光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2018年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：調(diào)制技術(shù)、光傳輸、光纖傳感和測量技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)等，筆者將逐一評析。

1.調(diào)制技術(shù)

由于發(fā)光二極管（LED）的高功率效率，它已被廣泛應(yīng)用于照明設(shè)備中，從而促進(jìn)了可見光通信（VLC）技術(shù)的迅速發(fā)展。與射頻（RF）通信不同，VLC是通過LED傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的，VLC系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上緩解了無線頻譜資源的短缺問題，其中的接收機(jī)直接檢測解調(diào)信號(hào)也使得系統(tǒng)的復(fù)雜度較低。在室內(nèi)場景中，通常會(huì)有多個(gè)LED來滿足照明要求，并且使用單個(gè)光電探測器將信號(hào)傳輸給多個(gè)用戶，稱為多用戶多輸入單輸出（MU-MISO）。此系統(tǒng)中有兩種不同的干擾。一種是點(diǎn)對點(diǎn)視線（LOS）鏈路干擾，另一種是由反射導(dǎo)致的漫反射鏈路干擾。由于漫反射鏈路比LOS鏈路帶來的干擾弱得多，也因此LOS鏈路干擾是影響系統(tǒng)性能的主要因素。另外，由于VLC中信道間的強(qiáng)相關(guān)性，信道相關(guān)矩陣會(huì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)的收發(fā)性能；而且，信道的不確定性可能會(huì)給系統(tǒng)帶來新的干擾。實(shí)際應(yīng)用中，由于信道系數(shù)是通過射頻（RF）、紅外光（IR）或可見光等反饋鏈路進(jìn)行估計(jì)的，所以在MU-MISO系統(tǒng)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)噪聲、量化信道估計(jì)以及延遲估計(jì)反饋過程中存在的信道誤差。

最近，研究人員為提升系統(tǒng)功效設(shè)計(jì)了VLC的預(yù)編碼過程。雖然已有研究人員設(shè)計(jì)了一種使用最小均方誤差（MMSE）預(yù)編碼過程來實(shí)現(xiàn)VLC系統(tǒng)中信號(hào)的預(yù)處理，但由于信號(hào)均方誤差（MSE）的限制將使光照水平降低（其中，MSE并不是用來測量系統(tǒng)性能和提供相應(yīng)應(yīng)用的直接參數(shù)）。另一方面，研究人員改進(jìn)了基于正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)的光調(diào)制設(shè)計(jì)過程（盡管OFDM信號(hào)容易受到LED非線性的負(fù)面影響）。研究人員基于信道不確定性實(shí)現(xiàn)了功率高效的迫零（ZF）預(yù)編碼過程，總的輸出光功率受信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）和LED電流范圍的限制。

2.光傳輸

模擬光子鏈路不但在微波光子學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，而且在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域也有著應(yīng)用優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的同軸電纜模擬鏈路相比，模擬光子鏈路（APL）具有帶寬大、損耗低和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。在常規(guī)的APL中，基于單一馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）的雙邊帶強(qiáng)度調(diào)制（IM）方案能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用優(yōu)勢。然而，由于SMF色散會(huì)引起功率衰減效應(yīng)，尤其是在遠(yuǎn)距離高微波頻率下的傳輸鏈路中接收到的信號(hào)會(huì)受其影響；因此，功率衰減效應(yīng)對數(shù)十千兆赫頻率下長距離傳輸?shù)腁PL應(yīng)用是不利的。為了克服功率衰減效應(yīng)，研究人員提出了單邊帶調(diào)制方案。單邊帶調(diào)制可以通過偏振調(diào)制器或雙電極MZM來實(shí)現(xiàn)（但在該方案中，需要額外的電子移相器，而該類電氣元件的使用將使系統(tǒng)產(chǎn)生插入損耗和頻率相關(guān)的相位誤差，它們還會(huì)降低傳輸鏈路的性能并限制傳輸頻率的可調(diào)靈活性）。研究人員還研究了基于光學(xué)濾波器的其他方法（如采用光纖布拉格光柵），但在頻率可調(diào)諧性方面同樣具有局限性。還有研究人員提出了載波移相雙邊帶調(diào)制方法以通過使用雙并行MZM來補(bǔ)償功率衰落效應(yīng)；上述方法通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整三個(gè)直流偏置來改變APL的頻率響應(yīng)。然而，這種方法存在偏置偏移問題，因此需要復(fù)雜的偏置電路。與使用IM比，基于相位調(diào)制（PM）的APL不存在偏置偏移問題，同時(shí)其還具有較低的損耗（需要注意的是：PM到IM間的轉(zhuǎn)換通常有一個(gè)光學(xué)濾波器實(shí)現(xiàn)，但該濾波器會(huì)限制傳輸鏈路的工作帶寬）。

目前，研究人員設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償色散誘導(dǎo)功率衰減的APL，它通過SBS來改變光載波的相位（其實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示）；上述方法大大提高了APL的線性度。在不改變振幅的情況下，可以利用SBS在窄帶寬上提供大于2π的光載波相位漂移。目前，已有研究測得了SBS在第一次實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)相移的精確測量過程。還有研究展示了利用SBS產(chǎn)生可控微波波形的方法，該方法通過調(diào)整光學(xué)載波、布里淵泵（BP）以及布里淵斯托克斯（BS）之間的頻率間隔以及適當(dāng)調(diào)整相移以實(shí)現(xiàn)從PM到IM轉(zhuǎn)換所需的輸出（其中，傳輸鏈路可以通過調(diào)整頻率響應(yīng)來補(bǔ)償功率衰減的影響）。研究人員所提出的APL應(yīng)用系統(tǒng)在25和40km的單模光纖（SMF）上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并測量了頻率響應(yīng)。為了更好地判斷所設(shè)計(jì)的鏈路是否有在更高頻率上傳輸數(shù)據(jù)的能力，研究人員以18和14GHz的微波中心載波頻率成功地發(fā)送和接收了2Gb/s速率的QAM和4Gb/s速率的16QAM的離散多音信號(hào)；其中采用的18GHz和14GHz的頻率是在25和40km單模光纖中傳輸時(shí)發(fā)生嚴(yán)重功率衰落的頻點(diǎn)。研究人員還對誤差矢量幅度（EVM）以不同的接收功率進(jìn)行評估，在-8.0dBm的接收功率下獲得的最低EVM約為12%。


圖1 相關(guān)光子鏈路實(shí)驗(yàn)裝置圖（TL：可調(diào)諧激光器；VOA：可變光衰減器；ISO：隔離器；PC：偏振控制器；DSF：色散位移光纖；CIR：環(huán)行器；EDFA：摻鉺光纖放大器；BPF：帶通濾波器；PD：光電探測器）（a）相位調(diào)制光信號(hào)，（b）載波相移光信號(hào)，（c）在SMF上傳輸?shù)墓庑盘?hào)（忽略光載波上色散引起的相移）

3.光纖傳感和測量技術(shù)

電磁感應(yīng)透明（EIT）是具有窄光譜光學(xué)增強(qiáng)透射的量子干涉現(xiàn)象（通過原子層和外部光場間的相互作用產(chǎn)生）。增強(qiáng)的透射可以顯著地減緩光子的強(qiáng)度，這種特性在傳感器、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和增強(qiáng)的光學(xué)非線性方面都有潛在的應(yīng)用前景。然而，由于EIT需求極低的溫度環(huán)境和較高穩(wěn)定度的氣體激光器，使得它的潛在應(yīng)用受到了嚴(yán)重阻礙。幸運(yùn)的是，許多研究者已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了在微波、太赫茲和光學(xué)頻率的超材料系統(tǒng)中可以模擬EIT現(xiàn)象。眾所周知，表面等離子體激元可以在非常小的金屬表面范圍內(nèi)很好地被束縛住，并能打破衍射極限。因此，EIT效應(yīng)與納米等離子體激元結(jié)構(gòu)的結(jié)合將為實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境變化高度敏感的超小型調(diào)制器和傳感器提供了可能性�；�于超材料結(jié)構(gòu)（包括切割線、分裂環(huán)諧振器和耦合波導(dǎo)諧振器）的類EIT現(xiàn)象已被廣泛地研究。

迄今為止，除嚴(yán)格重新調(diào)整金屬納米結(jié)構(gòu)之外，通常而言等離子體共振可調(diào)諧過程是不易實(shí)現(xiàn)的，從而限制了集成光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。為解決上述問題，可以采用將超材料與非線性介質(zhì)、半導(dǎo)體和液晶等光學(xué)活性材料集成在一起實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)諧工作波長的方法。因石墨烯等離子體激元具有低損耗、極端約束和主動(dòng)可調(diào)的電氣和光學(xué)性能，因此作為一種可替代的方案已被引入PIT設(shè)備的設(shè)計(jì)中。例如，凹坑效應(yīng)可以在周期性圖案化的納米結(jié)構(gòu)、異質(zhì)性石墨烯帶和由一系列空間分離的石墨烯層組成的元表面中實(shí)現(xiàn)。此外，石墨烯還可以作為與凹坑超材料結(jié)合的活性介質(zhì)。目前，相關(guān)研究主要圍繞耦合諧振器，其中不同的等離子體激發(fā)諧振器（亮模式和暗模式諧振器）彼此耦合以實(shí)現(xiàn)EIT光學(xué)響應(yīng)。這些耦合諧振器不僅體積龐大、復(fù)雜，而且還不能滿足高集成度光學(xué)元件的發(fā)展趨勢。然而，基于單元石墨烯諧振器凹坑的實(shí)現(xiàn)卻很少被研究。目前，研究人員證明了基于H形石墨烯諧振器可以引起PIT效應(yīng)，并且不需要使用額外的光學(xué)元件。一旦對稱性被破壞，H形石墨烯諧振器（HSGR）的上腔和下腔中的電流振蕩異相，它們的諧振頻率略有不同，這就導(dǎo)致了HSGR腔之間的強(qiáng)耦合。這種配置導(dǎo)致兩個(gè)透射峰之間形成PIT峰值。通過改變石墨烯的費(fèi)米能（EF）和U形腔的幾何參數(shù)，可以同時(shí)調(diào)節(jié)諧振頻率、透射強(qiáng)度和線寬。此外，該研究結(jié)果證明可實(shí)現(xiàn)超過0.04ps的光延遲和17.78品質(zhì)因素（FOM）的參數(shù)指標(biāo)。毫無疑問，上述研究工作的開展拓展了相關(guān)應(yīng)用范圍，尤其是可用于開發(fā)紅外等離子體組件，如開關(guān)，慢光器件和可調(diào)諧傳感器。相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。


圖2.（a）石墨烯納米結(jié)構(gòu)放置在SiO2襯底上的示意圖；（b）單元結(jié)構(gòu)：諧振器的長度L1、L2和寬度W1、W2分別為150nm、300 nm和60 nm、40nm，中心帶橫向位移S、周期Px＝400nm和Py＝400nm

4.光纖技術(shù)

中空芯光子帶隙光纖（PBGF）因?yàn)榫哂械头蔷�性、溫度敏感度低和具有磁性環(huán)繞等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。PBGF的優(yōu)秀的光學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性使其被用于許多應(yīng)用研究領(lǐng)域，例如光纖陀螺（FOGs）、高速大數(shù)據(jù)通信和微粒采集。當(dāng)給定支柱寬度最佳區(qū)間和氣孔周期存在的圓角尺寸時(shí)，光纖包層中支柱的寬度、氣孔周期和圓角尺寸對帶寬和中心波長有極大影響。許多以前的研究已經(jīng)建立了理論模型和調(diào)查繪圖參數(shù)用以提高PBGF拉制性和質(zhì)量。已有研究人員利用傳統(tǒng)的單模光纖預(yù)制棒建立了一個(gè)不穩(wěn)定的仿真模型，并提供了一個(gè)用于模擬和分析光纖拉伸過程的方法。通過微結(jié)構(gòu)光纖拉絲工藝瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數(shù)值進(jìn)行2D建模，以及通過調(diào)整相關(guān)的孔的大小與張力和壓力（而不是溫度），可以改善了光纖拉絲塔的工作性能。光纖中的空氣孔可以預(yù)估計(jì)并且是拉伸張力唯一顯著的參數(shù)。南安普敦大學(xué)的研究人員建立了基于模擬毛細(xì)管PBGFs拉制性的模型，并考慮到真正的拉絲速度，壓力和張力，并且光纖結(jié)構(gòu)可以通過建立的模型獲得。所有這些研究為PBGF的拉制性做出了重大貢獻(xiàn)，但另一個(gè)重要參數(shù)，毛細(xì)管的空隙會(huì)在光纖中形成圓角，而這一點(diǎn)從未被分析過。研究人員首次對具有不同尺寸空隙的塌陷過程進(jìn)行了分析（基于PBGF的毛細(xì)管中提取溫度和空隙尺寸），并利用工程估算方程表征空隙坍塌規(guī)律。研究人員建立的分析模型假定空隙在給定的情況下被加熱，并從中推導(dǎo)出模型的工程方程，表明了制造參數(shù)之一的溫度高低會(huì)影響空隙崩潰和空隙大小。該模型模擬了空隙倒塌的效果，研究結(jié)果表明空隙崩潰對PBGF有利（這是因?yàn)樵诠饫w拉制過程中的空隙坍塌時(shí)直流可以通過空隙進(jìn)行調(diào)整）。其PBGF的制備原理如圖3所示。


圖3. PBGF的制備過程（a）數(shù)百個(gè)高純度二氧化硅毛細(xì)管和預(yù)制棒束疊加; （b）抽出的預(yù)制棒的橫截面； （c）從毛細(xì)管中提取的PBGF橫截面；（d）放大的包層蜂窩結(jié)構(gòu)圖像

5.激光技術(shù)

高功率邊緣發(fā)光二極管激光器是在材料處理、光學(xué)變頻、光纖放大器和固體激光器等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵器件。大多數(shù)這些應(yīng)用需要接近衍射極限的光束質(zhì)量、較低的發(fā)散度和窄光譜寬度。錐形激光器由于其易于制造并能在輸出端保持良好的光束質(zhì)量而受到很多關(guān)注。帶有光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形激光器可以實(shí)現(xiàn)低垂直發(fā)散。然而，常規(guī)錐形激光器的光譜寬度與典型廣域激光器相同，一般情況下光譜寬度范圍內(nèi)的在2和6 nm之間。為了減少光譜寬度，研究人員提出了不同的方法包括外部反饋腔、集成分布反饋（DFB）激光器、集成無源分布布拉格反射器（DBR）激光器。但是，外部反饋需要額外的組件和相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致增加相當(dāng)程度的復(fù)雜性和成本。傳統(tǒng)的DFB激光器需要將光柵層嵌入波導(dǎo)中，這是非常復(fù)雜和耗時(shí)的。DBR激光器已被廣泛研究。最近，有研究報(bào)道了基于DBR光柵窄光譜寬度的錐形激光。因?yàn)樾枰�足夠的反饋，DBR光柵的周期通常在1μm左右或更小，因此很多蝕刻的凹槽較小。導(dǎo)致的結(jié)果是，微型的結(jié)構(gòu)制造嚴(yán)重依賴昂貴和耗時(shí)的技術(shù)，如電子束光刻和聚焦離子光束光刻技術(shù)。近年來，研究人員提出并展示基于插槽的單模激光器。槽的寬度和周期通常被設(shè)計(jì)為大于1μm，這很容易可以通過標(biāo)準(zhǔn)的光刻法地定義。大多數(shù)基于插槽的研究重點(diǎn)都集中在基于應(yīng)用光子集成二極管的1550nm納米激光器上，并致力于使幾十毫瓦的輸出功率的側(cè)模抑制比（SMSR）達(dá)到50dB以上。最近有研究提出報(bào)道了基于金屬槽的956-nm廣域激光二極管，以及其實(shí)現(xiàn)了在單縱向模式下200毫瓦的功率輸出端具有39dB的SMSR。研究人員將槽插入錐形激光器，設(shè)計(jì)了脊形波導(dǎo)帶槽錐形激光器（RW slots）和近前端面（FF slot）帶槽錐形激光器。上述兩種器件可以實(shí)現(xiàn)高輸出功率和窄光譜寬度，并由于插槽位置不同而引起的不同的遠(yuǎn)場分布（值得注意的是，上述兩種器件均可獲得高光束質(zhì)量）。研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了基于狹窄光譜發(fā)射槽錐形激光器，并研究了插槽的位置對錐形激光器性能的影響。具有RW插槽的錐形激光器的輸出功率在3A條件下為2.15 W，比沒有插槽的器件略低。然而，對于帶有插槽的兩器件，由于存在較大的光學(xué)損耗，具有FF插槽的錐形激光器可提供1.87 W的輸出功率并可獲得約0.25nm的窄光譜寬度。對于帶有RW和FF槽的錐形激光器，最大的SMSR分別為28.8 dB和36.8 dB。對于使用RW插槽設(shè)備，垂直遠(yuǎn)視角大約為11°，而對于帶有FF插槽的錐形激光器，其垂直光束發(fā)散角大約為7°�；�于光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形二極管激光器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。


圖4.基于光子晶體結(jié)構(gòu)的錐形二極管激光器（a）RW插槽和（b）FF插槽

6.光網(wǎng)絡(luò)

云無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）已經(jīng)被提出并被認(rèn)為是兼具有成本效益和環(huán)保節(jié)能兩大優(yōu)勢的未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，基帶處理單元（BBU）在中央處理器中進(jìn)行整合并提供集中控制，而無線單元（RU）留在小區(qū)站點(diǎn)以提供接入點(diǎn)（AP）服務(wù)。連接BBU池和RU的段被稱為光學(xué)移動(dòng)前端（MFH），并作為RAN的重要組成部分而被深入研究。在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，就光纖鏈路的非線性和對不同移動(dòng)信號(hào)格式的兼容性而言，如果采用光纖數(shù)字化無線技術(shù)需要考慮到的是5G中可能采用的高階調(diào)制（1024QAM）規(guī)范；同時(shí)，迫切需要升級MFH系統(tǒng)的容量來迎合帶寬爆炸性增加需求。高階調(diào)制格式已被研討以取代目前的主流NRZ-OOK格式。與其他解決方案相比，如DMT和CAP，脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）由于其更簡單的數(shù)字化和寬松的線性要求而成為潛在的候選技術(shù)。但是，與NRZ相比，在相同信噪比（SNR）情況下，PAM4下信號(hào)有較大的誤碼率（BER），因?yàn)槊勘忍啬芰拷档秃腿菹扌阅茌^弱會(huì)產(chǎn)生符號(hào)間干擾（ISI）從而導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重。因此，需要重新思考是否有必要將信號(hào)數(shù)字化。考慮到光鏈路質(zhì)量可能有不同長前傳和短前傳共存以及相應(yīng)的不同到達(dá)距離，為了在不同光鏈路質(zhì)量下達(dá)到最佳狀態(tài)的性能，采樣位應(yīng)該被優(yōu)化并且需要具有可變速率的裝置，這導(dǎo)致了電子電路高度復(fù)雜性,因此研究人員建議使用混合PAM2/4信號(hào)。混合PAM2/4信號(hào)由兩個(gè)簡單的系統(tǒng)產(chǎn)生：（i）一個(gè)高位和一個(gè)低位配對形成一個(gè)PAM4符號(hào); （ii）一部分PAM4在調(diào)制之前，低位比特被設(shè)置為“0”。PAM4格式實(shí)際上被轉(zhuǎn)換為混合PAM2/4格式，其中具有低BER的PAM2發(fā)送具有更高優(yōu)先級的采樣比特，具有高頻譜的PAM4方案傳輸剩余的采樣比特（即在PAM2和PAM4之間改變位數(shù)設(shè)置為“0”的比例，并根據(jù)不同光鏈路質(zhì)量進(jìn)行靈活調(diào)整以達(dá)到最佳收發(fā)性能）。由于混合PAM2/4信號(hào)的波特率固定，可以應(yīng)用固定速率的硬件。20G波特I/Q數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳輸表明，在各自的最優(yōu)PAM2/4比例混合下，與傳統(tǒng)PAM4格式和1024-QAM的長期演進(jìn)（LTE）類信號(hào)相比，所提出的方法可以減少誤差矢量幅度（EVM）值。研究人員建議在數(shù)字移動(dòng)前端采用柔性混合PAM2/4過程來抑制由采樣誤碼引起的信號(hào)失真；而且，PAM2/4信號(hào)的比例可以根據(jù)光鏈路的質(zhì)量進(jìn)行靈活調(diào)整（只需將位數(shù)設(shè)置為“0”即可實(shí)現(xiàn)，無需任何硬件修改和調(diào)整，所提出的方案與傳統(tǒng)的PAM4收發(fā)設(shè)備完全兼容）�；�于PAM4信號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字移動(dòng)前傳系統(tǒng)如圖5所示。


圖5.基于PAM4信號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字移動(dòng)前傳系統(tǒng)（a）傳統(tǒng)的PAM4；（b）自適應(yīng)PAM4；（c）自適應(yīng)比例混合PAM2/4