2014年6月PTL光通信论文评析

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7/11/2014，2014年6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、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：邵宇丰方安乐

1.光纤激光器
最近，全光纤稳态多波长和双波长激光器由于可广泛应用于光传感和通信、双波长干涉测量、光谱分析、雷达吸收、光数据处理和光学仪器测试，已引起越来越多研究人员的关注。此外，掺铒光纤放大器也已被广泛研究并拓展至诸多商业应用，掺铒光纤放大器在通信波段具有低成本、高饱和功率、低偏振依赖增益以及低信噪比等优点。然而，由于在室温下具有相当宽的均匀线宽(约为10nm)，基于多波长激光器的掺铒光纤放大器常常伴随非常强的模式竞争。目前为止，大多数多波长激光器都是通过腔内滤波结合各种不同的技术来实现的，其中包括使用混合增益介质或高非线性介质，在激光腔中插入频移器和相位调制器，以及采用非线性偏振旋转技术。为了达到多波长输出的目的，腔内多波长透射滤波必不可少。例如采用光纤内马赫增的干涉仪，萨尼亚克环形镜，双折射滤波器，啁啾光纤布拉格光栅，以及大角度倾斜光纤光栅等方法。利奥滤波器是种基于偏振器和波片交错序列组合的偏振干涉滤波器，可以从中产生梳状透射谱。单级利奥滤波器的带宽和自由光谱范围并不能通过改变腔长来调节，这是因为无论是带宽还是自由光谱范围均与光纤的长度成反比，而且利奥滤波器的带宽仅是自由光谱范围的一半。幸运的是，多级的利奥滤波器可以分别控制带宽和自由光谱范围。对于这种多级滤波器而言，具有同相的波长具有最大的透射率，而其它异相的波长将被抑制。多级利奥滤波器的带宽和自由光谱范围将分别取决于最长腔和最短腔的长度。最近，英国阿斯顿大学光电技术学院的研究人员提出了一种可切换的双波长光纤环形激光器，该激光器是基于腔内三级全光纤利奥滤波器实现的，其具有高度的偏振输出。实验中采用的利奥滤波器由四个互相连接的具有45度倾斜角的光纤光栅构成，其中光纤光栅由不同长度的保偏光纤隔开，其长度比为1:2:4。该激光器可实现可切换的双波长或单波长输出，其输出波长为1533.5nm和1563.3nm。由于多级利奥滤波器具有的同步选模功能，其输出的激光相当稳定，并且具有超过99.9的高偏振度。

                 图一基于腔内三级全光纤利奥滤波器的双波长光纤环形激光器实验装置图

      近年来，双波长单纵模光纤激光器已被广泛的研究，这种激光器在微波产生领域具有非常丰富的应用，包括宽带无线接入网、软件定义无线电、波分复用技术和光传感系统。为了保证稳态的双波长单纵模输出，需要克服强均匀线宽展宽和交叉增益饱和导致的不稳定双波长震荡。北京交通大学光波技术学院全光网络和先进电磁兼容通信网络重点实验室的研究人员提出了一种单偏振双波长单纵模掺铒光纤环形激光器。这种激光器是基于具有超窄透射谱的保偏啁啾光纤布拉格光栅滤波器来实现单纵模双波长输出的，这种环形激光器的输出光非常稳定，其中利用20cm长的掺铒光纤作为可饱和吸收器。同时，实验测出了这种稳定的双波长激光器的波长间隔为0.41nm，并且其单偏振态也相当稳定。实验测得的每个输出波长的线宽小于8kHz。

2.传感器
        一般来说，对于易燃气体的测量需要极其安全的测量方案。人们在测量的过程中需要遵守严格的操作规程，对于测量的仪器的选择也至关重要，以尽量规避额外的爆炸风险。由于目前市面上大多数气体传感器都与电有关或将产生电火花，因而这些对于易燃气体的测量要求已成为一道技术难题。以甲烷测量为例，相应的测量仪器有电甲烷传感器包括催化燃烧传感器、半导体传感器等等类型。尽管它们已被广泛的研究和长期的生产制造，它们依然具有某些先天性的安全劣势。与电学传感器不同的是，光学传感器在易燃气体测量方面具有无法比拟的安全优势。目前在市场上占据主导地位的主要为基于激光吸收光谱学的各项技术，在某些特殊传感探测情形例如非常小型空间、煤矿井下弯曲隧道或遥感探测等，探测光也需要被弯曲引领到传感位置，传感器的体积要求也必须微型化，这些情况下基于激光光谱学技术的各种光学传感器将不再适用。因而需要采用光纤传感器来应对这些特殊情形的传感测量。事实上，当前的光纤气体传感器很少，而用于甲烷测量的光纤气体传感器更是未见报道，这是由于光纤内的光很难与光纤外部的气体发生相互作用。最近，中国华南师范大学和浙江大学光学工程系的研究人员提出了一种可用于甲烷探测的主动光纤气体传感器。该传感器采用了掺钴单模光纤。这种光纤可被加热光源加热到几百摄氏度，并且在光纤内刻有光纤布拉格光栅作为温度计。该光纤布拉格光栅的布拉格波长对光纤周围气体的热导率相当敏感，因而可被用于监测我们预先指定的特定气体的浓度。他们提出的这种光纤传感器可作为在一些特殊的应用场景用于探测爆炸和腐蚀性气体的理想的传感器，例如天然气管道、煤矿井以及流量计等等。在实验中他们利用这种传感器测量了甲烷的浓度范围从0到4.8%(5%为甲烷的爆炸极限)。该传感器的结构如图二所示。

                   图二基于激光加热光纤布拉格光栅的全光甲烷浓度光纤传感器实验装置图

        核磁共振成像也称磁共振成像，是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像，其在物理、化学、医疗、石油化工、考古等领域都有着广泛的应用。核磁共振系统中需要用到很多类型的传感器，例如温度、位置、报警、射梯度等等。核磁共振技术能在不伤害细胞的前提下，直接研究溶液和活细胞中相对分子质量较小的蛋白质、核酸以及其他分子的结构，其优势之处在于以非入侵方式探测液体和固体的微观构造和相互作用，但以往核磁共振技术有一个很大的缺陷，其内在的灵敏性较差，使其不适合探测非常小的样本。先前的报道中，美国的研究人员提出了一种微型核磁共振传感器可对微小的样本做出反应，极大的提高了核磁共振的探测灵敏度。最近，法国里昂大学和萨瓦大学微博表征实验室的研究人员提出了一种基于梳状Ti:LiNbO3波导结合特定的核磁共振圈用于低侵入磁场测量的传感器模型。该器件可使得在被测磁场和探测激光束的偏振调制间可进行被动的光电转换。由于集成光路的采用，核磁共振线圈的电动势将诱导出一个增强的电场，这将大大地提高核磁共振灵敏度。该实验证实在共振频率为128MHz下，可检测的最小磁场将低于60fT•Hz-1/2，灵敏度的动态范围超过10dB。

3.微波光子学
        利用光学方法产生微波信号作为下一代高速接入网的一项关键技术引起人们的广泛关注。微波信号源的性能是影响系统性能的一个重要因素，因此获得性能稳定、低相位噪声、可调谐的微波信号对系统的成功应用具有重要意义。传统的电子微波信号发生器在高频信号的产生方面成本较高，体积庞大，重量大，相位噪声也很大。而利用光学方法来产生微波信号则有很多的优点，例如超高的带宽、体积小、低投射损耗和对电磁干扰具有免疫能力。随着人们对通信带宽要求的增加，通信频段逐渐向高频发展，当频率大于26GHz后，利用传统的电子技术的微波信号发生器的造价就会变得非常昂贵，并且采用同轴电缆来传输这种高频信号会产生高昂的费用，难以商业化。利用光学方法产生高频微波信号可以有效的克服电子微波信号发生器的不足，因而具有很大的发展潜力。在过去数十年中，人们发展出了多种产生微波信号的方法，例如光注入锁定，光相位锁定环，光电振荡器和外部调制法。在这些方法中，基于马赫增的调制器的外部调制法在高频微波产生方面具有最大的应用前景，这是因为其具有很高的频率倍增因子、较低的相位噪声和较高的频率可调性。光学倍频和四倍频可用单个调制器来实现，而产生较高倍增因子的微波信号则需要更多的调制器。例如六倍频的光学产生方法则需要用到强度调制器和相位调制器的组合系列。最近，西安电子科技大学集成服务网络国家重点实验室的研究人员提出了一种利用光学六倍频产生微波信号新方案。该方法是基于级联强度调制器和一个双重平行的马赫增的调制器来实现的，方案中并未采用光学或电子滤波器。在实验中，低频局震荡信号一分为二，其中一道信号在最小透射点驱动强度调制器，而另一道信号则驱动马赫增德干涉仪的上臂，其中将产生三阶边带，而其他边带将被抑制。实验测得的电子寄生抑制率为20dB。他们通过相位噪声测量技术证实了该微波产生信号的相位噪声在光学系统中并没有发生增大的情形。他们提出的这种新型方案对调制指数并没有严格的需求，此外，所产生的微波信号具有非常高的纯度和频率可调谐性。该方案的实验装置图如图三所示。

                 图三基于级联强度调制器和双平行马赫增的干涉仪的六倍频微波信号产生方案

        光生微波及毫米波技术在光载无线通信系统中也是一项关键技术。目前的光生毫米波方案主要有双边带调制、单边带调制以及抑制载波双边带调制。在双边带调制技术中通常采用波分复用技术来汇聚基带和双边带信号，以提高频谱效率。单边带调制通常具有较好的接收机灵敏度，然而为了达到更高的性能要求，通常需要采用注入锁定分布反馈激光器来优化载波边带比，使其达到0dB。或者采用光纤布拉格光栅来移除一部分载波功率，然而这将使整个系统变得更加复杂化。相比而言，抑制载波双边带调制具有更好的接收机灵敏度，最高的频谱效率、以及在整个传输距离上最小的功率损耗。此外，在先前的研究报道中，对于抑制载波双边带调制方案，研究人员利用光电二极管探测时发现可同时产生基带和射频信号，并且通过标准的单模光纤传输时基带和边带的功率损耗均可低于0.3dB。然而，这种方案却很少被用于波分复用无源光网络中的广播发射。最近，中国台湾国立台北大学电子电气工程系的研究人员提出了一种新型的利用抑制载波双边带调制技术的广播传输方案。在该项方案中，广播数据和单播数据可同时利用单一波长的抑制载波双边带调制和光学载波来发送，它们的偏振态分别是正交的。此外，在光线路终端广播数据和单播数据的抑制载波调制和载波都将分别用到一个反射半导体光放大器，并且光网络单元中将不依靠任何偏振追踪来探测。这些广播数据将可同时应用于无线和钢缆服务。该实验发现当广播数据和单播数据通过25km的单模光纤传输时，其在比特误码率为下的功率损耗将低于1dB，数据传输在单波长通道中具有足够的独立性。

4.光网络及子系统
        当前，为了满足住宅用户对宽带互联网的自已增长的带宽需求，包含铜线电缆的最后一公里接入网逐渐被光纤网所代替。现有的研究表明，无源光网络架构被认为是最节省成本和节能的网络架构解决方案。为了保证整个网络无差错运行，无源光网络监控是网络运营者的一项重要任务。在网络发生差错时，必须要保证一个及时的修复以降低网络故障时间。利用光时域反射计（OTDR）是一个有效且便宜的故障检测途径。光时域反射计根据光的后向散射与菲涅耳反向原理制作，利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等，是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。在时分复用无源光网络中，无源光分束器被用来将信号从馈线分配到各个用户。引入光纤的识别将导致对某个故障的反射相当困难。在波分复用无源光网络中，通常采用一个阵列波导光栅，它使得经过的信号与他们的波长相对应，因而光纤引入线中的故障可自动定位。利用合适的波导阵列光栅，可用来自邻近的自由光谱范围的波段来监控故障，这样可以不妨碍数据的传输。利用型光时域反射计来监控故障将意味着对不同波段的连续测量，这将根据待测的波段数来增加测量时间。而故障检测时间的延长将与快速故障定位和低故障期相矛盾，因而减小故障检测时间显得非常重要。最近，德国多特蒙德大学的科研人员提出了一种新型的基于光时域反射计的光网络故障测量系统，与传统的型光时域反射计相比，该系统在时分复用和波分复用无源光网络中的故障检测时间将大大减少。它可以利用单个接收器光电二极管同时测量多个波段。它的工作原理类似于代码分隔多路通信系统。此外，测量时间的减少不仅来自于对多个波段的同时测量，还得益于减少光时域反射平均时间的编码增益。研究人员通过相关的测量实验证实了该系统的测量速度将比传统的型光时域反射计系统快15倍。该新型的光是域反射系统如图四所示。

最近几年，在全光信号处理中，光学相敏放大器常被用来结合高阶调制格式如正交相移键控和正交振幅调制(QAM)以提高频谱效率，这导致了各种不同的正交相移键控的相位再生方案，如8-QAM和16-QAM信号。来自丹麦技术大学光电工程洗和日本东京理工大学的研究人员最近提出了调制格式和波长转换方案。他们发现周期性极化的铌酸锂波导中的相敏级联二次谐波产生和差频产生可将一个光场的两个正交分量转换到不同的波段上，这样将可同时实现从正交相移键控到二进制相移键控的调制格式和波长转换过程。对于两种正交都可获得20dB以上的静态相敏消光比。该实验装置如图五所示。