2017年11月PTL光通信论文评析

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导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖
2017年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：正交频分复用光通信系统，超材料，微谐振激光器，传感器，测距技术，放大器等，笔者将逐一评析。
1.正交频分复用光通信系统
相干光正交频分复用（CO-OFDM）通信技术因其具有高频谱效率和抵抗色散（CD）和偏振模色散（PMD）负面效应而被认为是目前较有发展前景的技术。偏分多路复用（PDM）技术应用在CO-OFDM系统中则能进一步提升传输速率。但是，PDM CO-OFDM系统易受到由发射机（Tx）和接收机（Rx）中的非线性因素影响，例如信道失真和激光相位噪声以及其它一些信号幅度和相位之间不匹配的问题，而且同相相位（I）和正交相位（Q）分量不匹配（IQ不匹配）也会严重降低系统通信性能。来自天津里理工大学的研究人员在PDM CO-OFDM系统中分析了三种非线性效应的联合影响（包括信道失真，收发机中IQ失配和的激光相位噪声的影响）。为解决三种非线性效应的联合影响，研究人员提出了一种基于导频技术的正交频分复用光通信系统。在该项成果报道之前，已有相关研究人员人员研究并讨论了IQ不匹配的补偿技术，虽然他们也提出了一种解决IQ不匹配补偿的设计新方案，但上述解决方案也将产生新的问题，如CO-OFDM传输系统中信道失真无法克服的问题。因此，研究人员还曾针对PDM CO-OFDM系统提出了克服信道失真影响的解决方案；但是，研究人员仍没有考虑到相位噪声的影响。因此，研究人员提出了基于辅助相位估计技术以纠正CO-OFDM系统中相位旋转影响的方案，并证明了基于相位噪声的抑制正交基扩展（OBE）技术是可有效对抗PDM CO-OFDM中激光器相位噪声负面影响的方案（其技术原理是从矩阵分析角度考虑的）。然而OBE方案只考虑到相位噪声补偿而没有考虑IQ失配引起的相位噪声影响。同时，也有研究方案针对收发系统中IQ失衡以及激光器相位噪声影响进行联合补偿，并采用插入两个训练信号序列来补偿。然而，上述研究方案限制了系统传输比特率，因此并不适合于高速CO-OFDM通信系统的应用。研究人员对受到三种非线性效应联合影响的系统模型进行了实验分析，并就实验结果对系统配置进行了相关改进。例如在导频部分，研究人员插入一些特定的导频副载波以估计激光相位噪声。基于上述过程，研究人员分别补偿了信道失真，收发机中IQ失配和的激光相位噪声的负面影响。仿真结果证明了上述方法在40Gb/s光传输系统中应用比OBE方法能更有效的降低误码率。应用上述方法时，虽然系统的收发性能随着系统传输速率增加到100Gb/s和120Gb/s时而有所下降，但该方法的鲁棒性仍然较好。基于上述方法设计的PDM CO-OFDM通信系统框图如图1所示。

图1. 克服三种非线性效应的联合影响的PDM CO-OFDM通信系统框图

2.超、材料
近十几年来，人们对超材料的研究取得了长足进步。通常，超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料超材料；在光学领域，超材料通常由周期排列的晶胞如分裂谐振器（SRRs）组成，其主要作用体现在能够随意操纵光的传播特性。超材料因为具备支持亚波长结构共振的特殊能力将在人工设计结构中提供操纵电磁近场的可能性。基于近场耦合机制，研究人员实现了电磁能量在跨界结构中的传输，并展示了有趣的实际应用效果（如电磁感应透明模拟过程，理想吸收体制备，共振线宽展宽和小天线应用等）。近年来，研究人员一直致力于研究超材料中近场耦合的调制问题，他们已经基于被动方式通过改变单元格内的耦合距离、密度或取向证明了近场耦合的可调性。然而，上述调制过程的实现需要改变超材料的几何结构，这将严重妨碍超材料在芯片级器件中的应用。所以，实现超材料中近场耦合的主动控制过程变得非常必要。为达到上述目的，研究人员将超材料结构与具备可调导电性的动态材料结合。同时，考虑到导电性能的易操作性，基于硅基的光敏材料成为了主要候选材料。目前，石墨烯在某些应用领域已体现了优越的电子及光子特性，所以已成为在太赫兹（THz）体系可调器件设计中的候选材料。一方面，基于石墨烯的光调制器件已实现在皮秒时间尺度上的超快调制速度；另一方面，通过电子门控或光诱导掺杂方式能改变石墨烯的费米能级分布，使其具有连续可调的导电性。上述特性使得石墨烯成为目前最有应用前景的近场耦合主动控制候选材料。虽然最近的研究中研究人员已提出了利用石墨烯基超材料来调节近场耦合的设计方案，但其中单元格内孤立的石墨烯谐振器很难被再次调整，从而限制了其实际应用进程。因此，研究人员通过将单层石墨烯集成到正交扭曲的SRRs中来实现太赫兹（THz）超材料中近场耦合的主动控制过程，并且在费米能级上对电磁近场的耦合强度进行了强修正。根据对模拟光谱响应和电场分布的研究，研究人员将耦合强度的调制过程归因于费米能级偏移引起的石墨烯电导率增加使得晶胞中两种谐振模式之间耦合效应消失的过程。该项研究中研究人员所制备设计的超材料中使用的单层石墨烯更易制造和操作，因此与以前的研究相比其更有效。同时上述研究过程也为基于超快太赫兹和主动控制器件的芯片级近场耦合超材料制备开辟了一条新途径。研究人员设计的混合金属石墨烯超材料和相关配置示意图如图2（a）所示，相关超材料晶胞如图2（b）所示。

图2 （a）混合金属石墨烯超材料和相关配置示意图（b）超材料的晶胞（几何参数为l=36μm,w=6μm,g=2μm,s=1μm,Px=100μm,Py=50μm，铝厚度为tAl=200nm）

3.微谐振激光器
近年来，微谐振器激光器（WGM）由于其独特的性能优势吸引了人们很大的研究兴趣。除了对介质腔和微谐振器本身进行变形改造之外，还可对等边多微腔提供高品质因素（Q）设计来实现定向发射微型激光器的制备。正如我们所知，模式控制过程已经被用于研究方形微谐振器激光器中具有不同波形的输出波导和电极；通过耦合可调过程可实现方形激光器在正方形微腔一侧中点处的单模激光输出。此外，可调谐双模激光微激光器还可用于生成可调微波。依据双模微激光器具有太赫兹（THz）的波长间隔范围，研究人员设计和制造了一个变形方形谐振器，该谐振器是具有高Q值驻波特性，并且能在噪声干扰条件下稳定运行。来自中国科学院大学的研究人员首先研究了基于单模方形微激光器生成具有非零延迟光谱的自外差方案；然后通过对光子生成的研究过程讨论了双模微激光器的线宽和相关应用性能；最后采用双环路光反馈技术将激光线宽从几十MHz降低到约1.4 kHz。上述过程中，研究人员还基于非零延迟自外差的方法测量了20MHz的线宽（延时为100ms），测得的线宽随延迟光纤长度的增加而逐渐增加。此外，研究人员还使用光学外差法测量了双模正方形微激光器输出的88MHz和102MHz的线宽激光。经实验研究证明，在微波频率作用下信号的线宽要窄得多，并且两种激光模式之间呈现出较强的相关性。研究人员还证明采用双环路光反馈技术可以减小微激光器的线宽。基于非零延时自外差的线宽测量系统如图3所示。

图3. 基于非零延时自外差的线宽测量系统。SMF：单模光纤; AOM：声—光调制器; PD：光电探测器; ESA：电子频谱分析仪; PSG：脉冲信号发生器。

4.传感器
布里渊光纤分布式传感器因其使用新型材料和智能结构已经被广泛研究应用。常规的布里渊传感器通常基于标准单一模式光纤（SSMF）进行制备，考虑到布里渊频率偏移（BFS）量与温度和应变的变化成正比，因此无法对单个参数进行精确测量。研究人员已经提出多种方法来消除多参数串扰的共同影响。早期应用SSMF的方案是通过引入布里渊损耗峰值功率和传统的布里渊频率来同时精确测量多个参数，并引入保偏光纤（PMF）或人工神经网络（ANNs）对参数进行同时测量。实验研究证明，基于BFS和双折射的单模PMF应用可以实现判别性测量过程，但其应变量和入射光偏振效应很难被同时精确控制。而且，弯曲度不敏感的光纤基于两个工作波长进行了相关应变和温度的测量。BFS受温度变化从而影响不同多峰布里渊增益谱（BGS）的过程被用于传感区分研究；同时，光子晶体光纤（PCF）和大面积有效面积光纤（LEAF）也被用作传感元件。尽管如此，PCFs由于其具备特殊的波导设计结构，从而将导致较高的制造成本和感测距离受限。目前，LEAF（一种非零色散位移光纤）因为具有较大的有效面积常被应用于密集波分复用（DWDM）系统，但其对温度和应变过程不具备区分能力。然而，基于少模光纤（FMF）的布里渊传感器因其可区分多重参数吸引了研究人员更多的兴趣。来自北京交通大学的研究人员提出采用一种新颖的基于M-SMF并利用受激布里渊散射（SBS）的光纤传感器同时测量温度和应变过程。与 SSMF相比，在M-SMF中，在布里渊频谱中多个峰值对应于几个耦合LP01光学模式的纵向声学模式。研究人员还分析和研究了光纤参数（包括掺杂浓度和纤芯半径）对布里渊增益和BFS的系统性影响。由于光纤折射率呈M形分布，两个较宽间隔的布里渊峰值测量可用于应变和温度的判别式感应过程。研究结果证明，BGS中多重峰值由M-SMF中相应的声学模式引起，而SSMF中的布里渊增益在高阶声学模式中要小得多。基于前两个布里渊峰之间温度和应变的线性关系，研究人员证明温度误差为0.47℃时，应变误差为12.3με。研究人员设计的M-SMF结构将对各种传感领域中温度和应变参数的判别起到相当大的作用。研究人员发现的M-SMF中折射率分布（ni）和纵向声学速度（VLi）关系示意图如图4所示。

图4 M-SMF中折射率分布（ni）和纵向声学速度（VLi）关系示意图

5.测距技术
自从1961年第一台精密电子测距仪（EDM）问世以来，对其性能的评估变得非常重要。目前，世界各地建立了多条测量基线以便于校准（EDM校准基线的范围可以从50米到大约1公里）。其中，短程基准线主要用于建筑和施工中的EDM校准；长距离基准线则是用于测量的EDM进行校准。EDM的工作原理是通过测量往返调制光的相位移来测量距离。最佳的EDM（科恩光电测距仪ME5000）可以测量的距离达几公里，分辨率为0.1mm；为了校准该类型EDM，必须测量出其基线柱之间的距离，以确保其具有更好的精度。在过去的几十年里，V型比较仪是最精密的测量技术，其基线长达1公里，测量精度能达到几十微米，测量结果能通过长度1米的石英测量块记录下来。然而，其中必须涉及到的白光干涉仪很难操作，只能在非常稳定的天气条件下工作，这在埃及等许多气候多变的国家并不适用。目前，研究人员已经花费大量精力来寻找更稳定和精确的绝对距离测量技术。目前，研究人员已利用若干新技术实现了飞秒光学频率梳对距离的测量过程（例如条纹分辨干涉，相移和双梳技术）。上述技术应用后，测量距离可达50米（测量精度为几微米）；而测量距离为240米时，测量精度为1毫米。然而，光梳是非常昂贵且不可移动的，因此在使用时需要注意相关测量参数的影响（如色散）。虽然频率扫描干涉测量技术很早就被研究，但该技术目前没有得到显著改进，并且其可测量的距离受到采集电子设备的限制，只能测量几米的范围。而且在实际应用中，通过法布里-珀罗腔来获得长度单位的可追踪性不易实现。最近，德国的研究人员设计了用于长基线测量的TeleYAG系统，该系统是基于自由空间光学原理而制备的，因此其应用劣势体现为其便携性不强；并且，它应用在50米范围内的测量精度大约为200微米，所以该系统的应用性能还不如V型比较仪好。因此，研究人员设计了一种新颖而简单的远距离测量方案。该方案的应用过程包含使用一个全光纤被动锁模激光器，其主要优势体现在它能很容易地测量SI单位长度的可追踪距离。研究人员为了验证所设计系统的应用性能，进行了高达14米距离的测量（尽管他们所测量的距离受实验室内可用空间的限制）。该方案的应用装置图如图5所示。

图5测量绝对距离的实验装置图（EDFA：掺铒光纤放大器；PD：快速光电探测器；PC：偏振控制器；CIR：环行器；COL：准直器；M：反射镜；FC：频率计；OSA：光学频谱分析仪；TC：热绝缘）

6.放大器
可调谐半导体激光器在光谱学，固体激光泵浦和非线性频率转换等领域有着广泛的应用。上述领域（特别是近红外（IR）光谱学领域）中存在的共同点是需要高功率、衍射受限和可调窄线宽的激光源。最近，IR检测领域中一种采用上变换技术的特定应用引起了研究人员的广泛关注。研究人员通过使用非线性晶体中波长较短的泵浦激光器将一个红外信号上变换成近红外光谱（<1微米）。该种使用硅基CCD检测器进行红外检测的技术与传统技术相比，具有优良的抗噪声性能。上述方案中，泵浦激光器是一种典型的固体基腔系统可提供高腔内功率和多通道配置。研究人员通过改变非线性晶体中入射光角度或晶体的温度，来改变相位匹配条件。他们也证明了红外光谱被上转换后能够在IR中实现光谱学和高光谱成像过程。而半导体激光器（如分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反馈（DFB））可以在近红外区域提供接近衍射极限和可调谐窄线宽的发射过程，但其发射功率低于瓦特级；然而，集成DBR光栅的锥形二极管激光器则能提供高达瓦特级的衍射极限发射功率，但其缺乏波长可调性。因此，研究人员将锥形放大器（TPA）集成在外腔配置中以同时提供调谐和高功率发射；上述配置是利用机械装置调节光栅来进行调谐和选择发射波长的。研究人员设计了一种紧凑型高功率主振荡功率放大器（MOPA）系统，该系统的发射波长为972nm，能够满足不同级别高功率输出和波长调谐要求。研究人员通过将可调DBR激光器（MO）与TPA集成，得到了可调谐窄线宽高衍射极限的输出功率。研究人员还通过在DBR光栅中嵌入一个电阻型微型加热器，以实现高达5.5nm的波长控制过程。锥形放大器（TPA）是由一个脊波导（RW）组成，能够将输出功率放大到几瓦功率。在以往的研究方案中，高功率MOPA系统的工作波长在863nm或980nm附近；最近，研究人员已实现了连续波和脉冲光操作的高功率MOPA系统研制。其中，所有相关组件都集成在一个只有25x25mm面积的底座上以实现尺寸紧凑，输出功率高和宽波长可调谐基于移动非线性频率转换的应用。上述放大系统也可以作为一个单程泵浦源在实际中应用；当它的工作波长为972nm时，能保证25μm以下的红外信号被上转换为范围小于1微米左右的近红外信号。其中，波长调谐过程为改变相位匹配条件提供了一种简单实现方案，并给出了可测量的红外波长范围。上述实验系统的设置如图6（a）所示，MO和PA中的垂直分布结构如图6（b）所示。