2015年6月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀评论员：邵宇丰 方安乐
7/10/2015,2015年6月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感器、太赫兹技术、光网络及子其系统等，笔者将逐一评析。
1.光纤传感器
    光纤温度传感器的种类很多，除了荧光和分布式光纤温度传感器外，还有光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等等，由于其种类很多，应用发展也很广泛，例如，应用于电力系统、建筑业、航空航天业以及海洋开发领域等等。光纤光栅温度传感器由于其较高的分辨率和测量范围广泛等优点，被广泛应用于建筑业温度测量工作中。当前最热门的研究，就是针对光纤荧光温度传感器，其是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。最近，墨西哥瓜纳华托大学集成光电子系的研究人员提出了一种新型的基于光纤环形激光器的温度传感器。在这项研究中，他们采用一个光纤布拉格光栅作为传感器探头，同时采用一个马赫曽德干涉仪作为一个波长选择滤波器来增强温度传感器的灵敏性能。他们在两段单模光纤之间拼接一段光子晶体光纤来构造一个马赫曽德干涉仪。此外，研究结果表明，当激光器的输出波长随着温度的改变而发生偏移时，温度传感器的灵敏度在1550纳米处达到18.8pm/℃，其中温度可测量范围为20℃—90℃。该光纤传感系统主要包含一个偏振控制器、马赫曽德干涉仪、光隔离器、光纤布拉格光栅以及一段长2.8m的掺饵光纤。

    现代光纤最重要的优点之一就是它的易弯曲性，如果光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至有可能穿过包层向外渗漏。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模，所以，光束功率的一部分会损耗掉，这也就意味着衰减将会增加。光纤成缆、现场敷设、光缆接头等场合都会引起光纤的弯曲损耗。光纤微弯传感器通过外界因素导致光纤发生微弯变化，进而导致光纤传输光强变化来反映或者测量待测量变化，属于非功能型光纤传感器。当光纤状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗，光纤的微弯损耗远远大于光纤的宏弯损耗，光纤既传光又传感，可划分为传感型光纤传感器。微弯式光纤传感器是根据光纤微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对光纤芯中光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测包层中的光信号。最近，南开大学现代光学研究所光信息科技重点实验室的研究人员提出了一种新型的、结构紧凑的光纤弯曲矢量传感器。这种弯曲传感器的设计也是基于简单的同轴马赫曽德干涉仪来实现的。该马赫曽德干涉仪的构造是由一段单模光纤中产生两个级联的驼峰型锥体来实现的。该光纤传感器件对于不同的弯曲方向有着良好的辨识特性，这使得其对于环境温度和轴向应力传感有着极高的灵敏度。在0-1.2m-1范围内，长度为13.4毫米的光纤传感器对于0°和180°两个相反的弯曲方向的灵敏度分别为10.224和-4.973nm/m-1。此外研究人员还测量了马赫曽德干涉仪对于温度和应力的响应，研究结果表明，波长的变化与温度或应力的变化成线性关系。温度范围为20℃-80℃内的灵敏度为0.049nm/℃，应力范围为0-0.98N内的灵敏度为-3.643nm/N。
    红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按探测机理可分成为光子探测和热探测。 红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。此外，中红外波段指波长为波长为3.0～20微米的区域。中红外波段在化学与生物传感、医疗诊断、工业过程监控、通信、国防和安全领域都有着重要的应用，已引起人们的重点关注。在中红外传感器应用方面，这个被称为“指纹”区域的波段由于其包含了对某些分子颗粒的独特吸收带，从而显得格外重要。最近，英国南安普顿大学光电研究中心的研究人员提出了一种基于低损耗绝缘体上硅沟状波导结构的中红外传感器的设计。其中，由于沟状波导的缺口区域的电场振幅是常规波导结构的50倍，它可以大幅度地增强传感器的灵敏度，因而沟状波导可作为中红外传感器构造的一个重要选择。在这篇文章中，研究人员提出了这种设计理念，并且测得绝缘体上硅沟状波导在波长为3.8微米处的传输损耗为1.4±0.2dB，并且测得沟状弯曲损耗为0.18dB/弯曲度。
    长周期光纤光栅具有很好的传输谱特性,它把光纤芯径传输的导模能量耦合到包层中从而导致相应波长的传输损耗,是一种理想的带阻传输型滤波器,具有制作工艺简单、插入损耗小、无后向反射、与偏振无关和体积小等优点。由于长周期光纤光栅在光纤通信系统的重要价值和在其它领域的广泛应用前景,对长周期光纤光栅的开发和应用研究进展十分迅速,已经成为一大技术热点。此外，应力、应变、温度、浓度等外界环境的变化将引起光纤有效折射率、光栅周期参数的变化，从而导致光纤光栅的谐振波长发生变化，因此光纤光栅是性能优良的敏感元件。测量光纤光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化，并且光纤光栅的传感信息通常是以波长编码的，这克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏的不足。光纤光栅传感器具有灵敏度高，动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、成本低、体积小等优点。最近，深圳大学电子科技学院的研究人员报道了一种新型的长周期光纤光栅设计，他们在葡萄柚微结构光纤中利用飞秒激光器直接写入的方式制造出了一种长周期光纤光栅。，他们利用有限元法分析了该光纤的模场分布和色散特性。他们分别制备了两种周期分别为230微米和250微米的长周期光纤光栅，其共振倾角分别出现在1325.8纳米和1449.4纳米处。此外，他们分别从理论和实验两方面考察了周期为250微米的光纤光栅的传感特性。实验结果表明，应力和温度灵敏特性分别为1.88pm/με和0.267pm/℃。同时得到的温度交叉灵敏度为0.142με/℃。


2.太赫兹技术
    电磁感应透明（EIT, Electromagnetically induced transparency），一般是用两束光同时照射到原子介质（如大量原子组成的气体），使得其中一束光能够在与原子跃迁共振时通过原子介质而不产生吸收和反射的现象。电磁感应透明对于改善介质的色散性质，抑制介质的吸收，增强介质的非线性光学效应起到了极其重要的作用。电磁感应透明技术不仅能够改变物质对光场的响应,而且能够调控光场本身的性质。由于电磁感应透明效应能显著地改变介质的色散特性，利用这一点可以实现光速调控。近年来，在固体介质中利用电磁感应透明效应也实现了光速减慢，光脉冲的存储和复现等操作，另外，由于电磁感应透明效应伴随着巨克尔非线性效应，因此，利用电磁感应透明可以形成光学弧子。电磁感应透明效应在光学非线性上的增强，使得少数几个光子之间产生相互作用成为线宽等可调的单光子脉冲的产生，传播和存储，这些结果为量子通信的实现提供了很好的基础。电磁感应透明效应在量子信息处理如量子存储和量子计算中也有重要的应用，与其他量子存储手段不同的是，采用电磁感应透明方法可以不失真地存储单光子态。
    尤其特别地是，与电磁感应透明类似，等离子感应透明效应（PIT）最近也引起了研究人员的重点关注，相对前者而言，等离子感应透明效应具有设计灵活并且易于实现等优点，一般来说，等离子体感应透明现象主要由明模（低质量因子）和暗模（高质量因子）共振之间的破坏性干涉导致的，其中亮模与入射场有强耦合，而暗模与入射场的耦合则相当弱小或者不能耦合。在过去十年中，人们采用了不同的等离子体结构来产生等离子体感应透明现象。然而大多数结构都是由金属材料构成的，其缺点是很难实现对等离子感应透明窗口的动态控制，除非改变微结构的几何参数或者嵌入其它活性材料。此外，对于大多数等离子感应透明结构来说，在感应透明峰值处的透射率相当低，这一缺点直接限制了PIT效应的实际应用价值。最近，天津大学紧密仪器与广电工程学院的研究人员设计了一种可在太赫兹波段实现等离子感应透明的超常材料。这种超常材料的微观结构是由片状石墨烯和开口环谐振腔对组成的。这种等离子感应透明超常材料具有一个非常显著地强感应透明峰值，其物理机制是源于亮模与暗模间的破坏性干涉，其中石墨烯中的直接激发等离子共振充当亮模的角色，而开口环谐振腔对中的耦合激发电感-电容共振则充当暗模的角色。研究人员发现通过调节石墨烯中的费米能量可实现对等离子感应透明窗口的调制，从而实现对群折射率的动态控制。该实验结果对于可调谐型太赫兹器件、慢光以及传感技术具有潜在的应用价值。


3.光网络及其子系统
    毫米波 （millimeter wave ）指波长为1～10毫米的电磁波段，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。光载无线通信技术（ROF，RADIO-OVER-FIBER）技术为毫米波通信的覆盖和延伸提供了一个新的途径。最近，北京邮电大学的研究人员提出了一种2×2多输入多输出（MIMO）相干光载无线通信系统。其中采用了自编码扩频技术。研究人员在实验中发现扩频增益可以根据系统子单元和信号条件来动态地调节，从而可以为系统提供一个灵活的功率预算和信噪比自适应。此外，研究人员还在该ROF系统中引入了OFDM调制格式来提高频谱效率。实验结果表明，具有自编码扩频的56.25Gb/s的2×2MIMO OFDM信号被证实可在不同的无线距离和光纤传输长度上都具有良好的自适应度。该ROF系统设计图如图四所示。

    随着多媒体数据与视频服务的发展，人们对带宽的需求越来越高，达到了百兆甚至是千兆。面对这样的问题，普通的无线通信系统已经远远无法满足要求。 此时，毫米波渐渐地走进人们的视野。毫米波具有频率高，带宽大的特点，它的频率范围高达30~300Hz，可以满足用户 迫切增长的带宽要求，为多种信息业务的发展提供了有利的条件。但是毫米波的传输受到各种外界因素的影响，导致其传输距离受到限制。RoF（Radio over Fiber） 光载无线通信技术应运而生。RoF 技术在原有的无线通信系统的中心站与基站之间，将射频信号调制在光载波上通过光纤传输，结合了无线通信与光纤通信的特点，既拥有无线通信技术移动环境简单、组网灵活的优点，又具有光纤通信带宽大、成本低的优势。由于高质量毫米波的产生是降低造价和提高 ROF 系统性能的关键技术之一， 成为了人们研究的热点。近年来，国内外学者着力于研究各种各样的光生毫米波的产生技术，主要有直接调制，外调制，光外差调制，四波混频效应法，布里渊散射法等。最近，美国乔治亚理工学院联合中国中兴研究所的研究人员提出了一种新型的8QAM矢量毫米波信号的产生方案。该方案的实现主要是基于马赫曽德调制器和自适应多倍频技术。为了获取多振幅QAM调制的电矢量毫米波信号，在进行平方律光电检测后，将传播中的射频信号搭载多振幅QAM发射数据，在驱动马赫曽德调制器之前必须进行振幅和相位预编码。研究人员通过实验验证了采用光学8倍频技术产生8QAM矢量毫米波信号的过程。其中，利用12GHz的预编码射频信号携带1GB 8QAM发射数据来驱动马赫曽德调制器。实验中产生的1GB 8QAM矢量毫米波信号在空气中传输了2米的距离。值得一提的是，这是国际上首次通过采用外调制器的方法在毫米波段产生和接收多振幅QAM矢量信号的实验。