2015年8月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 方安乐。
9/8/2015,2015年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器和放大器、无源光子器件、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。

1.激光器和放大器

        超短脉冲激光器在诸多领域包括光通信、微结构制造、光谱分析以及生物医学方面有着非常广泛而重要的应用。从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了超短脉冲飞秒激光的应用。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者。早期的飞秒光纤激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模(Soliton mode locking)和展宽脉冲(Stretched pulse)锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低，限制了此种光纤激光器的应用。近年来，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar)和全正色散锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破20nJ。最近，韩国先进科学技术研究院物理系联合延世大学物理无应用物理学院光子器件物理实验室的研究人员提出了一种基于锥形光纤可饱和吸收器的全光纤被动锁模激光器，其中可饱和吸收器结构中嵌入了一个二硫化钨纳米薄片。实验中的锥形光纤采用标准的火焰灼烧法制备，其作用长度为3毫米，腰部直径为10到15微米。二硫化钨纳米薄片采用液相沉积法制备从而得到均衡的色散特性，然后将其沿着锥形光纤的作用长度方向放置，从而构造了一个包含被动锁模机制的环形激光器。其具有10微米锥形直径的可饱和吸收器可产生脉宽为369飞秒的超短脉冲，具有3dB、7.5纳米的谱宽。另外，研究人员发现采用腰径为15微米锥形光纤的可饱和吸收器可得到563飞秒的脉宽输出，其谱宽为5.2纳米。研究结果表明锥形光纤的腰部直径越小，所产生的超短脉冲的谱宽越宽。这种全光纤激光器的结构如图1所示。

图一 基于锥形光纤构造可饱和吸收器的飞秒激光器实验装置图

        高功率的掺铥光纤激光器是一种非常有市场前景的激光技术，其输出中心波长在2微米附近，水分子在该波长附近具有很强的中红外吸收峰，因此，掺铥光纤激光器被认为是应用于医学、生物学、超快光学、眼睛安全、近距离遥感和远程探测系统如激光测距机、相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面DIAL系统等的理想光源，具有潜在的应用价值。在医学领域，掺铥光纤激光器作为单一光源紧凑型的激光平台，具有多种应用，其中包括精细切割、快速汽化以及在软组织处理过程中合适的凝结止血等。而诸如更小的尺寸、更高的效率和更好的光束质量这些潜在的优点使其能胜任更加精细的组织切除。此外，高功率掺铥光纤激光器除了作为2微米波段人眼安全波长和激光雷达的光源外，还可以作为固态晶体激光器的泵浦原以实现更长波长的红外激光器输出，具有很大的市场应用前景。最近，挪威科技大学物理系的研究人员报道了3种基于高度掺锗和掺铥光纤的线性腔飞秒全光纤主震荡功率放大器。他们采用了不同结构的半导体可饱和吸收镜实现锁模。他们系统研究了这三种不同结构的性能并在一个较宽的腔内色散范围内得到了稳定的锁模。在这篇论文中，他们着重聚焦三种锁模区域：反常色散、近零色散以及正常色散区域，其中并没有采用额外的色散补偿器件。对于正常色散和近零色散区域，可得到数个纳焦的飞秒脉冲。此外，他们利用一个简单的光纤压缩机可将脉冲宽度压缩至630飞秒，这种光纤压缩机包含一根传统的通信光纤，这使得该超短脉冲激光器的设计简单并且性价比较高。该激光器的示意图如图二所示：

图二 掺铥光纤激光器和放大器结构示意图

全光纤激光器以光纤光栅和泵浦合束器替代二色镜，有效克服了空间耦结构光纤激光器的不足，使系统结构更加紧凑、转换效率更高、可靠性更好，引起了国内外的广泛关注。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采用了主震荡功率放大结构（MOPA）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。目前千瓦级的全光纤激光器已实现产品化。09年美国IPG公司推出了产品化的单模10千瓦级光纤激光器，其多模连续光纤激光器的输出功率可达50千瓦，电光转换效率高于25%。此外，Nufern公司也推出了千瓦量级窄线宽高功率单模光纤放大器系统。国内多家单位也已成功实现千瓦量级的功率输出。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千瓦量级全光纤级联放大器。该实验是首次利用分布式单边耦合包层泵浦掺钇光纤实现的放大器系统。该放大器可实现双级级联放大，其总输出功率可达到1.009千瓦，关联泵浦光功率的光-光转换效率达到76.8%。此外，研究人员还测量了级联放大器的输出光束质量，其品质因子达到了2.1。研究结果表明该级联放大器对于光纤激光系统的功率缩放起着至关重要的作用。其结构如图三所示。

图三 全光纤级联放大器实验装置图

2.无源光子器件

        微波光子滤波器是一个利用光学处理方法处理微波信号并实现滤波功能的光学系统。传统的电子技术的滤波技术是直接将射频信号下变频后在电路中进行处理，相对缺少灵活性，系统易受电磁波的干扰；收到频带及采样率等电子拼瓶颈的限制。而微博光子滤波技术实在光域上处理载有的电信号，利用光钎、光学链路、光电子器件等对信号采样、加权、相加等处理。由于微波光子滤波器使用光学的方法处理微波信号，它可以克服传统的电滤波器的“电子”瓶颈。传统的采样频率最高只能达到几千兆赫左右，而微波光信号处理则可以达到上千亿赫兹，这将给高速无线通信提供很好的基础。比起传统的电子滤波器，微波光子滤波器用光学的方法处理微波信号，这种方法利用了光纤延迟损耗小、抗电磁干扰、能提供较宽的工作带宽和高速的取样频率等优势；并且微波光子滤波器更容易实现可调和可重构。这些优点使得微波光子滤波器的应用非常广泛。例如其可以在现代高速光纤无线接入网中得到广泛的应用，既可以应用在地面雷达系统中，也可以应用到从通用移动通信系统到固定接入微蜂窝网络中的无线接入网级相关标准中，全球互操作性微波接入以及局域多点分布服务，此外，由于重量轻的特点，其在数字卫星通信系统中也有着广泛的应用。最近，上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员提出了一种具有高选择性的矩形光滤波器。该滤波器的原理是基于光纤中的布里渊散射效应来实现的。其滤波带宽为1到3GHz。通过泵浦分裂双级构造，该滤波器的选择性提升了16dB，并且在2GHz的带宽范围内超过40dB。滤波形状可以通过数字反馈补偿和非线性管理来精确地控制。此外，研究人员利用相干检测技术通过对放大信号的信噪比的评估分析了单级和双级滤波器的噪声特性。研究结果表明，在实现更高的选择性和提升噪声性能方面，双级架构的性能优于单级架构。其对滤波性能的灵活可调性使得这种基于布里渊散射的滤波器可称为最有应用前景的微波光子器件之一。

        随着光纤技术的发展以及人们对测量要求的提高，光纤传感器被越来越多的应用在社会生活的各个领域，相对传统机械或电传感器，光纤传感器有着许多不可替代的优势。比如其一般采用光学的测量方法，测量精度高，传感器结构一般都是光纤材料，具有很好的抗腐蚀性，稳定性，并且可以设计成任意形状。兼具传感与传输于一体。目前，加速度计作为重要的传感元件已广泛地应用于交通、航天和医疗等领域。在各类微型加速度计中，光纤型加速度计由于具有抗电磁干扰能力好、重量轻以及能在恶劣环境下工作等优点，已经成为国内外研究的重点。光纤加速计时通过光纤传感技术来测量质量块的惯性力从而测量加速度的光纤传感器，由于它体积小质量轻，动态范围宽，响应快，精度高，具有抗电磁干扰、电绝缘和耐腐蚀性等优点，在许多领域都有着广泛的应用。现有的各类光纤型加速度计中，光弹效应加速度计结构相对比较复杂，而光波导加速度计存在光纤与波导耦合效率相对较低的困难。最近，安徽大学光电信息捕获与操控教育部重点实验室的研究人员提出了一种基于模式干涉仪的悬臂式光纤加速计，该加速计具有30dB的条纹可见度。在该光纤加速计系统中，他们采用电测试替代光谱探测来实现更快的加速度测量。实验结果表明，使用该传感器检测的最小加速度为1.36mg，共振频率为520Hz，与此同时，他们还分析了这种光纤加速计的角度依赖性，对于不同角度的输出强度差最高达到18dB。这种光纤加速计可应用于水下声学探测和地震波的探测。

3.光网络及其子系统

        目前，数据处理中心和高性能计算系统对通信带宽的需求日益增长。这些网络都需要具有大带宽和低功率损耗的短距离的网络连通度。随着近几年随局域网传输速率不断升级，50μm芯径多模光纤越来越引起人们的重视。自1997年开始，局域网向1Gb/s发展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纤几百兆的带宽显然不能满足要求。与62.5/125μm相比，50/125μm光纤数值孔径和芯径较小，带宽比62.5/125μm光纤高，制作成本也可降低1/3。因此，各国业界纷纷提出重新启用50/125μm多模光纤。经过研究和论证，国际标准化组织制订了相应标准。但考虑到过去已有相当数量的62.5/125μm多模光纤在局域网中安装使用，IEEE802.3z千兆比特以太网标准中规定50/125μm和62.5/125μm多模光纤都可以作为1GMbit/s以太网的传输介质使用。但对新建网络，一般首选50/125μm多模光纤。50/125μm多模光纤的重新启用，改变了62.5/125μm多模光纤主宰多模光纤市场的局面。此外，由于当前的光纤通信网络都是基于单模光纤的，虽然其单纤传输容量已逼近100Tbps的非线性香农极限，由于目前从时间、频率、偏振、多进制调制、多光纤唯独的利用来看，其利用均已接近极限。因此，干线的传输容量已接近极限，提高将十分困难，只有采用新的空间复用技术才有可能进一步提高光纤的传输能力。从而基于多模光纤的模分复用技术逐渐引起研究人员的重视。最近，伦敦大学电子与电气工程系以及剑桥大学工程系的研究人员提出了一种基于传统的梯度折射率多模光纤的模分复用系统。在这项实验中，他们利用该系统将信号传输了8千米。他们在这种多通道多路复用的三线性偏振模（LP01，LP11a和LP11b）系统中采用了空间光调制器。他们利用一个6×6的频域均衡器作为基于空间光调制器的模分复用系统中的信道脉冲响应。研究结果表明，由于光纤中的模式MUX/DEMUX和小耦合造成的大的串扰效应，该均衡器过于稀疏，而每个模式上的信号传输都可利用传统的频域均衡器来进行传输性能的改进和恢复。此外，研究人员指出，这种基于空间光调制器的模分复用系统可应用于短距离传输来提高通信系统的容量。图四为这种模分复用系统的实验框架图。

图四 基于空间光调制器的模分多路复用系统框架图

        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。从本质上来讲，现有光学毫米波信号产生方法有三种：光外差调制，直接强度调制和外部调制。对于直接强度调制而言，由于直接激光器的带宽有限，难以产生40-60GHz的光毫米波。而光外差的方法是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的窄线宽光波，其中之一携带了需要传输的基带数据，在基站通过外差产生毫米波载波信号，在传输光纤中两光波的光谱都很窄，色散效应很小，但是需要两个性能很好的激光源，增加了系统成本。在更高毫米波频率，例如30GHz以上，外部调制比较容易实现毫米波产生，使用外部调制器产生高频毫米波是最简单、最有效的方法，被认为是最有应用前景的毫米波产生技术。最近，德国布伦瑞克科技大学的研究人员提出了一种新型的稳态毫米波产生技术。该方案的原理是利用飞秒激光器产生的频率梳的两条干涉谱线来实现稳态毫米波的产生。通过补偿激光重复率的漂移，通过对其中一根梳妆频谱线的调制来得到稳态的毫米波。因此，实验中的激光谐振腔是封闭式的，从而在通过软件稳定技术实现的10kHz载波偏移条件下得到了稳定和高质量的毫米波，其谱线宽为1Hz，相位噪声为-134dBc/Hz，产生频率的偏移量在40分钟的时间内低至1Hz证明了该毫米波产生方案的长期稳定性。实验方案如图五所示。

图五 一种新型毫米波产生方案实验框架图