2014年9月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 方安乐 
    10/13/2014，2014年9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、光纤传感与测量技术、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。
 1.光纤激光器
    近些年，脉冲光纤激光器在激光器领域一直受到研究人员的重视，尤其是皮秒和亚纳秒级别的脉冲光纤激光器，这是由于其在许多领域有着极其广泛和独特的应用，例如滤波，频率转换以及超连续谱产生等。并且这些应用对脉冲光纤激光器的特征参数和功能要求却有很大不同，如脉冲间隔、脉宽以及重复率等参数。此外，在很大的时域范围内可调谐的全光纤型脉冲激光器的功能性和应用性要比那些参数固定的激光器丰富得多。对于不同应用中的对脉宽和重复率的不同需求，时域可调谐型脉冲光纤激光器具有很强的灵活度，它的存在大大减少了整个应用系统的复杂程度。目前，通过引入合适的电脉冲产生器，然后利用激光二极管直接电流调制技术和连续波脉冲激光强度调制技术都可实现从皮秒到亚纳秒范围内的时域可调谐脉冲光纤激光器。当前，由时域可调脉冲激光种子源和稀土掺杂光纤放大器组成的光纤主震荡功率放大系统已取得重大进展并且应用在很多领域。相比其它种子光源，锁模光纤激光更具有出众的优点，尤其是它具有很低的信噪比和较高的输出功率。然而具有时域可调功能的锁模光纤激光器在这两个方面的表现并不出色。最近，中国国防科技大学光电科学与工程学院的研究人员报道了一种基于掺钇光纤的全光纤脉冲激光器，这种激光器的脉宽和重复率都可在很大的范围内被动可调，其锁模原理为基于高速腔内强度调制器的主动锁模。该激光器可产生稳态的皮秒脉冲串，并且脉宽的可调谐范围为从31皮秒到910皮秒，重复率的可调谐范围为从13.12MHz到6.2GHz（从基态到475阶谐波），该调谐过程并不改变激光谐振腔的结构。该激光腔的超模抑制比为45dB，其在6.2GHz重复率下的信噪比要优于48dB。这是迄今为止在全正常色散掺钇光纤激光器中所能实现的最高阶谐波锁模（475阶），并且具有迄今为止所报道过的最大的脉宽和重复率调谐范围。

    空分复用的实现方法是利用多芯光纤或者多模光纤在空间上的自由度来复用多路信道，目的在于解决目前单模光纤的容量瓶颈。利用多模光纤实现空分复用又被称为模分复用。当前，工作于不同横模上的光纤激光器一直被人们寄望于应用在模分复用系统中，然而目前对于这种类型的激光器的研究非常少。利用单波长连续波激光器可产生圆柱形的矢量光束已被实验证实。这种激光器依靠少模光纤布拉格光栅和腔内的偏移拼接来产生快速偏振和方位偏振模。此外，利用少模或多模光纤布拉格光栅可在多模激光器和波长开关激光器中实现波长选择功能，目前已有研究人员报道了可用线性掺钇光纤谐振腔和少模光纤布拉格光栅协同一个可调滤波器来实现模式选择和波长选择的同步性。在此基础上，香港城市大学电子工程系的研究人员提出了一种被动锁模光纤激光器，该激光器包含一个双模光纤布拉格光栅因而可实现横模的选择。在实验中，研究人员通过控制谐振腔内激光的偏振态，该激光器可在LP01模、LP11模或者两者混合的模式上实现连续波输出，这些模式与光纤布拉格光栅中的不同的反射波长相对应。当激光器处于锁模状态下，它可在LP01模和LP11模式下输出重复率为6.58MHz的皮秒脉冲，其输出脉冲的信噪比高于56dB。此外，研究人员还证实了在足够高的泵浦功率下，该激光器可以产生不规则的多重脉冲串和谐波锁模脉冲，这种类型的光纤激光器可应用于光纤无线通信的模分复用系统中。
    单壁碳纳米管作为一种具有战略意义的新兴材料，它在复合材料、平板显示、真空电子器材、生物探测器、抗电磁干扰材料等方面有着广泛的应用前景。最近，人们发现单壁碳纳米管的光学吸收特性会随着入射光的强度和能量的衰减而变化。这种非线性光学特性使得单壁碳纳米管在超快光子学方面有着潜在的应用。尤其对于被动锁模激光器来说，单壁碳纳米管由于具有很宽的吸收带宽和超快的恢复时间（~1皮秒），它可在激光器中作为非常好的可饱和吸收材料。目前已有科研人员将它用于光纤激光器中。当前将单壁碳纳米管饱和吸收器集成于光纤激光器谐振腔内的方法主要包括三明治结构、消逝场互作用法以及液态法。相比其它方法，液态饱和吸收器由于具有高热损耗的优点因而具备较高的损伤阈值。最近，北京科技大学应用科学学院信息光子技术研究所的研究人员报道了一种基于重水中单壁碳纳米管作为可饱和吸收器的锁模光纤激光器。他们发现这种基于碳纳米管的液态饱和吸收器具有非常高的透光度、热损耗和损伤阈值。研究人员在实验中测得该激光器的输出脉冲脉宽为306飞秒，最大平均输出功率为20毫瓦，中心波长为1560纳米，输出谱宽为15.2纳米。

2.无源光子器件
    光纤调制器因其低损耗、宽调制带宽的优点而成为光通信系统中非常重要的元器件之一。然而，对于大多数光纤调制器来说，将一个外部的电光器件引入光纤通信链路，不但增加了整个系统的复杂程度，而且将导致不必要的插入损耗。此外，由外部调制引起的逆向散射还将对激光源造成一定的损伤。对于以上这种缺陷，目前有许多克服的方法，例如在光学路径上插入一个吸收器或者反射性材料如吸收性液晶、铁电晶体或磁性流体，但这些方法都在系统构建上存在一定的困难；另外还有某些光纤调制器依赖于对光学路径物理破坏的修正例如对纤芯的直接加热以及采用萨尼亚克环结构等，这些方法的缺陷是不易操控和调制效率低下。导致其调制效率低下的原因主要有两个：其一是因为在外部器件和纤芯之间存在大面积的包覆层，这将导致光学调制的难度增大；另一方面是因为对于硅材料，光与物质的相互作用相当弱（硅材料中有效折射率的变化仅仅只有10-4量级），因而其很难被集成到光学回路中。所以往往需要很长的光纤长度（米量级）才能实现调制功能，这使得其很难符合集成光子回路的微型化需求。因此，为了增大调制效率，必须增强光纤纤芯区域的光与物质的相互作用。近年来，一种新型的二维材料石墨烯引起了研究人员的广泛关注，石墨烯在电学、机械以及光学特性方面具有很多其他材料无法比拟的独特性质。其面内介电常数可利用化学势来主动调节，这使得其在主动调控光学器件方面有着潜在的应用。此外，石墨烯已被人们用于光学调制器，包括吸收调制器、马赫增德调制器等。最近，浙江大学信息科学与电子工程系的研究人员提出了一种基于石墨烯的光学调制器。该调制器可被集成到通信光纤中。研究人员将石墨烯直接固定在光纤的纤芯处以保证耦合效率。他们将光纤进行精细地外圆加工以增强光与石墨烯的相互作用。在前期研究结果的基础上，他们采用二维模型分析法和三维时域有限差分法严密地分析了基于二维各向异性石墨烯模型的光学调制机理。数值结果表明，基于这种石墨烯模型单臂长度为12微米的相位调制器可增大光调制效率。此外，研究人员还首次在理论上发现了相位改变与石墨烯的化学势之间存在一种准线性关系。，该结果为光学相位调制的操控提供了一个较大的线性动态区间。

    在非线性光学领域，强光一直被广泛的应用于各种光路，例如作为实现光功率放大的主动介质泵浦，相干受激辐射，单光子源的量子点泵浦，各种非线性光学过程如四波混频、微型或纳米谐振腔的泵浦源等等。与此同时，对于经典信号和量子信息处理领域，光子集成回路中的信号通常由弱光或者单光子进行编码处理。因此，那些从强泵浦光中分离出的杂散光将在信息处理过程中导致误码以及较高的噪声背景。也就是说，在集成光子回路中需要一个光学“垃圾仓库”，这个仓库的可以无反射地完美吸收那些强泵浦光。在过去的数十年中，研究人员提出了各种类型的由等离子体纳米谐振腔阵列构成的空间二维或三维吸收器。令人意外的是，可与电介质波导兼容的集成型吸收器反而被人们忽略了。其实我们可以借鉴空间吸收器的想法来将精密的耦合谐振腔引入集成光子回路，用于无完美吸收那些入射的强光。然而这种基于谐振腔的吸收器存在几个局限性：第一，谐振腔必须在临界耦合条件下工作，这将导致对腔体几何参数的高度依赖性；第二，它的吸收谱的轮廓为洛伦兹形，也就意味着很窄的带吸收带宽；第三，谐振腔的共振波长对温度敏感，这将导致吸收谱会随着温度的变化而偏移，导致吸收带宽的不稳定；第四，腔的共振特性与其有限的响应速度相对应，这也意味着在腔内的稳态场建立之前激光脉冲并不能被吸收。此外，由于光子回路中的共振是偏振相关的，因而两个正交的偏振分量并不能同时被吸收。最近，中国科技大学量子信息重点实验室的研究人员提出了一种可应用于光子集成回路的宽带等离子体吸收器。众所周知，表面等离子体偏振损耗是基于等离子体信息传输的一个致命缺陷。然而他们提出利用这个缺陷可构建一个等离子体吸收器用于吸收光子集成回路中的强杂散光。受益于绝热模式演化，这种吸收器的性能对带宽大于300nm的入射光波长并不敏感，并且能很好地适应周围的环境和温度。此外，金属材质使得其体积非常紧凑并且热耗散性能良好。研究结果表明，对于40μm长的等离子体吸收器，其在1550nm波段的吸收效率超过99.8%，反射率和透射率都小于0.1%。研究人员指出这种吸收器将在光子集成回路中有着潜在的应用，它将可以消除光子集成回路中的残余泵浦光和杂散光。
 
3.光纤传感与测量技术
    光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再过利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点：它的电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。最近，成都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提出了一种可同时测量高温和张力的光纤传感器。这种光纤传感器由一个微型法布里波罗腔和一个短光纤布拉格光栅重叠组合而成，它的温度测量极限为300摄氏度。研究人员利用157nm的激光源采用显微机械加工技术在掺杂二氧化锗的光子灵敏光纤中构建了一个微型法布里波罗腔，并且采用248nm的激光源在光纤中与微腔相同的位置构建了短光纤布拉格光栅。由于法布里波罗腔和光纤布拉格光栅具有不同的温度和张力灵敏系数，因而可以实现温度与张力两个参数的同步测量。
 
4.光网络及子系统
    相比其他长途通信光缆线路系统，无中继传输系统主要瞄准于长距离的光信号传输，长距离无中继传输系统可将远程泵浦激光器与信号光的发送端或接收端设备放置在一起，增益介质放置在光纤线路当中，整个光传输线路部分没有任何有源设备，从而减小了系统的复杂度，提高了系统的可靠性，降低了系统的建设运维成本，具有传输容量大、传输距离远、通信质量高，结构简单，开通迅速，维护方便，成本低廉等诸多优点。长跨距无中继全光传输技术的适用范围十分广阔，该技术可应用于以下几个方面：一，岛屿与岛屿、岛屿与大陆间长距离大容量通信；二，海底光缆通信系统应急抢通和替代升级；三，还与光缆工程规划建设；四，沙漠、高山、峡谷、戈壁等跨无人区长距离光缆工程建设。最近，美国萨摩萨特OFS实验室的研究人员实验验证了传输距离达402千米，传输速率达到6.3Tb/s（63×128Gb/s）的无中继光纤传输系统。实验中他们在发射端采用了高功率包层泵浦L波段掺铒光纤放大器，在接收端放置一个远程泵浦光放大器，联合超大面积光纤、低损耗和零水峰损耗光纤构成了整个无中继传输系统。此外研究人员还给出了实验中所采用的掺铒光纤放大器的设计思路和特性分析，探讨了远程泵浦光放大器的系统性能优化，以及在大容量长距离无中继传输系统中拉曼效应对整个系统的影响。

    当前，随着数据客户的数量急速增长，电信运营商对网络容量和传输速率的需求一直以螺旋式向上提升。为了匹配高速光纤通信系统的容量，建立每秒数千兆比特的无线系统迫在眉睫。最近，复旦大学电磁信息科学重点实验室的研究人员提出了一个可运行于W波段并无缝集成的光纤-无线-光纤通信系统，其技术支撑为光生毫米波技术及解调技术。在该系统中传输速率达到109.6-Gb/s的偏振复用正交相移键控信号可在SMF-28型单模光纤中传输80千米。该光纤-无线-光纤集成系统具有可比拟光纤-光通信系统的容量，很适合应用于应急通讯。