2015年9月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 陈福平 申世鲁
10/8/2015，2015 年9 月出版的PTL 主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子其系统、无源和有源光子器件、激光器，笔者将逐一评析。

1.光网络及其子系统

        目前，波分复用无源光网络在未来光宽带接入网络中已经是很有前景的候选方案，因为它满足了不断增长的宽带接入服务和激增的手机数据通信网。但是在传统的波分复用无源光网络中，光网络单元在用户末端需要需要分布式的发射器、接收器和其他的无源器件，这大大增加了运营成本和资本支出。为了减少网络使用和维护的负担，同时提高网络的灵活性，上行传输应该是无色的，节约成本的，容易处理的，因此各种传输方案就应运而生。来自亚特兰大的佐治亚理工学院电子工程专业的研究人员提出了一种基于双频带波长共享的波分复用无源光网络结构，使用了弱共振腔法布里-珀罗激光二极管来获得廉价的波长再生，同时也减少了在传统的注入锁定法布里-珀罗激光二极管中的不良影响，如不完全数据擦除、信号背射以及信号随机阻塞。他们使用TO-56-can包装的弱共振腔法布里-珀罗激光二极管作为光网络单元接收端，在C波段至L波段它具有良好的频谱范围，同时也提高了外部的注入效率和边模抑制比。在这项实验中，两个工作波长在1555nm和1575nm左右的分布式反馈激光器对应地被放置在NUC1 和 NUC1’，标准脉冲产生器产生的4-Gbit/s伪随机数据流去驱动于弱共振腔法布里-珀罗激光二极管相连的偏置电源，一个具有8-dB插入损耗的可调光衰减器被引入到干线光纤中去模拟由无热循环的AWG产生的衰减。试验结果表明，在这种新的结构中，两个波分复用无源光网络的操作都是在光线路终端，共享源光注射锁定上行发射器，而没有增加额外的光源和其他的有源设备，波长调谐集中在光线路终端可以更有效地管理所有的光源，相比传统的波分复用无源光网络，该结构获得了更好的误码率表现。这种波长共享的双边带波分复用无源光网络系统由于其性能优越，成本低廉，成为下一代光接入网的优质方案。


        微波脉冲在宽带接入网络、雷达和天线、电子战争、传感器网络等方面有着重要的作用。与传统的电子电路产生的微波信号相比，激光技术更容易产生跟高频率的具有任意波形的微波信号。到目前为止，有很多基于光谱整形的方法来产生微波脉冲信号，这是利用光梳状滤波器和WTT技术，而没有用任何外部参考微波信号。这些技术的核心部分是用光谱整形器从宽频带光源中分割光谱。由于微波信号在脉冲宽度、啁啾率、频率方面有很高的可重构性，而空间光调制器（SLM）在灵活重构方面具有明显的优势，所以常常被用作光谱整形器。然而，空间光调制器作为光谱整形器作用于自由空间，这必然会造成系统损耗，增加复杂度以及体积过大。为此，基于纤维光学提出了很多方法来产生高频率微波脉冲，这是基于差分群延时或Sagnac 纤维环作为光梳状滤波器在色散方面与WWT映射相结合。然而 ，这种全光纤结构的缺陷是一旦结构固定，传输响应也是固定的。在这种差分群延时和色散状况下，光梳状滤波器的自由光频率范围是保持不变的，以致产生的微波脉冲频率是不可以调谐的。离散MFs的微波脉冲信号的频率复要想被用于实际运用，微波信号的相位是需要可调谐的。来自中国科学院半导体研究所集成光电子学重点实验室的研究员提出一种产生微波脉冲信号的方法，可以实现连续相位调谐和基于相移Lyot光滤波器的离散调谐微波频率。可以离散调谐光谱间隔的Lyot光滤波器得以实现是通过改变双向传输光信号的偏振状况。这个滤波器的频率响应被连续调谐在全自由光谱范围上保持形状，仅仅调整一些相位调制的偏移电压不会改变自由光谱范围。该方案也可以实现微波脉冲频率复用以及离散可调谐复用因子通过级联多个Lyot光滤波器。


        为了在光纤上传输微波信号，需要把信号转化到光域。例如，电域的微波矢量信号上变频为毫米波，要在光纤上传输先把矢量信号调制到两路光载波之一上，该调制基于光载波抑制调制或者外差光载波抑制调制。然而，这两种调制方案都需要在电域产生微波信号并上变频为毫米光波。另外，具有很好的裁剪频域响应的光滤波器要选择需要的光载波和边带，这就增加了系统的复杂度和成本。微波矢量信号可以直接在光域产生，现代光学可以提供一些关键技术，如更高的频率和更大的带宽。有一些在光域产生微波矢量信号的方案被提出，例如，一种I/Q的矢量信号的数据流，与两路正交的微波载波合并，应用于一个双臂马赫曾德尔调制器，然后经过光电探测器，来产生微波矢量信号。该方案里需要两个微波合成器和微波90°混合器，这增加了系统的复杂度。为了避免使用微波90°混合器，另一个方案提出使用光延时器在其中一个I/Q信道上，通过制造90°相移来产生微波矢量信号。然而该方案也存在局限性，I/Q信道是物理分开的，有环境干扰引起的相位变动会转变为生产的微波矢量信号。此外，由延时产生的相移与频率是相联系的，当频率改变时需要重新设定延迟时间来产生90°的相移。来自中国南京大学工程与应用科学学院的研究员提出了一种新的简单而稳定系统产生微波矢量信号。在该系统里，一个线性偏振光波被偏振分束器分开并传输到Sagnac环，该环上偏振调制器和相位调制器合并在一起。在Sagnac环上，光波顺时针传输和逆时针传输都在同一个光纤上，它们经过相同的环境振动，因此相位变动会消失，稳定性不受影响。I/Q微波信号数据流和微波载波混合，分别作用于偏振调制器和相位调制器。偏振调制器和相位调制器都是行波设备为光波沿着一个方向运行提供高效的调制，由速度匹配光波和微波沿着那个方向运行。对于另一个方向，由于速度不匹配，所以调制非常弱，以致可以忽略。在Sagnac环输出端，有偏振调制产生的光信号和正交偏振相位调制信号合并。该光信号通过光带通滤波器滤除阶边带。该信号通过标准单模光纤传输，由光电探测器产生微波矢量信号。正交相位的引入是由于光载与阶边带相位调制信号间有内在的相移。由光产生的4.5GHz微波矢量信号以625MSym/s进行QPSK调制，并通过25-km SMF传输。在接收光功率为6dBm 实现无损传输。加入I/Q不平衡补偿，在接收光功率为2dBm可实现无损传输。


2.无源和有源光子器件

    光纤温度传感器一直是研究的热点，相比较传统电传感器，它具有尺寸小，质量轻，不受电磁干扰，可远程操控等优良品质。最近几年，多模干涉仪温度传感器由于其小巧简单的结构和鲁棒性能越来越引起人们的注意。由于折射率和纤维芯、包层都是对温度敏感的，所以多模光纤的模式改变是根据温度来的，从而导致多模干涉仪光纤传感器输出光谱的改变，这钟改变将引起多模干涉仪传感器频谱响应的波长偏移。直的弯的多模干涉仪传感器的温度灵敏度非常低，因为包层和纤芯具有较小的热电系数。利用高分子材料的多模干涉仪光纤传感器灵敏度可以达到3195 pm/°C，但是这类温度传感器需要额外的高分子材料，将会增加制作的复杂度和成本。一些研究者整合小型的无芯光纤（替代多模光纤）和高折    杂的传感器包来保证光纤的流体是完整的且没有泄露的危险。来自马来西亚理工大学电机工程系的研究人员提出了一种简单的低价的多模干涉仪光纤传感器，它在低温条件下有很高的灵敏度，而且没有额外的包层。实验表明，这种多模干涉仪光纤传感器响应可以通过波长转移或强度变化获得，最大的温度灵敏度−2060 pm/°C 和 −25.1 nW/°C。研究者还指出，温度测量范围和强度可以在不同的纤芯弯曲半径、直径和多模光纤段长度的基础上可以得到进一步的提高。


        多路复用与少模光纤结合的新技术引起了很多关注。在多路复用系统中一个关键的组件就是模转换器，它通过一些散装光学器件实现，如相位板和液晶空间光调制器，但是这些体积大的设备存在损耗，难以排列布置，所以一般都只用来用作概念验证。所有的光纤模式转换器用长周期光纤光栅都可以有效实现，但是限制了带宽和波长可调谐能力。波导模式转换器有着多方面的物理特征，使设备集成获得更复杂的模式操作能力。最近的多路复用系统实验基本都是采用波导模式复用，中国电子科技大学光纤传感与通信重点实验室的研究人员提出了一种基于沿着高分子波导形成长周期光栅的模转换器，利用长周期波导光栅结构去实现在少模波导中两种导模之间的耦合。设备利用长周期光纤的模式选择耦合装置和高分子材料的热光效应来进行波长调谐。由于高分子材料有着可控大范围的折射率，使得高分子波导容易被设计去满足光纤尺寸和偏振不敏感操作。研究人员制作的典型设备在C+L波段的中心波长提供了模式转变效率高达99%，温度灵敏度3.5 nm/°C，这种模式转变可以与其他波导装置结合起来来实现更先进的模式敏感功能。研究人员还指出，这种模转换器在多路系统中有很大的应用空间。

         为了满足未来光纤传输的容量需要，在现代的光纤传输系统中先进的调制格式加多样的复用技术正在被广泛利用，由于波分复用和偏分复用的利用，传输记录正在被不断的刷新。然而，在光传输中单模光纤的容量接近香农理论极限，另外，最近多模操作一直被大力研究。使用少模光纤的模分复用被证明可以有效的改善光网络的容量。在未来高容量光纤通信中选择性模式转换是一个很理想的功能。另外，硅光学具有低成本、高折射率对比、成熟的兼容CMOS技术，被普遍认为是很有前景的，并作为下一代光网络的解决方案。因此，片上选择性模式转换正在被广泛的研究，多种关于模分复用信号产生方案被报道。一种推挽式的方案被提出来激发模，在这里有两个相位差为的类高斯点被使用，由于双极场模分布。然而，这种结构是很复杂的，使用了6个输入光栅耦合器和很多相位控制单位。特别是很多已存在的片上方案只提供固定的模转换功能，因此可切换模转换技术被给予很高的期待。来自中国武汉华中科技大学光学与电子信息学院武汉光电国家实验室的研究人员提出一种方案，利用偏分结构构造偏振控制片上模转换器，该模转换器有两个2D光栅耦合器和两个定向耦合器组成。该芯片在SMF输入端通过选择两个正交线性偏振方式，可以完全的实现基础模向模转变或者维持基础模输出。2D光栅耦合器作为偏振流分离器/合并器，相对于2D光栅耦合器的偏振轴，偏振控制模转换的实现得益于选择最佳输入的偏振状态。为了兼容已经成熟的WDM技术，基于两个微环振荡器情况下定向耦合器被设计出来，该耦合器可以作为分插复用器使用在WDM光网络中。微环振荡器通过设计时改变参数来实现不同的转换功能。另外，选择性模转换可以实现440Gb/s开关键控，并获得很好的BER性能。

3.激光器

半导体光源的光学共振腔的实际尺寸下限不能小于真空发射波长的一半除以光学共振腔折射率的值，这是能支持驻波的共振腔最小的光学厚度。目前最小的商业应用相干光发射器——垂直腔面发射激光器的垂直光大小相当于数十个波长。复杂结构的分布布拉格反射镜是基于砷化镓的垂直腔面发射激光器的微型化。有许多研究尝试将用高折射率对比度光栅或电介质布拉格反射镜取代布拉格反射镜，高折射率对比度光栅的劣势是它的结构，包含两个层次的折射率，较低的折射指数层是典型的绝缘体或空气，是来阻止电流流经高折射率对比度光栅。罗兹大学物理研究所的研究人员研究一种创新的高反射亚波长光栅结构，不再要求有传统结构中必需的低折射率层，这样大功率反射比光栅可以用具有折射率大于1.75的任何材料制作。单片高折射率对比光栅的设计为发展简化的垂直腔面发射激光器开辟了一条新的道路，这种激光器包含在磷参杂层和氮参杂层之间的电流限制异质中的活动区。在这些激光器中，通过两个二维单片亚波长光栅刻蚀进光共振腔两旁的包层材料，这种激光器的最小垂直厚度可以等于一半或整个发射波长的光学厚度。在数值仿真的基础上，研究人员还指出一种新的简化垂直腔面发射激光器结构，利用了两个单片高折射率对比光栅，这样的设计很容易实现，用各种各样的光电材料作为一种潜在的芯片集成光源系统实现非常短的光互连。相关人员还研究了用最短的可能腔长设计最薄的可能高折射率对比光栅垂直腔面发射激光器，发现单个高折射率对比光栅可以取代传统垂直腔面发射激光器顶部的分布布拉格反射镜，而保留底部布布拉格反射镜，这样就可以通过减小垂直厚度和外延材料发展的时间成本来简化激光器的结构。更薄的高折射率对比光栅垂直腔面发射激光器也可以减少整体结构应变，从而促成可靠的技术，如高带宽密度光学互连、光谱传感器等。