2017年12月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰、赵云杰、龙颖
2017年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：调制技术、光传输、光纤传感器和测量技术、激光技术等，笔者将逐一评析。

1.调制技术
众所周知，5G通信系统的实现需要调整移动网络体系结构而不是仅仅提高网络速度。 超密集的天线分布、云无线接入网络（C-RAN）的资源集中以及使用毫米波载波频率等作为提供高数据传输速率的手段都大大增加了相关互联设备的数量。此外，5G通信过程把重点放在提供高容量和低延迟的光传输部分。研究人员提出5G系统可以利用毫米波在28-300 GHz范围内进行自由空间传输，因为在上述频带中工作的相关光子元件的成本和复杂性低，这引起了人们极大的兴趣。众所周知，利用光子技术可以产生毫米波信号，并且该类信号便于耦合至光接入基础设施。迄今为止，对基于光子毫米波传输信号研究的重点仍然放在应用宽带RF来使得多载波和单载波数据流量传输最大化。与此形成的矛盾是，5G系统考虑采用窄带宽调制方法，其副载波波特率从几kBd到几MBd不等。目前，应用光载波的混合调制过程限制了RF相位噪声的频率可控范围，从而形成研究难题。因此，研究人员考虑应用统一帧结构的空口技术即采用滤波正交频分复用（UF-OFDM）调制。相比较传统的OFDM调制，该类调制方案可在多频带通信系统中实现频谱效率的增加。基于上述考虑，研究人员成功利用光学外差技术将五个可用频段在60GHz光纤无线（RoF）通信系统中应用，并进行了超过25公里的标准单模光纤（SSMF）传输。在考虑多载波属性方面，尤其是带宽和副载波数量及波特率的选择方面，60GHz的RoF系统和5G系统的应用一致。考虑到激光器和原始信号的相位，我们必须设定相位相关度相对低的副载波波特率，以进行相关参数的设计；如果采用去相关预补偿技术则可以实现信号传输后误差矢量幅度（EVM）值<5％。来自都柏林城市大学的研究人员成功地基于光学外差方法演示了采用UF-OFDM调制五个有效频带的60GHz RoF传输系统的工作过程。该系统应用光学前端网络体系架构，实现了高达4.56Gb/s的比特传输速率；并采用了去相关预补偿方案降低了RF相位噪声的负面影响，在所有信道上实现了较高的接收灵敏度。研究结果证明：5G系统与毫米波光载波之间具有较好的兼容性，但该兼容性对激光器线宽有限制要求；如果事先使用光学频率梳（OFC）则能通过精确的预补偿技术减少较大线宽的影响。研究人所设计的系统基于分布反馈式（DFB）激光器的增益相关性来制备具有可调谐自由光谱范围且支持毫米波范围稳定灵活操作的OFC。此外，研究人员还提出，将多种发射信号参数特性整合考虑，以研制一个小型的光学前端发射器，从而使得上述5G系统解决方案中光电器件的成本耗费更低。目前，无线通信研究领域的许多研究工作都集中在设计易集成的天线和放大器方面，以实现60GHz的无线传输链路能够处理多类型信号的宽带传输。研究人员设计的毫米波传输实验系统图如图1所示。

图1 5G毫米波传输实验系统图

2.光传输
为了支持单一波长50Gb/s甚至更高数据速率的光传输过程，不同类型的调制技术已经被广泛应用和研究（如开关键控（OOK）调制、4脉冲幅度调制（PAM4）、奈奎斯特-副载波调制（Nyquist-SCM）、无载波振幅相位（CAP）调制和光学正交频分复用（OOFDM）调制技术等）。在上述调制格式中，由于振幅调制（例如OOK和PAM4）的信号处理复杂度和光电器件成本稿费低，因此被认为是解决短距离光信号传输问题的有效解决方案。如果考虑提升数字信号处理（DSP）复杂度来提升系统的频谱效率，则可以采用高阶正交幅度调制（QAM）、Nyquist-SCM、CAP和OOFDM调制技术。另一方面，如果光传输系统要保持低复杂度和成本耗费，应用强度调制和直接检测（IM/DD）技术将成为最有吸引力的应用方案。目前，在约1550nm波长处，色度色散引起的双边带（DSB）光信号的功率衰落成为10公里以上高速率数据传输系统发展的主要障碍；不采用色散补偿光纤（DCF）的单边带（SSB）调制技术已经成为有效延长光信号传输距离的可行方法（SSB信号可以由差分Mach-Zehnder调制器（MZM）或光学IQ调制器产生）。然而，MZM或光学IQ调制器的应用将提升发射机功耗、复杂度和相关配套光电器件的成本耗费；生成SSB信号的另一种方法是使用一个与EML简单集成的光学残余边带（VSB）滤波器。到目前为止，许多研究人员只考虑到了SSB-PAM4调制技术的可行性，而不非考虑将SSB-OOK调制技术应用在光纤传输距离达80公里以上进行光信号传输。尽管PAM4信号频谱效率高于OOK信号，但其仍受链路中OSNR的累积效应影响，从而导致非线性失真影响加剧；但基于SSB-OOK和SSB-PAM4的比较研究是值得进行的。基于上述考虑，研究人员比较了高速VSB-PAM4（25.92-GBaud/s）信号和OOK（51.84-GBaud/s）信号在80公里距离上的传输特性；并侧重于VSB技术对上述两种调制格式的优劣进行对比分析（例如非线性失真的优劣程度）。为了优化VSB信号的收发质量，研究人员指出：需要对光载波和信进行相对频率调整；并需要引入边带抑制比（SSR）和载波信号功率比（CSPR）来讨论色度色散诱导功率衰减的容限。实验研究结果表明：在优化SSR和CSPR之后，在考虑前向纠错码（FEC）限制条件（BER =3.8×10-3）下，基于最小均方（LMS）和线性前馈均衡（FFE）技术生成的PAM4和OOK信号都可在高达80公里的标准单模光纤（SSMF）上实现有效传输。此外，在相关光电器件配置得以优化的条件下，与PAM4信号相比OOK信号的接收灵敏度提高了4dB，因为OOK信号对非线性失真不敏感并且可实现更大的眼开度。来自台湾国立交通大学光学系的研究人员分析并讨论了SSR和色散引起的功率衰落过程，以及VSB-PAM4和OOK传输信号的CSPR性能。由于OOK信号对非线性失真不敏感，实验研究结果证明：该类信号可以实现更好的SSR和CSPR性能；由于OOK信号带宽限制范围低、对非线性失真的敏感度较低以及具备更高的眼开度，该信号在80公里光纤上传输后，OOK信号的收发质量优于PAM4信号（体现在OOK信号的接收灵敏度比PAM4信号高4dB）。研究人员指出：下一步的研究工作将集中于讨论上述两种调制格式都适用的OSNR容限（基于VSB调制的实验装置和PAM4信号的输出频谱图如图2所示）。


图2（a）基于VSB技术的实验系统（b）PAM4信号的频谱图

3.光纤传感器和测量技术
最近，来自香港大学电子工程学系的研究人员通过在长周期光纤光栅（LPFG）光纤内置的MZI上涂覆石墨烯设计并制备了一种氨气（NH3）气体传感器。与传统的石墨烯光纤气体传感器不同，该传感器利用光纤包层模式的衰减场制备，从而不需在光纤几何结构上进行任何改变。研究人员制备的实验传感器在〜10ppm到〜180ppm的线性范围内具有〜3pm/ppm的灵敏度；且该传感器通过应用更高阶的包层模式和更广泛的石墨烯涂层进一步增强了光子和石墨烯的相互作用以而改善和增强传感器性能。研究人员制备的光纤内置石墨涂层MZI还可作为一个通用平台用以开发新型光纤传感器和相关装置，尤其体现在基于光纤包层模的相互作用实现各种生物化学传感的制备。
众所周知，波长是激光器的重要特征参数，而激光器波长的精确测量在激光光谱学、激光稳定技术和可调谐激光器领域中起着举足轻重的作用。例如，波长可调谐激光器在光纤布拉格光栅（FBG）读写器和光学频率穹形反射（OFDR）系统中有着广泛应用。但实际应用中还需要波长监视器来校正不均匀的波长范围以调谐并消除测量误差的影响。传统的波长测量仪器主要包括光谱仪，法布里-珀罗（F-P）干涉仪和迈克尔逊干涉仪。就光谱仪而言，尽管采样率高和测量的可重复性好，但其存在的劣势（如成本高、便携性差）限制了它们的应用。至于迈克尔逊干涉仪，内置精准的机械活动部件和光学对准部件使其对外部环境变化过程极度敏感；而使用氦氖激光器不仅引入了功率波动和波长漂移的测量误差，还增加了成本耗费。基于上述考虑，研究人员只能在测量范围和测量精度之间进行折衷考虑，因此研究人员提出了一种基于法拉第旋转效应的波长测量新方案。该方案通过利用磁光材料的偏振色散特性，实现了从1520nm到1570nm的即时波长测量过程（分辨率为2.1pm）；而且实验中所采用的全光纤结构还可抵御外部环境的变化。然而，当激光波长接近波长响应曲线的极值时，小曲线斜率会导致较大的波长测量误差。研究人员将双法布里-珀罗（F-P）干涉仪和线性光滤波器集成进行测量；其中，光学线性滤波器主要实现粗略测量范围，而双F-P干涉仪则用于进一步精确测量具体值。该方法通过稍微倾斜折射角，使得两个F-P干涉仪具有明显的相位和波形改变，使得一个F-P干涉仪的非工作区位于另一个F-P干涉仪的线性区域（如图4所示）。研究人员只要选取合适范围，就可以实现整个C波段内波长的实时测量过程。研究人员将双F-P干涉仪和其它类似仪器从构成结构、工作范围、精度和成本等方面进行了全面比较，比较结果如图3所示。研究人员提出的波长测量原理基于强度测量方法，该方法共分两步进行：粗测量和精测量。首先研究人员通过光学线性滤波器近似测量待测激光的波长，然后通过双F-P干涉仪测量出精确值。

图3 双F-P波形表和其它波形表的比较结果

图4 一F-P干涉仪的非工作区（红色粗线）位于另一干涉仪的线性区域（黑色或蓝色粗体）

4.激光技术
最近，中国科学院半导体研究所的研究人员分析了基于垂直延伸波导结构980nm脊形波导管（RW）激光器的光束质量因子及其相关特性。研究发现：RW激光器在有效测量电流范围内为单传输模式工作；具有7μm脊宽的3毫米RW激光由于灾变光学镜损伤（COMD）的限制效应仅可实现2W无扭结的输出功率及最大为59％的功率转换效率（PCE）。实验证明：RW激光器的光束质量好、垂直度低、发散度高，且PCE适合耦合单模光纤和光波导。
自从飞秒激光器面世以来，由于具备高峰值功率和宽超短脉冲的优点，它在激光加工和超快光谱学方面已经得到广泛应用。当超短激光脉冲聚焦到非线性介质中时，自聚焦、自然衍射和等离子体发散之间的相互作用将导致长自导结构的形成，该过程引起的脉冲极端光谱展宽可用于超连续光谱（SC）的生成。超连续光谱（SC）在气体、液体和固体等多种透明介质中产生，并能提供从紫外到红外的宽带谱。高脉冲能量的超连续谱（SC）形成在超快光学参量放大器、生物医学成像和超快速多维分子光谱学领域有着应用优势。考虑其在基础研究和实际应用中所起的重要作用，飞秒时间内高功率SC源的制备已经引起了研究人员的研发兴趣。尽管已有研究人员提出了许多提升SC脉冲能量的方法，但由于入射脉冲强度被限制在样品的损伤阈值范围内，高非线性介质的损伤阈值成为改善SC能量的主要限制因素；而光子晶体光纤可以通过色散控制过程来制备，并可生成极其宽广而平坦的SC光谱，但光子晶体光纤通常被用来将飞秒激光器，这将大大降低SC产生的阈值功率。研究人员通过使用微透镜阵列（MLA）聚焦激光束的方案，在透明材料中形成多根细丝，而单丝发射的SC源具有高度的空间和时间相干性。研究人员利用上述聚焦方案，将入射光聚焦到材料中的多个点，以实现高功率激光器的可持续性运行，并显著提升SC功率。虽然MLA聚焦方法提供了形成高功率SC的替代方案，但是一些固有缺点限制了SC源的使用。首先，激光束的焦点位置和丝长度对SC发生过程中的转换效率有明显影响；当使用MLA作为聚焦元件时，调整激光束聚焦条件相当困难，MLA的高成本也使得依据不同情况改变元件配置是不符合实际情况的应用。其次，从介质中发射的SC阵列很容易在短传播距离内发散，因而不可能在实际中使用。因此，研究人员提出使用MLA和望远镜系统将飞秒激光器聚焦到透明介质中以产生SC，从而可以轻易调整聚焦参数。为了使发射的多重丝平行传输，研究人员使用了另一个对称的望远镜系统和MLA；重组后形成的SC光束显示了高斯横向分布特性（与单丝生成的SC光谱和啁啾性质类似）。实验表明，稳定的SC源脉冲能量比单丝产生的脉冲能量增加了两倍以上。上述实验装置图如图5（a）所示，MLA前后的激光斑点形貌如图5（b）和（c）所示，在介质中产生的多个稳定长丝如图5（d）所示，整形后的SC源形态如图5（e）所示。

图5 实验装置图。VA：可变衰减器；A：光圈；MLA1，MLA2：微透镜阵列；L1，L4：100mm焦距镜头；L2，L3：200mm焦距镜头
非线性光学（NLO）显微镜由于其具备优于传统方法的应用优势（例如三维成像能力），因此在生物医学成像领域引起了人们极大的研究兴趣。研究人员指出相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）是一种典型基于拉曼过程的非线性显微成像技术，可通过两个同步脉冲串作为泵浦和斯托克斯光束实现频率差与样品分子的拉曼活性振动频率匹配过程，但当其中的双光束工作模式却增加了CARS显微镜系统（是与固态激光器和光学参量振荡器相结合的系统）的构建复杂度。因此，价格便宜的光纤激光器可作为CARS系统的替代光源。目前，因为应用宽带CARS（BCARS）光谱技术（特别是基于超连续谱（SC-based）的宽带CARS光谱技术）可以识别出复杂样品的宽光谱范围，所以已被应用于各种光谱测量领域中。基于超连续谱的BCARS技术已被研究人员报道，该技术的实现是将SC脉冲与来自单个激光振荡器的原始泵浦脉冲进行重新组合；还有一种光纤激光器也被研究人员报道，这种激光器采用飞秒BCARS显微镜进行光谱滤波。已有研究人员使用飞秒固体激光器对BCARS的超连续谱进行了分析，其中滤波光谱的带宽为23cm−1。研究者人员还通过使用皮秒Nd3+激光器对基于超连续谱的BCARS光谱学进行了研究，从而实现了CARS中的高光谱分辨率性能。光谱滤波是从宽带种子中获得窄带脉冲序列的直接方法，但是它将导致脉冲能量的大量损失。基于光纤自相位调制（SPM）的光谱压缩技术也是产生高功率窄带皮秒脉冲的一种候选技术。最近，研究人员研制了用于BCARS光谱学的光纤激光器，其中泵浦脉冲是采用窄带光纤布拉格光栅（FBG）对宽带脉冲进行光谱滤波得到的。研究人员还设计了基于SC的光纤激光器，其发射的窄带泵浦脉冲是由基于SPM的宽带激光振荡器中光谱压缩过程来生成的。在无源光纤和增益光纤中，研究人员采用光谱压缩技术分别得到了脉冲能量为16.7 nJ、中心波长为1033nm的BCARS窄带皮秒泵浦脉冲，其有效功率效率达到光谱滤波方案的16倍；在此基础上，研究人员还研究了光谱压缩泵对BCARS光谱的影响过程。上述方案的原理图如图6所示。

图6（a）基于SC的BCARS光谱光纤激光器；（b）振荡器输出的自相关函数（红色虚线）和压缩脉冲（黑色实线）；（c）振荡器输出的光谱（黑色实线）和前置放大器的作用范围（红色曲线）；COL：准直器；WDM：波分复用器；SMF：单模光纤；HWP：半波片；QWP：四分之一波长板；PBS：偏振分束器；BRF：双折射板