光纖在線特邀編輯：邵宇豐，陳烙，陳福平，趙云杰
2017年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖傳感器、光調(diào)制與光信號處理、無源和有源光子器件、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、光信號傳輸?shù)龋�筆者將逐一評析。
1. 光纖傳感器
基于雙馬赫曾德爾干涉儀（DMZI）的干涉型光纖傳感器能夠檢測和定位光纖上的擾動，它可以通過時延估計（TDE）技術(shù)實時獲取位置。由于其響應(yīng)速度快，靈敏度高，被廣泛應(yīng)用于周邊環(huán)境安全監(jiān)測，管道損壞檢測和海底電纜安全測試等領(lǐng)域。由于使用低雙折射單模光纖，DMZI傳感器會受到偏振相移（PIPS）和偏振衰落（PIF）的影響，干涉光束在環(huán)狀光纖傳輸時，PIF是由其偏振態(tài)（SOP）中的隨機波動引起的。為了獲得高定位精度，可以采用偏振補償方法來調(diào)整SOP。一種方法是通過偏振抖動進行偏振抑制相位補償，其目的是為了使兩個傳感光纖的相對偏振變換相同。一種方法是最小化或最大化強度，在這種方法中，通過調(diào)節(jié)偏振控制器（PC），使輸出信號的最大值和最小值之差的補償點與SOP相匹配。這兩種方法都具有改進程度不高和調(diào)整耗時較長的缺點。雖然已經(jīng)開發(fā)了優(yōu)化搜索最佳補償點的算法，但PC仍然需要收集大量的數(shù)據(jù)樣本，也不能保證結(jié)果是否是全局最優(yōu)的。最近，來自天津大學(xué)精密儀器與光電工程學(xué)院的研究人員，提出了一種改進的偏振補償方法，以消除偏振引起的信號相移和衰落，并提高基于雙馬赫-曾德爾干涉儀的干涉型光纖傳感器的定位精度。在該方法中，通過使用兩個偏振控制器（PC）來同時補償SOP，以消除DMZI傳感器中的PIPS和PIF，并采用兩個偏振分束器（PBS）來監(jiān)視SOP，將獲得結(jié)果反饋給PC。最優(yōu)偏振調(diào)整的補償策略是基于極化狀態(tài)的有向補償（SOP），其具有PC干擾光快速調(diào)節(jié)和精細同步的優(yōu)點。實驗研究證明，定位誤差在±30m以內(nèi)�；�于DMZI傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。窄線寬激光輸出信號在耦合器C1處被均勻地分成兩路光束，分別通過循環(huán)器C2和C3，然后傳輸?shù)接神詈掀鰿4和C5形成的DMZI。 當(dāng)兩個光束沿感測臂反向傳播時，在PC1，PC2和相位調(diào)制器（PM）共同作用下，并在耦合器干擾之前兩個光束保持平行輸出，最后通過耦合器C6和C7分別傳輸?shù)絇BS1和PBS2中。

 圖1 基于DMZI的分布式光纖傳感器及其偏振補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2. 光調(diào)制與光信號處理
空間光束的近軸衍射與時域波形的色散在數(shù)學(xué)上是等價的（即時空二相性），該特點對高速光信號處理的發(fā)展起著重要推動作用，如使用較低帶寬檢測來表征快速光波的時域放大，光纖鏈路的線性和非線性失真補償，以及通過頻譜分析或電域格式轉(zhuǎn)換（即光時分復(fù)用到波分復(fù)用）來進行時域測量的快速光波形的時間-頻率映射。時域透鏡（TL）對輸入波形在時域上施加二次相位調(diào)制，其表示時域?qū)��?yīng)的空間薄透鏡，它是實施上述信號處理功能的主要元件。構(gòu)建TL的一個簡單方法是采用正弦調(diào)制波形來驅(qū)動電光相位調(diào)制器，然而，通過電光裝置實現(xiàn)的相位調(diào)制數(shù)量和相關(guān)的頻率啁啾相對有限，從而影響了該方法的整體性能（例如時域分辨率）。另外，采用常見的非線性光學(xué)現(xiàn)象來構(gòu)建TL，其顯著的特點是四波混頻（FWM）具有較長的啁啾光泵浦脈沖。不過，F(xiàn)WM在非線性介質(zhì)中需要對色散進行精確的控制，并且還應(yīng)在所要求頻率帶寬上確保嚴(yán)格的相位匹配條件。更重要的是，TL的關(guān)鍵參數(shù)（即頻率啁啾）在FWM方案中難以調(diào)諧，這是由于需要控制泵浦脈沖的頻率啁啾。相比之下，也可以通過XPM與拋物型泵浦脈沖構(gòu)建TL，在該方法中，TL頻率啁啾與拋物型泵浦脈沖的峰值功率成正比，但該方法實施復(fù)雜度及成本都比較高。最近，來自加拿大國立科學(xué)研究院的研究人員，提出了一種全光可重構(gòu)的時頻轉(zhuǎn)換（T-to-F）和光波的時域放大方案，該方案主要是基于交叉相位調(diào)制（XPM）誘導(dǎo)的時間透鏡結(jié)合群速色散的原理，其實驗結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。通過利用的峰值功率對時間透鏡啁啾的直接依賴性，可以容易地調(diào)整T-to-F轉(zhuǎn)化率和放大系數(shù)。 在概念驗證實驗中，使用光纖方案對T-to-F轉(zhuǎn)換和皮秒光波的時域放大進行了論證，其中通過控制光放大器，T-to-F轉(zhuǎn)化率和放大倍數(shù)均可以提高兩倍。

 圖2全光可重構(gòu)XPM-TL信號處理系統(tǒng)的實驗結(jié)構(gòu)圖
3. 無源和有源光子器件
雪崩光電二極管（APD）因為具有檢測和轉(zhuǎn)換微弱的光信號到電信號的能力，在各個領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，如醫(yī)學(xué)影像學(xué)、天文學(xué)、量子密碼學(xué)，和光學(xué)遙感技術(shù)。此外，APD和相關(guān)電路的應(yīng)用也相當(dāng)關(guān)鍵。通常情況下，APD通常以兩種方式運行，稱為線性模式和蓋革模式。當(dāng)APD偏置接近但低于擊穿電壓時，其工作在線性模式，否則在其他模式下。如果APD偏置有偏差，即使單光子吸收也能夠觸發(fā)一個自我維持的雪崩電流，它可以在數(shù)十個皮秒期內(nèi)迅速上升到毫安電平，該情形下APD也稱為單光子雪崩二極管（SPAD）。為了描述和預(yù)測SPAD的特征，必須建立一個精確的SPICE模型�；�本上，可以通過兩種方法建立SPAD模型，其中一種是采用等效電路，另一種是基于Verilog-A語言。在2007年有研究人員首先提出了APD的綜合SPICE模型，該模型可以模擬自我維持和自熄過程。在2009年有研究人員提出了上述的增強模式，其考慮了更多的物理效應(yīng)，包括從二極管端子，正向和第二擊穿區(qū)域的電流積累的宏觀描述。然而，收斂的問題依然存在。有研究人員提出了一種基于Verilog-A模型，采用連續(xù)可微函數(shù)來克服收斂問題，由于連續(xù)可微函數(shù)來自分段線性函數(shù)，擬合精度相對較低。最近，來自南京東南大學(xué)的研究人員提出了一種改進的單光子雪崩二極管（SPADs）收斂模型方案，其中工作在不同反向偏置電壓下的SPAD的定性特性可由等效電路表示，利用Verilog-A語言來描述SPAD的電流-電壓（I-V）的定量特性，SPAD模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。基于砷化銦鎵 SPAD 探測器的橫截面如圖4所示，SPAD是具有內(nèi)部光電流倍增的半導(dǎo)體檢測器，對于垂直結(jié)構(gòu)，它與陰極，陽極和殼體端子接觸一起包含三個不同的層，其頂部是專門用于單光子檢測的30um光學(xué)有源區(qū)，波長范圍為0.92~1.67um。 吸收區(qū)域用于更有效地檢測和吸收光子。乘法區(qū)域用于通過施加極高的電場來加速雪崩過程。對于工作在不同模式下的檢測器，采用分段擬合方法來實現(xiàn)更高的擬合相干性。 所提出的模型可以模擬由于光子吸收的檢測器的點火，以及自維持和自熄過程。SPAD I-V測量數(shù)據(jù)的擬合精度達到99％。此外，該模型可以有效地應(yīng)用到電子設(shè)計自動化工具，如Cadence的Spectre，支持電路和SPAD探測器之間的集成仿真。

 圖3 SPAD模型結(jié)構(gòu)圖

圖4 基于砷化銦鎵 SPAD 探測器的橫截面 
量子級聯(lián)激光器（QCLs）是最有應(yīng)用前景的中紅外激光源，因為它具有高性能和緊湊的尺寸，可以在不同領(lǐng)域中應(yīng)用，如氣體檢測和自由空間光通信領(lǐng)域。分布式反饋（DFB）激光器也已被廣泛研究，在制作DFB QCLs的過程中，光柵置于脈沖噪聲防護（InP）包層的頂部或者下方，這種光柵又稱為表面光柵或掩埋光柵。 DFB QCLs的表面光柵經(jīng)常受其內(nèi)在弱耦合強度和表面等離子體損耗的影響，所以閾值電流密度和功耗都比較高。相反，掩埋光柵DFB QCLs可以在低閾值電流密度和低功耗下工作，這得益于它的強耦合和低光損耗。但是，空腔中的過耦合限制了激光模式，會導(dǎo)致輸出功率過低。因此，掩埋光柵DFB QCLs的腔長度不能過長，這會限制輸出功率。采樣光柵是一種可以解決過耦合問題的有效方案，除了增加腔長度外，擴大脊寬也可以提高QCLs的輸出功率。錐形QCLs可以獲得更大的有效脊寬，并可以保持基本橫向模式運行。在以前的研究中，有研究人員設(shè)計了實現(xiàn)小光束發(fā)散角的錐形QCLs。

    掩埋采樣光柵覆蓋在整個波導(dǎo)上，從4.65微米到4.89微米四種不同波長的單模DFB QCLs能夠被同時制造出來。小角錐形QCLs的擴大增益面積相當(dāng)于QCLs14微米的脊寬度并且長度相同，因此輸出功率提高了約40％。為了使基本橫向模式操作可以獲得良好的光束質(zhì)量，但對于脊寬度為14μm的設(shè)備是不可能實現(xiàn)的。最近，來自中國科學(xué)院的研究人員，通過組合小角度錐形結(jié)構(gòu)埋置采樣光柵，能夠在室溫連續(xù)激光（CW） DFB QCLs實現(xiàn)從4.65μm至4.89μm的四種不同波長的輸出，其功率得到顯著的提高，在CW工作過程中邊模抑制比（SMSR）高于25 dB，單模工作可以實現(xiàn)超過130 mW的功率輸出，并可取得增益面積小于1.25，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。


 圖5 小角錐形QCLs的三維結(jié)構(gòu)圖（a），波導(dǎo)參數(shù)（b），光學(xué)顯微鏡圖像的輸出面（c），覆蓋層的截面（d） 
由于許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，太赫茲光纖應(yīng)用是一個重要在研究方向。太赫茲的頻率范圍0.1-10 THz之間，其應(yīng)用范圍非常廣泛，如傳感器，生物技術(shù)，成像，光譜學(xué)，通信，天文，無創(chuàng)成像等，但是絕大多數(shù)介電材料在這個頻率范圍上表現(xiàn)出極高的傳輸損耗。此外，現(xiàn)在大多數(shù)的太赫茲系統(tǒng)仍然依賴于自由空間傳播。為了克服在實際光通信系統(tǒng)中與太赫茲技術(shù)相關(guān)的障礙，關(guān)于不同類型的光纖設(shè)計已被報道出來。干燥空氣是無損材料，但是如果介質(zhì)波導(dǎo)由干燥空氣限定，則模場擴展到波導(dǎo)外部，并且可能導(dǎo)致高的彎曲損耗。在多孔光纖中使用圓形氣孔設(shè)計以降低損耗，并且在0.98THz至1.15THz的太赫茲傳輸中使用平坦的分散波導(dǎo)。與此同時，有研究人員研究了八邊形多孔光纖，設(shè)計的光纖有效材料損失（EML）是0.076 cm-1/ THz。在2014年報道的類似八邊形多空的結(jié)構(gòu)，能夠進一步減少EML。在該報道中，使用商品名為TOPAS的環(huán)烯烴共聚物作為纖維材料，其核心孔率為61.76％，芯直徑為390μm，以獲得最佳設(shè)計性能。這種多孔芯纖維在1.0-1.8THz頻率范圍內(nèi)只有0.056cm-1的超低吸收損失和接近零的平坦色散。基于相同的TOPAS材料，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)的多孔芯六邊形纖維，其EML為0.066cm-1。隨后，通過利用結(jié)構(gòu)的雙重不對稱性設(shè)計了高雙折射多孔芯光子晶體光纖(PCF），圓形孔洞降低了光纖制備難度。最近,來自阿德萊德大學(xué)的研究人員提出了一種新型的具有較低EML的光纖，該光纖由開槽的芯和開槽的包層組成的，其幾何結(jié)構(gòu)如圖6所示。實驗結(jié)果表明，在高頻率的條件下該光纖具有非常低的色散和低損耗。


 圖6 EML光纖的幾何結(jié)構(gòu)圖 
光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)

在無源光接入網(wǎng)絡(luò)（PON）中，由于對故障區(qū)域進行自動檢測定位能減少運營成本，縮短系統(tǒng)停機時間。為了克服光時域反射儀（OTDR）的局限，有研究提出基于光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)的方案，在每個終端光纖的末端配置一個無源編碼器。在中心站（CO），需要網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)算法來檢測接收信號的所有碼元。碼間干擾會導(dǎo)致錯誤的檢測結(jié)果，如果網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)算法不能正確檢測所有獨立的碼元；當(dāng)有故障發(fā)生時，就會增加相應(yīng)的運營成本。每次的故障被檢測出來需要進行一次完全搜索，當(dāng)存在大量的故障時，相應(yīng)地就會導(dǎo)致過多的處理時間，從而增加平均停機時間。最近，來自阿根廷巴里洛切的研究人員在快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)算法和低價檢測系統(tǒng)之間進行了研究，分析了在以編碼為基礎(chǔ)的PON檢測系統(tǒng)中得出錯誤檢測數(shù)量的解析式。如圖7所示是研究人員提出的檢測系統(tǒng)方案圖。實驗研究結(jié)果表明，研究人員推導(dǎo)出的關(guān)于錯誤檢測平均數(shù)的解析式在上述檢測系統(tǒng)中是有效的。


 圖7 無源光接入網(wǎng)路中的檢測系統(tǒng)方案圖 
開關(guān)鍵控（OOK）技術(shù)和PIN光電檢測器由于具有充足的頻譜和PIN光電檢測器低廉的價格，而被大規(guī)模應(yīng)用于中短距離高速自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)中，但是系統(tǒng)性能通常會受到許多噪音的嚴(yán)重影響，如背景光，散彈噪音和熱噪聲。糾錯編碼通常被用來提升FSO通信系統(tǒng)性能，其中低密度奇偶校驗碼（LDPC）被認(rèn)為是最好的糾錯編碼，可以幾乎接近香農(nóng)極限。最近，來自中國空間技術(shù)研究院的研究人員在使用OOK技術(shù)和PIN光電檢測器的FSO通信系統(tǒng)中，對LDPC進行了最優(yōu)化設(shè)計，通過不對稱的密度演化來處理符號獨立的噪聲分布，如圖8是結(jié)合四種不同搜索算法的最優(yōu)化方案圖，這四種搜索算法分別是差異進化算法（DE），差異算法（GA），粒子群算法(PSO)，模擬退火算法(SA)。度分布對隨機產(chǎn)生，分割成四部分，分別應(yīng)用四個不同的搜索算法。密度演化被作為價值函數(shù)用來計算錯誤概率，四個算法并行運算升級。在確定了升級迭代次數(shù)之后，最好的度分布對（具有最好的誤碼率表現(xiàn)）被隨機插入四個不通算法部分。結(jié)果表明，研究人員提出的度分布對相比較三種傳統(tǒng)的LDPC相比較，表現(xiàn)良好，且優(yōu)化的方案對于二進制非對稱信道可以無限接近香農(nóng)極限。


 圖8 應(yīng)用四種不同搜索算法的最優(yōu)化方案圖 
光信號傳輸

光纖通信鏈路中光信號的傳輸性能通常會受到光纖非線性效應(yīng)的影響，通過非線性補償可以減小非線性失真。在波分復(fù)用信道中由于鄰近信道的強度波動，存在著交叉相位調(diào)制（XPM）負(fù)面效應(yīng)影響，寬帶非線性補償技術(shù)如總場數(shù)字反向傳播（TF-DBP）技術(shù)和光學(xué)相位共軛（OPC）技術(shù)被相繼提出。TF-DBP技術(shù)用來補償確定性信道損傷，包括XPM，雖然TF-DBP技術(shù)是非線性補償方式中非常有效的一項技術(shù)，但是其實現(xiàn)需要復(fù)雜的電子資源，而光學(xué)相位共軛（OPC）技術(shù)中產(chǎn)生相位共軛需要較高的泵功率。補償XPM的一項較為簡單方式是在波分復(fù)用信道的一條邊帶中用全部的功率來驅(qū)動相位調(diào)制器，該技術(shù)需要高帶寬光電檢測器，最近，來自澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員，通過實驗驗證了使用低帶寬光電器件來減小XPM，如圖9是該實驗系統(tǒng)方案圖，兩個線寬小于<100 kHz的可調(diào)諧外腔激光器來產(chǎn)生泵信號和探針信號。開關(guān)鍵控（OOK）泵信號的數(shù)據(jù)儲存在任意波形產(chǎn)生器（AWG）,然后驅(qū)動強度調(diào)制器，兩個獨立的比特序列通過專業(yè)軟件離線產(chǎn)生，通過上采樣來與AWG的符號率相匹配。為了能準(zhǔn)確估計短距離信道的誤碼率表現(xiàn)，在QPSK信道上增加噪音來獲得9dB的光信噪比（OSNR）。結(jié)果表明，研究人員提出的基于低帶寬相位調(diào)制器的新型非線性補償技術(shù)可以有效地抑制XPM，提高了相鄰波分復(fù)用信道的誤碼率表現(xiàn)。

 圖9實驗系統(tǒng)方案圖 
隨著終端用戶對各種應(yīng)用的需求不斷增長，如高清視頻、網(wǎng)絡(luò)電視和云計算業(yè)務(wù)等，數(shù)據(jù)中心面臨巨大的升級挑戰(zhàn)，短距離光學(xué)互聯(lián)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間顯示出了巨大的帶寬潛能，服務(wù)器之間可以共享處理和儲存的資源，但是關(guān)鍵問題是如何同時實現(xiàn)高容量傳輸和低價運營設(shè)備。目前，短距離光學(xué)互聯(lián)主要依賴于低價的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）,多模光纖（MMF）和直接檢測技術(shù)。盡管高階調(diào)制格式可以在短距離光傳輸應(yīng)用中增加比特速率，但是也具有更高的功率預(yù)算，因此非歸零（NRZ）信號是比較適宜的。使用帶寬限制的VCSEL，高速傳輸后的接收信號會受到嚴(yán)重的符號間干擾（ISI）,僅僅使用傳統(tǒng)的線性前饋均衡器（FEE）無法將信號恢復(fù)到可以正常通信的水平，隨著集成電路和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，使得復(fù)雜均衡技術(shù)的應(yīng)用成為現(xiàn)實。最大似然估計（MLSE）是基于維特比算法的一種技術(shù)，可以用來提升信道的性能。減少MLSE運算復(fù)雜性主要需要通過減少維特比算法中的軟判決時間，大多數(shù)經(jīng)過接收FEE糾錯的數(shù)據(jù)硬判決正確，而軟判決的值卻是不相同的，這樣的傳統(tǒng)MLSE會帶來較高的計算復(fù)雜性，導(dǎo)致在接收端的數(shù)字信號處理（DSP）的代價較大,最近，來自北京大學(xué)先進光學(xué)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出了一種簡易的MLSE算法。結(jié)果表明，雖然使用了帶寬限制的VCSEL（3dB帶寬僅為18 GHz），該簡易MLSE算法可以使數(shù)據(jù)信號在56米MMF上實現(xiàn)傳輸，而且相比較傳統(tǒng)的MLSE算法，可以減少將近87.8%的運算復(fù)雜度。