光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
    2017年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、調(diào)制技術(shù)、傳感器、激光器、光傳輸與光波導(dǎo)等，筆者將逐一評析。
1.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    空分復(fù)用（SDM）傳輸技術(shù)的成熟應(yīng)用（例如多模光纖（MCF）傳輸信號(hào)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用）體現(xiàn)了該技術(shù)相比單模光纖傳輸具有更加明顯的發(fā)展?jié)摿�。大型SDM系統(tǒng)中放大器電源功率的衰耗可能成為未來該技術(shù)發(fā)展的重要限制因素。如果考慮在潛艇系統(tǒng)中引入該技術(shù)，電力輸送限制尤其明顯，因?yàn)殡娏�從岸邊供�?yīng)。而且，功耗的限制將影響傳輸鏈路中高密度集成現(xiàn)有的光電子器件。但值得注意的是，低信噪比傳輸信號(hào)不但能降低每個(gè)信號(hào)的平均收發(fā)能量，還對提高SDM系統(tǒng)的總體光譜效率（SE）具有好處。研究人員已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：通過增加空間維數(shù)，能降低發(fā)送數(shù)據(jù)的SE，并可使得SDM系統(tǒng)具有顯著的功率效率優(yōu)勢，并在非線性最優(yōu)條件下運(yùn)行。研究人員雖然在盡力優(yōu)化SDM系統(tǒng)的容量，但系統(tǒng)的可用光功率被限制問題尚未得到徹底解決。研究人員首次證明了具有功率最大化的基于EDFA（摻鉺光纖放大器）SDM系統(tǒng)的最佳光譜效率。實(shí)驗(yàn)證明在一定條件下最優(yōu)S E并不依賴于系統(tǒng)參數(shù)（如光纖長度），而僅依賴于對傳輸性能有影響的調(diào)制格式受到的香農(nóng)公式限制，實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)男盘?hào)當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)的非線性容限時(shí)，能在節(jié)省功率的同時(shí)達(dá)到最佳傳輸性能。研究人員還通過實(shí)驗(yàn)與之前的預(yù)測進(jìn)行比較，證明目前基于SDM系統(tǒng)傳輸采用12芯光纖具有最佳的SE性能。同時(shí)，研究人員在理論上和實(shí)驗(yàn)上證明了最佳SNR（信噪比）和最大功率SE值的關(guān)系。最佳運(yùn)行效果顯示為SDM系統(tǒng)具有最大有限可用功率。研究人員已經(jīng)證明，因?yàn)橄戕r(nóng)限制條件存在，上述傳輸系統(tǒng)在最大SNR≈1.72和SE≈2.89b/ s / Hz的條件下新能最優(yōu)，其傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1  傳輸系統(tǒng)原理框圖 
2. 調(diào)制技術(shù)
    相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）技術(shù)因?yàn)槠渚哂幸欢ǖ牡挚构饫w損耗和色散特性且具有高頻譜效率，高接收靈敏度已被人們廣泛認(rèn)為是最有希望成為長距離光信號(hào)傳輸?shù)暮蜻x技術(shù)。然而，由于系統(tǒng)噪聲影響且OFDM信號(hào)易受激光器相位變化的影響從而限制了系統(tǒng)的傳輸性能，因此窄線寬激光器的應(yīng)用不可或缺。在抑制有效相位噪聲的方案中需要考慮到應(yīng)用低成本寬線寬激光器時(shí)，可以選用OFDM傳輸信號(hào)來改進(jìn)系統(tǒng)的收發(fā)性能。在OFDM傳輸系統(tǒng)中的相位噪聲影響的研究大體上可分為兩大類型：常規(guī)相位誤差（CPE）分析和載波間干擾（ICI）分析。CPE是相位旋轉(zhuǎn)引起的，所有OFDM信號(hào)中的子載波均遭受相同的影響；而ICI由衰耗引起，考慮到子載波之間的正交性通常被認(rèn)為是加性高斯白噪聲。 與ICI相比，CPE比較容易補(bǔ)償，因?yàn)樗�以同樣的方式旋轉(zhuǎn)了所有的星座點(diǎn)。此外，當(dāng)CPE相位噪聲相對平穩(wěn)時(shí)，ICI的影響效果比較微小，傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行及信號(hào)傳輸主要受CPE的影響。OFDM信號(hào)收發(fā)功率平均值的計(jì)算主要通過測算插入子載波導(dǎo)頻的角度以及在相位旋轉(zhuǎn)影響后接收到的信號(hào)功率。CPE影響能基于最大似然算法進(jìn)行補(bǔ)償， 但補(bǔ)償效果不一定明細(xì)；值得注意的是，當(dāng)相位噪聲越來越嚴(yán)重時(shí)，ICI的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)激光線寬較大或使用高階調(diào)制格式時(shí)，減少ICI引起的影響是必須要考慮的因素。如果使用線性插值導(dǎo)頻技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)局部ICI抑制；如果采用時(shí)域盲相抑制的方法進(jìn)行分區(qū)處理同樣也可以減輕ICI影響。目前，基于RF導(dǎo)頻的相位噪聲抑制方法被提出用來解決ICI問題，研究人員在此基礎(chǔ)上提出了采用采用正交擴(kuò)展（OBE）相位噪聲抑制的方法。研究人員基于對導(dǎo)頻子載波的分析來設(shè)計(jì)相關(guān)組件，以減輕對CPE和ICI的影響。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用偽導(dǎo)向器而不是采用導(dǎo)向器來提高系統(tǒng)傳輸頻譜效率以保持系統(tǒng)傳輸性能。最近，研究人員提出了一種基于使用主成分分析（PCA）的相位噪聲抑制方法來實(shí)現(xiàn)特征向量擴(kuò)展（EBE）。與基于相位噪聲抑制方法不同，研究人員通過實(shí)驗(yàn)測量得出了更多適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)參數(shù)，并在基于DFT的正交調(diào)制階段使用PCA分析噪聲以更好地跟蹤相位噪聲。 數(shù)值研究結(jié)果表明：研究人員提出的新方案明顯優(yōu)于基于OBE的相位噪聲抑制方法，并可在不同激光器線寬應(yīng)用條件下進(jìn)行信號(hào)傳輸。來自北京大學(xué)的研究人員提出的此類用于CO-OFDM系統(tǒng)的相位噪聲的抑制方法使用了EBE方法，其主要原理是通過采集PCA的相位噪聲樣本，以準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)的收發(fā)性能，并實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)其它相位噪聲的抑制。研究人員證明：上述方案中使用的特征向量僅與激光器線寬相關(guān)，所以當(dāng)激光器固定時(shí)，只需要計(jì)算一次信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。研究人員采用基于EBE相位噪聲抑制方法搭建的CO-OFDM傳輸系統(tǒng)示意圖如圖2示。

圖2 采用基于EBE相位噪聲抑制方法搭建的CO-OFDM傳輸系統(tǒng)示意圖
3.傳感器
    液體水平位置在化學(xué)行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中是燃油儲(chǔ)存和水位監(jiān)測的重要參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用場景下，液位電位傳感器被廣泛使用，但被監(jiān)測的液體應(yīng)具備不導(dǎo)電和無腐蝕性特性。另一方面，光纖液位傳感器通常被緊湊設(shè)計(jì)，并被要求具有高精度和免疫電磁干擾特性。最近，研究人員開發(fā)了一些基于光纖布拉格光柵（FBG），長周期光纖光柵LPG（液化石油氣領(lǐng)域可以應(yīng)用），麥克遜光纖干涉儀（MI）和馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）的光學(xué)光纖液位傳感器。同時(shí)，基于液位測量的光纖激光傳感器也有相關(guān)研究涉及。如果結(jié)合LPG的特性，MZI光學(xué)光纖液位傳感器可同時(shí)測量液化石油氣的液體水平和溫度，并且該傳感器具有高靈敏度。已有研究人員提出傳感器對溫度改變不敏感的問題，因此可以選用硅膠管液位傳感器。但是，上述傳感器基于復(fù)雜的制造程序或巨大的控制系統(tǒng)，在短時(shí)間內(nèi)無法改進(jìn)。例如，制造FBG需要準(zhǔn)分子激光器，并且光源激光傳感器的控制系統(tǒng)極其復(fù)雜。在本文中，研究人員在兩個(gè)無芯光纖（CF）之間連接一部分由DSF制成全光纖模態(tài)干涉儀，利用全光纖模態(tài)干涉儀進(jìn)行液位感測。測量原理是基于檢測共振傾斜波長的轉(zhuǎn)向液位變化和三種不同相對RI。由于測量距離較小，在DSF核心和周圍介質(zhì)之間的靈敏度能夠提升。上述系統(tǒng)的檢測靈敏度為191.89pm/mm，水位范圍為0〜55mm。與其它相關(guān)傳感器相比，之前應(yīng)用的多數(shù)傳感器沒有突出的檢測靈敏性，同時(shí)其溫度敏感性沒有有效得以測量。研究人員使用球形光纖結(jié)構(gòu)可同時(shí)測量液化石油氣的水平和溫度，并得到214pm/mm的檢測靈敏度。采用上述方法設(shè)計(jì)的傳感器采用了更容易制備的方法且同時(shí)具備高水平靈敏度，并且該傳感器還表現(xiàn)出-0.128mm/℃低溫交叉敏感性。最近來自中國全光網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出并通過實(shí)驗(yàn)證明了可用于液位感測的CDC光纖結(jié)構(gòu)。DSF被用作傳感器的傳感部分。DSF的核心非常接近周圍的媒介，因此對外部液位的增加具有高度敏感性。在實(shí)驗(yàn)中，共振傾斜波長與液位成線性關(guān)系，RI對相應(yīng)的三種不同液體的敏感度為191.89pm/mm，208.11pm/mm和213.80pm/mm。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)利用傳感器進(jìn)行溫度測試時(shí)，傳感器的交叉靈敏度為-0.128 mm/℃。因此，該傳感器是全光纖化學(xué)品液位測量的潛在候選裝置，其使用的光纖結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 傳感器配置相關(guān)光纖的示意圖
4.激光器 
    大型數(shù)據(jù)中心是集中各類型中小型數(shù)據(jù)并最大限度地降低運(yùn)營成本提高增值利潤的產(chǎn)物。許多公司正計(jì)劃構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心行業(yè)以完成轉(zhuǎn)型發(fā)展，而設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低的大數(shù)據(jù)中心，能夠提高能源效率和提供更簡單的基礎(chǔ)管理設(shè)施。當(dāng)前最大的數(shù)據(jù)中心正由中國廊坊國際信息集團(tuán)建造，占地630萬平方英尺，最大光學(xué)設(shè)施鏈路長度為1.53 km。研究人員提出，比較適合數(shù)據(jù)中心的電纜分配模式是雙模分配，其中大多數(shù)鏈路長度限制在一個(gè)建筑物100米范圍之內(nèi)，到鄰近的建筑物約為1-2公里。目前對于計(jì)算機(jī)（HPC）和數(shù)據(jù)中心，最簡單的高效節(jié)能光鏈路是接收機(jī)與基于垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器的互連光纖（使用低成本注塑微光學(xué)多模光纖（MMF）），光纖的兩端是基于直接調(diào)制850nm垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器/光電二極管（PD）陣列。實(shí)際應(yīng)用中，基于850nm多模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器產(chǎn)生的信號(hào)傳輸距離大約為100-200米，因此研究人員對光纖鏈路距離擴(kuò)展技術(shù)產(chǎn)生了廣泛興趣。1060 nm 多模式垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器已經(jīng)可以在距離達(dá)到500米以上的MMF鏈路中通過再優(yōu)化信號(hào)傳輸技術(shù)將信號(hào)在高達(dá)1公里的MMF鏈路中進(jìn)行傳輸，如果采用高階調(diào)制技術(shù)（例如四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）技術(shù)）還能通過使用較低的波特率實(shí)現(xiàn)更長的傳輸距離。然而，由于多模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器與多模光纖中的模式分散效應(yīng)共同限制了信號(hào)傳輸范圍，使得其傳輸距離在1公里以下，阻礙了該類低成本技術(shù)在數(shù)據(jù)中心鏈路長度超過2km時(shí)的應(yīng)用，因此需要尋求一個(gè)通用的低成本解決方案，以在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足短距離和長距離數(shù)據(jù)中心的傳輸要求。解決上述難題的一個(gè)方法是擴(kuò)大單模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖部署長波長連接的覆蓋面。當(dāng)波長約1310nm或更長時(shí)，需要在SMF-28中維持單模操作（因?yàn)樵诓ㄩL小于1260nm時(shí)信號(hào)傳輸容易變?yōu)槎嗄�傳輸）。目前�?500nm單模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器可以產(chǎn)生22GHz小信號(hào)帶寬的載波，1530nm單模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器能生成傳輸2km的56Gb/s的PAM4信號(hào)。但實(shí)際應(yīng)用中，垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器生成高速長波長的光載波是有一定難度的。在本文中，研究人員首次提出調(diào)制1065nm單模垂直腔面激光發(fā)射器并在2公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF-28）中下傳輸50Gb/s的數(shù)據(jù)，上述解決方案可以使得1310nm和1065nm垂直腔面激光發(fā)射器共享未來大型數(shù)據(jù)中心的普通光纖基礎(chǔ)設(shè)施。但該解決方案存在的一個(gè)問題是可能存在兩種光纖模式傳輸干擾的可能性，一種可能的解決方案是為避免不必要的模式間干擾影響采用阻止其初始激勵(lì)或者使用模式過濾器，實(shí)際應(yīng)用中采用偏移配對連接器用于激發(fā)傳輸鏈路中的二階模式是最有可能的解決方案。但二階激勵(lì)模式可能導(dǎo)致差分模式的影響，從而將造成多個(gè)偏移信號(hào)間干擾的產(chǎn)生并影響連接器的使用�；�于單模垂直腔面發(fā)射激光的長距離傳輸鏈路已經(jīng)證明上述過程能在1μm波長范圍內(nèi)工作。為了實(shí)現(xiàn)單一模式下操作，大多數(shù)器件的制備和應(yīng)用基于小直徑氧化物孔（2-4μm）來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際中，滿足設(shè)備要求的電阻器件難以制造，并且在非常高電流密度條件下實(shí)現(xiàn)操作也是不可靠的。研究人員采用的方法是設(shè)計(jì)一種新型具有6-7μm的大氧化物孔徑并降低串聯(lián)電阻，同時(shí)允許更高的范圍輸出功率的單模垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器，該激光發(fā)射器在邊模抑制比大于42dB時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)了分辨率小于0.1nm的3dB線寬光信號(hào)的產(chǎn)生。最近，來自美國惠普實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了收發(fā)PAM4信號(hào)基于1065nm單模垂直腔面激光發(fā)射器器的傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在2公里SMF-28光纖的距離上傳輸50Gb/s的數(shù)據(jù)，此解決方案使得低成本的垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器能被普遍使用，而普通單模光纖基礎(chǔ)設(shè)施也可以在未來硅光子學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用。如果發(fā)現(xiàn)由于模式干擾而造成實(shí)際應(yīng)用的功率損失太大，將有如下幾種可能的解決方案能夠減少上述損害：一種方案是使用高精度連接器，另一方案是在光纖鏈路中使用模式濾波器，第三種解決方案是使用微改造的SMF-28型光纖鏈路以降低其截止波長�；�于單模VCSEL的大型數(shù)據(jù)中心收發(fā)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。


圖4 基于單模VCSEL的大型數(shù)據(jù)中心收發(fā)系統(tǒng)示意圖
4．光傳輸與光波導(dǎo)
    光纖無線融合通信系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)表現(xiàn)在其整合了長途光纖傳輸鏈路大容量和無線傳輸鏈路高移動(dòng)性的優(yōu)勢，因此它不但具有提供大容量長途傳輸信號(hào)的巨大潛力，同時(shí)也能采用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)也帶移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的大容量應(yīng)用。最近，研究人員已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了可采用偏振復(fù)用正交相移-鍵控（PDM-QPSK）技術(shù)結(jié)合調(diào)制80Gb/s毫米波的技術(shù)實(shí)現(xiàn)300米無線鏈路的傳輸，其中生成20 Gb/s的W波段（75-110 GHz）無線毫米波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了有效收發(fā)過程。高頻率W波段器件包括W波段光電二極管（PD），高頻天線，混合器和電子放大器（EAs）等，上述器件通常較為昂貴并且相對難以制備，而且接收和處理高頻的W波段無線毫米波信號(hào)通常需要模擬無線接收端的下變頻過程，這無疑會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性。與W波段相比，K波段（18-27GHz）的頻率相對較低，并且K波段的設(shè)備便宜得多且制備相對簡單，相對低頻的K波段無線射頻（RF）信號(hào)可以直接由帶寬足夠的模擬數(shù)字信號(hào)過程進(jìn)行接收和處理，因此能避免在無線接收機(jī)中進(jìn)行模擬下變頻。此外，相比于W波段而言，在戶外傳輸條件下，K波段有相對低的大氣損失。因此，與W波段相比，K波段光纖無線整合傳輸系統(tǒng)有可能提供大容量的長途無線信號(hào)傳輸，并且整個(gè)系統(tǒng)具有更低的成本耗費(fèi)和更簡單的體系架構(gòu)。因此，研究K波段光纖無線融合非常具有發(fā)展前景。在本文中，研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明了在K波段可以實(shí)現(xiàn)大容量光纖無線一體化系統(tǒng)的長途傳輸過程，他們通過采用16進(jìn)制偏振分復(fù)用正交幅度-調(diào)制（PDM-16QAM）技術(shù)生成高達(dá)4Gbaud（32 Gb/s）的信號(hào)從而在超過100公里單模光纖28（SMF-28）中進(jìn)行信號(hào)傳輸，他們還在空氣中進(jìn)行1公里2×2多輸入多輸出（MIMO）無線鏈路的K波段信號(hào)傳輸，并實(shí)現(xiàn)了其誤碼率（BER）值低于硬判決前向糾錯(cuò)（HD-FEC）閾值3.8×10-3。研究人員還通過實(shí)驗(yàn)證明了光纖無線融合傳輸系統(tǒng)在K波段能夠?qū)崿F(xiàn)大容量信號(hào)的長途傳輸及收發(fā)。在研究人員演示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，高達(dá)4Gbaud（32 Gbit / s）PDM-16QAM信號(hào)能在100公里的SMF-28上傳輸后再實(shí)現(xiàn)距離大于1公里的K波段無線傳輸，研究人員還比較了PDM-QPSK和PDM-16QAM信號(hào)的收發(fā)性能，并證明了采用PDM-16QAM調(diào)制技術(shù)可在更高的傳輸比特率條件下實(shí)現(xiàn)更長的無線傳輸，其實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示。

圖5 K波段光纖無線融合通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖