光纖在線特邀編輯：邵宇豐 陳烙 申世魯 陳福平
    2016年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖激光器、無源光子器件、光纖傳感與測量技術(shù)、光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
1.激光器和放大器
    來自瑞典查爾莫斯理工大學顯微技術(shù)和納米科學部的研究人員首次提出了一種相敏放大器（PSA）帶寬超過170nm的方案。該方案采用一個可調(diào)諧激光產(chǎn)生的光波首先通過一個由4路正弦信號驅(qū)動的相位調(diào)制器，經(jīng)摻餌光纖放大器放大，然后采用帶寬為1nm的可調(diào)帶通濾波器來濾除放大的自發(fā)輻射信號；另一個可調(diào)激光源可調(diào)范圍為1580nm到1680nm,用于提供光信號。泵浦光和光信號通過耦合器耦合后，再傳輸?shù)礁叻蔷�性保偏光纖（PM-HNLF）中。PM-HNLF的功能相當于一個相敏放大器，輸出與輸入相互關(guān)聯(lián)。泵浦光和光信號經(jīng)波分復用耦合器分離后，用可調(diào)諧光衰減器來控制泵浦光功率，用鎖相回路（PLL）來使相敏放大器(PSA)避免熱和機械性干擾。然后通過摻餌光纖放大器（EDFA）進行放大；在信號鏈路中包含一個可變延遲線（VDL）和一個可調(diào)諧光衰減器，使用偏振控制器用來控制偏振狀態(tài)，以獲得最大增益。3路波通過一個波分復用器和-3dB耦合器進行耦合，然后送入另一個PM-HNLF中。泵浦光在PSA里的功率為36dBm，當泵浦光波長為1563.3nm時，雖然沒有獲得最大的增益，但PSA獲得了最寬的帶寬。對于FOPA，零色散波長的波動是獲得寬頻帶的一個主要制約因數(shù)。為了評估PM-HNLF的波動水平，研究人員測量了在不同波長情況下光泵的轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果顯示高非線性光纖中零色散波長波動是相對較低的；另一個制約寬頻帶的因素是偏振轉(zhuǎn)移。研究人員分別測量了當PSA PM-HNLF長度為95m和45m時的帶寬增益和噪聲指數(shù)，此時信號輸入功率固定在-25dBm，結(jié)果顯示使用45m光纖的帶寬增益提高了-3dB，但噪聲指數(shù)卻有所降低。

圖1 測試PSA特性的實驗裝置圖
2.無源光子器件
    關(guān)于多重信號單獨處理，比較直接的一種選擇是在空間上對其分開的介質(zhì)進行處理，雖然這樣可能在全光信號處理過程中難以取得最大規(guī)模的效益，但相比于電信號處理其靈活性和寬頻帶方面還是具有優(yōu)勢。半導體光放大器（SOA）是由一個非線性介質(zhì)和一個放大器組成，尺寸微小，只有毫米數(shù)量級，降低了光信號傳播距離，非常適合于全光信號進行集成處理。由摻餌光纖放大器和調(diào)制器引起的帶寬限制問題促使人們對復雜多階的調(diào)制格式的研究，并且這些調(diào)制格式常被應用在不需要升級傳輸線設備前提下就可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率的場景下。最近，來自英國南安普頓大學光電研究中心的研究人員對三次諧波信號的共軛頻率應用進行了研究。上述研究方案包含一個信號發(fā)生和一個泵浦光發(fā)生兩個獨立部分，為了降低相位追蹤的難度，兩個部分的連續(xù)波激光器頻率都為192.5THz。信號發(fā)生部分包括一個（正交）IQ調(diào)制器和一個相位調(diào)制器，IQ調(diào)制器用來將10GBaud非歸零碼QPSK信號加載到光載波上，相位調(diào)制器是用來控制寬帶相位噪聲，這些相位噪聲是由光電探測器產(chǎn)生的。通過過載馬赫增德爾調(diào)制器(MZM)產(chǎn)生一的個40GHz間隔的光學頻率梳來產(chǎn)生泵浦光。泵浦光和信號用一個光耦合器耦合后發(fā)送入到兩個級聯(lián)的非線性SOA中；接收端由可調(diào)的衰減器、EDFA、光帶通濾波器、光調(diào)制分析儀（OMA）組成。實驗結(jié)果顯示在BER為10-3時，系統(tǒng)接收靈敏度提高了1.8dB。此外研究人員甚至認為通過提高泵浦光的光信噪比（ONSR），還會獲得更好的性能。

圖2 波長轉(zhuǎn)換的實驗方案圖
     微波光濾波器（MPFs）因其靈活的可調(diào)性、良好的可重構(gòu)性等特點引起了研究人員的廣泛關(guān)注。在眾多不同類型的MPFs中，單帶通MPFs有著重要的地位，它可應用于現(xiàn)代雷達、通信和作戰(zhàn)系統(tǒng)。通常，離散時間延遲的MPF都有周期性的頻率響應，該周期等于自由的范圍。由于光譜是自然連續(xù)的，MPF的單帶通性可以利用馬赫曾德爾干涉儀從寬帶光譜中獲得，而寬帶光譜又具有很強的相對強度噪聲（RIN），所以MPF的噪聲系數(shù)非常高，動態(tài)范圍很小。另一方面，在相干體系中可以利用相位調(diào)制器和超窄光陷波濾波器來獲得單帶通的MPF，在該過程中使用了具有低強度RIN的可調(diào)諧激光器，具體是用光陷波濾器濾除相位調(diào)制信號的一個邊帶，使相位調(diào)制信號就變成單邊帶強度調(diào)制信號，可通過光電探測器獲得微波信號，這個過程相當于單帶通微波光濾波器，中心頻率是通過調(diào)整光載波波長來調(diào)諧的，其中光陷波濾波器可以是環(huán)形諧振器或者相移光纖Bragg光柵。雖然MPF中使用了可調(diào)諧激光器，但MPF增益較低，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）會受到限制，通過抑制部分光載波可以提升MPF增益。有研究人員提出用具有受激布里淵散射輔助的自適應濾波器來提升單帶通MPF的動態(tài)范圍，但為了觸發(fā)受激布里淵散射效應，需要在濾波器中使用一個很長的光纖環(huán)路，這會使濾波器的體積變大，同時輸入端的光功率很高，增加了MPF的復雜度，以上兩點都限制該方案的可用能。來自渥太華大學電子工程和計算機科學學院微波光子研究實驗室的研究人員提出了一種改善單帶通微波光濾波器動態(tài)范圍的方案，該方案使用了一個雙平行馬赫曾德爾調(diào)制器（DP-MZM）和相移光纖布拉格光柵（PS-FBG）。DP-MZM有著馬赫曾德爾干涉儀（MZI）的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中存在兩個MZM和一個相移器。DP-MZM是通過控制內(nèi)部MZM的直流偏置電壓來產(chǎn)生等效相位調(diào)制（EPM）信號，經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）,然后通過光環(huán)形器傳輸?shù)絇S-FBG，在PS-FBG中EPM信號的一個邊帶被濾除，變成單邊帶強度調(diào)制信號，經(jīng)光電探測器（PD）產(chǎn)生微波信號，該過程叫做相位調(diào)制轉(zhuǎn)強度調(diào)制（PM-IM）。整個過程相當于一個單帶通微波光濾波器，其通帶的中心頻率是由光載波和陷波之間的波長差決定。由于光載波是部分抑制的，載波邊帶比（CSR）則會降低，如果PD的輸入光功率維持不變，則MPF增益增強，SFDR也會提升。

圖3 微波光濾波器原理圖
3.光纖傳感與測量技術(shù)
近年來，用于測量液體折射率（RI）的光纖傳感器已經(jīng)成為一個很有吸引力的光學測量器件引起研究人員的重點關(guān)注，因為它具有抗電磁干擾、體積小、遠程監(jiān)控、高分辨力、穩(wěn)定和快速檢測的優(yōu)點，這種傳感器主要基于菲涅爾反射原理設計而成。RI是液體和氣體的一個重要的光學參數(shù)，在許多工業(yè)領(lǐng)域往往需要常用和穩(wěn)定的測量方法，研究者們也曾經(jīng)提出了各種基于菲涅爾反射的光纖測量液體RI技術(shù)，如使用光時域反射進行遠程RI測量的方法，這樣測得RI范圍為1.3486--1.4525；另一種測量方法使用到了 一個1x2光開關(guān)，可以測量各種化學液體在波長為1550nm上的RI值；還有基于自來水中RI對溫度的依賴性的測量方法，基于菲涅耳反射的液體多點光纖 RI測量系統(tǒng)和使用陣列波導光柵的波長復用的方法；使用雙脈沖技術(shù)測量各種液體在1310 nm和1551 nm上的RI值，該方法取得RI的分辨率大約為2.5x10-5。來自土耳其杜姆盧珀納爾大學電氣與電子工程系的研究者們近期提出了一種簡單、穩(wěn)定的全光纖RI傳感器系統(tǒng)方案（圖4），該方案的是通過來自傳感器探頭的菲涅爾反射進行的相對測量來實現(xiàn)的，單個納秒脈沖因為在光纖中不同的延遲而被分成四個時分復用的菲涅爾反射脈沖，對不同液體RI的測量值表明，全光纖RI傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)線性和可重復性測量，相比以前的公布的研究，它表現(xiàn)出更高的測量精準度。在對蒸餾水短周期測得RI的標準偏差為2.8x10-6，對甲醇長周期測得RIs的標準偏差為2.99x10-5，體現(xiàn)出很高的測量重復性。

圖4 基于菲涅爾反射的全光纖RI傳感器系統(tǒng)
可見光通信（VLC）是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼分辨不出的高速閃爍信號來傳輸信息的技術(shù)，在沒有WiFi信號的情況下，點一盞LED燈就能上網(wǎng)。與目前使用的無線局域網(wǎng)(無線LAN)相比，VLC系統(tǒng)是利用室內(nèi)照明設備來代替無線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，其通信速度可達每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，但不足之處是光源的調(diào)制帶寬比較窄，對數(shù)據(jù)的傳輸速率有很大的影響。為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，一些研究人員將均衡技術(shù)、自適應調(diào)制、多輸入--多輸出（MIMO）等技術(shù)應用于VLC系統(tǒng)中，而正交頻分復用（OFDM）和正交頻分多址（OFDMA）接入技術(shù)因其具有較高的頻譜效率也引起了人們廣泛關(guān)注，不過傳統(tǒng)的OFDM和OOFDMA技術(shù)并不能直接應用于VLC系統(tǒng)中；也有研究人員利用直流偏置和限幅技術(shù)把OFDM和OOFDMA應用于VLC系統(tǒng)中，但該方法降低了頻譜效率，因此非正交多址接入（NOMA）技術(shù)被提出和研究；來自阿布達比酋長國哈利法大學電子與計算機工程學院的研究人員提出了在VLC下行鏈路利用NOMA技術(shù)改善系統(tǒng)頻譜效率的方案，在該方案中的疊加編碼和串行干擾消除(SIC)技術(shù)分別作用于發(fā)射端和接收端，通過多路復用技術(shù)使用戶都可以享受整個通信帶寬，據(jù)悉，NOMA是首次在多址接入方案中被提出應用于高速VLC系統(tǒng)中的技術(shù)；同時該方案為室內(nèi)NOMA-VLC多路LED下行網(wǎng)絡系統(tǒng)提供了一個完整的框架，并且采用的一個新的信道功率分配方法-增益功率分配（GRPA）法，相比于靜態(tài)的功率分配方式，它提升系統(tǒng)的性能更為顯著。

圖5 室內(nèi)NOMA-VLC 下行鏈路系統(tǒng)

    馬赫曾德爾干涉儀（MZI）傳感器具有高靈敏度、電磁免疫、易于制造等優(yōu)點，可以用來測量多種物理參數(shù)(如拉力、溫度、折射率等)。傳感系統(tǒng)中應用到的具有不同結(jié)構(gòu)類型的MZI，因環(huán)境變化而帶來折射率波動問題可能會影響其測量精度，所以在過去的幾年中，研究人員一直在研究有關(guān)折射率波動補償?shù)膯栴}。有研究人員提出過采用一種雙參數(shù)傳感器來解決內(nèi)部折射交叉引起靈敏度問題的方案，也有研究人員提出使用長周期光纖光柵（LPFGs）級聯(lián)一個S錐頭來測量溫度和折射率的方案，這些方案都是利用具有不同折射率/溫度的幾個諧振峰去解調(diào)相應的傳感參數(shù)的方法，但這些方法都涉及到復雜矩陣，從而增加了計算的復雜度；如果為了簡化傳感元件的結(jié)構(gòu)以及降低計算復雜度，則需要用一些特殊的光纖來制造對折射率不敏感的傳感器，如空氣包層光纖、光子晶體光纖、同軸雙波導光纖和三重復合光纖。來自天津南開大學現(xiàn)代光學研究所的研究人員提出一種簡單有效的MZI的制造方案，該方案采用少模光纖（FMFs）可以有效解決內(nèi)部折射交叉靈敏度的問題，通過在單模光纖（SMF）與FMF之間引入核心偏移能顯著增強消光。FMFs是由折射率不敏感器件制造而成，正廣泛使用在光通信和傳感系統(tǒng)中，而中心模光纖因被包層緊緊包圍，可以避免因外界折射率變化的干擾。研究人員提出的方案中所利用的并不是一般情況下的中心模和包層之間的干涉特性，而是利用中心模之間的干涉特性，因為該結(jié)構(gòu)對張力有較大的敏感性，但對周圍折射率不敏感，同時，F(xiàn)MF-MZI是在制造過程中熔合拼接形成的，這使其探針更加牢固，穩(wěn)定，也易于包裝。
4.光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
    采用高階調(diào)制并使用相干接收和數(shù)字信號處理（DSP）的方法已經(jīng)引起了研究人員極大的興趣，因為應用這種方法將使相關(guān)的光纖通信傳輸系統(tǒng)具有很高的頻帶利用率和較低的比特傳輸成本。多階正交振幅調(diào)制（M-QAM）被認為是有希望解決未來超高容量傳輸問題的調(diào)至格式。然而，由于發(fā)射激光器和本振激光器的線寬限制，高階QAM調(diào)制像32-QAM，會給系統(tǒng)帶來相位噪聲，因此，設計一個針對于高階QAM調(diào)制的高效的相偏估計算法是很有必要的。來自華中科技大學國家光電子實驗室的研究者們提出了一種基于正交相移鍵控（QPSK）精準分區(qū)的方案，它可以代替在32-QAM光通信系統(tǒng)中對第一階段進行載波相位估計（CPE）的傳統(tǒng)的QPSK分區(qū)法，并且大幅度提升了相偏估計算法的性能，如圖6所示，在32-QAM星座圖上綠色的圓點代表傳統(tǒng)的QPSK分區(qū)法，草綠色和紅色的圓點代表QPSK精準分區(qū)法。雖然到目前為止，已經(jīng)有大量的相偏估計方法見諸報道，一方面，定向判決載波恢復算法常常需要一個比數(shù)據(jù)傳輸速率更高的時鐘頻率，而且不適合并行信號的處理；另一方面，前饋式相偏估計法在DSP中實行起來就簡單的多，也適合并行信號處理，相位盲估計法就是其中的一種 ，即使它也有較好的線寬容忍度，但是它的硬件結(jié)構(gòu)極其復雜。其他主要的前饋式相偏估計法是基于經(jīng)典的Viterbi和viterbi（V&V）M次冪算法，這最初是針對于多階相移鍵控而設計的，與QPSK分區(qū)法相結(jié)合起來，V&V可以應用在低計算復雜度的QAM調(diào)制中，不過，由于缺乏可用的QPSK符號，特別是非方形的QAM，使它在激光線寬過大的情況下表現(xiàn)出很差的性能，所以為了提高整體性能，很多多級CPE已經(jīng)進入了精細相位估計階段。在這些方法當中，交叉星座變換（CCT）和最大似然（ML）估計是兩個經(jīng)典的精細相位估計方法，它們可以提升CPE算法的準確度，但效果不顯著，最主要的原因就是在第一階段追蹤相位變化的性能很差，因此，提高第一階段的性能非常關(guān)鍵，這樣才能使后面階段處理的更好。QPSK精準分區(qū)的方案可以提高追蹤相偏的CPE算法的性能，在下一段使用精細的CPE（如CCT、ML）后，該方案比傳統(tǒng)的QPSK分區(qū)在整體性能上有更大的改善。

圖6 32-QAM星座圖上傳統(tǒng)的QPSK分區(qū)和精準QPSK分區(qū)
    在光通信中采用OFDM調(diào)制技術(shù)以獲得更高數(shù)據(jù)容量的方法已有好幾年的研究歷史，但是OFDM信號的調(diào)制和解調(diào)嚴重依賴DSP技術(shù)和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度，因此采取大帶寬的OFDM信號來提升數(shù)據(jù)容量并不是一個有效的方式，而多波段配置已經(jīng)成為解決這一難題的很有前途的方案。在不使用昂貴的電子設備情況下，多波段直接檢測光正交頻分復用（DDO-OFDM）系統(tǒng)能夠有效地提高數(shù)據(jù)容量，但在直接檢測方案中只用一個光電探測器來對信號進行光電轉(zhuǎn)換的同時會帶來信號間互拍干擾（SSBI），傳統(tǒng)上采用一個比較大的保護邊帶來降低SSBI，然而它會嚴重制約著寶貴的頻譜效率。來自清華大學光子學技術(shù)研究所提出了一種在多波段DDO-OFDM系統(tǒng)的接收端使用迭代的數(shù)字信號處理（DSP）的方法來降低SSBI的方案。將傳統(tǒng)的低復雜度DSP器件并行地使用在發(fā)射端產(chǎn)生的多波段OFDM信號的系統(tǒng)具有非常高的數(shù)據(jù)容量，然后相干光OFDM接收端可以輕易地對這種超級通道信號進行解調(diào)，不過是以接收機復雜的設計為代價，這些設計包括90°的光混頻器、本地激光器、平衡接收機和相位/頻率鎖定環(huán)，而相比之下，DDO-OFDM的設計只有一個光電探測器（PD），大大簡化了接收機的操作運轉(zhuǎn)，在接入網(wǎng)中可能會成為一個熱門技術(shù)。但是，直接檢測方案中的PD有平方律特性，以及信號固有的SSBI，強度調(diào)制系統(tǒng)和外部調(diào)制系統(tǒng)接收到的信號的質(zhì)量在很大程度上會大大降低，繼而影響整個系統(tǒng)。往往嵌插在光載波和OFDM信號之間的空白的保護邊帶可以確保接收到的信號避免SSBI的污染，但SSBI總是占有與OFDM信號相同的帶寬，這種保護頻帶的插入則使頻譜效率減少了一半。研究者們的方案中運用并行迭代DSP方法來消除SSBI，通過SSBI重建算法，在允許損耗范圍之內(nèi)基本上可以從被SSBI嚴重污染的OFDM信號中恢復原信號來，從而大大提高了DDO-OFDM系統(tǒng)的靈活性及頻譜效率（圖7），并在實驗中以65.4Gb/s數(shù)據(jù)速率傳輸16-QAM 3波段DDO-OFDM信號，采用兩次迭代的DSP法來減小SSBI.通過比較不同的帶寬間隙和載波/信號的功率比來驗證該方案的可靠性。

圖7 頻譜效率提升前后的變化
    超密集波分復用(UDWDM)為目前的接入網(wǎng)應用提供了一種備用選擇方案，雖然相干超密集波分復用有著較高的靈敏度，且與現(xiàn)有的無源光網(wǎng)絡（PON）兼容性較好，但與此同時，它的成本和復雜度都比較高。在接入網(wǎng)內(nèi)，根據(jù)不同的用戶群需要來提供不同的通信業(yè)務，這就導致終端從中心站向外伸展產(chǎn)生的功率預算不同；另外，根據(jù)頻譜需求隨時間的變化，帶寬就需要能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)分配。為了簡化發(fā)射端（Tx）的結(jié)構(gòu)，有研究者曾提出運用相位直接調(diào)制和分布反饋激光器（DFB）來調(diào)制差分相移鍵控信號，然后在接收端以外差接收方式來檢測。最近，來自巴塞羅那加泰羅尼亞理工大學的研究人員提出了一種用差分正交相移鍵控直接調(diào)制DFB的方案。該方案中電信號經(jīng)電放大器放大后直接調(diào)制兩個均衡的DFB(λ1 = 1549.3nm，λ2 = 1549.4nm)；DFB的線寬為4MHz,其波長可以根據(jù)溫度來進行調(diào)節(jié)；輸出的光信號通過單模光纖后，再經(jīng)3dB耦合器耦合；在光鏈路終端，以外腔激光器(ECL)作為本地震蕩器（LO），其LO的輸出功率最大為0.5dBm，以偏振控制器來補償光纖里偏振態(tài)的波動；從光耦合器輸出的三路信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，隨后再分別通過低噪音電放大器進行放大；使用可調(diào)諧光衰減器來調(diào)整接收功率；兩個光網(wǎng)絡單元輸出功率限制在0dBm，信道間隔設置為6.25GHz；研究人員首先測試了背靠背情況下以2.5Gb/s傳輸?shù)牟罘终�交相移鍵控信號，測得系統(tǒng)接收靈敏度為-41dBm左右，然后還測試了信號通過100km光纖后的性能；實驗結(jié)果表明，在BER=10-3時，系統(tǒng)接收靈敏度為-39dBm，由于偏振需要連續(xù)調(diào)節(jié)，且無法很好地控制，所以隨著光纖長度的增加，功率補償也相應的增加，實驗中沒有對頻偏進行估計，因此非線性和色散效應在這里忽略不計。