光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2017年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)，超材料，微諧振激光器，傳感器，測距技術(shù)，放大器等，筆者將逐一評(píng)析。
1.正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)
相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）通信技術(shù)因其具有高頻譜效率和抵抗色散（CD）和偏振模色散（PMD）負(fù)面效應(yīng)而被認(rèn)為是目前較有發(fā)展前景的技術(shù)。偏分多路復(fù)用（PDM）技術(shù)應(yīng)用在CO-OFDM系統(tǒng)中則能進(jìn)一步提升傳輸速率。但是，PDM CO-OFDM系統(tǒng)易受到由發(fā)射機(jī)（Tx）和接收機(jī)（Rx）中的非線性因素影響，例如信道失真和激光相位噪聲以及其它一些信號(hào)幅度和相位之間不匹配的問題，而且同相相位（I）和正交相位（Q）分量不匹配（IQ不匹配）也會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)通信性能。來自天津里理工大學(xué)的研究人員在PDM CO-OFDM系統(tǒng)中分析了三種非線性效應(yīng)的聯(lián)合影響（包括信道失真，收發(fā)機(jī)中IQ失配和的激光相位噪聲的影響）。為解決三種非線性效應(yīng)的聯(lián)合影響，研究人員提出了一種基于導(dǎo)頻技術(shù)的正交頻分復(fù)用光通信系統(tǒng)。在該項(xiàng)成果報(bào)道之前，已有相關(guān)研究人員人員研究并討論了IQ不匹配的補(bǔ)償技術(shù)，雖然他們也提出了一種解決IQ不匹配補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)新方案，但上述解決方案也將產(chǎn)生新的問題，如CO-OFDM傳輸系統(tǒng)中信道失真無法克服的問題。因此，研究人員還曾針對(duì)PDM CO-OFDM系統(tǒng)提出了克服信道失真影響的解決方案；但是，研究人員仍沒有考慮到相位噪聲的影響。因此，研究人員提出了基于輔助相位估計(jì)技術(shù)以糾正CO-OFDM系統(tǒng)中相位旋轉(zhuǎn)影響的方案，并證明了基于相位噪聲的抑制正交基擴(kuò)展（OBE）技術(shù)是可有效對(duì)抗PDM CO-OFDM中激光器相位噪聲負(fù)面影響的方案（其技術(shù)原理是從矩陣分析角度考慮的）。然而OBE方案只考慮到相位噪聲補(bǔ)償而沒有考慮IQ失配引起的相位噪聲影響。同時(shí)，也有研究方案針對(duì)收發(fā)系統(tǒng)中IQ失衡以及激光器相位噪聲影響進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償，并采用插入兩個(gè)訓(xùn)練信號(hào)序列來補(bǔ)償。然而，上述研究方案限制了系統(tǒng)傳輸比特率，因此并不適合于高速CO-OFDM通信系統(tǒng)的應(yīng)用。研究人員對(duì)受到三種非線性效應(yīng)聯(lián)合影響的系統(tǒng)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并就實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)。例如在導(dǎo)頻部分，研究人員插入一些特定的導(dǎo)頻副載波以估計(jì)激光相位噪聲�；�于上述過程，研究人員分別補(bǔ)償了信道失真，收發(fā)機(jī)中IQ失配和的激光相位噪聲的負(fù)面影響。仿真結(jié)果證明了上述方法在40Gb/s光傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用比OBE方法能更有效的降低誤碼率。應(yīng)用上述方法時(shí)，雖然系統(tǒng)的收發(fā)性能隨著系統(tǒng)傳輸速率增加到100Gb/s和120Gb/s時(shí)而有所下降，但該方法的魯棒性仍然較好。基于上述方法設(shè)計(jì)的PDM CO-OFDM通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1. 克服三種非線性效應(yīng)的聯(lián)合影響的PDM CO-OFDM通信系統(tǒng)框圖

2.超、材料
近十幾年來，人們對(duì)超材料的研究取得了長足進(jìn)步。通常，超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料超材料；在光學(xué)領(lǐng)域，超材料通常由周期排列的晶胞如分裂諧振器（SRRs）組成，其主要作用體現(xiàn)在能夠隨意操縱光的傳播特性。超材料因?yàn)榫邆渲С謥啿ㄩL結(jié)構(gòu)共振的特殊能力將在人工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中提供操縱電磁近場的可能性�；�于近場耦合機(jī)制，研究人員實(shí)現(xiàn)了電磁能量在跨界結(jié)構(gòu)中的傳輸，并展示了有趣的實(shí)際應(yīng)用效果（如電磁感應(yīng)透明模擬過程，理想吸收體制備，共振線寬展寬和小天線應(yīng)用等）。近年來，研究人員一直致力于研究超材料中近場耦合的調(diào)制問題，他們已經(jīng)基于被動(dòng)方式通過改變單元格內(nèi)的耦合距離、密度或取向證明了近場耦合的可調(diào)性。然而，上述調(diào)制過程的實(shí)現(xiàn)需要改變超材料的幾何結(jié)構(gòu)，這將嚴(yán)重妨礙超材料在芯片級(jí)器件中的應(yīng)用。所以，實(shí)現(xiàn)超材料中近場耦合的主動(dòng)控制過程變得非常必要。為達(dá)到上述目的，研究人員將超材料結(jié)構(gòu)與具備可調(diào)導(dǎo)電性的動(dòng)態(tài)材料結(jié)合。同時(shí)，考慮到導(dǎo)電性能的易操作性，基于硅基的光敏材料成為了主要候選材料。目前，石墨烯在某些應(yīng)用領(lǐng)域已體現(xiàn)了優(yōu)越的電子及光子特性，所以已成為在太赫茲（THz）體系可調(diào)器件設(shè)計(jì)中的候選材料。一方面，基于石墨烯的光調(diào)制器件已實(shí)現(xiàn)在皮秒時(shí)間尺度上的超快調(diào)制速度；另一方面，通過電子門控或光誘導(dǎo)摻雜方式能改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)分布，使其具有連續(xù)可調(diào)的導(dǎo)電性。上述特性使得石墨烯成為目前最有應(yīng)用前景的近場耦合主動(dòng)控制候選材料。雖然最近的研究中研究人員已提出了利用石墨烯基超材料來調(diào)節(jié)近場耦合的設(shè)計(jì)方案，但其中單元格內(nèi)孤立的石墨烯諧振器很難被再次調(diào)整，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。因此，研究人員通過將單層石墨烯集成到正交扭曲的SRRs中來實(shí)現(xiàn)太赫茲（THz）超材料中近場耦合的主動(dòng)控制過程，并且在費(fèi)米能級(jí)上對(duì)電磁近場的耦合強(qiáng)度進(jìn)行了強(qiáng)修正。根據(jù)對(duì)模擬光譜響應(yīng)和電場分布的研究，研究人員將耦合強(qiáng)度的調(diào)制過程歸因于費(fèi)米能級(jí)偏移引起的石墨烯電導(dǎo)率增加使得晶胞中兩種諧振模式之間耦合效應(yīng)消失的過程。該項(xiàng)研究中研究人員所制備設(shè)計(jì)的超材料中使用的單層石墨烯更易制造和操作，因此與以前的研究相比其更有效。同時(shí)上述研究過程也為基于超快太赫茲和主動(dòng)控制器件的芯片級(jí)近場耦合超材料制備開辟了一條新途徑。研究人員設(shè)計(jì)的混合金屬石墨烯超材料和相關(guān)配置示意圖如圖2（a）所示，相關(guān)超材料晶胞如圖2（b）所示。

圖2 （a）混合金屬石墨烯超材料和相關(guān)配置示意圖 （b）超材料的晶胞（幾何參數(shù)為l=36μm,w=6μm,g=2μm,s=1μm,Px=100μm,Py=50μm，鋁厚度為tAl=200nm）

3.微諧振激光器
近年來，微諧振器激光器（WGM）由于其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)吸引了人們很大的研究興趣。除了對(duì)介質(zhì)腔和微諧振器本身進(jìn)行變形改造之外，還可對(duì)等邊多微腔提供高品質(zhì)因素（Q）設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射微型激光器的制備。正如我們所知，模式控制過程已經(jīng)被用于研究方形微諧振器激光器中具有不同波形的輸出波導(dǎo)和電極；通過耦合可調(diào)過程可實(shí)現(xiàn)方形激光器在正方形微腔一側(cè)中點(diǎn)處的單模激光輸出。此外，可調(diào)諧雙模激光微激光器還可用于生成可調(diào)微波。依據(jù)雙模微激光器具有太赫茲（THz）的波長間隔范圍，研究人員設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)變形方形諧振器，該諧振器是具有高Q值駐波特性，并且能在噪聲干擾條件下穩(wěn)定運(yùn)行。來自中國科學(xué)院大學(xué)的研究人員首先研究了基于單模方形微激光器生成具有非零延遲光譜的自外差方案；然后通過對(duì)光子生成的研究過程討論了雙模微激光器的線寬和相關(guān)應(yīng)用性能；最后采用雙環(huán)路光反饋技術(shù)將激光線寬從幾十MHz降低到約1.4 kHz。上述過程中，研究人員還基于非零延遲自外差的方法測量了20MHz的線寬（延時(shí)為100ms），測得的線寬隨延遲光纖長度的增加而逐漸增加。此外，研究人員還使用光學(xué)外差法測量了雙模正方形微激光器輸出的88MHz和102MHz的線寬激光。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證明，在微波頻率作用下信號(hào)的線寬要窄得多，并且兩種激光模式之間呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。研究人員還證明采用雙環(huán)路光反饋技術(shù)可以減小微激光器的線寬。基于非零延時(shí)自外差的線寬測量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3. 基于非零延時(shí)自外差的線寬測量系統(tǒng)。SMF：單模光纖; AOM：聲—光調(diào)制器; PD：光電探測器; ESA：電子頻譜分析儀; PSG：脈沖信號(hào)發(fā)生器。

4.傳感器
布里淵光纖分布式傳感器因其使用新型材料和智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛研究應(yīng)用。常規(guī)的布里淵傳感器通�；�于標(biāo)準(zhǔn)單一模式光纖（SSMF）進(jìn)行制備，考慮到布里淵頻率偏移（BFS）量與溫度和應(yīng)變的變化成正比，因此無法對(duì)單個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確測量。研究人員已經(jīng)提出多種方法來消除多參數(shù)串?dāng)_的共同影響。早期應(yīng)用SSMF的方案是通過引入布里淵損耗峰值功率和傳統(tǒng)的布里淵頻率來同時(shí)精確測量多個(gè)參數(shù)，并引入保偏光纖（PMF）或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）對(duì)參數(shù)進(jìn)行同時(shí)測量。實(shí)驗(yàn)研究證明，基于BFS和雙折射的單模PMF應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)判別性測量過程，但其應(yīng)變量和入射光偏振效應(yīng)很難被同時(shí)精確控制。而且，彎曲度不敏感的光纖基于兩個(gè)工作波長進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)變和溫度的測量。BFS受溫度變化從而影響不同多峰布里淵增益譜（BGS）的過程被用于傳感區(qū)分研究；同時(shí)，光子晶體光纖（PCF）和大面積有效面積光纖（LEAF）也被用作傳感元件。盡管如此，PCFs由于其具備特殊的波導(dǎo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而將導(dǎo)致較高的制造成本和感測距離受限。目前，LEAF（一種非零色散位移光纖）因?yàn)榫哂休^大的有效面積常被應(yīng)用于密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)，但其對(duì)溫度和應(yīng)變過程不具備區(qū)分能力。然而，基于少模光纖（FMF）的布里淵傳感器因其可區(qū)分多重參數(shù)吸引了研究人員更多的興趣。來自北京交通大學(xué)的研究人員提出采用一種新穎的基于M-SMF并利用受激布里淵散射（SBS）的光纖傳感器同時(shí)測量溫度和應(yīng)變過程。與 SSMF相比，在M-SMF中，在布里淵頻譜中多個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于幾個(gè)耦合LP01光學(xué)模式的縱向聲學(xué)模式。研究人員還分析和研究了光纖參數(shù)（包括摻雜濃度和纖芯半徑）對(duì)布里淵增益和BFS的系統(tǒng)性影響。由于光纖折射率呈M形分布，兩個(gè)較寬間隔的布里淵峰值測量可用于應(yīng)變和溫度的判別式感應(yīng)過程。研究結(jié)果證明，BGS中多重峰值由M-SMF中相應(yīng)的聲學(xué)模式引起，而SSMF中的布里淵增益在高階聲學(xué)模式中要小得多�；�于前兩個(gè)布里淵峰之間溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系，研究人員證明溫度誤差為0.47℃時(shí)，應(yīng)變誤差為12.3με。研究人員設(shè)計(jì)的M-SMF結(jié)構(gòu)將對(duì)各種傳感領(lǐng)域中溫度和應(yīng)變參數(shù)的判別起到相當(dāng)大的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)的M-SMF中折射率分布（ni）和縱向聲學(xué)速度（VLi）關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4 M-SMF中折射率分布（ni）和縱向聲學(xué)速度（VLi）關(guān)系示意圖

5.測距技術(shù)
自從1961年第一臺(tái)精密電子測距儀（EDM）問世以來，對(duì)其性能的評(píng)估變得非常重要。目前，世界各地建立了多條測量基線以便于校準(zhǔn)（EDM校準(zhǔn)基線的范圍可以從50米到大約1公里）。其中，短程基準(zhǔn)線主要用于建筑和施工中的EDM校準(zhǔn)；長距離基準(zhǔn)線則是用于測量的EDM進(jìn)行校準(zhǔn)。EDM的工作原理是通過測量往返調(diào)制光的相位移來測量距離。最佳的EDM（科恩光電測距儀ME5000）可以測量的距離達(dá)幾公里，分辨率為0.1mm；為了校準(zhǔn)該類型EDM，必須測量出其基線柱之間的距離，以確保其具有更好的精度。在過去的幾十年里，V型比較儀是最精密的測量技術(shù)，其基線長達(dá)1公里，測量精度能達(dá)到幾十微米，測量結(jié)果能通過長度1米的石英測量塊記錄下來。然而，其中必須涉及到的白光干涉儀很難操作，只能在非常穩(wěn)定的天氣條件下工作，這在埃及等許多氣候多變的國家并不適用。目前，研究人員已經(jīng)花費(fèi)大量精力來尋找更穩(wěn)定和精確的絕對(duì)距離測量技術(shù)。目前，研究人員已利用若干新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛秒光學(xué)頻率梳對(duì)距離的測量過程（例如條紋分辨干涉，相移和雙梳技術(shù)）。上述技術(shù)應(yīng)用后，測量距離可達(dá)50米（測量精度為幾微米）；而測量距離為240米時(shí)，測量精度為1毫米。然而，光梳是非常昂貴且不可移動(dòng)的，因此在使用時(shí)需要注意相關(guān)測量參數(shù)的影響（如色散）。雖然頻率掃描干涉測量技術(shù)很早就被研究，但該技術(shù)目前沒有得到顯著改進(jìn)，并且其可測量的距離受到采集電子設(shè)備的限制，只能測量幾米的范圍。而且在實(shí)際應(yīng)用中，通過法布里-珀羅腔來獲得長度單位的可追蹤性不易實(shí)現(xiàn)。最近，德國的研究人員設(shè)計(jì)了用于長基線測量的TeleYAG系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于自由空間光學(xué)原理而制備的，因此其應(yīng)用劣勢(shì)體現(xiàn)為其便攜性不強(qiáng)；并且，它應(yīng)用在50米范圍內(nèi)的測量精度大約為200微米，所以該系統(tǒng)的應(yīng)用性能還不如V型比較儀好。因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎而簡單的遠(yuǎn)距離測量方案。該方案的應(yīng)用過程包含使用一個(gè)全光纖被動(dòng)鎖模激光器，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它能很容易地測量SI單位長度的可追蹤距離。研究人員為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行了高達(dá)14米距離的測量（盡管他們所測量的距離受實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可用空間的限制）。該方案的應(yīng)用裝置圖如圖5所示。

圖5測量絕對(duì)距離的實(shí)驗(yàn)裝置圖（EDFA：摻鉺光纖放大器；PD：快速光電探測器；PC：偏振控制器；CIR：環(huán)行器；COL：準(zhǔn)直器；M：反射鏡；FC：頻率計(jì)；OSA：光學(xué)頻譜分析儀；TC：熱絕緣）

6.放大器
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器在光譜學(xué)，固體激光泵浦和非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。上述領(lǐng)域（特別是近紅外（IR）光譜學(xué)領(lǐng)域）中存在的共同點(diǎn)是需要高功率、衍射受限和可調(diào)窄線寬的激光源。最近，IR檢測領(lǐng)域中一種采用上變換技術(shù)的特定應(yīng)用引起了研究人員的廣泛關(guān)注。研究人員通過使用非線性晶體中波長較短的泵浦激光器將一個(gè)紅外信號(hào)上變換成近紅外光譜（<1微米）。該種使用硅基CCD檢測器進(jìn)行紅外檢測的技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有優(yōu)良的抗噪聲性能。上述方案中，泵浦激光器是一種典型的固體基腔系統(tǒng)可提供高腔內(nèi)功率和多通道配置。研究人員通過改變非線性晶體中入射光角度或晶體的溫度，來改變相位匹配條件。他們也證明了紅外光譜被上轉(zhuǎn)換后能夠在IR中實(shí)現(xiàn)光譜學(xué)和高光譜成像過程。而半導(dǎo)體激光器（如分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反饋（DFB））可以在近紅外區(qū)域提供接近衍射極限和可調(diào)諧窄線寬的發(fā)射過程，但其發(fā)射功率低于瓦特級(jí)；然而，集成DBR光柵的錐形二極管激光器則能提供高達(dá)瓦特級(jí)的衍射極限發(fā)射功率，但其缺乏波長可調(diào)性。因此，研究人員將錐形放大器（TPA）集成在外腔配置中以同時(shí)提供調(diào)諧和高功率發(fā)射；上述配置是利用機(jī)械裝置調(diào)節(jié)光柵來進(jìn)行調(diào)諧和選擇發(fā)射波長的。研究人員設(shè)計(jì)了一種緊湊型高功率主振蕩功率放大器（MOPA）系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)射波長為972nm，能夠滿足不同級(jí)別高功率輸出和波長調(diào)諧要求。研究人員通過將可調(diào)DBR激光器（MO）與TPA集成，得到了可調(diào)諧窄線寬高衍射極限的輸出功率。研究人員還通過在DBR光柵中嵌入一個(gè)電阻型微型加熱器，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5.5nm的波長控制過程。錐形放大器（TPA）是由一個(gè)脊波導(dǎo)（RW）組成，能夠?qū)⑤敵龉β史糯蟮綆淄吖β省Ｔ谝酝�的研究方案中，高功率MOPA系統(tǒng)的工作波長在863nm或980nm附近；最近，研究人員已實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波和脈沖光操作的高功率MOPA系統(tǒng)研制。其中，所有相關(guān)組件都集成在一個(gè)只有25x25mm面積的底座上以實(shí)現(xiàn)尺寸緊湊，輸出功率高和寬波長可調(diào)諧基于移動(dòng)非線性頻率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。上述放大系統(tǒng)也可以作為一個(gè)單程泵浦源在實(shí)際中應(yīng)用；當(dāng)它的工作波長為972nm時(shí)，能保證25μm以下的紅外信號(hào)被上轉(zhuǎn)換為范圍小于1微米左右的近紅外信號(hào)。其中，波長調(diào)諧過程為改變相位匹配條件提供了一種簡單實(shí)現(xiàn)方案，并給出了可測量的紅外波長范圍。上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置如圖6（a）所示，MO和PA中的垂直分布結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示。

圖6 （a）MOPA系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖 （b）MO和PA中的垂直分布結(jié)構(gòu)