2014年2月PTL光通信论文评析

3/16/2014,2014年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤激光器、光传输和光波导、无源光子器件、频率转换、传感器、微波光子学、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

作者：光纤在线特约编辑 邵宇丰 方安乐

1.光纤激光器
　　多年以来，无反射镜随机激光器一直受到研究人员的广泛关注和研究，这种随机激光的形成机制源自与无序增益介质中的多重散射，随机激光器是一种非传统的激光器。它的反馈机制是以随机散射为基础的。这一点与传统激光器借助反射镜反射的反馈机制是完全不同的。这种独特的反馈机制对于那些在工作谱区上缺少有效反射元件的激光器，如UV激光器、X射线激光器的制造是非常有用的。此外，随机激光器低廉的制造成本、特殊的工作波长、微小的尺村、灵活的形状和友好的衬底兼容性使得它们有可能在许多方面获得应用。最近研究人员提出了一种新型的基于标准单模光纤中极其弱的锐利散射的随机激光器，这项工作大大激发了研究者们对随机激光器的热情，此外，研究人员发现色散补偿光纤这种无序增益介质也可以提供粒子的多重散射，并且由于这种光纤具有很大的拉曼增益和锐利散射，使得这种随机激光的输出功率得到非常有效的增强。在此基础上人们提出了多重基于色散补偿光纤的随机激光器，例如，利用色散补偿光纤作为双反射镜的多波长光纤激光器，调制反射镜随机激光器，此外还有通过在单模色散补偿光纤谐振腔中加入光纤布拉格光栅构造出了2阶随机激光器。中国成都电子科技大学的研究人员实验研究了单独基于色散补偿光纤的二阶随机光纤激光器，研究发现一阶随机激光的阈值仅仅为0.45W。此外，他们还提出了一种独特地构造稳态二阶随机激光的方法，即一个二阶随机激光的弧形输出谱，并且随着泵浦功率的增加，在一阶随机向二阶随机演化的过程中出现了三个混乱无序的区域。实验所采用的色散补偿光纤长度为11km。
　　
2.光传输和光波导
    光孤子一直是非线性光学研究前沿，光孤子是电磁波在传播过程中色散和衍射与非线性效应平衡的结果，由于光孤子具有传输不变形的特点，从而决定了它在通信领域里有着非常重要的应用前景，它在全光网络，光通信以及光逻辑器件方面都有着非常重要的应用。实验表明，光孤子在10Gbps的码率下保持的距离超过了106km，而且传输的速率极高，预计可达100Gbps以上，因此光孤子通信无疑是实现超长距离、高速率通信的重要手段，被认为第五代光纤通信系统。孤子为非线性薛定谔方程的稳态解，在单模光纤中，输入一个非理想化的脉冲可以逐渐演化成光孤子，其中额外的能量以色散波的形式传输。短脉冲孤子由于具有很大的带宽可以导致脉间受激拉曼散射，从而有可能形成拉曼孤子，由于超短脉冲的带宽足够宽，在光纤的非线性延迟响应下，脉冲的蓝端分量泵浦红端分量即高频分量通过拉曼增益向低频分量转移能量，结果脉冲频移向红端移动，由于观察到的频谱移动是孤子自身引起的，因此称孤子自频移。拉曼孤子自频移效应一般用于在光纤中产生简单的波长可调的近完美脉冲。光纤中的拉曼孤子自频移（SSFS）与光纤本身的结构设计有关，标准的单模光纤由于无法在波长低于1.3μm的区域提供形成孤子所必须的反常色散，人们设计出了实芯光子晶体光纤、空芯光子带隙光纤以及高阶模光纤用于1.3μm波段以上拉曼孤子的产生。中国深圳大学光电工程系和美国康奈尔大学应用工程物理学院的研究人员在高阶模光纤中实验观察到了孤子以级联对的方式频移了145nm，其中输入脉冲为1030nm,在1175波段处产生了能量为3.5nJ和脉宽为55fs的孤子脉冲。该实验证明了利用复合高阶模光纤来提供额外的色散控制的可行性，从而实现拉曼孤子自频移用于超短脉冲的产生。
3.无源光子器件 
    绝缘体上硅这种新型微电子材料近年来受到人们的广泛关注和研究，绝缘体上硅是指在一绝缘体衬底上再形成一层单晶硅薄膜，或者是单晶硅薄膜呗一层绝缘层从支撑的硅衬底中分开这样结构的材料。这种材料结构可实现制造器件的薄膜材料完全与衬底材料的隔离。绝缘体上硅集成光学平台被广泛地应用于信号处理和传感器等光学系统，硅波导纤芯对于光传输的密封性限制促进了封装组件的微型化，并且使得较大型的光子学回路得到集成。最近，研究人员通过致力于硅晶绝缘体光子学性能的提高来实现光的产生和探测、调制及传感方面的应用。由于硅波导纤芯层对于光学模式的高度限制，包层材料中的光功率是相当低的，因而可以采用沟型波导的方式来有效利用包层材料的性能。这种设计的器件使得一大部分的光能量以消逝波耦合模的形式存在于地折射率包层材料中。此外，沟型波导器件在液态和气态传感器方面也有极其出色的表现，可以利用消逝场耦合和大量普通的环形谐振腔结构来设计，为了更好地利用相关光学效应的环形谐振放大，必须考虑环形谐振的临界耦合点也就是回路的双程损耗等于耦合分数K的值。英国格拉斯哥大学和斯科拉斯克莱德大学光子研究所的研究人员们设计了一种基于沟型波导环形谐振腔结构的耦合器，他们探讨了这种耦合器的设计以及谐振腔几何结构与灵敏度的关系，实验证实了在维持几千米拍长的情形下，相对于传统的耦合器，这种改进型的消逝场耦合器对于谐振环半径的大小变化有较低的灵敏度，通过测量弯曲型沟型波导的弯曲损耗，他们构造出了精密的环形耦合谐振腔，其共振消光超过22dB。
4、频率转换
    石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由于石墨烯具有很多卓越的光学性能，如可调光学吸收、强非线性以及饱和吸收特性等，可用于开发新型的基于石墨烯的光子器件如调制器，偏振器，光接收器和锁模激光器等等。其自身的强吸收结合泡利阻塞效应可用于超快载流子动力学，其强非线性可实现快速响应时间，这些都可用于开发新型的非线性光学器件。微納结构中的四波混频过程也有许多重要的应用，例如波长转换，色散补偿，梳状滤波器以及光开关。已有的研究表明可以当强光透射石墨烯薄膜的过程中会产生四波混频现象，相关的实验证实了在泵浦功率约为35dBm的情形下可以达到的转换效率为-28dB。并且当石墨烯薄膜构成波导的一部分时，光与石墨烯的相互作用会得到大大地增强。中国电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室的研究人员们实验研究了2μm微纤联合石墨烯薄膜复合波导结构中的四波混频现象，实验中采用了两个输出波长为1550nm的连续波泵浦激光器。其中微纤与石墨烯薄膜的解触长度为10nm，两束泵浦光的输入功率分别为600和100mW，得到了转换效率为-28—-34dB对应于两束激光的波长差值范围为0.5—4.5nm。这种石墨烯附加微纤的结构可用于小型化的光信号处理非线性器件如频率转换和光开关等。


5、传感器
    近年来，光纤传感器一直朝着灵敏、精确=适应性强、小巧和只能化的方向发展。光纤模式干涉仪由于具有结构紧凑、高灵敏度和易于构造等优点，已被广泛应用于各种传感器。模式干涉通常发生于多模光纤中的两个导波模之间，或者产生于单模光纤中的纤芯模与包层模之间。其中纤芯-包层模间干涉仪尤其适用于温度测量技术，其原理是由于干涉光在沿着独立的波导（纤芯和包层）传输时具有很大的温度响应差异。光纤的不同结构配置例如陡峭的锥形对，腰部增大锥形化，纤芯口径错位以及长周期光栅都被用来构造纤芯-包层模式干涉仪用于温度传感器。然而由于单模光纤包层模的有效折射率取决于其环绕层的折射率，这种基于单模光纤的模式干涉仪对于环绕层折射率非常灵敏相关，当环绕层的折射率远大于包层模折射率时将不会产生模式干涉。为克服这种横向折射率灵敏的缺点，研究人员提出了基于单模光纤内部空气腔的马赫增德干涉仪温度传感器，然而其缺点也很明显，由于要飞秒激光器来构造单模光纤气腔，其结构复杂且代价昂贵。因此，哈尔滨工程大学光纤集成光学教育部重点实验室的研究人员提出了一种新型的光纤模式干涉仪，其结构为将一根同轴双波导光纤置于两根纤芯偏移很小的单模光纤之间，温度传感机制源自同轴光纤的纤芯模与包层模之间的干涉效应。这种结构的干涉仪对外部折射率不敏感，并且适用于环绕层折射率远大于包层模折射率的条件，它对温度的灵敏度为78pm/℃，其横向张力灵敏度仅为0.004℃/με。

6、微波光子学
    对于微波通信和微波光子技术来说，优质的微波信号源是产生一切微博领域应用的基础。而传统的电微波信号产生方式有很多缺点和局限性，而在光子领域，由于激光器性能的提高和各种光子器件在工艺和性能方面的改善，利用光子学方法产生高品质的微波信号，特别是在高频段（微波/毫米波）信号的产生方面有明显的优势，具有可调谐、大带宽、高光谱纯度、低损耗以及轻量化等诸多优点。近年来，倍频微波信号的产生以及可调谐的微波相移已被广泛研究，大带宽可调谐相移器被用于多频带微波信号的产生，可以实现相位编码微波信号的产生和相位阵列波束成形。此外，四倍频微波信号的光子学产生方案也有相关报导，如利用强度调制器和基于光纤布拉格光栅的陷波滤波器来产生四倍频微波信号；或者利用两个级联强度调制器和一个微波相移器来产生四倍频微波信号，该方法可实现频率变化范围为4—40GHz的微波信号产生；还有在萨尼亚克环中引入单个的偏振调制器，可实现四倍频可调谐微波信号及亚太赫兹波的产生。中国华中科技大学光电信息学院的研究人员提出了一种全360°随意可调相移的四倍频微波信号的光子学产生方案。实验中通过对马赫增的干涉仪加偏压，实现在最大透射点抑制奇数阶边带产生两束相干光分量，然后两个二阶边带连同载波一起通过一个程序化的滤波器，实现载波滤波并且对其中一个二阶边带产生相移，最后在光电探测器中实现双边带拍频从而产生相位可调的四倍频微波信号。其中相移角度为全360°，微波信号的产生范围为30GHz—42.4GHz。这种四倍频微波信号产生方法可用于宽带阵列信号处理系统。

7、网络及子系统
    近年来，在宽带接入网系统中，随着网络流量的指数级增长，基于波分复用技术的无源光网络技术得到了研究人员的广泛研究和高速发展。受到日益增长的带宽需求和用户数量的驱动，未来的接入网络需要在小于50GHz的密集波长栅格中每个信号通道达到40Gbps的高速通信模式，对于这种密集波分复用无源光网络系统，较高阶的光学调制格式得到越来越多的重视，得益于其具有增强的频谱效率。这些调制格式都具有一些严格的要求，尤其是在线路终端的波分复用源中的低相位噪声（窄发射谱宽）特性需求。相应地，作为一种选择，利用光电调制器或者注入式增益开关激光器产生的梳状光源，作为唯一的低噪声种子源，其具有极大的应用前景用于产生窄线宽光频道。此外，这种梳状光源具有很多有趣的特性，例如在通道中的波长偏移恒定，还具有灵活可调的频道间隔和发射波长。因此，在网络线路终端中，这种注入式增益开关激光器的梳状光源或可应用于网络管理中的成本降低和简化。爱尔兰都柏林大学和伦敦大学学院电子与电气工程学院的研究人员提出了一种6×40-Gb/s长距离密集波分复用无源光网络系统，该实验在标准单模光纤中运行了80km，其中6个具有20GHz频道间隔的光频道由外加的注入式增益开关激光器梳状光源产生，研究人员在每个梳形线上都加载一个偏分复用正交振幅调制，实现了在误码率为1.5×10-2的条件下最弱的频道灵敏度达到-35.6dBm，产生了40dB的系统损耗预算。

    正交频分复用(OFDM)技术是多载波调制技术的一种，该技术的应用可以有效地解决由色散信道引起的符号间干扰(ISI)问题，能够广泛地用于各种宽带无线和有线通信中。近年来，基于相干光的正交频分复用（CO-OFDM）技术被独立的提出，光通信系统在接收端采用相干光检测，不仅可以有效抑制色散，还可获得更高的光电频率利用率，同时具有更好的信噪比特性。CO-OFDM系统结合了光纤通信中的相干光检测和正交频分复用的特点，相干系统带来了OFDM技术所需要的线性，OFDM技术使线性系统计算效率搞、信道简单并可进行相位估值。同时CO-OFDM系统与现有的网络有很好的兼容性，在现有基础设施上能更好的升级，扩容方便。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在偏分复用相干光正交频分复用系统（PDM CO-OFDM）中基于正交基展开的相位噪声抑制方法。与传统的抑制相位噪声方法相比较，这种正交基展开法不仅能提高光通信系统对激光相位噪声的耐受性，而且可以提高光通信系统对抗非线性相位噪声的稳健性。研究人员通过采用16进制-正交振幅调制格式对PDM CO-OFDM系统进行仿真，仿真结果验证了理论分析的结论。

    光载无线通信（radio-over-fiber（ROF））技术是在中心站将微波调制到激光上，调制后的光波通过复杂的光纤链路进行传输，到达基站后，光电转换将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。ROF技术的关键还是光源问题，即需要运行于毫米波段的具有超高调制速率的激光源。半导体激光器的带宽主要受限于其本身弛豫共振频率极限，其带宽通常都低于20GHz。通常来说，毫米波段的大多数应用仅仅只需要中心频率处在毫米波段的较窄的带宽。最近发现的一个有意思的实现高频调制的方法是通过外腔共振增强半导体激光器在毫米波段的频率调制。日本东京理工学院的光子集成系统研究中心的研究人员实现了对一种新型的横向耦合腔垂直腔面发射激光进行高速和高效的直接调制，其结果可直接应用于ROF技术。实验测得的L/I特性以及激光光谱证实了激光内部谐振腔和外加腔的相干耦合。在调制频率大于25GHz时该器件的小信号响应在调制振幅处的增强幅度超过30dB，其共振增强的调制响应适用于毫米波段的有效窄带调制，其在毫米波段的调制宽度远大于在没有外腔共振反馈情形下激光器固有的调制带宽。