光纖在線特邀編輯：邵宇豐，陳烙，陳福平，申世魯
2016年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：傳感器、傳輸和光波導、調(diào)制技術、波長轉(zhuǎn)換、光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)、無源器件、半導體有機激光器和放大器等，筆者將逐一評析。
1. 傳感器
在過去幾十年，光纖傳感器因為具有抗電磁干擾和抗化學腐蝕的特點,被廣泛地應用于物理或化學參數(shù)的測量過程中。這些光纖傳感器主要基于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）設計而成，采用光纖耦合器將具有不同波導長度的MZI雙臂耦合在一起，一條臂用作感應臂，另外一條用作參考臂，感應臂暴露出來與外界環(huán)境變量相接觸（如溫度），參考臂則與外界隔離開來。隨著外界環(huán)境變量的改變，感應臂的波導長度也隨之改變，從而引起MZI雙臂的光相位差發(fā)生改變，然后通過分析MZI輸出的干擾信號就可以得到待測值。這一類傳感器的結(jié)構(gòu)小巧、制造簡單、成本低廉。不過，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)光纖MZI傳感器只采用了兩個光纖耦合器，由于波長的解調(diào)是在光域中完成，然后才使用光譜分析儀（OSA）進行測量，這往往降低了傳感器的靈敏度，另外，由于OSA的分辨率和反應速度都比較低，從而降低了傳感器的分辨率和反應速度。為了提高傳感器的性能，各種新的配置和制造技術被不斷地開發(fā)出來，如纖芯芯經(jīng)失配或錯位的MZI傳感器、拉錐光纖MZI傳感器、光纖微腔MZI傳感器、溝槽型MZI傳感器、布拉格光柵光纖MZI傳感器，其中溫度傳感器是研究者們的關注焦點。上述傳感器雖然性能都很出色，但由于它們復雜的結(jié)構(gòu)以及脆弱的機械性能，在實際系統(tǒng)中真正應用起來還是比較困難，并且也都是在光域完成波長解調(diào)后再使用OSA分析，致使傳感器的性能無法得到提升。因此，關于高靈敏度、快速調(diào)制速度、高分辨率的全光纖MZI傳感器的研究仍然是一個 熱門課題。另一方面，將光電振蕩器（OEO）應用于全光纖傳感器系統(tǒng)中能夠大幅度提升傳感器的靈敏度、波長解調(diào)速度以及分辨率，這一類的傳感器有折射率傳感器、溫度傳感器、橫向負荷傳感器等。同基于OSA傳感器相比，OEO傳感器是在時域獲取微波頻率，且測量值可以精確到Hz，表現(xiàn)出更高的靈敏度和分辨率。 來自加拿大渥太華大學微波光子學研究實驗室的研究人員，最近提出了一種基于OEO全光纖MZI溫度傳感器的系統(tǒng)方案，如圖1所示，該系統(tǒng)是由寬帶光源、MZI、色散補償光纖、光電探測器等器件構(gòu)成。OEO采用光譜分割寬帶光源，其振蕩頻率由OEO環(huán)路中的單通微波光子濾波器（MPF）來決定，兩個１ｘ２光纖耦合器將MZI雙臂耦合在一起，寬帶光源發(fā)出的光信號經(jīng)過MZI時被整形成正弦波形，然后傳輸?shù)絆EO，MZI輸出信號波形和頻率響應如圖2所示。MZI自由光譜區(qū)間（FSR）隨著測量溫度的變化而變化，由于MPF的中心頻率與FSR存在對應的函數(shù)關系，所以溫度的變化值會轉(zhuǎn)化成OEO振蕩頻率的變化值，當FSR發(fā)生微弱的變化時就會引起OEO微波信號頻率大范圍的改變，極大地提升了傳感器的分辨率。利用數(shù)字信號處理（DSP）技術在時域中獲取微波頻率，使得傳感器的反應速度也得到了提高。研究人員通過實驗證明，基于OSA全光纖MZI溫度傳感器的靈敏度達到了3.7MHz/°C。除了高速率、高分辨率、高靈敏度的特性外，該傳感器還可以用于遠距離溫度探測，因為MZI可以放置在遠離OEO環(huán)路的地方，這也是該傳感另外一個優(yōu)勢。

圖1  基于OEO傳感器的通信系統(tǒng)方案圖

圖2  MZI輸出光譜和單通MPF的頻率響應
2. 傳輸和光波導
光波導和光耦合器是光子集成電路中最基本的構(gòu)件,有關光波導傳輸損耗的測量方法也在一些文獻中被屢次提及到，如截斷法和基于法布里-珀羅反射法。截斷法對多個設備之間的耦合因子的變化較敏感，這就導致測量值波動范圍比較大，從而需要測試更多的設備來降低波動范圍，基于法布里-珀羅反射法則對端面反射率較敏感。測量光耦合器的耦合因子一般會受到插損的影響，其中光纖與波導之間的非對稱耦合損耗是導致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差的直接因素。這些問題也許可以通過諧振微環(huán)或者MZI的光譜分析方法來解決，對于諧振微環(huán)的光譜分析必須要用到曲線擬合的方法，這就要求將幾個設備拆分開來以獲取耦合損耗和波導傳輸損耗或者可靠的耦合機制。基于MZI的光譜分析，是通過一個定向耦合器和一個多模干涉耦合器或兩個Y分支來構(gòu)成一個非對稱型馬赫-曾德爾干涉儀（UMZI）來完成。但是，這些已有的分析方法只能夠得到耦合器的耦合因子，如果想獲得波導傳輸損耗則需要多個測試值。來自美國加利福尼亞大學電子與計算機工程部的研究人員，最近提出了一種新型的可同時測量光波導傳輸損耗和功率耦合器的耦合因子的方案。該方案是基于非對稱型馬赫-曾德爾干涉儀（UMZI）輸出信號的頻譜分析方法，僅僅只需要一個單一的測試結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由兩個2x2耦合器（不一定相同）構(gòu)成，通過提取UMZI輸出光譜的消光比就可以計算出每個耦合器的耦合因子和波導傳輸損耗，且不需作任何的擬合處理。這種測量方法對光纖-波導耦合損耗不敏感，因此在不需要知曉光纖-波導耦合因子的前提下就可以獲得準確的待測值。

圖3  UMZI原理圖及UMZI輸出信號的光譜

3. 調(diào)制技術
發(fā)光二極管（LED）除了用于照明的同時還可以用于數(shù)據(jù)的傳輸，LED的大調(diào)制帶寬、固有的保密性的優(yōu)點為室內(nèi)可見光通信（VLC）在未來無線通信應用帶來巨大的潛能，并在學術界和工業(yè)領域受到廣泛的關注。將單載波脈沖調(diào)制技術（開關鍵控，OOK）應用在VLC中，可有效地降低系統(tǒng)的復雜度及成本。正交頻分復用（OFDM）是一種多載波調(diào)制技術，因其具有高頻帶效率和能夠降低碼間干擾的特點而被大范圍利用。在VLC系統(tǒng)中，采用強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）進行信號傳輸，且時域信號都為正值而沒有負值，因此直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）技術被提出來應用在VLC中，DCO-OFDM是利用厄密特共軛和直流偏置來產(chǎn)生正值信號。但是，DCO-OFDM的能耗比較大，因為直流偏置不會攜帶任何信息。非對稱限幅光正交頻分復用（ACO-OFDM）可以彌補這點不足，在頻域上，ACO-OFDM中只有偶數(shù)載波被占用，負值信號在時域中被削減掉，由于僅僅只利用到了一半的子載波，使得ACO-OFDM的頻譜利用率不高。為了獲得高頻譜利用率，利用多載波調(diào)制與其它類型調(diào)制聯(lián)合在一起的混合調(diào)制方案成為目前研究的趨勢。一種方案是將ACO-OFDM和DCO-OFDM結(jié)合在一起，讓偶數(shù)載波承載ACO-OFDM信號，奇數(shù)載波承載DCO-OFDM信號。另外一種方案是混合型ACO-OFDM（HACO-OFDM），這是最近提出來的一種方案，該方案中使偶數(shù)載波承載ACO-OFDM信號，奇數(shù)載波承載脈幅調(diào)制離散多音（PAM-DMT）信號，與傳統(tǒng)的ACO-OFDM調(diào)制方案相比，該方案具有更好的性能和較高的頻譜利用率。但是，這些混合調(diào)制方案的計算復雜度都很高，無法滿足為多個服務終端提供不同的服務品質(zhì)。來自清華大學信息技術研究所的研究人員，最近首次提出了一種新型ACO-OFDM（NACO-OFDM）調(diào)制的VLC通信系統(tǒng)方案，該方案是基于OOK和ACO-OFDM的混合調(diào)制。首先，在傳統(tǒng)的ACO-OFDM基礎上提出了負極性ACO-OFDM調(diào)制技術，以匹配OOK的“斷開”情況，然后對NACO-OFDM信號加載直流（DC）偏置，該DC偏置可由OOK的“開啟”信號來提供，傳輸?shù)臅r域信號。該方案不僅具有高頻譜效率，還能夠匹配不同復雜度的接收器。研究人員的仿真結(jié)果表明，在VLC中，ACO-OFDM和OOK信號都得能夠在接收端被很好地恢復出來。

圖4  HACO-OFDM-OOK系統(tǒng)的信號傳輸方案圖

圖5  時域中信號傳輸示意圖
4. 波長轉(zhuǎn)換
光信號的時鐘通常是由與輸入電信號同步的光脈沖源產(chǎn)生，電信號的時鐘成分可由時鐘恢復技術來提取，但電器件的帶寬有限，這種技術會導致信號傳輸速率受到抑制。來自日本電氣通信大學的研究人員，最近提出了一種光時鐘在光域自行產(chǎn)生的全光轉(zhuǎn)換方案。研究人員關于歸零-開關鍵控(RZ-OOK)到歸零-差分相移鍵控(RZ-DPSK)之間的轉(zhuǎn)換性能研究表明，此系統(tǒng)表現(xiàn)出更突出的靈活性能，不過功率損耗要比傳統(tǒng)方案（包括一個光脈沖源、光電二極管(PD)、時鐘恢復(CR)）的功率損耗多出2dB，主要是因為產(chǎn)生的光時鐘出現(xiàn)了額外的時間抖動效應。RZ-OOK信號通過兩個級聯(lián)的3dB耦合器被分成三部分。第一部分是用來產(chǎn)生光時鐘，其中的全光時鐘發(fā)生器(AOCG)是由可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器(T-FPF)、摻鉺光纖放大器（EDFA）、帶通濾波器（BPF）、外腔激光器（ECL）、光放大器(SOA)和延時干涉儀(DI)構(gòu)成。AOCG可以從輸入的RZ-OOK信號中提取任意波長的時鐘成分，然后通過ECL對波長進行調(diào)節(jié)。實驗測的最優(yōu)光時鐘功率為5.34dBm，在該最優(yōu)功率下不僅可以獲得較高的光信噪比，而且還可以抑制非線性效應對信號的惡化。第二部分和第三部分分別用于傳輸載波波長為1561nm和1550nm的信號，它們輸出脈沖寬度分別為22.73ps 和26.11ps，BPF的3dB帶寬為0.3nm，可實現(xiàn)對信號的脈沖寬度進行拓展。光時鐘在第二個高非線性光纖（HNLF）中會受到較強的非線性效應，因此，光時鐘的脈沖寬度必須要小于RZ-OOK信號的脈沖寬度。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)光時鐘自行成技術在未來的光信號處理系統(tǒng)中潛能巨大。

圖6  全光RZ-OOK到RZ-DQPSK轉(zhuǎn)換方案的系統(tǒng)圖
5. 光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)系統(tǒng)是實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術，當采用自適應調(diào)制時，可替代其它方案，如多頻帶離散傅里葉變化擴頻正交頻分復用或奈奎斯特整形單載波系統(tǒng)，與直接檢測(DD)聯(lián)合一起則可以很大程度地降低設備成本，不過光功率的預算會受到很大的限制。有研究人員在MB-OFDM無源光網(wǎng)絡（PON）中利用DD和帶寬分配技術中，對于信號帶寬為2.5 GHz，比特率分別為2.5 Gb/s 和 1.25 Gb/s時,光網(wǎng)絡單元（ONU）的功率預算達到了20 dB 和 25 dB，當MB-OFDM信號中包含多個OFDM頻帶時，光纖非線性造成的功率損耗會大幅度地增加。來自葡萄牙里斯本大學電子與計算機工程系的研究人員，最近提出一種高頻譜效率的MB-OFDM-PON方案，該方案使用了虛擬載波(VC)和 DD技術，光接入網(wǎng)的上、下行鏈路均采用一對VC傳輸DD-MB-OFDM信號至ONU，ONU采用單邊帶(SSB)發(fā)射器，結(jié)合反射式半導體光放大器和光濾波器，可以很好地抑制VC-OFDM邊帶以及直流偏置引起的雜波。實驗結(jié)果表明，在速率為2.5 Gb/s時，該系統(tǒng)可同時容納128個用戶，傳輸距離可達到20公里，在速率為10Gb/s時，該系統(tǒng)可同時容納128個用戶，傳輸距離達到10公里。

圖7   a，DD-MB-OFDM PON方案結(jié)構(gòu)圖；b，實驗方案圖；c，MB-OFDM信號不同傳輸階段的光譜
近年來，智能移動通信設備迅速普及并成為人們生活中不可或缺的一部分，但現(xiàn)有的無線通信帶寬難以滿足用戶的需求。混合光纖-無線（FiWi）網(wǎng)絡技術是將光纖網(wǎng)絡和無線接入融合在一起的技術，依靠海量帶寬的回程/去程光網(wǎng)絡，無線通信可獲得超高數(shù)據(jù)吞吐量（VHT）。FiWi網(wǎng)絡依靠的兩個技術平臺，分別是光纖無線通信（RoF）技術、光纖-無線聯(lián)合通信（R&F）技術。RoF網(wǎng)絡是利用光纖作為模擬信號傳輸媒介，使用特殊的遠程天線發(fā)射無線信號，在無線覆蓋區(qū)域內(nèi)為移動用戶提供接入網(wǎng)服務。一方面，通過中心站，RoF網(wǎng)絡能夠為用戶提供高效的、無縫覆蓋的、超高速傳輸?shù)臒o線移動數(shù)據(jù)；另一方面，依靠獨立的MAC協(xié)議，R&F網(wǎng)絡為光纖通信和無線通信提供了一個智能型的接入控制平臺，使數(shù)據(jù)在在兩者之間進行快速交換。R&F網(wǎng)絡形成的這種靈活性多層體系結(jié)構(gòu)模式，能夠避免冗余的光纖數(shù)據(jù)回傳，并對服務分散化處理，從而克服了光纖最大長度的限制。關于RoF通信，各種信號的產(chǎn)生和傳輸技術已經(jīng)相當嫻熟，以及包括根據(jù)服務終端、服務切換和網(wǎng)絡編碼（NC）的要求向RoF系統(tǒng)中添加一些新功能的技術。其中NC在無線通信和無源光網(wǎng)絡領域一直是研究人員的研究重點，因為借助NC技術，依靠更有效的資源利用率可以進一步提升網(wǎng)絡吞吐量。但是，物理層NC技術的應用大部分集中在無線通信和光網(wǎng)絡上，只有一小部分光物理層網(wǎng)絡編碼（OPNC）技術適合于FiWi網(wǎng)絡。這些FiWi-OPNC系統(tǒng)依據(jù)RoF理論，采用正交偏振復用，通過提升光功率進行模擬型PHY編碼，以應對RoF-NC增加的復雜度。首次用于RoF網(wǎng)絡的數(shù)字型OPNC技術方案最近也被提了出來了，其中利用了光放大器（SOA）-MZI作為光福載波調(diào)制-開關鍵控（SCM-OOK）的異或（XOR）門編碼器。來自希臘亞里士多德大學信息學院的研究人員，在RoF-OPNC基礎上提出了一種應用于FiWi網(wǎng)絡的數(shù)字型OPNC技術方案，在兩路光副載波調(diào)制-開關鍵控（SCM-OOK）數(shù)據(jù)流之間，利用光放大器-馬赫-曾德爾干涉儀（SOA-MZI）的異或門作為中端編碼器進行編碼和解碼。

圖8  FiWi-OPNC系統(tǒng)方案圖

圖9   編碼和解碼的時間表征圖

圖10  OPNC實驗方案圖

6. 無源器件
鈮酸鋰馬赫-曾德爾調(diào)制器在對多階電信號調(diào)制過程中表現(xiàn)出良好的相移線性度，而一些驅(qū)動電壓小于3V的商用調(diào)制器,其移相器長度基本在厘米級別，這不利于系統(tǒng)高密度的集成和封裝。鎵銦磷砷半導體正交相移鍵控(QPSK) MZM，其驅(qū)動電壓在1-2V低區(qū)間，移相器長度處于毫米級別，但插入損耗比較大，因此需要額外的光放大器來補償損耗，反而增加了系統(tǒng)成本。來自日本橫濱國立大學電子與計算機工程系的研究人員，最近提出了一種在硅基MZM上實施QPSK調(diào)制和四進制脈幅調(diào)制（4-PAM）的方案, 硅基MZM使用PN結(jié)相互交錯的晶格旋轉(zhuǎn)光子晶體波導(LSPCWs)作為移相器。因為LSPCW產(chǎn)生的慢速光波具有較寬的工作頻譜，相比于諧振腔具有更大的優(yōu)勢。在該實驗論證過程中，盡管研究人員使用了光相位調(diào)制器，但如果完全對I和Q 信道的干涉情況進行估計還是相當?shù)睦щy，所以研究人員只對開關鍵控（OOK）MZM的相偏進行了估計，OOK-MZM移相器的設計封裝類型與QPSK-MZM相似。實驗結(jié)果表明，QPSK信號傳輸速率為15Gbaud（30Gb/s）時，其誤差向量（EVM）低于20%，在使用射頻均衡濾波器后，為保持該水平的EVM值時，QPSK信號傳輸速率可達到28Gbaud（56Gb/s），而對于4PAM信號，其傳輸速率則可達到15Gbaud（30Gb/s）。

圖11  硅基LSPCW QPSK調(diào)制器
7. 半導體有機激光器和放大器
近年來，波長可調(diào)諧光學雙穩(wěn)態(tài)器件引起研究人員的關注，它主要應用于全光邏輯運算、光控波長濾波器、模數(shù)光轉(zhuǎn)換器等。研究人員利用半導體激光放大器活性區(qū)域載流子的非線性，結(jié)合其反饋響應，來獲得雙穩(wěn)態(tài)條件。垂直腔半導體光放大器（VCSOA）具有體積小、光纖耦合效率高、功率損耗小、成本低優(yōu)點，而且在反射模式運行下的VCSOA具有不同類型的光學雙穩(wěn)態(tài)�；�于離散的能量水平結(jié)構(gòu)，將納米級量子點（QD）引入VCSOA的活性區(qū)域，可以提升器件的性能如增加飽和功率、抑制碼型效應、提高器件運行速度。通過對VCSOA器件加載電壓，則可以調(diào)節(jié)雙穩(wěn)環(huán)寬度或者諧振波長。在實際應用中，使VCSOA與輸入信號進行精確耦合是很困難的，這是因為傳統(tǒng)VCSOA的光譜增益幅度非常小，如果VCSOA的諧振波長在外部就可以進行解調(diào)，則可確保VCSOA諧振波長與輸入波長精確匹配�，F(xiàn)已有的多種調(diào)節(jié)VCSOA諧振波長的方法，如利用微電子機械系統(tǒng)（MEMS）進行溫度調(diào)節(jié)和腔模調(diào)節(jié)，后者是利用MEMS改變腔體長度來輸入波長與諧振波長相匹配。當分布式布拉格發(fā)射鏡（DBR）置于MEMS上面時，將會增加制造工藝的復雜度以及降低DBR傳輸?shù)目煽啃阅�。來自約旦科技大學電子工程學院的研究人員，最近提出了一種新型的可調(diào)諧雙穩(wěn)態(tài)器件方案，該方案是采用電子方式調(diào)節(jié)諧振波長并控制QD-VCSOA雙穩(wěn)環(huán)的形狀和寬度，通過對MEMS施加額外電壓提高VCSOAde 雙穩(wěn)態(tài)性能。


圖12  可調(diào)諧VCSOA的橫切面示意圖