光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎，胡欽政
    2018年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光通信網(wǎng)絡(luò)與傳輸系統(tǒng)、非線性均衡器、光接入系統(tǒng)、無源器件、激光器、調(diào)制器等，筆者將逐一評析。
1. 光通信網(wǎng)絡(luò)與傳輸系統(tǒng)
    隨著通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展用于無線通信的低頻頻譜資源非常匱乏。因此，無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更加注意更高頻率的資源，以滿足不斷增加的傳輸系統(tǒng)容量需求。V波段頻率因其具有大的可用無線帶寬而脫穎而出，尤其是57-64GHz左右的免許可頻段。然而，與較低的射頻（<6GHz）不同，60GHz頻帶除了自由空間損耗之外，還有約15dB/km的傳輸衰減，大幅限制了信號傳輸距離。光纖無線電（RoF）技術(shù)可以克服與毫米波信號傳輸高衰減相關(guān)的缺陷。RoF技術(shù)具有高頻譜效率、低信號延遲和昂貴設(shè)備集中化的優(yōu)點(diǎn)。而毫米波RoF系統(tǒng)正是充分利用了無線通信和光通信的優(yōu)勢，大大增加了寬帶無線傳輸距離。然而，由于模擬信號域的若干傳輸阻礙（包括由于光纖色度色散引起的功率衰落效應(yīng)、直接調(diào)制非線性和啁啾以及光-電（O/E）轉(zhuǎn)換失真），RoF的實(shí)效難以獲得。當(dāng)毫米波調(diào)制信號沿色散光纖傳播時，兩個邊帶將呈現(xiàn)相對于光載波的不同數(shù)量的相移。系統(tǒng)所接收的波動RF功率就取決于這兩個差拍分量間的相對相位差。大多數(shù)的RoF信號發(fā)射是由外部調(diào)制器的強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測（IM-DD）方案完成的。已有研究使用兩個馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）和數(shù)字噪聲抑制方案成功在150km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）中傳輸信號。為了進(jìn)一步增加傳輸距離和通信帶寬，有研究證明使用昂貴的外部調(diào)制器和相干光接收機(jī)的方案可以實(shí)現(xiàn)RoF毫米波通信在80公里SSMF中的長距離信號傳輸。然而，相干光接收機(jī)的復(fù)雜性、成本和功耗都有損于可行性演示的實(shí)際操作。一些更具成本效益的方案中使用具有光學(xué)單邊帶（SSB）直接調(diào)制激光器（DML）來建立長距離毫米波RoF鏈路。一些研究中還使用遠(yuǎn)程外差技術(shù)和包絡(luò)檢波器來延長傳輸距離，其中使用光學(xué)SSB的遠(yuǎn)程外差技術(shù)，最大光纖距離和比特率分別可達(dá)到90km和7.5Gbps。最近，來自北京郵電大學(xué)信息光子與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用具有高成本效益的DML，在沒有任何色散補(bǔ)償組件和外部調(diào)制的情況下，演示了60GHz信號在200km單模光纖鏈路上的傳輸，并且設(shè)計(jì)了特殊的雙級SSB調(diào)制和功率檢測方案（如圖1所示），以克服嚴(yán)重色散引起的衰減。在有色散影響的長距離SSMF傳輸之后，兩個邊帶之間的相位差導(dǎo)致對信道頻率響應(yīng)的眼中功率衰減效應(yīng)。他們首先設(shè)計(jì)了在光學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域中工作的新型SSB信號，以避免兩個邊帶之間任何有可能出現(xiàn)的擾動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案通過200km的單模傳輸14Gbps的QPSK信號，然后低于3.8×10-3的誤碼率門限進(jìn)行1米60GHz無線傳輸。該方案的實(shí)施不需要昂貴的設(shè)備，從而使遠(yuǎn)程寬帶無線服務(wù)有望實(shí)現(xiàn)，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。


圖1 雙級SSB調(diào)制的長距離毫米波RoF系統(tǒng)圖（CO：中心局；BS：基站；UE：用戶設(shè)備）

圖2 基于DML的60GHz mRoF雙級單邊帶調(diào)制功率檢測系統(tǒng)裝置圖；（a）光纖傳輸后的光譜；（b）、（c）為信號功率檢測前后的電頻譜。AWG：任意波形發(fā)生器；pre-FDE：頻域預(yù)均衡；SRRC：平方根升余弦；DML：直接調(diào)制激光器；ECL：外腔激光器；PC：偏振控制器；OA：光衰減器；OC：光耦合器；EDFA：摻餌光纖放大器；SSMF：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；PD：光電探測器；EA：電放大器；LPF：低通濾波器

2. 非線性均衡器
隨著視頻會議、高清電視（HDTV）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、IP語音（VoIP）等新興信息業(yè)務(wù)的空前發(fā)展，移動和固定接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求迅速增長。因此，對于低成本、大容量的光接入網(wǎng)絡(luò)的需求變得至關(guān)重要。常規(guī)的時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON)通常提供10Gb/s的大聚合數(shù)據(jù)速率，但這不足以滿足未來三重播放服務(wù)的帶寬要求。ITU-T提出了名為NG-PON2(或ITU-T G.989)新標(biāo)準(zhǔn)，其目的是通過將時分復(fù)用（TDM）和波分復(fù)用(WDM)結(jié)合在同一PON中，從而將系統(tǒng)信道容量提高到40Gb/s。然而，每個波長（）的數(shù)據(jù)傳輸容量仍然限于10 Gb/s。目前，通過結(jié)合頻譜有效的調(diào)制格式（如PAM-4），已經(jīng)采用了用于光接入網(wǎng)絡(luò)的幾個25Gb/s/或甚至更高的數(shù)據(jù)速率傳輸， PAM-4更被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代高速傳輸?shù)暮蜻x信號之一。盡管外部調(diào)制激光器（EML）（如電吸收調(diào)制器（EAM）或馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM））因其具有低色散引起的損耗和更高的調(diào)制帶寬，提供了比DML更好的性能和更長的光學(xué)范圍；但由于DML具有低成本、高光輸出功率、小占用面積和較少的能量消耗等特點(diǎn)，因而在光接入網(wǎng)絡(luò)中接收機(jī)中結(jié)合直接檢測技術(shù)的DML是更理想的。然而，操作DML存在許多挑戰(zhàn)，包括低調(diào)制帶寬的要求、克服由于激光調(diào)制啁啾和光纖色散之間的相互作用引起的波形失真、DML的非線性動態(tài)行為以及在信號調(diào)制期間引起高的符號間干擾和檢測。并且DML的非線性是非瞬時的，這就意味著光輸出功率水平取決于其先前的工作狀態(tài)。已有研究報道了幾種用于電光元件的非線性補(bǔ)償?shù)姆桨�。但這些方案需要昂貴的高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），并需要非常大的存儲器尺寸和高計(jì)算能力。目前機(jī)器學(xué)習(xí)引起了人們的研究興趣，作為一種跨學(xué)科的解決方案已成功應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、人工智能等領(lǐng)域。在光通信領(lǐng)域中也已經(jīng)報道了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的使用，尤其是設(shè)計(jì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的非線性均衡器。然而，設(shè)計(jì)這種非線性均衡器在IM / DD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PAM-4信號傳輸?shù)目尚行匀匀徊幻鞔_，需要進(jìn)一步研究，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的研究要么使用正交幅度調(diào)制(QAM)格式的光學(xué)相干接收機(jī), 要么在系統(tǒng)中部署一個EAM或MZM，其中各元件非線性的影響相對較弱，光纖中存在的非線性影響是主導(dǎo)因素。此外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的非線性均衡器可能需要隱藏層中的大量輸入/節(jié)點(diǎn)或線性均衡器的組合，這會顯著增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，導(dǎo)致不切實(shí)際的解決方案。最近，來自韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院的科研人員提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的低復(fù)雜度非線性均衡器（如圖3所示），以減輕PAM-4調(diào)制光接入網(wǎng)絡(luò)中DML的非線性代價。研究人員通過18公里的單模光纖（SMF-28e）實(shí)驗(yàn)證明了20Gb/s信號傳輸，其中接收靈敏度為-5.5dBm，誤碼率（BER）為1.7×10-5，研究結(jié)果證實(shí)了所提出的ANN-NLE均衡器可以應(yīng)用到IM/DD光纖接入網(wǎng)絡(luò)中。

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的非線性均衡方案

3. 光接入系統(tǒng)
無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已經(jīng)廣泛部署，以滿足日益增長的接入帶寬和上下行容量需求。基于強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)以其低成本、高頻譜效率、靈活性和對色散(CD)的魯棒性成為PON系統(tǒng)中的一種有吸引力的調(diào)制技術(shù)。然而，在傳統(tǒng)的OFDM-PON中，來自光線路終端(OLT)的下行數(shù)據(jù)被廣播到所有的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)；通過PON中的非法ONU傳輸?shù)南滦袛?shù)據(jù)易受可能存在的竊聽設(shè)備影響。在上行鏈路中，上行數(shù)據(jù)直接發(fā)送到OLT，與下行鏈路的情況不同，但在功率分配器上的反射仍然是與安全有關(guān)的問題。有研究已經(jīng)報道了幾種加密方案，如通過在時域或頻域中加擾來增強(qiáng)其物理層安全性；一些方案可以同時改善安全性并降低峰值平均功率比(PAPR)。但在這些方案中，只使用了原語置換技術(shù)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足加密的要求。此外，傳統(tǒng)的時域加擾可能導(dǎo)致同步、延遲和附加噪聲等潛在問題。來自香港中文大學(xué)信息工程系的胡周義等研究人員設(shè)計(jì)了基于實(shí)值混沌正交矩陣變換（RCOT）的安全快速OFDM-PON加密方案，其實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示。由于其具有混沌特性，所提出的加密方案具有更復(fù)雜的隨機(jī)性和更高的不可預(yù)測性。該方案中沒有額外的厄米特對稱擴(kuò)展和復(fù)值乘法運(yùn)算，因此基于逆離散余弦變換（IDCT）的快速OFDM只有更低的計(jì)算復(fù)雜度。并且利用RCOT幀和RCOT池的結(jié)構(gòu)，該方案可以擴(kuò)展到時域，也可以指數(shù)級增加密鑰空間。研究人員利用20公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)在更加安全的快速OFDM-PON中成功地實(shí)現(xiàn)了18.82Gb/s快速OFDM信號的全密鑰空間的加密過程，并在誤碼率（BER）為1×10-3時觀察到了1.5dB的編碼增益。


圖4 （a）加密方案（b）32次迭代生成的實(shí)值混沌正交矩陣 （c）256次迭代生成的實(shí)值混沌正交矩陣

4. 無源器件
束縛態(tài)作為被動鎖模光纖激光器（MLFL）中一種重要的多脈沖工作現(xiàn)象，由于其在全光數(shù)據(jù)領(lǐng)域存儲，特別是超高速遠(yuǎn)程孤子通信系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，一直受到人們的關(guān)注。由于峰值功率的影響，在高泵浦功率的情況下，多脈沖工作狀態(tài)(如諧波模式鎖定和束縛態(tài))的形成也受到影響。在非線性Ginzburg-Landau方程（GLE）的基礎(chǔ)上，Malomed實(shí)現(xiàn)了對束縛孤子的第一次理論預(yù)測，然后是Akhmediev等人利用相互作用平面逼近技術(shù)也獲得了穩(wěn)定的束縛孤子，隨后實(shí)驗(yàn)觀察到時間束縛孤子。近年來，人們對束縛孤子的研究主要集中在形成機(jī)制，脈沖特性，共存特征和相位關(guān)系。此外，通過對束縛孤子的諧波模式鎖定的觀察可以進(jìn)一步驗(yàn)證束縛孤子是MLFL的內(nèi)在特征。從廣義上講，束縛孤子的動態(tài)特征體現(xiàn)在四個方面：諧波次序，束縛孤子數(shù)，脈沖間隔和脈沖持續(xù)時間以及它們通過脈沖序列的自相關(guān)軌跡可視化。然而，很少用于束縛態(tài)的脈沖序列的脈沖束的演變的報道。二維（2D）材料的發(fā)現(xiàn)可為無源MLFL的發(fā)展提供更多可能性。在一些研究中，作為過渡金屬二鹵化物典型代表的二硫化鉬（MoS2）應(yīng)用被報道為有效的飽和吸收劑（SA）制造的優(yōu)良候選物， MOS22D晶體的高度非線性光學(xué)效也被證明。實(shí)驗(yàn)表明，三階非線性極化率高達(dá)10～19 M2/V2。迄今為止，很少有基于MOS2的SAS被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)被動鎖模和Q開關(guān)的報道。雖然在MOS2 SA MLFS中已經(jīng)得到束縛態(tài)孤子，但束縛態(tài)孤子諧波鎖模（HML）或束縛和HML孤子的共存僅僅是光纖激光器中的一般操作，沒有表現(xiàn)出新特征。由于高非線性光學(xué)效應(yīng)和寬帶可飽和吸收特性，基于MoS2的少層SA MLFL的構(gòu)建將有助于豐富束縛態(tài)孤子的動力學(xué)特性以探索束縛孤子的形成機(jī)制。來自南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所和天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員報道了基于MoS2 SA MLFL的兩個孤子束縛狀態(tài)的穩(wěn)定復(fù)雜脈沖束的實(shí)驗(yàn)研究過程�；�于MoS2的微纖維SA的調(diào)制深度為5.69％，相應(yīng)的飽和強(qiáng)度為約129MW/m2。在激光未改變偏振態(tài)的情況下，隨著泵浦功率的增加，脈沖序列將逐漸從雙孤子單脈沖演變?yōu)殡p孤子復(fù)脈沖束，而基本束縛態(tài)鎖模操作維持；無論泵功率如何編號，束縛孤子的脈沖分離和持續(xù)時間都是固定的。由于兩個束縛孤子的強(qiáng)相互作用，束縛態(tài)保持相當(dāng)穩(wěn)定，這可能為開發(fā)新型雙脈沖激光源提供機(jī)遇，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 鎖模光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置

5. 激光器
近年來，超短脈沖多脈沖激光器引起了人們對多脈沖激光微加工及其光通信應(yīng)用的特別關(guān)注。孤子是一種狀態(tài)，其中兩個或多個基本孤子通過孤子相互作用在時域或空間域中結(jié)合在一起，它被認(rèn)為是在鎖模光纖激光器中產(chǎn)生超短多脈沖的有效方法，主要體現(xiàn)為來自粒子孤子之間的排斥和吸引人的相互作用。光纖激光器中的孤子相互作用主要包括直接孤子相互作用，色散波介導(dǎo)的孤子相互作用，以及不穩(wěn)定的連續(xù)波激光孤子相互作用等。孤子分子的理論預(yù)測首先由Malomed和Akhmediev給出。2001年，Tang等人通過實(shí)驗(yàn)觀察了被動鎖模光纖激光器中的束縛孤子。2005年，Stratmann等人進(jìn)一步報道了光纖激光器中時間孤子的作用。隨后，各種孤子（如振動和振蕩孤子，諧孤子，矢量孤子等）被廣泛研究。研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)基于孤子的非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模光纖激光器，非線性光學(xué)環(huán)路鏡和飽和吸收劑(如碳納米管，石墨烯，二硫化鉬，拓?fù)浣^緣體，黑磷）。然而，之前報道的孤子應(yīng)用都有一個從1.5-91ps的相對較小的孤子分離，最多相當(dāng)于脈沖寬度的100倍。這種孤子分離可能不利于多脈沖激光器的高效微加工。因此，在鎖模光纖激光器中開發(fā)超寬空間孤子新應(yīng)用估計(jì)有一定的技術(shù)優(yōu)勢。來自國家電網(wǎng)江西電力股份有限公司信息通信處和廈門大學(xué)電子工程系的研究人員設(shè)計(jì)了窄線寬鎖模摻鉺光纖激光器（EDFL），用以產(chǎn)生可控的孤子。實(shí)驗(yàn)在1565.7nm處觀察到穩(wěn)定的孤子，并且其中的孤子數(shù)隨著泵浦功率的增加而可控地增加。相鄰孤子之間的時間間隔有大至12.8ns的超寬空間，是孤子脈沖寬度（12.0ps）的1067倍，這意味著存在弱相互作用。該方法可以作為生成可控孤子的新范例用于激光微加工中的各種應(yīng)用，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

圖6 窄線寬被動鎖模EDFL的實(shí)驗(yàn)裝置（WDM：波分復(fù)用器；EDF：摻餌纖維；PC：偏振控制器；OC：光耦合器）
6. 調(diào)制器
由于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 的兼容性、大規(guī)模集成能力、高產(chǎn)量和低成本的應(yīng)用優(yōu)勢，基于硅光刻技術(shù)制備的光收發(fā)器在數(shù)據(jù)中心和芯片到芯片的通信中正逐步被考慮用于短距離互連。傳統(tǒng)的硅光子調(diào)制器通常依賴于自由載流子等離子體色散效應(yīng)，并且馬赫-曾德調(diào)制器和環(huán)形諧振器調(diào)制器都已經(jīng)被廣泛使用。然而，弱自由載流子等離子體效應(yīng)以及等離子體效應(yīng)所需的摻雜引起的損耗導(dǎo)致集成硅馬赫-曾德調(diào)制器(MZMs)的驅(qū)動電壓、工作速度和插入損耗之間的折衷設(shè)計(jì)。硅基微環(huán)調(diào)制器可以以很小的占地面積實(shí)現(xiàn)非常低的驅(qū)動電壓和小的功耗，但是為了精確調(diào)諧波長，要以降低光學(xué)帶寬和額外的功耗為代價。有研究人員指出集成的硅鍺弗蘭茲-凱爾狄赫電吸收調(diào)制器（Ge-EAM）具有約40×10μm2的小面積，當(dāng)使用56Gb/s非歸零鍵控調(diào)制與硅光子進(jìn)行單片集成時，具有每位12.8fJ的能量效率。諸如四電平脈沖幅度調(diào)制(PAM-4)和離散多音傳輸(DMT)之類的高級調(diào)制格式結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(IM/DD)的方案已經(jīng)用于超100Gb/s的短距離通信系統(tǒng)。已有研究報道了利用兩個平行的GeSi-EAM將二元多能級轉(zhuǎn)換過程移動到光域的方案用以實(shí)現(xiàn)PAM-4調(diào)制。來自香港中文大學(xué)的研究人員進(jìn)行了基于高級調(diào)制格式的Ge-EAM線性度的詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，他們在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）鏈路上評估了采用單集成Ge-EAM的單波長和單偏振技術(shù)后進(jìn)行112-Gb/s PAM-4信號傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)性能研究，并研究了具有Kramers-Kronig關(guān)系的Ge-EAM的啁啾特性。

圖7 基于PAM-4信號傳輸和檢測的實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)字信號處理過程，（可調(diào)諧激光器（TL）、偏振控制器（PC）、任意波形發(fā)生器（AWG）、偏振無關(guān)隔離器、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、可變光衰減器（VOA）、光譜分析儀（OSA）和光電探測器（PD））