作者：邵宇豐博士后
    3/1/2010，2010年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體有機(jī)激光器、光纖激光器、調(diào)制技術(shù)、傳輸和光波導(dǎo)、無源器件、有源器件、波長轉(zhuǎn)換、測量技術(shù)、傳感器、模擬和射頻光子學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)，筆者將逐一評析。
1、 半導(dǎo)體有機(jī)激光器
    在金屬材料的加工行業(yè)中，光譜穩(wěn)定的高功率二極管激光器對于光纖激光器的高效泵浦起著不可替代的作用，例如在焊接鋼制或者鋁制材料的時(shí)候就是必需的。德國柏林的研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了一種大范圍分布式布拉格反射型（DBR）激光器，從設(shè)計(jì)上而言就是這種激光器的腔合并了一個(gè)無源布拉格光柵，如圖1.1所示。這種光譜穩(wěn)定的激光器有90 m的刻蝕條紋，并可提供高達(dá)14w的光功率和50%的最大轉(zhuǎn)換效率，其中95%的能量被限制在不到1nm的波長范圍內(nèi)，閾值功率和最大輸出光功率之間的光波長變化不超過3.5nm。當(dāng)然，這種激光器的設(shè)計(jì)和制作在實(shí)際中具有低成本和大批量生產(chǎn)的潛在優(yōu)勢。

    圖1.1 大范圍分布式布拉格反射型（DBR）激光器示意圖
    波長可選擇性光源（WSLs）在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中是一個(gè)關(guān)鍵性器件，相比較傳統(tǒng)的波長固定型二極管激光器而言，它的明顯優(yōu)點(diǎn)是：可以簡單地重配置、降低發(fā)射機(jī)的成本和更方便地實(shí)現(xiàn)封裝。中科院半導(dǎo)體所國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制作了一種基于取樣光柵的八信道片上集成的陣列分布反饋式激光器。這種激光器的制作方法是采用常規(guī)的低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積生長技術(shù),細(xì)節(jié)性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1.2所示。這種激光器可以在不同的波長上進(jìn)行選擇性發(fā)光，它的具體運(yùn)行指標(biāo)是：相鄰信道間的工作頻率間隔大約是200GHz，開光電流約為30~40mA，當(dāng)注入電流值是100mA時(shí)每信道的輸出光功率約為10mW。毫無疑問，該激光器簡單有效的制作過程也使得它的低造價(jià)批量生產(chǎn)成為可能。

        圖1.2 陣列分布反饋式激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)剖面圖

2、光纖激光器
    摻鐿光纖在產(chǎn)生高功率和高能量脈沖方面具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，是因?yàn)樗�具有高增益帶寬、簡單的能級結(jié)構(gòu)和較低的量子負(fù)面效應(yīng)。因此，摻鐿鎖模光纖激光器由于它產(chǎn)生的脈沖能量和脈沖寬度具有優(yōu)良性能而被大力發(fā)展。然而，光纖中非線性相移的堆積限制了輸出脈沖能量的增長，天津大學(xué)的科研人員使用大模場光子晶體光纖提出并實(shí)驗(yàn)研究了一種高能量摻鐿光纖鎖模激光器（基于線性腔體配置的光纖激光器如圖2.1所示），在正常色散情形下，產(chǎn)生的超短脈沖具有46nJ的脈沖能量和1.9ps的時(shí)間周期。他們還發(fā)現(xiàn)，如果插入一個(gè)光譜濾波器，該激光器將產(chǎn)生具有39nJ能量和828fs寬度的脈沖，該脈沖的峰值功率將達(dá)到36.3kW。據(jù)筆者所知，這是目前最簡單和具有最緊湊腔體結(jié)構(gòu)的高功率大模場鎖模光纖激光器。

          圖2.1 基于線性腔體配置的光纖激光器

3、調(diào)制技術(shù)
    在發(fā)展大傳輸容量波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)的過程中，多級調(diào)制技術(shù)（包括多級相移鍵控（M-PSK），多級正交幅度調(diào)制（M-QAM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)）非常具有吸引力的主要原因是因?yàn)橄啾容^常規(guī)的二進(jìn)制調(diào)制技術(shù)而言，它能成倍地增加譜效率。其中，正交幅度調(diào)制（QAM）技術(shù)QAM調(diào)制實(shí)際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合，它的占用帶寬通常由信號的符號率確定。M-QAM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)就是在具有更大比特率的同時(shí)具有較低的符號率和較高的譜效率，但是在光信號域產(chǎn)生M-QAM信號卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。日本NTT實(shí)驗(yàn)室和美國NEL實(shí)驗(yàn)的科研人員在本期提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種在光信號域產(chǎn)生64QAM信號的新方法，他們使用硅基平面光波導(dǎo)（PLCs）和鈮酸鋰相位調(diào)制器陣列對三次正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制進(jìn)行了非對稱的耦合（如圖3.1所示），制造了比特率達(dá)60Gb/s帶寬20GHz的64QAM調(diào)制器，顯然這種調(diào)制器具有較寬松的電帶寬要求和非常易于升級。

              圖3.1 64QAM調(diào)制器的配置
4、傳輸和光波導(dǎo)
    近年來，光網(wǎng)絡(luò)中日益增長的高比特率傳輸容量需求刺激著多級調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，然而光纖中的色散、偏振膜色散和噪聲對信號的負(fù)面影響也隨著符號率的增長而增長，并逐漸成為光信號最大傳輸距離的限制性因素。對于傳輸過程中的色散限制因素，德國的科研人員提出采用一種解析的方法來計(jì)算單模光纖中的色散效應(yīng)，即通過使用傅里葉級數(shù)表示一般脈沖的方法來計(jì)算任意脈沖形狀的信號色散。與以前人們使用的方法不同之處是，他們的工作計(jì)算了有限沖擊響應(yīng)濾波均衡器的抽頭數(shù)量，而不是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來設(shè)置數(shù)量。進(jìn)一步，他們還驗(yàn)證了這種新解析方法和其他已發(fā)表的方法算出的結(jié)果是吻合的。因此，研究人員提出的這種方法能取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算方法，從而更精確地建立了信號脈沖傳輸過程中計(jì)算色散效應(yīng)的物理模型。所以，盡管該工作僅僅進(jìn)行了理論上的大量推導(dǎo)，但具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
    正交變換（包括離散傅里葉變換、離散余弦變換、離散正弦變換，哈達(dá)瑪變換）在光通信系統(tǒng)中是相當(dāng)重要的信號處理技術(shù)。其中，離散余弦變換（DCT）和離散正弦變換（DST）被廣泛應(yīng)用在數(shù)字圖像或視頻處理及信號編碼上，并且有報(bào)道稱它們?nèi)绻麘?yīng)用在正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中，比較基于離散傅里葉變換（DFT）的應(yīng)用能提高OFDM傳輸系統(tǒng)的信噪比（SNR）和信號譜效率。同濟(jì)大學(xué)的科研人員在本期中提出采用一種全光的新方法來實(shí)現(xiàn)離散余弦變換和離散正弦變換，這種方法僅需要一些多模干涉（MMI）耦合器和移相器就能實(shí)現(xiàn)，并且該方法沒有輸入數(shù)量的限制。通過恰當(dāng)?shù)呐渲枚嗄ｑ詈掀鞯拈L度和調(diào)整移相器，就可以實(shí)現(xiàn)全光光離散余弦變換和離散正弦變換。因?yàn)樵摲椒�沒有使用級聯(lián)配置，并且理論和仿真結(jié)果證明它是有效的，所以它將在全光數(shù)字信號處理方面，尤其是在信道編碼和解碼的應(yīng)用過程中上發(fā)揮作用。
5、無源器件
    在過去十年，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMs）引起了光通信業(yè)界的廣泛關(guān)注，許多光子器件，例如光開關(guān)、濾波器、透鏡等許多基本器件都被成功地應(yīng)用到微機(jī)電系統(tǒng)中。還有許多配置可重構(gòu)的子系統(tǒng)，例如可調(diào)諧激光器、高速光調(diào)制器、可重構(gòu)的波長分插復(fù)用器、光交叉連接器也使用了微機(jī)電系統(tǒng)。實(shí)際上，基于單片硅基建立的微機(jī)電系統(tǒng)不僅僅提高了光器件的光子性能，而且對各種電子器件、機(jī)械器件和光子器件進(jìn)行了系統(tǒng)級的整合。新加坡的科研人員在本期報(bào)道了一種封裝雙晶片的新方法來整合基于硅基的光微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備和光子器件，這種片上結(jié)合方法的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠保持光微機(jī)電系統(tǒng)器件的光軸和光子器件在同一軸線上，如圖5.1所示。這種技術(shù)的潛在優(yōu)勢是可以用于硅基光子集成和光微機(jī)電系統(tǒng)的重構(gòu)整合，科研人員進(jìn)一步的研究工作將集中于微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、處理和硅基光子系統(tǒng)中微機(jī)電系統(tǒng)的重配置。

           圖5.1 基于硅基整合的光微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備和光子器件

6、有源器件
   一個(gè)光電振蕩器（OEO）能夠同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)低抖動(dòng)的光短脈沖序列和一個(gè)高純度的電時(shí)鐘信號，其原因是光電振蕩器的環(huán)形腔中包含一根光延時(shí)線和一根電纜，使用它們可以得到高Q值。近年來，使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的光電振蕩器結(jié)構(gòu)也被報(bào)道，使用垂直腔面發(fā)射激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是：低閾值、單縱模運(yùn)行、結(jié)構(gòu)緊湊和低成本。此外，通過結(jié)合垂直腔面發(fā)射激光器和光子晶體光纖（PCF），工作在850nm光電振蕩器中的光子晶體光纖的低彎曲損耗也能起到關(guān)鍵作用。日本的研究人員在本期報(bào)道了一種使用增益開關(guān)型垂直腔面發(fā)射激光器和單模光子晶體光纖，工作在1.1 m的自發(fā)光電振蕩器（如圖6.1所示），它的調(diào)制帶寬和邊模抑制比分別是7.2GHz和50dB。使用這種光電振蕩器，成功地產(chǎn)生了一個(gè)時(shí)間抖動(dòng)值僅為0.9ps的10GHz、11.5ps的光脈沖序列。研究人員指出，這種波長轉(zhuǎn)換的方法能在頻率標(biāo)準(zhǔn)化和芯片互聯(lián)技術(shù)中得到應(yīng)用。

   圖6.1 結(jié)合垂直腔面發(fā)射激光器和光子晶體光纖的光電振蕩器配置

7、波長轉(zhuǎn)換
    對于在全光通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用的光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）而言，波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的引入不僅可以消除信道波長不連續(xù)的問題而且可以降低網(wǎng)絡(luò)中的信號傳輸阻塞。然而，在全光領(lǐng)域波長轉(zhuǎn)換技術(shù)依然是不成熟的。韓國的科研人員在本期報(bào)道了他們實(shí)驗(yàn)研制的一種使用單模法布里-珀羅激光器（SM FP-LD）來進(jìn)行全光波長轉(zhuǎn)換的新方法，這種方法是通過注入鎖定和外接泵浦單模法布里-珀羅激光器的自鎖定調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的（如圖7.1所示）。在靜態(tài)測量時(shí)，10Gb/s轉(zhuǎn)換后的信號消光比為11dB，邊模抑制比（SMSR）為43dB。尤其值得注意的是，研究人員應(yīng)用的法布里-珀羅激光器是可調(diào)諧激光器，它能在較寬的波長范圍內(nèi)發(fā)光。研究人員指出，在未來的全光波長可轉(zhuǎn)換的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，這種全光波長轉(zhuǎn)換的新方法具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

                    圖7.1波長轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)裝置

8、測量技術(shù)
    近年來，高速光通信系統(tǒng)中的相移鍵控（PSK）調(diào)制引起了廣泛關(guān)注，為了測量信號的傳輸質(zhì)量，我們必須在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測光信噪比（OSNR）。值得注意的是，在傳輸鏈路起始端自發(fā)輻射（ASE）噪聲的引入對相移鍵控信號比開光鍵控（OOK）信號有更大的影響，這是因?yàn)樗鼘��?dǎo)致隨信號傳輸有害的非線性相位噪聲。我們知道，在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中進(jìn)行帶外測量是相當(dāng)困難的，因?yàn)槊芗�波分�?fù)用系統(tǒng)有很高的頻帶利用率并且其中應(yīng)用的光濾波器導(dǎo)致帶內(nèi)噪聲和帶外噪聲顯著不同。愛爾蘭的研究人員提出使用雙光子吸收微腔結(jié)構(gòu)技術(shù)來檢測非歸零相移鍵控（NRZ-DPSK）信號的帶內(nèi)光信噪比，如圖8.1所示。研究人員通過在10Gb/s的相移鍵控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：可以在超過20dB以上的光信噪比測量中達(dá)到±1dB準(zhǔn)確的測量結(jié)果。研究人員指出，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、低成本、易于集成和對數(shù)據(jù)速率不敏感。

          圖8.1 10Gb/s非歸零相移鍵控信號的光信噪比監(jiān)測

9、傳感器
    空氣硅微結(jié)構(gòu)光纖（MF）在高靈敏度的空氣測量和光譜分析中具有應(yīng)用價(jià)值。香港理工大學(xué)的科研人員通過使用周期微通道分布的空芯光子能帶型光纖研制出一種能快速響應(yīng)的光纖甲烷傳感器，如圖9.1所示。在間距1cm分布含7個(gè)側(cè)面開口的7cm傳感光纖上，科研人員實(shí)現(xiàn)了將近3s的擴(kuò)散時(shí)間響應(yīng)和約647ppm的靈敏度。光纖側(cè)面開口技術(shù)的引入實(shí)現(xiàn)了低損耗，并可能沿著長的傳感光纖在實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)造光纖氣體傳感器，從而實(shí)現(xiàn)分布式的高靈敏度傳感而不需要考慮響應(yīng)時(shí)間。

                    圖9.1 甲烷監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)裝置

10、模擬和射頻光子學(xué)
    脈沖無線電超寬帶（IR-UWB）通信引起了業(yè)界的較大關(guān)注是因?yàn)樗�是一種低發(fā)射功率能夠在大容量短距離的無線鏈路中得到應(yīng)用的技術(shù)，例如用于室內(nèi)構(gòu)建高清晰電視的無線網(wǎng)絡(luò)。丹麥技術(shù)大學(xué)的科研人員分別采用電和光的兩種方法（基于半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制和外部光注入的光纖傳輸系統(tǒng)）提出和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了2Gb/s脈沖來進(jìn)行脈沖無線電超寬帶的應(yīng)用研究，實(shí)驗(yàn)的建立如圖10.1所示。在經(jīng)過后置無線傳輸過程的20km光纖傳輸后，他們還對這兩種方法的傳輸性能進(jìn)行了比較。在高速無線短距離的通信系統(tǒng)中，電和光的兩種方法都能降低信號產(chǎn)生的復(fù)雜度并且可以和光纖鏈路有機(jī)結(jié)合。

          圖10.1 采用電子學(xué)和光子學(xué)的兩種實(shí)驗(yàn)方案
    基于光纖的無線（RoF）鏈路中光相位調(diào)制的相干檢測是一種未來可以在低功耗、高帶寬、信道可選擇性的無線光網(wǎng)絡(luò)中有很好發(fā)展前景的關(guān)鍵技術(shù)。我們知道，光相位調(diào)制的RoF鏈路有大動(dòng)態(tài)范圍、高容量和頻帶利用率、簡化基站配置等優(yōu)點(diǎn)。然而，為了有效檢測和線性解調(diào)信號，相位調(diào)制光纖鏈路中采用的相干接收機(jī)中必須包含數(shù)字信號處理（DSP）模塊。丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員實(shí)驗(yàn)研究了速率為2.5Gb/s應(yīng)用相干檢測技術(shù)的三信道QPSK調(diào)制地RoF上行鏈路（如圖10.2所示），其中射頻載波的頻率是6GHz，信號在光纖中的傳輸距離是78.8km。尤其值得注意的是，研究人員使用了著名K-means算法來進(jìn)行射頻相位恢復(fù)，而且他們也指出這種算法對于高階調(diào)制格式的靈活配置和簡化信號數(shù)字處理過程都具有應(yīng)用價(jià)值。

                          圖10.2實(shí)驗(yàn)方案

11、網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    最近幾年，單波長超100Gb/s的光信號傳輸引起了人們的興趣，其原因是互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的越來越普及導(dǎo)致了傳輸容量的持續(xù)增長。提高傳輸速率的同時(shí)最值得重視的問題是：不同的線性和非線性效應(yīng)對信號傳輸質(zhì)量的負(fù)面影響和較高的系統(tǒng)造價(jià)。美國亞利桑那大學(xué)的研究人員提出并驗(yàn)證了一種混合副載波、幅度、相位和偏振度（H-SAPP）的調(diào)制新方案來實(shí)現(xiàn)單波長240Gb/s的傳輸，并實(shí)驗(yàn)比較研究了基于50GS/s(S/s代表符號速率)的低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）編碼產(chǎn)生的120Gb/s的8-HAPP信號、160Gb/s的16-HAPP信號和240Gb/s的20-HAPP信號的傳輸性能。實(shí)際上，這種方法對于未來單波長1Tb/s信號的調(diào)制和傳輸具有相當(dāng)大的參考價(jià)值。
    高重復(fù)率光信號脈沖序列的產(chǎn)生對于光時(shí)分復(fù)用（OTDM）通信系統(tǒng)、光采樣和光信號處理具有重要意義。加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員使用一塊硅基平面光波導(dǎo)（PLC）制造了一個(gè)可調(diào)脈沖重復(fù)率的乘法器。他們使用的平面光波導(dǎo)是一個(gè)六級格子型的馬赫-曾德爾干涉儀，當(dāng)輸入10GHz脈沖的時(shí)候通過調(diào)節(jié)它來產(chǎn)生20GHz和40GHz的輸出脈沖序列。研究人員通過使用一個(gè)非線性光學(xué)環(huán)路鏡作為波長轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)在幅度域的脈沖轉(zhuǎn)換以消除高比特率輸出脈沖序列的相位抖動(dòng)。并且，研究人員還使用波長多播機(jī)制（同時(shí)進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換）實(shí)現(xiàn)了單個(gè)10GHz脈沖輸入時(shí)成倍脈沖序列（如4×20GHz和4×40GHz）的輸出。研究人員特別指出，研制這種產(chǎn)生可調(diào)多波長的脈沖源對于波分復(fù)用通信系統(tǒng)中信號的傳輸是非常有用的。