特邀編輯：邵宇豐 陳福平 陳烙 趙云杰
    2016年12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)和光傳輸系統(tǒng)、空間光通信、光電子器件等，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡(luò)和光傳輸系統(tǒng)
    眾所周知，基于文件共享和云端服務(wù)的設(shè)備和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸常常占據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息總流量的大部分，在典型的PON中，光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間的數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)由光線路終端（OLT）通過光電轉(zhuǎn)換和電域處理等過程實(shí)現(xiàn)。另一方面，全光虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）可以在光域提供VPN信號的直接路由，這為以PON為基礎(chǔ)的接入網(wǎng)提供了一項(xiàng)高吞吐量、低時(shí)延和更高安全性的技術(shù)。在OFDM-PON中，全光VPN可以通過子載波分配方法能使不同類型的VPN數(shù)據(jù)同時(shí)被傳輸和收發(fā)，但與此同時(shí)所有電信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也被重新傳入其他的ONU，這將導(dǎo)致相應(yīng)的安全。最近，來自韓國延世大學(xué)的研究人員首次在OFDM-PON提出一種基于微波光子帶通濾波器(MP-BPF)的新型全光VPN方案。在MP-BPF通帶內(nèi)的調(diào)制信號傳送到其他的ONU，MP-BPF的通帶傳輸VPN數(shù)據(jù)，阻帶用來傳輸原來的上行數(shù)據(jù)。VPN和上行數(shù)據(jù)同時(shí)被傳送至OLT，通過一個(gè)光分光器分離，一半信號傳送至接收端解調(diào)，另一半信號通過一個(gè)循環(huán)延遲線和單路回傳給ONU。MP-BPF的帶寬由光子系統(tǒng)的延遲線長度決定，盡管光纖的有效折射率依賴于光波長，但在PON中導(dǎo)致的變化是可以忽略不計(jì)的，這樣就可以使用確定的波長帶。而且，MP-BPF的多頻帶就可以用來同時(shí)傳送多個(gè)VPN數(shù)據(jù)。為了最大化的減小VPN和上行數(shù)據(jù)之間的干擾，需要采用適宜的調(diào)制格式，VPN信號的頻率固定為MP-BPF的通帶之一，正交相移鍵控-正交頻分復(fù)用（QPSK-OFDM）信號傳送給所有的子載波，作為探針信號來探測上行鏈路信道響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究人員提出的方案具有波長魯棒性，通過使用MP-BPF的周期性帶寬，可以同時(shí)傳輸不同ONU的多個(gè)VPN數(shù)據(jù)。

 圖1  在OFDM-PON中使用MP-BPF的新型全光VPN方案的構(gòu)架圖
    光纖無線通信（RoF）具有低延遲、高數(shù)據(jù)容量以及遠(yuǎn)程天線單元(RAU)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，所以它有望取代傳統(tǒng)集中式無線接入網(wǎng)絡(luò)。在RoF系統(tǒng)中，通過半導(dǎo)體激光器（LD）或者外部調(diào)制器以強(qiáng)度調(diào)制方式對射頻（RF）信號進(jìn)行調(diào)制，然后通過光纖傳送出去。用LD代替外部調(diào)制器可以進(jìn)一步提高RoF系統(tǒng)的性能，根據(jù)RoF系統(tǒng)的工作原理，多波段正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）已經(jīng)被應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中，且MB-OFDM-RoF系統(tǒng)能夠極大地簡化RAU結(jié)構(gòu)，在無線通信中降低延遲效果，不過RoF系統(tǒng)的不足是采用了模擬的光信號傳輸。由于RoF系統(tǒng)中RF放大器、LD、光濾波器以及其它器件均會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，會進(jìn)一步降低系統(tǒng)的性能。由于OFDM信號具有較高的峰均比值，OFDM信號比單載波傳輸信號更容易受到失真的影響。在RoF系統(tǒng)的MB-OFDM上行鏈路傳輸過程中，多個(gè)載波之間會發(fā)生失真，雖然整體失真會受到一些抑制，但由于傳輸帶寬較大同樣會影響MB傳輸性能。RoF系統(tǒng)具有一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的RAU，在中心基站（CO）對上行傳輸進(jìn)行失真補(bǔ)償后的效果非常好。用于失真補(bǔ)償?shù)暮筇幚砑夹g(shù)包括數(shù)字多級處理技術(shù)、漢默斯坦均衡技術(shù)、多通道后線性化技術(shù)。多級處理技術(shù)處理的級數(shù)較大，使得系統(tǒng)復(fù)雜化。漢默斯但均衡技術(shù)是通過訓(xùn)練符號來獲得均衡器系數(shù)，可以使得基帶傳輸?shù)牟糠中盘柺д娴玫揭种?，然而，?xùn)練符號增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于大帶寬MB-OFDM信號傳輸，漢默斯但均衡技術(shù)并不適用。來自韓國首爾延世大學(xué)電子與電氣工程系的研究人員，首次提出了一種采用盲均衡估計(jì)對MB-OFDM-RoF系統(tǒng)失真進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨?。方案均衡器使用了快速下降方法來自適應(yīng)地進(jìn)行失真補(bǔ)償，不需要訓(xùn)練符號來獲得均衡器系數(shù)，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖2 采用均衡器進(jìn)行失真補(bǔ)償?shù)腗B-OFDM-RoF系統(tǒng)方案圖. 
a,簡單漢默斯但均衡器；b，并行漢默斯但均衡器；c，提出的均衡器.
離散多音（DMT）/正交頻分復(fù)用無源(OFDM)可以提供比脈沖幅度調(diào)制（PAM）更高的頻譜效率，對于給定的光功率，對色散引起的功率衰退有更小的敏感性，直流偏置正交頻分復(fù)用(DCO-OFDM)通過增加充足的偏置來確定非負(fù)信號，非對稱整形光正交頻分復(fù)用(ACO-OFDM)將所有的負(fù)值設(shè)置為零，這樣的非對稱整形會導(dǎo)致失真，造成頻譜效率的降低，為了提高頻譜效率，有研究提出混合的DCO/ACO-OFDM技術(shù)和增強(qiáng)型ACO-OFDM技術(shù)。為了產(chǎn)生合理的頻率響應(yīng)和低瞬態(tài)失真，直接調(diào)制激光器（DML）必須設(shè)置偏置值大于門限電流值，但這樣會造成分層/增強(qiáng)非對稱整形光正交頻分復(fù)用（L/E-ACO-OFDM）信號功率效率的降低。澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員首次基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了L/E-ACO-OFDM方案的可行性，并在短距離光纖鏈路中與DCO-OFDM進(jìn)行了性能比較。結(jié)果表明，在低衰減情況下，Q因子受任意波形發(fā)生器（AWG）和示波器中量化噪聲的影響，接著也研究了衰減為零時(shí)，背靠背情況下偏置電流對系統(tǒng)的影響。當(dāng)偏置電流大于20mA時(shí)，系統(tǒng)受量化噪聲的影響，最后比較了L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信號在19.8km單模光纖中傳輸?shù)腝因子，由于存在較低的累積色散，實(shí)驗(yàn)沒有使用循環(huán)前綴（CP）和功率負(fù)載，結(jié)果表明，沃爾泰拉均衡器可以提高L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信號的質(zhì)量，在偏置電流為16-mA時(shí)，使用L/E-ACO技術(shù)相比較DCO技術(shù)，Q因子會有2-dB的提高。

    在直接檢測（DD）應(yīng)用中，單邊帶副載波調(diào)制（SSB SCM）可以用來獲得較高的信息譜密度（ISD）。兩種副載波調(diào)制（SCM）格式已經(jīng)被用于DD系統(tǒng)中，分別是正交頻分復(fù)用（OFDM）和奈奎斯特整形副載波調(diào)制（Nyquist-SCM），平方率檢測引起的非線性效應(yīng)如信號間的拍品干擾（SSBI）會明顯引起系統(tǒng)性能的惡化。單極線性濾波器可以以簡單的DSP結(jié)構(gòu)來較小SSBI，但是由于會引入其自身的拍頻干擾，故不能獲得最大的補(bǔ)償增益。單極線性濾波器與單次迭代SSBI取消技術(shù)結(jié)合使用，可以避免多次迭代的需求，但是仍然高度依賴于符號判決的精度。英國倫敦大學(xué)的研究人員提出了一種新型基于兩階線性濾波器的數(shù)字接收器，在發(fā)射端，為了減小光纖傳輸過程中引起的累計(jì)噪聲和帶寬限制的電子設(shè)備引起的低通濾波效應(yīng)，引入了數(shù)字色散預(yù)補(bǔ)償和預(yù)加重技術(shù)。研究人員提出的兩階線性濾波器相比較單極線性濾波器，由于使用了額外的邊帶濾波器，需要更復(fù)雜的DSP運(yùn)算處理過程和相應(yīng)的硬件模塊。但是，因?yàn)樗械难a(bǔ)償是在SCM信號解調(diào)前完成的，不需要額外的SCM解調(diào)和調(diào)制過程，因此該方案的復(fù)雜性不會增加。為了進(jìn)一步評估在不同光發(fā)射功率時(shí)的傳輸性能，研究人員對480km的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在最優(yōu)發(fā)射功率處，使用兩階線性濾波器，誤碼率值從1.6 × 10−2 減小至 2.7 × 10−3。研究人員提出的技術(shù)在3.8 × 10−3硬判決門限處可以獲得最高的補(bǔ)償收益，而且該方案不需要干擾消除的多次迭代，DSP將會相對簡單。

圖4基于兩階線性濾波器的數(shù)字接收器原理圖

空間光通信
基站布局規(guī)劃，即將有限的通信資源高效地分配給通信運(yùn)營商，已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)中一個(gè)重要的研究方向?；诎l(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）技術(shù)由于其具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、對人體無害的優(yōu)點(diǎn)，在下一代室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?；而且相對于射頻（RF）技術(shù)，VLC的保密性更高。VLC技術(shù)與其它無線通信技術(shù)有著相同的發(fā)展需求，為了應(yīng)對特殊應(yīng)用如定位系統(tǒng)、機(jī)器通信等，每個(gè)信道被要求傳輸不同的信號。LED將照明和通信同時(shí)聯(lián)系在一起，每一個(gè)發(fā)射器的LED可以發(fā)射不同的信號，每一個(gè)信道可以被認(rèn)為是獨(dú)立的通信單元。在室內(nèi)環(huán)境中，LED通常布置在規(guī)則并且相鄰分布的區(qū)域以獲得均勻的照明。因此，相鄰的LED發(fā)出的光源必然會發(fā)生重疊，疊加區(qū)域中的光信號將被視為噪聲，又稱之為區(qū)間干擾（ICI），會降低信號的信噪比。目前，一些用于抑制ICI的方法被提出，如在信號傳輸前使用特殊的信號調(diào)制技術(shù)或者不同的傳輸載波，上述方法都要求設(shè)計(jì)專門的光電子器件，并且它們只是針對避免信號頻帶間發(fā)生疊加的，而沒有考慮降低同一頻帶干擾。最近，來自韓國首爾延世大學(xué)電子與電氣工程系的研究人員，提出了一種在VLC系統(tǒng)采用差分檢測技術(shù)的方案。在該方案中，發(fā)射端由LED和偏光片構(gòu)成，接收端由兩個(gè)光電探測器和兩個(gè)偏光片構(gòu)成，研究人員根據(jù)信號頻帶和干擾信道的數(shù)量對系統(tǒng)干擾抑制性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明與載波分配系統(tǒng)方案相比，該方案具有更高的頻譜利用率。

圖5 正交偏振差分檢測系統(tǒng)方案圖

圖6 空間分集的偏振

圖7 重疊信道干擾抑制實(shí)驗(yàn)方案圖 
光電子器件
在現(xiàn)代電子對抗領(lǐng)域中，對獲取的未知微波信號進(jìn)行載波頻率識別估計(jì)具有重要意義，這些信號往往來自第三方雷達(dá)或通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的頻率估計(jì)技術(shù)如微波干涉儀電子分頻技術(shù)，該技術(shù)的瞬時(shí)帶寬只限制在4GHz以內(nèi)，容易受電磁干擾影響。為了克服這些，一些利用光子學(xué)瞬時(shí)測頻法被報(bào)道，這些方法都具有大帶寬、低損耗、抗電磁干擾的特點(diǎn)。一般來講，光子學(xué)微波頻率測量可以通過功率比較、光子微波信道選擇和頻域到時(shí)域映射方法來實(shí)現(xiàn)。功率比較法是通過比較不同色散引起的功率損耗以獲得功率比關(guān)系函數(shù)，利用具有啁啾效應(yīng)的布拉格光纖光柵或者一段單模光纖作為色散性元件來產(chǎn)生不同的功率損耗，不過該方法的頻率測量范圍有限，因?yàn)楣β时汝P(guān)系函數(shù)值在較低的頻帶內(nèi)變化相對較小，如果采用并行的相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器可以進(jìn)一步拓展測量范圍，兩者形成了互補(bǔ)罰函數(shù)關(guān)系。除此之外，由于使用了雙平行馬赫增德爾調(diào)制器（DP-MZM），使得測量范圍和精度變得可調(diào)，但需要實(shí)行復(fù)雜的偏置控制措施以降低MZM的零偏漂移，同時(shí)，寬帶微波功率分配器的使用也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。一些研究報(bào)告表示采用偏振調(diào)制器（PolM）可以獲得互補(bǔ)關(guān)系罰函數(shù)，但測量精確度會受到激光源功率波動(dòng)影響，也可以采用POIM、色散光纖和偏振分束器構(gòu)建一個(gè)單調(diào)遞減的功率比關(guān)系函數(shù)，但目前該研究停留在仿真階段。來自西電大學(xué)綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，提出了一種新型的基于相位調(diào)制器（PM）的光子學(xué)頻率測量技術(shù)方案。方案采用在TM和TE模中具有不同光電系數(shù)的PM來同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制。具有TM和TE分量的光波由接收的射頻信號調(diào)制并在色散性元件上傳輸，然后被分成兩個(gè)相同的部分，一部分可以得到由色散引起的帶通功率損耗關(guān)系函數(shù)，在另一部分，通過調(diào)節(jié)偏振控制器得到功率損耗關(guān)系函數(shù)，與上部分相比，其變化趨勢相反。通過比較兩者關(guān)系函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，功率比和微波頻率相互聯(lián)系緊密，所以利用功率比就能夠推導(dǎo)出未知的微波頻率。并且，兩者變化趨勢相反，得到的功率比關(guān)系函數(shù)在寬頻帶中是呈線性變化，從而在寬頻帶范圍內(nèi)提高了頻率測量精確度。

圖8 基于相位調(diào)制器的光子學(xué)頻率測量實(shí)驗(yàn)方案圖

    納米粒子和納米結(jié)構(gòu)具有使光線聚焦在亞波長尺寸上和在不同頻率上選擇性散射光輻射這兩種獨(dú)特屬性是納米光電子器件的關(guān)鍵屬性。上述屬性使得納米粒子和納米結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在電信傳感設(shè)備上，并且在構(gòu)建納米粒子和操縱光響應(yīng)方面有著巨大的應(yīng)用潛力，為片上信號處理納米級光電路的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?；谏鲜鲈瓌t，研究人員提出了一些方案來實(shí)驗(yàn)研究超導(dǎo)材料和響應(yīng)耦合器件的特性。此外，通過相關(guān)模型可以分析上述設(shè)備內(nèi)部的電壓和電流值，從而可以獲得金屬阻抗納米顆粒。納米粒子與它們的構(gòu)成材料的介電函數(shù)有關(guān)，相關(guān)研究人員研究了如何通過系統(tǒng)的阻抗納米顆粒的幾何形狀，以及如何通過外部激勵(lì)系統(tǒng)來產(chǎn)生固-液相變介電系數(shù)的變化，以此來改變介質(zhì)的特性。通常而言，金屬納米顆粒（即等離子體結(jié)構(gòu)）是嵌入在培養(yǎng)基中的，其響應(yīng)的變化是因?yàn)殡娊橘|(zhì)的特性和介質(zhì)特性被改變了。通過改變鍍在材料上導(dǎo)相的納米顆粒的介電響應(yīng)過程則可以改變阻抗值。目前，由溫度觸發(fā)的相變已經(jīng)被用于改變超導(dǎo)體電磁響應(yīng)材料的性能，這種材料包括納米結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)材料中的等離子體結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果展示了可以通過固液轉(zhuǎn)換過程來調(diào)節(jié)鉍（Bi）或鎵（Ga）納米顆粒的阻抗，低Bi和Ga的溫度相變有利于將這些納米顆粒嵌入在介電基質(zhì)內(nèi)并且在相變過程中保持固體形態(tài)。最近，來自西班牙馬德里大學(xué)的研究人員研究了嵌入在介電基質(zhì)中金屬納米球的阻抗以及相關(guān)功率預(yù)算模型，并基于此研究相關(guān)集成總元件。研究人員還研究了應(yīng)用Ga和Bi納米球在固相和液相上的建模過程。研究結(jié)果表明，使用Bi或Ga材料不但具有低溫相變等特性，而且通過上述技術(shù)可以獲得納米光子電路的有源元件阻抗從而保持系統(tǒng)的幾何形狀和特性。
    近幾年，子工業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致眾多WDM濾波器的出現(xiàn)，例如陣列波導(dǎo)光柵濾波器，布拉格光柵濾波器，馬赫-曾德爾干涉儀濾波器，平面凹光柵濾波器。Si MRRs濾波器由于其具有結(jié)構(gòu)簡單，小彎曲半徑，可重構(gòu)性以及與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體有相容性（CMOS）等特點(diǎn)，也已被廣泛應(yīng)用和研究。在某些高階MRR中光濾波器中，帶外消光比可以大于40dB，并且可以通過調(diào)整該濾波器的通帶寬度來改變相鄰諧振器的耦合強(qiáng)度。但這種MRR濾波器還是有一些亟待解決。如過濾多個(gè)信號的輸出通道，濾波器制造過程會很復(fù)雜，也會造成一些不可避免的制備誤差和尺寸變化。為了補(bǔ)償制造誤差和尺寸變化，需要用特殊排序方法進(jìn)行后制備修整或后熱。后制造修整包括改變MRR的半徑和調(diào)整MRR橫截面的尺寸。當(dāng)信道過多時(shí)，后制造修剪不太可能制造誤差。熱方法需要至少22對加熱電極，加工工藝將會非常復(fù)雜且功耗會顯著提高。所以，為了簡化處理程序，可以使用基于MRR的多通道可濾波器。但是熱有兩個(gè)，一是它的速度可以只達(dá)到微秒級，這對提高數(shù)據(jù)傳輸速度是無利的。另一個(gè)是濾波器響應(yīng)具有熱紅移，這會限制濾波器的推廣應(yīng)用。作為一種新型的二維材料，石墨烯可以與可見光和紅外波長光相互作用，它的光導(dǎo)率可以通過靜電動(dòng)態(tài)，因此，石墨烯在集成波導(dǎo)器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有研究提出了一個(gè)基于六個(gè)石墨烯層的三階可平頂帶通過濾器。為了使濾波器可，有必要同時(shí)三個(gè)諧振器的波長諧振。通過調(diào)整石墨烯的費(fèi)米能級，可以改變EMI的諧振器陣列，因此，通帶的位置可以動(dòng)態(tài)。對于給定波長色散的特定的結(jié)構(gòu)和諧振器數(shù)量，傳遞矩陣方法可以用于選擇適當(dāng)?shù)闹C振器間耦合系數(shù)，全矢量計(jì)算（FVC）方法可以計(jì)算EMI和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的損耗。用三維有限差分時(shí)域（3D FDTD）方法來計(jì)算光通過濾光片的光場分布后，結(jié)果揭示了通過改變石墨烯的費(fèi)米能級可以動(dòng)態(tài)調(diào)制通帶的位置。此外，也可以通過調(diào)制諧振器之間的耦合系數(shù)來調(diào)制通帶的帶寬，上述過程使得在整個(gè)通信C波段可以獲得可的平頂帶通濾波器效應(yīng)。最近，來自國防科技大學(xué)的研究人員提出了一種多層石墨烯基可帶通濾波器，研究人員通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了CIFS。三階MRR過濾器通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后具有優(yōu)越的性能，其下拉端口的帶外消光比大于40dB，3dB帶寬大于2.8 nm，插入損耗小于1.5dB。通過結(jié)合六個(gè)石墨烯層，得到可平頂帶通濾波器工作波長為1.5μm至1.565μm。通過調(diào)整石墨烯的費(fèi)米能級，帶通濾波器可以在工作波長范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，從而在通信C波段整體上可以產(chǎn)生可帶通濾波器。由于其簡單結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，這種可調(diào)濾波器可以對片上可過濾器的發(fā)展有顯著的影響。

圖9相對介電常數(shù)函數(shù)關(guān)系λ= 1530nm，T = 300K和τ= 0.64ps