2015 年10月PTL光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰陈福平陈烙申世鲁
2015 年10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、光通信网络及其子系统、无源和有源光子器件，笔者将逐一评析
一激光器和放大器

随着无线接入网络的增长需求，通常使用的不需要执照的在2.4-GHz和5-GHz处的频率将会越来越拥挤。对于未来宽带服务，高频毫米波是很有前景的选择。IEEE标准组织精确了60-GHz带宽是从57到64 GHz，使无线个人局域网/无线局域网（WPAN/WLAN）数据速率提升至数Gb/S。这高速度带宽为7GHz的数据量可以为不断增长的用户数和高速多媒体设备提供丰富的频谱带宽和无干涉信道。无线光纤系统的设计可以克服蜂窝网络的覆盖范围，减少无线接入网的总体成本。当载波频率达到60-GHz带宽时，数据很难通过电子设备进行上变频。光外差技术是一种实现数据上变频很有前景的技术，已经被应用于很多60-GHz无线光纤链路上。在最近几年，已经提出了几种产生两种模间间距为60GHz光模的方法，其中一个方案是使用锁模激光器，虽然设备很简单紧凑，但不可避免的也要面对腔长控制和可调谐性的问题；另一个方案是使用非线性影响，例如交叉增益调制，然而这些技术通常受限于低转换率和高输入功率。然而，增加射频源需要用载流产生，同时这也增加设备的复杂度和成本。一个有短延时反馈的单模激光可以产生双模输出，由于两个外腔模共存，它们具有相同的阀值增益。根据这种观念，一种单片集成放大反馈激光器被证明可以产生高频率模跳动在10GHz，20GHz，和40GHz。这种激光器具有大的频率调谐范围，两个光模的相位相关性可以通过电子或光注入来提升。然而，到目前为止，通过这种设备频率还不能超过40GHz。来自中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室的研究员提出一种较大可调谐范围放大反馈激光器，来产生跳动频率在60GHz的双模激光。这种激光器包括分布反馈激光器部分、相位部分和放大部分，利用量子阱混合技术集成到一起。通过改变相位和放大器部分的注入电流来实现跳动频率可以连续从46.8到72GHz改变，3dB线宽低于5MHz。由于其制造工艺简单，可调谐范围宽，这个设备有力的促进混合光纤无线接入网的发展和高频光微波的产生。

图1 可调谐放大反馈激光器

由Matthew Byrd等人引导的实验中，他们建立了利用偏振复用技术融合来自两个氮化镓蓝光激光二极管发出的激光的外部激光谐振腔(图2)，设计出了作为腔体输出耦合器的偏振相关窄带共振片，可以将线宽小于0.5nm的激光器锁定在一个445.5nm的固定波长上，在保持完整的光谱控制情况下系统的输出功率接近0.7w。

图2   激光谐振腔结构图

    近年来氮化镓(GaN)材料的工艺流程的发展和提高为蓝光发光二极管和蓝光半导体二极管开辟了道路。这两种半导体二极管已经受到极大的关注，因为他们在传感器、娱乐、通信这些方面的具有潜在应用。但是，氮化镓蓝光半导体激光器的光谱控制缺乏简单方法，它往往需要繁杂的操作步骤。在可以直接产生蓝色激光的半导体设备出现之前，频谱控制的红外激光二极管使用二次谐波来产生倍频，这样所带来的问题就是，由于其转换效率过低而几乎不能运用于实际当中。因此在大多数应用中频谱可控是必须的，直接产生所需波长是首当选择。论证了频率可控的GaN的需要性。一系列不同的方法已经成功实现了对半导体激光系统的波长选择。其中一种方法是外腔配置法，这种配置构造复杂。其中一个外腔设计是采用Littrow光栅结构来稳定和缩小激光的线宽。这个系统的一个优点是它可以实现小范围波长的可调谐。布拉格光栅是另外一种可用于外腔激光系统的器件。这些外腔配置对波长的控制表现出很高的精准度。文中，采用另外一种称为导模共振的滤光片(GMRF)，在外部激光腔体结构中作为输出耦合器。在漏波导中，这种谐振装置通过以引导模式进行入射光的相位匹配而相应产生一个窄线宽的激光。在红外波长上对具有导模共振滤光片(GMRF)的外腔体已经进行了成功论证。此外，关于GMRF探讨已表明它可以将氮化镓蓝光激光器的波长锁定在445.7nm上。然而，在探讨的外腔体中仅包含单个激光体，还需要能够融合来自多个激光二极管发出的激光的方法，这样就可以将多个二极管整合在一个激光谐振腔中。为了达到上述目标，他们研发了用半导体激光的线性偏振以偏振复用技术来融合来自两路的激光。

二光通信网络及其子系统/b]

    过去的几年中，微波信号的处理极大的吸引了人们的兴趣，因其在光域里具有的较大的优势例如宽频带，大的可调谐性和可重构性。在众多的功能中，频率可调谐带通滤波是其主要功能，被广泛运用于现代雷达，通信和战争系统。带通微波光子滤波器利用具有有限冲击响应的延迟线结构可以被实现。然而，由于离散性质的配置结构，具有有限冲击响应的延迟线滤波器的频率响应以多个通频带为周期。另外，为了避免光波干扰，由于其对环境变化及其敏感该结构微波光子滤波器被应用于不相干结构。另一方面，如果没有延迟线结构的使用，微波光子滤波器可以用于相干结构，例如：一个单带通微波光子滤波器利用相位调制和光滤波器，通过使用光滤波器移除其中一个边带，相位调制信号转变为强度调制信号，这个操作相当于变化光滤波器的频率响应到电域。同相移光纤光栅（EPS-FBG）在±信道处有两个缺口，这个可以用于相位调制和强度调制的转换。两个通带的中心频率可以通过改变两个可调谐激光源(TLSs)的波长被独立调谐。这种方法的主要问题在于两个波长的波长间隔很小，两个波长的跳动可能产生一个微波信号，这个信号会落在有用的频带上。为增加波长间隔，EPS-FBG必须设计在±信道间有更大的波长间隔，这就需要更高的采样频率，使整个系统更加的复杂。来自中国大连理工大学物理与光电学院的研究员提出和证明了一种新的微波光子滤波器（MPF）,有两个独立可调谐通带运用偏振调制(PolM)和有一个缺口的PS-FBG。偏振调制是特殊的相位调制，它支持相位调制沿着相反调制指数的两个轴进行调制。来自两个可调谐激光源的两个波长正交偏振调制,可以产生正交偏振相位调制信号。对于一个偏振方向，如果一个边带在PS-FBG的缺口滤出，形成单通带的微波光子滤波器（MPF）。利用两个偏振方向，可以产生具有两个通带的MPF。一个双通带MPF的带宽，每个通带140MHz，微波频率的可调谐范围大约6GHz。

[b]图3  可调谐微波光子滤波器

     OFDM由于有着多着多种优势而在未来波分复用系统中被作为一种强有力的候选方案，有研究指出，半导体光放大器由于它有着光带宽大、尺寸小以及便于集成等优点被用来放大相干光OFDM信号。它适用于低费用的相干光系统，但是，以半导体光放大器为基础的系统可能会受到诸如四波混频非线性影响。由于预失真的最优化，可以获得有效误差适量幅度的减少和更好的功率效率，这样的改变可以使OFDM信号对非线性信道损伤更少的敏感，但半导体光放大器的非线性特性仍然会影响性能。今日，来自罗马尼亚军事技术学院的技术人员研究了为使发射机性能线性化的数字预失真的益处，相关技术广泛应用到了射频放大，但是很少的光通信系统中普及。他们首次将前面提出的非线性压缩变化给出了实验确认，而且提出了压缩与线性化的联合使用，线性化是通过线性化过滤查找表方案与标准查找表方案做比较得出执行的。实验指出，首先在Matlab中产生离线信号上传给任意波长产生器，通过两个射频放大器变为I/Q两路信号进入IQ调制器，传输链路只用一个半导体光放大器作为助推器。在接收端，光调制器分析仪被用作本机振荡器来进行相干检测，为了证实预失真技术，原始信号被记录被送至接收端在Matlab中被执行，在做过滤查找表方案之前主要的步骤是时域恢复、相位校正和均衡。结果表明，研究者用线性化方案获得了明显的误差矢量幅度的下降，眼图上更少散乱的点，获得了更好地线性度。下图是这种非线性压缩转换实验配置图。

图4 非线性压缩转换实验装置图
在G. Stepniak等人的实验中，他们使用简单的两级脉幅调制，搭建了在发射端和接收端采用完全相同的LED作为信号的发射和接收的无线传输链路(图1)，通过数字均衡技术来克服链路的带宽限制，成功实现传输速率超过100Mbps的吞吐量。

图5 发射与接收硬件系统

    在过去几十年间，无线移动通信蜂窝网的范围一直在缩小，当前针对新型移动电台标准传输所包含的微蜂窝或飞蜂窝正被提出来。在如此小的蜂窝群下，光无线通信开始成为能够替代无线电通信的一个较具吸引力的选择。商用发光二极管是目前进行可见光通信研究中常用的光源，这种通常采用雪崩型或者PIN型光电二极管作为的光电探测器的方法，可以允许传输速率超过1Gbps,它也是同无线电竞争，低成本的光解决方案所必需的。

    众所周知，LED可以用来作为光检测器，然而都是普遍认为它只仅仅适合那些不需要高速率的低成本的简单应用，过去大多数研究认为这种传输速率要要远远低于1Mbps。在他们实验中，论证了在发射端和接收端都采用LED时的传输速率超过150Mbps已成为可能。但是在这种高速率的LED-LED传输应用还存在一些限制。第一，并不是所有的LED都具有很高的响应灵敏度从而能够为这种传输提供足够的功率预算；第二，不得不使用跨阻放大器来应对PN结带来的时间常数，特别是PN结正偏时他的时间常数很大。尽管论证了在没有反向偏置的传输可行性时，但是链路带宽和反向电压的响应度会变的更高；第三，必须采用数字均衡或者抑制符号干扰调制格式(如离散多音频调制-DMT)来克服符号间干扰(ISI)。该实验证实了最近一篇论文的结果，在那篇论文中曾论证过采用双极型LED-LED传输链路的总容量可以达到110Mbps,选择以LED形成的大型发射区和高效的而并非复杂的离散多音频调制格式就很有可能取得预期结果。

    在Manuel Schueppert等人的文章中，研究了谐振腔发光二极管(RC-LED)的非线性信号失真的起源，在泰勒级数展开的帮助下，分析了多阶脉幅调制(M-PAM)、无载波振幅相位调制下的RC-LED非线性性能，发现动态非线性特性主要依赖于所使用的调制格式，并研究了由 RC-LED和30m阶跃型聚合物光纤组成的短程千兆传输链路中的非线性影响。实验证明动态非线性是当采用M-PAM低波特率传输时信号衰减的主要来源，同常规判决反馈均衡器(DFE)相比，判决反馈均衡器的泰勒级数展开可以大幅度地提升M-PAM的性能。

    基于非相干技术和简单系统构成的短程光通信，LED和阶跃型聚合物光纤近期越来越受到人们的关注，他们在下一代家庭网络应用中也很受欢迎，例如大芯塑料光纤比较容易安装并且从整体系统来考虑以现有的技术可以为其提供优势，像降低功耗的可能性。然而，对于超高速传输，具有低成本的光学器件在强度调制-直接检测(IM-DM)的非相干传输上会表现出相当大的带宽和功率局限性，这就导致过去几年人们在集中研究适合IM-DM信道的不同的高效调制方案。多阶脉幅调制(M-PAM)由于其简单性，将他用于IM-DM短程传输被认为是很具有吸引力的，千兆传输的适用性以及将无载波振幅相位调制(CAP)用于不同的千兆IM-DM传输方案也得到了论证。CAP是同时使用由两个正交的脉冲波（CAP的同向分量和正交分量）构成的希尔伯特对。理论分析表明CAP可以提供比OFDM更高的速率和更低的功耗。

    由于依赖于操作环境，LED信号可能会出现非线性失真，这种失真原因还没有得到充分的解释并且可能会降低系统的性能。再者，在高效高频调制当中非线性效应变得更加突出，而这种调制恰恰又是这些系统所必须的。

    此文当中，研究了当采用M-PAM和M2-CAP这两种常用的调制格式下非线性失真时的RC-LED的性能，从系统理论角度来描述非线性失真的物理特性从而去了解LED的性能，运用了基于三阶泰勒级数展开的RC-LED的系统辨别。作为一个实际中的例子，通过由30mSI-POF组成的典型的短程千兆传输链路研究了确定非线性的影响，该链路采用8-PAM和64-CAP进行调制。

三无源和有源光子器件
    光子晶体光纤（PCF）有着重要的应用特别是在化学传感方面，由于在光纤包层上的气孔存在，它允许气体，离子和溶液剂渗透，特别是PCF的包层膜被利用时，这可以增加光和分析物的交互范围，。然而，PCF被用作化学传感器受到限制，因为光纤具有较大的衰减。一些人为非线性光学显微学提出一种可调谐PCF耦合器，该耦合器可以传输激光束为激发和分离荧光检测。有人用熔合双锥形方法设计了具有两种类型结构的PCF耦合器，进而获得分裂功率和牵引长度的联系，但是耦合器的插入损耗任然超过20dB。基于侧抛光技术的可调谐PCF耦合器通过控制两个抛光PCF的匹配角可以使耦合率达到90%，但PCF的插入损耗和传播衰减并没有被提及。众所周知，入损耗和传播衰减在单模光纤（SMF）中是微不足道的，然而，如果让单模光纤作为化学传感器，只有将包层暴露给分析物光分析交互作用才可以实现，但这不仅破坏了光纤的完整性，也限制了光和分析物的交互范围。这些发现有利于发展纤维光学化学传感器，SMF用于光的进出， PCF用于增强光分析交互作用。来自中国大连理工大学物理与光电学院的研究员设计了一种PCF-SMF耦合器如下图，设计选择最佳折射率，PCF的有效半径和耦合长度来增加耦合效率。这种耦合器具有很多优点，如低插入损耗和易制造。

图6 PCF-SMF耦合器

光纤布拉格光栅由于其高灵敏度、小尺寸以及无电磁干扰等优点被广泛研究。几十个光纤传感器能通过波分复用或时分复用等技术被同时访问。光纤布拉格光栅传感器阵列能监控一些大规模结构，如先进的飞机等太空交通工具和公众基础设施，但是他们的普遍商业应用还有一些障碍。虽然光纤布拉格光栅传感器阵列可以被复用，但是解调系统由于复杂昂贵的解调设备而代价高昂。干涉解调技术转换波长偏移至相位信息，相位信息很容易受环境失调的影响，这样就进一步影响了在大规模监测领域的应用，特别是易受价格影响的应用领域。为了减少解调系统的代价和复杂度，有研究提出电拍频技术，只需要一个频谱分析仪来监测光纤布拉格光栅上的测量应用，拍频解调技术也成功地应用到了监测流体静压等。随后，也有研究说明在拍频解调的基础上使用频分复用偏振光纤布拉格光栅激光阵列来进一步减少每个传感器的代价。但是拍频系统需要用两束短光纤布拉格光栅正交偏振激光来拍频产生一束拍频信号，这需要仔细的方法来产生着两束正交偏振光。来自黑龙江大学物理科学与技术学院的研究者提出了一种简单的建立在拍频技术技术上的多纵模光纤布拉格光栅激光(MLMFL)传感器系统。多纵模光纤布拉格光栅激光(MLMFL)传感器是由两片商业光纤布拉格光栅和一片掺铒光纤制作而成。因为激光腔足够长，两个正交偏振模的谐振频率几乎一样。所以只需要低频频谱分析仪而不需要光学偏光器。该系统已成功的应用到测量张力、温度和振动。为了进一步降低代价，有学者提出多路复用多纵模光纤布拉格光栅激光传感阵列。用两匹配波分复用器和一个半导体激光放大器，多信道多纵模光纤布拉格光栅传感器被监测。但是这样需要许多成群的光电检测器和频谱分析仪来实时监测对应的多纵模光纤布拉格光栅传感器。事实上，这样代价不会降低。如果光电检测器和频谱分析仪同时监测阵列中所有的多纵模光纤布拉格光栅传感器，就会大大的降低成本以及加大与传统传感器的竞争。最近，来自黑龙江大学物理科学与技术学院的学者为多纵模光纤布拉格光栅激光传感阵列提出了一种利用频分复用技术的电拍频解调方法。泵浦光通过波分复用器等分进入四个信道来激活每个多纵模光纤布拉格光栅激光器，四个激光传感器的信号通过耦合器并入一根光纤，进过光电二极管光拍频信号转换成电信号，频谱分析仪监测拍频信号的频率转移。为了保证四个传感器的拍频信号有相同的频率间隔，每个激光腔的长度要仔细设置，分别为1.495m,、1.462 m、1.430 m和1.394m，对应的四个多纵模光纤布拉格光栅激光器的谐振频率为69.286MHz、70.855MHz、72.441MHz和74.294 MHz。因为腔长很难准确控制，所以频率间隔不会严格相等。在泵浦功率为190 mW时，四个激光的许多模式都被平稳的产生，拍频信号被分成三组，每组包含来自四个传感器的同样序列的拍频信号。随着频率的增加，频率间隔也增加，这是符合理论的预测。为了传感器阵列的实时监测性能，研究人员还测试了所有传感器对张力的相应。每个传感器的两个多纵模光纤布拉格光栅激光腔末端被固定在一个固定的阶段和转换的阶段。随着移动转换阶段，多纵模光纤布拉格光栅激光腔一致的伸直，导致拍频信号的频率转移。当张力用到多纵模光纤布拉格光栅传感器腔，拍频信号的频率将会向低频转移。当拍频信号的频率低于混频，只有一个光电二极管和一个频谱分析仪用来监测所有的传感器。这种方案用来减少系统的成本是很有前景的。下图是这种方案的实验装置图。