光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2018年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：電光調(diào)制技術(shù)，光電信號處理，光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)，無源光子器件，傳感器等，筆者將逐一評析。

1.電光調(diào)制技術(shù)
由于可見光通信（VLC）中采用的白光發(fā)射二極管（LED）具備諸多優(yōu)點（例如無需頻譜許可證、低成本的前端、高安全性和強大的免疫電磁干擾性能）使得近來它在高速短程無線領(lǐng)域的接入應(yīng)用引起了人們相當大的關(guān)注，但目前研制大容量VLC系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是商用LED的調(diào)制帶寬受限。迄今為止，有一些技術(shù)已經(jīng)被提出來提升VLC系統(tǒng)的調(diào)制帶寬容量，如正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)、多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)等。在實際VLC系統(tǒng)中，通常是預(yù)設(shè)一個LED發(fā)射器以支持多用戶實現(xiàn)實時通信。因此，在多用戶VLC系統(tǒng)中應(yīng)用多重訪問技術(shù)是不可或缺的。雖然正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)已被應(yīng)用在VLC系統(tǒng)中，但由于頻譜劃分過程客觀存在，OFDMA可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率不可避免地被減少。最近，電域多路復(fù)用因為具有較高的頻譜效率，其中相關(guān)的非正交多址技術(shù)（NOMA）技術(shù)已經(jīng)被提出用于5G系統(tǒng)中。在NOMA系統(tǒng)中，通過發(fā)射機端采用疊加編碼和消除連續(xù)干擾（SIC）預(yù)處理過程使得接收方所有用戶都可以使用廣泛的調(diào)制帶寬。實驗結(jié)果證明NOMA系統(tǒng)在高信噪比（SNR）條件下工作效率非常高，性能優(yōu)異。考慮到VLC系統(tǒng)發(fā)射機和接收機之間的傳輸距離受限，較長距離傳輸后對接收信噪比的保證需要提高，因此在VLC系統(tǒng)下行傳輸中應(yīng)用NOMA技術(shù)切實可行。研究人員提出將NOMA技術(shù)作為高速VLC系統(tǒng)的潛在候選技術(shù)，并且提出了增益比功率控制分配（GRPA）方案；上述方案提供了諸多先進的功率分配選擇，但這些選擇都將犧牲信號處理過程中的計算復(fù)雜度。實驗證明：在NOMA-VLC系統(tǒng)中，采用相位預(yù)失真方法可改善接入鏈路的誤碼性能；作為提高系統(tǒng)容量并擴展信號覆蓋范圍的一種簡便有效方式，即利用照明LED應(yīng)用于VLC系統(tǒng)組，使得MIMO技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在MIMO-VLC系統(tǒng)中幾乎沒有應(yīng)用NOMA的方案被研究。研究人員設(shè)計的基于MIMO-NOMA的VLC系統(tǒng)已經(jīng)過實驗驗證，但沒有考慮功率分配問題。當應(yīng)用MIMO技術(shù)時，單LED的 NOMA-VLC系統(tǒng)中的功率分配方案不能直接用于基于MIMO-NOMA的VLC系統(tǒng)中。研究人員已提出幾種用于MIMO-NOMA射頻（RF）系統(tǒng)的功率分配方法，如混合預(yù)編碼和后檢測等；但上述方法計算復(fù)雜度高。在實際應(yīng)用中，計算復(fù)雜性低且低功耗的高效功率分配方法對于MIMO-NOMA技術(shù)是否能廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。基于上述考慮，研究人員在MIMO-VLC系統(tǒng)中應(yīng)用了NOMA技術(shù)并提出了一種新穎的功率分配方法，即歸一化增益差分功率分配（NGDPA）方法，以在MIMO-NOMA-VLC系統(tǒng)中實現(xiàn)高效低復(fù)雜性的功率分配過程。研究通過數(shù)值仿真研究對室內(nèi)2×2 MIMO-NOMA VLC系統(tǒng)的收發(fā)性能進行了評估，結(jié)果表明， NGDPA方法與NOMA相比較，后者可以大大提升2×2 MIMO-VLC系統(tǒng)的傳輸速率。來自南洋理工大學(xué)的研究人員提出了一種新的NGDPA方法，該方法使得室內(nèi)MIMO-NOMA-VLC系統(tǒng)中的功率分配計算復(fù)雜度得以降低。數(shù)值仿真研究結(jié)果表明，在室內(nèi)2×2 MIMO-VLC系統(tǒng)中，與應(yīng)用NGRPA的NOMA技術(shù)相比，應(yīng)用GRPA技術(shù)的NOMA系統(tǒng)容量大大提升；在具有三個用戶的2×2MIMO-VLC系統(tǒng)中，有效功率提高可達29.1％。因此，該方案具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢�；�于2×2 MIMO-NOMA技術(shù)的VLC系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1基于2×2 MIMO-NOMA技術(shù)的VLC系統(tǒng)模型圖

2.光電信號處理
目前，基于微波工作頻率的半導(dǎo)體器件在高速電子系統(tǒng)、芯片集成、光纖制備、自由空間光通信以及下一代光電子信號處理等技術(shù)領(lǐng)域起著越來越重要的作用。這些器件因其運行在電磁頻譜的射頻（RF）部分，通常需要應(yīng)用無源電路來過濾、驅(qū)動或讀寫出設(shè)備信號響應(yīng)過程。在過去十年中，隨著計算處理能力的提升和大量商用軟件包的增加，相關(guān)電路設(shè)計過程已經(jīng)被大大簡化。雖然涉及到的電路實驗表征可能是代價高昂、耗時久且分辨率低的過程，然而在重復(fù)設(shè)計過程中，射頻電路的場分布和損耗機制可以提供反饋參考。眾所周知，傳統(tǒng)射頻微波場的非破壞性實驗測圖是利用微波近場掃描探針實現(xiàn)的。在無源成像模式下，通過電纜上RF信號的反射來讀取表面電導(dǎo)率；在有源模式下，電路由微波信號驅(qū)動，同軸電纜探頭將散射的倏逝場映射到電路上。實際中，研究人員通過平行帶狀傳輸線或掃描隧道顯微鏡（STM）尖端取代同軸電纜從而改進空間分辨率，實現(xiàn)材料電導(dǎo)率的納米級分辨率測量。然而，RF波長和探頭本身之間的嚴重尺度不匹配將導(dǎo)致有源電路的弱耦合效應(yīng)從而限制靈敏度。上述技術(shù)需要將散射場耦合到亞波長的微波探測器中，使得場分布測量過程變得更加困難。此外，已有研究人員證明采用電光（EO）雙折射技術(shù)可以測量有源RF電路的亞波長分辨率和三維電場矢量分布。在上述技術(shù)中，涉及的皮秒級激光由含有電光材料的射頻電路反射；由于RF場雙折射引起的探測光束偏振位移被用于提取激光斑點處的RF場振幅和方向，因此EO采樣需要昂貴的微波和光學(xué)設(shè)備（包括頻譜分析儀、飛秒激光器和EO晶體）。此外，探測光束的偏振位移在光束通過EO材料時RF場的光路累積長度，從而產(chǎn)生了光軸上的空間分辨率限制。盡管RF和光學(xué)頻率間波長和時間尺度不匹配，但是由于上述過程能獲得高時間和空間分辨率，所以仍是一種候選方案。最近，研究人員提出了一種相對便捷的射頻電路場分布測量和用微波映射電導(dǎo)率（MMOIC）測試方案（其實驗裝置圖如圖3所示）。MMOIC測試方案采用非接觸且非破壞的方式來測量有源射頻電路的場分布；與EO采樣技術(shù)一樣，該方案提供的空間分辨率數(shù)量級低于電路中射頻信號的自由空間波長數(shù)量級。研究人員將實驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場模擬、傳輸線路模型相比較，發(fā)現(xiàn)其有良好的一致性。

圖2 （a）微波場測試的實驗裝置示意圖；（b）表面顯示激光束的共振電路原理；（c）波長為785nm的激光光束光斑大小對樣品表面的影響效果；（d）在黑暗和照明情況下的SRR間隙中，激光激發(fā)的諧振電路射頻光譜

3. 光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
光發(fā)射機（TX）中的各個組件，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、驅(qū)動放大器（DA）和雙偏振（DP）控制器和馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM））都會在實際應(yīng)用中呈現(xiàn)出一定程度的線性和非線性信號處理缺陷，從而降低光通信系統(tǒng)的收發(fā)性能；產(chǎn)生的帶寬限制和I/Q偏移等負面因素會導(dǎo)致具有高波特率高階調(diào)制格式的發(fā)射信號質(zhì)量受損。以往的研究已經(jīng)證明可以通過數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)來減少傳輸信號的衰減，但其中假設(shè)的預(yù)失真設(shè)計是依據(jù)生產(chǎn)或裝配過程中確定的TX組件傳輸函數(shù)計算，其中單元件的靜態(tài)特性表征計算非常耗時，并導(dǎo)致溫度不精確和系統(tǒng)老化效應(yīng)。因此，200Gbits/s雙偏振16QAM信號和400Gbits/s雙偏振16QAM信號的大規(guī)模應(yīng)用最好采用有精確自適應(yīng)預(yù)失真處理的光發(fā)射器來產(chǎn)生。目前，研究人員對幾種自適應(yīng)和自校準方案進行了初步評估，他們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所需的DPD系數(shù)是以背對背（B2B）配置估算；如果TX在轉(zhuǎn)換到正常操作之前先切換到自校準模式將具有一定的應(yīng)用價值。上述方法還可通過輔助接收器（RX）與TX共同定位來實現(xiàn)自適應(yīng)預(yù)失真估計過程以形成對發(fā)射信號的優(yōu)化。最近，研究人員提出一種新的自適應(yīng)DPD算法，該算法評估在光纖鏈路上傳輸?shù)男盘杹碜R別預(yù)失真參數(shù)。相關(guān)DPD體系結(jié)構(gòu)（如圖3所示）可用于對TX存在的固有缺陷（如帶寬限制和I/Q偏移）進行連續(xù)跟蹤和預(yù)補償。研究人員分析了400Gbit/s的 DP-16QAM光信號經(jīng)不同長度的標準單模光纖（SSMF）傳輸后的接收性能。此外，他們通過對1520公里SSMF傳輸后接收的信號進行估算和補償，證實了上述方案在200Gbit/s的DP-16QAM光通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，相關(guān)實驗設(shè)置如圖4所示。

圖3 DPD處理流程圖[/center]

圖4 200Gbit/s DP-16QAM光通信系統(tǒng)實驗裝置圖

4. 無源光子器件
眾所周知，微波頻率測量（MFM）技術(shù)是雷達和電子測量領(lǐng)域的重要應(yīng)用技術(shù)。隨著現(xiàn)代雷達預(yù)警機和電子對抗技術(shù)的發(fā)展，基于常規(guī)電子技術(shù)的MFM方案截獲到的實時信號估計頻率可能是錯誤的。另外，由于光子輔助技術(shù)具有獨特應(yīng)用優(yōu)勢（如瞬時帶寬大、重量輕、損耗低和抗電磁干擾等）已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。近年來，研究人員通過建立振幅比較函數(shù)（ACF）來將未知微波頻率映射為電或光功率，在此基礎(chǔ)上結(jié)合MFM開發(fā)出了許多光子輔助技術(shù)。其中的一個方法是通過使用色散元件（DE）進行電域映射，該方法能夠通過兩個不同信道的微波功率比來構(gòu)建振幅比函數(shù)（ACF）過程。由于測試頻率范圍和分辨率之間的折衷考慮，ACF只能在窄頻率范圍內(nèi)適用于MFM應(yīng)用。通過調(diào)諧色散、控制激光波長、調(diào)節(jié)調(diào)制器偏置電壓、偏振態(tài)或受激布里淵散射（SBS）相移的方式，不僅擴大了測量頻率范圍，而且測量精度往往會受到色散差、激光源波長波動、調(diào)制器偏置漂移、設(shè)置的偏振不穩(wěn)定性或SBS溫度靈敏度的影響。電域映射方法是通過構(gòu)造兩個物理信道將未知信號頻率映射到微波功率上，這就意味著每個信道中光電探測和電功率測量的頻率范圍應(yīng)該覆蓋到感應(yīng)的全頻率范圍。研究人員因此提出利用兩信道結(jié)合互補光濾波的光學(xué)映射方法，該方法與現(xiàn)有的光子輔助MFM方法相比，具有配置簡單、節(jié)省光電探測器（PD）寬帶和微波功率計功耗等優(yōu)勢。研究人員通過對信號延遲時間或光學(xué)濾波形狀的調(diào)整來實現(xiàn)多頻帶測量過程，且在每次調(diào)整后都對延遲時間或光學(xué)濾波形狀進行表征和校準。值得注意的是，此過程中光載波波長應(yīng)重新對準馬赫曾德爾延遲干涉儀（MZDI）或光學(xué)濾波器的峰值零點，否則測量精度將受到影響�；�于上述考慮，研究人員設(shè)計了可配置導(dǎo)頻具有靈活測量范圍和高分辨率的MFM光學(xué)測試方案。他們將載波抑制雙邊帶調(diào)制的光信號發(fā)送到由兩個導(dǎo)頻信號驅(qū)動的雙驅(qū)動馬赫曾德爾調(diào)制器（DDMZM）。在通過DE傳播之后，光頻邊帶在PD中相互作用，而未知的微波頻率可以從頻率已知的導(dǎo)頻信號振幅比中提取出來。該方法原理圖如圖5所示，它消除了寬帶雙信道光電探測和微波功率測量的影響。除此之外，還可通過配置兩個導(dǎo)頻頻率，實現(xiàn)具有靈活測試范圍和高分辨率的多頻帶MFM測量方案。

圖5 測試方案原理圖（LD：激光二極管；MZM：馬赫曾德爾調(diào)制器；DDMZM：雙驅(qū)馬赫曾德爾調(diào)制器；MS：微波源；DE：色散元件；PD：光電探測器；MFU：測量頻率單元）

光學(xué)微環(huán)諧振器（MRR）被認為是集成光子應(yīng)用領(lǐng)域的基本構(gòu)建模塊被廣泛應(yīng)用于調(diào)制器、光學(xué)濾波器、光開關(guān)、光學(xué)延遲線和光學(xué)傳感器制備中。耦合系數(shù)作為MRR的基本參數(shù)決定了消光比以及群延遲。準確控制耦合系數(shù)的有效方法之一是引入馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）耦合器，因為耦合系數(shù)可以通過改變MZI兩臂之間的相位差輕易被調(diào)整。然而，諧振波長的偏移在調(diào)諧過程中雖然很重要，但不利于其應(yīng)用到具備固定諧振波長的器件中，例如基于MRR的光學(xué)延遲線、光子分數(shù)微分器和光學(xué)陀螺儀等�；�于MRR的光延遲線的群延遲一般是通過耦合系數(shù)進行調(diào)諧，但相關(guān)的諧振波長偏移會使其在實際應(yīng)用中發(fā)生偏差。為解決這個問題，應(yīng)該在MRR中插入一個移相器以補償波長偏移，但這將大大增加制備難度并使其操作復(fù)雜化。波長轉(zhuǎn)換問題也可以通過調(diào)諧方法被克服，但控制調(diào)諧的困難程度也將顯著增加。研究人員通過理論和數(shù)值模擬證明：MRR的波長偏移范圍取決于其配置，解決波長轉(zhuǎn)換問題的方法在于設(shè)計MRR的體系結(jié)構(gòu)。目前只有陷波響應(yīng)的全通MRR才被研究，并且沒有開展實驗研究。因此，研究人員從理論上和實驗上研究了應(yīng)用不對稱定向耦合器的MRR（MZI-MRR）中MZIs的傳輸性能，以表明可以調(diào)節(jié)可忽略的波長偏移實現(xiàn)MRR的頻率響應(yīng)過程。在進行理論研究時，他們分析了耦合系數(shù)對定向耦合器的影響和MZIs中兩臂相位差的特性，證明了MZI中的定向耦合器具有不對稱的諧振波長時只對MZI的一個臂相位變化敏感。來自南京航空航天大學(xué)的研究人員展示了一種解決由調(diào)諧幅度和相位響應(yīng)引起的MZI-MRR波長偏移問題的新方法，理論和實驗研究結(jié)果表明，MZI-MRR的幅度和相位響應(yīng)可以由MZI中每個臂的相位控制，但是共振波長只對其中一個臂引起的相位變化敏感。實驗結(jié)果證明，通過調(diào)諧不敏感臂的相位在保持諧振波長不變時，MZI-MRR的性能可以被改變。相關(guān)設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 分插式MZI-MRR設(shè)計圖

5．傳感器
近年來，基于光網(wǎng)絡(luò)傳感器制備的長周期光纖光柵（LPG）得到了全面研究和發(fā)展，并且已在民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用（如工程、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域等）。迄今為止，已被提出和討論的各種LPG傳感器（包括基于光子晶體光纖（PCF）和基于螺旋長周期光纖光柵（HLPG）的扭轉(zhuǎn)傳感器）都因為存在陷波波長從而對溫度和應(yīng)變這兩個參數(shù)敏感，導(dǎo)致基于LPG的扭轉(zhuǎn)傳感器在溫度和應(yīng)變之間存在串擾效應(yīng)。另一方面，大部分被測物體在軸向上扭轉(zhuǎn)變化的經(jīng)歷會不可避免地帶來一些應(yīng)變效應(yīng)，因此需要設(shè)計簡單而快速的方案以區(qū)分上述兩種效應(yīng)的串擾。對于基于LPG的光纖傳感器，測量扭力、應(yīng)變和溫度的變化過程對于傳感器的實際應(yīng)用也非常重要。迄今為止，研究人員已提出并演示了幾種同時測量溫度和扭轉(zhuǎn)以及溫度和應(yīng)變的方法。但是，同時測量三個參數(shù)（即扭轉(zhuǎn)、應(yīng)變和溫度）的過程從未被提及過。研究人員設(shè)計并且通過實驗證明了基于HLPGs的新型傳感器可以同時測量扭轉(zhuǎn)、應(yīng)變和溫度三個參數(shù)，該傳感器利用兩個級聯(lián)的單螺旋長周期光纖光柵（TSC-HLPG）（但光柵的螺旋性相反）制備。另外，與常規(guī)的基于光纖光柵的傳感器不同，該傳感器不僅可扭轉(zhuǎn)且扭轉(zhuǎn)方向也可以同時確定。研究人員成功證明了這種新穎的基于HLPG的傳感器測量溫度的精確度在27-100°C范圍內(nèi)，誤差在〜0.8°C范圍內(nèi)，應(yīng)變精確度在0-2600μ范圍內(nèi)時誤差約不超過〜225μ，扭轉(zhuǎn)角度在-360°到+ 360°范圍內(nèi)時誤差為〜1.2°（對應(yīng)于3.54nm / rad / m in的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)率）。連續(xù)級聯(lián)型HLPG的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7.連續(xù)級聯(lián)型HLPG結(jié)構(gòu)圖