2015年2月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 方安乐
3/11/2015,2015年2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、光波导、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器
    随机光纤激光器技术，相比传统光纤激光器，最大的不同之处在于无需反射镜，具有波长可调、结构简单、转换效率高、可靠性高、潜在功率高等突出优点，有望形成新一代的无模式高功率光纤激光器，在光纤传感、光纤通信、机械加工、3D打印、激光手术、激光成像、激光武器等多个领域具有重大应用价值。在随机光纤激光器中,激光的反馈通过光纤中随机分布的背向瑞利散射效应实现,此外还可通过光纤中的分布式拉曼散射效应获得增益,即可实现稳定的、空间不相干的连续光输出。近年来，由于随机光纤激光器的诸多优点，人们对它的研究越来越多。但是，由于闭合环形腔在介质中是随机分布的，所以其手机辐射具有各纵模的不确定性，即复杂辐射特性、辐射角度依赖性等，因而在某些检测领域应用时必须改进其光谱特性，才能挑战传统激光器的优异性能。随机光纤激光器有多种不同类型的结构，大致可归类为双向分布反馈式和单向分布反馈式。其中，双向分布反馈式是最基本的一类随机光纤激光器，它完全依靠光纤的瑞丽散射来形成谐振，不借助光纤光栅或反射镜，在形式上是一种无腔镜的超长光纤拉曼激光器，具有无纵模、非空间相干的双波长连续输出特性。而单向分布反馈随机光纤激光器采用单个反射镜与分布式瑞利散射相结合构成谐振腔，是一种不完全的随机光纤激光器，由于采用高反射率的光纤布拉格光栅作为其中一个腔镜，其对抽运功率阈值和光纤总长度的要求降低，因此更容易实现激射。 
     最近,中国电子科技大学光纤传感与通信重点实验室的研究人员实验报道了一种具有低阈值、高效率的随机光纤激光器，同时该激光器的波长输出具有线性特性。该随机激光器的激光腔包括标准单模光纤的截面和一个置于光纤的最末端的具有频带选择特性的点反射镜。数值仿真结果表明，相比那些开放的谐振腔结构，该激光器中大多数的能量都非常接近泵浦边带，以产生一个非常高效的频谱输出。此外，研究人员还考察了激光器的出光阈值功率和斜率效能随腔长和泵浦波长的变化，研究结果表明，更重要的是，更短的腔长将产生更高的效率，并且对于不同的泵浦波长来说，则会出现不同的腔长将对应不同的最低出光阈值的情形。最后，研究人员通过选择特定的参数，在实验中实现了1145纳米的随机激光波长输出，其输出功率达到7.13瓦，斜率效能大于90%，其中泵浦功率为10瓦，他们会还发现当阈值在2瓦以上时，激光器的斜率效能为一个常数。该实验结果为涉及特定性能的随机光纤激光器提供了一个很好的解决方案。

2.无源光子器件
    传统微电子技术的特点是依靠集成电子器件提供更高的信息处理速度、存储密度和片上可集成度等能力，但受到纳米尺寸的瓶颈限制，集成电子器件已开始受到制约。与微电子技术发展并行的另一门高新技术——光电子技术，在实现集成光子回路、互联光路、光计算等功能方面显现出巨大的潜力和优势，有可能是取代“集成电路”的新一代信息技术的重要支柱，该技术的关键点是如何在纳米尺寸高度集成的芯片上实现人们像操纵电子那样操控光子。表面等离激元(SPPs)是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模，经常被称为“能够实现导线传输光子”的信息载体，它在发展新一代光电子集成技术中发挥重要作用，但怎样在纳米尺寸的芯片上实现SPPs的“传输控制”是该领域的一个国际研究热点。该技术的关键点是如何在纳米尺寸高度集成的芯片上实现人们像操纵电子那样操控光子，是取代“集成电路”的新一代信息技术的重要技术。
偏振控制器件如偏振旋转器和偏振光束分离器，在光子回路中的具有不可替代的重要作用，迄今为止，偏振控制器具有各种各样的结构和构造方法，例如基于模式干涉和非对称径向耦合的方法，或者基于绝热模式演化方法，但是以上这些方法都具有他们各自的优点和缺点。北京大学电子工程与计算机信息学院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新型的偏振旋转器，该偏振旋转器的原理是基于表面等离子体波导和带状硅绝缘体波导通过非对称径向耦合来实现的。该偏振旋转器具有非常紧凑的尺寸，很低的插入损耗以及非常好的绝缘体上硅匹配性。其中，两种不同波导和耦合长度仅仅只有11.2微米，远远小于两个带状硅波导在相同耦合间距的条件下在相同的硅芯层上耦合的长度。此外，该偏振旋转器在实验中展现了一个非常高偏振转换效率，在1550纳米处的转换效率高达99.9%，插入损耗仅仅只有0.136dB，该实验数据在现今所报道的所有新型偏振控制器中处于领先水平。此外，该偏振控制器还可以在带宽超过60纳米的范围内实现大于96%的转换效率，以及低于0.42dB的插入损耗值。

3.光波导
    超常材料(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。随着人们对超常材料的深入研究，人们发现利用它的微结构特性可以实现非常大的色散，在具有这种特定微结构单元的材料中可以消除大波矢量的中断效应以实现非常高的折射率，通常这种大折射率超常材料可用于制作灵敏度非常高的生物传感器件。目前看来，尽管在两个具有高折射率的波导耦合情形下的低折射率沟状区域存在局域场增强效应，并且这种现象可用于红外光谱仪，但是其功能仍然受限于波导的折射率。因此对于更强的场放大方法，人们提出了金属-电介质混合沟状波导，这种波导在通信波段可实现更强的场放大效应。但是在红外波段，对这种局域场放大效应的研究仍然是一个未被深入研究的领域，无论是从原理上还是应用前景上。
    北京交通大学先进全光网络和先进光通信重点实验室的研究人员提出了一种基于石墨烯-电介质的混合沟状波导，他们研究了这种混合沟状波导在红外频段的局域场放大特性。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代光电子器件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。研究人员利用有效介质理论和耦合平板波导模型，通过基于多重结构的数值仿真考察了这种混合沟状波导的模式演化特性以及局域场放大特性。研究结果表明，电场振幅在这种混合沟状波导的沟槽中可以放大接近20倍并且70%的功率能流被集中在沟槽区域。该研究结果远远超过了早先报道的银-锗混合波导和硅沟状波导。此外，显著地区别于传统的波导光器件，利用更低的频率或者更高的化学势和更大的石墨烯填充因子和周期数。，可以同时实现更高的局域场放大特性以及更小的模态衰减。这种利用石墨烯和电介质混合构造的沟状波导在生物传感器和红外光谱学等领域具有很强的应用前景。

    光子晶体光纤(PCF)又被称为微结构光纤（MSF)，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。光子晶体光纤研究的日趋成熟不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，同时也推动了激光技术的发展。对于采用常规光纤的光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光为单模，这就限制了泵浦光的入纤效率。且当激光器高功率运转时，由于纤芯的非线性效应，也将限制输出功率的极限值。光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和特殊结构，可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。最近，大连科技大学物理与光电工程学院的研究人员报道了一种光子晶体光纤，他们利用传统的光纤布拉格光栅刻印步骤将一个光纤布拉格光栅刻到一根双芯光子晶体光纤上。因此，这种带有光纤布拉格光栅的双芯光子晶体光纤将具有非常有特色的反射谱，其展现出一个宽广的反射峰，并且仅仅在其短波边带上有一个显著地旁瓣。研究人员系统研究并实验验证了这种光子晶体光纤的温度和应力灵敏特性，发现它在旁瓣和峰值处的温度灵敏度分别为11.88pm/℃和11.77 pm/℃，张力系数分别为1.03pm/με和1.01pm/με。他们还同时考察了这种光纤的弯曲响应，发现其弯曲响应与传统的刻有光纤布拉格光栅的多芯光纤有明显不同，，旁瓣和峰值处的反射谱将随着弯曲半径的改变而改变。
4.光网络及其子系统
    在现代光通信领域，随着人们对带宽需求的日益增长，以更高的比特率传输的短距离光纤通信系统已成为宽带接入技术的一个重要支撑。对于单波长信号来讲吗，利用相干检测技术和数字信号处理技术的多级多维度编码已经可以使得数据信号的传输速率达到100Gb/s以上。我们知道，在长距离通信中光纤早已唱起了主角，而在短距离如家庭内、交通工具内、办公大楼及办公室内的通信和多媒体传输中光纤的运用目前却还很少。但随着intenret数据通信、视频点播、可视电话、电视会议等多媒体业务的迅速扩大，对物理网络的宽带化、高速化提出了更高的要求，使光纤到户和光纤到桌面的传输网络逐步取代现有的光电混合形式成为最理想的传输网络，为用户提供宽带高速的信息服务，从而推动了全光交换技术的不断发展。在全光交换网络中，为用户提供宽带高速的信息服务，从而推动了全光交换技术的不断发展。
    不像长距离通信和蜂窝网络中可以由大量的用户消费来支撑整个系统，短距离光纤通信需要低建造成本和低运营成本。考虑到成本和复杂程度等现实问题，在短距离光纤通信中采用强度调制和直接检测技术显然很有必要。此外，随着高速服务需求的日益增长，例如高清视频和云计算，它们对比特率的需求都要达到几十个Gb/s甚至100Gb/s，因此100Gb/s的通信速率需求已经使得通信系统从长距离相干检测技术向短距离强度调制直接检测技术转变。目前，不同的先进调制技术已经被用于短距离光纤通信系统，例如多级强度调制技术，正交幅度调制（QAM）结合子载波调制技术(SCM)，正交频分复用调制技术(OFDM)和抑制载波和相位技术(CAP)等。在以上这些调制技术中，不需要射频源且利用数字频率上转换实现的SCM技术相对来说更加简单易实现。而OFDM技术和CAP技术由于要基于快速傅里叶变换或者在传输或者接收端采用正交滤波器对，因而相对更加复杂。最近，湖南大学计算机与电子工程学院的研究人员实验验证了一种短距离光纤通信系统，该系统是采用具有64/128-QAM格式的半周期子载波调制技术来实现的。他们在该系统中摒弃了传统的掺饵光纤放大器，在实验中利用更加节省成本的直接调制激光器来实现单偏振64/128-QAM的半周期子载波调制信号的传输。此外，他们还利用一对外加调制器进行了双偏振信号传输实验。此外，在该实验中研究人员还采用基于一对实践交错训练序列的频域均衡和多路偏分复用信道估计技术。实验结果表明，仅仅采用3GHz的带宽，3.25Gb/s的双偏振64-QAM格式信号在光纤中传输了20千米后，其误码率依然低于3.8×10-3，而38Gb/s的双偏振128-QAM格式信号在同样的传输长度下的误码率低于2.4×10-2。