7/11/2018，光纖在線特約編輯：邵宇豐、趙云杰、龍穎
2018年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空間光傳輸系統(tǒng)、無源器件、光子材料與制造技術(shù)、光纖網(wǎng)絡(luò)和傳輸系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.自由空間光傳輸系統(tǒng)

采用紫外線（UV）通信鏈路具備低功耗傳輸、豐富的未授權(quán)帶寬和更高安全性等應(yīng)用優(yōu)勢�？紤]到大氣信道的獨(dú)特散射過程，紫外線可應(yīng)用于高效的非視距（NLOS）通信過程。限制NLOS紫外線通信傳輸?shù)呢?fù)面因素有湍流、散射和光束吸收等。湍流導(dǎo)致存在于UV信號中的光子數(shù)量產(chǎn)生隨機(jī)或偽隨機(jī)變化，從而在接收器中產(chǎn)生強(qiáng)度波動(dòng)。具體來說，它可能導(dǎo)致接收器中的信號損失并最終致使信噪比( SNR )的衰落�？臻g分集技術(shù)是一種公認(rèn)的可減輕衰落和大氣湍流影響的技術(shù)；因此，研究人員為改進(jìn)自由空間光學(xué)（FSO）通信系統(tǒng)的收發(fā)性能提出了應(yīng)用不同的分集技術(shù)。最近，來自韓國國立釜山大學(xué)的研究人員在應(yīng)用NLOS紫外線鏈路的基礎(chǔ)上提出了一種基于切換和保持組合的分集技術(shù)，他們采用兩個(gè)接收器配置以減輕信道衰落效應(yīng)（每個(gè)接收機(jī)所處的信道都假定與另一信道呈指數(shù)相關(guān)）。研究人員分析了在相關(guān)湍流通道中使用SSC分集技術(shù)的NLOS UV鏈路的傳輸性能并對其結(jié)果進(jìn)行了分析。假設(shè)輻照度波動(dòng)是伽馬-伽馬分布，研究人員已經(jīng)分析并推導(dǎo)出中斷概率和ASEP的表達(dá)式�；�于推導(dǎo)出的中斷概率公式測算，具有雙分集的SSC接收機(jī)比沒有分集的接收機(jī)其靈敏度提升大約高7dB。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)不同信道之間的相關(guān)性會降低信道的性能。NLOS UV通信鏈路如圖1所示。

圖1. NLOS UV通信鏈路

2.無源器件

作為新興的平面光學(xué)器件之一的微透鏡因其可精確控制光納米尺度已被廣泛應(yīng)用于許多科研領(lǐng)域，包括成像、傳感、光譜學(xué)和光伏等應(yīng)用領(lǐng)域。通常情況下聚焦微光柵透鏡采用0衍射模式，其中的高指數(shù)對比度光柵可以提供比較大的相移（0到2π）可使光線聚焦所以被用作單獨(dú)的移相器來滿足鏡頭聚焦要求。但是，高折射率對比度光柵會引起顯著的消色差現(xiàn)象和導(dǎo)致特定帶寬上的消色差聚焦。作為具有相當(dāng)大帶寬的光源或信號（例如，光致發(fā)光和/熒光信號），特別是在可見光波長范圍內(nèi)，消色差聚焦能力至關(guān)重要且適用于各種應(yīng)用器件。目前廣泛應(yīng)用的折射鏡片如菲涅耳透鏡，對于消色差現(xiàn)象需要耦合設(shè)計(jì)以補(bǔ)償色差損失，因而會顯著增加該設(shè)備的復(fù)雜性和成本。研究人員提出并展示了通過特殊色散控制實(shí)現(xiàn)消色差的基于圓偏振入射的超透鏡，從而為設(shè)計(jì)基于亞波長相移單元的微透鏡提供了理論基礎(chǔ)。然而在實(shí)際應(yīng)用中線偏振只能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)波長的入射，而透鏡具有顯著焦距偏移需在非常窄的帶寬方可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。研究人員展示了可以覆蓋250nm可見光波長（帶寬從435 nm到685 nm）的寬帶亞波長消色差微透鏡，其線偏振入射時(shí)的焦移低于5％，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。�？紤]到亞波長光柵微透鏡由一組納米結(jié)構(gòu)光柵組成并基于相位匹配而設(shè)計(jì)，因此聚焦鏡片與折射平面鏡片的尺寸相比其尺寸可以小得多。此外，所有介電材料都具有低折射率對比度，其他低折射率對比材料如SiO2和Si3N4等也可以應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)可見光波長連續(xù)寬帶消色差，其中由于CMOS可兼容制造和大規(guī)模制造可以得到規(guī)�；�利用。聚合物微透鏡的有幾個(gè)潛在優(yōu)點(diǎn)，通常情況下，對比之前研究所（TiO2，GaN）需要等離子輔助薄膜沉積和/或反應(yīng)離子蝕刻材料，亞波長納米結(jié)構(gòu)只需要電子束圖案化工藝。而這里使用的聚合物（ZEP520A）是一種典型的電子束光刻膠，可使完整的微透鏡的制造工藝大大簡化。因此可以避免很多納米制造的缺陷，如相關(guān)錐形結(jié)構(gòu)或與剝離過程有關(guān)表面缺陷。此外，基于亞波長納米結(jié)構(gòu)的連續(xù)消色差微光柵透鏡可以在可見光波長下工作。最近來自密歇根大學(xué)的研究人員第一次在實(shí)驗(yàn)中使用了基于微米級低折射率對比軟材料（小于10微米）制造的低折射率微型光柵透鏡。研究人員的下一步計(jì)劃是研究平板微透鏡。

圖2（a）二維亞波長光柵微透鏡示意圖， （b）單相移位器結(jié)構(gòu)。

3.光子材料與制造技術(shù)

由于可見光通信（VLC）發(fā)光設(shè)備（LED）在數(shù)據(jù)通信過程中可保持安全性和高速度凸顯了其重要性而受到廣泛關(guān)注。白光LED燈具有高速調(diào)制特性，該設(shè)備可在照明的同時(shí)提供互聯(lián)網(wǎng)通信等附加功能。使用白光LED作為可見光源有兩個(gè)主要好處：發(fā)光效率和響應(yīng)頻率。雖然白光LED的發(fā)光效率高，其有限的調(diào)制帶寬卻限制通信的傳輸速度。被廣泛使用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉的LED調(diào)制帶寬只有幾MHz，信號易被切斷，LED燈光若被阻擋，網(wǎng)絡(luò)信號無法穿透阻擋物。同時(shí)，因不同光路徑到接收端的時(shí)間不一樣，將會產(chǎn)生碼間干擾。所以，優(yōu)化LED燈布局和控制非線性效應(yīng)，才能提高調(diào)制效率并提升傳輸容量。此外，最近有相關(guān)研究對白光LED器件的傳輸速率進(jìn)行了改進(jìn)：即使用有效的LED芯片（響應(yīng)頻率為10-20 MHz）或通過優(yōu)化傳輸系統(tǒng)可以改善可見光的傳輸速率，可將數(shù)據(jù)傳輸速度從1Gbps提升到幾Gbps不等。LED調(diào)制帶寬是VLC通信系統(tǒng)發(fā)展的最重要的瓶頸。之前有研究人員應(yīng)用具有60MHz -3dB調(diào)制帶寬的LED芯片，通過正交分頻復(fù)用（OFDM）實(shí)現(xiàn)了3Gbps通信傳輸速率（且其傳輸速率顯著高于大多數(shù)家用的LED）。LED響應(yīng)頻率也可以通過優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)來改進(jìn)。微型LED能夠支持基于色移鍵控（CSK）調(diào)制的通信并兼顧照明，因此它是具有顯著應(yīng)用潛力光通信設(shè)備。有研究人員展示了一種由直徑像素為72μm的可單獨(dú)尋址的陣列構(gòu)成的新型微型LED，其中心到中心間距為100μm（該設(shè)備中每像素具有高達(dá)245 MHz的帶寬）。微型LED的響應(yīng)頻率受載流子壽命，電流密度和電容影響。分析這些設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)系后，研究人員設(shè)計(jì)了一種兼顧照明亮度且不受設(shè)備結(jié)構(gòu)性能影響的多元件發(fā)光二極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)。研究人員在分析響應(yīng)頻率的同時(shí)和改進(jìn)了光學(xué)效率，同時(shí)也對載流子壽命和電容頻率對可見光學(xué)通信設(shè)備的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
最近，研究人員通過增加一系列發(fā)光單元和設(shè)備的響應(yīng)頻率，驗(yàn)證了單一尺寸對設(shè)備的影響和響應(yīng)頻率為-3dB的不同陣列對光通信系統(tǒng)設(shè)備的影響。當(dāng)設(shè)備的單個(gè)發(fā)光單元的大小介于60-120μm之間時(shí)，設(shè)備的整體發(fā)光功率也相應(yīng)增加。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。當(dāng)設(shè)備尺寸大小固定時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加一定數(shù)量的陣列對響應(yīng)頻率有顯著影響（設(shè)備的擴(kuò)散電容函數(shù)表示不同大小的設(shè)備尺寸對響應(yīng)頻率的影響）。研究人員也分析了不同大小的設(shè)備對電流密度的影響，其中尺寸較小的設(shè)備其響應(yīng)頻率可以通過改變電流密度來改善。上述研究結(jié)果證明了設(shè)備電容、載流子壽命和電流密度都會對可見光通信設(shè)備的性能產(chǎn)生影響。

圖3.機(jī)遇4×4微型陣列的LED。

4.光纖網(wǎng)絡(luò)與傳輸系統(tǒng)

在光纖通信系統(tǒng)中，使用分布式拉曼放大（DRA）器能減少沿傳輸光纖的信號功率變化，可以在放大的自發(fā)輻射（ASE）噪聲和克爾非線性之間提供更好的平衡。與集中放大過程相比，其能提高最大傳輸距離和數(shù)據(jù)容量。研究人員使用不同的拉曼泵浦方案來實(shí)現(xiàn)上述過程。其中，雙向泵浦方案已經(jīng)被證明能提供更好的性能，但存在一個(gè)主要問題，即正向（FW）泵浦的使用會導(dǎo)致相對強(qiáng)度噪聲（RIN）影響，從而限制了長距離重復(fù)傳輸系統(tǒng)收發(fā)性能的增強(qiáng)。已有研究人員提出了不同產(chǎn)生FW泵浦的方法來降低該代價(jià)，但FW泵浦的功率仍然受到限制，并且從泵到信號的功率傳輸中的低拉曼增益效率很低。此外，改善功率信號分布的第二種技術(shù)是使用更高階的泵浦來產(chǎn)生隨機(jī)分布反饋（DFB）光纖激光器。由于光纖瑞利反向散射和/或包含光纖布拉格光柵（FBG）作為反射器，在傳輸光纖中產(chǎn)生的一階隨機(jī)DFB光纖激光器提供了信號增益，因而不需要特定的FW泵浦源。然而，由于這種技術(shù)基本上是在激光腔中雙向傳播泵浦，RIN引起的損失仍難以減輕。因此，在長距離傳輸系統(tǒng)中，采用反向（BW）泵浦以避免從FW泵到信號的RIN傳輸問題。RIN傳遞函數(shù)具有長跨度和較低截止頻率的特點(diǎn)，因此，在BW泵浦的DRA中，RIN的傳輸量較低。即使是從高功率和高RIN泵輸出10-100s kHz的少量RIN，仍然可能限制系統(tǒng)的傳輸性能（特別是在長距離中繼系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)）。
最近，研究人員提出了一種使用非相干寬帶一階泵的雙階BW泵浦的新方案（方案圖如圖4所示）。雙階BW-泵浦方案是由1336nm波長二階光纖激光器和由瑞利散射產(chǎn)生的1453nm寬帶一階種子泵組成。該種子泵通過防止從較高階泵到信號的RIN傳輸?shù)难葑儊頊p輕信號的RIN損失。研究人員證明：與使用反向二階泵產(chǎn)生的低RIN半導(dǎo)體泵和隨機(jī)DFB光纖激光器相比，使用非相干寬帶泵可以提升長距離傳輸性能。在100G速率的DPP-QPSK波分復(fù)用（WDM）長距離傳輸系統(tǒng)中，該方案能將傳輸范圍擴(kuò)展到7915km。此外，使用這種寬帶泵浦可以提供平坦的增益譜，從而減少了寬帶（C+L波段）傳輸所需的泵數(shù)量。

圖4 二階泵浦和不同一階種子泵的二階分布拉曼放大結(jié)構(gòu)；（a）寬帶非相干ASE泵；（b）低RIN半導(dǎo)體激光二極管；（c）隨機(jī)DFB光纖激光器。

眾所周知，在使用皮秒脈沖作為碼載波的非相干光碼分多址接入（OCDMA）系統(tǒng)中需要進(jìn)行色散補(bǔ)償（CD）。如果鏈路沒有適當(dāng)?shù)腃D補(bǔ)償，那么由于脈沖展寬和時(shí)間偏移引起的失真會在接收端造成OCDMA信號的失真，從而導(dǎo)致誤碼率（BER）降低。因此，確保CD補(bǔ)償鏈路的偏差并通過可調(diào)的方式進(jìn)行控制是十分重要的。實(shí)現(xiàn)可調(diào)CD控制的一種方法是在光纖傳輸之前利用信號的啁啾效應(yīng)。在已有研究中，一個(gè)帶有正啁啾的激光脈沖通過SMF-28光纖產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)啁啾（由于光纖異常色散），以此實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。與此同時(shí)，群速度色散（GVD）脈沖在光纖中傳播時(shí)也經(jīng)歷了擴(kuò)展。因而，在被稱為色散長度（LD）的距離處，由于上述效應(yīng)的同時(shí)作用，在光纖輸入端得到的脈沖寬度等于其初始值。經(jīng)過色散長度（LD）處后，傳播的脈沖將再次開始擴(kuò)展，直到光纖末端。激光脈沖的初始正啁啾或由于光纖異常色散而產(chǎn)生的負(fù)啁啾可以被進(jìn)一步調(diào)整以壓縮光脈沖。例如，可以通過減少所產(chǎn)生激光脈沖的初始正啁啾或者可以改變SMF-28光纖的長度，使其在具有異常色散的光纖中傳播。已有研究表明，通過改變半導(dǎo)體光放大器（SOA）的偏置電流，也能改變光脈沖通過SOA的啁啾。研究者們還通過改變放置在鏈路接收器側(cè)的SOA增益來緩解溫度引起的光纖色散對OCDMA自相關(guān)性的影響。還有的研究者通過改變SOA動(dòng)態(tài)增益和引入保持光束來減輕光纖色散的影響。上述控制機(jī)制通過增益變化影響SOA內(nèi)部的折射率，從而導(dǎo)致穿過SOA的光脈沖具有不同量的啁啾。最近，研究人員首次提出使用放置在發(fā)射端的SOA補(bǔ)償光纖色散方案（實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示），該方案的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很高的一致性。

圖5 相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置

在下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中，人們對數(shù)據(jù)速率的增加、多址用戶的數(shù)量和傳輸長度的需求日益增長。隨著新一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的出現(xiàn)，流量將變得更加多樣和復(fù)雜，因此需要增加網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)量。相干無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）由于其具有接收靈敏度高、光譜選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是，基于單一波長相干正交頻分多址的無源光網(wǎng)絡(luò)（CO-OFDMA-PON）是一種有發(fā)展前景的解決方案，該方案具有靈活的時(shí)間和頻率資源管理、系統(tǒng)頻譜效率高等應(yīng)用優(yōu)勢。對于基于偏振分集的實(shí)際CO-OFDMA-PON上行傳輸鏈路（由偏振分束器和光混合結(jié)構(gòu)組成）而言，偏振態(tài)（SOP）的變化是一個(gè)關(guān)鍵障礙，主要原因是每個(gè)多路訪問光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）具有不同的SOP變化。其中，關(guān)鍵變化源可以在光學(xué)器件和光纖的兩側(cè)找到（如圖6所示）�？紤]到許多光學(xué)器件對偏振有很高的敏感度；例如，每個(gè)ONU中的不同光學(xué)設(shè)備（如基于半導(dǎo)體的激光二極管、光學(xué)放大器、基于波導(dǎo)的光學(xué)外部調(diào)制器以及光學(xué)濾波器）會導(dǎo)致不同的SOP變化，因而在每個(gè)ONU中不能維持恒定的SOP。此外，SOP在通過光纖時(shí)也會發(fā)生變化，特別是在單模光纖（SMF）中。纖芯和包層的不對稱性、物理彎曲和壓力以及SMF的外部振動(dòng)和溫度都會導(dǎo)致SOP發(fā)生變化。即使發(fā)射器優(yōu)化了光學(xué)器件的SOP，ONU之間的SOP在傳輸過程中也會隨機(jī)改變。因此，SOP的泄露不可避免。由于這種泄露的影響，初始偏振軸上的信號功率可能相對較低，從而系統(tǒng)的信噪比（SNR）也會降低，最終導(dǎo)致接收到的信號不能被清晰地解調(diào)，因此，基于多址的CO-OFDMA-PON系統(tǒng)需要補(bǔ)償SOP變化。
目前，各種SOP控制解決方案已被廣泛研究，但每個(gè)解決方案都有其局限性。有研究人員提出一種解決方案是偏振不敏感檢測，這種技術(shù)僅僅適用于強(qiáng)度調(diào)制。此外，研究者還提出了一種被稱為偏振保持光纖（PMF）的方案，該方案不僅成本昂貴，還面臨著插入損耗的問題。研究者們還研究了使用法拉第旋轉(zhuǎn)器（FR）的低成本SOP控制，但由于光纖的互易性，這種技術(shù)也只有通過直接調(diào)制實(shí)現(xiàn)。此外，還有研究人員提出使用雙向調(diào)制器來增強(qiáng)SOP，但其需要復(fù)雜的偏振處理。由于高光功率能達(dá)到非線性區(qū)域的要求，光纖非線性偏振在牽引上的發(fā)現(xiàn)是不夠充分的。最近，研究人員提出了一種基于單一斯托克斯矢量（SV）的SOP恢復(fù)（ISVSR）方案（其工作原理如圖7所示），該方案適用于基于單一波長的相干正交頻分多址無源光網(wǎng)絡(luò)（CO-OFDMA-PON）的上行傳輸鏈路�？紤]到每個(gè)ONU在傳輸過程中經(jīng)歷不同的SOP變化，因此引入了一種單獨(dú)補(bǔ)償技術(shù)，而無需復(fù)雜的設(shè)備控制或使用PMF。該技術(shù)通過使用導(dǎo)頻（PT）作為SOP估計(jì)器，以處理每個(gè)ONU的SOP變化。ISVSR在均方誤差（RMSE）、誤碼率（BER）和誤差矢量幅度（EVM）方面的性能在自相干反射OFDMA-PON上行傳輸鏈路中均得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6單波長CO-OFDMA-PON中上行傳輸鏈路中的SOP變化影響

圖7 ISVSR的工作原理圖