光纖在線特邀編輯：邵宇豐 陳福平 陳烙 趙云杰

2016年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光調(diào)制與光信號處理、光纖傳感器、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

光調(diào)制與光信號處理
   隨著各類型接入業(yè)務(wù)帶寬和通信網(wǎng)絡(luò)容量需求的不斷增長，毫米波通信系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點，其中W波段（75-110GHz）的毫米波通信系統(tǒng)要比V波段（57-64GHz）的更受歡迎，其原因是W波段毫米波通信具有更低的無線傳輸損耗和更高的傳輸帶寬。不過，由于電子器件的帶寬有限，通過電子器件來生成W波段毫米波信號的方法相當困難。采用光學技術(shù)生成W波段毫米波是一種有吸引力的技術(shù)方案，因為它不僅可以突破電子器件的帶寬瓶頸，還可以將無線通信和光通信無縫融合在一起，有關(guān)該技術(shù)的研究也不斷地被報道。在毫米波矢量信號調(diào)制方案中，使用了倍頻技術(shù)和數(shù)字相干檢測技術(shù)，實驗證明該系統(tǒng)矢量信號的接收靈敏度能得到顯著的提升；同時，采用馬赫增德爾（MZM）的倍頻技術(shù)可以生成高頻毫米波信號，這樣在發(fā)射端能夠有效地降低信號對光學器件和電子器件的帶寬需求。為了實現(xiàn)QPSK調(diào)制的矢量射頻（RF）信號的生成，需要對倍頻生成的矢量信號進行預編碼處理，然后驅(qū)動單臂MZM。傳統(tǒng)的預編碼技術(shù)會導致星座圖分布不平衡，從而會降低系統(tǒng)的整體性能。這種方案中提出的預編碼技術(shù)不僅可以實現(xiàn)星座圖均衡分布，而且已經(jīng)被證實能夠提高系統(tǒng)的整體性能。但是，這種方案只考慮了光學雙倍頻情況，生成的矢量信號的頻率相對較低（16GHz）。近期，來自湖南大學的研究人員提出了一種基于光學四倍頻和均衡預編碼技術(shù)來生成W波段毫米波矢量信號的方案。在該方案中使用了一個單臂MZM，驅(qū)動電壓為均衡預編碼后的QPSK矢量信號（頻率為22GHz），利用MZM和波長選擇器（WSS）來進行頻率翻倍�？烧{(diào)外腔激光器（ECL）生成連續(xù)激光信號的波長為1548.5nm，輸出功率為13dBm，ECL的線寬低于100KHz。預編碼QPSK矢量信號采用Matlab軟件生成，其編碼前后星座圖以及頻譜圖如圖2所示。實驗結(jié)果表明，生成的QPSK矢量信號在進行0.5m的無線傳輸后，其誤碼率低于10-3； 據(jù)目前報道所知，上述實驗中首次采用了光學四倍頻和均衡預編碼技術(shù)來生成W波段毫米波矢量信號。

圖1  傳輸系統(tǒng)實驗方案結(jié)構(gòu)圖

圖2   a，預編碼前QPSK信號星座圖；b，預編碼后QPSK信號星座圖；c，預編碼后QPSK信號光譜 
    濾波組件副載波(FBMC)技術(shù)被應(yīng)用于光通信和無線通信領(lǐng)域的很多研究項目中；與正交頻分復用(OFDM)技術(shù)相比，F(xiàn)BMC使用原型濾波器來定義每個子載波的時域窗口，而且每個子載波的旁瓣可以受到明顯的抑制，這使得系統(tǒng)可以無縫連接來自不同用戶的異步分量載波（CC）。上述特性將FBMC同其他多載波技術(shù)區(qū)分開來，可以在支持異步集中的信號處理的同時，維持著較高的頻譜效率（SE）。最近，來自美國佐治亞理工學院的研究人員在光纖-無線整合的移動前傳（MFH）網(wǎng)絡(luò)中分別比較了FBMC和OFDM在有無集中預均衡情況下的性能。實驗結(jié)果表明，上述預均衡技術(shù)在多用戶間補償信道損耗時是有效的。在同步下行時，F(xiàn)BMC和OFDM技術(shù)都能取得相似的表現(xiàn)。但是，對于當使用OFDM進行異步上行傳輸時，由于不同用戶間臨近CC之間強烈的帶間干擾（IBI），在基帶處理單元 (BBU)接收端未能獲得正確的信道信息，然而使用FBMC技術(shù)時卻不受影響。當異步上行傳輸時，預均衡技術(shù)對于OFDM是無效的，由于嚴重的帶外功率流出，導致誤差矢量幅度（EVM）表現(xiàn)出嚴重的功率損失。相比較而言，F(xiàn)BMC技術(shù)由于其更集中的共譜功率分布和更少的帶間串擾而具有更好地表現(xiàn)。因此，F(xiàn)BMC是一種很有前景的調(diào)制方案，可以與具有集成功能的下一代MFH網(wǎng)絡(luò)兼容。

如圖3  MFH網(wǎng)絡(luò)中上下行鏈路集中預均衡處理的流程圖
    光OFDM信號因為其可以在應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)且具有不少優(yōu)勢而引起了研究人員大量關(guān)注。光OFDM通信系統(tǒng)可以支持直接檢測光信號（DDO）或相關(guān)檢測光信號（CO）的傳輸。但是，循環(huán)前綴（CP）、訓練符號（TSs）和副載波帶來的大量能量損耗仍然是OFDM光通信系統(tǒng)中一個不可回避的缺點。有研究方案提出將TSs周期性地嵌入到發(fā)射機上，以便提供關(guān)于信道傳輸和數(shù)字補償?shù)闹匾�信息，但是該方法無疑給系統(tǒng)帶來了消耗并且降低了頻譜效率。目前，許多算法提出了實現(xiàn)極化多路分解（PDL），極化處理損失補償和激光相位噪聲補償?shù)姆桨�。但是，在一個完整的OFDM系統(tǒng)中，仍然需要去補償子載波相移帶來的線性信道損傷，諸如殘余偏振膜色散（CD），殘余同步錯誤以及時鐘頻率補償。最近，來自南通理工學院的研究人員提出了一種在OFDM系統(tǒng)中基于最小區(qū)域邊界（MBB）的補償子載波相移的方案。該方案在對單獨的子載波調(diào)試工程中不會產(chǎn)生過多的損耗。其工作流程圖如圖4所示。研究人員通過對DDO-OFDM和CO-OFDM系統(tǒng)使用圖像處理去補償子載波的相移。MBB算法已經(jīng)被應(yīng)用來解決了掃描圖像和激光相位補償?shù)呐で鷨栴}。用到方波正交幅移鍵控（QAM）調(diào)制的OFDM子載波可以看作是一個雙尺寸邊界盒的構(gòu)造。信號經(jīng)信道傳輸后，信道損傷將會導致不同子載波在頻域上的相移。如果我們從圖像模型考慮，注意到矩形圖像固有的模糊性，所以一個“TS”仍然需要2比特的信號去消除這種模糊性。研究人員采用實驗驗證了此方法的可行性。該實驗實驗分別采用16QAM,32QAM,和64QAM子載波去調(diào)制32-Gbit/s，40-Gbit/s和48-Gbit/sDDO-OFDM系統(tǒng)。結(jié)果表明研究人員提出的基于MMB的方案是可行的。 

圖4 （a）OFDM系統(tǒng)中基于MBB的補償子載波相移的實驗方案圖；（b）DSP處理流程圖。
    相位編碼微波以及毫米波信號（mm-wave）收發(fā)技術(shù)在具有高分辨率的雷達系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用。一般來說，電域產(chǎn)生的相位編碼信號對低中心頻率和低時間帶寬的產(chǎn)品（TBWP）有局限性。在一些雷達系統(tǒng)中，中心頻率可以達到數(shù)十甚至上百GHz。和電域相比，光學領(lǐng)域可以產(chǎn)生較高頻率，調(diào)節(jié)范圍大和高TBWP的相位編碼信號�；�于脈沖相位光學產(chǎn)生器的的多種方案被提出。如可以通過基于空間光調(diào)制器（SLM）或者一個專門設(shè)計的光纖布拉格光柵（FBG）來實現(xiàn)。但是，這鐘基于SLM和FBG的方法可調(diào)性較差，損耗大。超外差相位相關(guān)波長也可以產(chǎn)生相位調(diào)制信號，這類方案關(guān)鍵問題是由于無隔離和兩個波長的獨立調(diào)制會導致很差的穩(wěn)定性。于是基于偏振調(diào)制的方案被提出，在調(diào)制過程中，首先產(chǎn)生兩個正交調(diào)制的脈沖波長，然后在極化調(diào)制器（PoLM）中調(diào)制補償相位，該方案中的關(guān)鍵一步是產(chǎn)生一對極化正交波長，這個波長可以通過偏振FBG（PM-FBG）和PoLM，或者雙平行極化調(diào)制器產(chǎn)生，但是，因為光學器件的獨立頻率，上述方案只可以在相對較小的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖編碼信號。為了增加光微波相位編碼信號的頻率范圍，就需要具有高頻調(diào)制的調(diào)制器�；�于倍頻相位編碼信號發(fā)生器方案其頻率調(diào)諧范圍取決于PM-FBG的極化反應(yīng)；依靠無邊帶抑制的電子器件產(chǎn)生倍頻相位編碼信號對頻率調(diào)諧范圍的要求非常高，并且光譜相位精度較差。最近，來自華中科技大學的研究人員設(shè)計了一種可以產(chǎn)生較高頻率調(diào)諧范圍的倍頻相位編碼信號的方案。在該方案中一個雙平行馬赫增德爾調(diào)制器（DPMZE）被用來產(chǎn)生兩個二階光學邊帶，然后這兩個邊帶在PoLM中進行相位調(diào)制。兩個調(diào)制邊帶經(jīng)過光電二極管中（PD）之后，可產(chǎn)生一個倍頻相位編碼信號，該信號的最低頻率是FBG帶寬的一半，約為幾MHz,是DPMZM的上邊帶頻率的4倍。

圖5  倍頻相位編碼信號發(fā)生器的示意圖
    光傳輸和光信號處理系統(tǒng)的高速發(fā)展（例如高速多路時分系統(tǒng)（OTDM）），使得有高重復率的超穩(wěn)定短光脈沖有較大的需求空間。主動鎖模激光器（MLL）經(jīng)常被用來產(chǎn)生高速短光脈沖。電吸收調(diào)制器（EAM）也可以用來產(chǎn)生短光相位，因為EAM有一個陡峭的傳遞函數(shù)。為了將一個光信號轉(zhuǎn)變成有低相位噪聲的微波信號，同時為了減少外部微波源的使用，基于相對緊湊的光電振蕩器（OEO）的研究被提出了，OEOs可以同時產(chǎn)生超穩(wěn)定短光脈沖和低相位噪聲的電子信號。這類研究大多數(shù)都存在同樣一個問題，就是產(chǎn)生光脈沖相位的重復率很難調(diào)控，這就導致尤其在信號處理過程中有諸多不便。最近，來自上海交通大學的研究人員提出了一個基于光電振蕩器的頻率可調(diào)光脈沖發(fā)生器，可同時產(chǎn)生頻率可調(diào)光脈沖和高品質(zhì)的電子參考信號，可應(yīng)用到光通信和信號處理系統(tǒng)中。

圖6  半導體激光發(fā)射器的原理圖。

光纖傳感器
    傳感器技術(shù)的應(yīng)用在多個研究領(lǐng)域吸引了人們的興趣，如化學工業(yè)、環(huán)境工業(yè)和結(jié)構(gòu)安全檢測等方面。傳統(tǒng)的傳感器一般基于機械和電子制備而成，這類傳感器并不能在一些惡劣環(huán)境（如導電、爆炸、腐蝕）中使用。在過去幾十年間，光纖傳感器受到越來越多的關(guān)注，這是由于光纖傳感器具有低功耗、耐腐蝕性和高靈敏度的獨特優(yōu)點。許多采用不同原理制造的光纖傳感器也已經(jīng)得到了實驗論證，在這些傳感器當中，光纖光柵是傳感器中一種常用的結(jié)構(gòu)，如布拉格光纖光柵（FBG），長周期光柵（LPG），傾斜布拉格光纖光柵（TFBG）等。基于光纖光柵制造的傳感器，不僅需要高頻的二氧化碳激光器和紫外線激光器，而求還需要將傳感器光柵集成到光纖中。由于馬赫曾德爾干涉（MZI）全光纖傳感器則具有高靈敏度、高集成度和簡單緊湊的實時測量等優(yōu)點，許多全光纖MZI傳感器不斷被報道出來，這些傳感器結(jié)構(gòu)包括單模-多模光纖結(jié)構(gòu)、單模-細芯-單模光纖結(jié)構(gòu)、單模-光子晶體-單模光纖結(jié)構(gòu)、拉錐光纖結(jié)構(gòu)、橫向偏移拼接與融合光纖結(jié)構(gòu)等，上述傳感器都是基于纖芯-高階包層模干涉原理制備而成。多芯光纖（MCF）傳感器方案中的傳感器所探測到相位偏轉(zhuǎn)的靈敏度比只有兩路干涉的傳感器的靈敏度要高；有研究人提出了用于應(yīng)變和曲率測量的全光纖MZI傳感器方案，該傳感器是基于線性五芯光纖制備而成；還有研究人員提出了光線曲率測量傳感器方案，該傳感器的結(jié)構(gòu)包括在SMF中間融合一段只有幾毫米長的七芯光纖�？傮w而言，這些傳感器都采用了寬帶光源，就會因為光強度過低導致測量值精確度不高，而且這些傳感器的3dB帶寬太大，必然限制了它們在實際中的應(yīng)用。如果提高傳感器光源的強度和限制帶寬，則其靈敏度可以得到進一步的提升，光纖激光傳感器可以達到這一要求，一些關(guān)于光纖激光傳感器的實驗方案也不斷得到論證。根據(jù)檢測參數(shù)的不同，光纖激光傳感器可以分為兩種類型：激光波長測量傳感器和差頻測量傳感器。不過，基于多路干涉效應(yīng)的馬赫曾德爾干涉儀（m-MZI）傳感器還沒有得到進一步的論證。近期，來自北京交通大學全光網(wǎng)絡(luò)重點實驗室的研究人員提出了一種基于m-MZI光纖環(huán)形腔激光器的新型全光纖傳感器方案。m-MZI被嵌插在光纖環(huán)形腔激光器中，同時起到帶通濾波器和傳感器的作用。FCF干涉條紋會隨著被檢測參量的改變而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起激光波長的變化，所以，可以通過測量激光波長的改變量來獲取待測量值。由于利用了多路干涉結(jié)構(gòu)，與以前報道過的基于MZI傳感器相比較，研究人員提出的傳感器靈敏度更高。實驗結(jié)果表明，該傳感器在張力、折射率和彎曲度的靈敏度分別達到了2.21pm/μ、113.27nm/RIU和2.55nm/m-1，并且表現(xiàn)出了較高的分辨率和信噪比。


圖7  m-MZI結(jié)構(gòu)圖和FCF橫切面，m-MZI包含一段四芯光纖（FCF），圖7.a為SMF中融合的一段FCF，圖7.b為FCF的橫切面，四芯分布呈現(xiàn)一個正方形，邊長大約為36um，纖心折射率和包層折射率大約為1.4709和1.4632。

光網(wǎng)絡(luò)及子其系統(tǒng)
    經(jīng)過佩科拉和卡羅爾論證后混沌同步概念成為一個熱門研究問題，光耦合半導體激光器（SL）輸出信號具有混沌特性，依據(jù)耦合拓撲學的證明該混沌特性表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的同步特點，其同步水平取決于多個參數(shù)，能實現(xiàn)混沌同步的保密通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵信號處理過程。研究證明，將光耦合激光器（SL）輸出信號的混沌特性應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中，將為光通信的安全性和公共服務(wù)的加密開拓一個全新的領(lǐng)域。這些加密應(yīng)用使用到的技術(shù)有單向耦合技術(shù)、主從互動跟蹤技術(shù)、SL間的雙向耦合技術(shù)等。其中，雙向耦合技術(shù)具有更高的保密級別以及雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐摿�，在近幾年來得到大量的研究，關(guān)于SL耦合數(shù)量、工作效率 和耦合環(huán)境對系統(tǒng)魯棒性的影響的實驗論證也在不斷地進行。拓撲結(jié)構(gòu)（如自反饋）有助于提升混沌同步的穩(wěn)定性能，但在實際的工作中，不匹配性和噪聲是不可避免的。上述相關(guān)研究工作中，振蕩模塊的同步效率是系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，同步效率是由振蕩單元屬性、耦合環(huán)境以及拓撲結(jié)構(gòu)等因素決定。近期，來自雅典大學信息與電信學院的研究人員提出了一種基于匹配型SL雙向耦合系統(tǒng)方案。研究人員建立了一個雙向耦合拓撲結(jié)構(gòu)，將2個或2個以上的SL與公共的SL耦合在一起，實驗證明，SL之間的互相關(guān)度高達0.9961，使得該系統(tǒng)的同步達到了較高水平。

圖8  雙向耦合實驗結(jié)構(gòu)方案圖
    可見光通信（VLC）技術(shù)已經(jīng)取得了很多科研院所廣泛的關(guān)注，常規(guī)的VLC系統(tǒng)包含發(fā)光二極管（LED）和光電探測器，它們分別作為發(fā)射器和接收器進行可見光信號的收發(fā)。LED輸出的不相干性導致VLC系統(tǒng)需要采用簡單的強度調(diào)制直接檢測技術(shù)(IM/DD)。一般用在VLC系統(tǒng)中的檢測器是PIN檢測器和雪崩光電二極管。由于存在互阻抗放大器(TIA)，這些檢測器對于低功率、長距離傳輸?shù)谋憩F(xiàn)是低效率的。目前，一種新型單光子雪崩二極管（SPAD）正在被研發(fā)，SPAD檢測器沒有TIA，具有較高的靈敏度，因此可以檢測一個單光子。正是這個原因，SPAD檢測器可以用在某些特殊的場合，這些場合需要接受的信號非常微弱。不像傳統(tǒng)的光電檢測器和雪崩光電二極管，SPAD檢測輸出的是光子的數(shù)目，因此可作為一個理想的光子計數(shù)器。一個理想的光子計數(shù)器的光子計算過程滿足泊松分布，產(chǎn)生的噪聲是散射噪聲。由于加性高斯白噪聲和額外泊松噪聲具有顯著性差異，傳統(tǒng)的星座分布和檢測方案是建立在加性高斯白噪聲信道基礎(chǔ)上設(shè)計的，不能直接在泊松噪聲信道中實現(xiàn)。對于在加性高斯白噪聲信道上的VLC系統(tǒng)，脈沖幅度調(diào)制（PAM）由于不僅其具有高譜效率的特點，而且可以用于實現(xiàn)快速最大似然檢測(ML)過程，所以能很好的提升系統(tǒng)性能。但是，這些優(yōu)勢對于泊松噪聲信道沒有顯現(xiàn)出來，而且對應(yīng)的ML接收器會有較高的復雜度。最近，來自鄭州國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的研究人員設(shè)計了一種低復雜度的信號接收器，也為該接收器設(shè)計了高效的矢量信號接收方式。單光子雪崩二極管檢測速率通常受到停滯時間約束，在一個陣列中的單個SPAD只能檢測一個光子。因此，如果接收光子的數(shù)目超過了該陣列可數(shù)的最大數(shù)目，接收信號將受到失真影響。研究人員設(shè)計的接收器具有的優(yōu)良特性使它們獲得了一個易于管理且實用的應(yīng)用標準。研究結(jié)果表明，研究人員提出的接收器幾乎和快速最大似然檢測接收器具有相同的接收靈敏度表現(xiàn)。
    微波信號的光子產(chǎn)生技術(shù)在許多領(lǐng)域吸引了人們的研究興趣，如光載無線通信系統(tǒng)（RoF）和雷達系統(tǒng)。由于光纖和相關(guān)光子設(shè)備的固有特性如：低損耗、高帶寬、不受電磁干擾，光子產(chǎn)生方式促進了在高頻處的寬頻微波信號的產(chǎn)生。因此，許多基于二進制調(diào)制產(chǎn)生微波信號的方案已經(jīng)被提出，如幅移鍵控（ASK）,相移鍵控（PSK）和頻移鍵控（ASK）。微波ASK信號可以使用雙邊帶（DSB）、單邊帶（SSB）和光載波抑制（OCS）的方法產(chǎn)生。微波PSK信號的光子產(chǎn)生被用在雷達系統(tǒng)中來提高脈沖壓縮比（PCR）。  
    在無線信道衰落方面，F(xiàn)SK信號相比較ASK信號具有更好的性能。最近，來自南京大學微波光子科技實驗室的研究人員提出并實驗證明了一種產(chǎn)生微波FSK信號的方案。圖9所示是研究人員設(shè)計的微波FSK信號產(chǎn)生原理圖。在該方案中，激光二極管（LD）產(chǎn)生的線性偏振微波輸入到一個偏振調(diào)制器（PolM），該調(diào)制器受一個基帶信號驅(qū)動。當基帶信號的峰峰值電壓設(shè)置為PolM射頻信號的半波電壓時，經(jīng)過PolM的光波的偏振態(tài)在兩個正交方向之間轉(zhuǎn)換，就會產(chǎn)生偏振移位鍵控信號（PolSK）信號。產(chǎn)生的PolSK信號輸入到雙偏振態(tài)馬赫增德爾調(diào)制器（(DPol-MZM)），該調(diào)制器由兩個偏振復用的子馬赫增德爾調(diào)制器構(gòu)成。具有不同頻率的兩路微波信號分別輸入到兩個子馬赫增德爾調(diào)制器。通過調(diào)整PolSK信號的方向，該信號就可以轉(zhuǎn)換成微波FSK信號。當輸入到PolM的信號處于低能級時，大部分光功率就會朝著DPol-MZM的X軸方向；相反，如果輸入到PolM的信號處于高能級時，沿著Y軸方向的子馬赫增德爾調(diào)制器就被激活，這個過程可以看做是在兩個馬赫增德爾調(diào)制器之間的光信號域轉(zhuǎn)換過程。當不同頻率的微波信號驅(qū)動子馬赫增德爾調(diào)制器時，對應(yīng)的每個子馬赫增德爾調(diào)制器就會產(chǎn)生一個微波ASK信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，兩個ASK信號就會結(jié)合產(chǎn)生FSK信號。當子馬赫增德爾調(diào)制器被設(shè)置在正交點，就會產(chǎn)生比特率為1.25 Gb/s的DSB FSK信號，然后該信號經(jīng)過10km的單模光纖（SMF）傳輸。當子馬赫增德爾調(diào)制器設(shè)置在最小工作點，就會產(chǎn)生比特率為2.5 Gb/s的OCS FSK信號。相比較之前的研究成果，微波副載波的頻率及其偏移可以實現(xiàn)靈活調(diào)控。


圖9 微波FSK信號生成系統(tǒng)原理圖