光纖在線特邀編輯：邵宇豐、趙云杰、龍穎
2017年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：調制技術、光傳輸、光纖傳感器和測量技術、激光技術等，筆者將逐一評析。

1.調制技術
眾所周知，5G通信系統(tǒng)的實現(xiàn)需要調整移動網(wǎng)絡體系結構而不是僅僅提高網(wǎng)絡速度。 超密集的天線分布、云無線接入網(wǎng)絡（C-RAN）的資源集中以及使用毫米波載波頻率等作為提供高數(shù)據(jù)傳輸速率的手段都大大增加了相關互聯(lián)設備的數(shù)量。此外，5G通信過程把重點放在提供高容量和低延遲的光傳輸部分。研究人員提出5G系統(tǒng)可以利用毫米波在28-300 GHz范圍內進行自由空間傳輸，因為在上述頻帶中工作的相關光子元件的成本和復雜性低，這引起了人們極大的興趣。眾所周知，利用光子技術可以產(chǎn)生毫米波信號，并且該類信號便于耦合至光接入基礎設施。迄今為止，對基于光子毫米波傳輸信號研究的重點仍然放在應用寬帶RF來使得多載波和單載波數(shù)據(jù)流量傳輸最大化。與此形成的矛盾是，5G系統(tǒng)考慮采用窄帶寬調制方法，其副載波波特率從幾kBd到幾MBd不等。目前，應用光載波的混合調制過程限制了RF相位噪聲的頻率可控范圍，從而形成研究難題。因此，研究人員考慮應用統(tǒng)一幀結構的空口技術即采用濾波正交頻分復用（UF-OFDM）調制。相比較傳統(tǒng)的OFDM調制，該類調制方案可在多頻帶通信系統(tǒng)中實現(xiàn)頻譜效率的增加�；�于上述考慮，研究人員成功利用光學外差技術將五個可用頻段在60GHz光纖無線（RoF）通信系統(tǒng)中應用，并進行了超過25公里的標準單模光纖（SSMF）傳輸。在考慮多載波屬性方面，尤其是帶寬和副載波數(shù)量及波特率的選擇方面，60GHz的RoF系統(tǒng)和5G系統(tǒng)的應用一致�？紤]到激光器和原始信號的相位，我們必須設定相位相關度相對低的副載波波特率，以進行相關參數(shù)的設計；如果采用去相關預補償技術則可以實現(xiàn)信號傳輸后誤差矢量幅度（EVM）值<5％。來自都柏林城市大學的研究人員成功地基于光學外差方法演示了采用UF-OFDM調制五個有效頻帶的60GHz RoF傳輸系統(tǒng)的工作過程。該系統(tǒng)應用光學前端網(wǎng)絡體系架構，實現(xiàn)了高達4.56Gb/s的比特傳輸速率；并采用了去相關預補償方案降低了RF相位噪聲的負面影響，在所有信道上實現(xiàn)了較高的接收靈敏度。研究結果證明：5G系統(tǒng)與毫米波光載波之間具有較好的兼容性，但該兼容性對激光器線寬有限制要求；如果事先使用光學頻率梳（OFC）則能通過精確的預補償技術減少較大線寬的影響。研究人所設計的系統(tǒng)基于分布反饋式（DFB）激光器的增益相關性來制備具有可調諧自由光譜范圍且支持毫米波范圍穩(wěn)定靈活操作的OFC。此外，研究人員還提出，將多種發(fā)射信號參數(shù)特性整合考慮，以研制一個小型的光學前端發(fā)射器，從而使得上述5G系統(tǒng)解決方案中光電器件的成本耗費更低。目前，無線通信研究領域的許多研究工作都集中在設計易集成的天線和放大器方面，以實現(xiàn)60GHz的無線傳輸鏈路能夠處理多類型信號的寬帶傳輸。研究人員設計的毫米波傳輸實驗系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 5G毫米波傳輸實驗系統(tǒng)圖

2.光傳輸
為了支持單一波長50Gb/s甚至更高數(shù)據(jù)速率的光傳輸過程，不同類型的調制技術已經(jīng)被廣泛應用和研究（如開關鍵控（OOK）調制、4脈沖幅度調制（PAM4）、奈奎斯特-副載波調制（Nyquist-SCM）、無載波振幅相位（CAP）調制和光學正交頻分復用（OOFDM）調制技術等）。在上述調制格式中，由于振幅調制（例如OOK和PAM4）的信號處理復雜度和光電器件成本稿費低，因此被認為是解決短距離光信號傳輸問題的有效解決方案。如果考慮提升數(shù)字信號處理（DSP）復雜度來提升系統(tǒng)的頻譜效率，則可以采用高階正交幅度調制（QAM）、Nyquist-SCM、CAP和OOFDM調制技術。另一方面，如果光傳輸系統(tǒng)要保持低復雜度和成本耗費，應用強度調制和直接檢測（IM/DD）技術將成為最有吸引力的應用方案。目前，在約1550nm波長處，色度色散引起的雙邊帶（DSB）光信號的功率衰落成為10公里以上高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙；不采用色散補償光纖（DCF）的單邊帶（SSB）調制技術已經(jīng)成為有效延長光信號傳輸距離的可行方法（SSB信號可以由差分Mach-Zehnder調制器（MZM）或光學IQ調制器產(chǎn)生）。然而，MZM或光學IQ調制器的應用將提升發(fā)射機功耗、復雜度和相關配套光電器件的成本耗費；生成SSB信號的另一種方法是使用一個與EML簡單集成的光學殘余邊帶（VSB）濾波器。到目前為止，許多研究人員只考慮到了SSB-PAM4調制技術的可行性，而不非考慮將SSB-OOK調制技術應用在光纖傳輸距離達80公里以上進行光信號傳輸。盡管PAM4信號頻譜效率高于OOK信號，但其仍受鏈路中OSNR的累積效應影響，從而導致非線性失真影響加��；但基于SSB-OOK和SSB-PAM4的比較研究是值得進行的�；�于上述考慮，研究人員比較了高速VSB-PAM4（25.92-GBaud/s）信號和OOK（51.84-GBaud/s）信號在80公里距離上的傳輸特性；并側重于VSB技術對上述兩種調制格式的優(yōu)劣進行對比分析（例如非線性失真的優(yōu)劣程度）。為了優(yōu)化VSB信號的收發(fā)質量，研究人員指出：需要對光載波和信進行相對頻率調整；并需要引入邊帶抑制比（SSR）和載波信號功率比（CSPR）來討論色度色散誘導功率衰減的容限。實驗研究結果表明：在優(yōu)化SSR和CSPR之后，在考慮前向糾錯碼（FEC）限制條件（BER =3.8×10-3）下，基于最小均方（LMS）和線性前饋均衡（FFE）技術生成的PAM4和OOK信號都可在高達80公里的標準單模光纖（SSMF）上實現(xiàn)有效傳輸。此外，在相關光電器件配置得以優(yōu)化的條件下，與PAM4信號相比OOK信號的接收靈敏度提高了4dB，因為OOK信號對非線性失真不敏感并且可實現(xiàn)更大的眼開度。來自臺灣國立交通大學光學系的研究人員分析并討論了SSR和色散引起的功率衰落過程，以及VSB-PAM4和OOK傳輸信號的CSPR性能。由于OOK信號對非線性失真不敏感，實驗研究結果證明：該類信號可以實現(xiàn)更好的SSR和CSPR性能；由于OOK信號帶寬限制范圍低、對非線性失真的敏感度較低以及具備更高的眼開度，該信號在80公里光纖上傳輸后，OOK信號的收發(fā)質量優(yōu)于PAM4信號（體現(xiàn)在OOK信號的接收靈敏度比PAM4信號高4dB）。研究人員指出：下一步的研究工作將集中于討論上述兩種調制格式都適用的OSNR容限（基于VSB調制的實驗裝置和PAM4信號的輸出頻譜圖如圖2所示）。


圖2（a）基于VSB技術的實驗系統(tǒng)（b）PAM4信號的頻譜圖

3.光纖傳感器和測量技術
最近，來自香港大學電子工程學系的研究人員通過在長周期光纖光柵（LPFG）光纖內置的MZI上涂覆石墨烯設計并制備了一種氨氣（NH3）氣體傳感器。與傳統(tǒng)的石墨烯光纖氣體傳感器不同，該傳感器利用光纖包層模式的衰減場制備，從而不需在光纖幾何結構上進行任何改變。研究人員制備的實驗傳感器在〜10ppm到〜180ppm的線性范圍內具有〜3pm/ppm的靈敏度；且該傳感器通過應用更高階的包層模式和更廣泛的石墨烯涂層進一步增強了光子和石墨烯的相互作用以而改善和增強傳感器性能。研究人員制備的光纖內置石墨涂層MZI還可作為一個通用平臺用以開發(fā)新型光纖傳感器和相關裝置，尤其體現(xiàn)在基于光纖包層模的相互作用實現(xiàn)各種生物化學傳感的制備。
眾所周知，波長是激光器的重要特征參數(shù)，而激光器波長的精確測量在激光光譜學、激光穩(wěn)定技術和可調諧激光器領域中起著舉足輕重的作用。例如，波長可調諧激光器在光纖布拉格光柵（FBG）讀寫器和光學頻率穹形反射（OFDR）系統(tǒng)中有著廣泛應用。但實際應用中還需要波長監(jiān)視器來校正不均勻的波長范圍以調諧并消除測量誤差的影響。傳統(tǒng)的波長測量儀器主要包括光譜儀，法布里-珀羅（F-P）干涉儀和邁克爾遜干涉儀。就光譜儀而言，盡管采樣率高和測量的可重復性好，但其存在的劣勢（如成本高、便攜性差）限制了它們的應用。至于邁克爾遜干涉儀，內置精準的機械活動部件和光學對準部件使其對外部環(huán)境變化過程極度敏感；而使用氦氖激光器不僅引入了功率波動和波長漂移的測量誤差，還增加了成本耗費�；�于上述考慮，研究人員只能在測量范圍和測量精度之間進行折衷考慮，因此研究人員提出了一種基于法拉第旋轉效應的波長測量新方案。該方案通過利用磁光材料的偏振色散特性，實現(xiàn)了從1520nm到1570nm的即時波長測量過程（分辨率為2.1pm）；而且實驗中所采用的全光纖結構還可抵御外部環(huán)境的變化。然而，當激光波長接近波長響應曲線的極值時，小曲線斜率會導致較大的波長測量誤差。研究人員將雙法布里-珀羅（F-P）干涉儀和線性光濾波器集成進行測量；其中，光學線性濾波器主要實現(xiàn)粗略測量范圍，而雙F-P干涉儀則用于進一步精確測量具體值。該方法通過稍微傾斜折射角，使得兩個F-P干涉儀具有明顯的相位和波形改變，使得一個F-P干涉儀的非工作區(qū)位于另一個F-P干涉儀的線性區(qū)域（如圖4所示）。研究人員只要選取合適范圍，就可以實現(xiàn)整個C波段內波長的實時測量過程。研究人員將雙F-P干涉儀和其它類似儀器從構成結構、工作范圍、精度和成本等方面進行了全面比較，比較結果如圖3所示。研究人員提出的波長測量原理基于強度測量方法，該方法共分兩步進行：粗測量和精測量。首先研究人員通過光學線性濾波器近似測量待測激光的波長，然后通過雙F-P干涉儀測量出精確值。

圖3 雙F-P波形表和其它波形表的比較結果

圖4 一F-P干涉儀的非工作區(qū)（紅色粗線）位于另一干涉儀的線性區(qū)域（黑色或藍色粗體）

4.激光技術
最近，中國科學院半導體研究所的研究人員分析了基于垂直延伸波導結構980nm脊形波導管（RW）激光器的光束質量因子及其相關特性。研究發(fā)現(xiàn)：RW激光器在有效測量電流范圍內為單傳輸模式工作；具有7μm脊寬的3毫米RW激光由于災變光學鏡損傷（COMD）的限制效應僅可實現(xiàn)2W無扭結的輸出功率及最大為59％的功率轉換效率（PCE）。實驗證明：RW激光器的光束質量好、垂直度低、發(fā)散度高，且PCE適合耦合單模光纖和光波導。
自從飛秒激光器面世以來，由于具備高峰值功率和寬超短脈沖的優(yōu)點，它在激光加工和超快光譜學方面已經(jīng)得到廣泛應用。當超短激光脈沖聚焦到非線性介質中時，自聚焦、自然衍射和等離子體發(fā)散之間的相互作用將導致長自導結構的形成，該過程引起的脈沖極端光譜展寬可用于超連續(xù)光譜（SC）的生成。超連續(xù)光譜（SC）在氣體、液體和固體等多種透明介質中產(chǎn)生，并能提供從紫外到紅外的寬帶譜。高脈沖能量的超連續(xù)譜（SC）形成在超快光學參量放大器、生物醫(yī)學成像和超快速多維分子光譜學領域有著應用優(yōu)勢�？紤]其在基礎研究和實際應用中所起的重要作用，飛秒時間內高功率SC源的制備已經(jīng)引起了研究人員的研發(fā)興趣。盡管已有研究人員提出了許多提升SC脈沖能量的方法，但由于入射脈沖強度被限制在樣品的損傷閾值范圍內，高非線性介質的損傷閾值成為改善SC能量的主要限制因素；而光子晶體光纖可以通過色散控制過程來制備，并可生成極其寬廣而平坦的SC光譜，但光子晶體光纖通常被用來將飛秒激光器，這將大大降低SC產(chǎn)生的閾值功率。研究人員通過使用微透鏡陣列（MLA）聚焦激光束的方案，在透明材料中形成多根細絲，而單絲發(fā)射的SC源具有高度的空間和時間相干性。研究人員利用上述聚焦方案，將入射光聚焦到材料中的多個點，以實現(xiàn)高功率激光器的可持續(xù)性運行，并顯著提升SC功率。雖然MLA聚焦方法提供了形成高功率SC的替代方案，但是一些固有缺點限制了SC源的使用。首先，激光束的焦點位置和絲長度對SC發(fā)生過程中的轉換效率有明顯影響；當使用MLA作為聚焦元件時，調整激光束聚焦條件相當困難，MLA的高成本也使得依據(jù)不同情況改變元件配置是不符合實際情況的應用。其次，從介質中發(fā)射的SC陣列很容易在短傳播距離內發(fā)散，因而不可能在實際中使用。因此，研究人員提出使用MLA和望遠鏡系統(tǒng)將飛秒激光器聚焦到透明介質中以產(chǎn)生SC，從而可以輕易調整聚焦參數(shù)。為了使發(fā)射的多重絲平行傳輸，研究人員使用了另一個對稱的望遠鏡系統(tǒng)和MLA；重組后形成的SC光束顯示了高斯橫向分布特性（與單絲生成的SC光譜和啁啾性質類似）。實驗表明，穩(wěn)定的SC源脈沖能量比單絲產(chǎn)生的脈沖能量增加了兩倍以上。上述實驗裝置圖如圖5（a）所示，MLA前后的激光斑點形貌如圖5（b）和（c）所示，在介質中產(chǎn)生的多個穩(wěn)定長絲如圖5（d）所示，整形后的SC源形態(tài)如圖5（e）所示。

圖5 實驗裝置圖。VA：可變衰減器；A：光圈；MLA1，MLA2：微透鏡陣列；L1，L4：100mm焦距鏡頭；L2，L3：200mm焦距鏡頭
非線性光學（NLO）顯微鏡由于其具備優(yōu)于傳統(tǒng)方法的應用優(yōu)勢（例如三維成像能力），因此在生物醫(yī)學成像領域引起了人們極大的研究興趣。研究人員指出相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一種典型基于拉曼過程的非線性顯微成像技術，可通過兩個同步脈沖串作為泵浦和斯托克斯光束實現(xiàn)頻率差與樣品分子的拉曼活性振動頻率匹配過程，但當其中的雙光束工作模式卻增加了CARS顯微鏡系統(tǒng)（是與固態(tài)激光器和光學參量振蕩器相結合的系統(tǒng)）的構建復雜度。因此，價格便宜的光纖激光器可作為CARS系統(tǒng)的替代光源。目前，因為應用寬帶CARS（BCARS）光譜技術（特別是基于超連續(xù)譜（SC-based）的寬帶CARS光譜技術）可以識別出復雜樣品的寬光譜范圍，所以已被應用于各種光譜測量領域中。基于超連續(xù)譜的BCARS技術已被研究人員報道，該技術的實現(xiàn)是將SC脈沖與來自單個激光振蕩器的原始泵浦脈沖進行重新組合；還有一種光纖激光器也被研究人員報道，這種激光器采用飛秒BCARS顯微鏡進行光譜濾波。已有研究人員使用飛秒固體激光器對BCARS的超連續(xù)譜進行了分析，其中濾波光譜的帶寬為23cm−1。研究者人員還通過使用皮秒Nd3+激光器對基于超連續(xù)譜的BCARS光譜學進行了研究，從而實現(xiàn)了CARS中的高光譜分辨率性能。光譜濾波是從寬帶種子中獲得窄帶脈沖序列的直接方法，但是它將導致脈沖能量的大量損失�；�于光纖自相位調制（SPM）的光譜壓縮技術也是產(chǎn)生高功率窄帶皮秒脈沖的一種候選技術。最近，研究人員研制了用于BCARS光譜學的光纖激光器，其中泵浦脈沖是采用窄帶光纖布拉格光柵（FBG）對寬帶脈沖進行光譜濾波得到的。研究人員還設計了基于SC的光纖激光器，其發(fā)射的窄帶泵浦脈沖是由基于SPM的寬帶激光振蕩器中光譜壓縮過程來生成的。在無源光纖和增益光纖中，研究人員采用光譜壓縮技術分別得到了脈沖能量為16.7 nJ、中心波長為1033nm的BCARS窄帶皮秒泵浦脈沖，其有效功率效率達到光譜濾波方案的16倍；在此基礎上，研究人員還研究了光譜壓縮泵對BCARS光譜的影響過程。上述方案的原理圖如圖6所示。

圖6（a）基于SC的BCARS光譜光纖激光器；（b）振蕩器輸出的自相關函數(shù)（紅色虛線）和壓縮脈沖（黑色實線）；（c）振蕩器輸出的光譜（黑色實線）和前置放大器的作用范圍（紅色曲線）；COL：準直器；WDM：波分復用器；SMF：單模光纖；HWP：半波片；QWP：四分之一波長板；PBS：偏振分束器；BRF：雙折射板