光纖在線特邀編輯：邵宇豐 陳福平 陳烙 申世魯

    2016年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、光纖傳感與測量技術(shù)、無源光子器件、光纖激光器等，筆者將逐一評析。
光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    近幾年，許多關(guān)于OOFDM技術(shù)的新型改進(jìn)方案被提出，如非對稱性O(shè)OFDM、單極性O(shè)OFDM等，相比較傳統(tǒng)的直流電流偏置OOFDM，相關(guān)研究證明它們都可以獲得較高的功率效益，但是這也會相應(yīng)地降低頻譜效率。最近，來自北京郵電大學(xué)的研究人員提出了一種整合性的技術(shù)，將μ律壓擴(kuò)技術(shù)和轉(zhuǎn)換雙極性信號為單極性信號的技術(shù)相結(jié)合。其中研究人員使用的是改進(jìn)的μ律壓擴(kuò)技術(shù)，該技術(shù)相比較極性O(shè)FDM技術(shù)可以獲得同樣的頻譜效率，同時，由于壓擴(kuò)技術(shù)的內(nèi)在特性，研究人員提出的整合性技術(shù)不僅可以獲得更低的信號峰均比，還能明顯的消除限幅噪聲。因此可以在動態(tài)范圍的約束下獲得較高的能量效率。OOFDM與射頻OFDM的不同點在于OOFDM必須把復(fù)雜的輸入信號轉(zhuǎn)換為實時正向信號。該系統(tǒng)利用了反向快速傅里葉變換模塊輸出端的統(tǒng)計特征，這種統(tǒng)計特征近似符合零均值的高斯分布。信息的冗余度為實部與虛部的分離提供了可能，并把他們轉(zhuǎn)化為了相應(yīng)的OFDM符號。相比較埃爾米特對稱技術(shù)，研究人員提出的這種分離技術(shù)利用了所有的子載波，且只需要一半的電功率來轉(zhuǎn)換有用的信息，因此OFDM信號的峰值可以有效地減少。μ律壓擴(kuò)模塊的作用是將雙極采樣轉(zhuǎn)換為單級采樣。因為PN結(jié)和飽和效應(yīng)，發(fā)光二極管（LED）的輸入與輸出之間有非線性關(guān)系。但是這種非線性特征可以通過預(yù)失真來進(jìn)行補償，因此在發(fā)光二極管（LED）的動態(tài)范圍內(nèi)可以獲得線性特性。仿真結(jié)果顯示：研究人員所提出的方案以高階正交振幅調(diào)制（QAM）進(jìn)行調(diào)制會有較高的頻譜效率和功率效益，性能也能隨著動態(tài)范圍的改變而變化。

圖1  μ-OFDM通信系統(tǒng)模型圖
    近年來，一些科研機(jī)構(gòu)也對幾種實現(xiàn)1Gbps無線傳輸?shù)男录夹g(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。其中，60GHz毫米波通信系統(tǒng)和可見光載無線通信系統(tǒng)被認(rèn)為是最有潛力的兩種方案。這兩種方案的發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的信道路徑一般要求是一條直線，這樣設(shè)置將提高系統(tǒng)的視距通信傳輸速率。不過，與毫米波通信相比，可見光載無線通信具有更廣的應(yīng)用前景，且該方式具有寬闊的無需運營執(zhí)照的通信接入帶寬范圍（如從紫外光到可見光再到紅外光波段），而且該通信方式可在不需要復(fù)雜高級調(diào)制格式和繁瑣信號處理的情況下，實現(xiàn)高速通信傳輸。由于毫米波的高載波頻譜在空間自由傳輸過程中損耗很厲害，因此毫米波信號的分配會受到一定的限制。近幾年來，光纖傳輸毫米波通信技術(shù)雖然引起了人們的廣泛興趣并開展了許多相關(guān)研究，但是該技術(shù)實現(xiàn)所需的硬件配置和系統(tǒng)架構(gòu)都比較復(fù)雜，往往需要一些高速光電子器件及相關(guān)組件。與此同時，采用紅外波段進(jìn)行室內(nèi)可見光通信技術(shù)的研究也悄然興起，這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對成熟，而且相對于開發(fā)光纖通信系統(tǒng)，它的器件成本也相當(dāng)?shù)牡�。最近來自澳大利亞墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系的研究人員通過實驗驗證了以1Gbps速率傳輸?shù)娜�雙工室內(nèi)可見光無線接入通信系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)采用低成本、窄帶寬的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為上行鏈路的光源，并使用無載波幅度調(diào)制（CAP）進(jìn)行直接調(diào)制。實驗中下行傳輸速率超過了10Gbps，但是，對于上行鏈路，特別是使用低成本、窄帶寬的VCSELs作為光源的情況下，通信比特率會受到限制，若上行鏈路使用無載波幅度調(diào)制技術(shù)來直接調(diào)制VCSEL，比特率會顯著得到提升。該實驗中室內(nèi)可見光載無線通信系統(tǒng)的上、下行鏈路的傳輸速率都達(dá)到了兆級別，并分別完成了以1Gbps 4-CAP、1.5Gbps 8-CAP和2Gbps 16-CAP進(jìn)行調(diào)制的上行鏈路傳輸，實驗結(jié)果表明在誤比特率為10-3時的接收靈敏度為-17dBm。

圖2  采用CAP調(diào)制的全雙工超高速室內(nèi)可見光載無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    寬帶無線通信接入系統(tǒng)大多數(shù)架設(shè)在室內(nèi)，如機(jī)場、購物中心或辦公區(qū)域，并且其需求正呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，所以低成本、高效帶寬和低耗能的無線接入基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是必不可少的。在帶寬資源有限的情況下，下一代室內(nèi)無線接入基礎(chǔ)設(shè)施要求小區(qū)覆蓋范圍和輻射功率相對較低。當(dāng)許多用戶在蜂窩網(wǎng)小區(qū)共享著有限的帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率，每個用戶獲得的數(shù)據(jù)速率會很低。如果通過縮小蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍來提升無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾�，可以多出更多額外的流量，蜂窩網(wǎng)小區(qū)內(nèi)的用戶獲得的數(shù)據(jù)速率也會得到提升。很顯然，這種微微蜂窩網(wǎng)擴(kuò)大了用戶獲取數(shù)據(jù)的容量。室外的微蜂窩網(wǎng)常由一根天線構(gòu)成，這種天線是通過連接固定的無線接入點來創(chuàng)建訪問網(wǎng)絡(luò)（如指向少數(shù)用戶的一束無線電波），而室內(nèi)的微蜂窩網(wǎng)是通過微波天線來覆蓋整個房間。光載無線（RoF）通信系統(tǒng)能夠降低因微型無線蜂窩結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)帶來的復(fù)雜度，因為RoF系統(tǒng)中信號的產(chǎn)生與調(diào)制都是在中心站完成的。然后，信號通過光纖分配到遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)簡單的基站。所以，在過去很長一段時間內(nèi)，RoF被認(rèn)為是解決下一代無線接入很有潛力的方案而一直受到人們的關(guān)注，同時，RoF系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：配置簡單，調(diào)制格式和廣播協(xié)議支持“透明”傳輸。最近，來自韓國電子通訊研究所的研究人員，就模擬和數(shù)字化的RoF通信接入系統(tǒng)之間的性能進(jìn)行了比較（如圖3），以此來研究哪一種更適合用于室內(nèi)無線接入傳輸。研究人員提出的數(shù)字化RoF（D-RoF）系統(tǒng)光纖鏈路中，模擬無線信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流來進(jìn)行傳輸，可以有效地避免模擬信號在光纖鏈路中傳輸?shù)娜秉c：如光學(xué)和微波組件的非線性、鏈路動態(tài)范圍的縮小、需要大帶寬的電光轉(zhuǎn)換組件等；另外，由于信號以數(shù)字形式在光纖鏈路中傳輸，D-RoF系統(tǒng)可以很容易集成到現(xiàn)在以及未來的寬帶光接入網(wǎng)絡(luò)中。在非線性光纖信道傳輸?shù)那闆r下，研究者為了進(jìn)行有效的對比，他們分別在兩種系統(tǒng)中計算了傳輸無線信號的誤差向量幅度（EVM），實驗結(jié)果表明：D-RoF系統(tǒng)的EVM基本保持在3.75%，而模擬的RoF系統(tǒng)則更加依賴光纖鏈路的固有性質(zhì)。

圖3 RoF接入實驗系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖
    光無線通信一般利用可見光或者紅外光做為通信介質(zhì)，可以提供幾個Gbps的帶寬，最小誤碼率低于10-9。通常，室內(nèi)無線通信有兩種主要的傳輸系統(tǒng)，分別是擴(kuò)散束系統(tǒng)和直線視距系統(tǒng)。擴(kuò)散束的方法可以為移動用戶提供穩(wěn)定高速的數(shù)據(jù)，例如光輻射系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于發(fā)光二極管，既可用于照明也可以用于雙向數(shù)據(jù)通信，相關(guān)實驗證明點對點的雙向通信在3米范圍內(nèi)可以達(dá)到10Mbps。這種以LED作為光源的系統(tǒng)可以在4米的距離實現(xiàn)速率高達(dá)500Mbps的信號傳輸速率，在20米的傳輸距離實現(xiàn)速率為120Mbps的信號高速傳輸。然而，擴(kuò)散束系統(tǒng)有幾個主要的不足，容易產(chǎn)生加性噪聲（有陽光或環(huán)境背景光影響）。為了保護(hù)人的眼睛和和皮膚不受傷害，需要限制傳輸功率的大小。直接視距傳輸系統(tǒng)功率效率高，多徑效應(yīng)小，傳輸速率高，但該系統(tǒng)傳輸需要精確的校準(zhǔn)裝置，收發(fā)設(shè)備必須固定，一旦空間有遮蔽將導(dǎo)致信號中斷，這就限制了直接視距通信系統(tǒng)的發(fā)展。以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員提出一種1.25Gbps OWC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。該網(wǎng)絡(luò)通常用于開放式環(huán)境，如研究和開發(fā)、教育、醫(yī)療、金融和軍隊等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要高帶寬、大速率、安全可靠、低成本耗費的通信網(wǎng)絡(luò)，并且要容易模塊化和易于推廣。該系統(tǒng)在2到12米的范圍內(nèi)可以為8個用戶提供服務(wù)，其中發(fā)射器和接收器需要手動對準(zhǔn)，研究人員通過提升系統(tǒng)魯棒性來抵抗因環(huán)境引起的失真，使用自定義微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）反光鏡，同時結(jié)合能量最大化搜索算法，可以實現(xiàn)激光束在收發(fā)器間精確對準(zhǔn)。與過去的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計簡單，制造成本低，可以高效穩(wěn)定的實現(xiàn)空間對準(zhǔn)，保障了通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。

圖4  視距無線通信系統(tǒng)圖和收發(fā)鏡頭機(jī)構(gòu)圖
 光纖傳感與測量技術(shù)
    光頻域反射(OFDR)技術(shù)是在調(diào)頻連續(xù)波干涉技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該技術(shù)比光時域反射(OTDR)技術(shù)有更好的空間分辨率，因此被廣泛應(yīng)用于局域通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和光纖傳感等方面。作為一種頻域技術(shù)，OFDR技術(shù)用連續(xù)波作為光源，經(jīng)過線性地掃描后，分為探測光波和本地參考光波�？焖俑道锶~變換（FFT）定期地用來對拍頻信號進(jìn)行頻譜分析，但傳統(tǒng)的FFT有一些弊端，如輸入序列的長度必須是2的冪。為了處理龐大的輸入數(shù)據(jù)，分段線性調(diào)頻Z變換(SCZT)算法在1990年被首次提出。上海交通大學(xué)新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室的研究人員提出一種名為FFT-SCZT的整合性方案。該方案用來對特定頻帶進(jìn)行更加有效精確的測量。首先FFT用來對整個頻率范圍進(jìn)行大概的分析以及對上升帶快速定位，然后使用優(yōu)化了的SCZT算法和并行處理技術(shù)來提高頻帶內(nèi)的頻譜分辨率。使用這樣的方式，在處理龐大的連續(xù)接收數(shù)據(jù)時，整個分析過程可以大大地減少對容量的需求。SCZT的分段特性使得并行處理技術(shù)變得容易實現(xiàn)。為了說明FFT-SCZT的性能，研究人員在OFDR系統(tǒng)中用該技術(shù)對五個密集光纖布拉格光柵進(jìn)行了快速分析。首先用一個分布反饋式激光源作為掃頻激光源，通過一個混合的反饋回路，掃描非線性和激光啁啾都被有效地抑制。然后調(diào)頻連續(xù)波激光束分成兩路，一路通過主干涉儀，另一路通過輔助干涉儀，兩路激光束被平衡檢測器（BPD）接收。被測光纖與包含五個密集光纖布拉格光柵的短光纖相連，每個光柵大約2毫米長。實驗結(jié)果表明：分辨率可以達(dá)到2毫米，處理效率是單純使用CZT情況下的4倍，性能優(yōu)于FFT30%。由此可知，在處理龐大數(shù)據(jù)時，F(xiàn)FT-SCZT技術(shù)在精確實時分析方面具有很大的優(yōu)勢，該方案適用于需要高分辨率的頻率峰值檢測場合。

圖5  OFDR系統(tǒng)方案圖
    以布里淵散射為基礎(chǔ)的完全分布式光纖傳感器已經(jīng)成功的應(yīng)用在靜態(tài)測量方面。在處理分布式振動測量方面，最有潛力的技術(shù)是相敏光時域反射(-OTDR)技術(shù)。通過使用信號后處理方法，-OTDR系統(tǒng)會有較高的靈敏度。使用外差相干檢測技術(shù)也會提高系統(tǒng)的性能，但是相干檢測容易受到被測信號和參考信號之間偏振失配的影響，從而會影響到測量的精準(zhǔn)性。偏振失配會減少-OTDR系統(tǒng)的信噪比，導(dǎo)致干擾信號的能見度降低。對于單點傳感應(yīng)用來說，偏振控制器（PC）被引入?yún)⒖急�，就可以使極化匹配在某一特定位置。而對于分布式傳感應(yīng)用來說，瑞利反向散射光的偏振狀態(tài)沿著雙折射光纖隨機(jī)變化，因此要找到有用的偏振匹配位置將變得困難。最近來自加拿大渥太華大學(xué)物理系的研究人員在-OTDR系統(tǒng)中采用極化分集技術(shù)，來減少在傳統(tǒng)相干檢測方案中的偏振衰落影響。圖6是以極化分集技術(shù)為基礎(chǔ)的-OTDR系統(tǒng)方案圖。外腔激光器（ECL）發(fā)出的光束經(jīng)光電耦合器分為兩路，在傳感臂的一路先被送入聲光調(diào)制器（AOM），接著被函數(shù)發(fā)生器控制的電光調(diào)制器（EOM）調(diào)制。調(diào)制脈沖被摻鉺光纖放大器（EDFA）放大。濾除掉放大的自發(fā)輻射噪聲后，光脈沖經(jīng)循環(huán)器進(jìn)入傳感光纖，同時瑞利反向散射光通過光耦合器和參考光耦合。為了減少偏振衰落噪聲，偏振保持-偏振分束器被用來將光信號分成平行和垂直兩種狀態(tài)。研究人員進(jìn)行了理論和實驗驗證，結(jié)果表明：提出的傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)的-OTDR系統(tǒng)相比可以獲得更加可靠的測量準(zhǔn)度，信噪比大大的提高，同時這項技術(shù)減少了沿著傳感光纖傳感臂與參考臂之間的偏振失配，更適合用于多點檢測。               。

圖6  以極化分集技術(shù)為基礎(chǔ)的-OTDR系統(tǒng)方案圖
無源光子器件
    有機(jī)聚合物電光（EO）調(diào)制器正不斷的改進(jìn)，朝著高性能的方向發(fā)展。為了提高通信系統(tǒng)的速度并降低功率，電光調(diào)制器的性能也一直要求不斷的提升，這就需要利用到電光調(diào)制系數(shù)和有機(jī)電光調(diào)制材料（OEOMs）的超高響應(yīng)速度，使其成為大帶寬、低驅(qū)動電壓的電光調(diào)制器。使用具有OEOMs的系統(tǒng)，調(diào)制器帶寬有望突破100MHz且驅(qū)動電壓低于1V。隨著OEOM調(diào)制器的性能得到不斷的提高，有必要考慮射頻（RF）組件結(jié)構(gòu)的緊湊性，這樣才會使它們更容易商業(yè)化。不過，由于OEOM調(diào)制器是在硅晶片上制作而成，而射頻電路通常建立在射頻基上，如聚四氟乙烯、LCP和陶瓷，所以實現(xiàn)同質(zhì)一體化將是制造工藝和設(shè)計上的一大挑戰(zhàn)。來自美國紐約特拉華大學(xué)電子與計算機(jī)工程系的研究者們，提出了一種異構(gòu)射頻電路的封裝方案，即在陶瓷介質(zhì)共面波導(dǎo)和聚合物薄膜微帶之間采用引線鍵合進(jìn)行過渡，這種過渡在50Ghz處引起的射頻損耗低于1dB，有機(jī)聚合物電光相位調(diào)制器可以產(chǎn)生的光單邊帶超過40GHz。傳統(tǒng)上，有機(jī)聚合物電光調(diào)制器和射頻電路都是均勻地集成在不同的襯底上，這就需要發(fā)展新的設(shè)計和制造工藝。

 圖7  電路封裝圖
光纖激光器
    最近，中-紅外光纖激光器因其廣泛應(yīng)用引起了人們的關(guān)注和研究，其應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療防護(hù)、光譜分析、化學(xué)和生物分子感應(yīng)等。有很多種激光器可以產(chǎn)生波長接近3的激光，這些激光器大多是基于氟化物玻璃光纖激光器設(shè)計，在制造過程會摻雜一些離子，如鉺、鈥、鏑。這使得激光波長在接近2.8的時候，激光能級由  到 轉(zhuǎn)換變得非常方便。在鉺摻雜濃度較高的系統(tǒng)中，能量傳遞上轉(zhuǎn)換（ETU）過程（能級由， 到 ，）可以獲得較高的激勵循環(huán)效率，可以避免產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，該效應(yīng)是由于在增加斜度效率的同時并長時間處于激光能級引起的。在過去的幾年中，許多連續(xù)波摻鉺氟化物光纖激光器被研究人員研究，并證明可以有效的提升輸出功率。2009年Shigeki等研究人員提出一種可以產(chǎn)生波長接近3的連續(xù)波光纖激光器，該激光器使用了一塊纖芯為25的具有雙重包層的摻鉺氟化物，摻鉺濃度為6mol.%，但它的斜度效率很低，僅僅有14.5%；2011年D.Faucher等研究人員提出了一種全光纖被動冷卻摻鉺氟化物光纖激光器，該激光器是鉺摻雜濃度為7mol.%的氟化物光纖，其纖芯直徑為16，在斜度效率為35.4%時，該激光器的最大輸出功率可達(dá)到20.6W，超過了在2.825處斯托克斯效率限制。近幾年，有研究人員提出一種全光摻鉺氟化物光纖激光器，其中心光的波長為2.938，摻鉺濃度為7mol.%，纖芯直徑為15，在斜度效率為16%時輸出功率高達(dá)30.5W。摻鉺濃度的增加雖然在一方面提升了輸出功率，但過高的摻鉺濃度會產(chǎn)生較大的泵吸收系數(shù)和高溫效應(yīng)，因高溫而產(chǎn)生的熱損傷會破壞光纖保護(hù)層，也限制了功率范圍，所以，研究人員為光纖做了冷卻設(shè)計，但這增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。研究人員又提出了一種替代方案，該方案的級聯(lián)發(fā)射波長分別為2.8和1.6，其能級轉(zhuǎn)變過程分別為 到和到，經(jīng)證實可以有效的克服上述問題。這種級聯(lián)過程通過非輻射衰減的方法可以有效的減弱多聲子弛緩過程，在鉺離子濃度較低時也可以很好的運行，同時這一過程也可以有效的降低纖芯溫度。研究人員在理論上分析研究了摻鉺氟化物光纖激光器的熱發(fā)生和功率測量情況，證實在室溫下中心波長為3的激光器輸出功率可以超過20W，不需要冷卻設(shè)計。最近，來自中國電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院電子薄膜和集成設(shè)備國家重點實驗室的研究人員提出一種高功率摻鉺氟化物光纖激光器，該激光器可以實現(xiàn)在室溫條件下產(chǎn)生中心波長為2.8的激光束，其激光能級由到轉(zhuǎn)變；產(chǎn)生中心波長為1.6的激光束，其激光能級由到轉(zhuǎn)換。級聯(lián)1.613激光器可以獲得的最大輸出功率和斜度效率分別為3.2W和7.1%。該激光器沒有使用冷卻設(shè)計，這是因為使用了低摻鉺濃度的光纖和激光腔級聯(lián)，會減弱多聲子弛緩過程，提升了光到光的轉(zhuǎn)換效率。

圖8  級聯(lián)摻鉺氟化物光纖激光器的實驗設(shè)計圖