2015年3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3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：脉冲激光器、光纤放大器、无源光子器件、有源光子器件、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
脉冲激光器
    可饱和吸收器是一种最常见的用于产生脉冲光的元器件，它可以导致激光振荡腔内损耗的调制，从而产生一个增益远远大于损耗的短窗口以形成脉冲光。半导体可饱和吸收镜是一种广泛应用于激光谐振腔的可饱和吸收器，其基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改变吸收体的厚度以及两 反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。一般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间，带内热平衡 (intraband thermalization) 弛豫时间和带间跃迁(interband transition) 弛豫时间。带内热平衡弛豫时间很短，在100-200 飞秒左右，而带间跃迁弛豫时间则相对较长，从几个皮秒到几百皮秒。带内热平衡弛豫时间基本上无法控制，而带间跃迁弛豫时间主要取决于半导体生长时衬底的温度，生长时的温度越低，带间跃迁弛豫时间越短。在半导体可饱和吸收镜锁模过程中，响应时间较长的带间跃迁 (如载流子重组) 提供了锁模的自启动机制，而响应时间很短的带内热平衡可以有效压缩脉宽、维持锁模。由于一般的半导体可饱和反射镜都需要利用分子束外延技术，并且其运行波长范围都局限在半导体带隙内，其应用范围较窄。与之相反，基于石墨烯的可饱和吸收器的构造就相对简单且成本低廉，此外其工作波长范围也极其宽广，因而应用前景良好。
    最近，英国南安普顿大学光电研究中心以及美国物理与天文学系的研究人员联合提出了一种基于单层石墨烯结构可饱和吸收器的脉冲激光器，他们利用该可饱和吸收器在掺钇磷酸盐玻璃波导激光器中实现调Q过程，此外在掺钇铒磷酸盐玻璃波导激光器中实现调Q锁模过程。对于工作波长为1535纳米的掺钇铒激光器，其调Q脉冲的重复率可达到526KHz并且在重复频率为6.8GHz处包含了锁模脉冲。他们在实验中所测量到的0.44纳米带宽可允许产生脉宽为6皮秒的脉冲激光，在此条件下的最大平均功率可达到27mW，斜率效能可达到5%。而对于工作波长为1057纳米的掺钇激光器，可得到的调Q脉冲重复率达到833kHz，其最大平均输出功率为21mW。此外，实验人员发现，当泵浦功率从220毫瓦增加到652毫瓦时，脉冲宽度将从292纳秒下降到140纳秒，单脉冲能量将从17纳焦增加到27纳焦。
光纤放大器
    相对于传统固体激光器，光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高、光束质量高及散热性好等优点，因而得到了广泛研究。虽然目前单模光纤激光器实现了千瓦量级的高功率激光输出, 且具有衍射受限的光束质量，然而这种高功率光纤激光器的频谱线宽在数纳米量级, 对于上述应用需要的窄线宽单频激光源的应用而言显得太宽了。而单独采用光纤激光器虽然目前已经实现了线宽在2kH以内的单频激光输出，但其功率却在百毫瓦量级,不能满足高功率的需要。因此，采用主振荡光纤功率放大(MOPA)技术实现窄线宽高功率单频高质量激光，是一个很好的选择。高功率单频主振荡光纤功率放大器采用线宽窄高光束质量单频激光器作为种子源，通过双包层或特种掺稀土光纤一级或多极放大,实现高功率高光束质量的单频激光输出。最近，中国国防科技大学光电科学与工程学院的研究人员提出了一种高功率单频掺铥光纤放大器。采用全光纤主振荡功率放大器结构。采用一个输出功率为40毫瓦具有超短腔的单频光纤激光器作为该主振荡功率放大器的种子光源，激光器的工作波长位于1971纳米附近。最后的实验结果表明，这种放大器的最终输出功率达到了310W，斜率效能为0.56，研究人员同时还观察到了没放大的自发辐射和寄生振荡输出。受激布里渊散射阈值无法达到，且最终输出功率仅受限于泵浦功率的大小。该实验结果是第一次通过单频掺铥全光纤主振荡功率放大器实现超过300瓦的功率输出。

无源光子器件
    空分复用是指让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，在移动通信中，其基本技术就是采用自适应阵列天线实现空间分割，在不同的用户方向上形成不同的波束。如果把空间的分割来区别不同的用户，就叫做空分多址技术(SDMA)。每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道。此外，如果把空间的分割来区别同一个用户的不同数据，就叫做MIMO 空分复用。在未来空分复用通信系统中，利用少模光纤来传输信号是一个非常合适的选择。少模光纤（few-mode fiber，FMF）是一种纤芯面积足够大、足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。理想情况下，少模光纤的容量与模式的数量成正比。然而，为了延长传输距离，需要使用少模光纤放大器。不同于那些用于自由空间光通信和高功率激光应用中的放大器，少模光纤放大器具有可控的与模式相关的增益，以确保所有的空分复用信道均被优化。因而，基于少模光纤的通信技术又被称为模分复用技术。模分复用技术利用少模光纤中有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率。是构建未来光网络的关键技术之一。在模分复用系统中，其关键点是将来自单模光纤的模式集中起来，然后独立地分配到少模光纤的每个信道中，因此，模式转换器在此过程中必不可少，模式转换器可将几个独立地信道转换到少模光纤的各个模式中。
    最近，北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室的研究人员提出了一种基于光子晶体光纤的模式选择耦合器（也叫模式转换器）。这种锥形的模式选择转换器是单模光纤锥形耦合器的一种延伸。他们详细地描述了三个典型模式转换器的原理及功能并作了相关仿真实验，包括LP01模到LP11a模，LP01模到LP11b模，LP01模到LP21模。他们通过计算耦合损耗和带宽宽度来考量该模式转换器的性能。研究结果表明，他们所提出的模式转换器为宽带和低损耗无源器件。不同于通常的模式选择耦合器需要使两个模式间保持相位匹配，这种耦合器的相位匹配条件非常宽松，因此其对波长和器件长度不敏感，其耦合效率与两个模式和中心区域锥形角度的耦合系数有关。此外，这些模式转换器对正交偏振态不敏感，他们可以通过光子晶体光纤后加工技术来制备，并且很适合用于未来的模分复用光纤通信系统中。

有源光子器件
    电光调制器是芯片级光电集成回路中最基本的有源器件，因为它连接了光电两个世界并且可将电信号转换成光学信息。调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。其中电光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器。现代光纤系统中主要使用两类调制器，一种是依赖于一定平面波导载光方式改变的电光调制器，另一种是内部结构类似于激光器的半导体二极管电吸收调制器，后者能在透过光和吸收光两个状态下切换。对于前一种光调制器，现在已有各种各样的基于硅波导的光调制器，这些光波导调制器在调制深度和调制速度方面有着极其优异的光调制性能， 然而，由于硅的电光系数非常小，将对调制长度有着更高的要求（器件尺寸增大），例如基于马赫曽德干涉仪的光调制器，此外，基于共振结构器件的高Q因子使得他们只能在极窄的光谱宽度内运行。为了实现调制器的宽带化和小型化，热门提出了基于金属氧化物半导体的混合等离子体波导的等离子体调制器。由于等离子体材料的折射率可以电调谐，因此这种等离子体波导中导波模的吸收系数可被调制，从而在输出端获得已调光信号。等离子体材料的折射率基本上可用电调控，例如石墨烯、氧化铟、掺镓氧化锌以及二氧化钒。基于这种等离子体材料的光调制器都有着较高的工作带宽，然而，其具有非常高的插入损耗，因为损耗性等离子体导波模在这种金属氧化物等离子体波导中的传输是一个关键问题。最近， 韩国大田电子通信研究所未来创新研究实验室的研究人员提出了一种基于二氧化钒绝缘体-金属相位转换的紧凑型等离子体光调制器。该等离子体调制器可同时适用于横电模（TE）和横磁模（TM）。此外，该调制器由一根硅波导和一根插入硅波导中的金属氧化物半导体型Si-SiO2-VO2-Cu混合等离子体波导组成。通过电场改变二氧化钒的相位使得其从绝缘体向金属导电介质转变，沿着该器件传输的TE模和TM模将收到抑制，因此可获得已调光信号。最终的实验结果表明，对于运行波长在1.55μm的500纳米长的等离子体调制器，TE模具有3.9dB的开/关消光比，而TM模具有8.7dB的开/关消光比。

发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED） 是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。LED被称为第四代光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。当前的商用LED基本上是白光LED光源，实现白光LED的途径有多种，目前使用最为普遍最成熟的一种是通过在蓝光晶片上涂抹一层黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉，与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同的荧光粉对光衰的影响程度也不相同，这与荧光粉的原材料成分关系密切。最近，台湾逢甲大学自动控制工程系的研究人员提出了一种基于晶体硅和集成红绿蓝三基色（RGB）传感器的LED封装模块。在这种LED封装模块中，利用RGB颜色传感器可以检测白光LED发光亮度和特定波长强度的变化，从而可实时监控发光的色度和色温。研究人员利用半导体加工技术制备出了带有温度传感器的载流子基底，此外利用硅刻蚀深加工过程来实现电分和绝热。通过集成蓝光LED和硅树脂磷光剂，实现了一个低成本和微型化的整体封装模块。经典的实验结果表明，当LED的输入电流为0.2安时，RGB颜色传感器的输出电流分别为0.082、0.086、0.068毫安，计算得到的色品坐标系中的x和y分别为0.35和0.36，与之相对应的色温为4852K。该实验结果与一种商用发光测量仪所测得的结果相吻合。

光网络及其子系统
    随着以个人移动和固定宽带为代表的通信业务的不断普及，互联网和大型数据中心为代表的IT业务的迅猛发展，使得当前信息化社会对于网络带宽的需求达到了前所未有的高度。为了解决不断出现的“带宽消耗”型业务对光传送网带来的巨大压力，人们通过各种办法提高现有的光传输容量。因此，光纤通信网络在面对如此越来越强的带宽需求时，需要不断地升级和更新换代。高速和大带宽的需求不仅征对基于单模光纤的主干网，而且还征对基于塑料光纤或基于可见光通信技术的室内网络。众所周知，基于单模光纤的主干网络为广大用户提供了高性能的通信网服务，然而，而突出的矛盾体现在接入网方面，即用户与核心网络的连接部分。理论上，全光纤接入网络将是比较完美的解决方案。然而，全光纤接入实现上对接入网络的要求过高，即使在发达国家也还远远未能实现。为了克服以上困难，必须发展新型的内部接入网。梯度折射率塑料光纤的发展应用和可见光通信技术被认为是解决最后一公里问题的备选方案。虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信，然而在内网中应用梯度折射率塑料光纤和可见光通信技术具有很多优点。具有梯度折射率的塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点，具有大纤芯直径和小弯曲半径，质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。因而塑料光纤能够很方便的实现光纤到户，其相关的连接器件和安装的总成本比较低，在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。最近，台湾国立嘉义大学电子与电气工程系的研究人员提出了一种混合型有线电视/16-QAM正交频分复用室内接入网络。他们通过实验成功演示了该混合型室内接入网络的性能，通信信号成功通过了40千米单模光纤传输长度，1.43千米光子晶体光纤传输长度，30米的梯度折射率塑料光纤及5米可见光通信传输长度。该室内接入网络系统具有很高的信噪比，其中16-QAM-OFDM信号的的传输速率为10Gbps/5GHz，传输带宽达到2.5GHz，信号的最低频率达到3.75GHz，而有线电视信号的最高载频达到550MHz，远低于3.75GHz。此外，该综合通信网络还具有很低的误码率，其误码率低于10-6，当误码率达到10-6时，功率损耗达到2.8dB。研究人员指出，这种基于塑料光纤的综合型室内网络可提供很好的宽带集成服务，包括有线电视，互联网以及通信等。