2015年1月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 方安乐
    2015年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、无源光器件、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器
    光纤激光器被称作激光领域的新兴技术，其发展和应用得到了社会各方面的广泛重视，近年来也成为科学研究的热点。光纤激光器具有低成本、易操作、体积紧凑以及稳定性好等优点。重复率高于200MHz的超短脉冲光纤激光器最近备受关注，该激光器可用于光学频率梳的产生、任意波前产生、以及高速光采样。此外，主动锁模技术和谐波被动锁模技术已被用于产生具有高重复率的超短脉冲串。然而，在主动锁模光纤激光器中，脉冲宽度受限于皮秒量级以及低于3纳米的谱宽。而由于激光腔中的超模产生，谐波被动锁模激光器相当不稳定并且无法实现低抖动操作。具有线性腔结构的被动锁模激光器联合可饱和布拉格反射器可实现高达2GHz的基态重复率，不过其谱宽仅仅局限于几个纳米，从而宽脉宽的获得常常要归功于由可饱和吸收器导致的慢脉冲整形机制。与前者相比较而言，基于腔内偏振器件的非线性偏振演化技术是一种极具应用前景的非线性技术，可用于在环形激光器中产生具有高重复率的超短脉冲。此外，基于非线性偏振演化的被动锁模光纤激光器具有优秀的噪声特性，从而在长线稳态操作中具有低定时抖动的特性。最近，上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员利用实验优化了重复率高于200MHz的掺铒光纤激光器的有效色散和非线性特性。在700mW的有效泵浦功率下直接输出脉冲的最大功率为84.8mW，脉宽为56.5fS，转换效率高达12.1%，单脉冲能量达到0.42nJ，脉冲峰值功率达到7kW。他们还在实验中通过调整波片和泵浦功率观察了输出脉冲的光谱特性演化。该光纤激光器可以直接输出44.6飞秒、半高全宽为148纳米的超短脉冲。下图为该激光实验的实验装置结构图。

    窄线宽激光器是光纤激光器发展的一个主要方向，以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感及材料技术等领域。波长选择器件（如F-P标准具、可调谐滤波器、布拉格光栅）用来确定和调整其波长，限值增益谱内起振的纵模数，让满足特定条件的少数几个频率的激光起振，以实现窄线宽。最近，中科院半导体所半导体材料与科学重点实验室的研究人员提出了一种大调谐范围的窄线宽激光器。该激光器采用集成分布式布拉格反射镜的双环结构，他们采用带隙为1.44微米的InGaAsP作为光纤与布拉格光栅的结合材料，首次实现了具有13个纳米的大波长调谐范围的双节分布式布拉格反射镜光纤激光器。此外，利用连个平行的环形光纤作为反馈腔，在某些特定的条件下该激光器的线宽可减小到3.2KHz，在整个13纳米的波长调谐范围内，可获得少于10KHz的窄谱线宽输出。最后，他们还实验研究了该激光器在线宽压缩后的输出波长和功率的稳定性。
    工作波长范围位于2微米人眼安全区域的基于三价铥离子的固体激光器最近引起了研究人员的广泛关注，这种固体激光器广泛应用于民用、军事以及科研领域。迄今为止，氟化物、石榴石、硅酸盐、钨酸盐以及钒酸盐掺铥都可成功地用于激光震荡，并且展现出了高效、宽波长调谐等诸多优点。经典的石榴石晶体YAG已被广泛研究并且被认为是最好的铥掺杂材料。通常，对于铥掺杂晶体，高掺杂浓度是确保相邻两个铥离子间进行有效交叉弛豫过程的必要条件。缺点是，这种高掺杂浓度将减小材料的热电导率，这种效应在钇铝石榴石掺铥材料中表现得尤为明显，这是源于铥离子和钇离子的质量差别太大的缘故。最近，中科院上海陶瓷研究所光功能无机材料重点实验室的研究人员提出了一种连续波双波长被动调Q激光器，该激光器采用了镥铝石榴石掺铥进行有效的二极管泵浦。实验测得的最大输出功率为4.42W，在输出波长为2021.2纳米处得到的光束质量为M2≤1.45，斜率效能为49.5%。采用双折射石英片使得该激光器在双波长2022纳米和2030纳米处的输出功率为2.3W。此外，他们通过引入单壁碳纳米管作为可饱和吸收器，成功实现了被动调Q，使得该激光器在2021.6纳米波长处产生的最短脉冲为405纳秒，在2019.7纳米波长处的最大单脉冲能量达到40.6微焦。图二为这种镥铝石榴石掺铥激光器的实验装置图。

    来自成都电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室的研究人员实验报道了一种被动调Q掺铒光纤激光器，该激光器中采用二硫化钼作为可饱和吸收体，实验使用的数层二硫化钼层采用化学气相沉积法制备。制备的二硫化钼层被转移到光纤连接器的端面以形成一个光纤联合二硫化钼的可饱和吸收器。实验测得的该饱和吸收器的饱和强度和调制深度分别为0.43MW/cm2和33.2%。该调Q掺铒光纤激光器具有一个由双布拉格光栅和全光纤线性腔形成的终端反射镜。通过在激光腔中插入二硫化钼可饱和吸收体，激光器的稳态调Q可在1.55微米实现。该激光器的泵浦阈值为20.4mW，脉冲重复率的可调谐范围为10.6KHz到173.1kHz，最小脉宽为1.66微秒。
2.无源光器件
    光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感器具有以下优点：1.传光性能良好，光损耗小,最高≤0.2dB/km;2.频带宽、可进行超高速测量；     3.灵敏度、线性好；4.体积小、重量轻，适应于非接触、远距离、恶劣环境测量。光纤传感器分为物性型和结构型。其中， 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。而结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
    最近，斯洛文尼亚马里博尔大学电子工程与计算科学系光电与传感系统实验室的研究人员提出了一种迷你型全光纤结构的旋转传感器。这种光纤传感器包括一根保偏光纤，一根短截面标准单模光纤，一个全光纤四分之一波片，以及一个反射层。在实验中，当标准单模光纤收到机械应力弯曲或旋转时，该传感器可以改变光波的偏振态或空间电场的矢量分布，然后，这种扭曲的单模光纤会导致波片轴和保偏光纤的位移。这种结构设计可以使得整个传感器的体积紧凑，活性长度不超过5毫米。该传感器的扭曲或旋转角度测量范围为 45°，实验测得的角度分辨率高于0.03°，温度灵敏度小于0.011°/C。此外，研究人员为了实现低温灵敏的传感系统，采用了不同的保偏光纤来消除基于保偏光纤的波片的温度敏感性。这种温度敏感性是整个装置中温感误差的主要来源。
    最近，由于可以通过激发表面等离子体来提高传感性能，金属薄膜已被研究人员大量地用于光纤传感器中提升传感灵敏度。此外，光纤光栅结构由于具有体积小以及与光纤和多路技术良好的兼容性等优点，该结构同样被引入光纤表面等离子体传感器以实现纤芯模和表面等离子模之间的模式转换。因此，光纤布拉格光栅，这种在单模光纤纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，已被广泛地用于表面等离子体光纤传感器。其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射
或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。最近，中国东北大学信息科学与工程学院的研究人员提出了一种基于长周期光纤光栅的光纤表面等离子体传感器。其基本原理是，在长周期光纤光栅中，光纤纤芯层的导波模可以激发覆盖在光纤柱形表面的金属薄膜中的表面等离子共振。在这件工作中，研究人员采用耦合模方法的非共轭形式数值分析了该传感器的基本特性。根据模式分析，纤芯中的电磁模可以与表面等离子模耦合并可应用于折射率传感器，这是因为由表面等离子体共振导致的透射率的降低对周围传输环境的折射率非常敏感。研究结果表明该传感器在水溶液中的折射率灵敏度可以达到1660nm/RIU。图三为这种基于长周期光纤布拉格光栅的光纤传感器。

    最近，华北电力大学再生能源交流电力系统国家重点实验室的研究人员提出了一种用光纤布拉格光栅传感技术来检测环境污染的新方法。电力传输线的污染条件在线监测是预防电弧跳火的重要手段。传统的在线监测方法很容易受到周围高压线的强电磁干扰的影响。在这件工作中，研究人员发现，覆盖在光纤布拉格光栅表面的聚酰亚胺的布拉格波长受到聚酰亚胺表面沉积食盐的微弱抑制。因此经过特殊设计的光纤布拉格光栅传感器可用于检测绝缘体或者电力传输线上的等值附盐密度。为了提高传感器的灵敏度，将多重聚酰亚胺层覆盖在裸光纤布拉格光栅表面，在固化的过程中施加一个0.15牛的作用力在光纤布拉格光栅的自由端以形成均匀的覆盖层。实验结果表明抑制波长将随着等值附盐密度的改变而改变。并且可通过增加聚酰亚胺层数来提高其解析度。 
3.光网络及子系统
    移动性、无线化、数字化和宽带化是当今信息业的发展趋势，超高速、超大容量成为信息传送追求的主要目标。随着社会信息化程度的深入，城域以太网、IPTV、高清晰电视、移动多媒体、视频流媒体等新业务的不断涌现，人类社会对于信息传输带宽的需求一直在以惊人的速度增长。与此同时，人们对于无线通信的需求也急剧增长，3G时代的到来使人们实现“任何时间、任何地点以任何方式”获得各种多媒体信息的梦想成为现实。但是，无线通信有限的频谱资源和有限的传输距离使它的发展受到很大的限制，如何有效利用光通信与无线通信的优势，实现光通信与无线通信的融合将成为未来通信的发展方向。正交频分复用(OFDM)技术即将成为下一代无线通信的物理层核心技术。OFDM光载无线(OFDM-RoF)接合了无线通信和光通信的优点，具有高速率、高容量、高频谱利用率的优势。光载OFDM(O-OFDM)系统结合OFDM技术与光通信的特点，构建出高速率、高容量、低成本的光传输网络，并且具有较强的信道容量的可扩展性，可以在现有网络的基础上很好的升级与过渡，提供高速率、高容量、高质量的通信服务。O-OFDM技术也可以作为全球微波互联接入(WiMAX)、无线局域网(WLAN)的一部分，通过RoF技术的使用，在有效降低无线信号的多径衰落的同时提高了信号的质量，通过增加基站数目来实现无线网络的无缝覆盖，并且提高了信道容量、传输速率，简化了数字信号处理的复杂度。
    最近，爱尔兰都柏林城市大学无线与光通信实验室的研究人员提出了一种60GHz的基于直接调制直接检测技术的光正交频分复用光纤无线融合传输系统，该系统采用了一个外部的注入增益开关分布反馈式激光器。从主激光器外部注入的增益开关型分布反馈激光器被用于减缓直接调制分布激光器的线性啁啾效应。研究人员利用该系统实验观察了信号在光纤中传输25千米的情形。此外，他们还理论分析并实验验证了由光纤色散引起的多通道传输导致的功率衰减现象。在总站中，16QAM-OFDM信号由采样率为20Gb/s的任意波形发生器来产生。其中，快速傅里叶变换的采样点为256，数据率为5Gb/s或10Gb/s。最终的实验结果表明，该系统成功实现了10Gb/s、60GHz的16QAM-OFDM信号在标准单模光纤中传输25公里的信号误码率低至2.4×103。图四为这种基于增益开关激光器的OFDM-ROF光纤无线融合系统示意图。

    图像视频、云计算、大数据、社交媒体以及移动数据的快速增长推动着互联网流量以每年30%的幅度增长。为满足带宽需求并降低每波特每赫兹的成本，传输网络需要更高的频谱效率和更高的传输速率。提高传输速率和频谱效率可以依靠更先进的基于数字信号处理的算法。目前商用的100G产品都是基于相干探测的单载波极化复用的QPSK调制码技术，频谱效率为2bit/s/Hz，传输容量为10Tbps。将来的光网络采用400G或更高速率的超100G信号，传输谱效率需要到达到4bit/s/Hz或更高，容量需要达到20Tbps以上。最近，美国德克萨斯ADVA光网络的研究人员最新报道了100GHz超级通道传输实验，在实验中将4×28-Gb/s的双二进制子载波置于25-GHz的格子上，光信号在标准单模光纤中传输了580千米，其中有三个25GHz可重构的分插复用器节点。这种直接检测的超级通道具有适当的信噪比需求以及对不同光损伤的很强的耐受性。此外，实验结果表明，这种100GHz系统的鲁棒性、低功率损耗、成本效率以及频谱效率使得其极其适用于当今的数据中心和互联网络。