2014年7月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：
邵宇丰 方安乐 
    2014年7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、无源光子器件、微波光子学、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

1.光纤激光器
    最近数十年，随机激光器由于在光学传感、激光成像、光谱学和医疗科学等领域有着重要的应用价值而被广泛的研究。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。有别于传统的激光谐振腔，随机激光器通过在增益介质中引入多重散射来获得具有角度依赖性的光谱和非常高的阈值功率。此外，随机激光器低廉的制造成本、特殊的工作波长、微小的尺寸、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。现在通常利用光纤这种应用广泛的光波导来提高随机激光器的性能。例如，先前报道的基于来自锐利散射的随机分布反馈式随机光纤激光器，其利用传统光纤中的分布拉曼增益来获取放大的功率输出。此外，还有利用锐利散射作为随机分布反馈和利用受激布里渊散射作为增益的相干布里渊随机激光器。到目前为止，大多数随机激光器都采用光学泵浦。某些应用，如平板显示、汽车、飞机座舱中的显示要求能实现电子泵浦。最近，有人报道了在稀土金属掺杂的介电纳米磷光粉等材料上实现了电子学泵浦的连续激光输出。随机激光器对基础研究领域也是非常有益的。例如，把光学增益添加到一个随机介质，为光波的输运和局域化提供了一个新的研究途径。最近，来自中国计量大学的光电科技学院的研究人员报道了一种基于混合布里渊掺铒光纤增益的级联随机光纤激光器。该激光器具有一个半开放的谐振腔，同样利用锐利散射作为随机分布反馈。他们在实验中产生了四个级联的频率间隔为11GHz的受激布里渊斯托克斯谱。实验测得第一个和第四个斯托克斯谱线的峰值功率差为2.808dB。输出的斯托克斯线的数量可由980nm的泵浦光控制。利用半开放的光谐振腔可以避免技术和偶数斯托克斯线的峰值功率差。最佳的布里渊泵浦功率可降低到1-2mW，由于掺铒光纤的引入，该激光器的多波长输出谱呈扁平状。

    多波长光纤激光器由于可用于光通信系统和光纤传感器而备受关注。作为多波长光纤激光器中的关键器件，梳状滤波器可用于确定激光谱线的信道间隔。因此，提高梳状滤波器的性能也成为当前对于多波长光纤激光器研究的热点之一。到目前为止，已有好几种可用于实现梳状滤波的方法，例如利用马赫增的干涉仪，萨尼亚克环，光纤光栅，利奥滤波器等等。以上几种梳状滤波器都是基于传统的光纤来构造的，这意味着其体积并不如何紧凑。然而由于在一些关于多波长激光器的应用中，小型化设计的腔内梳状滤波功能将变得非常重要。从某种意义上讲，超细纤维被认为是可用于构造多功能光子器件的最卓越的材料。特别地是，在一些新兴的领域例如微型激光器的构造、光纤传感等领域，基于微纤的谐振腔技术发展的相当迅速。微纤谐振腔具有易于构造、结构紧凑以及集成简单等优点，这使得其在光子器件领域的应用前景非常大。众所周知，微纤谐振腔的形状可以是环形，也可做成结状。相较于环形微纤谐振腔，结状微纤谐振腔更加稳定，因为它与范德瓦尔斯力和静电力无关。迄今为止，尽管微纤结状谐振腔已被报道用于光纤传感和光通信系统中，其在激光器中的应用还尚未见报道。这种结状微纤谐振腔也具有梳妆滤波功能，这使得其可用于多波长光纤激光器的构造。最近，华南师范大学信息与光电工程科学学院的研究人员实验验证了一种基于结状微纤谐振腔的稳态多波长掺铒光纤激光器。其中结状微纤谐振腔的引入就是为了实现梳状滤波功能。他们在实验中通过适当地的旋转偏振控制器，在3dB的带宽内得到了高达11道激光谱线，其信道间隔为0.184nm。此外，利用腔内双折射效应和具有偏振依赖的隔离器的滤波效应，该激光器的输出谱可灵活调控。该实验首次验证了结状微纤谐振腔可作为高性能的梳状滤波器用于实现小型化的多波长光纤激光器。

2.无源光子器件
    光波导强度调制器是集成光学中的重要器件，广泛应用于光学传感、光学逻辑回路以及高速数模转换等方面。调制机理主要是基于光波导的电光效应和热光效应。其中电光效应的调制速度快，缺点是在调制过程中会带来能量的衰减，而且由大电流引起的发热会降低调制效率。薄膜电光调制器由于可被非常高效地整合到集成光子回路中，因而在近十年来发展迅速，这些电光调制器主要依靠波克尔斯效应来诱导折射率的变化。当前为了贯彻低损耗和器件小型化的设计理念，因而通常采用具有强电光系数的材料来制备。这类材料通常包含非常经典的铁电材料，其电光系数比那些非铁电材料要大一个数量级。铁电材料具有非常宽的透射窗口，覆盖了整个可见光波段以及部分紫外光波段。此外，他们还具有良好的热学和机械力学的稳定性。当前已有用于此类光电器件设计的铁电材料主要为钛酸钡，例如将氮化硅带状波导沉积在钛酸钡薄膜顶部可实现集成光子回路上高速电光调制器的构造。最近，美国耶鲁大学电气工程系的研究人员提出了一种新型的小型电光调制器的设计思想，这种电光调制器主要是采用钛酸钡作为电光活性材料，并将其制成水平沟脊状波导用于实现电光调制。由于该调制器可将传输的电磁场集中到钛酸钡薄膜层，因而具有很低的半波电压长度，这样将可实现调制电场和传输模之间的高度重叠。此外，他们还指出这种基于钛酸钡的波导结构具有非常低的传输损耗，并且利用传统的硅加工技术也很容易制备。

    利用热光效应的调制器调制速度相比电光调制较慢，其构造材料主要为具有热光系数大、热传导率高的材料。SOI 光波导具有良好的光学性能，同时又与传统的硅加工工艺兼容，近些年在光电子器件方面得到广泛的应用，但其导波层硅属于中心对称浸提，直接电光效应很弱，只能通过等离子色散效应和热光效应来进行折射率调制。由于等离子色散效应中注入的高浓度载流子会产生载流子吸收，进而影响调制器的性能，而且大的电流密度也会带来大的功耗。因此，基于SOI的热光调制器具有很好的应用前景。目前已有报道的基于SOI的热光调制器结构主要有干涉仪型，如多模干涉马赫-增德热光调制器。最近，英国南安普顿光电研究中心的研究人员实验报道了一种基于SOI材料的热光调制器，该调制器的工作波段为位于中红外波段的3.8μm。该器件的构造主要为非对称的马赫增德干涉仪，并在其中一臂上放置一个铝制加热器。实验中所用的SOI肋状波导的硅层厚度为400nm。它们分别研究了传统的直臂结构和螺旋臂结构的干涉仪所构成的调制器的性能差异。实验结果表明直臂结构的干涉仪具有更高的调制深度，达到了30.5dB，而螺旋臂结构的干涉仪具有更低的切换功率，可低至47mW。此外，研究结果发现该电光调制器的调制带宽与干涉仪的几何形状无关。
3.微波光子学
    近年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。超宽带脉冲信号具有低功率谱密度，高带宽等优点，并且与其他无线系统可很好地兼容。发射超宽带信号最常用和传统的方法是发射时域上脉宽很短的脉冲，信息数据的调制方式有很多种，最常用的两种分别为脉冲位置调制和脉冲幅度调制。当前，超宽带脉冲信号无线通信技术已扩展到它所能覆盖的范围。与此同时，超宽带脉冲信号的光学产生方法已被证实可减少射频组件的复杂度，并且可以克服电子器件速度瓶颈。 全光产生超宽带脉冲有很多种方法，包括相位调制到强度调制的转换法，半导体光放大器中的交叉增益调制或交叉相位调制法等等。对于超宽带脉冲无线通信技术的实际应用来说，人们最希望的就是能同时在光学范畴内实现信号的产生和调制。目前的方法大多数只能产生一种调制格式的超宽带脉冲。最近，上海交通大学电气工程系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新型利用双驱动马赫增德调制产生3-D超宽带信号的方案。该方案所产生的超宽带信号具有3个自由度，分别是脉冲位置、脉冲相位和脉冲振幅。实验中每个马赫增德调制器的端口都被两个具有不同振幅的编码信号所调制。通过适当地调整编码信号的振幅和两个射频端口的偏压，产生了5Gb/s中心频率为3,5GHz的超宽带脉冲信号，其部分带宽为10dB。值得一提的是，该方案简单可行，只用到了一个双驱马赫增德调制器。

    此外，来自武汉华中科技大学光电信息学院光电国家实验室的研究人员也提出了一种简单且新颖的产生可重构的超宽带脉冲信 号的光学方法。在他们多提出的方案中，仅仅用到了一个电光相位调制器，一个光程序化滤波器和三个激光探头。从相位调制到强度调制的转换法被用来获得基本的具有反极性的单环脉冲。研究人员利用单模光纤作为色散介质使得这些单环脉冲产生色散延时。通过切换不同的激光探头，可以很容易地在光电探测器的输出端获得单环、双环或三环脉冲。该方案还可用于产生高阶的超宽带脉冲信号以及同于超宽带无线通信的不同调制格式的脉冲信号。
4.光网络及子系统
    可见光通信技术主要是利用白光LED照明灯来实现无线传输的，与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。此外，以有机电致发光器件(OLED)、有机光伏器件(OPV)和有机场效应晶体管(OTFT) 为代表的有机光电功能材料和器件在新型平板显示、固体照明、柔性显示、高密度信息传输与存储、新能源和光化学利用等领域显现了广阔的应用前景，受到科学界和产业界的普遍关注。然而，尽管可见光通信技术和有机光电器件这两个研究领域都是当前的研究热点，但是还未见有将有机光电器件应用于可见光通信链路中的实验报道。这主要归结于两个原因：第一，当前市场上缺少相应的有机光电器件，仅有商用有机电致发光二极管，而并没有有机光电探测器可售，除非专门定制。其次，基于有机光电器件的可见光通信技术也是最近才被研究人员重视，当前所报道研究成果主要集中在发射器和接收器两方面。因而评估这种基于有机材料的光发射器和接收器在可见光通信链路中的性能表现显得很有必要。最近，英国诺森比亚大学环境工程系光通信研究小组的研究人员实验报道了一种基于有机光电器件的1-Mb/s可见光通信系统。该实验是世界上首个全部采用有机光电器件的自由空间光通信实验。由于具有较低的电荷传输特性，有机光电器件在几百个KHz范围内具有很高的频带限制(该实验中达到135kHz)。必须采用一个人工神经网络均衡器来消除码间串扰效应。在没有人工网络均衡器的情形下，实验测得的通信数据速率为350kb/s，而在施加均衡器的情形下，传输塑料厂可达到1.15Mb/s。

    在无源光网络中，网络线路故障的即时监控和修复一直是网络安全运行的重中之重。目前最主要的方法就是采用光时域反射计来集中和自动的对网络的故障进行监控和修复。无论是在时分复用无源光网络还是波分复用无源光网络中，都将受到来自全光分配网分路的锐利反向散射光的码间串扰，这将使得对网路中的故障定位变得非常棘手。对于波分复用无源光网络的监控来说，由于采用阵列波导光栅取代了被动分离器，光时域反射计的宽带脉冲将被分配到不同的多路复用信道中并且获取不同的强度，因而其故障定位问题将比时分复用情形更加复杂。如果采用一个可调谐的光时域反射计，其波长选择性将自动的解决故障识别问题。然而，可调谐的光时域反射计目前在还没出现在商业市场上，并且宽带光时域反射计的光谱功率密度太低以至于不能在单个WDM信道中提供一个合适的动态范围。最近，巴西里约热内卢天主教大学光通信研究中心的研究人员提出了一种基于可调谐光时域反射计的无源光网络故障监控方法。该故障定位原理为单光子探测法。该实验中所运行的网络为基于32个信道的周期性阵列波导光栅的波分复用无源光网络。其中采用L波段作为监控波段。在实验中他们评估了下行的锐利散射和拉曼散射对暗计数噪声的贡献并且进行相应的滤波处理。研究结果表明上行功率将对本底噪声产生最大的贡献，它是制约上行传输速率的关键因素。在整个包含上行和下行功率的网路监控实验中，研究人员发现该方案可达到32dB的动态范围等级，空间分辨率可达到5m。