光纖在線特邀編輯：邵宇豐、趙云杰、龍穎
2017年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：調(diào)制技術(shù)、光傳輸、光纖傳感器和測量技術(shù)、激光技術(shù)等，筆者將逐一評析。

1.調(diào)制技術(shù)
眾所周知，5G通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要調(diào)整移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)而不是僅僅提高網(wǎng)絡(luò)速度。 超密集的天線分布、云無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）的資源集中以及使用毫米波載波頻率等作為提供高數(shù)據(jù)傳輸速率的手段都大大增加了相關(guān)互聯(lián)設(shè)備的數(shù)量。此外，5G通信過程把重點(diǎn)放在提供高容量和低延遲的光傳輸部分。研究人員提出5G系統(tǒng)可以利用毫米波在28-300 GHz范圍內(nèi)進(jìn)行自由空間傳輸，因?yàn)樵谏鲜鲱l帶中工作的相關(guān)光子元件的成本和復(fù)雜性低，這引起了人們極大的興趣。眾所周知，利用光子技術(shù)可以產(chǎn)生毫米波信號，并且該類信號便于耦合至光接入基礎(chǔ)設(shè)施。迄今為止，對基于光子毫米波傳輸信號研究的重點(diǎn)仍然放在應(yīng)用寬帶RF來使得多載波和單載波數(shù)據(jù)流量傳輸最大化。與此形成的矛盾是，5G系統(tǒng)考慮采用窄帶寬調(diào)制方法，其副載波波特率從幾kBd到幾MBd不等。目前，應(yīng)用光載波的混合調(diào)制過程限制了RF相位噪聲的頻率可控范圍，從而形成研究難題。因此，研究人員考慮應(yīng)用統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)的空口技術(shù)即采用濾波正交頻分復(fù)用（UF-OFDM）調(diào)制。相比較傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制，該類調(diào)制方案可在多頻帶通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)頻譜效率的增加�；�于上述考慮，研究人員成功利用光學(xué)外差技術(shù)將五個(gè)可用頻段在60GHz光纖無線（RoF）通信系統(tǒng)中應(yīng)用，并進(jìn)行了超過25公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）傳輸。在考慮多載波屬性方面，尤其是帶寬和副載波數(shù)量及波特率的選擇方面，60GHz的RoF系統(tǒng)和5G系統(tǒng)的應(yīng)用一致�？紤]到激光器和原始信號的相位，我們必須設(shè)定相位相關(guān)度相對低的副載波波特率，以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)；如果采用去相關(guān)預(yù)補(bǔ)償技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)信號傳輸后誤差矢量幅度（EVM）值<5％。來自都柏林城市大學(xué)的研究人員成功地基于光學(xué)外差方法演示了采用UF-OFDM調(diào)制五個(gè)有效頻帶的60GHz RoF傳輸系統(tǒng)的工作過程。該系統(tǒng)應(yīng)用光學(xué)前端網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4.56Gb/s的比特傳輸速率；并采用了去相關(guān)預(yù)補(bǔ)償方案降低了RF相位噪聲的負(fù)面影響，在所有信道上實(shí)現(xiàn)了較高的接收靈敏度。研究結(jié)果證明：5G系統(tǒng)與毫米波光載波之間具有較好的兼容性，但該兼容性對激光器線寬有限制要求；如果事先使用光學(xué)頻率梳（OFC）則能通過精確的預(yù)補(bǔ)償技術(shù)減少較大線寬的影響。研究人所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于分布反饋式（DFB）激光器的增益相關(guān)性來制備具有可調(diào)諧自由光譜范圍且支持毫米波范圍穩(wěn)定靈活操作的OFC。此外，研究人員還提出，將多種發(fā)射信號參數(shù)特性整合考慮，以研制一個(gè)小型的光學(xué)前端發(fā)射器，從而使得上述5G系統(tǒng)解決方案中光電器件的成本耗費(fèi)更低。目前，無線通信研究領(lǐng)域的許多研究工作都集中在設(shè)計(jì)易集成的天線和放大器方面，以實(shí)現(xiàn)60GHz的無線傳輸鏈路能夠處理多類型信號的寬帶傳輸。研究人員設(shè)計(jì)的毫米波傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 5G毫米波傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2.光傳輸
為了支持單一波長50Gb/s甚至更高數(shù)據(jù)速率的光傳輸過程，不同類型的調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用和研究（如開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制、4脈沖幅度調(diào)制（PAM4）、奈奎斯特-副載波調(diào)制（Nyquist-SCM）、無載波振幅相位（CAP）調(diào)制和光學(xué)正交頻分復(fù)用（OOFDM）調(diào)制技術(shù)等）。在上述調(diào)制格式中，由于振幅調(diào)制（例如OOK和PAM4）的信號處理復(fù)雜度和光電器件成本稿費(fèi)低，因此被認(rèn)為是解決短距離光信號傳輸問題的有效解決方案。如果考慮提升數(shù)字信號處理（DSP）復(fù)雜度來提升系統(tǒng)的頻譜效率，則可以采用高階正交幅度調(diào)制（QAM）、Nyquist-SCM、CAP和OOFDM調(diào)制技術(shù)。另一方面，如果光傳輸系統(tǒng)要保持低復(fù)雜度和成本耗費(fèi)，應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測（IM/DD）技術(shù)將成為最有吸引力的應(yīng)用方案。目前，在約1550nm波長處，色度色散引起的雙邊帶（DSB）光信號的功率衰落成為10公里以上高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙；不采用色散補(bǔ)償光纖（DCF）的單邊帶（SSB）調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為有效延長光信號傳輸距離的可行方法（SSB信號可以由差分Mach-Zehnder調(diào)制器（MZM）或光學(xué)IQ調(diào)制器產(chǎn)生）。然而，MZM或光學(xué)IQ調(diào)制器的應(yīng)用將提升發(fā)射機(jī)功耗、復(fù)雜度和相關(guān)配套光電器件的成本耗費(fèi)；生成SSB信號的另一種方法是使用一個(gè)與EML簡單集成的光學(xué)殘余邊帶（VSB）濾波器。到目前為止，許多研究人員只考慮到了SSB-PAM4調(diào)制技術(shù)的可行性，而不非考慮將SSB-OOK調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在光纖傳輸距離達(dá)80公里以上進(jìn)行光信號傳輸。盡管PAM4信號頻譜效率高于OOK信號，但其仍受鏈路中OSNR的累積效應(yīng)影響，從而導(dǎo)致非線性失真影響加�。坏�基于SSB-OOK和SSB-PAM4的比較研究是值得進(jìn)行的。基于上述考慮，研究人員比較了高速VSB-PAM4（25.92-GBaud/s）信號和OOK（51.84-GBaud/s）信號在80公里距離上的傳輸特性；并側(cè)重于VSB技術(shù)對上述兩種調(diào)制格式的優(yōu)劣進(jìn)行對比分析（例如非線性失真的優(yōu)劣程度）。為了優(yōu)化VSB信號的收發(fā)質(zhì)量，研究人員指出：需要對光載波和信進(jìn)行相對頻率調(diào)整；并需要引入邊帶抑制比（SSR）和載波信號功率比（CSPR）來討論色度色散誘導(dǎo)功率衰減的容限。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：在優(yōu)化SSR和CSPR之后，在考慮前向糾錯(cuò)碼（FEC）限制條件（BER =3.8×10-3）下，基于最小均方（LMS）和線性前饋均衡（FFE）技術(shù)生成的PAM4和OOK信號都可在高達(dá)80公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）上實(shí)現(xiàn)有效傳輸。此外，在相關(guān)光電器件配置得以優(yōu)化的條件下，與PAM4信號相比OOK信號的接收靈敏度提高了4dB，因?yàn)镺OK信號對非線性失真不敏感并且可實(shí)現(xiàn)更大的眼開度。來自臺(tái)灣國立交通大學(xué)光學(xué)系的研究人員分析并討論了SSR和色散引起的功率衰落過程，以及VSB-PAM4和OOK傳輸信號的CSPR性能。由于OOK信號對非線性失真不敏感，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明：該類信號可以實(shí)現(xiàn)更好的SSR和CSPR性能；由于OOK信號帶寬限制范圍低、對非線性失真的敏感度較低以及具備更高的眼開度，該信號在80公里光纖上傳輸后，OOK信號的收發(fā)質(zhì)量優(yōu)于PAM4信號（體現(xiàn)在OOK信號的接收靈敏度比PAM4信號高4dB）。研究人員指出：下一步的研究工作將集中于討論上述兩種調(diào)制格式都適用的OSNR容限（基于VSB調(diào)制的實(shí)驗(yàn)裝置和PAM4信號的輸出頻譜圖如圖2所示）。


圖2（a）基于VSB技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（b）PAM4信號的頻譜圖

3.光纖傳感器和測量技術(shù)
最近，來自香港大學(xué)電子工程學(xué)系的研究人員通過在長周期光纖光柵（LPFG）光纖內(nèi)置的MZI上涂覆石墨烯設(shè)計(jì)并制備了一種氨氣（NH3）氣體傳感器。與傳統(tǒng)的石墨烯光纖氣體傳感器不同，該傳感器利用光纖包層模式的衰減場制備，從而不需在光纖幾何結(jié)構(gòu)上進(jìn)行任何改變。研究人員制備的實(shí)驗(yàn)傳感器在〜10ppm到〜180ppm的線性范圍內(nèi)具有〜3pm/ppm的靈敏度；且該傳感器通過應(yīng)用更高階的包層模式和更廣泛的石墨烯涂層進(jìn)一步增強(qiáng)了光子和石墨烯的相互作用以而改善和增強(qiáng)傳感器性能。研究人員制備的光纖內(nèi)置石墨涂層MZI還可作為一個(gè)通用平臺(tái)用以開發(fā)新型光纖傳感器和相關(guān)裝置，尤其體現(xiàn)在基于光纖包層模的相互作用實(shí)現(xiàn)各種生物化學(xué)傳感的制備。
眾所周知，波長是激光器的重要特征參數(shù)，而激光器波長的精確測量在激光光譜學(xué)、激光穩(wěn)定技術(shù)和可調(diào)諧激光器領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。例如，波長可調(diào)諧激光器在光纖布拉格光柵（FBG）讀寫器和光學(xué)頻率穹形反射（OFDR）系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。但實(shí)際應(yīng)用中還需要波長監(jiān)視器來校正不均勻的波長范圍以調(diào)諧并消除測量誤差的影響。傳統(tǒng)的波長測量儀器主要包括光譜儀，法布里-珀羅（F-P）干涉儀和邁克爾遜干涉儀。就光譜儀而言，盡管采樣率高和測量的可重復(fù)性好，但其存在的劣勢（如成本高、便攜性差）限制了它們的應(yīng)用。至于邁克爾遜干涉儀，內(nèi)置精準(zhǔn)的機(jī)械活動(dòng)部件和光學(xué)對準(zhǔn)部件使其對外部環(huán)境變化過程極度敏感；而使用氦氖激光器不僅引入了功率波動(dòng)和波長漂移的測量誤差，還增加了成本耗費(fèi)。基于上述考慮，研究人員只能在測量范圍和測量精度之間進(jìn)行折衷考慮，因此研究人員提出了一種基于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的波長測量新方案。該方案通過利用磁光材料的偏振色散特性，實(shí)現(xiàn)了從1520nm到1570nm的即時(shí)波長測量過程（分辨率為2.1pm）；而且實(shí)驗(yàn)中所采用的全光纖結(jié)構(gòu)還可抵御外部環(huán)境的變化。然而，當(dāng)激光波長接近波長響應(yīng)曲線的極值時(shí)，小曲線斜率會(huì)導(dǎo)致較大的波長測量誤差。研究人員將雙法布里-珀羅（F-P）干涉儀和線性光濾波器集成進(jìn)行測量；其中，光學(xué)線性濾波器主要實(shí)現(xiàn)粗略測量范圍，而雙F-P干涉儀則用于進(jìn)一步精確測量具體值。該方法通過稍微傾斜折射角，使得兩個(gè)F-P干涉儀具有明顯的相位和波形改變，使得一個(gè)F-P干涉儀的非工作區(qū)位于另一個(gè)F-P干涉儀的線性區(qū)域（如圖4所示）。研究人員只要選取合適范圍，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)C波段內(nèi)波長的實(shí)時(shí)測量過程。研究人員將雙F-P干涉儀和其它類似儀器從構(gòu)成結(jié)構(gòu)、工作范圍、精度和成本等方面進(jìn)行了全面比較，比較結(jié)果如圖3所示。研究人員提出的波長測量原理基于強(qiáng)度測量方法，該方法共分兩步進(jìn)行：粗測量和精測量。首先研究人員通過光學(xué)線性濾波器近似測量待測激光的波長，然后通過雙F-P干涉儀測量出精確值。

圖3 雙F-P波形表和其它波形表的比較結(jié)果

圖4 一F-P干涉儀的非工作區(qū)（紅色粗線）位于另一干涉儀的線性區(qū)域（黑色或藍(lán)色粗體）

4.激光技術(shù)
最近，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究人員分析了基于垂直延伸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)980nm脊形波導(dǎo)管（RW）激光器的光束質(zhì)量因子及其相關(guān)特性。研究發(fā)現(xiàn)：RW激光器在有效測量電流范圍內(nèi)為單傳輸模式工作；具有7μm脊寬的3毫米R(shí)W激光由于災(zāi)變光學(xué)鏡損傷（COMD）的限制效應(yīng)僅可實(shí)現(xiàn)2W無扭結(jié)的輸出功率及最大為59％的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。實(shí)驗(yàn)證明：RW激光器的光束質(zhì)量好、垂直度低、發(fā)散度高，且PCE適合耦合單模光纖和光波導(dǎo)。
自從飛秒激光器面世以來，由于具備高峰值功率和寬超短脈沖的優(yōu)點(diǎn)，它在激光加工和超快光譜學(xué)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)超短激光脈沖聚焦到非線性介質(zhì)中時(shí)，自聚焦、自然衍射和等離子體發(fā)散之間的相互作用將導(dǎo)致長自導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成，該過程引起的脈沖極端光譜展寬可用于超連續(xù)光譜（SC）的生成。超連續(xù)光譜（SC）在氣體、液體和固體等多種透明介質(zhì)中產(chǎn)生，并能提供從紫外到紅外的寬帶譜。高脈沖能量的超連續(xù)譜（SC）形成在超快光學(xué)參量放大器、生物醫(yī)學(xué)成像和超快速多維分子光譜學(xué)領(lǐng)域有著應(yīng)用優(yōu)勢�？紤]其在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中所起的重要作用，飛秒時(shí)間內(nèi)高功率SC源的制備已經(jīng)引起了研究人員的研發(fā)興趣。盡管已有研究人員提出了許多提升SC脈沖能量的方法，但由于入射脈沖強(qiáng)度被限制在樣品的損傷閾值范圍內(nèi)，高非線性介質(zhì)的損傷閾值成為改善SC能量的主要限制因素；而光子晶體光纖可以通過色散控制過程來制備，并可生成極其寬廣而平坦的SC光譜，但光子晶體光纖通常被用來將飛秒激光器，這將大大降低SC產(chǎn)生的閾值功率。研究人員通過使用微透鏡陣列（MLA）聚焦激光束的方案，在透明材料中形成多根細(xì)絲，而單絲發(fā)射的SC源具有高度的空間和時(shí)間相干性。研究人員利用上述聚焦方案，將入射光聚焦到材料中的多個(gè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高功率激光器的可持續(xù)性運(yùn)行，并顯著提升SC功率。雖然MLA聚焦方法提供了形成高功率SC的替代方案，但是一些固有缺點(diǎn)限制了SC源的使用。首先，激光束的焦點(diǎn)位置和絲長度對SC發(fā)生過程中的轉(zhuǎn)換效率有明顯影響；當(dāng)使用MLA作為聚焦元件時(shí)，調(diào)整激光束聚焦條件相當(dāng)困難，MLA的高成本也使得依據(jù)不同情況改變元件配置是不符合實(shí)際情況的應(yīng)用。其次，從介質(zhì)中發(fā)射的SC陣列很容易在短傳播距離內(nèi)發(fā)散，因而不可能在實(shí)際中使用。因此，研究人員提出使用MLA和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)將飛秒激光器聚焦到透明介質(zhì)中以產(chǎn)生SC，從而可以輕易調(diào)整聚焦參數(shù)。為了使發(fā)射的多重絲平行傳輸，研究人員使用了另一個(gè)對稱的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和MLA；重組后形成的SC光束顯示了高斯橫向分布特性（與單絲生成的SC光譜和啁啾性質(zhì)類似）。實(shí)驗(yàn)表明，穩(wěn)定的SC源脈沖能量比單絲產(chǎn)生的脈沖能量增加了兩倍以上。上述實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5（a）所示，MLA前后的激光斑點(diǎn)形貌如圖5（b）和（c）所示，在介質(zhì)中產(chǎn)生的多個(gè)穩(wěn)定長絲如圖5（d）所示，整形后的SC源形態(tài)如圖5（e）所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖。VA：可變衰減器；A：光圈；MLA1，MLA2：微透鏡陣列；L1，L4：100mm焦距鏡頭；L2，L3：200mm焦距鏡頭
非線性光學(xué)（NLO）顯微鏡由于其具備優(yōu)于傳統(tǒng)方法的應(yīng)用優(yōu)勢（例如三維成像能力），因此在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域引起了人們極大的研究興趣。研究人員指出相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一種典型基于拉曼過程的非線性顯微成像技術(shù)，可通過兩個(gè)同步脈沖串作為泵浦和斯托克斯光束實(shí)現(xiàn)頻率差與樣品分子的拉曼活性振動(dòng)頻率匹配過程，但當(dāng)其中的雙光束工作模式卻增加了CARS顯微鏡系統(tǒng)（是與固態(tài)激光器和光學(xué)參量振蕩器相結(jié)合的系統(tǒng)）的構(gòu)建復(fù)雜度。因此，價(jià)格便宜的光纖激光器可作為CARS系統(tǒng)的替代光源。目前，因?yàn)閼?yīng)用寬帶CARS（BCARS）光譜技術(shù)（特別是基于超連續(xù)譜（SC-based）的寬帶CARS光譜技術(shù)）可以識(shí)別出復(fù)雜樣品的寬光譜范圍，所以已被應(yīng)用于各種光譜測量領(lǐng)域中�；�于超連續(xù)譜的BCARS技術(shù)已被研究人員報(bào)道，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將SC脈沖與來自單個(gè)激光振蕩器的原始泵浦脈沖進(jìn)行重新組合；還有一種光纖激光器也被研究人員報(bào)道，這種激光器采用飛秒BCARS顯微鏡進(jìn)行光譜濾波。已有研究人員使用飛秒固體激光器對BCARS的超連續(xù)譜進(jìn)行了分析，其中濾波光譜的帶寬為23cm−1。研究者人員還通過使用皮秒Nd3+激光器對基于超連續(xù)譜的BCARS光譜學(xué)進(jìn)行了研究，從而實(shí)現(xiàn)了CARS中的高光譜分辨率性能。光譜濾波是從寬帶種子中獲得窄帶脈沖序列的直接方法，但是它將導(dǎo)致脈沖能量的大量損失。基于光纖自相位調(diào)制（SPM）的光譜壓縮技術(shù)也是產(chǎn)生高功率窄帶皮秒脈沖的一種候選技術(shù)。最近，研究人員研制了用于BCARS光譜學(xué)的光纖激光器，其中泵浦脈沖是采用窄帶光纖布拉格光柵（FBG）對寬帶脈沖進(jìn)行光譜濾波得到的。研究人員還設(shè)計(jì)了基于SC的光纖激光器，其發(fā)射的窄帶泵浦脈沖是由基于SPM的寬帶激光振蕩器中光譜壓縮過程來生成的。在無源光纖和增益光纖中，研究人員采用光譜壓縮技術(shù)分別得到了脈沖能量為16.7 nJ、中心波長為1033nm的BCARS窄帶皮秒泵浦脈沖，其有效功率效率達(dá)到光譜濾波方案的16倍；在此基礎(chǔ)上，研究人員還研究了光譜壓縮泵對BCARS光譜的影響過程。上述方案的原理圖如圖6所示。

圖6（a）基于SC的BCARS光譜光纖激光器；（b）振蕩器輸出的自相關(guān)函數(shù)（紅色虛線）和壓縮脈沖（黑色實(shí)線）；（c）振蕩器輸出的光譜（黑色實(shí)線）和前置放大器的作用范圍（紅色曲線）；COL：準(zhǔn)直器；WDM：波分復(fù)用器；SMF：單模光纖；HWP：半波片；QWP：四分之一波長板；PBS：偏振分束器；BRF：雙折射板