光纖在線特約編輯：邵宇豐 方安樂
    2015年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、無源光子器件、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
激光器
    雙波長單縱模光纖激光器廣泛應(yīng)用于密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感、光學(xué)測量等領(lǐng)域。單色性好的雙波長光纖激光光源可增大波分復(fù)用系統(tǒng)的容量,提高光纖傳感測量的精度,因此雙波長單縱模光纖激光器具有重要的研究價
值和應(yīng)用前景。為了保證穩(wěn)態(tài)的雙波長單縱模輸出，需要克服強均勻線寬展寬和交叉增益飽和導(dǎo)致的不穩(wěn)定雙波長震蕩。與此同時，2μm波段激光屬于人眼安全波段，占據(jù)大氣窗口中多個有利波長，在工業(yè)加工、科學(xué)研究和國防軍事中有著廣泛的應(yīng)用。增益開關(guān)摻銩光纖激光器作為獲得2μm波段納秒脈沖激光的重要技術(shù)，在紅外遙感探測、生物醫(yī)療和光電對抗等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景，也是進一步產(chǎn)生中紅外激光的優(yōu)異泵浦源。此外，全光纖結(jié)構(gòu)激光器除具備光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、散熱佳等優(yōu)點外，其系統(tǒng)可靠性、緊湊性和集成性尤為出色。因此，全光纖結(jié)構(gòu)的2μm波段摻銩光纖激光器具有十分重要的研究價值。最近，北京交通大學(xué)光波技術(shù)學(xué)院全光網(wǎng)絡(luò)與先進光通信重點實驗室的研究人員提出了一種新型的雙波長單縱模光纖激光器。該激光器的運行波長在2μm波段，在實驗中，研究人員利用一個保偏啁啾Moiré光纖布拉格光柵作為一個偏振獨立窄帶濾波器來抑制激光諧振腔中多縱模振蕩的產(chǎn)生。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)還可以通過簡單調(diào)節(jié)偏振控制器來實現(xiàn)單波長輸出和雙波長輸出之間的切換。他們還發(fā)現(xiàn)對于附加的單偏振態(tài)也可是的激光譜線依然維持單縱模振蕩，還給出了每個輸出波長對于泵浦功率的依賴性關(guān)系。該激光器的主要結(jié)構(gòu)由保偏啁啾Moiré光纖布拉格光柵、偏振控制器以及一個光纖連接器組成，實驗裝置圖如圖一所示。

無源光子器件
    光電振蕩器作為一種新型的微波信號發(fā)生器能產(chǎn)生頻率從幾個到上百GHz，Q值（品質(zhì)因子）高、低相位噪聲的高品質(zhì)信號并且具有可調(diào)諧性以及光電兩種輸出，是一種非常理想的微波信號發(fā)生裝置。相比較而言，傳統(tǒng)的微波信號產(chǎn)生方法中，介質(zhì)振蕩器在低噪聲、高譜純度或可調(diào)諧等方面的特性表現(xiàn)往往不盡如人意。石英雖然可以獲得品質(zhì)因素很高的穩(wěn)定晶振，卻不能獲得高頻信號。高質(zhì)量的微波信號在民用通信、電子測量、電子對抗、雷達等方面都具有廣泛的應(yīng)用。      
    光電振蕩器一般是由光源、強度調(diào)制器、濾波器、光電探測器(PD)構(gòu)成的一個正反饋環(huán)路。它利用調(diào)制器以及光纖低損耗的特性將連續(xù)光變?yōu)榉�(wěn)定的、頻譜干凈的射頻／微波信號。激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)電光調(diào)制器后通過光纖傳輸進入光電探測器，光電探測器把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筮M人選頻、放大和反饋調(diào)制器件。在此過程中有源器件會產(chǎn)生不同頻率的噪聲擾動，這些擾動在輸出端被濾波器濾出希望起振的頻率，并用來反饋控制電光調(diào)制器。環(huán)路中的放大器提供了增益，信號經(jīng)過多次循環(huán)后，就能建立起穩(wěn)定的振蕩，其振蕩頻率主要由濾波器的通帶特性決定。最近，浙江大學(xué)信心科學(xué)與電子工程系的研究人員提出了一種頻率可調(diào)諧型基于微波光子濾波器的光電振蕩器。其主要是基于兩個具有不同截止頻率的高通濾波器間的傳輸響應(yīng)頻譜差來實現(xiàn)的。通過改變可調(diào)諧濾波器的帶寬或者兩個激光源的輸出波長，該合成化的單通微波光子濾波器的中心頻率可以在一定頻率范圍內(nèi)改變，從而實現(xiàn)光電振蕩器振蕩頻率的可調(diào)諧。在實驗中，研究人員所測得的頻率可調(diào)諧信號的調(diào)諧范圍為7.8GHz至14.2GHz，調(diào)諧步長為1.25GHz，該實驗系統(tǒng)主要由兩個激光二極管、相位調(diào)制器、色散位移光纖、耦合器、光探測器以及一個摻餌光纖放大器構(gòu)成。

    磁傳感器就是把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的傳感器。磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。另外，基于微型光纖的光子磁流體集成器件已引起研究人員廣泛的關(guān)注，這主要是因為磁流體突出的磁光特性。磁流體又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性�，F(xiàn)在已有許多基于微結(jié)構(gòu)光纖空氣孔磁流體滲透的光子器件設(shè)計，不同于它們的高靈敏度和款測量范圍，溫度交叉靈敏效應(yīng)任然是這種基于微型光纖光子器件設(shè)計的一個重要因素。最近，中南林業(yè)科技大學(xué)的研究人員提出了一種基于長周期光纖光柵和四氧化三鐵的磁傳感器件。研究人員將四氧化三鐵磁流體和長周期光纖光柵密封在一根毛細管內(nèi)。該傳感器對垂直磁場和環(huán)境溫度相當(dāng)敏感，但是它對軸向磁場的靈敏度卻相當(dāng)?shù)�。由于長周期光纖光柵的這種混合結(jié)構(gòu)，該傳感器的傳輸譜具有兩組共振凹陷，它們分別對垂直磁場強度和溫度具有不同的靈敏度。該磁傳感器可用于同時測量溫度和垂直磁場強度，它可以很好地解決溫度交叉靈敏效應(yīng)。此外，研究人員指出，這種磁傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于構(gòu)造以及寬線性測量范圍的優(yōu)點。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    當(dāng)前的可見光通信系統(tǒng)主要是采用高速光致發(fā)光二極管作為信號發(fā)射器，以及將光電二極管作為信號接收器。迄今為止，一個采用單LED的無線可見光通信系統(tǒng)可達到3Gb/s的傳輸速率。然而，LED的非相干光輸出意味著信息僅僅只能在光強度級別范圍內(nèi)編碼。因此，僅僅只有實數(shù)和正信號能被用于數(shù)字調(diào)制。這與射頻系統(tǒng)的調(diào)制方式正好相反。從而可見光通信系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制可利用強度調(diào)制和直接檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)。通斷鍵控、脈沖位置調(diào)制和脈沖振幅調(diào)制是用于強度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)的通常的調(diào)制方式�，F(xiàn)今對于高速數(shù)據(jù)的傳輸通常正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，它可將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。在現(xiàn)今的可見光通信系統(tǒng)中可采用不同的光正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制方案，分別為直流偏壓光OFDM，不對稱消除光OFDM，單極光OFDM以及非直流偏壓光OFDM�？傊�，可見光通信系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的光電二極管和雪崩二極管來發(fā)送和接收信號，而對于低功率和長距離傳輸，這些光電二極管將無法產(chǎn)生預(yù)期的通信性能要求，這是由于互阻抗放大器降低了接收器的靈敏度造成的。鑒于以上原因，最近英國愛丁堡大學(xué)的研究人員提出了一種新型的基于單光子雪崩二極管接收器的光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)。該實驗采用單光子雪崩二極管檢測器的原因在于其并不需要一個互阻抗放大器，因為它是以蓋革模式來運行的。這使得它用于檢測連續(xù)數(shù)據(jù)載波信號具有相當(dāng)?shù)碾y度。然而，在該篇論文中，研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，OFDM信號的確可被檢測到，并且他們還測量了光直流偏壓光OFDM信號和不對稱消除光OFDM信號的比特誤碼率。該實驗結(jié)果是在沒有背景光的情形下實現(xiàn)的，研究人員還將該實驗結(jié)果可以與傳統(tǒng)的采用光電二極管接收器的OFDM系統(tǒng)做了比較研究，結(jié)果表明，基于單光子雪崩二極管的OFDM系統(tǒng)具有更好的功率效率，它可以達到射頻信號系統(tǒng)的接收器的靈敏度。

在室內(nèi)可見光系統(tǒng)中，為了照明方便，LED燈光的亮度應(yīng)該是可以被調(diào)節(jié)的， 此外，光亮度調(diào)節(jié)技術(shù)非常節(jié)能而且提供了很高的色彩表現(xiàn)。對于單載波脈沖調(diào)制如通斷鍵控和脈沖位置調(diào)制而言，調(diào)光技術(shù)可以通過改變每個脈沖的強度或者脈沖寬度調(diào)制的占空比來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的光OFDM技術(shù)主要專注于數(shù)據(jù)傳輸，其并不能支持有效地光亮度調(diào)節(jié)，現(xiàn)今已有一些研究人員提出了幾種調(diào)光技術(shù)用于基于OFDM調(diào)制技術(shù)的可見光系統(tǒng)。例如，對于每個時域信號可通過調(diào)節(jié)脈寬的占空比來實現(xiàn)調(diào)光，然而對于用于高速傳輸?shù)母哳l脈寬調(diào)制信號卻很難適用。此外，有的調(diào)光技術(shù)僅僅能在脈寬調(diào)制信號處于通路狀態(tài)時實現(xiàn)，這將需要相當(dāng)?shù)皖l的脈寬調(diào)制信號從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率的大幅度降低。在這種前提下，非對稱混合光OFDM（AHO-OFDM）技術(shù)被人們提出來用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，這種調(diào)制技術(shù)全面利用了子載波和LED燈的動態(tài)范圍以便于支持亮度調(diào)節(jié)目標，從而提高整個可實現(xiàn)調(diào)光的系統(tǒng)性能。清華大學(xué)電子工程系信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室的研究人員提出了一種可用于光亮度調(diào)節(jié)的基于非對稱混合光OFDM技術(shù)的可見光通信系統(tǒng)。在他們提出的系統(tǒng)方案中，不管是ACO-OFDM信號還是脈沖振幅調(diào)制多頻音信號（PAM-DMT）都是相反的，然后這兩種信號被混合在一起傳輸，因而調(diào)光控制將不再需要脈寬調(diào)制。此外， ACO-OFDM和PAM-DMT信號的功率被調(diào)整，所以混合AHO-OFDM信號是非對稱的，這可使得整個有效的子載波以及LED的整個動態(tài)范圍具有不同的調(diào)光級別。研究人員通過仿真結(jié)果表明他們提出的調(diào)制技術(shù)方案可實現(xiàn)一個具有很小數(shù)據(jù)吞吐量波動的寬調(diào)光范圍。
    最近，相干光通信技術(shù)在自由空間光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用引起了研究人員的廣泛關(guān)注。盡管波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用已經(jīng)極大的提高了光通信系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離，伴隨著視頻會議等通信技術(shù)的應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)的普及產(chǎn)生的信息爆炸式增長，對作為整個通信系統(tǒng)基礎(chǔ)的物理層提出了更高的傳輸性能要求。通常的光通信系統(tǒng)采用強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)，即發(fā)送端調(diào)制光載波強度，接收機對光載波進行包絡(luò)檢測。盡管這種結(jié)構(gòu)具有簡單、容易集成等優(yōu)點，但是由于只能采用ASK調(diào)制格式，其單路信道帶寬很有限。而在相干光通信中主要利用了相干調(diào)制和外差檢測技術(shù)。所謂相干調(diào)制，就是利用要傳輸?shù)男盘杹砀淖児廨d波的頻率、相位和振幅（而不象強度檢測那樣只是改變光的強度），這就需要光信號有確定的頻率和相位（而不象自然光那樣沒有確定的頻率和相位），即應(yīng)是相干光。所謂外差檢測，就是利用一束本機振蕩產(chǎn)生的激光與輸入的信號光在光混頻器中進行混頻，得到與信號光的頻率、位相和振幅按相同規(guī)律變化的中頻信號。相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是相干檢測能改善接收機的靈敏度。相干光通信的另一個主要優(yōu)點是可以提高接收機的選擇性。最近，韓國大田科技學(xué)院電子與電氣工程系的研究人員采用研究了一個相干自由空間光通信系統(tǒng)的性能。該相干光通信系統(tǒng)采用了多接收端口來克服大氣湍流對信道衰減的影響。特別的是，他們推導(dǎo)出了該相干自由空間光通信系統(tǒng)的平均誤碼率以及遍歷容量。為了減少大氣湍流導(dǎo)致的信息振幅波動和相位畸變，他們在接收端口采用了模式補償技術(shù)。他們計算的數(shù)值結(jié)果與推導(dǎo)出的平均誤碼率概率與遍歷容量表達式相吻合。此外，研究結(jié)果表明，在相干光既有空間通信系統(tǒng)中，采用多接受端口以及更高的澤爾尼克補償模式可以改進平均誤差率和遍歷容量。自適應(yīng)模式補償可以有效地依賴信噪比條件來改進整個系統(tǒng)的性能。
    為了適應(yīng)下一代高速、靈活、全業(yè)務(wù)的光接入網(wǎng)絡(luò)的需求， 在運營商主導(dǎo)的全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（ FSAN） 論壇的引領(lǐng)下，ITU-T 第 15 研究組率先開展了對下一代無源光網(wǎng)絡(luò)標準（ NGPON2） 的研究。到目前為止，TU-T關(guān)于下一代無源光網(wǎng)絡(luò)標準體系的布局已經(jīng)基本完成 ， 形成了以 G.989系 列 為 代 表 的 NG-PON2 標 準 系 列 ，并逐步完成該系列標準。其中100Gb/s的以太網(wǎng)標準在2010年已建立完成，但是100-GbE以太網(wǎng)收發(fā)器的采用才剛剛起步，此外，最近才提出100-GbE多源協(xié)議的制定，并且修改了100Gb/s信號在單模光纖中傳輸2米到至少2千米，10千米或者40千米的相關(guān)協(xié)議。在該協(xié)議下所規(guī)定的收發(fā)器需要10個1.55微米光源，其波長格子間隔為8nm，調(diào)制速率為10Gb/s。
    韓國大田電子與通信研究所的研究人員提出了一種基于一個10×10Gb/s分布反饋式激光二極管陣列（DFB-LDA）和一個光波回路陣列波導(dǎo)光柵的混合集成通信模塊。他們采用選擇性區(qū)域生長技術(shù)來控制適當(dāng)?shù)匦诺涝鲆�，用于�?gòu)造DFB-LDA，利用電子束刻蝕法來精確地控制信道波長和光柵相位。為了實現(xiàn)AWG，他們引入了一個2%-Δ結(jié)構(gòu)來減少AWG和DFB-LDA之間的耦合損耗，并且在自由傳輸區(qū)域的連接點處設(shè)計了錐形和拋物線型波導(dǎo)來拓寬譜通帶寬度。該模塊的邊模抑制率大于45dB，在10Gb/s處的動態(tài)消光比達到了>4.4dB，在全信道傳輸2千米之后的功率損耗<1.5dB。