光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2018年4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、光纖傳感和測量技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、光網(wǎng)絡等，筆者將逐一評析。

1.調(diào)制技術(shù)

由于發(fā)光二極管（LED）的高功率效率，它已被廣泛應用于照明設備中，從而促進了可見光通信（VLC）技術(shù)的迅速發(fā)展。與射頻（RF）通信不同，VLC是通過LED傳輸數(shù)據(jù)信號的，VLC系統(tǒng)的應用在一定程度上緩解了無線頻譜資源的短缺問題，其中的接收機直接檢測解調(diào)信號也使得系統(tǒng)的復雜度較低。在室內(nèi)場景中，通常會有多個LED來滿足照明要求，并且使用單個光電探測器將信號傳輸給多個用戶，稱為多用戶多輸入單輸出（MU-MISO）。此系統(tǒng)中有兩種不同的干擾。一種是點對點視線（LOS）鏈路干擾，另一種是由反射導致的漫反射鏈路干擾。由于漫反射鏈路比LOS鏈路帶來的干擾弱得多，也因此LOS鏈路干擾是影響系統(tǒng)性能的主要因素。另外，由于VLC中信道間的強相關(guān)性，信道相關(guān)矩陣會進一步降低系統(tǒng)的收發(fā)性能；而且，信道的不確定性可能會給系統(tǒng)帶來新的干擾。實際應用中，由于信道系數(shù)是通過射頻（RF）、紅外光（IR）或可見光等反饋鏈路進行估計的，所以在MU-MISO系統(tǒng)中不可避免地會出現(xiàn)噪聲、量化信道估計以及延遲估計反饋過程中存在的信道誤差。

最近，研究人員為提升系統(tǒng)功效設計了VLC的預編碼過程。雖然已有研究人員設計了一種使用最小均方誤差（MMSE）預編碼過程來實現(xiàn)VLC系統(tǒng)中信號的預處理，但由于信號均方誤差（MSE）的限制將使光照水平降低（其中，MSE并不是用來測量系統(tǒng)性能和提供相應應用的直接參數(shù)）。另一方面，研究人員改進了基于正交頻分復用（OFDM）信號的光調(diào)制設計過程（盡管OFDM信號容易受到LED非線性的負面影響）。研究人員基于信道不確定性實現(xiàn)了功率高效的迫零（ZF）預編碼過程，總的輸出光功率受信號與干擾加噪聲比（SINR）和LED電流范圍的限制。

2.光傳輸

模擬光子鏈路不但在微波光子學中有著廣泛的應用，而且在無線通信和雷達系統(tǒng)領(lǐng)域也有著應用優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的同軸電纜模擬鏈路相比，模擬光子鏈路（APL）具有帶寬大、損耗低和抗電磁干擾的優(yōu)點。在常規(guī)的APL中，基于單一馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）的雙邊帶強度調(diào)制（IM）方案能實現(xiàn)其應用優(yōu)勢。然而，由于SMF色散會引起功率衰減效應，尤其是在遠距離高微波頻率下的傳輸鏈路中接收到的信號會受其影響；因此，功率衰減效應對數(shù)十千兆赫頻率下長距離傳輸?shù)腁PL應用是不利的。為了克服功率衰減效應，研究人員提出了單邊帶調(diào)制方案。單邊帶調(diào)制可以通過偏振調(diào)制器或雙電極MZM來實現(xiàn)（但在該方案中，需要額外的電子移相器，而該類電氣元件的使用將使系統(tǒng)產(chǎn)生插入損耗和頻率相關(guān)的相位誤差，它們還會降低傳輸鏈路的性能并限制傳輸頻率的可調(diào)靈活性）。研究人員還研究了基于光學濾波器的其他方法（如采用光纖布拉格光柵），但在頻率可調(diào)諧性方面同樣具有局限性。還有研究人員提出了載波移相雙邊帶調(diào)制方法以通過使用雙并行MZM來補償功率衰落效應；上述方法通過適當?shù)卣{(diào)整三個直流偏置來改變APL的頻率響應。然而，這種方法存在偏置偏移問題，因此需要復雜的偏置電路。與使用IM比，基于相位調(diào)制（PM）的APL不存在偏置偏移問題，同時其還具有較低的損耗（需要注意的是：PM到IM間的轉(zhuǎn)換通常有一個光學濾波器實現(xiàn)，但該濾波器會限制傳輸鏈路的工作帶寬）。

目前，研究人員設計了一種補償色散誘導功率衰減的APL，它通過SBS來改變光載波的相位（其實驗裝置圖如圖1所示）；上述方法大大提高了APL的線性度。在不改變振幅的情況下，可以利用SBS在窄帶寬上提供大于2π的光載波相位漂移。目前，已有研究測得了SBS在第一次實驗中誘導相移的精確測量過程。還有研究展示了利用SBS產(chǎn)生可控微波波形的方法，該方法通過調(diào)整光學載波、布里淵泵（BP）以及布里淵斯托克斯（BS）之間的頻率間隔以及適當調(diào)整相移以實現(xiàn)從PM到IM轉(zhuǎn)換所需的輸出（其中，傳輸鏈路可以通過調(diào)整頻率響應來補償功率衰減的影響）。研究人員所提出的APL應用系統(tǒng)在25和40km的單模光纖（SMF）上進行了實驗驗證，并測量了頻率響應。為了更好地判斷所設計的鏈路是否有在更高頻率上傳輸數(shù)據(jù)的能力，研究人員以18和14GHz的微波中心載波頻率成功地發(fā)送和接收了2Gb/s速率的QAM和4Gb/s速率的16QAM的離散多音信號；其中采用的18GHz和14GHz的頻率是在25和40km單模光纖中傳輸時發(fā)生嚴重功率衰落的頻點。研究人員還對誤差矢量幅度（EVM）以不同的接收功率進行評估，在-8.0dBm的接收功率下獲得的最低EVM約為12%。


圖1 相關(guān)光子鏈路實驗裝置圖（TL：可調(diào)諧激光器；VOA：可變光衰減器；ISO：隔離器；PC：偏振控制器；DSF：色散位移光纖；CIR：環(huán)行器；EDFA：摻鉺光纖放大器；BPF：帶通濾波器；PD：光電探測器）（a）相位調(diào)制光信號，（b）載波相移光信號，（c）在SMF上傳輸?shù)墓庑盘枺ê雎怨廨d波上色散引起的相移）

3.光纖傳感和測量技術(shù)

電磁感應透明（EIT）是具有窄光譜光學增強透射的量子干涉現(xiàn)象（通過原子層和外部光場間的相互作用產(chǎn)生）。增強的透射可以顯著地減緩光子的強度，這種特性在傳感器、光學數(shù)據(jù)存儲和增強的光學非線性方面都有潛在的應用前景。然而，由于EIT需求極低的溫度環(huán)境和較高穩(wěn)定度的氣體激光器，使得它的潛在應用受到了嚴重阻礙。幸運的是，許多研究者已經(jīng)在理論和實驗上證明了在微波、太赫茲和光學頻率的超材料系統(tǒng)中可以模擬EIT現(xiàn)象。眾所周知，表面等離子體激元可以在非常小的金屬表面范圍內(nèi)很好地被束縛住，并能打破衍射極限。因此，EIT效應與納米等離子體激元結(jié)構(gòu)的結(jié)合將為實現(xiàn)對周圍環(huán)境變化高度敏感的超小型調(diào)制器和傳感器提供了可能性。基于超材料結(jié)構(gòu)（包括切割線、分裂環(huán)諧振器和耦合波導諧振器）的類EIT現(xiàn)象已被廣泛地研究。

迄今為止，除嚴格重新調(diào)整金屬納米結(jié)構(gòu)之外，通常而言等離子體共振可調(diào)諧過程是不易實現(xiàn)的，從而限制了集成光學相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進一步發(fā)展。為解決上述問題，可以采用將超材料與非線性介質(zhì)、半導體和液晶等光學活性材料集成在一起實現(xiàn)動態(tài)調(diào)諧工作波長的方法。因石墨烯等離子體激元具有低損耗、極端約束和主動可調(diào)的電氣和光學性能，因此作為一種可替代的方案已被引入PIT設備的設計中。例如，凹坑效應可以在周期性圖案化的納米結(jié)構(gòu)、異質(zhì)性石墨烯帶和由一系列空間分離的石墨烯層組成的元表面中實現(xiàn)。此外，石墨烯還可以作為與凹坑超材料結(jié)合的活性介質(zhì)。目前，相關(guān)研究主要圍繞耦合諧振器，其中不同的等離子體激發(fā)諧振器（亮模式和暗模式諧振器）彼此耦合以實現(xiàn)EIT光學響應。這些耦合諧振器不僅體積龐大、復雜，而且還不能滿足高集成度光學元件的發(fā)展趨勢。然而，基于單元石墨烯諧振器凹坑的實現(xiàn)卻很少被研究。目前，研究人員證明了基于H形石墨烯諧振器可以引起PIT效應，并且不需要使用額外的光學元件。一旦對稱性被破壞，H形石墨烯諧振器（HSGR）的上腔和下腔中的電流振蕩異相，它們的諧振頻率略有不同，這就導致了HSGR腔之間的強耦合。這種配置導致兩個透射峰之間形成PIT峰值。通過改變石墨烯的費米能（EF）和U形腔的幾何參數(shù)，可以同時調(diào)節(jié)諧振頻率、透射強度和線寬。此外，該研究結(jié)果證明可實現(xiàn)超過0.04ps的光延遲和17.78品質(zhì)因素（FOM）的參數(shù)指標。毫無疑問，上述研究工作的開展拓展了相關(guān)應用范圍，尤其是可用于開發(fā)紅外等離子體組件，如開關(guān)，慢光器件和可調(diào)諧傳感器。相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。


圖2.（a）石墨烯納米結(jié)構(gòu)放置在SiO2襯底上的示意圖；（b）單元結(jié)構(gòu)：諧振器的長度L1、L2和寬度W1、W2分別為150nm、300 nm和60 nm、40nm，中心帶橫向位移S、周期Px＝400nm和Py＝400nm

4.光纖技術(shù)

中空芯光子帶隙光纖（PBGF）因為具有低非線性、溫度敏感度低和具有磁性環(huán)繞等特點受到廣泛關(guān)注。PBGF的優(yōu)秀的光學性能和環(huán)境適應性使其被用于許多應用研究領(lǐng)域，例如光纖陀螺（FOGs）、高速大數(shù)據(jù)通信和微粒采集。當給定支柱寬度最佳區(qū)間和氣孔周期存在的圓角尺寸時，光纖包層中支柱的寬度、氣孔周期和圓角尺寸對帶寬和中心波長有極大影響。許多以前的研究已經(jīng)建立了理論模型和調(diào)查繪圖參數(shù)用以提高PBGF拉制性和質(zhì)量。已有研究人員利用傳統(tǒng)的單模光纖預制棒建立了一個不穩(wěn)定的仿真模型，并提供了一個用于模擬和分析光纖拉伸過程的方法。通過微結(jié)構(gòu)光纖拉絲工藝瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數(shù)值進行2D建模，以及通過調(diào)整相關(guān)的孔的大小與張力和壓力（而不是溫度），可以改善了光纖拉絲塔的工作性能。光纖中的空氣孔可以預估計并且是拉伸張力唯一顯著的參數(shù)。南安普敦大學的研究人員建立了基于模擬毛細管PBGFs拉制性的模型，并考慮到真正的拉絲速度，壓力和張力，并且光纖結(jié)構(gòu)可以通過建立的模型獲得。所有這些研究為PBGF的拉制性做出了重大貢獻，但另一個重要參數(shù)，毛細管的空隙會在光纖中形成圓角，而這一點從未被分析過。研究人員首次對具有不同尺寸空隙的塌陷過程進行了分析（基于PBGF的毛細管中提取溫度和空隙尺寸），并利用工程估算方程表征空隙坍塌規(guī)律。研究人員建立的分析模型假定空隙在給定的情況下被加熱，并從中推導出模型的工程方程，表明了制造參數(shù)之一的溫度高低會影響空隙崩潰和空隙大小。該模型模擬了空隙倒塌的效果，研究結(jié)果表明空隙崩潰對PBGF有利（這是因為在光纖拉制過程中的空隙坍塌時直流可以通過空隙進行調(diào)整）。其PBGF的制備原理如圖3所示。


圖3. PBGF的制備過程（a）數(shù)百個高純度二氧化硅毛細管和預制棒束疊加; （b）抽出的預制棒的橫截面； （c）從毛細管中提取的PBGF橫截面；（d）放大的包層蜂窩結(jié)構(gòu)圖像

5.激光技術(shù)

高功率邊緣發(fā)光二極管激光器是在材料處理、光學變頻、光纖放大器和固體激光器等領(lǐng)域中廣泛應用的關(guān)鍵器件。大多數(shù)這些應用需要接近衍射極限的光束質(zhì)量、較低的發(fā)散度和窄光譜寬度。錐形激光器由于其易于制造并能在輸出端保持良好的光束質(zhì)量而受到很多關(guān)注。帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形激光器可以實現(xiàn)低垂直發(fā)散。然而，常規(guī)錐形激光器的光譜寬度與典型廣域激光器相同，一般情況下光譜寬度范圍內(nèi)的在2和6 nm之間。為了減少光譜寬度，研究人員提出了不同的方法包括外部反饋腔、集成分布反饋（DFB）激光器、集成無源分布布拉格反射器（DBR）激光器。但是，外部反饋需要額外的組件和相應調(diào)整，導致增加相當程度的復雜性和成本。傳統(tǒng)的DFB激光器需要將光柵層嵌入波導中，這是非常復雜和耗時的。DBR激光器已被廣泛研究。最近，有研究報道了基于DBR光柵窄光譜寬度的錐形激光。因為需要足夠的反饋，DBR光柵的周期通常在1μm左右或更小，因此很多蝕刻的凹槽較小。導致的結(jié)果是，微型的結(jié)構(gòu)制造嚴重依賴昂貴和耗時的技術(shù)，如電子束光刻和聚焦離子光束光刻技術(shù)。近年來，研究人員提出并展示基于插槽的單模激光器。槽的寬度和周期通常被設計為大于1μm，這很容易可以通過標準的光刻法地定義。大多數(shù)基于插槽的研究重點都集中在基于應用光子集成二極管的1550nm納米激光器上，并致力于使幾十毫瓦的輸出功率的側(cè)模抑制比（SMSR）達到50dB以上。最近有研究提出報道了基于金屬槽的956-nm廣域激光二極管，以及其實現(xiàn)了在單縱向模式下200毫瓦的功率輸出端具有39dB的SMSR。研究人員將槽插入錐形激光器，設計了脊形波導帶槽錐形激光器（RW slots）和近前端面（FF slot）帶槽錐形激光器。上述兩種器件可以實現(xiàn)高輸出功率和窄光譜寬度，并由于插槽位置不同而引起的不同的遠場分布（值得注意的是，上述兩種器件均可獲得高光束質(zhì)量）。研究人員已經(jīng)設計了基于狹窄光譜發(fā)射槽錐形激光器，并研究了插槽的位置對錐形激光器性能的影響。具有RW插槽的錐形激光器的輸出功率在3A條件下為2.15 W，比沒有插槽的器件略低。然而，對于帶有插槽的兩器件，由于存在較大的光學損耗，具有FF插槽的錐形激光器可提供1.87 W的輸出功率并可獲得約0.25nm的窄光譜寬度。對于帶有RW和FF槽的錐形激光器，最大的SMSR分別為28.8 dB和36.8 dB。對于使用RW插槽設備，垂直遠視角大約為11°，而對于帶有FF插槽的錐形激光器，其垂直光束發(fā)散角大約為7°�；�于光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形二極管激光器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。


圖4.基于光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形二極管激光器（a）RW插槽和（b）FF插槽

6.光網(wǎng)絡

云無線接入網(wǎng)絡（C-RAN）已經(jīng)被提出并被認為是兼具有成本效益和環(huán)保節(jié)能兩大優(yōu)勢的未來移動通信網(wǎng)絡。在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，基帶處理單元（BBU）在中央處理器中進行整合并提供集中控制，而無線單元（RU）留在小區(qū)站點以提供接入點（AP）服務。連接BBU池和RU的段被稱為光學移動前端（MFH），并作為RAN的重要組成部分而被深入研究。在該網(wǎng)絡系統(tǒng)中，就光纖鏈路的非線性和對不同移動信號格式的兼容性而言，如果采用光纖數(shù)字化無線技術(shù)需要考慮到的是5G中可能采用的高階調(diào)制（1024QAM）規(guī)范；同時，迫切需要升級MFH系統(tǒng)的容量來迎合帶寬爆炸性增加需求。高階調(diào)制格式已被研討以取代目前的主流NRZ-OOK格式。與其他解決方案相比，如DMT和CAP，脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）由于其更簡單的數(shù)字化和寬松的線性要求而成為潛在的候選技術(shù)。但是，與NRZ相比，在相同信噪比（SNR）情況下，PAM4下信號有較大的誤碼率（BER），因為每比特能量降低和容限性能較弱會產(chǎn)生符號間干擾（ISI）從而導致信號串擾嚴重。因此，需要重新思考是否有必要將信號數(shù)字化�？紤]到光鏈路質(zhì)量可能有不同長前傳和短前傳共存以及相應的不同到達距離，為了在不同光鏈路質(zhì)量下達到最佳狀態(tài)的性能，采樣位應該被優(yōu)化并且需要具有可變速率的裝置，這導致了電子電路高度復雜性,因此研究人員建議使用混合PAM2/4信號�；旌螾AM2/4信號由兩個簡單的系統(tǒng)產(chǎn)生：（i）一個高位和一個低位配對形成一個PAM4符號; （ii）一部分PAM4在調(diào)制之前，低位比特被設置為“0”。PAM4格式實際上被轉(zhuǎn)換為混合PAM2/4格式，其中具有低BER的PAM2發(fā)送具有更高優(yōu)先級的采樣比特，具有高頻譜的PAM4方案傳輸剩余的采樣比特（即在PAM2和PAM4之間改變位數(shù)設置為“0”的比例，并根據(jù)不同光鏈路質(zhì)量進行靈活調(diào)整以達到最佳收發(fā)性能）。由于混合PAM2/4信號的波特率固定，可以應用固定速率的硬件。20G波特I/Q數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果傳輸表明，在各自的最優(yōu)PAM2/4比例混合下，與傳統(tǒng)PAM4格式和1024-QAM的長期演進（LTE）類信號相比，所提出的方法可以減少誤差矢量幅度（EVM）值。研究人員建議在數(shù)字移動前端采用柔性混合PAM2/4過程來抑制由采樣誤碼引起的信號失真；而且，PAM2/4信號的比例可以根據(jù)光鏈路的質(zhì)量進行靈活調(diào)整（只需將位數(shù)設置為“0”即可實現(xiàn)，無需任何硬件修改和調(diào)整，所提出的方案與傳統(tǒng)的PAM4收發(fā)設備完全兼容）�；�于PAM4信號設計的數(shù)字移動前傳系統(tǒng)如圖5所示。


圖5.基于PAM4信號設計的數(shù)字移動前傳系統(tǒng)（a）傳統(tǒng)的PAM4；（b）自適應PAM4；（c）自適應比例混合PAM2/4