2014年11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11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、太赫兹技术、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

1.激光器
可调谐型光纤激光器在密集波分复用光通信系统、光纤传感器以及光纤器件测试等领域具有非常重要的应用前景，最近受到了研究人员的广泛关注。这种类型的光纤激光器的波长可调谐功能可通过在激光腔内置一个可调谐滤波器来实现。基于光学超大规模集成电路处理器或二维色散管理的自由空间滤波器可提供相当小的调谐幅度。不过这些器件通常会带来较高的插入损耗（最高可达14dB），导致的边模抑制比可低至35dB。另一方面，光纤滤波器具有低插入损耗、体积紧凑的优点，在全光纤激光系统中更容易与其它光学器件集成。在早期，光纤布拉格光栅和嵌入式法布里-泊罗滤波器通常被用于实现光纤激光器的可调谐输出。然而，以上两种方法的缺陷太明显，光纤布拉格光栅的构造需要昂贵的紫外激光器、相位掩摸和精确的加工技术，法布里波罗滤波器的可调谐功能是通过压电技术来改变腔长实现的，其可调谐范围仅仅只有1纳米。近些年，模式干涉仪由于其易于制备和低成本的优点，逐渐替代以上两种方式成为实现可调谐光纤激光器的首选，例如光纤探针、双头光纤探针以及多模光纤等等。光纤探针的调谐范围不低于8纳米。双头光纤探针滤波器的调谐范围可达到16.1纳米，其调谐幅度为0.07-0.5纳米。多模光纤滤波器可将C带得波长可调谐范围提高至30纳米。此外，高双折射萨尼亚克反射镜或者利奥双折射滤波器可提供的调谐范围为40纳米，然而其调谐幅度只有2.2纳米。因此，宽调谐范围与小调谐幅度很难同时实现。最近，北京交通大学电子信息工程学院的研究人员实验报道了一种C频带可调谐型掺铒光纤激光器。这种可调谐激光器是通过基于级联双芯光纤的定向耦合器实现的。实验中通过弯曲一个具有0.14米长度的双线光纤耦合器来实现激光器的输出波长的粗略调谐，而通过拉伸另一根长度为1.37米的双芯光纤耦合器来实现精确调谐。实验结果表明该激光器的输出波长可线性单调地在23.2纳米（1541.8-1560纳米）的带宽范围内调谐，其调谐幅度为0.22纳米，边模抑制比高达58dB，功率平整度为±0.1dB。此外，在实验中分别检测到的输出功率的起伏为<±0.05dB，波长漂移为0.004纳米。

锁模光纤激光器是皮秒脉冲和飞秒量级脉冲的重要光源。在许多应用中，通常用它来取代固体激光器来作为种子光源，这是因为相对后者来说，锁模光纤激光器具有体积紧凑、成本低和无需维护等优点。但是锁模光纤激光器的一些缺点也导致他的应用受限。例如，脉冲能量和脉冲峰值功率将受限于大量的非线性效应。此外，光纤的大色散将使得时域脉冲展宽导致脉冲的稳定性和连续性大大降低。目前已报道的大多数激光振荡器的工作范围都在10-100MHz，产生低重复率的超短脉冲输出仍面临很多困难。最近，比利时蒙斯大学应用光学系的研究人员实验报道了一种工作波长为1030纳米的全光纤被动锁模激光器。该激光器产生超快激光的基本原理是基于光纤中的非线性偏振演化效应。研究人员将一根长距离光纤连接在一个偏振器和一个法拉第反射镜之间，这种结构可产生各种各样的脉冲输出如类噪声脉冲、多重脉冲、突发脉冲和单脉冲锁模。在单脉冲锁模形态下，在低重复率948kHz情况下的脉宽为17.8皮秒。其中谱宽为2.2纳米，脉冲能量为68皮焦，偏振消光比约为15dB。
具有窄线宽的单模半导体激光器在光纤通信系统中有着广泛的应用，尤其是基于先进调制格式的相干光通信系统。在前几年，分布反馈式激光器和分布布拉格反射镜激光器都具有大于10M的线宽。降低激光线宽的方法通常都是通过增加腔长来实现的。然而，对大多数短腔激光器来说，其输出光的线宽通常在几个赫兹左右。目前分布反馈式激光器具有的最窄线宽为3.6kHz，但是其结构非常复杂。最近，美国加利福尼亚大学电子与计算机工程系的研究人员一种基于简单高产的蚀刻沟槽的单模激光器平台。这些位于激光腔内单边的沟槽为激光提供了足够的反射性，这将使得这种激光器可与其他的光电器件集成如半导体光放大器和调制器等。研究人员测量了这种简单易于构造的激光器的输出线宽。测得有效腔长为450微米的激光器的阈值电流为31毫安，单模抑制比为48dB。该激光器在室温下的最小洛伦兹线宽为720kHz。在温度范围为10℃—60℃之间时的线宽约为1MHz。
2.无源光子器件
自从单模-多模-单模型（SMS）光纤带通滤波器在实验中被证实以来，各种基于光纤的光谱特性的光纤传感器被用于温度、应力以及折射率的测量。基于SMS结构的光纤传感器之所以引起广泛关注是因为他对温度和张力的光谱响应与光纤布拉格光栅相当，并且其结构非常简单。在一个SMS滤波器中，在单模光纤中传输的光将与多模光纤中的各种模式耦合并且发生干涉，再通过另一根单模光纤进行模式过滤，导致入射光场在光纤轴线上周期性的成像。其最大透过率取决于这些模式的光程长度和传输常数。近几年来，大模场光纤由于在高功率光纤激光器中具有非常重要的应用，也逐渐引起了研究人员的兴趣。当在SMS滤波器中用一根大模场光纤取代多模光纤时，仅仅只有几个模式可以被激发，因此SMS滤波器的透射谱具有周期性的峰值特性。最近，中科院上海光机所与多伦多瑞尔森大学电子与计算工程系的研究人员联合提出了一种SMS滤波器。该滤波器中用到了一根具有梯度折射率的大模场光纤，其临界波长为1046纳米，也就是说在1046纳米处，传输光对温度和张力的变化非常敏感。当滤波器收到张力和温度变化的影响时，位于临界波长两边的干涉条纹将分别出现蓝移或红移。研究人员还基于双模干涉和它们的传输常数差进行了透射谱仿真。仿真结果与实验结果吻合地很好。它们指出这种SMS滤波器可作为一个可变的输出耦合器或者用于光纤传感。

偏振旋转器是在光通信系统和光子集成回路中非常重要的无源器件，例如偏振差异系统、偏分复用系统、偏振开关和滤波以及量子信息处理等。实现偏振旋转的方法有很多种，大致可分为三种类型：第一类方法是模式干涉。在纤芯的横截面部分光波导须具有很高的双折射，这可由非对称横截面结构和一些特殊材料或混合等离子体来实现。这种类型的波导可支持两种正交模式，并且这两种正交模式可有节奏地进行拍频，在经历每个拍长后会积累一个π相移。最终两个正交导波模在每一个拍频循环后会互相交换偏振方向。第二类方法是模式演化。该方法通过绝热波导实现偏振旋转，例如，缓慢的改变波导的几何结构。如果波导的结构改变的非常平缓，导引模将沿着波导进行演化。第三类方法是利用定向耦合原理。将两个波导设计成特定的尺寸，使得窄波导中偏振模的有效折射率等于宽波导中正交偏振模的有效折射率。满足这个相位匹配条件之后，两个波导间的模式就会产生相当强的交叉偏振耦合效应。最近，南开大学现代光学研究所光信息科学与技术教育部重点实验室的研究人员提出了一种光子晶体光纤偏振旋转器。这种偏振旋转器的实现方法是基于一种新型的机理—利用两个混合导波模间的模式干涉。研究人员通过在背景格子中引入两个缺陷和一个辅助的金纳米线，然后通过参数优化，实现了偏振旋转效应。实验结果表明该偏振旋转器可在1550纳米波段实现100%的偏振转换比，转换带宽约为100纳米，最高可至1627纳米，模式插入损耗低至1.2dB。基于全矢量有限元法的数值仿真结果表明对于TE模和TM模该偏振旋转器具有高达0.92的耦合效率。


3.太赫兹技术
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在3mm到30um范围，介于微波与红外之间；在有些场合特指0.3—3THz，还有时被赋予一种广义的定义，其频率范围可包含高达100THz的波，这包括整个中、远红外波段。由于受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着新世纪一系列新技术、新材料的发展，特别是超快激光技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。就目前的太赫兹技术来讲，在太赫兹波的操控方面，如何精准有效地操控和利用太赫兹波，还有大量的问题亟需探索和解决。众所周知，当一束光在一平面处发生全反射时，实际的反射光与几何理论反射光之间存在一个微小的横移，这种现象被称做古斯-汉欣位移。在过去的几十年，古斯汉欣位移现象在众多的电磁波段已被广泛的研究，如微波、中红外以及可见光波段。然而，有关太赫兹波段的古斯汉欣位移问题研究相对较少。最近，中国计量大学和巴黎电气工程实验室的研究人员联合提出了一种可操控太赫兹波的新方案。他们认为，通过调整外部环境的温度，可以改变具有温度灵敏性材料的折射率，因而可实现古斯汉欣位移在一个较大的横向范围内的动态调控。利用这种方案，不需要改变相关器件的初始结构就可以动态的控制太赫兹波。他们理论分析了古斯汉欣位移、外部温度、入射角度和入射频率间的关系。并且通过有限元方法数值验证和分析了可调太赫兹波的古斯汉欣位移的相关特性。此外，他们还发现，在0.857THz无线通信波段，这种具有温度敏感性的材料构成的探测器件具有24.3dB的消光比。

4.光网络及子系统
100Gbps的以太网标准在2010年已经建立完成,但是适用于100Gbps以太网
收发模块研制才刚起步。此外，10×10G的100Gbps光收发模块多源协议(MSA)是一些业内高速率光网络潜在用户对带宽要求的产物。目前10X10 MSA已由多家研究机构联合厂商共同制定并推广，10X10G多源协议要求10条速率为10Gbps的电信号通道直接嫁接到10个速率为10Gbps的激光器上。第一个激光器模块的传输需通过单模光纤，且距离至少到2公里甚至跟高的10公里或40公里，该协议已经成功用于现有的100Gbps光通信设备。具有10个通道的调制速率为10Gbps的直接调制分布反馈式激光二极管阵列是适用于此类多源协议需求的最佳光源之一，其中一个关键要求是每个通道的性能均匀性。例如，通过量子阱结构来构建多通道分布反馈式激光二极管阵列时，由于增益谱宽相当窄（大约30纳米），均匀的信道功率将受到严重的限制。并且当前大多数对于多波长分布反馈式激光二极管阵列的研究主要聚焦于其在密集波分复用系统中的应用。最近，韩国电子与通信技术研究所光无线融合研究实验室的研究人员提出了一种混合集成模块。该集成模块由一个10X10Gbps的分布反馈式激光二极管阵列和一个平面光阵列波导光栅组合而成。对于激光二极管阵列，他们采用选择性区域增长技术来适当地调控信道增益，而对于阵列波导光栅，他们采用电子束光刻法来精准地控制信道激光波长和光栅相位。为了减小两者间的耦合损耗，他们引入了2%-Δ结构。此外设计了锥形和抛物线型波导连接自由传输区域以增加带通谱宽。这种新型的集成模块的边带抑制比>45dB。在10Gb/s速率下的动态消光比>4.4dB。传输2千米后所有信道的功率损耗均小于1.5dB。
随着基于因特网服务的日益增长，下一代无源光网络（PON）必须支持更高的数据传输速率。在众多的解决方案中，时分波分混合复用技术（TWDM）已成为下一代支持超过40Gb/s的无源光网络的最主要解决方案。从2012年开始，该技术已被广泛的讨论和研究，人们发现TWDM-PON在带宽、功率预算、保密性和用户数等方面具有显著优势，但是目前限制TWDM-PON的是其组网成本较高。随着因特网技术的迅速发展，用户对高带宽的需求会进一步增加。另一方面，随着WDM技术的日益成熟，其其建成本逐渐下降，WDM技术应用于宽带接入网将成为PON的必然发展趋势。TWDM-PON技术的规模商用首先需要解决光模块的互换性，尤其是光网络单元侧光模块。固定波长光源的方案难以应用于商用的TWDM-PON中，因此“无色”光源技术是TWDM-PON系统攻关的关键技术。 目前，无色光网络单元（ONU）方案包括但不限于以下三种：可调激光器、注入锁定FP-LD和波长重用反射式半导体光放大器（RSOA）方式。目前，在TWDM-PON中，通常用直接调制激光器作为上行无色光源，而将一个反射式半导体光放大器分配在光网络单元中以实现下行信号灵敏度的提升。TWDM-PON是逻辑层面点到点，物理层面点到多点的连接，具有对协议和速率透明的特性，具有良好的可扩展性，因此应用也非常灵活。目前，TWDM-PON可应用于以下多种场合。最近，北京大学先进光通信系统和网络国家重点实验室的研究人员提出了一种对称型100Gb/s数据信号处理增强的时分波分复用无源光网络。他们实验验证了一个4×25-Gb/s的TWDM-PON系统，4对光信号在光纤中传输了26.7千米，其中采用了双边带正交频分复用调制（OFDM）技术。此外，在光网络单元中分配一个反射式半导体光放大器来增强下行OFDM信号的接收灵敏度；在上行传输中采用双边带单载波频域均衡调制技术来减小光网络单元的复杂程度和成本。