光纤光学与激光通信的研究探讨 | LOP六十周年特辑⑤

为纪念《激光与光电子学进展》创刊六十周年，特推出创刊六十周年编委、青编委特辑，在此对各位倾力支持此次专辑的编委、青编委专家致以最诚挚的感谢！创刊六十周年特辑将以系列推文的形式持续推送，包涵了不同领域不同方向的高质量综述或研究论文，还请多多期待关注。

创刊六十周年特辑⑤包括来自了深圳大学 王义平 教授课题组“ 基于光频域反射仪的分布式光纤传感及应用进展 ”，华中科技大学 杨奇 教授课题组“ 低轨卫星激光通信实时算法研究 ”，桂林电子科技大学 苑立波 教授课题组“ 微流光纤传感器：从功能集成到功能设计 ”， 广东工业大学 杨军 教授课题组“ 光频域分布式光学偏振测试技术及应用 ” ，哈尔滨工业大学 董永康 教授课题组“ 超快微波光子学频率测量技术 ”， 上海大学 牟成博 教授课题组“ 基于45°倾斜光纤光栅的光纤激光频率梳 ” 的特邀文章。

光频域反射仪(OFDR)基于调频连续波测量技术，能够实现应变、温度、振动等多种外界信息的分布式传感，具有高空间分辨率、高精度和高灵敏度等特点，其在油气资源勘探、结构健康监测以及医疗微创介入手术等场合展示出了巨大的应用潜力。然而，扫频非线性噪声、相干衰落噪声以及光纤中微弱的瑞利后向散射信号是影响光频域反射仪性能的主要因素。

在本综述中，我们对光频域反射仪的发展历程进行了回顾，全面系统地总结了深圳大学和国内外研究机构在光频域反射仪关键技术以及传感应用方面的研究进展。详细介绍了光频域反射仪的基本原理，推导了波长、相位两种传感解调方法的过程，其中，波长解调法具有更高信噪比和更高稳定性的优点，而相位解调法具有更快解调速度和更高空间分辨率的优点。

然后，针对可调谐激光器波长调谐带来的非线性扫频噪声问题，介绍了多种分别适用于短距离和长距离光频域反射仪的噪声抑制方法；针对高相干瑞利后向散射光产生的干涉衰落问题，介绍了多种基于信号后处理和基于光纤散射处理的抗衰落方法，其中，利用飞秒激光微加工技术制备的弱散射点阵列兼具高散射强度和抗相干衰落噪声的优点，实现了亚毫米级的超高空间分辨率传感。此外，深入阐述了光频域反射仪在三维形状、大应变(几千至上万微应变)、高温(几百至上千摄氏度)、折射率四个热点应用中主要的难点和相应的解决方案。

低轨卫星通信具有覆盖面大、部署快、带宽高以及时延比高轨卫星低的优势，随着卫星制造能力的提升、火箭发射成本的下降、集成电路技术的进步以及5G万物互联的推进，大规模低轨卫星（LEO）通信网络的独特优势，既能与地面网络形成互补，也能与同步轨道卫星（GEO）通信网络互补。LEO通信网络是空天地一体化信息网络不可或缺的一部分。

可以将卫星理解为搬到空中的地面基站，两者的区别在于：地面移动通信中基站不动，而用户移动；卫星通信中，空中的基站高速移动（＞5700 m/s），而大部分用户相对静止或低速移动。所以在卫星通信中发生星间切换、星地切换的频率较高，传输信道状况也一直在发生变化。又由于终端发生变化会引入新的时钟源偏差，导致接收端采样模拟信号时发生最佳采样点偏移或采样周期错误，因此时钟恢复算法对于时钟误差补偿及采样点偏移纠正不可或缺。另一方面传输信道变化性较大，信道好坏无法控制，会导致误码突增，因此需要高容限的前向纠错码（FEC）来纠错，常采取的如性能较好的低密度奇偶校验（LDPC）编译码。

然而在大规模LEO中，算法性能不是唯一目标，还要考虑星上资源占用情况及功耗。在不降低性能的情况下达到低功耗、低重量、低空间占用的算法是具有研究意义的。用数字域算法代替器件，优化算法结构，减少资源消耗可以达到减少功耗开销的目的。在接收端往往配置高精度模数转换器（ADC）（比特位宽通常为8~12 bit）进行模数转化，但由于ADC的功耗随系统带宽近似线性增长，随比特位宽近似指数增长，因此可以通过降低ADC的比特位宽来显著降低系统的电路功耗。

文中提出了一种资源占用少且计算时延短的全数字时钟算法（CDR），功耗开销仅为0.149 W，能解决双向传输中时钟误差互为相反的问题；还给出了一种仅需5 bit ADC的高性能且码率为7/8的LDPC编解码，占用极少数字信号处理（DSP）资源且功耗开销仅为1.199 W，并且成功进行了时钟误差为 1.5×10 ^-4 的时钟恢复算法和校验矩阵为（1984，384）LDPC的实时演示。

随着微流控技术的日趋成熟，将微流控芯片技术和光微流方法在微结构光纤中进行交叉融合，已经逐渐形成了一个新的发展方向。该方向的发展，不仅促进了光波导与微流物质检测技术相结合，还为实现不同检测原理在微结构光纤内的高灵敏度光纤微流传感器技术开辟了新方法与新途径。

文中简要介绍了如何利用微结构光纤构建光纤微流传感器，如何将功能材料与光纤结合，通过监测光纤的光学特性变化，进行痕量传感。传统的光纤传感器基本局限于光传输，近几年随着特种光纤的发展和多样化，对在光纤内部的微流系统有了更多的研究，这类微结构光纤不仅具有良好的波导介质特性，而且纤芯或包层中具有很多贯穿始终的纵向空气孔，是实现光微流技术的理想载体，比如在带孔光纤内做化学修饰，使空气孔表层形成敏感层；或通过微加工把空气孔作为化学反应池等。这类传感器不仅为学科交叉提供了条件，而且对微结构光纤特性进行再次优化设计提供了可能，也具有发掘其新型功能的应用潜力。

无论是各种物理、化学、生物参量的高精度传感检测，还是高性能的全光调控器件，都需要依靠光与物质的高效相互作用，以形成光波信息与物质、环境特征相互间的信息充分交换，从而达到提高传感检测精度、增强功能集成、提高器件性能的目的，基于光与物质相互作用的光流控器件亦是如此。将微结构光纤引入微流控芯片，在微米尺度操作微量液体，样品损耗量低，为光纤技术在化学、生物、医药等领域高通量分析及检测的控制提供了一种便捷的技术手段。

图3集成式光纤光流控乙醇检测装置示意图

偏振消光比（或偏振串音）是评价保偏光纤、偏振光器件与组件性能的核心技术指标之一，是继损耗（振幅）、波长（频率）、色散（相位）之外的第四个光参量维度。偏振串音的精确测量技术既可准确评估光纤、器件与光路的性能和质量，又可评价外界环境的影响、诊断缺陷与故障产生的原因，为高性能光器件、组件和光路的研发、生产及应用，如：光子集成芯片与保偏光纤组件、高精度光纤陀螺与电流互感器等，提供了不可或缺的测试手段保障和方法指导。