2015年4月PTL光通信论文评析

光纤在线特约编辑：邵宇丰 方安乐
2015年4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、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器
    被动锁模光纤激光器是传统庞大且昂贵的固体激光器的有力替代者，但其在单脉冲能量上仍然落后于固体激光器，这主要是由于在高能量下非线性相移的积累导致脉冲分裂。自相似脉冲激光器和大模场面积光纤激光器有力地克服了脉冲能量受限的问题，产生的脉冲能量目前已可达到纳焦量级。目前，采用掺钇的大模场面积光纤激光器来获得高能量锁模脉冲已经成为超短脉冲技术的研究热点。锁模光纤激光器向着高功率、短脉冲、结构简单的趋势发展的，由于钇离子的独特优势，掺钇光纤锁模激光器受到了越来越多的关注。
    最近，中国国防科技大学光电科学与工程学院的研究人员在一个全正常色散被动锁模掺钇光纤激光器中实现了高能量的方形脉冲输出，该激光实验是利用非线性偏振旋转技术在耗散孤子共振条件下观察到的。其中，耗散孤子共振作为耗散孤子系列中的一种特殊情况，区别于耗散孤子具有矩形光谱的情况，随着泵浦功率的增加，它可以从锁模脉冲演变为矩形脉冲。虽然理论上这种方形脉冲可以无限增大而脉冲高度保持稳定，脉冲并没有产生分裂且脉冲能量能够无限增大，但是近些年的研究进展却极其缓慢，在本次实验中研究人员测得的方形脉冲属于锁模脉冲，并且其共振腔的重复率为1.86MHz。最大输出平均功率为62.1毫瓦，相应的单脉冲能量为34纳焦。此外，这种利用非线性偏振旋转技术实现的方形脉冲属于波形自由分裂脉冲，它的脉宽宽度可通过改变泵浦功率来调谐，其调谐范围可从数百皮秒到几个纳秒之间变化。值得一提的是，在该项实验中，他们首次在全正常色散谐振腔中观察到了耗散孤子共振的多稳态现象，并且和理论预测结果极为吻合。研究人员同时指出，该实验结果势必加深人们对耗散孤子共振现象的基本物理本质的理解。

高重复率飞秒脉冲激光在光频测量、高速光取样和激光测距等方面有重要的应用价值。在产生高重复率脉冲激光的传统方法中，主动锁模需要高频信号发生器和相位（或强度）调制器，这无疑增加了制造成本和系统复杂性；而被动谐波锁模，相对于基频锁模，会产生较大的时间啁啾和振幅抖动。非线性偏振旋转技术(NPE)由于具有极快的饱和吸收效应，能直接获得百飞秒脉冲激光，而且基于这种技术的锁模激光器可以是全光纤结构，能有效提高抵抗环境干扰的能力。近年来，受益于镱离子掺杂技术的改进与提高，高基频重复率非线性偏振旋转锁模光纤激光器获得了迅速发展。目前，在被动锁模光纤激光器中主要有两种技术可用于产生高重复率的脉冲串。第一种技术是通过缩短激光腔的腔长来增加基频重复率，另一种是通过引入等间隔分布的多重脉冲来实现高阶谐波重复率。通常，为了缩短激光谐振腔长度，可采用诸如基于碳纳米管、石墨烯以及半导体可饱和吸收镜等薄膜型可饱和吸收器来实现，这种技术大大优于那些基于非线性偏振旋转技术和非线性放大回路的人工可饱和吸收器。迄今为止，在实验中观察到的最高基频重复率为19.45GHz，这是在5毫米长的基于碳纳米管的可饱和吸收器的锁模光纤激光器中观测到的。为了实现更高的脉冲串重复率，人们提出可以采用基于束缚孤子的谐波锁模技术来实现。最近，新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院的研究人员在一个首次在实验中观察到了基频重复率高达211.8MHz的束缚孤子的形成，该实验采用了全光纤线性结构的锁模激光器，其中采用基于碳纳米管的可饱和吸收器作为可饱和吸收体。他们通过调节激光腔的偏振态，发现束缚孤子展现出一个很大的脉冲间隔，其间隔宽度可达到脉宽的3.5到73倍之间。此外，束缚孤子的相位将在±π/2之间变化。他们还通过数值仿真进一步支持了束缚孤子的光谱形状将依赖于脉冲间隔和相位差的实验结果。这种全光纤线性结构锁模激光器包括一个波分复用耦合器，一根掺饵光纤，一个偏振控制器以及一个基于碳纳米管的可饱和吸收器。
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2.无源光子器件
    基于光学方法的温度传感器由于具有抗电磁干扰的优点，并且可运行于许多诸如有毒、酸性腐蚀和爆炸等恶劣的环境中，其在许多重要的领域有着非常广泛的应用例如涡轮机、燃烧室、核反应堆、石油勘探、健康监测系统等。然而，当前的大多数光学温度传感器都是基于光纤光学，因而其器件的紧凑程度受到很大的限制。此外，它的热灵敏度相对较低，这源于硅材料的相对较低的热调制效率导致的。最近，基于硅光子波导的传感器受到研究人员原来越多的关注，这是由于硅光子波导具有许多非常显著地优点，包括快速响应、高灵敏度以及可与传统的电子回路灵活集成等。此外，尽管基于微环的温度传感器也具有非常紧凑的体积以及高灵敏度，但是其温度探测范围将受到微环半径的限制。减小微环半径可增加温度可探测范围，但同时增加的小环的弯曲损耗将使其在具体应用中受到严格限制。在这样的研究背景下，中国北京邮电大学和新加坡南洋理工大学的研究人员联合提出了一种光学温度传感器，他们是利用基于光子波导的迈克尔逊干涉仪来实现的，这种传感器的尺寸很小，仅仅只有120μm×80μm，其工作波段在1550纳米左右，这种超级紧凑的迈克尔逊干涉仪结构具有近似线性的温度相应曲线，其灵敏度为113.7pm/℃，该值为一般的传统光纤光学温度传感器的20倍。其制作过程采用标准的互补式金属氧化物半导体加工过程，受益于先进的封装技术，他们提出的这种光子温度传感器具有良好热力学和机械稳定性，在温度范围为13℃—95℃之间的功率变化仅仅小于0.1-dB，这种高稳定性为其提供了很宽广的应用领域。

    磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场， 可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在现今人们对高速信息传播需求日盛的情况下，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。早先的磁场传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁场传感器。目前已有的磁场传感器主要包括薄膜磁致电阻传感器、磁阻敏感器、电涡流式传感器、磁性液体加速度传感器、磁性液体水平传感器等等。
    最近，磁性液体传感器受到了研究人员的极大关注并取得飞速发展。磁性液体（Magnetic fluid）又称铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、基载液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。中国燕山大学亚稳材料科学与技术重点实验室的研究人员提出了一种基于磁性液体的新型磁场传感器。这种磁场传感器是利用在光子晶体光纤中选择性地填充磁性液体来实现的。他们的设计思路是将一个包层空气孔渗入磁性液体作为一个缺陷纤芯。当相位匹配条件满足时，传输芯中的光耦合到缺陷芯，其限制损耗将得到急剧增强。研究人员发现其该磁场传感器的灵敏度对于x偏振方向和y偏振方向分别可达到456.1pm/Oe-1和542.9 pm/Oe-1 ，品质因子分别为0.408 Oe-1和0.169 Oe-1。此外，相比于目前市场上的传统磁场传感器而言，这种基于磁性液体填充光子晶体光纤结构的磁场传感器具有小体积、高灵敏度和高品质因子等优点。
    光纤耦合器又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、光纤法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的光通信器件，其在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都有着广泛的应用。最近，北京交通大学光波技术研究所全光网络与先进光通信网络重点实验室的研究人员提出了一种基于热电极双芯光纤的可调谐光纤耦合器，其中双芯光纤采用孔-芯-芯-孔结构。其热电极处理过程是基于二维电荷动力学模型来实现的。同时在双芯连接点反向引入了有效的 ，通过外加的调制电压调节电极性的双芯光纤，研究人员在实验中研究了双芯光纤耦合比的可调谐性。研究结果表明这种热电极型双芯光纤的耦合特性可由外加调制电压来灵活地操控，当施加外加调制电压时，双芯光纤的折射率差随之变化，并且传输谱的输出功率也随之相应地变化，这种结构的双芯光纤外加电压装置可作为一个体积紧凑且极其稳定的电调谐双芯光纤耦合器。
在越来越热的太赫兹波段电磁波的研究中,光子晶体由于其好特性有着广泛的应用 , 近年来也出现了多种基于光子晶体的太赫兹滤波器结构。光子晶体构中介电常数的周期性会形成禁带,限制某个频率范围内的光在光子晶体中的传输。上述基于光子晶体的滤波器结构中,在光子晶体中引入缺陷便可以在禁带范围内形成一个窄通带,实现了滤波功能,在基于多模干涉效应的太赫兹滤波器结构中,通过光子晶体结构的线缺陷可以实现单模的太赫兹波导,随后引入面缺陷,形成多模干涉区域,使得太赫兹输入波在面缺陷区域激发多种传输模式,不同模式之间产生干涉效应,实现基于二维光子晶体的太赫兹滤波器。可见在光子晶体结构中引入缺陷，是实现太赫兹滤波器的基础，鉴于其对某些特定范围的太赫兹波的高通过率和对其他频率太赫兹波的高反射率，可以基于光子晶体结构实现性能优越的太赫兹滤波器。最近，中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室的研究人员提出了一种可实现磁调谐的基于三角格子光子晶体的窄带太赫兹滤波器。这种周期性性的三角格子光子晶体具有一个点缺陷和两个线缺陷，研究人员发现这种滤波器在传输谱中存在一个中心频率为1THz的单共振峰，其宽度窄于2GHz。此外，在外加磁场控制下，传输频率和通带宽度可调谐，研究结果表明这种带有点缺陷和线缺陷的二维硅光子晶体可用于构造连续可调谐带通太赫兹滤波器。

3.光网络及其子系统
    无源光网络接入光纤到户（PON）技术是宽带光（FTTH）和光纤到大楼（FTTB网络的主要解决方案。为了适应下一代高速、灵活、全业务的光接入网络的需求，到目前为止，国际电联（ITU-T）关于下一代无源光网络标准的布局已基本完成，形成了以G.989.X为代表的NG-PON2标准系列，并逐步完成该系列标准。该标准提出NG-PON2应当支持40 GHz下行带宽、10G上行带宽（可扩展到40 GHz）、40 km最大差分距离（20 km～40 km可配置，最大支持60 km传输距离， 支持1:256的最大分路比，上下行至少4个时分波分复用（TWDM）通道。NG-PON2被视为一个长期的解决方案NG-PON2有多种可选技术，包括TDM-PON、TWDM-PON、OFDM-PON、WDM-PON等。其中，40G TDM-PON延用GPON思路，继续在时域上提升速率至40Gbps。与10Gbps PON相比，主要区别在于：提高发射光功率6dB；增加光器件带宽至大约20GHz；ONU采用APD接收机；比特间插复用方案（BIMS）简化电信号处理；更先进FEC技术（如LDPC）获得额外增益等。40G TWDM-PON是通过多个波长通道来堆叠10G的TDM-PON。从技术角度看，TWDM-PON与现有PON兼容，不需要改动运营商已铺设的ODN网络，因为该标准对运营商的网络继承演进特性最佳，得到了诸多运营商、芯片厂商和设备厂商的认可和推动，是目前40G接入网首选。
最近，意大利都灵理工学院电子与通信系的研究人员提出了一种PON解决方案，该方案可在传统的基于光分路器的高损耗下行光分配网中达到32Gb/s的传输速率，该解决方案不但在光线路终端不采用多波长技术，而且在每个网络子单元中避免大量的数字信号处理过程。此外，该解决方案实现的32Gb/s容量不仅接近4个时分波分复用（TWDM）通道所达到的40Gb/s速率，而且完全避免了多波长处理过程，这事因为该系统具有更高的电频谱效率以及非常良好的系统优化。研究人员利用频分多址技术来打国际电联标准中的“每个波长10Gb/s”的界限，该系统具有如下特性：
1. 单波长传输：避免多波长但可实现接近多波长的传输速率（32Gb/s vs. 40Gb/s）。
2. 具有有效的电-电6dB、小于7GHz的带宽。
3. 采用频分多址的多路复用技术，其中每个电子载波为16-QAM调制。
4. 提高了最大可达到的ODN损耗，将损耗从当前的28dB提高至34dB
5. 相比已有的FDMA-PON方案，该解决方案的下行架构更符合国际电联的相关标准（传输速率相当、基于光束分离器，高ODN损耗兼容性）。