光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
8/20/2015,2015年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、無源光器件、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
1.激光器
    當(dāng)前，具有高重復(fù)率的脈沖光源由于在帶寬方面的優(yōu)勢(shì)，其在聲音數(shù)據(jù)傳輸、視頻通信系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用需求。正是基于大多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的高重復(fù)率脈沖，因此在眾多的半導(dǎo)體激光器中，量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器脫穎而出，這種類型的激光器逐漸引起了眾多研究者的興趣，成為相比其他半導(dǎo)體激光器最有前途的替代品。量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器主要構(gòu)造是由兩部分構(gòu)成的，一部分是一個(gè)反向偏置的飽和吸收體，也叫吸收區(qū)；一部分是正向偏置的增益截面也就是量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)。量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器與其他半導(dǎo)體激光器的不同就是量子點(diǎn)的有源區(qū)是多層的，其內(nèi)部為納米級(jí)的三維結(jié)構(gòu)，具有極好的熱穩(wěn)定性，它的基本性能不會(huì)隨著工作溫度的升高而有所降低。量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器相比一般的半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)是半導(dǎo)體的有源區(qū)有更好的激射特性，能輸出穩(wěn)定的、高強(qiáng)度的、高重復(fù)率的超短脈沖。此外，將量子點(diǎn)的優(yōu)良特性和鎖模技術(shù)相結(jié)合可得到峰值功率和重復(fù)率更高、脈沖寬度更窄的脈沖序列。最近，美國(guó)弗尼吉亞理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的研究人員提出了一種新型的基于被動(dòng)鎖模技術(shù)的量子點(diǎn)激光器模型。在這篇文章中，他們提出的激光器模型并沒有用到可飽和吸收器來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模。他們采用的鎖模方法采用了一個(gè)基于一個(gè)腔內(nèi)網(wǎng)狀增益調(diào)制的解析模型。此外，在正面偏置的增益截面處運(yùn)行的兩種不同的泵浦功率將利用兩者之間的增益差別來獲取超短脈沖的輸出。他們提出的這種在量子點(diǎn)介質(zhì)中獲得不同的差異化增益的模型具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，對(duì)下一代量子點(diǎn)鎖模激光器的發(fā)展意義重大。此外，該模型所采用的棄用專用可飽和吸收器及其伴隨的腔內(nèi)損耗減少也意義重大，為可輸出高重復(fù)率脈沖的短腔激光器的發(fā)展提供了新的途徑。
超連續(xù)譜光源由于在超精密時(shí)間及頻率測(cè)量、寬帶光纖通信、大氣科學(xué)、光學(xué)相干斷層分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用而得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前超連續(xù)譜研究的方向包含兩個(gè)方面：一方面是提高功率，另一方面是使光譜范圍向中紅外和藍(lán)紫光擴(kuò)展。當(dāng)前主流的產(chǎn)生超連續(xù)譜光源的方法是由連續(xù)或脈沖泵浦源連接一段光子晶體光纖。與塊狀材料中產(chǎn)生超連續(xù)譜相比，光纖介質(zhì)具有非線性作用距離長(zhǎng)、光束質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，更適合產(chǎn)生超連續(xù)譜。超連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理涉及高階孤子分裂、孤子自頻移、受激拉曼散射、四波混頻和非孤子輻射等非線性效應(yīng)，需要介質(zhì)具有髙非線性系數(shù)并滿足色散匹配條件。而光子晶體光纖的出現(xiàn)使得超連續(xù)譜研究煥發(fā)了新的活力。用連續(xù)泵浦源產(chǎn)生超連續(xù)譜的結(jié)構(gòu)比用脈沖泵浦源產(chǎn)生超連續(xù)譜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其需要較長(zhǎng)的光子晶體光纖且所產(chǎn)生的超連續(xù)譜的平坦度不夠理想，脈沖泵浦源由于具有較高的峰值功率和相對(duì)較窄的脈沖寬度，所以產(chǎn)生的超連續(xù)譜容易控制且比較平坦，但是對(duì)脈沖泵浦源的光譜質(zhì)量要求較高，從而限制了其輸出功率的提高。最近，北京科技大學(xué)激光工程學(xué)院與北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員聯(lián)合提出了一種基于全光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜激光源。該激光源具有可調(diào)諧的平均功率，并且具有接近恒定的譜寬度。這種激光源由一個(gè)具有可調(diào)諧重復(fù)率的主震蕩功率放大器以及一個(gè)超連續(xù)譜產(chǎn)生系統(tǒng)組成。在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將激光器的中心波長(zhǎng)固定在1060納米，然后在29.83MHz到1.104GHz之間調(diào)整激光器的重復(fù)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超連續(xù)譜的泵浦功率可在4.45W到69.8W之間改變，并且峰值功率恒定為8kW。此外，他們將得到的超短脈沖射入一段5米長(zhǎng)的光子晶體光纖，得到了具有相似平坦度的功率可調(diào)諧超連續(xù)譜，平均功率調(diào)諧范圍為2.54W到35.56W。光譜的波長(zhǎng)范圍從540納米延伸至1700納米。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖一所示。

與空間耦合結(jié)構(gòu)光纖激光器一級(jí)震蕩輸出激光不同，高功率全光纖激光器通常采用主震蕩功率放大式結(jié)構(gòu)，即通過級(jí)聯(lián)放大器將低功率種子激光器的輸出放大，一方面緩解了種子激光器內(nèi)的熱負(fù)荷等問題，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，另一方面具有良好的功率提升潛力。主振蕩功率放大器（MOPA）就是將具有高光束質(zhì)量的種子信號(hào)光和泵浦光 , 通過一定的方式耦合進(jìn)雙包層光纖進(jìn)行放大 , 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子光源的高功率放大。 其突出特點(diǎn)是 : 主振蕩器主要作用是產(chǎn)生高質(zhì)量的種子光 , 輸出功率可大可小 , 因而輸出光較易做到所需的時(shí)域、 頻域特性和保持良好的光束質(zhì)量 ; 功率放大部分主要作用則是對(duì)種子光進(jìn)行放大 , 在保證了輸出光的高光束質(zhì)量的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了高功率、高能量輸出 , 即它結(jié)合了低功率種子源的良好脈沖特性和雙包層放大器的高功率放大特性的優(yōu)點(diǎn)。因而采用主振蕩功率放大技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高脈沖能量、 高平均輸出功率成為一種理想選擇。最近，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員提出了一種高平均功率窄帶脈沖光纖主震蕩功率放大器，其工作波長(zhǎng)為1.971微米。研究人員通過相位調(diào)制技術(shù)可將脈沖串的線寬擴(kuò)展到1.5GHz，重復(fù)率分別為3MHz和5MHz。其中，重復(fù)率為3MHz的脈沖串的輸出功率為192W，脈寬為51ns，對(duì)應(yīng)的峰值功率為1.11千瓦，單脈沖能量為62微焦。重復(fù)率為5MHz的脈沖串的輸出功率為209W，脈寬為46ns，對(duì)應(yīng)的峰值功率為0.86kW，單脈沖能量為42微焦。此外，研究結(jié)果表明，通過將脈寬壓縮至數(shù)個(gè)納秒可獲得更高的輸出功率。此項(xiàng)研究結(jié)果為國(guó)際上首次在2微米附近實(shí)現(xiàn)平均功率超過200W的高功率窄帶納秒脈沖主震蕩功率放大器。

當(dāng)前，日益增長(zhǎng)的應(yīng)用如自由空間光通信、雷達(dá)系統(tǒng)、遙感技術(shù)以及光譜分析技術(shù)都需要用到高功率單模激光器。目前針對(duì)這些應(yīng)用所采用的大多數(shù)光源都是固體激光器或者光纖激光器。西班牙馬德里理工大學(xué)和德國(guó)夫瑯禾費(fèi)激光技術(shù)研究所的研究人員提出了一種工作波長(zhǎng)在1.5微米的單片集成型主震蕩功率放大器。這種具有三個(gè)分功能區(qū)間的器件包含一個(gè)分布反饋式激光器，一個(gè)調(diào)制區(qū)域以及一個(gè)高功率錐形放大器。此外，為了減輕在截面上的反射光的耦合效應(yīng)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)彎曲的縱軸和一個(gè)傾斜的前向截面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種主震蕩功率放大器可以實(shí)現(xiàn)功率大于400mW的跳模自由功率輸出。在靜電區(qū)域，調(diào)制部分所能承受的消光比為35dB。

2.無源光器件
微波吸收器是一種能吸收微波、電磁能而反射與散射較小的功能器件。又稱雷達(dá)吸收材料或雷達(dá)隱身材料。微波吸收的基本原理是通過某種物理作用機(jī)制將微波能轉(zhuǎn)化為其他形式運(yùn)動(dòng)的能量，并通過該運(yùn)動(dòng)的耗散作用而轉(zhuǎn)化為熱能。微波激發(fā)的一切形式的有耗運(yùn)動(dòng)皆可成為吸收機(jī)制。一般來說，微波吸收器主要用途為軍事上，為了對(duì)抗雷達(dá)和其他電子設(shè)備的偵察和跟蹤，選用合適微波吸收材料與目標(biāo)外形設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以更好的起到降低雷達(dá)散射截面(RCS)的作用，從而起到隱身作用。這種雷達(dá)隱身技術(shù)不僅為航天、航空飛行器采用，海上的軍用艦船、陸地的各種軍用車輛和地面發(fā)射設(shè)施也都采用了微波吸收材料，甚至還用于民用建筑的鐵塔、橋梁上。微波吸收材料應(yīng)具有良好的吸波性能，即有高于要求的閾值的微波吸收率和寬的吸收頻帶。此外，這種材料還應(yīng)具有小的厚度和面密度，良好的力學(xué)性能和抗環(huán)境性能以及為用戶接受的價(jià)格。
人工電磁超表面（meta-surface）是近一兩年人工電磁超材料（metamaterial）研究的最新發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)之一，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射和透射的靈活調(diào)控。超表面是一種由超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造的超薄二維陣列平面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。通過超表面可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、負(fù)反射、極化旋轉(zhuǎn)、匯聚成像、復(fù)雜波束、傳播波向表面波轉(zhuǎn)化等新穎物理效應(yīng)。超表面豐富獨(dú)特的物理特性及其對(duì)電磁波的靈活調(diào)控能力使其在隱身技術(shù)、天線技術(shù)、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。紐約州立大學(xué)電子工程系與復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系的研究人員聯(lián)合提出了一種新型的基于超表面的微波吸收器。該微波吸收器對(duì)紫外波段的光具有極強(qiáng)的吸收效應(yīng)，因而被他們成為“紫外光超級(jí)吸收器”。這種紫外光吸收器具有結(jié)構(gòu)緊湊、便攜等優(yōu)點(diǎn)。他們?cè)O(shè)計(jì)的超表面的微觀結(jié)構(gòu)單元為金屬鋁-電解質(zhì)-金屬鋁的“三明治”架構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在紫外波段具有強(qiáng)局域場(chǎng)效應(yīng)，并且對(duì)紫外光具有強(qiáng)吸收性。另外，研究人員還在這篇文章中探討了這種超表面可作為紫外表面增強(qiáng)拉曼光譜功能性基底的可行性。


3.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)層出不窮，使得人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的需求持續(xù)增加，特別是網(wǎng)絡(luò)游戲、會(huì)議電視、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)，使傳統(tǒng)的接入方式不能滿足帶寬的需求。與其他有線、無線接入技術(shù)相比，光纖接入在帶寬容量和覆蓋距離方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著低成本無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)的出現(xiàn)和迅速成熟，以及光纖光纜成本的快速下降，運(yùn)營(yíng)商接入網(wǎng)絡(luò)光纖化的想法將逐步得以實(shí)現(xiàn)。目前，PON是解決接入網(wǎng)“最后一公里”、實(shí)現(xiàn)FTTX的最具吸引力的技術(shù)�！盁o源”是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。因此，其管理維護(hù)的成本較低，這是PON在接入網(wǎng)發(fā)展中最具優(yōu)勢(shì)的一面。波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）是將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在PON中，光分路器通過識(shí)別OLT發(fā)出各種波長(zhǎng)，將信號(hào)分配到各路ONU。而基于波分復(fù)用技術(shù)的WDMPON采用波長(zhǎng)作為用戶端ONU的標(biāo)識(shí)，利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行接入，能夠提供較寬的工作帶寬，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)稱寬帶接入。同時(shí)，還可以避免時(shí)分多址技術(shù)中ONU的測(cè)距、快速比特同步等諸多技術(shù)難點(diǎn)，并且在網(wǎng)絡(luò)管理以及系統(tǒng)升級(jí)性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，波分復(fù)用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度下降，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，WDMPON技術(shù)將成為PON接入網(wǎng)一個(gè)可以預(yù)見的發(fā)展趨勢(shì)。最近，韓國(guó)光云大學(xué)電子工程系的研究人員實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種信道間隔為25GHz的WDMPON，他們利用一對(duì)50GHz的陣列波導(dǎo)光柵對(duì)（AWG）系統(tǒng)中的奇數(shù)信道和偶數(shù)信道實(shí)現(xiàn)了窄（薄片狀）頻譜分離。研究人員指出，他們采用的50GHz的陣列波導(dǎo)光柵對(duì)相對(duì)傳統(tǒng)的25GHz的AWG具有更低的誤碼率，其信道帶寬是采用25GHz AWG情形的兩倍。此外，相鄰兩信道間不斷增加的頻譜重疊程度所造成的碼間串?dāng)_相當(dāng)小，這是因?yàn)楦餍诺朗欠窍喔傻�，并且各信道的�?qiáng)度噪聲會(huì)被反射型半導(dǎo)體放大器所吸收。研究結(jié)果表明，這種采用50GHz波導(dǎo)陣列光柵對(duì)的具有25GHz頻譜間隔的WDM-PON網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)低誤碼率的信號(hào)傳輸，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的采用25GHz AWG的WDM-PON網(wǎng)絡(luò)。
 

在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，載波調(diào)制格式對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，為了達(dá)到與現(xiàn)網(wǎng)的10 G、40 G混合部署，實(shí)現(xiàn)80波50 GHz間隔，必須達(dá)到高SE，這可以通過采用單載波高階調(diào)制或者多載波傳輸來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于400 G 的傳輸系統(tǒng)，考慮器件頻率漂移和R0ADM(可重構(gòu)光分插復(fù)用器)非理想特性，要求實(shí)際中必須采用45 G 32QAM(正交幅度調(diào)制)調(diào)制或者28 GPM(偏振復(fù)用)-256QAM。電域OFDM(正交頻分復(fù)用)也能夠取代單載波調(diào)制，兩者的DSP的復(fù)雜程度一樣，但是OFDM 由于循環(huán)前綴、前導(dǎo)符和訓(xùn)練符號(hào)開銷等額外信息，通常比相應(yīng)的單載波格式的SE要低。隨著IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)的制定完成，100G以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到驗(yàn)證并標(biāo)準(zhǔn)化。400G以太網(wǎng)和OTN標(biāo)準(zhǔn)成為了下一步人們關(guān)注的焦點(diǎn)。同40G/100G一樣，400G的部署應(yīng)該是漸進(jìn)的方式。為了更有效地利用現(xiàn)有的DWDM(密集波分復(fù)用)線路資源，降低投資成本，運(yùn)營(yíng)商希望400G能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上部署，而不是重新設(shè)計(jì)和建造一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)400G的傳輸。最近，中興通訊公司美國(guó)研究所的研究人員系統(tǒng)地研究了基于三種高階QAM（8/16/32-QAM）調(diào)制格式的雙載波400G系統(tǒng)解決方案。這篇文章中，他們比較了Gray編碼和差分編碼優(yōu)缺點(diǎn)的差異性，然后通過實(shí)驗(yàn)比較了光信噪比的靈敏度和信號(hào)傳輸性能，該實(shí)驗(yàn)通過采用靈活的收發(fā)器架構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)化的單模光纖鏈路來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于42GBd的偏分復(fù)用8QAM信號(hào)的執(zhí)行損耗為1.85dB，該結(jié)果比32-GBd PM-16QAM信號(hào)情形要低1dB，比25-GBd PM-32QAM信號(hào)情形要低1.5dB，其中Q2因子為5.92-dB。此外，他們還發(fā)現(xiàn)42.6-GBd PM-8QAM信號(hào)的最大傳輸距離為2460千米，32-GBd 16QAM信號(hào)的最大傳輸距離為1640千米，25-GBd PM-32QAM信號(hào)的傳輸距離為820千米。他們還比較了級(jí)聯(lián)多模算法和判決引導(dǎo)最小均方算法的性能差異。