据中国激光杂志社网，于2024年04月05日报道，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。
1. 基于光频域反射仪的分布式光纤传感及应用进展（特邀）
作者：王义平, 钟华健, 单荣毅, 梁文发, 彭振威, 孟彦杰, 廖常锐, 付彩玲
单位：深圳大学
文章概述：
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。
2. 低轨卫星激光通信实时算法研究（特邀）
作者：杨奇, 王宜州, 王元祥, 范峰, 黎景, 梁子鹏, 邱天
单位：华中科技大学
文章概述：
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。
3.微流光纤传感器：从功能集成到功能设计（特邀）
作者：苑婷婷, 张晓彤, 杨兴华,苑立波
单位：桂林电子科技大学
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。
4.光频域分布式光学偏振测试技术及应用（特邀）
作者：喻张俊, 杨军, 邹晨, 林蹉富, 王云才, 秦玉文
单位：广东工业大学
文章概述：
分布式光学偏振测试：助力高性能光器件与传感器“弯道超车”
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。
“工欲善其事，必先利其器”，光学偏振测试技术已发展了40余年，经历了集总式、分布式、高性能分布式偏振串音测试三个阶段，如图1所示。特别是随着新型光器件的不断涌现（如：反谐振空芯光纤、薄膜铌酸锂光芯片等），以及精密级光纤陀螺等高精度传感器的测试需求牵引，分布式偏振串音测试在测量灵敏度、动态范围、测试距离、测量速度等性能方面都面临着极大的挑战，亟需发展高精度、大量程、快速度等性能兼顾的分布式偏振测试技术。
传统方法的性能瓶颈在于其采用了低功率密度的宽谱光源和大噪声带宽的机械扫描，既限制了其灵敏度和动态范围，也限制了其测量长度和测量速度。为此，广东工业大学先进光子技术研究院基于扫频干涉原理提出了一种全新的分布式偏振串音测量手段（如图2g所示），在各项技术指标上实现了对传统方法的全面超越，有望满足超高性能光纤与器件的测试与诊断需求，特别是宽温快变等恶劣环境下的测试需求，进而推动高性能器件与高精度光学传感器实现“弯道超车”。
利用OFDP，我们观测到很多大家此前一直关心、但苦于没有手段可以测量的器件与光路特征。例如：观察到高精度Y波导芯片中，低至-110dB的微弱耦合特征；精确测量10km长距离保偏敏感环器件末端的精细绕制特征；迅速捕捉快速温变下低温异常串扰的产生过程。
综上所述，发展具有超高灵敏度和超长测量距离等高性能的OFDP技术，是推动光纤、器件、组件和光路向着更高精度、更高性能发展的重要测试手段和方法之一。
5.超快微波光子学频率测量技术（特邀）
作者：王赫楠, 陈亮, 齐永光, 巴德欣, 董永康
单位：哈尔滨工业大学
微波光子频率测量是指通过电光调制技术将微波信号加载在光载波上，再利用光学手段转换、传输，最终通过探测光信号实现微波频率测量，具有高带宽、高复用、低损耗、抗电磁干扰等特点，在5G高速通信、新一代雷达等领域具有应用优势。超快微波光子学频率测量技术是指在超短时间内完成微波频率测量，在对微波信号的频率、时间信息联合分析时能够获得更高的时间分辨率，对于捕捉高速变化或短脉冲等新形式的微波信号更有优势，进而拓宽微波频率测量技术的应用领域。
目前常见的超快微波光子测频方法是将微波频率信息转换到光功率或时域时隙信号进行探测。光功率信息易于检测，根据单调映射关系解调微波频率，从而能够实现快速测频响应，测频周期能够缩短至皮秒量级，但是受漂移噪声的影响，测频精度受限；而时域时隙信号则是通过线性扫频光和窄带滤波器来构建频率-时间映射实现测频，窄线宽滤波器保证了测频精度，但扫频过程中滤波器的动态响应能力有限，测频周期通常被限制在微秒量级至毫秒量级。
最新超快微波光子测频技术是基于光学啁啾链(OCC)瞬态受激布里渊散射(SBS)效应的方案，实现超快、高精度测频的同时，兼具多频微波测量，可重构综合测频范围等综合能力，面对复杂的使用环境能够提高适用性。该方案利用连续光作为载波加载待测微波并通过脉冲调制对微波频率时域采样，与OCC探测光在光纤中发生瞬态SBS效应，直接在时域周期性重构瞬态布里渊谱，通过采集超短周期重构的窄线宽瞬态谱复原待测微波时间-频率关系，实现超快微波频率测量。另外，通过融合图像处理和人工神经网络算法，优化微波频率解调算法，提高微波频率解调精度。作为一种全新的高性能超快微波光子测频方案为诸多未来应用领域提供全新的解决方案。
6.基于45°倾斜光纤光栅的光纤激光频率梳（特邀）
作者：黄梓楠, 黄千千, 田昊晨, 闫志君, 邹萌, 孙敬华, 顾澄琳, 王开, 徐子硕, 李卫淅, 戴礼龙, 梁新栋, 牟成博
单位：上海大学
文章概述：
21世纪初诞生的光学频率梳架起了光频与射频之间的桥梁，为激光技术和精密计量领域带来了革命性突破。随着光纤技术的成熟和发展，以及光纤激光器小型化、抗干扰、成本以及维护方面的优势，光纤激光频率梳在近年来成为主流。非线性偏振旋转（NPR）技术由于具备极短的响应时间、高损伤阈值、大调制深度以及优异的噪声特性被广泛用于锁模光纤激光器中。起偏器作为NPR的核心器件，在实现光纤化的进程中得到了众多关注。45°倾斜光纤光栅（45°-TFG）以特殊的倾斜结构打破了光纤的圆对称性，可以实现偏振相关的模式耦合，是最具代表性的光纤型偏振相关器件之一。与传统商用起偏器相比，45°-TFG具有高偏振相关损耗（PDL）、低损耗、宽带响应、灵活的波长设计性以及简单的制备方式等优势，且可以在诸多特种光纤内进行刻写。大量研究已表明45°-TFG作为一种成熟可靠的光纤型起偏器，可覆盖不同波段，实现超短脉宽、高重频、窄带宽，以及多波长、波长可调、脉冲态切换等不同特性脉冲输出。但目前研究还未深入挖掘其潜力，充分显现其优势，也尚未用于激光系统中。
因此，为了进一步探索基于45°-TFG锁模光纤激光器的应用潜力，本文利用基于45°-TFG的锁模光纤激光器作为种子源，搭建了一套光纤激光频率梳系统，实现了重复频率frep和载波包络偏移频率fceo的精密锁定。谐振腔内采用高PDL的45°-TFG作为锁模器件，实现了光谱宽度为60.4 nm、脉宽为68 fs、斜率效率为7.26%的超短脉冲输出，表示其工作在近零色散域和低腔内损耗状态，有利于降低振荡器的噪声。同时该振荡器具有良好的稳定性和可靠性，这是实现频率锁定的重要前提。经过自主搭建的脉冲放大、超连续谱产生以及自参考拍频干涉光路，以及基于锁相环的主动反馈控制电路，将frep和fceo信号溯源至一台GPS时频系统。最终测得frep和fceo信号秒稳分别达到2.38×10-12和6.41×10-16。这项研究表明45°-TFG在全光纤激光频率梳中应用的可行性，为未来将45°-TFG刻写在不同类型特种光纤，研制更加先进、结构更加紧凑的锁模光纤激光器，以低成本满足多种激光应用需求奠定了坚实的基础。
