)還具有測量高脈沖電壓或周期性高電壓的潛力。