01

随着物联网、无线通信系统和传感网络的快速发展，人们对极稳定的网络和低成本、大带宽的系统的需求越来越大，这些系统可以提供更好的快速接入互联网的体验和稳定的服务。虽然即将到来的5G无线技术为高速无线通信提供了较大的带宽，但传统的无线带宽已接近枯竭，难以满足高速稳定无线通信的要求。

无线光通信具有大的低成本带宽、高速通信的光载波带宽、物理安全性和抗电磁干扰能力，随着光纤通信领域无线通信技术的成熟，使其成为传统无线通信的理想替代品。在频谱方面，无线光通信分为可见光无线通信和红外光无线通信。与基于发散特性使用全向LED照亮大面积区域的可见光无线通信相比，红外光无线通信采用发射铅笔光束的红外激光器。利用光纤发出的红外激光束，还可以在长距离光纤通信系统中充分利用成熟的光纤器件和传输技术，实现与现有光纤到户（FTTH）接入网的无缝接口。在系统中，为了覆盖大面积并跟踪移动用户，通常需要一个激光束控制装置来进行光束扫描。多方面的研究结果证明了人们在研究快速精确的光束控制方面所做的努力。波束控制的实现有主动和被动解决方案。传统上，机械式主动波束控制方案因其扫描角范围大、分辨率高、易于获取等优点而得到广泛应用。

近日，电子系邵理阳副教授课题组在基于45°倾斜光纤光栅的红外光无线通信方面取得了新研究进展。课题组以“Stable and Highly Efficient Free-Space Optical Wireless Communication System Based on Polarization Modulation and In-Fiber Diffraction”为题目在《IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》（IF= 4.288）上报告了一种新型的高效的光束控制无偏压漂移调制方案，该方案将偏振调制引入到偏振相关和波长相关的光纤衍射光栅中。由于偏振调制本质上等同于相位调制，因此消除了一些直流偏置控制的麻烦。偏振/相位调制到强度调制的转换是通过基于45°倾斜光纤光栅（TFG）的光纤内偏振器实现的,如图1所示。

图1 基于偏振调制（a）和强度调制（b）的无线光通信系统

在这里，45°TFG中光衍射的强偏振灵敏度被用来将无偏压相位调制转换为强度调制。45°TFGin系统同时具有三个重要的作用：1）由于其偏振敏感特性，实现了偏振调制，防止了偏光漂移问题,如图二所示；2）由于其波长依赖的横向衍射特性，实现了自由空间被动光束控制；通过横向衍射，实现了稳定高效的光纤紧凑自由空间光发射。因此，45°TFG的使用大大简化了结构，大大提高了OWC系统的稳定性，如图三所示。最重要的是，所提出的OWC系统可以防止偏置漂移问题，并保持高稳定性的数据通信，这使得它成为恶劣环境（如温度变化环境）和保密数据传输领域的理想应用。

图2 波长为1540（a）和1560 nm（b）的两个用户的光谱响应

图3 无线光传输实验结果

一个用户接收的光波长为1550nm的OFDM16-QAM信号的星座。接收功率为−2 dBm，且（a）建议系统中的EVM估计为10.3%；（b）传统系统中的EVM估计为11.2%。在（c）拟议系统和（d）传统系统中，所有四个信道（16-QAM）的EVM性能（光波长1530、1540、1550和1560 nm，接收光功率范围从−7到0 dBm）

此外，基于45°倾斜光栅课题组还提出了一种基于级联马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）的低成本压缩传感成像（CSI）系统，并进行了实验验证。采用重复频率为50MHz的锁模激光器和低成本的级联MZIs作为关键器件，实现了快速压缩传感成像系统。数据压缩率从6%到25%。该设计解决了传统时间伸缩系统中的大数据问题。它在快速动态现象方面具有很大的潜力，而且成本低，易于使用。

该文章以“A Low-cost Compressive Sensing Imaging based on Spectrum-Encoded Time-Stretch Structure”为题目，被《OPTICS EXPRESS》(IF=3.669)接收。文章的通讯作者为南方科技大学电子系邵理阳副教授，南科大卓越博士后王国庆博士为第一作者。

02

近年来，光纤温度传感器在生物医学、航空航天和环境监测等领域有着重要的应用。然而，基于光纤光栅、Sagnac环、光子晶体光纤和光纤布拉格光栅的传统光纤传感器通常包括复杂的机械结构，这些结构会对结构造成额外的误差。

随着掺铒石英光纤和大功率半导体激光器的出现。全光纤环形激光器具有高偏振消光比、高增益带宽、高脉冲能量、低阈值泵浦功率和高输出功率等优点。它的宽调谐范围和超窄线宽在传感领域得到了广泛的研究。其中，激光温度传感器和RI传感器得到了广泛的研究。但是上述结构和其他文献中提到的光纤环形激光传感器需要额外的滤波器作为传感单元，这增加了设计难度和系统成本。影响了系统的稳定性，减小了检测范围。

基于此，课题组提出了一个超高灵敏度的FRL温度传感器与级联Sagnac环路。实验证明，该系统具有小于0.67nm的3db带宽和30db的高信噪比。该传感器的温度灵敏度约为-4.031nm/°C，明显高于先前报道的基于FRL的传感器。基于游标效应的级联Sagnac干涉仪的灵敏度比单Sagnac环提高了约5倍。与传统的级联Sagnac环光纤传感器不同，FRL传感器能够直接解调波长的变化，减少了对透射光谱计算过程的需要。实验分析了该传感器的稳定性和测量误差。提出的温度传感器可用于生物医学和航空监控等工程应用。

图1 （a） 采用Sagnac环路的FRL内腔温度传感系统（b）采用级联Sagnac环路的FRL内腔温度传感系统

图1显示了游标标尺概念如何应用于Sagnac回路。第一Sagnac环路的干扰信号用作第二感测环路的输入。级联Sagnac环路的总传输频谱是每个Sagnac环路的乘积。每个Sagnac环路的两个干扰峰部分重叠，每个包络的高度由重叠量决定。在实际应用中，通过控制PMF的长度可以得到理想的FSR。过滤器萨格纳克环是一个很好的屏蔽环境温度或应变的变化，这是一个游标秤的固定部分。第二传感器Sagnac更像是游标秤的滑动部分，因为温度的变化会引起干涉波长的偏移，其测试灵敏度提升5倍以上如图2所示。

图2 温度和波长漂移关系的线性拟合曲线（a）单Sagnac环路传感系统和（b）级联Sagnac环路传感系统

此外，课题组提出了一种无需额外滤波器的光纤环形激光器内腔传感方案，用于温度和RI的高灵敏度测量。传感部分采用EDFP型结构，在FRL中同时作为传感头、滤波器和增益介质。FRL的腔内波长漂移受EDFP的温度和RI调制。实验中，传感系统的灵敏度为0.158nm/°C。如图3和4所示。

图3 掺铒花生形光纤结构光纤激光器内腔温度传感系统

图4 温度测试曲线

该工作分别以“Temperature Sensor Based on Fiber Ring Laser with Cascaded Fiber Optic Sagnac Interferometers”为题目被《IEEE photonics journal》(IF=2.833)和“In-Fiber Mach–Zehnder Interferometer Sensor Based on Er doped Fiber Peanut Structure in Fiber Ring Laser”为题目在《IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》（IF= 4.288）上发表。

此外，基于光纤环形激光器课题组还提出了一种基于拉锥光纤光栅的的低成本倾斜仪系统，并进行了实验验证。该文章以“Temperature Independent Inclinometer Based on a Tapered Fiber Bragg Grating in Fiber Ring Laser”为题目，被《MDPI sensors》(IF=3.275)接收。

文章的通讯作者为南方科技大学电子系邵理阳副教授，南科大和澳门大学19级联培博士林伟浩为文章第一作者。