光纖在線特邀編輯：邵宇豐 陳福平 陳烙 申世魯
2015 年10月出版的PTL 主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器和放大器、光通信網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件，筆者將逐一評析
一 激光器和放大器  
 
    隨著無線接入網(wǎng)絡(luò)的增長需求，通常使用的不需要執(zhí)照的在2.4-GHz和5-GHz處的頻率將會越來越擁擠。對于未來寬帶服務(wù)，高頻毫米波是很有前景的選擇。IEEE標(biāo)準(zhǔn)組織精確了60-GHz帶寬是從57到64 GHz，使無線個人局域網(wǎng)/無線局域網(wǎng)（WPAN/WLAN）數(shù)據(jù)速率提升至數(shù)Gb/S。這高速度帶寬為7GHz的數(shù)據(jù)量可以為不斷增長的用戶數(shù)和高速多媒體設(shè)備提供豐富的頻譜帶寬和無干涉信道。無線光纖系統(tǒng)的設(shè)計可以克服蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，減少無線接入網(wǎng)的總體成本。當(dāng)載波頻率達(dá)到60-GHz帶寬時，數(shù)據(jù)很難通過電子設(shè)備進行上變頻。光外差技術(shù)是一種實現(xiàn)數(shù)據(jù)上變頻很有前景的技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于很多60-GHz無線光纖鏈路上。在最近幾年，已經(jīng)提出了幾種產(chǎn)生兩種模間間距為60GHz光模的方法，其中一個方案是使用鎖模激光器，雖然設(shè)備很簡單緊湊，但不可避免的也要面對腔長控制和可調(diào)諧性的問題；另一個方案是使用非線性影響，例如交叉增益調(diào)制，然而這些技術(shù)通常受限于低轉(zhuǎn)換率和高輸入功率。然而，增加射頻源需要用載流產(chǎn)生，同時這也增加設(shè)備的復(fù)雜度和成本。一個有短延時反饋的單模激光可以產(chǎn)生雙模輸出，由于兩個外腔模共存，它們具有相同的閥值增益。根據(jù)這種觀念，一種單片集成放大反饋激光器被證明可以產(chǎn)生高頻率模跳動在10GHz，20GHz，和40GHz。這種激光器具有大的頻率調(diào)諧范圍，兩個光模的相位相關(guān)性可以通過電子或光注入來提升。然而，到目前為止，通過這種設(shè)備頻率還不能超過40GHz。 來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室的研究員提出一種較大可調(diào)諧范圍放大反饋激光器，來產(chǎn)生跳動頻率在60GHz的雙模激光。這種激光器包括分布反饋激光器部分、相位部分和放大部分，利用量子阱混合技術(shù)集成到一起。  通過改變相位和放大器部分的注入電流來實現(xiàn)跳動頻率可以連續(xù)從46.8到72GHz改變，3dB線寬低于5MHz。由于其制造工藝簡單，可調(diào)諧范圍寬，這個設(shè)備有力的促進混合光纖無線接入網(wǎng)的發(fā)展和高頻光微波的產(chǎn)生。

圖1  可調(diào)諧放大反饋激光器

    由Matthew Byrd等人引導(dǎo)的實驗中，他們建立了利用偏振復(fù)用技術(shù)融合來自兩個氮化鎵藍(lán)光激光二極管發(fā)出的激光的外部激光諧振腔(圖2)，設(shè)計出了作為腔體輸出耦合器的偏振相關(guān)窄帶共振片，可以將線寬小于0.5nm的激光器鎖定在一個445.5nm的固定波長上，在保持完整的光譜控制情況下系統(tǒng)的輸出功率接近0.7w。

圖2   激光諧振腔結(jié)構(gòu)圖

    近年來氮化鎵(GaN)材料的工藝流程的發(fā)展和提高為藍(lán)光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體二極管開辟了道路。這兩種半導(dǎo)體二極管已經(jīng)受到極大的關(guān)注，因為他們在傳感器、娛樂、通信這些方面的具有潛在應(yīng)用。但是，氮化鎵藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的光譜控制缺乏簡單方法，它往往需要繁雜的操作步驟。在可以直接產(chǎn)生藍(lán)色激光的半導(dǎo)體設(shè)備出現(xiàn)之前，頻譜控制的紅外激光二極管使用二次諧波來產(chǎn)生倍頻，這樣所帶來的問題就是，由于其轉(zhuǎn)換效率過低而幾乎不能運用于實際當(dāng)中。因此在大多數(shù)應(yīng)用中頻譜可控是必須的，直接產(chǎn)生所需波長是首當(dāng)選擇。論證了頻率可控的GaN的需要性。一系列不同的方法已經(jīng)成功實現(xiàn)了對半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的波長選擇。其中一種方法是外腔配置法，這種配置構(gòu)造復(fù)雜。其中一個外腔設(shè)計是采用Littrow光柵結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定和縮小激光的線寬。這個系統(tǒng)的一個優(yōu)點是它可以實現(xiàn)小范圍波長的可調(diào)諧。布拉格光柵是另外一種可用于外腔激光系統(tǒng)的器件。這些外腔配置對波長的控制表現(xiàn)出很高的精準(zhǔn)度。文中，采用另外一種稱為導(dǎo)模共振的濾光片(GMRF)，在外部激光腔體結(jié)構(gòu)中作為輸出耦合器。在漏波導(dǎo)中，這種諧振裝置通過以引導(dǎo)模式進行入射光的相位匹配而相應(yīng)產(chǎn)生一個窄線寬的激光。在紅外波長上對具有導(dǎo)模共振濾光片(GMRF)的外腔體已經(jīng)進行了成功論證。此外，關(guān)于GMRF探討已表明它可以將氮化鎵藍(lán)光激光器的波長鎖定在445.7nm上。然而，在探討的外腔體中僅包含單個激光體，還需要能夠融合來自多個激光二極管發(fā)出的激光的方法，這樣就可以將多個二極管整合在一個激光諧振腔中。為了達(dá)到上述目標(biāo)，他們研發(fā)了用半導(dǎo)體激光的線性偏振以偏振復(fù)用技術(shù)來融合來自兩路的激光。
 
二 光通信網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)/b]

    過去的幾年中，微波信號的處理極大的吸引了人們的興趣，因其在光域里具有的較大的優(yōu)勢例如寬頻帶，大的可調(diào)諧性和可重構(gòu)性。在眾多的功能中，頻率可調(diào)諧帶通濾波是其主要功能，被廣泛運用于現(xiàn)代雷達(dá)，通信和戰(zhàn)爭系統(tǒng)。帶通微波光子濾波器利用具有有限沖擊響應(yīng)的延遲線結(jié)構(gòu)可以被實現(xiàn)。然而，由于離散性質(zhì)的配置結(jié)構(gòu)，具有有限沖擊響應(yīng)的延遲線濾波器的頻率響應(yīng)以多個通頻帶為周期。另外，為了避免光波干擾，由于其對環(huán)境變化及其敏感該結(jié)構(gòu)微波光子濾波器被應(yīng)用于不相干結(jié)構(gòu)。另一方面，如果沒有延遲線結(jié)構(gòu)的使用，微波光子濾波器可以用于相干結(jié)構(gòu)，例如：一個單帶通微波光子濾波器利用相位調(diào)制和光濾波器，通過使用光濾波器移除其中一個邊帶，相位調(diào)制信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸日{(diào)制信號，這個操作相當(dāng)于變化光濾波器的頻率響應(yīng)到電域。同相移光纖光柵（EPS-FBG）在±信道處有兩個缺口，這個可以用于相位調(diào)制和強度調(diào)制的轉(zhuǎn)換。兩個通帶的中心頻率可以通過改變兩個可調(diào)諧激光源(TLSs)的波長被獨立調(diào)諧。這種方法的主要問題在于兩個波長的波長間隔很小，兩個波長的跳動可能產(chǎn)生一個微波信號，這個信號會落在有用的頻帶上。為增加波長間隔，EPS-FBG必須設(shè)計在±信道間有更大的波長間隔，這就需要更高的采樣頻率，使整個系統(tǒng)更加的復(fù)雜。來自中國大連理工大學(xué)物理與光電學(xué)院的研究員提出和證明了一種新的微波光子濾波器（MPF）,有兩個獨立可調(diào)諧通帶運用偏振調(diào)制(PolM)和有一個缺口的PS-FBG。偏振調(diào)制是特殊的相位調(diào)制，它支持相位調(diào)制沿著相反調(diào)制指數(shù)的兩個軸進行調(diào)制。來自兩個可調(diào)諧激光源的兩個波長正交偏振調(diào)制,可以產(chǎn)生正交偏振相位調(diào)制信號。對于一個偏振方向，如果一個邊帶在PS-FBG的缺口濾出，形成單通帶的微波光子濾波器（MPF）。利用兩個偏振方向，可以產(chǎn)生具有兩個通帶的MPF。一個雙通帶MPF的帶寬，每個通帶140MHz，微波頻率的可調(diào)諧范圍大約6GHz。

[b]圖3  可調(diào)諧微波光子濾波器

     OFDM由于有著多著多種優(yōu)勢而在未來波分復(fù)用系統(tǒng)中被作為一種強有力的候選方案，有研究指出，半導(dǎo)體光放大器由于它有著光帶寬大、尺寸小以及便于集成等優(yōu)點被用來放大相干光OFDM信號。它適用于低費用的相干光系統(tǒng)，但是，以半導(dǎo)體光放大器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)可能會受到諸如四波混頻非線性影響。由于預(yù)失真的最優(yōu)化，可以獲得有效誤差適量幅度的減少和更好的功率效率，這樣的改變可以使OFDM信號對非線性信道損傷更少的敏感，但半導(dǎo)體光放大器的非線性特性仍然會影響性能。今日，來自羅馬尼亞軍事技術(shù)學(xué)院的技術(shù)人員研究了為使發(fā)射機性能線性化的數(shù)字預(yù)失真的益處，相關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用到了射頻放大，但是很少的光通信系統(tǒng)中普及。他們首次將前面提出的非線性壓縮變化給出了實驗確認(rèn)，而且提出了壓縮與線性化的聯(lián)合使用，線性化是通過線性化過濾查找表方案與標(biāo)準(zhǔn)查找表方案做比較得出執(zhí)行的。實驗指出，首先在Matlab中產(chǎn)生離線信號上傳給任意波長產(chǎn)生器，通過兩個射頻放大器變?yōu)镮/Q兩路信號進入IQ調(diào)制器，傳輸鏈路只用一個半導(dǎo)體光放大器作為助推器。在接收端，光調(diào)制器分析儀被用作本機振蕩器來進行相干檢測，為了證實預(yù)失真技術(shù)，原始信號被記錄被送至接收端在Matlab中被執(zhí)行，在做過濾查找表方案之前主要的步驟是時域恢復(fù)、相位校正和均衡。結(jié)果表明，研究者用線性化方案獲得了明顯的誤差矢量幅度的下降，眼圖上更少散亂的點，獲得了更好地線性度。下圖是這種非線性壓縮轉(zhuǎn)換實驗配置圖。

圖4  非線性壓縮轉(zhuǎn)換實驗裝置圖
在G. Stepniak等人的實驗中，他們使用簡單的兩級脈幅調(diào)制，搭建了在發(fā)射端和接收端采用完全相同的LED作為信號的發(fā)射和接收的無線傳輸鏈路(圖1)，通過數(shù)字均衡技術(shù)來克服鏈路的帶寬限制，成功實現(xiàn)傳輸速率超過100Mbps的吞吐量。

圖5 發(fā)射與接收硬件系統(tǒng)

    在過去幾十年間，無線移動通信蜂窩網(wǎng)的范圍一直在縮小，當(dāng)前針對新型移動電臺標(biāo)準(zhǔn)傳輸所包含的微蜂窩或飛蜂窩正被提出來。在如此小的蜂窩群下，光無線通信開始成為能夠替代無線電通信的一個較具吸引力的選擇。商用發(fā)光二極管是目前進行可見光通信研究中常用的光源，這種通常采用雪崩型或者PIN型光電二極管作為的光電探測器的方法，可以允許傳輸速率超過1Gbps,它也是同無線電競爭，低成本的光解決方案所必需的。
 
    眾所周知，LED可以用來作為光檢測器，然而都是普遍認(rèn)為它只僅僅適合那些不需要高速率的低成本的簡單應(yīng)用，過去大多數(shù)研究認(rèn)為這種傳輸速率要要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1Mbps。在他們實驗中，論證了在發(fā)射端和接收端都采用LED時的傳輸速率超過150Mbps已成為可能。但是在這種高速率的LED-LED傳輸應(yīng)用還存在一些限制。第一，并不是所有的LED都具有很高的響應(yīng)靈敏度從而能夠為這種傳輸提供足夠的功率預(yù)算；第二，不得不使用跨阻放大器來應(yīng)對PN結(jié)帶來的時間常數(shù)，特別是PN結(jié)正偏時他的時間常數(shù)很大。盡管論證了在沒有反向偏置的傳輸可行性時，但是鏈路帶寬和反向電壓的響應(yīng)度會變的更高；第三，必須采用數(shù)字均衡或者抑制符號干擾調(diào)制格式(如離散多音頻調(diào)制-DMT)來克服符號間干擾(ISI)。該實驗證實了最近一篇論文的結(jié)果，在那篇論文中曾論證過采用雙極型LED-LED傳輸鏈路的總?cè)萘靠梢赃_(dá)到110Mbps,選擇以LED形成的大型發(fā)射區(qū)和高效的而并非復(fù)雜的離散多音頻調(diào)制格式就很有可能取得預(yù)期結(jié)果。

    在Manuel Schueppert等人的文章中，研究了諧振腔發(fā)光二極管(RC-LED)的非線性信號失真的起源，在泰勒級數(shù)展開的幫助下，分析了多階脈幅調(diào)制(M-PAM)、無載波振幅相位調(diào)制下的RC-LED非線性性能，發(fā)現(xiàn)動態(tài)非線性特性主要依賴于所使用的調(diào)制格式，并研究了由 RC-LED和30m階躍型聚合物光纖組成的短程千兆傳輸鏈路中的非線性影響。實驗證明動態(tài)非線性是當(dāng)采用M-PAM低波特率傳輸時信號衰減的主要來源，同常規(guī)判決反饋均衡器(DFE)相比，判決反饋均衡器的泰勒級數(shù)展開可以大幅度地提升M-PAM的性能。

    基于非相干技術(shù)和簡單系統(tǒng)構(gòu)成的短程光通信，LED和階躍型聚合物光纖近期越來越受到人們的關(guān)注，他們在下一代家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中也很受歡迎，例如大芯塑料光纖比較容易安裝并且從整體系統(tǒng)來考慮以現(xiàn)有的技術(shù)可以為其提供優(yōu)勢，像降低功耗的可能性。然而，對于超高速傳輸，具有低成本的光學(xué)器件在強度調(diào)制-直接檢測(IM-DM)的非相干傳輸上會表現(xiàn)出相當(dāng)大的帶寬和功率局限性，這就導(dǎo)致過去幾年人們在集中研究適合IM-DM信道的不同的高效調(diào)制方案。多階脈幅調(diào)制(M-PAM)由于其簡單性，將他用于IM-DM短程傳輸被認(rèn)為是很具有吸引力的，千兆傳輸?shù)倪m用性以及將無載波振幅相位調(diào)制(CAP)用于不同的千兆IM-DM傳輸方案也得到了論證。CAP是同時使用由兩個正交的脈沖波（CAP的同向分量和正交分量）構(gòu)成的希爾伯特對。理論分析表明CAP可以提供比OFDM更高的速率和更低的功耗。

    由于依賴于操作環(huán)境，LED信號可能會出現(xiàn)非線性失真，這種失真原因還沒有得到充分的解釋并且可能會降低系統(tǒng)的性能。再者，在高效高頻調(diào)制當(dāng)中非線性效應(yīng)變得更加突出，而這種調(diào)制恰恰又是這些系統(tǒng)所必須的。

    此文當(dāng)中，研究了當(dāng)采用M-PAM和M2-CAP這兩種常用的調(diào)制格式下非線性失真時的RC-LED的性能，從系統(tǒng)理論角度來描述非線性失真的物理特性從而去了解LED的性能，運用了基于三階泰勒級數(shù)展開的RC-LED的系統(tǒng)辨別。作為一個實際中的例子，通過由30mSI-POF組成的典型的短程千兆傳輸鏈路研究了確定非線性的影響，該鏈路采用8-PAM和64-CAP進行調(diào)制。

三 無源和有源光子器件
    光子晶體光纖（PCF）有著重要的應(yīng)用特別是在化學(xué)傳感方面，由于在光纖包層上的氣孔存在，它允許氣體，離子和溶液劑滲透，特別是PCF的包層膜被利用時，這可以增加光和分析物的交互范圍，。然而，PCF被用作化學(xué)傳感器受到限制，因為光纖具有較大的衰減。一些人為非線性光學(xué)顯微學(xué)提出一種可調(diào)諧PCF耦合器，該耦合器可以傳輸激光束為激發(fā)和分離熒光檢測。有人用熔合雙錐形方法設(shè)計了具有兩種類型結(jié)構(gòu)的PCF耦合器，進而獲得分裂功率和牽引長度的聯(lián)系，但是耦合器的插入損耗任然超過20dB�；�于側(cè)拋光技術(shù)的可調(diào)諧PCF耦合器通過控制兩個拋光PCF的匹配角可以使耦合率達(dá)到90%，但PCF的插入損耗和傳播衰減并沒有被提及。眾所周知，入損耗和傳播衰減在單模光纖（SMF）中是微不足道的，然而，如果讓單模光纖作為化學(xué)傳感器，只有將包層暴露給分析物光分析交互作用才可以實現(xiàn)，但這不僅破壞了光纖的完整性，也限制了光和分析物的交互范圍。這些發(fā)現(xiàn)有利于發(fā)展纖維光學(xué)化學(xué)傳感器，SMF用于光的進出， PCF用于增強光分析交互作用。來自中國大連理工大學(xué)物理與光電學(xué)院的研究員設(shè)計了一種PCF-SMF耦合器如下圖，設(shè)計選擇最佳折射率，PCF的有效半徑和耦合長度來增加耦合效率。這種耦合器具有很多優(yōu)點，如低插入損耗和易制造。

圖6  PCF-SMF耦合器

    光纖布拉格光柵由于其高靈敏度、小尺寸以及無電磁干擾等優(yōu)點被廣泛研究。幾十個光纖傳感器能通過波分復(fù)用或時分復(fù)用等技術(shù)被同時訪問。 光纖布拉格光柵傳感器陣列能監(jiān)控一些大規(guī)模結(jié)構(gòu)，如先進的飛機等太空交通工具和公眾基礎(chǔ)設(shè)施，但是他們的普遍商業(yè)應(yīng)用還有一些障礙。雖然光纖布拉格光柵傳感器陣列可以被復(fù)用，但是解調(diào)系統(tǒng)由于復(fù)雜昂貴的解調(diào)設(shè)備而代價高昂。干涉解調(diào)技術(shù)轉(zhuǎn)換波長偏移至相位信息，相位信息很容易受環(huán)境失調(diào)的影響，這樣就進一步影響了在大規(guī)模監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是易受價格影響的應(yīng)用領(lǐng)域。為了減少解調(diào)系統(tǒng)的代價和復(fù)雜度，有研究提出電拍頻技術(shù)，只需要一個頻譜分析儀來監(jiān)測光纖布拉格光柵上的測量應(yīng)用，拍頻解調(diào)技術(shù)也成功地應(yīng)用到了監(jiān)測流體靜壓等。隨后，也有研究說明在拍頻解調(diào)的基礎(chǔ)上使用頻分復(fù)用偏振光纖布拉格光柵激光陣列來進一步減少每個傳感器的代價。但是拍頻系統(tǒng)需要用兩束短光纖布拉格光柵正交偏振激光來拍頻產(chǎn)生一束拍頻信號，這需要仔細(xì)的方法來產(chǎn)生著兩束正交偏振光。來自黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的研究者提出了一種簡單的建立在拍頻技術(shù)技術(shù)上的多縱模光纖布拉格光柵激光(MLMFL)傳感器系統(tǒng)。多縱模光纖布拉格光柵激光(MLMFL)傳感器是由兩片商業(yè)光纖布拉格光柵和一片摻鉺光纖制作而成。因為激光腔足夠長，兩個正交偏振模的諧振頻率幾乎一樣。所以只需要低頻頻譜分析儀而不需要光學(xué)偏光器。該系統(tǒng)已成功的應(yīng)用到測量張力、溫度和振動。為了進一步降低代價，有學(xué)者提出多路復(fù)用多縱模光纖布拉格光柵激光傳感陣列。用兩匹配波分復(fù)用器和一個半導(dǎo)體激光放大器，多信道多縱模光纖布拉格光柵傳感器被監(jiān)測。但是這樣需要許多成群的光電檢測器和頻譜分析儀來實時監(jiān)測對應(yīng)的多縱模光纖布拉格光柵傳感器。事實上，這樣代價不會降低。如果光電檢測器和頻譜分析儀同時監(jiān)測陣列中所有的多縱模光纖布拉格光柵傳感器，就會大大的降低成本以及加大與傳統(tǒng)傳感器的競爭。最近，來自黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的學(xué)者為多縱模光纖布拉格光柵激光傳感陣列提出了一種利用頻分復(fù)用技術(shù)的電拍頻解調(diào)方法。泵浦光通過波分復(fù)用器等分進入四個信道來激活每個多縱模光纖布拉格光柵激光器，四個激光傳感器的信號通過耦合器并入一根光纖，進過光電二極管光拍頻信號轉(zhuǎn)換成電信號，頻譜分析儀監(jiān)測拍頻信號的頻率轉(zhuǎn)移。為了保證四個傳感器的拍頻信號有相同的頻率間隔，每個激光腔的長度要仔細(xì)設(shè)置，分別為1.495m,、1.462 m、1.430 m和1.394m，對應(yīng)的四個多縱模光纖布拉格光柵激光器的諧振頻率為69.286MHz、70.855MHz、72.441MHz和74.294 MHz。因為腔長很難準(zhǔn)確控制，所以頻率間隔不會嚴(yán)格相等。在泵浦功率為190 mW時，四個激光的許多模式都被平穩(wěn)的產(chǎn)生，拍頻信號被分成三組，每組包含來自四個傳感器的同樣序列的拍頻信號。隨著頻率的增加，頻率間隔也增加，這是符合理論的預(yù)測。為了傳感器陣列的實時監(jiān)測性能，研究人員還測試了所有傳感器對張力的相應(yīng)。每個傳感器的兩個多縱模光纖布拉格光柵激光腔末端被固定在一個固定的階段和轉(zhuǎn)換的階段。隨著移動轉(zhuǎn)換階段，多縱模光纖布拉格光柵激光腔一致的伸直，導(dǎo)致拍頻信號的頻率轉(zhuǎn)移。當(dāng)張力用到多縱模光纖布拉格光柵傳感器腔，拍頻信號的頻率將會向低頻轉(zhuǎn)移。當(dāng)拍頻信號的頻率低于混頻，只有一個光電二極管和一個頻譜分析儀用來監(jiān)測所有的傳感器。這種方案用來減少系統(tǒng)的成本是很有前景的。下圖是這種方案的實驗裝置圖。

圖7  基于頻分復(fù)用的多縱模光纖布拉格光柵傳感器陣列實驗圖