光纖在線特邀編輯：邵宇豐，陳福平，陳烙，趙云杰
    2017年3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，光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)，光纖傳感技術，無源和有源光子器件等，筆者將逐一評析
光調(diào)制與光信號處理
    推動強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）光傳輸系統(tǒng)速率向100Gb/s/λ的發(fā)展主要有兩條路徑：一是使用先進的調(diào)制格式，如離散多音（DMT）調(diào)制、多邊帶無載波幅相調(diào)制（multi-CAP）和脈幅調(diào)制（PAM）；二是提高信號波特率。增加調(diào)制階數(shù)或是增加信號波特率都需要更高的接收光功率，所以需要平衡接受光功率和帶寬約束的制約關系。另外，數(shù)字均衡技術在補償色散等方面也扮演著重要的角色，主要涉及的器件包括：前饋均衡器（FEC）、判決反饋均衡器（DFE）、最大似然估計（MLSE）均衡器等。最近，來自瑞典西斯塔網(wǎng)絡傳輸實驗室的研究人員采用仿真和實驗演示了從32G波特PAM-4信號向更高波特率或更高調(diào)制階數(shù)的方案，圖1是該系統(tǒng)實驗方案。線性放大后的電PAM-4/8信號調(diào)制波長為1.55微米, 3dB帶寬為100 GHz的電吸收調(diào)制激光器（EML）。經(jīng)過4km單模光纖（SMF）傳輸后,信號由一個PIN光電檢測器進行光電轉(zhuǎn)換。由于未使用較低的光電效應和跨阻抗放大器（TIA），摻鉺光纖放大器（EDFA）被用來修正光功率，可變光功率衰減器用來調(diào)整輸入光功率但導致了自發(fā)輻射噪聲的放大。實驗結(jié)果表明，上述方案能在誤碼率低于10-3條件下成功傳輸；在犧牲一定功率代價的基礎上，濾波器可以取代自適應均衡器，以減少硬件的復雜程度。


圖1 PAM-4信號傳輸?shù)膶嶒灧桨?/center>

    基于高符號率和高譜效率調(diào)制格式的400 Gb/s相干收發(fā)器被期望用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用，有一種方案是采用72Gbd偏分復用（PDM）-64正交幅度調(diào)制單載波信號在400km長距離光纖上實現(xiàn)傳輸，比特誤碼率（BER）為3 × 10−2。光濾波器用來頻譜整形，補償發(fā)射器的帶寬限制，預矯正用來減小符號間干擾（ISI）。同時，集成光子學的發(fā)展使得價格低廉、可插拔的相干收發(fā)器變得更加簡易，引起了眾多廠商、研究者的注意�？紤]到磷化銦IQ調(diào)制器是實現(xiàn)集成相干收發(fā)器的良好候選器件，可以和激光器、射頻驅(qū)動器實現(xiàn)單片集成，并且使用磷化銦分段式馬赫增德爾調(diào)制器（MZM）作為單偏振IQ調(diào)制器無需數(shù)模轉(zhuǎn)化操作；最近，來自加拿大麥吉爾大學的研究人員對磷化銦雙偏振IQ調(diào)制器（DP-IQM）進行了深入研究，闡明了凈負荷速率600 Gb/s的靈活傳輸方案，如圖2是具體的實驗方案。其中，四路基帶射頻驅(qū)動電信號經(jīng)過四個單端輸入輸出的射頻放大器進行放大，放大器的3dB帶寬為50GHz，恒定功率增益26 dB，最大輸出電壓為8VPP，在速率為84 Gbd時實際輸出1.9 Vpp，相當于數(shù)模轉(zhuǎn)換器每符號采一個樣本，生成的符號進行預失真、限幅離散化處理，當速率為77 Gbd時實際輸出2.2 Vpp，生成的符號使用根升余弦濾波器進行初始脈沖整形，該濾波器滾降因子0.09。在 DP-IQM輸入端，射頻延遲線補償四個射頻信號之間的偏離；波長實現(xiàn)1550.12 nm, 線寬為100kHz的電吸收調(diào)制激光器（EML）產(chǎn)生連續(xù)光源的過程。噪音加載模塊用來實現(xiàn)背靠背情況下的光信噪比（OSNR）測量，在傳輸測量中，放大自發(fā)輻射（ASE）噪音被抑制，相關加載模塊的輸出端與0.8 nm的濾波器相連以移除帶外噪聲，測量得到在光接收器輸入端最優(yōu)的接收功率為6dBm。在接收端的ECL工作波長為1550.12 nm，作為相干檢測的本地振蕩源。研究結(jié)果表明OSNR代價依賴調(diào)制格式的階數(shù)。

圖2采用磷化銦雙偏振IQ調(diào)制器（DP-IQM）的實驗方案
    光束傳播法（BPM）由于操作過程簡單有效，已成為電磁波傳播電路（PLC）和光子集成電路（PIC）中常用的數(shù)字建模技術。傳統(tǒng)BPM已經(jīng)被廣泛研究，常用于分析沿著傳播方向的波導結(jié)構(gòu)折射率，但是不能同時測量縱向不連續(xù)電介質(zhì)的反射率， 在光學器件中，存在著波導不連續(xù)現(xiàn)象。為了解決類似的難題，研究人員提出了相關BPM（R-BPM）算法，在上述算法中，核心思想是解決電磁波反射和傳輸問題，其過程涉及到特征平方根的運算，可以通過矩陣迭代或非迭代方法來解決這一問題。一般來說，有三個因素會影響R-BPM算法的性能，分別是分波方程的離散化，平方根算子的計算和使用的相關線性技術。來自中國光學網(wǎng)絡研究中心，提出了基于有限R-BPM差分（FD）離散化技術的方案，該方案可以進一步提高R-BPM的效率，能在使用較少的高級離散化方案采樣點的同時保持較高準確性。多域偽光譜方法（MD-PSM）測量結(jié)果也是非常準確的，并且收斂速度的效率比采用FD方法（FDM）更高。最近，研究人員又開發(fā)了一個基于高效R-BPM和MD-PSM的光波導反射方案，該方案結(jié)合了MD-PSM的效率和BMP的有效性，實驗結(jié)果證明其可以獲得精確的計算結(jié)果，并且其采樣量大大低于基于FDM的方案，相關框圖如圖3所示。

圖3 （a）端接的波導面（b）幾何形狀耦合器
光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
    在廣播無線設備中，由于通信業(yè)務擁擠會造成嚴重的信號干擾，光載無線通信技術由于其大帶寬和無需頻譜執(zhí)照的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。其中，基于提升通信容量和覆蓋范圍的許多方案被用來提高下行鏈路的通信帶寬；而上行通信鏈路研究相對較少，考慮到在光載無線全雙工鏈路中需要一條單獨的上行信道可以使用射頻無線技術，但此時上行信道容量一般都低于下行信道容量。最近，來自荷蘭埃因霍溫的研究人員提出了一種基于波束和載波恢復技術的新型方案，用來提升上行信道傳輸容量，該方案是基于二維波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)的，創(chuàng)新之處是簡化了信道管理，使上行和下行鏈路使用相同的波長。該理念的提出基于兩個原則：一是光學可逆原理，當光束反向，會沿著原來的路徑返回，從而在接收模塊中不需要額外的光束控制設備；二是使用半導體光放大器（SOA）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的擦除和再寫。如圖4所示是基于光束的雙向室內(nèi)全光無線網(wǎng)絡架構(gòu)，室內(nèi)網(wǎng)絡通過中央通信控制機（CCC）與接入網(wǎng)相連執(zhí)行路徑算法，數(shù)據(jù)信號通過光交叉鏈接器（OXC）和光纖中樞網(wǎng)絡路由連接不同的房間研究人員在提出的新型全雙工全光無線系統(tǒng)中闡明了上下行對稱的10 Gbit/s開關鍵控（OOK）信號的傳輸過程，實驗驗證了工作在波長為1550 nm，傳輸路徑為3米的自由空間通信過程。上行鏈路使用載波再調(diào)制技術，通過兩個級聯(lián)的SOA工作在飽和區(qū)域?qū)ο滦蠴OK信號進行擦除。研究結(jié)果證明，上行信號消光比達到4.3 dB時于上下行鏈路都可獲得小于1×10−9的誤碼率性能。

圖4雙向室內(nèi)全光無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
    隨著終端用戶對新興無線服務（如4K /超高分辨率電視或手機游戲）的需求日益增長，人們對提升高速無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求也逐年增加�?nbsp;而5G移動標準將能夠滿足這些要求，因為它使用毫米波段來進行信息傳輸。毫米波段具有很高的傳輸帶寬，并為高比特率傳輸提供了應用可能性，而且毫米波段中還有相當帶寬的頻率使用過程無需申請使用許可證，不過使用傳統(tǒng)方案生成毫米波信號的過程比較復雜。為了尋找更好的解決方案，近年來研究人員利用光子學技術，將光纖通信和無線通信融合在一起，建立了一系列與該領域相關的研究課題，集成光子寬帶無線接入單元（IPHOBAC-NG）便是其中的一個項目，如圖5所示。IPHOBAC-NG旨在為無線通信提供無縫集成的光子學解決方案，并使其適應現(xiàn)有的波分復用無源光網(wǎng)絡（WDM-PON）或者超密集波分復用PON。為了能夠提供傳輸速度在1-10Gbit/s之間的互補帶寬接入以及3Gbit/s的移動回程，研究人員提出了一種新的光子學遠程接入單元（RAU），該技術將支持光信道重新配置過程，不僅不會給ONU和ONT中的數(shù)字信號處理過程造成影響，而且還具有節(jié)能、高效和緊湊的優(yōu)點。最近，來自波蘭華沙理工大學電信研究所的研究人員，提出了一種可重構(gòu)的RAU方案，如圖5所示。在該方案中，RAU利用了光外差信號上變頻來生成毫米波無線信號，可以實現(xiàn)密集波分復用（DWDM）光纖鏈路和W波段無線鏈路之間的對接。RAU是由可調(diào)諧本地振蕩器，窄光濾波器和控制單元組成，通過軟件來進行重配置操作。實驗實現(xiàn)了在15公里的標準單模光纖和50米無線傳輸之間實現(xiàn)了無差錯實時傳輸，毫米波段范圍75和95 GHz之間，傳輸速率為2.5Gbit/s。

圖5 IPHOBAC-NG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
     可見光通信（VLC）技術由于其獨特的優(yōu)勢（如大帶寬、安全高、成本低）已被視為下一代接入網(wǎng)絡中很有前景的通信技術。同時，與傳統(tǒng)的無線通信相比，VLC可同時用于通信和照明，大大提高了能源利用率。雖然VLC在未來5G網(wǎng)絡的短距離通信中具有很大的應用市場，但其性能通常受到蜂窩網(wǎng)絡終端能量供應的限制。無線信息和電力同步傳輸（SWIPT）技術已經(jīng)被應用于無線通信網(wǎng)絡當中，通過使用SWIPT技術，蜂窩網(wǎng)絡終端能夠同時接收無線信息和進行能量補給。雖然有關采用SWIPT技術的無線通信中的資源分配方案已經(jīng)被報道過，但是其資源分配方案并不適用于VLC系統(tǒng)，因為VLC有以下兩個特征：一是信號被轉(zhuǎn)化為瞬時光強度，要求信號必須為非負的實值信號；二是，出于對人眼的保護，光信號強度被限定在安全范圍之內(nèi)。最近，來自東南大學物理系的研究人員，采用SWIPT技術針對下行VLC傳輸系統(tǒng)提出了一個速率最大化問題，他們首先將上述問題轉(zhuǎn)化為等效的相關問題，并采用低復雜度的迭代資源分配和DC偏移分布和功率控制算法以獲得最優(yōu)解。數(shù)值研究結(jié)果表明，該算法可以達到良好的計算性能。
    基于正交二元調(diào)制（QDB）偏振分復用（PDM）技術的奈奎斯特（FTN）系統(tǒng)可以在通信網(wǎng)絡中提高效率，并且自適應均衡技術（如恒模算法（CMA）和多模算法（MMA））可以被分離偏振復用信號。然而， CMA和MMA算法都會受到均衡器收斂緩慢問題的制約，該類制約會使得兩種算法在恢復同步信號上存在缺陷。 此外，在差分編碼與CMA / MMA聯(lián)合使用過程中，相位旋轉(zhuǎn)程度是原始信號的π/ 2倍或π/ 2的整數(shù)倍，從而導致性能下降。另一種自適應均衡技術采用相位依賴最小均方（DD-LMS）算法，當在QDB PDM四進制正交幅度調(diào)制（4-QAM）的系統(tǒng)中使用該技術，則無需差分編碼， 但是信號會受信道DD-LMS算法影響，也會受到相位信息模糊影響。最近，來自圣約翰大學的研究人員首次在QDB-PDM-FTN系統(tǒng)中提出應用最小均方（TS-LMS）算法，該算法展示了良好的收斂性能，避免了差分編碼退化帶來的不良影響。研究人員將提出的TS-LMS算法與傳統(tǒng)的DD-LMS算法進行融合，并通過模擬仿真在不同的極化取向條件下測試了該算法的性能。此外，他們還在4QAM和16QAM傳輸系統(tǒng)中分別使用差分編碼和TS-LMS算法，并在接收端使用CMA算法接收信號，測量了誤碼率（BER）和光信噪比（OSNR）之間的函數(shù)關系。研究人員研究了將QDB-PDM-FTN系統(tǒng)與PDM-FTN預編碼（THP）技術應用于4QAM和16QAM傳輸系統(tǒng)中，并根據(jù)間距變化，測量了誤碼率。研究結(jié)果表明，基于訓練符號的均衡算法應用于PMD-FTN極化解復用系統(tǒng)中與獨立DD-LMS算法進行比較，所提出的TS-LMS算法收斂性能良好；在不同的極化條件下，所需OSNR可以降低約1.7 dB或1.3 dB；與常規(guī)差分編碼技術相比，采用TS-LMS算法可以使得4QAM傳輸系統(tǒng)的OSNR優(yōu)化1.8 dB，采用SbS和MLSD可以使得16-QAM系統(tǒng)OSNR優(yōu)化0.8 dB， 且對于4QAM傳輸系統(tǒng)，THP技術比較合適，因為其改善了誤碼性能；QDB則更適用于16QAM傳輸系統(tǒng)，相關信號星座圖如圖6所示。

圖6  預編碼和雙二進制編碼原理和星座圖

光纖傳感技術
    光纖布拉格光柵（FBG）傳感器具有體積小，成本低，持久穩(wěn)定性等優(yōu)點，可以廣泛應用于惡劣環(huán)境中的溫度及壓力檢測、復合材料缺陷和結(jié)構(gòu)監(jiān)測的過程。在大多數(shù)應用中，需要進行多點測量以降低系統(tǒng)成本并擴大感測范圍，因此各種復用FBG技術也不斷被報道出來，其中波分復用（WDM）、時域復用（TDM）、頻域復用（FDM）及其組合的應用最為廣泛。不過，它們的性能都有一定的局限性。如在WDM方案中不僅需要寬帶寬，而且還要求限制傳感器的動態(tài)范圍，同時，由于批量制造WDM比較困難，因此WDM不適合應用于大容量FBG陣列。自2000年以來，在弱反饋FBG（反射率低于-30 dB）陣列的技術已經(jīng)實現(xiàn)了大陣列FBG感測，該技術大為簡化了制備步驟。然而，制造的弱反饋FBG具有近乎相同的弱反射光譜，無法維持較高的信噪比（SNR）。到目前為止，已經(jīng)報道的基于TDM和基于相干光域反射（C-OFDR）技術的制造傳感器都表現(xiàn)出良好的性能�；�于TDM技術的傳感器測量范圍大，相干源自由度高，但其中涉及到脈沖調(diào)制，光放大，快速檢測/數(shù)據(jù)采集等復雜過程�；�于C-OFDR技術的傳感器，雖然它具有很高的空間分辨率，但是需要有一個參考光臂，因此該傳感器靈敏度會受到相干源長度的限制。頻移干涉（FSI）測量技術被認為是一種獨特的光纖傳感技術，與TDM相比它使用的是連續(xù)波激光，因此無需脈沖源或高速檢測/采集操作。在不需要光放大器的情況下，F(xiàn)SI能利用差分檢測技術去除直流分量噪聲以獲得更高的信噪比。與C-OFDR相比，F(xiàn)SI不受相干源約束，能夠?qū)﹂L達數(shù)十公里的光纖進行測量。最近，來自武漢理工大學光纖傳感技術國家工程實驗室的研究人員，提出了一種基于聯(lián)合WDM和FSI的大型FBG傳感器方案，如圖7所示。該方案中3個弱反饋FBG傳感器陣列的波長各不相同，每個FBG傳感器包含121個WDM單元。實驗結(jié)果證明，該傳感器的溫度適應率達到了0.4°C，可滿足大規(guī)模光纖網(wǎng)絡鋪設的需求。
 
圖7 FBG傳感器方案
無源和有源光子器件
    表面等離激元（SPP）是一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁波傳播模式，它沿著金屬電介質(zhì)界面?zhèn)鞑�，其具備的特殊性能（場增強，高靈敏度，能量定位和支持亞波長傳播）使得SPP在制作亞波長光學元件和超分辨率成像設備上有較大的應用前景。金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)擁的有獨特特性含易于激發(fā)，彎曲損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便等，因此能被應用于綜合納米光子器件，納米光刻和其它相關領域。許多MIM結(jié)構(gòu)的納米光學元件正在被研究，如濾波器，開關，調(diào)制器，分束器，納米傳感器等。同時考慮到溫度傳感器是可以通過感知溫度并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出或其他輸出的元件，在電氣、機械、化學和生物醫(yī)學工程領域內(nèi)被廣泛應用，并因為金屬的敏感性和電介質(zhì)的折射率（RI）不夠理想，SPP技術被應用于光學溫度傳感器。眾所周知，傳統(tǒng)的溫度傳感器都是基于RI對環(huán)境溫度的敏感原理制備的。在之前報道的研究結(jié)果中，來自北京郵電大學的研究人員設計了基于光學壓力的溫度傳感器， 但該傳感器對空氣溫度不敏感。最近研究人員又研究了一種新型的基于SPP諧振器的納米級溫度傳感器，該傳感器可以檢測出熱變形尺度。該傳感器的結(jié)構(gòu)包含了基于MIM結(jié)構(gòu)的表面等離子共振諧振器， 并在其頂部注入了一層銥（Ir）；研究人員主要利用有限元法（FEM）來研究不同溫度結(jié)構(gòu)的變形程度和反射光譜，也介紹了相關提高靈敏度的方法。仿真結(jié)果表明，波長的偏移與溫度變化呈線性關系。因為該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造相對容易，適合于大批量集成在光電路中，其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖 8. MIM結(jié)構(gòu)（a）無Ir層、（b）有Ir層和（c）雙金屬層