2014年10月PTL光通信论文评析

光纤在线特约编辑：邵宇丰 方安乐 
    2014年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、无源光子器件、光纤制备、频率转换、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

1.激光器
    双波长激光器在很多领域具有重要的潜在应用价值，例如遥感测量、光通信器件、激光测距、测绘学、太赫兹波产生方面以及大量的医疗应用。通常来讲，在固体激光器中实现双波长输出的方法主要有三种：一是在主晶中掺杂两种不同的离子；二是在主晶中的单个离子上进行两种波长的同步激发；三是在耦合腔中采用两种不同的主晶。此外，最近也有研究人员二极管激光器也已被用来实现双波长输出。掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。目前来看，在掺钕钒酸钇晶体激光器中实现双波长输出的方法也主要有两种：对于长波段（数十个纳米以及更长），通常采用耦合腔来实现；对于短波段（几个纳米），通常采用一个校准器或者二相色镜来实现双波长输出。以上两种方法都各自的缺陷，校准器会使得谐振腔复杂化，而二相色镜也需要复杂的设计和精细的涂层工艺。相比这两种方法，法布里-泊罗带通滤波是一种很成熟的技术，这种滤波器的通带在在激光腔中抑制一种辐射震荡从而加强并获得另一种辐射震荡，因而可替代前面的校准器或者二相色镜方法。最近，厦门大学电子工程系的研究人员实验报道了输出波长分别为1064纳米和1085纳米的耦合腔掺钕钒酸钇激光器。他们利用两个电介质法布里-泊罗带通滤波器作为激光器的输出耦合器，采用808纳米梳状光纤激光二极管阵列来泵浦凹面谐振腔中的掺钕钒酸钇晶体。在该实验中，第一个法布里-泊罗滤波器用于抑制1064纳米的强辐射从而促进1085纳米弱辐射的震荡。第二个法布里-泊罗滤波器被用来尽可能地传输1085纳米的激光以及加强1064纳米的辐射震荡。最终在1.4瓦的泵浦功率下实现了1064纳米和1085纳米的双波长输出。该双波长激光器的泵浦功率阈值为1瓦，最大输出功率为220毫瓦，斜率转换效率为8.7%。

     被动锁模光纤激光器一直是激光器领域的研究热点，这是源自其在许多领域都具有非常重要的应用价值。作为光纤激光器家族的一员，多波长被动锁模光纤激光器的实现方法是在谐振腔中置入各种不同的梳状滤波器，从而实现多波长输出。由于可在不同的波段同步输出多个脉冲，多波长光纤激光器在波分复用系统和光谱学上有着重要的应用。目前为止，各种被动锁模技术如半导体饱和吸收器、非线性偏振旋转技术、非线性放大环形镜技术、碳纳米管、石墨烯和拓扑绝缘体都可用来实现多波长光纤激光器中的被动锁模。然而，上面的各种锁模技术所得到得多波长输出波形都是双曲正割形脉冲。另一方面，光纤激光器中的矩形脉冲产生在激光物理领域已成为一个研究热点，这是由于矩形脉冲有着诸多潜在的应用如全光方波时钟，激光微加工技术，激光测距以及光传感技术。事实上，通过选择光腔参数可在光纤激光器中频繁地观察到矩形脉冲。 对于矩形脉冲的形成机制目前只要有两种观点：其一是谐振腔中的弱峰钳位效应；其二是最近才提出的耗散孤子共振机制。然而，目前人们研究的矩形脉冲主要集中在单波长输出，多波长矩形脉冲输出还未见报道。最近，华南师范大学光电信息科学与工程学院纳米光子功能材料与器件实验室的研究人员实验报道了在被动锁模光纤激光器中可实现多波长矩形脉冲输出。他们在实验中观察到的多波长矩形脉冲为不同中心波长矩形脉冲的叠加，并且脉冲宽度随着泵浦功率的增加而展宽。利用自相关器可证实该矩形脉冲为类噪声脉冲。此外，通过适当地旋转偏振控制器可实现双波长或者三波长矩形脉冲的输出。该实验结果为光纤激光器中类噪声多波长矩形脉冲的形成机制提供了一个新的观点。
    近年来，利用掺钬光纤作为主动介质来实现2微米及以上波段激光的输出已变得非常热门，基于光纤激光器产生的大于2微米的相干辐射（连续波或者脉冲）也有着丰富的应用。掺钬光纤激光器在过去几年中取得了相当大的进展，无论是在输出功率还是在转换效率方面。最近，墨西哥光学研究中心的研究人员实验报道了采用一种新型的1.064微米的光泵浦技术在钇钬双掺杂光纤中实现了2.05微米的连续波输出。他们在该激光器中采用了非常简单的非优化法布里-泊罗腔，得到了约0.8瓦的低阈值功率以及约15.6%的适中的斜率效能。该实验所产生的高亮度2.05微米输出光具有非常优异的激光特性，此外，这种双掺杂光纤激光器的稳定性非常好，每天数小时连续不断的运行测试结果表明其输出功率的震荡范围仅为3%。
2.无源光子器件
    超常介质(metamaterials)是一种人工合成的、具有微納尺度结构单元的复合材料，它具有天然材料所不具备的一些奇异电磁特性。近年来，超常介质的应用研究在新型的无线通信、光通信、雷达、超分辨率成像、微波吸收、电磁隐身技术等许多领域得到了快速的发展。基于超常介质的完美吸收器是超常介质诸多应用中一个非常引人关注的研究方向。这种完美吸收器自从被实验证实之后，由于其具有非常广泛地应用如生物医疗传感器、辐射热测定计以及可调谐的光子探测器等，大量的研究人员致力于对这种超性能吸收器进行了设计上的优化和制备工艺上的改进。然而，传统的只有一个吸收带的超常介质吸收器难以满足一些应用领域如光谱探测和能量采集仪器的要求。因此，高吸收率并不是超常介质吸收器的唯一优点，其它的一些优秀特性如偏振独立、对入射角不敏感以及多频带或者宽带吸收特性使其成为吸波材料的重要选择。多频带超常介质吸收器可利用单共振结构或者多共振结构来实现。利用单共振结构的高阶模可实现多频带的共振响应。然而对于单共振结构来说，不同共振模式的频率和强度与其结构单元的几何尺寸密切相关，因此很难去独立的调控其共振频率和强度。另外，虽然也有研究人员利用非对称金属结构实现了双频带吸收器并且可以很容易地调谐其吸收峰值，但是这种复杂结构在制备上的困难使得其吸收特性在实验中难以得到验证。另一方面，基于多共振结构的超常介质吸收器在操控共振模式方面具有天然的优势，这源于其共振单元在功能上的独立性，并且不同的共振单元可以不同的方式进行排列如渔网结构或积木结构。最近，北京大学微电子研究所微纳制备科学与技术国家重点实验室的研究人员设计并制备出了一种近红外波段双频带超常介质吸收器。这种吸收器的最小单元为一个十字谐振器联合4个单开口环组成。其背景材料为金，实验中将其沉积在二氧化硅电介质基底上。这种吸收器在4.17微米波段和4.86微米波段的吸收峰值分别达到了90.3%和88.4%。研究人员基于德鲁德模型，采用多重反射干涉理论解释了该吸收器的吸收机理，理论结算结果与仿真和实验结果吻合的非常好。此外，这种吸收器在很宽的带宽范围内对电磁波的入射角度和偏振方向不敏感，因而具有很高的应用价值。

3.光纤制备
    近年来，多芯光纤由于具有许多重要的应用而受到国内外研究人员的广泛关注。其应用领域包括大容量信息传输、光纤色散管理、张力传感器等。多芯光纤（Multi Core Fiber）是一个共同的包层区中存在多个纤芯的光纤。按照包层内纤芯的间隔距离，可分两种功能：其一是纤芯间隔大，即不产生光耦合的结构。这种光纤，由于能提高传输线路的单位面积的集成密度。在光通信中，可以作成具有多个纤芯的带状光缆，而在非通信领域，作为光纤传像束，有将纤芯作成成千上万个的。其二是使纤芯之间的距离靠近，可使传输的光波产生耦合作用。利用此原理可开发双纤芯的敏感器或光回路器件。多芯光纤最经典的应用为空分复用技术，这种技术使得数据传输容量达到了一个前所未有的量级。最近，有实验报道了利用12芯的多芯光纤实现了1.01Pb/s（1Pb=1000Tb）的数据传输速率。迄今为止，为了最大化空间利用率和减少信道间的串扰，研究人员提出了各种不同的多芯光纤设计和制备方案，包括六边形紧密包裹结构、双倾斜结构以及单环结构等。最近，人们成功制备出了一种新型的多芯光纤—多芯扁平光纤，这种多芯扁平光纤已被证实可实现低串扰传输，具有高输出功率的激光放大器等。相比六边形结构，多芯扁平结构由于具有更少的近邻纤芯对，因而具有更低的串扰，其最低串扰被实验证实可小于-60dB。到目前为止，多芯扁平光纤的制备技术主要有以下几种：1，堆积和拉伸方法，通常用于构造光子晶体光纤；2，在矩形玻璃基底上钻孔然后用掺杂玻璃棒填充；3，在内孔为方形的空心玻璃管中堆积掺杂玻璃棒；4，利用钳形玻璃实现方形三明治结构和矩形平行六面体结构波导组片。以上方法有的需要矩形横截面预成型，有的构造方案非常复杂。最近，马来西亚马来亚大学电子与电气工程系集成光学研究小组的研究人员提出了一种新型的构造多芯扁平光纤的方法。他们制备出了一根40米长，横向尺寸为230微米×670微米的6个纤芯阵列形成一排的多芯扁平光纤。外层采用聚合物材料包裹。该多芯扁平光纤的内芯串扰低于-74dB.该方法大大简化了多芯扁平光纤的构造思路，使得多芯扁平光纤的制造更加快捷灵活。
4.频率转换
     超高分辨率光谱学、太赫兹相干通信、太赫兹计量学以及太赫兹无线天文学等领域都需要超稳定的连续波太赫兹源。一般来讲，通过在光检测器中实现两个连续波的差频可产生稳定的太赫兹连续波信号源，其稳定性主要取决于相位锁定回路。当外差拍频处于太赫兹波段时，最主要的问题将变成将太赫兹拍频下转换成射频以实现标准的相位锁定回路。因而此时最重要的实验步骤是利用非线性电光调制器来作为联系两个间隔非常大的光频带隙间的纽带。光电相位锁定回路的原理就是维持两个不同频率光波的拍频信号稳定于100GHz，并且据报道这种锁相回路在改进方案后最高可达到250GHz。此外，四波混频也是一种有着非常重要的应用价值的非线性光学现象，例如在远程通信中一根光线中同时传输多个载波时，四波混频效应将变得不可忽视。最近，法国雷恩大学的研究人员在零色散斜率高非线性光纤中利用标准的马赫增的干涉仪实现了太赫兹光拍频光电下转换到射频波段的非线性过程。其中利用四波混频效应得到的2个交错的光梳包含了75个谐波成分，这个简单的利用四波混频实现的下转换过程被用于实现一个双频固态激光器中的频率差的相位锁定。

5.光网络及子系统
    光纤无线集成通信系统将是未来通信网络的主要通信技术之一，这是源于这种通信技术将光纤通信的大带宽和无线通信的高机动性这两个各自的显著优点有机地结合在一起。随着用户对IPTV、互动视频游戏、视频会议、P2P、以太网专线、视频监控、传感物联等高速率、高质量业务需求的增加，接入网带宽需求快速增长。此外，由于用户对全覆盖、移动性等接入灵活性、便利性的需求，移动宽带化和宽带移动化成为业界共识。同时，接入监测环境的复杂性、接入监测需求的多样性和无线接入在传输距离和带宽之间的矛盾，决定了无线接入和光接入共存、互补，光纤与无线融合的发展趋势。随着接入网技术的发展，光接入与无线接入的融合不仅很好地顺应未来接入网宽带化与泛在化的发展趋势，同时将成为汇聚传输各种传感信息实现物联网的广域覆盖的主要技术手段。换句话说，对于光纤无线通信系统而言，每一个光波分复用信道的比特率已经可达到100Gb/s，或将随着多级调制技术和数字信号处理技术的发展而超过这个速率。相比偏分复用正交相移键控调制技术（PDM-QPSK），100G光波分复用信道采用更高级的偏分复用16进制正交幅度调制技术（PDM-16QAM）可获取更高的频谱效率和更小的占用带宽，其带宽将小于25GHz。另一方面，未来的Gb/s量级的无线通信系统将会位于带宽充足的毫米波频段（30GHz-100GHz）和太赫兹波段（100GHz-10THz）。基于光子技术的毫米波和太赫兹波的产生技术不但克服了电子器件的带宽极限，而且可有效地促进无线网络与光纤光通信网络的无缝连接。最近，利用光生毫米波技术可实现100-和400-Gb/s PDM-QPSK/PDM-16QAM 调制的光纤无线系统的集成。然而，在先前的系统中无线毫米波信号是电调制信号，其具有及其有限的射频传输距离。此外，随着比特率和毫米波载波频率的增加，将使得电调制格式的毫米波信号解调变得更加复杂。复旦大学信息科学与电磁波重点实验室的研究人员提出并实验验证了W波段的光纤-无线-光纤传输系统的无缝集成。他们在该实验中采用的毫米波信号为光生毫米波，在该系统中，128Gb/s的偏分复用16QAM信号首次在28号单模光纤中传输了50千米，然后在100GHz波段通过1-m 2×2的多输入多输出无线链路，最终在另外的50千米28号单模光纤中完成最后的传输实验。其传输过程中的误码率小于第三代前向纠错码阈值2×10-2。该系统可以很好地兼容高级QAM调制并且很适合大容量高频谱效率的光纤无线集成通信。
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