2014年12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12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、太赫兹光波导、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器
    掺钇光纤激光器由于具有高效、大功率缩放比以及光束质量良好等优点，因而在最近十年来得到了极大的关注和发展。二氧化硅玻璃中钇离子的光学特性可以使得激光器的输出光谱宽度覆盖976nm—1200nm波段。为了达到较高的输出功率，人们往往选择C波段的1060nm到1080nm波长区间作为中心输出波长。相反，L波段的掺钇光纤激光器的功率非常低。换句话说，L波段的高功率激光器具有很重大的应用前景。目前所报道的多波长激光器主要应用于C波段 , 随着通信容量需求的提升，应用于 L波段的多波长激光器也引起关注。L波段掺饵光纤放大器( EDFA) 的增益不但高，且具有天然的平坦性，所以在波分复用系统中的应用受到越来越多的重视。在用作测试光纤放大器的各种光源中，光纤激光器具有阈值低、波长易调谐以及容易与光纤连接等优点。与外腔半导体激光器相比，光纤激光器虽然调谐带宽受到增益带宽的限制，但是具有低的相干性和偏振特性，因此是较为理想的测试光源 。最近，中国国防科技大学的科研人员实验报道了中心输出波长为1150纳米的二极管泵浦的掺钇光纤激光器。该激光器采用了传统的双胞层掺钇光纤，其运行环境为室温。由两个976纳米的激光二极管直接泵浦，激光腔由一对光纤布拉格光栅和一根掺钇光纤组成，其中光纤布拉格光栅的中心波长为1150纳米，反射率达到99%。而另一个反射率为74%的光纤布拉格光栅作为输出耦合器。实验测得的最大输出功率为52.6W，其斜率效能高达60%。这是迄今为止所报道的长波段二极管泵浦掺饵光纤激光器所能达到的最大输出功率。

    布里渊光纤激光器由于其极窄的线宽、极好的相干性和多波长稳定输出的能力，在光纤陀螺、光纤传感、密集波分复用( DWDM) 以及相干光通信系统中具有广泛的应用，是目前国际上激光技术研究的热点之一。目前，布里渊光纤激光器的研究方向主要包括:布里渊调Q光纤激光器、多波长布里渊光纤激光器和布里渊窄线宽光纤激光器。　窄线宽光纤激光器是光纤激光器的一个主要研究方向，它以线宽窄、低噪声等优点而广泛应用于光纤传感、光纤遥感以及光纤通信等领域。如果只允许一个纵摸振荡，则形成单频激光器，其输出光具有极高的时间相干性。目前，研究人员已经提出了多种压窄线宽的方法，主要有3种:第一种方法是用波长选择器件( 如可调滤波器、布拉格光栅、光纤环形镜、偏振控制器等) 限制增益谱内起振的纵模数，让满足特定条件的少数激光频率的光振荡起来，起到压窄线宽的作用;第二种方法为饱和吸收体法;第三种方法为非相干技术法。布里渊窄线宽光纤激光器利用受激布里渊散射作为增益介质，将激光器的激射模式限制在带宽只有约20 GHz 的布里渊增益区内，得到线宽很窄，甚至只有几赫兹的激光输出，成为窄线宽光纤激光器研究中很有前途的发展方向。最近，香港大学电气与电子工程系的研究人员提出了一种混合布里渊掺饵光纤激光器。研究人员将基于自动跟踪滤波器的饱和吸收器引入该激光系统以实现单纵模输出。实验证实在使用了150米长的布里渊增益介质的情况下，激光器的线宽缩小比例为166。同时，采用腔内掺饵光纤放大器来补偿由模式选择器件带来的损耗问题。在980纳米波长120mW的泵浦光功率下测得的布里渊泵浦阈值功率为3mW，最大输出功率为7mW。此外，自动跟踪滤波器的引入不但抑制了自发辐射，而且还使得该激光器的带宽调谐范围覆盖了整个C带频段。
微腔激光器是近年来电子学和光子学中蓬勃发展的一个新领域 , 其核心 部分为其中的微谐振腔(简称微腔)。微腔激光器是谐振腔尺度在光波波长量级的激光器。它具有低阂值、高转化效率、高速调制等特点。目前，其主要结构、形式有垂直腔面发射激光器和微盘激光器。垂直腔面发射激光器一般是以高反射率的多层介质膜作为平面腔镜，激光垂直于腔镜表面出射;微盘激光器则是利用弯曲介面的全反射形成腔限制，以回音壁模式作为主要谐振模式。微腔激光器相比传统的法布里波罗激光器，前者在芯片级的光子集成回路上具有更大的应用前景，例如信息处理、光学传感等。最近，新加坡科学与工程委员会数据存储研究所的研究人员提出了一种紧凑型的正方形微腔激光器，该激光器是在基于磷化铟的多量子阱材料平台实现的。研究人员同时对该激光器的输出特性进行了数值模型分析和实验表征，并且与相同平台上的其它类型的微盘激光器特性做了比较分析。结果表明，该微腔激光器具有较低的受激辐射阈值，并且相对微盘激光器而言具有较高的效率差异。此外，该微腔激光器具有很高的质量因子和泵浦注入效率，其运行环境对温度不敏感。该实验结果对芯片级光源的应用具有重要的意义。
2.无源光子器件
手性超常介质(metamaterials)的发展推动了纳米光子学的进步。现今，基于超常介质的二次谐波产生，电磁隐身，负折射率超常介质以及圆偏振敏感性等研究方向都可运用几何手性设计超常介质来实现。手性超常介质的一个特别重要性在于它可以在纳米尺度上很好地辨别光的各种圆偏振态。此外，这类超常介质还可以用于分子立体化学探测，氨基酸结构测量、蛋白质以及病毒探测或者作为安全量子信息系统的一部分。与此同时，纳米光刻技术使得等离子体超表面在这些领域的应用变得越来越贴近现实。最近的一些相关报道证实平面超表面可以依靠正常入射电磁波的圆偏振态辨识光在传输特性上的一些差异。澳大利亚墨尔本大学物理学院的研究人员提出了一种基于手性等离子体超表面的圆偏振滤波器件。这种手性超表面是由一个金属薄膜上的纳米尺度沟槽阵列组成的，该结构对左圆偏振光和右圆偏振光的响应具有不对称性。这种滤波器的工作原理是基于纳米孔径对阵列的远场干涉效应。研究结果表明该滤波器的性能在理论和实验上保持高度一致。此外，他们还发现通过这种微结构的左圆偏振光和右圆偏振光的透射谱有10%的差异。这种超紧凑型滤波器可应用于遥感技术和先进远程通信等领域。
光纤传感器与普通机械、电子类传感器相比，它具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点，被广泛地用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。近年来，高精度、高速度测量物体位移越来越受到注重，特别是对狭小空间的小位移量的测量正在进行大量的研究和探讨。因此，利用具有独特优势的光纤传感技术的位移测量越来越受到人们的重视近年来，随着光纤光学技术的飞速发展，各种类型的光纤传感器已可用于实现微小位移的测定。这些传感器具有很多优点，其中包括对电磁免疫，结构简单，在光电信号转换系统中良好的互联性，以及实时传感特性等。光学技术尤其在微小位移传感领域具有大量的应用。光纤光位移传感器可用于快速或自动化测量。光纤位移传感器也可分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。其中，光纤微弯位移传感器利用微弯效应制作的光纤位移传感器是一种典型的内调制式光纤传感，它利用光纤的微弯损耗来检测外界位移的变化。一根多模光纤从一对机械变形器中间通过，当变形器受到微扰(位移)作用时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲。光纤的随机弯曲引起光纤中的一部分光被泄露到包层中去，通过检测光纤纤芯中的传导光功率或包层中泄露光功率的变化，就能测量出与之成一定关系的位移大小。最近，北京交通大学全光网络与先进光通信网络实验室的研究人员提出了一种基于马赫曾德干涉仪的光纤传感器，该传感器由两个级联的光纤定向耦合器组成，主要用于高灵敏型的微小位移测量。光透射谱的自由光谱范围将随着传感器臂中的缺口尺寸变化而变化，该原理被研究人员首次用于传感位移变化。实验测量结果与数值仿真结果吻合的相当好，该传感器的最大位移灵敏度达到了66nm/μm，是其它类型的光纤位移传感器的40倍。此外，通过增大光源和信号探测器的波长范围可提升该位移传感器的灵敏度。图二为这种光纤位移传感器的实验装置图。

3.太赫兹光波导
太赫兹（THz）通信是一个极其具应用前景的技术，THz波有非常宽的还没有分配的频带，并且具有传输速率高、方向性好、安全性好、散射角小及穿透性好等许多特性。上世纪九十年代前，由于缺乏有效的THz源及检测技术，致使人们对THz波的认识非常有限，THz成为电磁波谱上的空隙。近十年来激光等新技术及电真空技术的迅速发展为THz的产生提供了可靠的源，THz检测技术也获得了长足的发展。当今大多数太赫兹系统都是利用自由空间作为太赫兹波传输的媒介。THz波传输的信道是联系THz波发射及接收两部分的中间纽带，在整个THz应用来说是至关重要的部分。在近距离及室内应用而言，除了利用空间直接传输信息外，还可采用各种介质波导来传输以克服Thz波在近地大气中水蒸气吸收极大的缺点。众所周知，自由空间中的太赫兹传输将会遇到各种各样的困难和障碍，包括周围大气层环境导致的不确定吸收损耗，发射接收机校准相关以及其他问题。为了克服这些困难，研究人员提出用制导传输取代非制导传输。人们发现太赫兹波可以在各种传统的金属波导中传输。随后，塑料亚波长光纤由于具有很低的材料损耗而走进了人们的视野，为了将材料损耗降低到更低的数量级，光子晶体光纤、空心光纤以及聚合物多孔光纤逐渐成为太赫兹波导的更佳选择。在上述诸多的波导中，亚波长多孔光纤所展示出的一些优点如损耗极低、设计和构造的灵活性和较小的光纤直径。此外，多孔光纤的色散可以很好的人为控制。在这种光纤中，由于纤芯的亚波长直径，基态导波模将围绕着空气-包层，因而可得到很低的吸收损耗。最近，孟加拉国拉杰沙希工程技术大学电子与电气工程系的研究人员报道了一种具有超低材料损耗和在通信窗口具有近零色散的光子晶体光纤，这种光纤非常适合太赫兹波的导引传输。他们采用有限元分析法完美匹配各层的圆形边界以考察光纤的导波特性。数值结果表明在1.0-1.8THz的频谱范围内可由这种光子晶体光纤实现在1.0THz波段的超低材料吸收损耗（0.056cm-1）,以及值为±0.18ps/THz/cm的近零平坦色散。
4.光网络及子系统
光载无线通信radio-over-fiber（ROF）技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。该技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入，具有低损耗、高带宽、不受无线频率的干扰、便于安装和维护、功率消耗小以及操作更具灵活等优点。现如今，有大量的研究人员从事ROF传输方面的研究，然而ROF系统常常受到非线性失真和信号衰减的问题的困扰，系统必须引入相关的线性化技术如数字信号处理技术或模拟信号处理技术，来补偿损耗或消除信号失真。或者不得不耗费更多的设计成本，从而导致一个更复杂或者低性价比的解决方案。为了解决这类模拟ROF问题，人们提出了一种新型的数字化ROF方案。该方案采用一个带通采样技术以实现模拟-数字或者数字-模拟之间的转换。一个模拟信号在中心单元被适当地转换成相应的数字脉冲串，经过传统的数字光纤-光链路传输，然后在终端被成功地恢复。在采用数字通信链路的花费成本方面，尽管早先的数字ROF技术不但在中心单元需要一些额外的信号处理模块，而且在终端也需要相应的信号处理模块。此外，根据带通采样步骤，一旦为某个特定的射频区间设计DROF信号处理模块，那么这些信号处理模块将很难得到在其他频段的再利用。最近，韩国大田电子与通信研究所的研究人员提出了一种数字化中频无线传输系统。该传输系统基于Δ-σ调制技术，采用已实现的130nm CMOS模块，一个64-qam的10MHz信号被成功地数字化，并传输通过整个数字光纤-光链路系统。研究人员分析了传输信号的光谱、误差矢量幅度和星座图。分析结果表明，接收到的长期演进中频信号（LTE-IF）和量化噪声的功率等级差大于45dB，在接收端接收到的LTE信号的误差矢量幅度为2.48%。

随着云计算、社交媒体和移动数据业务的迅速发展，因特网和个人业务的带宽需求以每30%到60%的速度持续增长。业务带宽的增长趋势与降低单位比特成本的需求相结合，更加突显了高速光传输接口和高频谱效率技术的重要性。基于数字信号处理技术的光接入方案已被认为是一种可提高系统系能并能支持新兴服务应用的宽带接入解决方案。最近，日本电话电报公司接入网服务系统实验室的研究人员提出了一种新型的适用于正交频分多址复用无源光网络结构的光线路终端接收机。这种终端接收机由一个基于光相干探测的光增益控制单元构成。研究结果表明该终端接收机可标准化具有不同功率等级的上行正交频分复用信号，因而可以减弱OFDM/TDMA-PON系统中大量的限制因素。实验得到的接收机的动态接受范围为25dB，系统功率预算为29dB。该实验结果证实当整个系统满足当前PON网络标准规定的动态范围和功率预算时，该终端线路接收机也将满足由OFDM信号造成的线性需求。