2014年1月PTL光通信论文评析
发布时间：2014-02-12 13:31:13 热度：2573
2/12/2014，2014年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体有机激光器和放大器、光传输和光波导、无源器件和有源器件、频率转换技术、测量技术、传感器、光电探测和光电接收技术、微波光子技术、光网络及其子系统，笔者将逐一评析。
作者：邵宇丰 方安乐
1. 半导体有机激光器和放大器
钕离子（Nd3+）掺杂无序石榴石晶体由于具有良好的机械、热学和光学特性已经引起了研究人员的大量关注，而且该晶体具有非均匀扩展吸收和发射光谱带，其有利于实现超短锁模脉冲。其中，Nd:Gd3Ga5O15（Nd：GGG）被证明是一种很好的可以操控激光的介质，尤其是在高功率激光应用方面。作为Nd：GGG晶体的衍生物，Nd:LuxGd3-xGa5O12(Nd：LGGG)已经可以用单晶体拉法来实现生长，它的晶体机构复杂而无序，与此同时，它的非均匀扩展光谱更宽些。Nd：LGGG晶体通常有两种掺杂方式，一种是掺杂0.96%的钕离子，另一种是掺杂0.66%的镥离子（Lu3+），较低的掺杂浓度可以更好的实现晶体的生长并且提高激光器的性能。众所周知，双波长同步锁模激光器一直被期望用于产生太赫兹辐射，除了钛宝石双波长同步锁模激光器外，一些基于激光二极管泵浦的固态激光器也已被广泛的研究。中国山东大学晶体材料国家重点实验室的研究人员们提出了一种基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的钕石榴石双波长连续波锁模激光器。其最大连续波锁模输出功率为475兆瓦，光-光转换效率为4.75%，锁模激光输出的中心波长为1060.9nm和1062.7nm，脉宽为6.3皮秒。他们在实验中观察到了时域宽度为2ps的自相关轨迹的干涉图样。并且在试验中产生了激光频拍，其时域宽度对应的两波长间的频率差为0.48THz。这种双波长连续波锁模脉冲可以应用于基于差频方法的太赫兹波的产生。
众所周知，稀土掺杂玻璃光纤激光器一直是纤维光学、光通信以及激光技术的研究重点，迄今为止，稀土掺杂光纤激光器已可实现单纵模连续波、高速超短脉冲、多波长和大功率等运转方式，但是光纤激光器的稳定性问题依然是一个急需解决的难点问题。现有的研究结果表明，造成激光器不稳定的主要原因来源于环境声波噪音的影响。降低或者抑制这种不利影响的有效方案是减小激光器腔长的同时提高掺杂光纤的掺杂浓度。然而提高掺杂浓度将会引起一系列诸如浓度淬灭等材料问题。如今只有掺镱光纤可以获得高掺杂浓度，然而高掺杂浓度的掺镱光纤存在着激发态寿命淬灭，导致强烈的非饱和吸收，从而影响激光器件的效率；此外，在许多稀土掺杂玻璃中，如掺铥、掺镨、掺銪等，还存在着受激光辐射的永久性退化，即所谓的光子暗化（Photo-darkening），而且掺杂光纤的基质为玻璃液可能存在类似的光子暗化效应。最近，人们开始重视在高浓度掺镱光纤中调查这一效应。英国的斯旺西大学的研究人员研究了掺镱光纤激光器中405nm的激光辐射对光子暗化效应的影响。研究发现在976nm和405nm的激光辐射下可以同时产生光子暗化效应和光漂白效应，这是在1070nm的激光器中得到的。此外，他们还实验观察到405nm辐射致光漂白并不能完全恢复，实验还发现，活性离子将导致对405nm辐射的强吸收，这成为限制漂白性能的一个关键因素。他们还第一次观察到了在已辐射的原始光纤中基态吸收会引起光子暗化效应，该效应将在激光系统中产生额外的剩余损耗。
量子点激光器是对注入载流子具有三维量子限制结构的半导体激光器。与量子阱和量子线激光器相比，量子点激光器在输出光谱纯度、阈值电流、温度特性和调制性能等方面均可获得较大幅度的提高。今年来量子点激光器更是取得了突飞猛进的发展，其低阈值电流密度、优良的热稳定性等优点吸引了越来越多的实验室和科研单位进入该领域。量子点激光器的迅猛发展已经向传统半导体激光器发出了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大差距。德国卡塞尔大学纳米结构和分析研究所的学者与以色列理工大学电子工程系的研究人员合作提出了一种基于砷化铟/磷化铟的量子点激光器，其输出波长为1.55微米，他们研究了这种激光器的静力学和动力学特性。他们利用一个独特的空间解决模型来优化增益部分从而可以实现激光器的高速运行。实验测得的调制性能对结构参数的依赖性（势垒宽度和量子点层数）与理论模型预测一致。短腔激光器具有10cm-1每量子点层的模式增益，他可以实现超过9GHz的信号调制宽度，信号调制速率可以达到22Gb/s，开关比为3dB。图1.3为这种量子点激光器的结构和材料成分。
波长扫描激光器具有性价比高、使用简单、功耗低等优点，是一款广泛应用于科研、传感、光学测试和成像等领域的可调谐光纤激光器。传统的波长扫描激光器是由宽带增益介质和一个光学滤波器构成，其扫描机制主要由滤波器的机械调谐特性决定，例如光纤法布里-波罗可调滤波器（FFP-TF）和多边形扫描镜滤波器。此外，双波长激光器最近也被广泛地应用于差异吸收光探测和测距（LIDAR） 、微波产生和光谱双频段光学相干断层扫描（OCT）成像。研究人员设计出了各种各样的双波长激光器，但是大多数方案都是由两个增益区域和一个波长选择滤波器构成。例如，对于双频带波长扫描频域锁模光纤激光器而言，法布里-泊罗可调滤波器被置于腔内用于扫描每一个波段。韩国国立釜山大学认知科学工程系的研究人员提出了一种基于主动锁模的双频带波长同步扫描光纤激光器。在没有采用机械波长选择滤波器的前提下，研究人员通过输入单个的调制信号实现了双波长同步扫描。激光腔具有双重的通路长度结构，可以独立控制两个自由光谱区。研究人员分别在时域和频域观测了该激光器的静态和动态特性。该激光器可以实现在1310nm波段从1263.0到1333.3的双波长同步扫描，还可以实现1550nm波段从1493到1563.3的双波长同步扫描。这种激光器可用于双频段相干光断层摄影成像系统。
2. 光传输和光波导
近年来，可以衍射极限范围内连续波输出的掺镱光纤激光器（YDF）和放大器已被大量的研究并成绩显著。相应地，可以输出高质量光束的高功率光纤激光器也被广泛应用于工程中的标记、切割和焊接。然而，大量的非线性效应，如拉曼散射和布里渊散射以及激光材料的损伤阈值都限制了高功率单模光纤放大器的输出功率和光束质量。抑制和消除上述有害效应的一种比较有效的方法就是采用大模场光纤，即增大掺杂光纤的模面积。获得大模场光纤通常有两种方法：一种是对于单模光纤，可以减小纤芯和包层的折射率差值；二是还可以采用多模光纤。然而，大模场光纤会不可避免的产生高阶模，从而影响输出光束的质量，光纤纤芯的折射率分布也同样影响着输出光束的质量。除了光纤本身的因素对光束质量的限制外，还有一些其他的影响光束质量的因素，例如，放大器中种子模在不同时刻与受激发模的相对位置，另外还有在实验中的不同的模式选择方法如光纤弯曲或者掺杂限制，都会对大模场造成附加损耗和增益抑制，从而影响输出光束的质量。此外，最近的实验研究观察到了大模场光纤放大器中一种模式不稳定性的现象，这涉及到在强功率阈值上有一个光束质量的猝发退化。中国国防科技大学光电科学与工程的研究人员们实验观察了在输出功率为2.04kW的近单模光纤放大器中的光束质量演化。他们首次发现了由大模场阶跃折射率光纤构成的多千瓦级光纤激光器中光束质量演化与信号输出功率之间的函数关系。此外，光束质量和模场的演化证明，由于增益介质几何结构的不同，高功率光纤激光器相对其他固体激光器有着更好的热学和光学性能。
3. 无源器件
近十年来，由于在光通信、信息处理以及传感器等领域有着非常重要的应用价值，光的耦合以及如何将入射光分离成两束正交的线性偏振波已经引起研究人员的广发关注并逐渐成为一个研究热点。为了更进一步有效提高在光子集成回路上承载的复杂信号处理任务的能力，无源光器件在芯片尺度上的集成势在必行，由于这种集成需要紧密的平板结构，这激起了研发人员设计有效的偏振光束分离器的热情。通常来说，模式化的金属薄膜可以构成一个控制光的传播的平台，光束在其中以表面等离激元的形式（SPPs）传播，这样便能够使得超紧密相连的器件能进行双向的表面波耦合，等离子二色分离，等离子光辐射以及单向的发射和耦合。然而由于表面等离激元是TM偏振极化的，因而在大多数等离子体器件中仅支持然入射光中的TM偏振成分进行耦合。从这个意义上来说，对于非偏振入射光，其TE偏振成分的透射被抑制从而使得部分光能量被浪费了。然而在有些应用中却需要精准操控光的两个偏振成分例如偏振通透滤波器和偏振独立增强光的透射。最近，北京大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员提出了一种基于级联光栅的金属-电介质-空气结构的紧密型双向偏振分离器。这种偏振分离器能同时支持TE模和TM模的传播并且具有高偏振消光比和较低的串扰，它可以使照明光耦合并且分离成沿左行进的TE光子模和沿右边行进的TM等离子模。
近年来，超常材料引起了国内外大量研究人员的广泛关注和深入研究。超常材料(metamaterials)指的是一些具有人工设计的结构，并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，超常材料所展现出的新奇的电磁特性主要源自它们的亚波长结构，而不是材料的本征属性，人们可以通过改变其微结构的形状、尺寸和排列方式等来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。超常材料最初在微波段实现,得益于纳米制造技术和亚波长成像技术的发展,最近，实验上证实可以在红外和光学波段实现负折射。超常材料的应用研究在新型的无线通信、光通信、雷达、超分辨率成像、电磁隐身技术等许多领域得到了快速的发展。在大多数应用中，超常材料的吸收损耗（即介电常数的虚部）通常会降低它的性能，因而在超材料设计中，介电常数的虚部通常都被最小化以降低损耗。然而吸收损耗也可以变得很有用途，增强材料的吸收损耗特性可以用于构造一个吸收性能卓越的吸波材料。最早提出的超常材料吸波器的吸收率可以达到88%，它由嵌入介电层的金属棒和开口环谐振腔周期性的排列组成。此后，基于超常材料的吸波器件被广泛研究，其吸波范围覆盖微波到可见光频段。尽管这些吸波器具有很高的吸波率，但是他们的吸波范围太窄，基本上属于单频带或双频带的吸收。来自中国湖南大学物理与微电子科学学院微纳光电器件及应用教育部重点实验室的研究人员提出了一种非常规的基于多层相同尺寸方形盘结构的超常材料太赫兹波吸收器，该器件吸波率超过99%，吸收范围达到300GHz，工作中心波长为1.96THz。该器件的半高宽度（FWHM）可以达到42%，为单层结构的2.6倍，并且适用于非常大范围的入射角。该宽带吸收器的吸收机制归因于各层结构之间的纵向耦合。这项研究成果可应用于太阳能电池，光学探测及成像系统。
4. 有源器件
光电振荡器（OEO）被认为是一种非常有前景的能够产生高光谱纯度和低相位噪声的毫米波信号的方法。一般来说，光电震荡器包含了激光光源，强度调制器，长光纤延迟线，光电探测器，电放大器，电相移器，电子带通滤波器以及其他的一些光电器件。光电振荡器中的这些离散的光电器件不仅体积庞大、笨重，而且会导致相当大的能量损耗，很难满足未来的一些对此需求严格的通信手段诸如雷达、航海和卫星系统。因此，如何减小光电探测器的尺寸成为一个研究热点。通常采用的方法是用高Q值的光谐振器来取代长光纤延迟线，另一种方法是用直接调制激光器来取代激光源和强度调制器，但这两种方法都有各自的缺陷和不足。南京大学雷达成像及微波光子学教育部重点实验室和毫米波国家重点实验室的的研究人员提出了一种新的减小光电振荡器尺寸的方法，他们用电吸收调制激光器（EML）来代替激光源、调制器和光探测器，因为电吸收调制器可以同时扮演光探测和强度调制的角色。他们实验产生了相位噪声为-101.31dBc/Hz,偏移量为10kHz的9.945GHz毫米波。
5. 频率转换
近年来，光纤无线通信技术（ROF）在无线通信领域得到广泛应用，引起了大量研究人员的广泛关注。作为光通信和无线通信技术的结合，ROF系统在光纤中实现了射频微波的低损耗、低信道串扰的宽带传输，在超宽带无线移动通信、相控雷达、微波毫米波传感、微波毫米波信号处理等多个领域具有重要的应用前景。作为一种重要的、应用于未来宽带无线接入的技术，ROF系统中一项关键的技术-频率上转换的实现便成了ROF系统中的关键，由于电毫米波器件的复杂性，利用全光方法来实现频率上变换越来越引起了各国研究人员的重视。此外。为了充分体现ROF系统的宽带宽和高的频谱利用率，ROF系统与城域WDM环形网、星状WDM/SCM波分复用网络的融合也越来越重要。过去的几年，已经提出了很多利用光学方法实现频率上变换，同时对变换后的信号在光纤中的传输特性也进行了广泛研究。这些技术包括利用强度调制器、光锁相技术、远程上变换技术、各种波长变换技术等。此外，还有基于电吸收调制器的全光频率上变换，基于半导体光放大器的全光频率上变换，基于高非线性光纤的全光频率上变换。中国清华大学电子工程学院信息科学与技术国家重点实验室的研究人员提出了一种新的对ROF信号实现远程频率上变换的方法。他们用基带数据调制啁啾光脉冲来替代传统的发射端的ROF信号，当信号在光纤中传输时，由于光纤色散效应的影响，光信号演化成超短脉冲。实验中利用带通滤波器将目标信号光谱转换成高阶谐波，然后通过选出目标信号频谱在远端天线单元处实现频率上转换。因此，通过移除中心局处的混频器和高频局域振荡器，简化了ROF系统和天线单元。研究人员利用这种方法，在缺少光同轴、预放大、色散补偿和光学滤波的条件下，当信号在45千米光纤和7米空气中传输之后，实现了2-Gbit/s数据上转换到16GHz，误码率低于10-9，频谱效率为1-bits/Hz。
6. 测量技术
高速光电二极管是微波光子链路的关键元件，其中光电二极管的频率响应是决定微波光子链路特性的最重要的因素之一，尤其是对于在大带宽内有高增益平坦度需求的微波光子链路。光电二极管在用于微波光子链路之前，其频率响应必须得到精确地校准。十多年来，研究人员为了测量光电二极管的频率响应提出了各种各样的技术，包括脉冲光谱分析，光外差法，光强噪声技术以及外加调制摇频法。其中，脉冲响应分析法师一种需要短脉冲激光器和 高采样率示波器的时域分析方法。由于光电二极管的有限的饱和度，其限制了信号电平，而且这种宽带时域法会带来很高的噪声电平，从而使得信噪比非常的低。光外差法是用2个窄线宽激光源照射光电二极管得到微波输出，通过调节其中一个光源的波长可以实现输出端微波的频率扫描。这种方法的优点是不需要提前校准外部调制器的频率响应，但是它需要较高的光功率稳定性和极好的温度控制。光强噪声法可以在光电二极管上激发宽带放大自发辐射，最近，一个修正的光强噪声法利用法布里波罗滤波器降低噪声带宽并得到了一个17dB的动力学范围提升，但是其动力学范围仍然远低于扫频法。扫频法很容易用于构造微波光子链路和产生微波信号，并且能测量马赫增德干涉仪和光电二极管。光电二极管的频率响应可从微波光子链路的频率响应获得，而且可事先知道马赫增德干涉仪半波电压的频率特性。然而马赫增德干涉仪的半波电压校准需要一个精确的偏离控制回路，不精确的偏离控制将导致校准错误，使得对光电二极管频率响应的校准也会产生偏差。中国东南大学电子科学与工程学院的研究人员提出了一种测量光电二极管频率响应的新方法。这种方法是基于用一台网络分析仪得到的相位调制干涉仪探测的增益峰值来计算光电二极管的频率响应。研究人员通过用光谱分析仪测量调制光边带的强度比来校准相位调制器的半波电压，实验结果显示，相位调制干涉仪检测测量的光电二极管的频率响应与马赫增德强度调制直接解调有一个非常好的匹配，其结果与光电二极管制造商提供的数据相同。该研究结果提供了一个非常容易的途径用于快速扫描光电二极管响应频率，并且校准相位调制器的半波电压时并不需要偏离控制。
7. 传感器
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高出许多倍，而且它可以再高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感器具备很多传统电子传感器不具备的优点，例如，廉价、体积小、重量轻以及对电磁干扰免疫，因而光纤传感器在传感应用方面大有用武之地。例如在许多工业的工艺化流程中，微位移传感器被用于监控精确的位移。光纤微位移传感器一般分为两种主要结构，一种是马赫曾德尔干涉仪，另一种是光纤模态干涉仪。中国计量学院光电科技学院的研究人员提出了一种新型基于马赫曾德尔干涉仪的光纤微位移传感器，其中马赫曾德尔干涉仪由两根单模光纤和一个蝴蝶结型的椎体构成，马赫曾德尔干涉仪的透射谱的变化与纤芯偏移的横向微位移相关。当微位移的的范围为0-13微米时，该微位移传感器具有非常高的灵敏度，其值为-1.89dB/μm,几乎为现有的类似传感器灵敏度的787倍。此外，研究人员利用强度解调方法可以使该微位移传感器可以克服温度限制和位移横向交叉效应。
光纤曲率传感器由于在弯曲测量领域有着大量的应用，已经引起研究人员的广发关注。近年来，模式干涉曲率传感计由于具有高灵敏度、电磁干扰以及小尺寸的优点，已经被大量地开发应用于传感领域。研究者们提出了基于不同光纤器件的光纤曲率传感计，例如，长周期光栅（LPGs），长周期光栅联合光纤多模干涉，两根连接在一起的低损耗的熔融光纤椎体，纤芯偏移的单模光纤或者保偏光纤。然而不足的是，长周期光栅或者光纤布拉格光栅都对温度变化太敏感，纤芯偏移单模光纤又容易折断，因此都没能被广泛地应用于工程中。最近大量的新型光纤被用于制作曲率传感计，例如，灵敏度为-6.68nm/m基于长周期光纤光栅的曲率传感计，灵敏度近似为10nm/m基于二维波导阵列光纤的曲率传感计，基于具有包层模共振的特殊光纤灵敏度约为-10.15nm/m，还有基于细芯光纤的灵敏度为-14.7nm/m，等等。值得一提的是，中国计量学院光电技术院的研究者们提出了一种新型的基于光纤模式干涉仪的光纤曲率传感计，其中模式干涉仪是由仅由单模光纤构成的两个花生型结构组成的，这种花生型结构可以分离和重组纤芯模和包层模，从而可以产生模间干涉。实验结果显示峰值波长几乎是随着曲率的改变而线性变化的，其中，在波长为21、26、30nm时的传感器的灵敏度分别为-18.46，-21.87和13.68nm/m。这种传感器具有结构简单、高灵敏度以及廉价等优点。
8. 光电探测和光电接收技术
局域表面等离子模是源于金属纳米结构中电等离子体的集体震荡，这种模式有着各种各样的应用例如生物传感器、近场光学显微镜以及其他光学器件。当共振激发时，这些模式能使自由传输的辐射局域集中化并产生非常高的光学近场强度，并且由于金属的强光学吸收特性，这些模式可以以热量的形式有效地驱散电磁能量。这种强光学吸收特性可以用于实现从太赫兹波段到可见光波段的吸收器。等离子吸收器导致的热等离子效应激起了研究者们的兴趣，并使得这种纳米结构的热源应用于许多领域。此外，通过集成等离子体吸收器，这种纳米机械器件有着非常高的质量、应力和位移灵敏度，使得其在热光机械红外探测方面具有独一无二的优势。美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的研究人员实验证实通过集成等离子体纳米天线，这些基于薄膜的微机械谐振腔将变得具有红外活性。由纳米天线导致的光热机械效应成为微机械结构的驱动力。他们利用这种混合的纳米天线耦合机械器件作为热红外探测器，实现了对应于位移响应为98.7μm/W的一个数值为12mA/W的电流响应，并且测出了6μm波长处的热学时间常数为5.7ms。这种方法可以延伸至任意的机械谐振器用于构造新的光学机械传感装置。
9. 微波光子技术
微波光子链路受到广泛的关注和研究，得益于近年来微波光子学的快速发展和进步。微波光子学是微波与光电子技术结合的一门新兴学科，其中光生毫米波技术，光纤无线通信技术（ROF），光控相控阵技术等微波光子学的分支成为近年来国内外研究的热点。微波光子链路作为这些技术的核心，是接收微波信号并提供微波信号输出，直接进行微波信号输出的光链路，其具有大带宽、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、低色散等多方面优点，因此被广泛应用到军事和民用领域，如电子战、雷达、遥感探测、无线通信、有线电视等领域。近年来随着对微波光子链路性能要求的不断提高，更多的新技术和新方法呗应用到链路中，从而将链路的性能大幅的提高，如光外差平衡探测技术、相位调制技术、载波抑制技术、低偏置技术、阻抗匹配技术等。
传统的微波光子链路在调制和探测过程中产生的非线性效应严重限制了链路的无寄生动态范围，这是传统微波光子链路存在的主要瓶颈之一，所以近年来相位调制技术成为微波光链路研究的一个热点。中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室的研究人员提出了一种高度线性的微波光子链路，他们在一个萨尼亚克环内用一个偏振调制器实现了该链路。对于逆时针光信号的调制，可以通过联合使用偏振调制器，偏振控制器和偏光器，相当于一个强度调制器，而当光信号在逆时针方向不能被调制时则归因于速度失配，这样可以将强度调制的光信号加载在光载波上。研究人员通过适当地调整系统的某些参数来减少三阶互调失真，例如顺时针信号和逆时针信号的功率比和相位差以及等效强度调制器的偏压点，实验结果与理论分析相统一。其中三阶互调失真可以下降45dB，其无寄生动态范围为98.85dB•Hz2/3+。该结果比传统的基于偏振调制器的微波光子链路多了15dB。
近年来，基于铌酸锂马赫增德调制器的外加调制微波光子链路逐渐趋于主导地位，尽管基于激光二极管直接调制的微波光子链路成本低廉，但是相比外加调制链路，其性能相对受限，尤其在带宽方面。随着晶体管激光器的出现，现在又多出了一种可用于未来微波光子链路的激光源。晶体管激光器有许多优点，首先，相对传统的二极管激光器，它具有更高的带宽和更强的衰减性。其次，可选择共发射极或共基极运行，尤其后一种方式可以增加带宽。再次，可进行直接地集电极电流反馈控制，这样就不必监控光电二极管，并且大大简化了功率稳定性电路。最后，利用集电极电流反馈可以减低三阶互调失真效应。因此，研究人员普遍看好晶体管激光器在微波光子链路中的应用前景，其关键点在于建立相关的模型来考察重要的链路参数例如增益、噪声系数和无寄生动态范围。塞浦路斯大学电子与计算机工程系的研究人员提出了一种基于晶体管激光器的微波光子链路，他们利用信号流图技术得到链路增益。相比于传统的激光二极管，三端晶体管激光器引入了一个额外的微波端口用于链路参数的阻抗调谐。他们还利用小信号等效电路模拟了激光器的增益等高线，结果表明链路中所有端口的潜在增益值为50Ω。
10. 光网络及其子系统
无源光网络技术（PON）是宽带接入的主流技术之一，尤其是光纤到户（FTTH）是其中最有竞争力的解决方案，其应用于宽带光接入的独特优势得到越来越广泛的共识，在国内外受到了研究人员的普遍重视。得益于波分复用技术（WDM）的成熟发展及其在骨干网和城域网上的广泛应用，基于波分复用的无源光网络（WDM-PON）被认为是极有前途的下一代宽带光接入网络，它能提供较宽的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入，并且在网络管理和系统性能升级方面具有明显优势。波分复用技术的演进仅需要在基于功率分配器的基础上维护老化的光分配网络，这样就可以在无源光网络中避开多路复用器和光放大器等无源器件。其实这个目标也可以通过相干接收器来实现，因为采用相干接收器就已经考虑了通道选择度（去除对WDM信号分离器的需求）和高接收灵敏度（缓解对光放大器的需求）。基于高级数字信号处理（DSP）的相干接收器适用于高频谱效率的光通信链路。近年来，大量的研究工作报道了基于波分复用技术无源光网络中的相干接收器装置，它们都是基于相位调制格式的，例如，差分相移键控（DPSK）和四相相移键控（QPSK）;相比强度调制格式而言，它们确保了相当高的接收灵敏度。然而高阶调制格式的选择对本机振荡器（LO）和信号之间的相位/频率锁定提出了更严格的要求，该可以通过数字信号处理器来解决。反射无源光网络中采用的零差接收器同样可以解决这个需求。虽然同样的激光源被用于作为上行线路信号的光载波源和本机振荡器，但是反射架构在光分配网络中仍然需要使用波分复用技术中的多路复用器或者信号分离器，而且不能直接与功率分流的超密集型波分复用方法（UDWDM）兼容。此外，相位调制过程需要配备的激光器必须具有非常低的相位噪声，这在实验实现上是及其昂贵的。换句话说，可以采取相位分集零差接收器结合强度调制信号（例如ASK）的方法，这种强度调制格式将不再需要相位锁定。这样就可以采用宽谱宽的激光器如分布反馈激光器（DFB）并且不用执行相位锁定回路。同时，信号的解调过程也将被大大简化。也就是说，针对相对简化的相干接收器和基于自由运转的分布反馈激光器，强度调制信号的灵敏度可以大为改善。意大利圣安娜大学通信信息与感知技术研究所的研究人员提出了一种超密集波分复用无源光网络，该网络是基于简化的、低成本的相干接收器和自由运转的分布反馈激光器来建立的。这个1.25Gb/s的系统提供了一个大于40dB的高功率预算范围，并实现了大分光比（1×128）和长距离接入延伸（超过60km）。这个零差接收器的设计相对简单，因为它没有使用数字信号处理过程并且也不需要相位/频率锁定；因此，它只需用普通的自由运转式分布反馈激光器作为本机振荡器，而不是采用价格昂贵的低相位噪声激光器。研究人员在实验中，加载了5×1.25Gb/s（总数据速率）来评估该系统的通信性能，在相干接收器内，唯一的自由运转式分布反馈激光器通过热调谐方式可以选择任意一个独立的信道并表现出一致的接入性能。
作者：邵宇丰 方安乐
1. 半导体有机激光器和放大器
钕离子（Nd3+）掺杂无序石榴石晶体由于具有良好的机械、热学和光学特性已经引起了研究人员的大量关注，而且该晶体具有非均匀扩展吸收和发射光谱带，其有利于实现超短锁模脉冲。其中，Nd:Gd3Ga5O15（Nd：GGG）被证明是一种很好的可以操控激光的介质，尤其是在高功率激光应用方面。作为Nd：GGG晶体的衍生物，Nd:LuxGd3-xGa5O12(Nd：LGGG)已经可以用单晶体拉法来实现生长，它的晶体机构复杂而无序，与此同时，它的非均匀扩展光谱更宽些。Nd：LGGG晶体通常有两种掺杂方式，一种是掺杂0.96%的钕离子，另一种是掺杂0.66%的镥离子（Lu3+），较低的掺杂浓度可以更好的实现晶体的生长并且提高激光器的性能。众所周知，双波长同步锁模激光器一直被期望用于产生太赫兹辐射，除了钛宝石双波长同步锁模激光器外，一些基于激光二极管泵浦的固态激光器也已被广泛的研究。中国山东大学晶体材料国家重点实验室的研究人员们提出了一种基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的钕石榴石双波长连续波锁模激光器。其最大连续波锁模输出功率为475兆瓦，光-光转换效率为4.75%，锁模激光输出的中心波长为1060.9nm和1062.7nm，脉宽为6.3皮秒。他们在实验中观察到了时域宽度为2ps的自相关轨迹的干涉图样。并且在试验中产生了激光频拍，其时域宽度对应的两波长间的频率差为0.48THz。这种双波长连续波锁模脉冲可以应用于基于差频方法的太赫兹波的产生。
众所周知，稀土掺杂玻璃光纤激光器一直是纤维光学、光通信以及激光技术的研究重点，迄今为止，稀土掺杂光纤激光器已可实现单纵模连续波、高速超短脉冲、多波长和大功率等运转方式，但是光纤激光器的稳定性问题依然是一个急需解决的难点问题。现有的研究结果表明，造成激光器不稳定的主要原因来源于环境声波噪音的影响。降低或者抑制这种不利影响的有效方案是减小激光器腔长的同时提高掺杂光纤的掺杂浓度。然而提高掺杂浓度将会引起一系列诸如浓度淬灭等材料问题。如今只有掺镱光纤可以获得高掺杂浓度，然而高掺杂浓度的掺镱光纤存在着激发态寿命淬灭，导致强烈的非饱和吸收，从而影响激光器件的效率；此外，在许多稀土掺杂玻璃中，如掺铥、掺镨、掺銪等，还存在着受激光辐射的永久性退化，即所谓的光子暗化（Photo-darkening），而且掺杂光纤的基质为玻璃液可能存在类似的光子暗化效应。最近，人们开始重视在高浓度掺镱光纤中调查这一效应。英国的斯旺西大学的研究人员研究了掺镱光纤激光器中405nm的激光辐射对光子暗化效应的影响。研究发现在976nm和405nm的激光辐射下可以同时产生光子暗化效应和光漂白效应，这是在1070nm的激光器中得到的。此外，他们还实验观察到405nm辐射致光漂白并不能完全恢复，实验还发现，活性离子将导致对405nm辐射的强吸收，这成为限制漂白性能的一个关键因素。他们还第一次观察到了在已辐射的原始光纤中基态吸收会引起光子暗化效应，该效应将在激光系统中产生额外的剩余损耗。
量子点激光器是对注入载流子具有三维量子限制结构的半导体激光器。与量子阱和量子线激光器相比，量子点激光器在输出光谱纯度、阈值电流、温度特性和调制性能等方面均可获得较大幅度的提高。今年来量子点激光器更是取得了突飞猛进的发展，其低阈值电流密度、优良的热稳定性等优点吸引了越来越多的实验室和科研单位进入该领域。量子点激光器的迅猛发展已经向传统半导体激光器发出了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大差距。德国卡塞尔大学纳米结构和分析研究所的学者与以色列理工大学电子工程系的研究人员合作提出了一种基于砷化铟/磷化铟的量子点激光器，其输出波长为1.55微米，他们研究了这种激光器的静力学和动力学特性。他们利用一个独特的空间解决模型来优化增益部分从而可以实现激光器的高速运行。实验测得的调制性能对结构参数的依赖性（势垒宽度和量子点层数）与理论模型预测一致。短腔激光器具有10cm-1每量子点层的模式增益，他可以实现超过9GHz的信号调制宽度，信号调制速率可以达到22Gb/s，开关比为3dB。图1.3为这种量子点激光器的结构和材料成分。
波长扫描激光器具有性价比高、使用简单、功耗低等优点，是一款广泛应用于科研、传感、光学测试和成像等领域的可调谐光纤激光器。传统的波长扫描激光器是由宽带增益介质和一个光学滤波器构成，其扫描机制主要由滤波器的机械调谐特性决定，例如光纤法布里-波罗可调滤波器（FFP-TF）和多边形扫描镜滤波器。此外，双波长激光器最近也被广泛地应用于差异吸收光探测和测距（LIDAR） 、微波产生和光谱双频段光学相干断层扫描（OCT）成像。研究人员设计出了各种各样的双波长激光器，但是大多数方案都是由两个增益区域和一个波长选择滤波器构成。例如，对于双频带波长扫描频域锁模光纤激光器而言，法布里-泊罗可调滤波器被置于腔内用于扫描每一个波段。韩国国立釜山大学认知科学工程系的研究人员提出了一种基于主动锁模的双频带波长同步扫描光纤激光器。在没有采用机械波长选择滤波器的前提下，研究人员通过输入单个的调制信号实现了双波长同步扫描。激光腔具有双重的通路长度结构，可以独立控制两个自由光谱区。研究人员分别在时域和频域观测了该激光器的静态和动态特性。该激光器可以实现在1310nm波段从1263.0到1333.3的双波长同步扫描，还可以实现1550nm波段从1493到1563.3的双波长同步扫描。这种激光器可用于双频段相干光断层摄影成像系统。
2. 光传输和光波导
近年来，可以衍射极限范围内连续波输出的掺镱光纤激光器（YDF）和放大器已被大量的研究并成绩显著。相应地，可以输出高质量光束的高功率光纤激光器也被广泛应用于工程中的标记、切割和焊接。然而，大量的非线性效应，如拉曼散射和布里渊散射以及激光材料的损伤阈值都限制了高功率单模光纤放大器的输出功率和光束质量。抑制和消除上述有害效应的一种比较有效的方法就是采用大模场光纤，即增大掺杂光纤的模面积。获得大模场光纤通常有两种方法：一种是对于单模光纤，可以减小纤芯和包层的折射率差值；二是还可以采用多模光纤。然而，大模场光纤会不可避免的产生高阶模，从而影响输出光束的质量，光纤纤芯的折射率分布也同样影响着输出光束的质量。除了光纤本身的因素对光束质量的限制外，还有一些其他的影响光束质量的因素，例如，放大器中种子模在不同时刻与受激发模的相对位置，另外还有在实验中的不同的模式选择方法如光纤弯曲或者掺杂限制，都会对大模场造成附加损耗和增益抑制，从而影响输出光束的质量。此外，最近的实验研究观察到了大模场光纤放大器中一种模式不稳定性的现象，这涉及到在强功率阈值上有一个光束质量的猝发退化。中国国防科技大学光电科学与工程的研究人员们实验观察了在输出功率为2.04kW的近单模光纤放大器中的光束质量演化。他们首次发现了由大模场阶跃折射率光纤构成的多千瓦级光纤激光器中光束质量演化与信号输出功率之间的函数关系。此外，光束质量和模场的演化证明，由于增益介质几何结构的不同，高功率光纤激光器相对其他固体激光器有着更好的热学和光学性能。
3. 无源器件
近十年来，由于在光通信、信息处理以及传感器等领域有着非常重要的应用价值，光的耦合以及如何将入射光分离成两束正交的线性偏振波已经引起研究人员的广发关注并逐渐成为一个研究热点。为了更进一步有效提高在光子集成回路上承载的复杂信号处理任务的能力，无源光器件在芯片尺度上的集成势在必行，由于这种集成需要紧密的平板结构，这激起了研发人员设计有效的偏振光束分离器的热情。通常来说，模式化的金属薄膜可以构成一个控制光的传播的平台，光束在其中以表面等离激元的形式（SPPs）传播，这样便能够使得超紧密相连的器件能进行双向的表面波耦合，等离子二色分离，等离子光辐射以及单向的发射和耦合。然而由于表面等离激元是TM偏振极化的，因而在大多数等离子体器件中仅支持然入射光中的TM偏振成分进行耦合。从这个意义上来说，对于非偏振入射光，其TE偏振成分的透射被抑制从而使得部分光能量被浪费了。然而在有些应用中却需要精准操控光的两个偏振成分例如偏振通透滤波器和偏振独立增强光的透射。最近，北京大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员提出了一种基于级联光栅的金属-电介质-空气结构的紧密型双向偏振分离器。这种偏振分离器能同时支持TE模和TM模的传播并且具有高偏振消光比和较低的串扰，它可以使照明光耦合并且分离成沿左行进的TE光子模和沿右边行进的TM等离子模。
近年来，超常材料引起了国内外大量研究人员的广泛关注和深入研究。超常材料(metamaterials)指的是一些具有人工设计的结构，并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，超常材料所展现出的新奇的电磁特性主要源自它们的亚波长结构，而不是材料的本征属性，人们可以通过改变其微结构的形状、尺寸和排列方式等来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。超常材料最初在微波段实现,得益于纳米制造技术和亚波长成像技术的发展,最近，实验上证实可以在红外和光学波段实现负折射。超常材料的应用研究在新型的无线通信、光通信、雷达、超分辨率成像、电磁隐身技术等许多领域得到了快速的发展。在大多数应用中，超常材料的吸收损耗（即介电常数的虚部）通常会降低它的性能，因而在超材料设计中，介电常数的虚部通常都被最小化以降低损耗。然而吸收损耗也可以变得很有用途，增强材料的吸收损耗特性可以用于构造一个吸收性能卓越的吸波材料。最早提出的超常材料吸波器的吸收率可以达到88%，它由嵌入介电层的金属棒和开口环谐振腔周期性的排列组成。此后，基于超常材料的吸波器件被广泛研究，其吸波范围覆盖微波到可见光频段。尽管这些吸波器具有很高的吸波率，但是他们的吸波范围太窄，基本上属于单频带或双频带的吸收。来自中国湖南大学物理与微电子科学学院微纳光电器件及应用教育部重点实验室的研究人员提出了一种非常规的基于多层相同尺寸方形盘结构的超常材料太赫兹波吸收器，该器件吸波率超过99%，吸收范围达到300GHz，工作中心波长为1.96THz。该器件的半高宽度（FWHM）可以达到42%，为单层结构的2.6倍，并且适用于非常大范围的入射角。该宽带吸收器的吸收机制归因于各层结构之间的纵向耦合。这项研究成果可应用于太阳能电池，光学探测及成像系统。
4. 有源器件
光电振荡器（OEO）被认为是一种非常有前景的能够产生高光谱纯度和低相位噪声的毫米波信号的方法。一般来说，光电震荡器包含了激光光源，强度调制器，长光纤延迟线，光电探测器，电放大器，电相移器，电子带通滤波器以及其他的一些光电器件。光电振荡器中的这些离散的光电器件不仅体积庞大、笨重，而且会导致相当大的能量损耗，很难满足未来的一些对此需求严格的通信手段诸如雷达、航海和卫星系统。因此，如何减小光电探测器的尺寸成为一个研究热点。通常采用的方法是用高Q值的光谐振器来取代长光纤延迟线，另一种方法是用直接调制激光器来取代激光源和强度调制器，但这两种方法都有各自的缺陷和不足。南京大学雷达成像及微波光子学教育部重点实验室和毫米波国家重点实验室的的研究人员提出了一种新的减小光电振荡器尺寸的方法，他们用电吸收调制激光器（EML）来代替激光源、调制器和光探测器，因为电吸收调制器可以同时扮演光探测和强度调制的角色。他们实验产生了相位噪声为-101.31dBc/Hz,偏移量为10kHz的9.945GHz毫米波。
5. 频率转换
近年来，光纤无线通信技术（ROF）在无线通信领域得到广泛应用，引起了大量研究人员的广泛关注。作为光通信和无线通信技术的结合，ROF系统在光纤中实现了射频微波的低损耗、低信道串扰的宽带传输，在超宽带无线移动通信、相控雷达、微波毫米波传感、微波毫米波信号处理等多个领域具有重要的应用前景。作为一种重要的、应用于未来宽带无线接入的技术，ROF系统中一项关键的技术-频率上转换的实现便成了ROF系统中的关键，由于电毫米波器件的复杂性，利用全光方法来实现频率上变换越来越引起了各国研究人员的重视。此外。为了充分体现ROF系统的宽带宽和高的频谱利用率，ROF系统与城域WDM环形网、星状WDM/SCM波分复用网络的融合也越来越重要。过去的几年，已经提出了很多利用光学方法实现频率上变换，同时对变换后的信号在光纤中的传输特性也进行了广泛研究。这些技术包括利用强度调制器、光锁相技术、远程上变换技术、各种波长变换技术等。此外，还有基于电吸收调制器的全光频率上变换，基于半导体光放大器的全光频率上变换，基于高非线性光纤的全光频率上变换。中国清华大学电子工程学院信息科学与技术国家重点实验室的研究人员提出了一种新的对ROF信号实现远程频率上变换的方法。他们用基带数据调制啁啾光脉冲来替代传统的发射端的ROF信号，当信号在光纤中传输时，由于光纤色散效应的影响，光信号演化成超短脉冲。实验中利用带通滤波器将目标信号光谱转换成高阶谐波，然后通过选出目标信号频谱在远端天线单元处实现频率上转换。因此，通过移除中心局处的混频器和高频局域振荡器，简化了ROF系统和天线单元。研究人员利用这种方法，在缺少光同轴、预放大、色散补偿和光学滤波的条件下，当信号在45千米光纤和7米空气中传输之后，实现了2-Gbit/s数据上转换到16GHz，误码率低于10-9，频谱效率为1-bits/Hz。
6. 测量技术
高速光电二极管是微波光子链路的关键元件，其中光电二极管的频率响应是决定微波光子链路特性的最重要的因素之一，尤其是对于在大带宽内有高增益平坦度需求的微波光子链路。光电二极管在用于微波光子链路之前，其频率响应必须得到精确地校准。十多年来，研究人员为了测量光电二极管的频率响应提出了各种各样的技术，包括脉冲光谱分析，光外差法，光强噪声技术以及外加调制摇频法。其中，脉冲响应分析法师一种需要短脉冲激光器和 高采样率示波器的时域分析方法。由于光电二极管的有限的饱和度，其限制了信号电平，而且这种宽带时域法会带来很高的噪声电平，从而使得信噪比非常的低。光外差法是用2个窄线宽激光源照射光电二极管得到微波输出，通过调节其中一个光源的波长可以实现输出端微波的频率扫描。这种方法的优点是不需要提前校准外部调制器的频率响应，但是它需要较高的光功率稳定性和极好的温度控制。光强噪声法可以在光电二极管上激发宽带放大自发辐射，最近，一个修正的光强噪声法利用法布里波罗滤波器降低噪声带宽并得到了一个17dB的动力学范围提升，但是其动力学范围仍然远低于扫频法。扫频法很容易用于构造微波光子链路和产生微波信号，并且能测量马赫增德干涉仪和光电二极管。光电二极管的频率响应可从微波光子链路的频率响应获得，而且可事先知道马赫增德干涉仪半波电压的频率特性。然而马赫增德干涉仪的半波电压校准需要一个精确的偏离控制回路，不精确的偏离控制将导致校准错误，使得对光电二极管频率响应的校准也会产生偏差。中国东南大学电子科学与工程学院的研究人员提出了一种测量光电二极管频率响应的新方法。这种方法是基于用一台网络分析仪得到的相位调制干涉仪探测的增益峰值来计算光电二极管的频率响应。研究人员通过用光谱分析仪测量调制光边带的强度比来校准相位调制器的半波电压，实验结果显示，相位调制干涉仪检测测量的光电二极管的频率响应与马赫增德强度调制直接解调有一个非常好的匹配，其结果与光电二极管制造商提供的数据相同。该研究结果提供了一个非常容易的途径用于快速扫描光电二极管响应频率，并且校准相位调制器的半波电压时并不需要偏离控制。
7. 传感器
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高出许多倍，而且它可以再高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感器具备很多传统电子传感器不具备的优点，例如，廉价、体积小、重量轻以及对电磁干扰免疫，因而光纤传感器在传感应用方面大有用武之地。例如在许多工业的工艺化流程中，微位移传感器被用于监控精确的位移。光纤微位移传感器一般分为两种主要结构，一种是马赫曾德尔干涉仪，另一种是光纤模态干涉仪。中国计量学院光电科技学院的研究人员提出了一种新型基于马赫曾德尔干涉仪的光纤微位移传感器，其中马赫曾德尔干涉仪由两根单模光纤和一个蝴蝶结型的椎体构成，马赫曾德尔干涉仪的透射谱的变化与纤芯偏移的横向微位移相关。当微位移的的范围为0-13微米时，该微位移传感器具有非常高的灵敏度，其值为-1.89dB/μm,几乎为现有的类似传感器灵敏度的787倍。此外，研究人员利用强度解调方法可以使该微位移传感器可以克服温度限制和位移横向交叉效应。
光纤曲率传感器由于在弯曲测量领域有着大量的应用，已经引起研究人员的广发关注。近年来，模式干涉曲率传感计由于具有高灵敏度、电磁干扰以及小尺寸的优点，已经被大量地开发应用于传感领域。研究者们提出了基于不同光纤器件的光纤曲率传感计，例如，长周期光栅（LPGs），长周期光栅联合光纤多模干涉，两根连接在一起的低损耗的熔融光纤椎体，纤芯偏移的单模光纤或者保偏光纤。然而不足的是，长周期光栅或者光纤布拉格光栅都对温度变化太敏感，纤芯偏移单模光纤又容易折断，因此都没能被广泛地应用于工程中。最近大量的新型光纤被用于制作曲率传感计，例如，灵敏度为-6.68nm/m基于长周期光纤光栅的曲率传感计，灵敏度近似为10nm/m基于二维波导阵列光纤的曲率传感计，基于具有包层模共振的特殊光纤灵敏度约为-10.15nm/m，还有基于细芯光纤的灵敏度为-14.7nm/m，等等。值得一提的是，中国计量学院光电技术院的研究者们提出了一种新型的基于光纤模式干涉仪的光纤曲率传感计，其中模式干涉仪是由仅由单模光纤构成的两个花生型结构组成的，这种花生型结构可以分离和重组纤芯模和包层模，从而可以产生模间干涉。实验结果显示峰值波长几乎是随着曲率的改变而线性变化的，其中，在波长为21、26、30nm时的传感器的灵敏度分别为-18.46，-21.87和13.68nm/m。这种传感器具有结构简单、高灵敏度以及廉价等优点。
8. 光电探测和光电接收技术
局域表面等离子模是源于金属纳米结构中电等离子体的集体震荡，这种模式有着各种各样的应用例如生物传感器、近场光学显微镜以及其他光学器件。当共振激发时，这些模式能使自由传输的辐射局域集中化并产生非常高的光学近场强度，并且由于金属的强光学吸收特性，这些模式可以以热量的形式有效地驱散电磁能量。这种强光学吸收特性可以用于实现从太赫兹波段到可见光波段的吸收器。等离子吸收器导致的热等离子效应激起了研究者们的兴趣，并使得这种纳米结构的热源应用于许多领域。此外，通过集成等离子体吸收器，这种纳米机械器件有着非常高的质量、应力和位移灵敏度，使得其在热光机械红外探测方面具有独一无二的优势。美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的研究人员实验证实通过集成等离子体纳米天线，这些基于薄膜的微机械谐振腔将变得具有红外活性。由纳米天线导致的光热机械效应成为微机械结构的驱动力。他们利用这种混合的纳米天线耦合机械器件作为热红外探测器，实现了对应于位移响应为98.7μm/W的一个数值为12mA/W的电流响应，并且测出了6μm波长处的热学时间常数为5.7ms。这种方法可以延伸至任意的机械谐振器用于构造新的光学机械传感装置。
9. 微波光子技术
微波光子链路受到广泛的关注和研究，得益于近年来微波光子学的快速发展和进步。微波光子学是微波与光电子技术结合的一门新兴学科，其中光生毫米波技术，光纤无线通信技术（ROF），光控相控阵技术等微波光子学的分支成为近年来国内外研究的热点。微波光子链路作为这些技术的核心，是接收微波信号并提供微波信号输出，直接进行微波信号输出的光链路，其具有大带宽、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、低色散等多方面优点，因此被广泛应用到军事和民用领域，如电子战、雷达、遥感探测、无线通信、有线电视等领域。近年来随着对微波光子链路性能要求的不断提高，更多的新技术和新方法呗应用到链路中，从而将链路的性能大幅的提高，如光外差平衡探测技术、相位调制技术、载波抑制技术、低偏置技术、阻抗匹配技术等。
传统的微波光子链路在调制和探测过程中产生的非线性效应严重限制了链路的无寄生动态范围，这是传统微波光子链路存在的主要瓶颈之一，所以近年来相位调制技术成为微波光链路研究的一个热点。中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室的研究人员提出了一种高度线性的微波光子链路，他们在一个萨尼亚克环内用一个偏振调制器实现了该链路。对于逆时针光信号的调制，可以通过联合使用偏振调制器，偏振控制器和偏光器，相当于一个强度调制器，而当光信号在逆时针方向不能被调制时则归因于速度失配，这样可以将强度调制的光信号加载在光载波上。研究人员通过适当地调整系统的某些参数来减少三阶互调失真，例如顺时针信号和逆时针信号的功率比和相位差以及等效强度调制器的偏压点，实验结果与理论分析相统一。其中三阶互调失真可以下降45dB，其无寄生动态范围为98.85dB•Hz2/3+。该结果比传统的基于偏振调制器的微波光子链路多了15dB。
近年来，基于铌酸锂马赫增德调制器的外加调制微波光子链路逐渐趋于主导地位，尽管基于激光二极管直接调制的微波光子链路成本低廉，但是相比外加调制链路，其性能相对受限，尤其在带宽方面。随着晶体管激光器的出现，现在又多出了一种可用于未来微波光子链路的激光源。晶体管激光器有许多优点，首先，相对传统的二极管激光器，它具有更高的带宽和更强的衰减性。其次，可选择共发射极或共基极运行，尤其后一种方式可以增加带宽。再次，可进行直接地集电极电流反馈控制，这样就不必监控光电二极管，并且大大简化了功率稳定性电路。最后，利用集电极电流反馈可以减低三阶互调失真效应。因此，研究人员普遍看好晶体管激光器在微波光子链路中的应用前景，其关键点在于建立相关的模型来考察重要的链路参数例如增益、噪声系数和无寄生动态范围。塞浦路斯大学电子与计算机工程系的研究人员提出了一种基于晶体管激光器的微波光子链路，他们利用信号流图技术得到链路增益。相比于传统的激光二极管，三端晶体管激光器引入了一个额外的微波端口用于链路参数的阻抗调谐。他们还利用小信号等效电路模拟了激光器的增益等高线，结果表明链路中所有端口的潜在增益值为50Ω。
10. 光网络及其子系统
无源光网络技术（PON）是宽带接入的主流技术之一，尤其是光纤到户（FTTH）是其中最有竞争力的解决方案，其应用于宽带光接入的独特优势得到越来越广泛的共识，在国内外受到了研究人员的普遍重视。得益于波分复用技术（WDM）的成熟发展及其在骨干网和城域网上的广泛应用，基于波分复用的无源光网络（WDM-PON）被认为是极有前途的下一代宽带光接入网络，它能提供较宽的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入，并且在网络管理和系统性能升级方面具有明显优势。波分复用技术的演进仅需要在基于功率分配器的基础上维护老化的光分配网络，这样就可以在无源光网络中避开多路复用器和光放大器等无源器件。其实这个目标也可以通过相干接收器来实现，因为采用相干接收器就已经考虑了通道选择度（去除对WDM信号分离器的需求）和高接收灵敏度（缓解对光放大器的需求）。基于高级数字信号处理（DSP）的相干接收器适用于高频谱效率的光通信链路。近年来，大量的研究工作报道了基于波分复用技术无源光网络中的相干接收器装置，它们都是基于相位调制格式的，例如，差分相移键控（DPSK）和四相相移键控（QPSK）;相比强度调制格式而言，它们确保了相当高的接收灵敏度。然而高阶调制格式的选择对本机振荡器（LO）和信号之间的相位/频率锁定提出了更严格的要求，该可以通过数字信号处理器来解决。反射无源光网络中采用的零差接收器同样可以解决这个需求。虽然同样的激光源被用于作为上行线路信号的光载波源和本机振荡器，但是反射架构在光分配网络中仍然需要使用波分复用技术中的多路复用器或者信号分离器，而且不能直接与功率分流的超密集型波分复用方法（UDWDM）兼容。此外，相位调制过程需要配备的激光器必须具有非常低的相位噪声，这在实验实现上是及其昂贵的。换句话说，可以采取相位分集零差接收器结合强度调制信号（例如ASK）的方法，这种强度调制格式将不再需要相位锁定。这样就可以采用宽谱宽的激光器如分布反馈激光器（DFB）并且不用执行相位锁定回路。同时，信号的解调过程也将被大大简化。也就是说，针对相对简化的相干接收器和基于自由运转的分布反馈激光器，强度调制信号的灵敏度可以大为改善。意大利圣安娜大学通信信息与感知技术研究所的研究人员提出了一种超密集波分复用无源光网络，该网络是基于简化的、低成本的相干接收器和自由运转的分布反馈激光器来建立的。这个1.25Gb/s的系统提供了一个大于40dB的高功率预算范围，并实现了大分光比（1×128）和长距离接入延伸（超过60km）。这个零差接收器的设计相对简单，因为它没有使用数字信号处理过程并且也不需要相位/频率锁定；因此，它只需用普通的自由运转式分布反馈激光器作为本机振荡器，而不是采用价格昂贵的低相位噪声激光器。研究人员在实验中，加载了5×1.25Gb/s（总数据速率）来评估该系统的通信性能，在相干接收器内，唯一的自由运转式分布反馈激光器通过热调谐方式可以选择任意一个独立的信道并表现出一致的接入性能。
