光纖在線特約編輯：邵宇豐，申世魯，陳烙，陳福平
2016年8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、無源光子器件、光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.激光器和放大器
    在過去的十幾年里，短腔單頻光纖激光器引起了研究人員的興趣，具有輸出功率高、噪聲低、線寬窄等優(yōu)點，主要應用于高精度光纖傳感、計量學和光譜學等領域。短腔單頻光纖激光器頻率采用線性調(diào)制，該激光器可以用于光波反射和載波生成等。在理論上，能采用注入電流來調(diào)制激光器頻率，但該調(diào)制方案會惡化激光器性能，增加頻率噪聲和線寬，上述缺點在半導體激光器應用上尤為突出。對于光纖激光器，傳統(tǒng)的方法是用壓電轉(zhuǎn)換法來調(diào)制光纖腔長度，一個短腔的光纖激光器可以獲得更寬的調(diào)制帶寬，同時實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模操作。在此之前，研究人員把壓電轉(zhuǎn)換方法整合到具有短腔分布布拉格反射器的磷酸鹽光纖激光器中，以此來解調(diào)具有線性頻率調(diào)制的激光器；然而，當工作頻率高于10 kHz時，壓電轉(zhuǎn)換的效應較弱，從而限制了激光器的調(diào)制帶寬。最近有研究人員把部分光纖線纏繞在壓電轉(zhuǎn)換器圈上，來調(diào)制低噪聲的布里淵/鉺光纖激光器，調(diào)制頻率能到達48 kHz，不過布里淵增益固有的帶寬容限有限，其調(diào)制范圍也被限制在幾十MHz以內(nèi)。來自中國廣東華南理工大學光通信材料研究所的研究人員提出并證明了一種光纖激光器的高速率頻率調(diào)制發(fā)方案。研究人員通過調(diào)制外腔長度來獲得一個調(diào)制穩(wěn)定的激光器，該激光器的調(diào)制速率達到160 kHz，在調(diào)制速率為60 kHz時調(diào)制振幅>145 MHz。頻率調(diào)制光纖激光器的噪聲頻譜和以前的那些激光器的一樣，除了一系列逐漸變?nèi)醯闹C波峰。
 
圖 1. 頻率調(diào)制型單頻光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有低成本、高調(diào)制速率和高譜效率等優(yōu)點，因此被廣泛應用于光學互聯(lián)。有研究表明短波長(850 nm）VCSEL在傳輸數(shù)據(jù)速率達到71Gb/s時依然具有良好的性能。而單模長波長(LW)−VCSELs可以以更高傳輸數(shù)據(jù)速率傳輸更遠的距離，傳輸距離達到千米以上。最近，來自意大利比薩城比薩圣安娜高等學校的研究人員首次通過一個直接調(diào)制1530nm−VCSEL實現(xiàn)了速率為40Gb/s的數(shù)據(jù)無誤碼(BER<10-10)傳輸，實驗裝置圖如圖2所示。以磷化銦為基礎的LW−VCSEL具有多重量子阱活性區(qū)，可以使熱發(fā)生現(xiàn)象最小化。研究人員使用了一個具有閉合環(huán)路的溫度控制的精密定位平臺，閉合環(huán)路包括一個熱敏電阻和一個珀爾帖單體。直流偏置電流由一個測量表和射頻（RF）信號產(chǎn)生，40Gb/s的驅(qū)動信號是由比特圖形發(fā)生器(BPG)提供，所有的測量過程都是在恒定室內(nèi)溫度為26℃下進行的。研究人員設置偏置電流為11.6毫安，以便可以在VCSEL電極端產(chǎn)生可以1.6V的電壓，對應的功率補償為18.5 mW，能量損耗為460 fJ/bit。研究人員使用一個接地信號(GS)微探針將電信號傳送至VCSEL，實現(xiàn)了激光輸出功率的直接調(diào)制，然后把輸出功率耦合進抗發(fā)射鍍膜單模透鏡光纖。光帶通濾波器(OBPF)用來提高OOK信號直接調(diào)制的信噪比(SNR)，該濾波器可以產(chǎn)生一個3dB帶寬為3.1nm的方形洛倫茲譜形，為了通過濾波器對應于直接調(diào)制光譜中心波長的藍移，實現(xiàn)頻域調(diào)制到時域調(diào)制的轉(zhuǎn)換，OBPF通常在啁啾管理激光器(CMLs)中被用來光譜再整形(OSR)。信號通過OBPF后，相比較源激光的中心波長產(chǎn)生了輕微的紅移(0.75 nm)，不僅獲得了調(diào)制光譜的光域均衡，也提高眼圖的性能。因為在腔內(nèi)調(diào)制過程中引起的絕熱頻率啁啾，VCSEL的直接調(diào)制會導致“1”強度層藍移。VCSEL的輸出端的調(diào)制信號功率大約為1.5dBm，在接收端使用20GHz帶寬的光電檢測器，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)誤碼率表現(xiàn)遠遠低于典型的前向誤碼糾錯極限(BER<10−3)，因此該系統(tǒng)特別適合應用于光學互聯(lián)。
 
圖2. 系統(tǒng)性能驗證性實驗裝置圖
在過去十幾年間，硅光電子技術(shù)受了研究人員的廣泛關注和研究，其中將光子器件和系統(tǒng)集成在硅基片上的技術(shù)日臻成熟，采用這種技術(shù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)高密度集成，并提高系統(tǒng)性能和降低成本。雖然大多數(shù)光學設備都采用了硅光電子技術(shù)，但是作為光通信系統(tǒng)中關鍵器件之一的光隔離器對于如何避免后向發(fā)射和傳輸?shù)膯栴}，仍然是一個難以解決的技術(shù)難題。硅材料存在時間反演對稱性，所以在硅基片上集成光隔離器基本不是理想。在前期的研究中，有研究人員提出了若干機制和技術(shù)手段，包括光磁學效應、光力學效應、間接帶內(nèi)光子轉(zhuǎn)換等技術(shù)�；�于光磁學效應器件的制備相當復雜，并且其材料界面存在散射和吸收特性，這會使得插損大大提高。研究人員在考慮光力學效應方案的同時，還使用了移動微腔和環(huán)形諧振腔，但是移動微腔在非平面結(jié)構(gòu)上是很難和其它光子器件集成在一起，而環(huán)形諧振腔的帶寬也被限制在幾兆赫茲內(nèi)。間接帶內(nèi)光子轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)比較復雜，它需要在時域上進行電信號調(diào)制，且其插損非常高。上述這些解決方案當中，具有非線性光學效應的硅集成隔離器備受關注，主要是因為它們材料兼容性較好、平面集成能力較強、且制作簡單易于操作，不過，這些隔離器的動態(tài)互易性都受到了抑制，在大信號正向傳輸?shù)那闆r下，一旦出現(xiàn)較小的反向信號傳輸時，則表現(xiàn)為反向傳輸效率很高，從而需要提供更高的前向泵浦功率，而且，這種器件無法同時進行雙向操作，在實際中雙向信號傳輸是不可避免的，所以這些隔離器不適合于實際運用。來自澳大利亞墨爾本大學電氣與電子工程系的研究人員提出了基于四波混頻（FWM）效應的硅集成光隔離器的方案。該方案通過非互易性波長轉(zhuǎn)換和濾波方法來克服動態(tài)互易性限制，其光隔離器可以同時實現(xiàn)正向隔離和反向隔離。實驗制備的硅基隔離器的隔離度超過11.3dB，其插損小于19dB。在泵浦功率為18.3dBm，隔離度為3dB時，可用帶寬超過300GHz，通過提高泵浦功率以及優(yōu)化線性度，可以有效降低插損。

2.無源光子器件
三角脈沖在光信號處理如全光頻率轉(zhuǎn)換、光脈沖加倍、光脈沖壓縮等方面具有廣泛的應用。為了產(chǎn)生全占空比的三角脈沖，許多建立在連續(xù)波激光器外部調(diào)制基礎上的方案被提出，基本原理是產(chǎn)生兩個頻率諧波，如一次諧波和三次諧波，在譜域內(nèi)當兩個諧波的振幅比為九，一個接近三角脈沖的時域波形就可以產(chǎn)生了�；�于該原理，并行馬赫增德爾調(diào)制器(DPMZM)也可以用來產(chǎn)生三角脈沖，但是需要和額外的光譜處理模塊聯(lián)合使用。近期，以光電振蕩器(OEO)為基礎來生成三角脈沖方案被提出來，在這些方案中，基本諧波與OEO產(chǎn)生的三角脈沖的重復率相一致，因此避免了額外的微波源的使用浪費。由于三次諧波是由非線性電光調(diào)制器產(chǎn)生，所以需要一個較大的OEO環(huán)路增益，且需要嚴格控制其增益值，以便可以使兩個諧波之間的振幅比精確地控制為9：1。最近，來自南京航空航天大學重點實驗室的研究人員提出了以偏振復用OEO為基礎的三角脈沖生成方案。圖3是該三角脈沖產(chǎn)生器原理圖。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)環(huán)路增益、可調(diào)諧帶通濾波器（TBPF）、移相器，可以產(chǎn)生兩個震蕩頻率為f=4.44 GHz和 3f=13.32 GHz。通過調(diào)節(jié)電功率衰減器，使上述兩個頻率處的功率差被控制在19.1dB，從而對應的振幅比就非常接近于9：1。OEO的震蕩頻率是可以通過改變TBPF的通帶來調(diào)節(jié)，因此產(chǎn)生的三角脈沖的重復率也是可以調(diào)節(jié)的。實驗結(jié)果表明，研究人員提出的方案可以產(chǎn)生只有一次諧波和三次諧波的清晰頻譜，兩個諧波之間的相位噪聲也相對良好，產(chǎn)生的脈沖和理想的三角波形非常相似，兩者之間的均方根誤差(RMSE)很小，為5.145×10-4，驗證了產(chǎn)生的三角脈沖的良好性能。良好的RMSE歸因于兩個諧波之間精確的振幅比以及無多余頻率成分的純凈譜。研究人員在提出的OEO中使用更長的單模光纖（SMF）時，雖然相位噪聲有所提升，但三角脈沖的時態(tài)特性幾乎沒有改變。在該實驗中，由于兩個TBPF的頻率可調(diào)范圍受限，重復率可調(diào)諧性就難以衡量出來。與重復率相關的一個潛在問題是兩個TBPF和移相器需要同時進行調(diào)節(jié)，這就會相應地增加系統(tǒng)復雜度以及限制調(diào)諧速率，不過，研究人員提出的新型的微波光子濾波器可以很好地解決該問題。

圖3. 三角脈沖發(fā)生器的系統(tǒng)應用原理圖

復用/解復用（MUX/DEMUX）技術(shù)是密集波分復用（DWDM）光通信系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)的MUX/DEMUX設備是基于電介質(zhì)薄膜（DTF）、光纖布拉格光柵（FBG）或波導門陣列（AWG）制造的，這樣的產(chǎn)品體積較大，難以滿足現(xiàn)在光電設備的集成要求。在過去的幾十年里，光子晶體（PHCs）引起了研究人員的注意，它可以用于制造光子集成電路，且可以作為一個高集成度的光電電路平臺。到目前為止，已經(jīng)有幾個科研團隊開始研究基于2-D PHCs MUX/DEMUX的WDM系統(tǒng)。濾波器是這些系統(tǒng)中重要的器件，其性能直接影響到MUX/DEMUX性能�；�于2-D PHCs的濾波器主要分為兩類：一是表面發(fā)射類濾波器，二是平面類濾波器。表面發(fā)射類濾波器包含一個腔體和一個波導，光子通過波導進入腔中，然后沿垂直方向發(fā)射，最佳腔結(jié)構(gòu)的Q因子比較高，其下降效率要小于25%。平面類濾波器結(jié)構(gòu)則比較簡單，有研究人員提出了一個四端口模式的平面濾波器，它包含一個諧振腔，支持兩個不同對稱性的簡并模。雖然這種設計能被實現(xiàn)，但強制簡并兩個不同對稱性的諧振模會使的器件結(jié)構(gòu)變得較復雜。相比于四端口，三端口更加適合多信道的MUX/DEMUX，有研究人員提出具有反射反饋的三端口設計，理論上可以獲得100%下降效率。然而除了在諧振頻率處外，其它部分光信號會返回到輸入端，產(chǎn)生很嚴重的噪聲。為了解決噪聲問題，研究人員設計了具有波長選擇性反射腔的三端口濾波器。雖然平面類濾波器的下降效率很理想，但諧振腔的Q值因子不是太高，DWDM的函數(shù)不能實現(xiàn)。最近，來自南京郵電大學的研究人員提出一個新的DWDM MUX/DEMUX器件設計方案，該方案包括一個窄帶濾波器和基于2-D PhCs的環(huán)形器，不僅有三種頻率可以用于復用/解復用，并且插入損耗低，隔離度高，可以很好地應用于DWDM光通信系統(tǒng)。

3.光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
目前，高速光纖通信系統(tǒng)的應用普及率非常高，在用戶端只需要通過一個“光貓”就可以實現(xiàn)光信號和電信號的轉(zhuǎn)換。高速光纖通信不僅給用戶帶來更大的帶寬和速度，而且成本低廉，極大地提升了終端用戶的體驗效果。自由空間光通信（FSO）不僅具備光纖通信的優(yōu)點，又具有自己獨特的優(yōu)勢，如搭建周期短、無需頻譜許可、可以跨越任意地形等，是可以作為射頻無線通信的一種很好的補充方案。FSO是一種利用激光進行視距傳輸?shù)募夹g(shù)，其信號在傳輸過程中會受到大氣湍流的影響，由于大氣中溫度和氣壓存在不均勻性，信號在空間傳輸過程中會出現(xiàn)波動和衰減的情況，即使在天氣晴朗的時候，大氣信道對FSO鏈路的影響依然存在，尤其是當傳輸距離超過1公里時FSO鏈路衰減尤為明顯。有研究人員提出多次反射傳輸方案，以減緩因傳輸距離過長而引起的衰減，該方案也引起了很多人的研究，但大多都圍繞在孔徑平均效應的研究上，而忽視了因?qū)�準誤差對信號傳輸造成的影響。對準誤差是由發(fā)射器和接收器不能準確對準引起的，收發(fā)器一般都安裝在高處，輕微震動和風吹都可能造成收發(fā)器之間的對準誤差。有研究人員在研究對準誤差統(tǒng)計模型時主要集中在震動影響上，而忽略了孔徑效應，實際中對準誤差的來源是包括兩個部分：震動和孔徑。大部分人研究FSO系統(tǒng)性能主要集中在點對點通信模式上，只有個別研究人員研究分析了多分布多反射FSO系統(tǒng)的中斷性能。眾所周知，指數(shù)威布爾（EW）衰落信道模型比正態(tài)分布和gamma-gamma模型要好，它的依據(jù)來源于仿真和實驗數(shù)據(jù)，而EW湍流信道多反射FSO系統(tǒng)的平均誤碼率（ABER）性能還沒有人進行研究。來自西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)國家重點實驗室的研究人員，最近提出了一種指數(shù)威布爾衰落信道的多反射FSO通信方案，如圖4所示。該方案主要研究多反射FSO通信系統(tǒng)的端對端平均誤碼率（EE ABER）性能，其信道模型考慮了非零孔徑對準誤差的存在。依據(jù)高斯-拉蓋爾求積公式，研究人員獲得了多維相移鍵控副載波強度調(diào)制下EE ABER解析式。實驗結(jié)果證明對大孔徑接收器ABER性能的影響主要是由非零孔徑對準誤差造成的。

 圖 4. 多反射FSO通信系統(tǒng)示意圖

從雷達前端天線接收到的射頻（RF）信號需要下變頻為中頻（IF）信號或基帶信號，才可以進行數(shù)字化信號處理，下變頻通常是采用電子混頻器來實現(xiàn)，由于該過程存在非線性效應，從而使整個前端的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）受到限制。研究人員利用雙臂馬赫-增德爾調(diào)制器（MZM）調(diào)制、光外差技術(shù)、光學抽樣和非線性光相位調(diào)制等光學技術(shù)來實現(xiàn)RF信號下變頻，因為采用上述技術(shù)可以提高無雜散動態(tài)范圍高以及降低變頻損耗。電信號下變頻調(diào)制后，先進行優(yōu)化處理，再使用傳統(tǒng)的馬赫-增德爾干涉儀對光相位進行解調(diào)，與傳統(tǒng)的MZM相比，由于前者降低了光相位和馬赫-增德爾干涉儀之間的非線性，這使得其線性度表現(xiàn)的更好。不過，以上這些利用光學技術(shù)下變頻方案會造成系統(tǒng)體積、整體重量和功耗都偏大，是因為光纖與激光器之間以及調(diào)制器和探測器之間的耦合都要用到光耦合器。來自麻省理工大學電子與計算機工程系的研究人員，最近提出了一種光子集成電路（PIC）實現(xiàn)混頻的方案，包括了分布式布拉格反饋（DBR）激光源、半導體光放大器（SOA），非線性光相位調(diào)制器和探測器。該方案是用于對射頻信號進行下變頻，并利用MZM來實現(xiàn)RF信號頻率變換，通過降低光相位和MZM的非線性來提升頻率變換的線性度，其無雜散動態(tài)范圍可以超過-110dB•Hz2/3 。

 圖5.  混頻器PIC的結(jié)構(gòu)示意圖

前傳網(wǎng)絡不僅連接著射頻拉遠模塊（RRUs）和基帶處理單元（BBUs），還能夠傳輸射頻信號。光網(wǎng)絡在集中化的無線接入網(wǎng)絡（CRAN）前傳中表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，特別是光網(wǎng)絡還可以使用高效的復用技術(shù)，如波分復用（WDM），這能滿足終端用戶大容量的網(wǎng)絡需求。新的前傳網(wǎng)絡架構(gòu)可以支持射頻網(wǎng)絡演進，相比較傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)，5G網(wǎng)絡表現(xiàn)的更加密集，而在RRU和移動設備之間的天線的機動性能比較差，所以天線遠程控制的問題亟待解決。對光纖上射頻信號直接中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以有效避免帶寬擴展，因此被考慮用于模擬前傳。光載無線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)射頻信號在RRU和BBU之間進行傳輸，但是由于激光二極管固有的非線性、色散和光纖的非線性損傷等性質(zhì)，使得傳輸信號容易受到非線性失真影響。最近，來自意大利米蘭理工大學的研究人員提出了一種新的光纖前傳架構(gòu)，使用的是脈沖寬度調(diào)制(PWM)格式，如圖6所示。任意波形發(fā)生器(AWG)生成脈沖寬度調(diào)制的信號，直接驅(qū)動反射式半導體光放大器（RSOA），以RSOA為基礎的發(fā)射端模塊可以被放置在一個小封裝可插拔收發(fā)器(SFP)。寬帶光源先通過遠程節(jié)點(RN)波分復用器(MUX)分配，接著送入不同的ONUs-RRU。檢測完后，不同的上行信號由PWM解調(diào)器分別處理。由于缺少RRU數(shù)字化的帶寬展寬過程，光-電設備和電-光設備的帶寬都較低。低帶寬模擬電路可以在光網(wǎng)絡中用來完成脈沖寬度調(diào)制和解調(diào)。實驗結(jié)果表明，在空氣鏈路信噪比小于25dB的情況下,PWM前傳對于100MHz寬帶射頻信號的影響是可以忽略的，而對于更高的信噪比，系統(tǒng)需要滿足長期演進技術(shù)的規(guī)格。當64QAM信號在標準單模光纖（SMF）上傳輸20km時,誤差矢量幅度(EVM)小于8%，而256QAM信號在SMF上傳輸10km時, EVM則小于3.5%。由于采用了針對瑞利散射（RS）損傷的新折回構(gòu)架，研究人員成功地實現(xiàn)了100MHz的64QAM和256QAM單載波信號分別在SMF上傳輸了20km和10km。研究人員所提出的方案通過在RRU處理模數(shù)轉(zhuǎn)化，展示了一種新的分配方式，充分利用了可選擇的光傳輸調(diào)制方案。

圖6.  WDM PON支持PWM移動前傳網(wǎng)絡架構(gòu)的系統(tǒng)示意圖

人們在研究如何提升單通道信號傳輸能力過程中，提出了可見光波分復用（WDM）技術(shù)，該技術(shù)可以用于有效提升階躍型塑料光纖（SI-POF）的傳輸容量。到目前為止，有關研究人員提出的一些調(diào)制技術(shù)如光譜網(wǎng)格和MUX/DEMUX，在SI-POF傳輸鏈路上，其傳輸速率可以達到幾個Gb/s。例如基于光譜網(wǎng)格的可見光WDM系統(tǒng)方案，它采用激光二極管（LD）作為發(fā)射器，其傳輸波長在400-700nm之間。一些研究人員把脫機處理-離散多音（DMT）調(diào)制技術(shù)應用于可見光WDM系統(tǒng)上，使用4-6個傳輸通道，當信號傳輸速率達到了14.77-21.4Gb/s時其傳輸距離超過了50米，其中，當速率為8.26Gb/s時傳輸距離超過75米。上述技術(shù)是基于耦合器的多路轉(zhuǎn)換器來降低MUX/DEMUX的插損，但它們都只適用于單向信號傳輸。來自西班牙卡洛斯三世大學電子技術(shù)部門的研究人員，最近提出了一種在SI-POF鏈路上進行實時信號雙向傳輸?shù)目梢姽釽DM系統(tǒng)方案，如圖 7所示。研究人員在實時以太網(wǎng)鏈路上采用最短和最長波長信號對該系統(tǒng)的性能進行測試，并利用了具有高頻譜效率的16階脈幅調(diào)制（PAM-16）技術(shù)和低損耗的MUX/DEMUX器件。測試結(jié)果表明，在考慮TCP/IP網(wǎng)絡誤碼率的情況下，每傳輸比特的光功率低于5.8pj/b(Mux/Demux插損低于4dB的情況)。

圖7. 多通道中SI-POF鏈路上進行實時信號雙向傳輸?shù)目梢姽釽DM系統(tǒng)方案