光纖在線(xiàn)特邀編輯：邵宇豐 陳福平 申世魯
10/8/2015，2015 年9 月出版的PTL 主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子其系統(tǒng)、無(wú)源和有源光子器件、激光器，筆者將逐一評(píng)析。

1.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)

        目前，波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)光寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)是很有前景的候選方案，因?yàn)樗鼭M(mǎn)足了不斷增長(zhǎng)的寬帶接入服務(wù)和激增的手機(jī)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。但是在傳統(tǒng)的波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中，光網(wǎng)絡(luò)單元在用戶(hù)末端需要需要分布式的發(fā)射器、接收器和其他的無(wú)源器件，這大大增加了運(yùn)營(yíng)成本和資本支出。為了減少網(wǎng)絡(luò)使用和維護(hù)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，上行傳輸應(yīng)該是無(wú)色的，節(jié)約成本的，容易處理的，因此各種傳輸方案就應(yīng)運(yùn)而生。來(lái)自亞特蘭大的佐治亞理工學(xué)院電子工程專(zhuān)業(yè)的研究人員提出了一種基于雙頻帶波長(zhǎng)共享的波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用了弱共振腔法布里-珀羅激光二極管來(lái)獲得廉價(jià)的波長(zhǎng)再生，同時(shí)也減少了在傳統(tǒng)的注入鎖定法布里-珀羅激光二極管中的不良影響，如不完全數(shù)據(jù)擦除、信號(hào)背射以及信號(hào)隨機(jī)阻塞。他們使用TO-56-can包裝的弱共振腔法布里-珀羅激光二極管作為光網(wǎng)絡(luò)單元接收端，在C波段至L波段它具有良好的頻譜范圍，同時(shí)也提高了外部的注入效率和邊模抑制比。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)工作波長(zhǎng)在1555nm和1575nm左右的分布式反饋激光器對(duì)應(yīng)地被放置在NUC1 和 NUC1’，標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的4-Gbit/s偽隨機(jī)數(shù)據(jù)流去驅(qū)動(dòng)于弱共振腔法布里-珀羅激光二極管相連的偏置電源，一個(gè)具有8-dB插入損耗的可調(diào)光衰減器被引入到干線(xiàn)光纖中去模擬由無(wú)熱循環(huán)的AWG產(chǎn)生的衰減。試驗(yàn)結(jié)果表明，在這種新的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的操作都是在光線(xiàn)路終端，共享源光注射鎖定上行發(fā)射器，而沒(méi)有增加額外的光源和其他的有源設(shè)備，波長(zhǎng)調(diào)諧集中在光線(xiàn)路終端可以更有效地管理所有的光源，相比傳統(tǒng)的波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，該結(jié)構(gòu)獲得了更好的誤碼率表現(xiàn)。這種波長(zhǎng)共享的雙邊帶波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其性能優(yōu)越，成本低廉，成為下一代光接入網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)方案。


        微波脈沖在寬帶接入網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和天線(xiàn)、電子戰(zhàn)爭(zhēng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面有著重要的作用。與傳統(tǒng)的電子電路產(chǎn)生的微波信號(hào)相比，激光技術(shù)更容易產(chǎn)生跟高頻率的具有任意波形的微波信號(hào)。到目前為止，有很多基于光譜整形的方法來(lái)產(chǎn)生微波脈沖信號(hào)，這是利用光梳狀濾波器和WTT技術(shù)，而沒(méi)有用任何外部參考微波信號(hào)。這些技術(shù)的核心部分是用光譜整形器從寬頻帶光源中分割光譜。由于微波信號(hào)在脈沖寬度、啁啾率、頻率方面有很高的可重構(gòu)性，而空間光調(diào)制器（SLM）在靈活重構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以常常被用作光譜整形器。然而，空間光調(diào)制器作為光譜整形器作用于自由空間，這必然會(huì)造成系統(tǒng)損耗，增加復(fù)雜度以及體積過(guò)大。為此，基于纖維光學(xué)提出了很多方法來(lái)產(chǎn)生高頻率微波脈沖，這是基于差分群延時(shí)或Sagnac 纖維環(huán)作為光梳狀濾波器在色散方面與WWT映射相結(jié)合。然而 ，這種全光纖結(jié)構(gòu)的缺陷是一旦結(jié)構(gòu)固定，傳輸響應(yīng)也是固定的。在這種差分群延時(shí)和色散狀況下，光梳狀濾波器的自由光頻率范圍是保持不變的，以致產(chǎn)生的微波脈沖頻率是不可以調(diào)諧的。離散MFs的微波脈沖信號(hào)的頻率復(fù)要想被用于實(shí)際運(yùn)用，微波信號(hào)的相位是需要可調(diào)諧的。來(lái)自中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究員提出一種產(chǎn)生微波脈沖信號(hào)的方法，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)相位調(diào)諧和基于相移Lyot光濾波器的離散調(diào)諧微波頻率。可以離散調(diào)諧光譜間隔的Lyot光濾波器得以實(shí)現(xiàn)是通過(guò)改變雙向傳輸光信號(hào)的偏振狀況。這個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)被連續(xù)調(diào)諧在全自由光譜范圍上保持形狀，僅僅調(diào)整一些相位調(diào)制的偏移電壓不會(huì)改變自由光譜范圍。該方案也可以實(shí)現(xiàn)微波脈沖頻率復(fù)用以及離散可調(diào)諧復(fù)用因子通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)Lyot光濾波器。


        為了在光纖上傳輸微波信號(hào)，需要把信號(hào)轉(zhuǎn)化到光域。例如，電域的微波矢量信號(hào)上變頻為毫米波，要在光纖上傳輸先把矢量信號(hào)調(diào)制到兩路光載波之一上，該調(diào)制基于光載波抑制調(diào)制或者外差光載波抑制調(diào)制。然而，這兩種調(diào)制方案都需要在電域產(chǎn)生微波信號(hào)并上變頻為毫米光波。另外，具有很好的裁剪頻域響應(yīng)的光濾波器要選擇需要的光載波和邊帶，這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。微波矢量信號(hào)可以直接在光域產(chǎn)生，現(xiàn)代光學(xué)可以提供一些關(guān)鍵技術(shù)，如更高的頻率和更大的帶寬。有一些在光域產(chǎn)生微波矢量信號(hào)的方案被提出，例如，一種I/Q的矢量信號(hào)的數(shù)據(jù)流，與兩路正交的微波載波合并，應(yīng)用于一個(gè)雙臂馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器，然后經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器，來(lái)產(chǎn)生微波矢量信號(hào)。該方案里需要兩個(gè)微波合成器和微波90°混合器，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了避免使用微波90°混合器，另一個(gè)方案提出使用光延時(shí)器在其中一個(gè)I/Q信道上，通過(guò)制造90°相移來(lái)產(chǎn)生微波矢量信號(hào)。然而該方案也存在局限性，I/Q信道是物理分開(kāi)的，有環(huán)境干擾引起的相位變動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯�產(chǎn)的微波矢量信號(hào)。此外，由延時(shí)產(chǎn)生的相移與頻率是相聯(lián)系的，當(dāng)頻率改變時(shí)需要重新設(shè)定延遲時(shí)間來(lái)產(chǎn)生90°的相移。來(lái)自中國(guó)南京大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究員提出了一種新的簡(jiǎn)單而穩(wěn)定系統(tǒng)產(chǎn)生微波矢量信號(hào)。在該系統(tǒng)里，一個(gè)線(xiàn)性偏振光波被偏振分束器分開(kāi)并傳輸?shù)絊agnac環(huán)，該環(huán)上偏振調(diào)制器和相位調(diào)制器合并在一起。在Sagnac環(huán)上，光波順時(shí)針傳輸和逆時(shí)針傳輸都在同一個(gè)光纖上，它們經(jīng)過(guò)相同的環(huán)境振動(dòng)，因此相位變動(dòng)會(huì)消失，穩(wěn)定性不受影響。I/Q微波信號(hào)數(shù)據(jù)流和微波載波混合，分別作用于偏振調(diào)制器和相位調(diào)制器。偏振調(diào)制器和相位調(diào)制器都是行波設(shè)備為光波沿著一個(gè)方向運(yùn)行提供高效的調(diào)制，由速度匹配光波和微波沿著那個(gè)方向運(yùn)行。對(duì)于另一個(gè)方向，由于速度不匹配，所以調(diào)制非常弱，以致可以忽略。在Sagnac環(huán)輸出端，有偏振調(diào)制產(chǎn)生的光信號(hào)和正交偏振相位調(diào)制信號(hào)合并。該光信號(hào)通過(guò)光帶通濾波器濾除階邊帶。該信號(hào)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸，由光電探測(cè)器產(chǎn)生微波矢量信號(hào)。正交相位的引入是由于光載與階邊帶相位調(diào)制信號(hào)間有內(nèi)在的相移。由光產(chǎn)生的4.5GHz微波矢量信號(hào)以625MSym/s進(jìn)行QPSK調(diào)制，并通過(guò)25-km SMF傳輸。在接收光功率為6dBm 實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳輸。加入I/Q不平衡補(bǔ)償，在接收光功率為2dBm可實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳輸。


2.無(wú)源和有源光子器件

    光纖溫度傳感器一直是研究的熱點(diǎn)，相比較傳統(tǒng)電傳感器，它具有尺寸小，質(zhì)量輕，不受電磁干擾，可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)良品質(zhì)。最近幾年，多模干涉儀溫度傳感器由于其小巧簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和魯棒性能越來(lái)越引起人們的注意。由于折射率和纖維芯、包層都是對(duì)溫度敏感的，所以多模光纖的模式改變是根據(jù)溫度來(lái)的，從而導(dǎo)致多模干涉儀光纖傳感器輸出光譜的改變，這鐘改變將引起多模干涉儀傳感器頻譜響應(yīng)的波長(zhǎng)偏移。直的彎的多模干涉儀傳感器的溫度靈敏度非常低，因?yàn)榘鼘雍屠w芯具有較小的熱電系數(shù)。利用高分子材料的多模干涉儀光纖傳感器靈敏度可以達(dá)到3195 pm/°C，但是這類(lèi)溫度傳感器需要額外的高分子材料，將會(huì)增加制作的復(fù)雜度和成本。一些研究者整合小型的無(wú)芯光纖（替代多模光纖）和高折    雜的傳感器包來(lái)保證光纖的流體是完整的且沒(méi)有泄露的危險(xiǎn)。來(lái)自馬來(lái)西亞理工大學(xué)電機(jī)工程系的研究人員提出了一種簡(jiǎn)單的低價(jià)的多模干涉儀光纖傳感器，它在低溫條件下有很高的靈敏度，而且沒(méi)有額外的包層。實(shí)驗(yàn)表明，這種多模干涉儀光纖傳感器響應(yīng)可以通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移或強(qiáng)度變化獲得，最大的溫度靈敏度−2060 pm/°C 和 −25.1 nW/°C。研究者還指出，溫度測(cè)量范圍和強(qiáng)度可以在不同的纖芯彎曲半徑、直徑和多模光纖段長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上可以得到進(jìn)一步的提高。


        多路復(fù)用與少模光纖結(jié)合的新技術(shù)引起了很多關(guān)注。在多路復(fù)用系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的組件就是模轉(zhuǎn)換器，它通過(guò)一些散裝光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)，如相位板和液晶空間光調(diào)制器，但是這些體積大的設(shè)備存在損耗，難以排列布置，所以一般都只用來(lái)用作概念驗(yàn)證。所有的光纖模式轉(zhuǎn)換器用長(zhǎng)周期光纖光柵都可以有效實(shí)現(xiàn)，但是限制了帶寬和波長(zhǎng)可調(diào)諧能力。波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器有著多方面的物理特征，使設(shè)備集成獲得更復(fù)雜的模式操作能力。最近的多路復(fù)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本都是采用波導(dǎo)模式復(fù)用，中國(guó)電子科技大學(xué)光纖傳感與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于沿著高分子波導(dǎo)形成長(zhǎng)周期光柵的模轉(zhuǎn)換器，利用長(zhǎng)周期波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)在少模波導(dǎo)中兩種導(dǎo)模之間的耦合。設(shè)備利用長(zhǎng)周期光纖的模式選擇耦合裝置和高分子材料的熱光效應(yīng)來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。由于高分子材料有著可控大范圍的折射率，使得高分子波導(dǎo)容易被設(shè)計(jì)去滿(mǎn)足光纖尺寸和偏振不敏感操作。研究人員制作的典型設(shè)備在C+L波段的中心波長(zhǎng)提供了模式轉(zhuǎn)變效率高達(dá)99%，溫度靈敏度3.5 nm/°C，這種模式轉(zhuǎn)變可以與其他波導(dǎo)裝置結(jié)合起來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的模式敏感功能。研究人員還指出，這種模轉(zhuǎn)換器在多路系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用空間。

         為了滿(mǎn)足未來(lái)光纖傳輸?shù)娜萘啃枰�，在現(xiàn)代的光纖傳輸系統(tǒng)中先進(jìn)的調(diào)制格式加多樣的復(fù)用技術(shù)正在被廣泛利用，由于波分復(fù)用和偏分復(fù)用的利用，傳輸記錄正在被不斷的刷新。然而，在光傳輸中單模光纖的容量接近香農(nóng)理論極限，另外，最近多模操作一直被大力研究。使用少模光纖的模分復(fù)用被證明可以有效的改善光網(wǎng)絡(luò)的容量。在未來(lái)高容量光纖通信中選擇性模式轉(zhuǎn)換是一個(gè)很理想的功能。另外，硅光學(xué)具有低成本、高折射率對(duì)比、成熟的兼容CMOS技術(shù)，被普遍認(rèn)為是很有前景的，并作為下一代光網(wǎng)絡(luò)的解決方案。因此，片上選擇性模式轉(zhuǎn)換正在被廣泛的研究，多種關(guān)于模分復(fù)用信號(hào)產(chǎn)生方案被報(bào)道。一種推挽式的方案被提出來(lái)激發(fā)模，在這里有兩個(gè)相位差為的類(lèi)高斯點(diǎn)被使用，由于雙極場(chǎng)模分布。然而，這種結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，使用了6個(gè)輸入光柵耦合器和很多相位控制單位。特別是很多已存在的片上方案只提供固定的模轉(zhuǎn)換功能，因此可切換模轉(zhuǎn)換技術(shù)被給予很高的期待。來(lái)自中國(guó)武漢華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出一種方案，利用偏分結(jié)構(gòu)構(gòu)造偏振控制片上模轉(zhuǎn)換器，該模轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)2D光柵耦合器和兩個(gè)定向耦合器組成。該芯片在SMF輸入端通過(guò)選擇兩個(gè)正交線(xiàn)性偏振方式，可以完全的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模向模轉(zhuǎn)變或者維持基礎(chǔ)模輸出。2D光柵耦合器作為偏振流分離器/合并器，相對(duì)于2D光柵耦合器的偏振軸，偏振控制模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)得益于選擇最佳輸入的偏振狀態(tài)。為了兼容已經(jīng)成熟的WDM技術(shù)，基于兩個(gè)微環(huán)振蕩器情況下定向耦合器被設(shè)計(jì)出來(lái)，該耦合器可以作為分插復(fù)用器使用在WDM光網(wǎng)絡(luò)中。微環(huán)振蕩器通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)改變參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)換功能。另外，選擇性模轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)440Gb/s開(kāi)關(guān)鍵控，并獲得很好的BER性能。

3.激光器

半導(dǎo)體光源的光學(xué)共振腔的實(shí)際尺寸下限不能小于真空發(fā)射波長(zhǎng)的一半除以光學(xué)共振腔折射率的值，這是能支持駐波的共振腔最小的光學(xué)厚度。目前最小的商業(yè)應(yīng)用相干光發(fā)射器——垂直腔面發(fā)射激光器的垂直光大小相當(dāng)于數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射鏡是基于砷化鎵的垂直腔面發(fā)射激光器的微型化。有許多研究嘗試將用高折射率對(duì)比度光柵或電介質(zhì)布拉格反射鏡取代布拉格反射鏡，高折射率對(duì)比度光柵的劣勢(shì)是它的結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)層次的折射率，較低的折射指數(shù)層是典型的絕緣體或空氣，是來(lái)阻止電流流經(jīng)高折射率對(duì)比度光柵。羅茲大學(xué)物理研究所的研究人員研究一種創(chuàng)新的高反射亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，不再要求有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中必需的低折射率層，這樣大功率反射比光柵可以用具有折射率大于1.75的任何材料制作。單片高折射率對(duì)比光柵的設(shè)計(jì)為發(fā)展簡(jiǎn)化的垂直腔面發(fā)射激光器開(kāi)辟了一條新的道路，這種激光器包含在磷參雜層和氮參雜層之間的電流限制異質(zhì)中的活動(dòng)區(qū)。在這些激光器中，通過(guò)兩個(gè)二維單片亞波長(zhǎng)光柵刻蝕進(jìn)光共振腔兩旁的包層材料，這種激光器的最小垂直厚度可以等于一半或整個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)的光學(xué)厚度。在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，研究人員還指出一種新的簡(jiǎn)化垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，利用了兩個(gè)單片高折射率對(duì)比光柵，這樣的設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn)，用各種各樣的光電材料作為一種潛在的芯片集成光源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常短的光互連。相關(guān)人員還研究了用最短的可能腔長(zhǎng)設(shè)計(jì)最薄的可能高折射率對(duì)比光柵垂直腔面發(fā)射激光器，發(fā)現(xiàn)單個(gè)高折射率對(duì)比光柵可以取代傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器頂部的分布布拉格反射鏡，而保留底部布布拉格反射鏡，這樣就可以通過(guò)減小垂直厚度和外延材料發(fā)展的時(shí)間成本來(lái)簡(jiǎn)化激光器的結(jié)構(gòu)。更薄的高折射率對(duì)比光柵垂直腔面發(fā)射激光器也可以減少整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變，從而促成可靠的技術(shù)，如高帶寬密度光學(xué)互連、光譜傳感器等。