2015年7月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 方安乐
8/20/2015,2015年7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、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器
    当前，具有高重复率的脉冲光源由于在带宽方面的优势，其在声音数据传输、视频通信系统方面有着广泛的应用需求。正是基于大多数的应用系统都需要稳定的高重复率脉冲，因此在众多的半导体激光器中，量子点半导体激光器脱颖而出，这种类型的激光器逐渐引起了众多研究者的兴趣，成为相比其他半导体激光器最有前途的替代品。量子点半导体激光器主要构造是由两部分构成的，一部分是一个反向偏置的饱和吸收体，也叫吸收区；一部分是正向偏置的增益截面也就是量子点半导体激光器的有源区。量子点半导体激光器与其他半导体激光器的不同就是量子点的有源区是多层的，其内部为纳米级的三维结构，具有极好的热稳定性，它的基本性能不会随着工作温度的升高而有所降低。量子点半导体激光器相比一般的半导体激光器的优点是半导体的有源区有更好的激射特性，能输出稳定的、高强度的、高重复率的超短脉冲。此外，将量子点的优良特性和锁模技术相结合可得到峰值功率和重复率更高、脉冲宽度更窄的脉冲序列。最近，美国弗尼吉亚理工学院电子与计算机工程学院的研究人员提出了一种新型的基于被动锁模技术的量子点激光器模型。在这篇文章中，他们提出的激光器模型并没有用到可饱和吸收器来实现被动锁模。他们采用的锁模方法采用了一个基于一个腔内网状增益调制的解析模型。此外，在正面偏置的增益截面处运行的两种不同的泵浦功率将利用两者之间的增益差别来获取超短脉冲的输出。他们提出的这种在量子点介质中获得不同的差异化增益的模型具有很强的创新性，对下一代量子点锁模激光器的发展意义重大。此外，该模型所采用的弃用专用可饱和吸收器及其伴随的腔内损耗减少也意义重大，为可输出高重复率脉冲的短腔激光器的发展提供了新的途径。
超连续谱光源由于在超精密时间及频率测量、宽带光纤通信、大气科学、光学相干断层分析等领域具有广泛的应用而得到了突飞猛进的发展。目前超连续谱研究的方向包含两个方面：一方面是提高功率，另一方面是使光谱范围向中红外和蓝紫光扩展。当前主流的产生超连续谱光源的方法是由连续或脉冲泵浦源连接一段光子晶体光纤。与块状材料中产生超连续谱相比，光纤介质具有非线性作用距离长、光束质量好等优势，更适合产生超连续谱。超连续谱的产生机理涉及高阶孤子分裂、孤子自频移、受激拉曼散射、四波混频和非孤子辐射等非线性效应，需要介质具有髙非线性系数并满足色散匹配条件。而光子晶体光纤的出现使得超连续谱研究焕发了新的活力。用连续泵浦源产生超连续谱的结构比用脉冲泵浦源产生超连续谱的结构简单，但其需要较长的光子晶体光纤且所产生的超连续谱的平坦度不够理想，脉冲泵浦源由于具有较高的峰值功率和相对较窄的脉冲宽度，所以产生的超连续谱容易控制且比较平坦，但是对脉冲泵浦源的光谱质量要求较高，从而限制了其输出功率的提高。最近，北京科技大学激光工程学院与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联合提出了一种基于全光纤结构的超连续谱激光源。该激光源具有可调谐的平均功率，并且具有接近恒定的谱宽度。这种激光源由一个具有可调谐重复率的主震荡功率放大器以及一个超连续谱产生系统组成。在此项实验中，研究人员将激光器的中心波长固定在1060纳米，然后在29.83MHz到1.104GHz之间调整激光器的重复率，结果发现超连续谱的泵浦功率可在4.45W到69.8W之间改变，并且峰值功率恒定为8kW。此外，他们将得到的超短脉冲射入一段5米长的光子晶体光纤，得到了具有相似平坦度的功率可调谐超连续谱，平均功率调谐范围为2.54W到35.56W。光谱的波长范围从540纳米延伸至1700纳米。实验装置图如图一所示。

与空间耦合结构光纤激光器一级震荡输出激光不同，高功率全光纤激光器通常采用主震荡功率放大式结构，即通过级联放大器将低功率种子激光器的输出放大，一方面缓解了种子激光器内的热负荷等问题，提高了系统稳定性，另一方面具有良好的功率提升潜力。主振荡功率放大器（MOPA）就是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光 , 通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大 , 从而实现对种子光源的高功率放大。 其突出特点是 : 主振荡器主要作用是产生高质量的种子光 , 输出功率可大可小 , 因而输出光较易做到所需的时域、 频域特性和保持良好的光束质量 ; 功率放大部分主要作用则是对种子光进行放大 , 在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出 , 即它结合了低功率种子源的良好脉冲特性和双包层放大器的高功率放大特性的优点。因而采用主振荡功率放大技术来实现高脉冲能量、 高平均输出功率成为一种理想选择。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平均功率窄带脉冲光纤主震荡功率放大器，其工作波长为1.971微米。研究人员通过相位调制技术可将脉冲串的线宽扩展到1.5GHz，重复率分别为3MHz和5MHz。其中，重复率为3MHz的脉冲串的输出功率为192W，脉宽为51ns，对应的峰值功率为1.11千瓦，单脉冲能量为62微焦。重复率为5MHz的脉冲串的输出功率为209W，脉宽为46ns，对应的峰值功率为0.86kW，单脉冲能量为42微焦。此外，研究结果表明，通过将脉宽压缩至数个纳秒可获得更高的输出功率。此项研究结果为国际上首次在2微米附近实现平均功率超过200W的高功率窄带纳秒脉冲主震荡功率放大器。

当前，日益增长的应用如自由空间光通信、雷达系统、遥感技术以及光谱分析技术都需要用到高功率单模激光器。目前针对这些应用所采用的大多数光源都是固体激光器或者光纤激光器。西班牙马德里理工大学和德国夫琅禾费激光技术研究所的研究人员提出了一种工作波长在1.5微米的单片集成型主震荡功率放大器。这种具有三个分功能区间的器件包含一个分布反馈式激光器，一个调制区域以及一个高功率锥形放大器。此外，为了减轻在截面上的反射光的耦合效应，研究人员设计了一个弯曲的纵轴和一个倾斜的前向截面。实验结果表明，这种主震荡功率放大器可以实现功率大于400mW的跳模自由功率输出。在静电区域，调制部分所能承受的消光比为35dB。

2.无源光器件
微波吸收器是一种能吸收微波、电磁能而反射与散射较小的功能器件。又称雷达吸收材料或雷达隐身材料。微波吸收的基本原理是通过某种物理作用机制将微波能转化为其他形式运动的能量，并通过该运动的耗散作用而转化为热能。微波激发的一切形式的有耗运动皆可成为吸收机制。一般来说，微波吸收器主要用途为军事上，为了对抗雷达和其他电子设备的侦察和跟踪，选用合适微波吸收材料与目标外形设计相结合，可以更好的起到降低雷达散射截面(RCS)的作用，从而起到隐身作用。这种雷达隐身技术不仅为航天、航空飞行器采用，海上的军用舰船、陆地的各种军用车辆和地面发射设施也都采用了微波吸收材料，甚至还用于民用建筑的铁塔、桥梁上。微波吸收材料应具有良好的吸波性能，即有高于要求的阈值的微波吸收率和宽的吸收频带。此外，这种材料还应具有小的厚度和面密度，良好的力学性能和抗环境性能以及为用户接受的价格。
人工电磁超表面（meta-surface）是近一两年人工电磁超材料（metamaterial）研究的最新发展方向和研究热点之一，它可实现对电磁波反射和透射的灵活调控。超表面是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。纽约州立大学电子工程系与复旦大学材料科学系的研究人员联合提出了一种新型的基于超表面的微波吸收器。该微波吸收器对紫外波段的光具有极强的吸收效应，因而被他们成为“紫外光超级吸收器”。这种紫外光吸收器具有结构紧凑、便携等优点。他们设计的超表面的微观结构单元为金属铝-电解质-金属铝的“三明治”架构，这种结构在紫外波段具有强局域场效应，并且对紫外光具有强吸收性。另外，研究人员还在这篇文章中探讨了这种超表面可作为紫外表面增强拉曼光谱功能性基底的可行性。


3.光网络及其子系统
随着互联网的持续快速发展，各种新业务层出不穷，使得人们对网络接入带宽的需求持续增加，特别是网络游戏、会议电视、视频点播等业务，使传统的接入方式不能满足带宽的需求。与其他有线、无线接入技术相比，光纤接入在带宽容量和覆盖距离方面具有很大的优势。随着低成本无源光网络（PON）技术的出现和迅速成熟，以及光纤光缆成本的快速下降，运营商接入网络光纤化的想法将逐步得以实现。目前，PON是解决接入网“最后一公里”、实现FTTX的最具吸引力的技术。“无源”是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成。因此，其管理维护的成本较低，这是PON在接入网发展中最具优势的一面。波分复用型无源光网络（WDM-PON）是将波分复用技术运用在PON中，光分路器通过识别OLT发出各种波长，将信号分配到各路ONU。而基于波分复用技术的WDMPON采用波长作为用户端ONU的标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较宽的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时，还可以避免时分多址技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面具有明显优势。随着技术的进步，波分复用光器件的成本尤其是无源光器件的成本大幅度下降，质优价廉的WDM器件不断出现，WDMPON技术将成为PON接入网一个可以预见的发展趋势。最近，韩国光云大学电子工程系的研究人员实验验证了一种信道间隔为25GHz的WDMPON，他们利用一对50GHz的阵列波导光栅对（AWG）系统中的奇数信道和偶数信道实现了窄（薄片状）频谱分离。研究人员指出，他们采用的50GHz的阵列波导光栅对相对传统的25GHz的AWG具有更低的误码率，其信道带宽是采用25GHz AWG情形的两倍。此外，相邻两信道间不断增加的频谱重叠程度所造成的码间串扰相当小，这是因为各信道是非相干的，并且各信道的强度噪声会被反射型半导体放大器所吸收。研究结果表明，这种采用50GHz波导阵列光栅对的具有25GHz频谱间隔的WDM-PON网络构造简单并易于实现低误码率的信号传输，其性能远远优于传统的采用25GHz AWG的WDM-PON网络。
 

在现代光通信系统中，载波调制格式对系统性能影响很大，为了达到与现网的10 G、40 G混合部署，实现80波50 GHz间隔，必须达到高SE，这可以通过采用单载波高阶调制或者多载波传输来实现。对于400 G 的传输系统，考虑器件频率漂移和R0ADM(可重构光分插复用器)非理想特性，要求实际中必须采用45 G 32QAM(正交幅度调制)调制或者28 GPM(偏振复用)-256QAM。电域OFDM(正交频分复用)也能够取代单载波调制，两者的DSP的复杂程度一样，但是OFDM 由于循环前缀、前导符和训练符号开销等额外信息，通常比相应的单载波格式的SE要低。随着IEEE 802.3ba标准的制定完成，100G以太网技术已经得到验证并标准化。400G以太网和OTN标准成为了下一步人们关注的焦点。同40G/100G一样，400G的部署应该是渐进的方式。为了更有效地利用现有的DWDM(密集波分复用)线路资源，降低投资成本，运营商希望400G能在现有的网络上部署，而不是重新设计和建造一个新的网络以适应400G的传输。最近，中兴通讯公司美国研究所的研究人员系统地研究了基于三种高阶QAM（8/16/32-QAM）调制格式的双载波400G系统解决方案。这篇文章中，他们比较了Gray编码和差分编码优缺点的差异性，然后通过实验比较了光信噪比的灵敏度和信号传输性能，该实验通过采用灵活的收发器架构以及标准化的单模光纤链路来实现。实验结果表明，对于42GBd的偏分复用8QAM信号的执行损耗为1.85dB，该结果比32-GBd PM-16QAM信号情形要低1dB，比25-GBd PM-32QAM信号情形要低1.5dB，其中Q2因子为5.92-dB。此外，他们还发现42.6-GBd PM-8QAM信号的最大传输距离为2460千米，32-GBd 16QAM信号的最大传输距离为1640千米，25-GBd PM-32QAM信号的传输距离为820千米。他们还比较了级联多模算法和判决引导最小均方算法的性能差异。