2014年3月PTL光通信论文评析

4/8/2014,2014年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体激光器、光测量技术、光频率变换、光传感器、微波光子学、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

光纤在线特约编辑：邵宇丰 方安乐 

1. 半导体激光器
    2μm及其以上中红外波段是非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器在军事和民用的许多领域都有重要的应用。由于许多气体分子的特征谱线都落在中红外波段，因此可应用在大气环境监测、反化学战、反生物战、医学诊断和药物鉴定等领域。由于长波长的光散射较低，大功率中红外激光器可应用于激光雷达、防撞系统和军事上的目标指示等。此外，中红外波段的半导体激光器在新一代光纤通信领域也有着重要的应用前景。通常来说，2μm波段的半导体激光器都是基于锑化钙（GaSb）材料发展起来的，由于锑化物激光器件具有较低的阈值和良好的温度特性，长期以来一直是中红外波段激光器、探测器的首选材料。以GaSb为衬底的较成熟的多元锑化物外延材料广泛地应用于近中红外异质结激光器和光电探测器等器件上。含锑的化合物半导体材料的发光波长覆盖范围宽（1.5-5μm），其应用除了中红外光源和探测器以外，还包括热光伏特器件、HEMT、DHBT等。    GaInAsSb/AlGaAsSb量子阱结构激光器具有较大的导带补偿值，显示出良好的温度特性和可靠性，工作于该波段的高功率半导体激光器更适于军事应用。最近，中科院上海微系统和信息技术研究所功能材料和信息学国家重点实验室的研究人员提出了一种输出波长为2.2μm基于磷化铟（InP）的InAs/InGaAs量子阱半导体激光器。他们研究了三角量子阱结构对激光性能的影响，研究发现三角量子阱结构对激光器性能的提高有着多方面的影响包括：阈值电流密度，输出功率，特征温度，最高运行温度，量子效率以及内在光损耗系数。实验测得在温度为300K时，采用三角量子阱结构使得阈值电流密度从2.58 kA/cm2下降到1.42 kA/cm2，在注入电流为400MA 的情况下输出功率从3.6mW增加到10.4mW。最高运行温度达到330K，比矩形量子阱结构半导体激光器的最大运行室温高出20K。
2. 光测量技术 
    保偏光纤中布里渊动态光栅致光反射现象已受到越来越广泛的关注和研究，它有许多重要的应用比如可调谐延迟线、双折射分布式测量、张力与温度的分布式同步测量、亚厘米空间分辨率布里渊光学时域分析（BOTDA）等。基于布里渊动态光栅的测量方法主要由两种，一种是基于脉冲的时域分析法，另一种是基于连续波的布里渊相关域分析（BOCDA）法。布里渊光相干域分析基于连续探测光和抽运光经频率调制后的相互作用。利用BOCDA能够访问任何被测位置，具有较高的空间分辨率和较高的测量速度。2010年Kwang Yong Song提出提高空间分辨率同时保证测量精度的宽谱探测思想. 传统布里渊光时域分析 BOTDA 系统为提高空间分辨率使用短脉冲抽运将导致测得的布里渊增益谱展宽,影响测量精度。BOCDA系统的空间分辨率由光源的调制参数（幅值和频率）决定。现有的基于BOCDA技术BDG测量的最高空间分辨率可以达到8mm。最近，上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员提出了在基于BOCDA的BDG光谱分布式测量中利用强度调制增大空间分辨率的方法。根据相关域分析原理，受激布里渊散射局限在所谓的相关峰，但由于这些峰具有旁瓣，将激发BDG跳出这些峰区域，对比于BDG光谱测量空间分辨率。实验中他们对输入光波的光功率谱施加一个振幅调制从而抑制旁瓣的产生，该方法将空间分辨率提高了4.5倍。，实验中成功识别了一根500m长光纤中的一小段长25cm的应力段，在缺少强度调制的情形下是无法实现该实验结果的。
3. 光频率变换 
    长距离光纤中上变频信号的宽带上变频和色散自由传输是光载无线通信（ROF）系统中的两大关键技术。一般来说，RF上变频是将光基带信号或中频（IF）信号转换到射频频带的过程，在RoF传输链路中，这是无线信号产生的最关键步骤，其产生时光基带信号和高频本振信号在外调制器中光域混频。主要方法是在电子混频器中实现中频信号的电子本地震荡，该方法具有带宽限制，并且转换损耗较大，无法实现多波段变频。此外，高频本地振荡器产生的信号具有较差的相位噪声表现。相比较电子域实现上变频的诸多缺点，研究人员也提出了多种在光域利用光子学方法实现上变频的技术，通常是采用光电振荡器来实现，其优点是不但具有低相位噪声的本地震荡，而且可以实现多频道的频率上变换。中国南京航空航天大学电子与信息工程学院雷达成像和微波光子学教育部重点实验室的研究人员提出了一种基于偏振调制光电振荡器的光子微波多频段上变频的实验方案。该方法可以产生高质量的本地震荡信号，可以实现任意光波段的多频段上变频，它还可以实现ROF链路中多频段的色散补偿。实验中采用两个频率分别为3.5和7.5GHz，传输速率为50Mb/s的16-QAM信号，分别实现了频率上变换到13.436和17.436GHz ，并且在光纤中的两个独立频段分别传输了20和15km，实验中忽略了光纤中的色散诱导功率损失。

4. 光传感器
    如今，智能手机已成为人们日常生活不可或缺的电子产品，全球有将近10亿智能手机用户。对比过去的那种普通的键盘式电话手机，智能手机通常具有很多先进的科技特征比如优秀的操作系统、可自由安装各类软件、完全大屏的全触屏式操作感、百万像素CCD摄像头、蓝牙传输、Wi-Fi等。如今的高端智能手机相机的拍照功能非常强大，甚至达到了千万像素级别，这种便携智能设备完全可用于构造各种各样的光学传感工具。近年来，一些研究小组实验研究了将智能手机照相机设计成各种不同的光学工具，甚至应用于生物传感器。例如，利用透镜系统，智能手机的照相机可被转换成显微镜，其显微度足以观测到血红细胞、细菌及其它生物细胞。同样的，结合瞄准仪和光栅，智能手机相机可被转换成分辨率达到5nm的光谱仪，此外还可用于一些其他的光学应用诸如无标记生物探测传感、量子点标记、荧光显微法自由透镜显微系统以及光流体和微流体应用。光学传感技术也就是光纤传感器，表面等离子共振传感器或光子晶体传感器，他们的主要原理都是基于传感器灵敏区域上吸附介质与消逝场的耦合。尽管最近已有基于智能手机的光子晶体生物传感器方面的研究，但是如何利用智能手机相机探测棱镜或光纤与吸附介质的耦合消逝场信号至今还未见报道。印度泰兹普尔大学物理系应用光学与微納光子学实验室的研究人员提出了一种利用智能手机相机构造消逝波耦合光谱传感器的技术。他们利用简单的光学元件，将智能手机相机转换成高分辨率（像素点间距为0.305nm）的光谱仪，结合直角棱镜，宽带光源产生的内部反射光信号的消逝场将可与外加介质相互作用进行耦合。这种光学传感技术具有简单便携和低成本等优点。


5. 微波光子学
    在现代光通信系统中，光生微波技术变得越来越重要，无论是全光时钟，超高速调制，光载无线通信（ROF）系统，还有其它很多应用都离不开一个高度稳定的光生毫米波源。尤其在ROF系统中，一个合适的微波源不但可以简化复杂的移动网络并且可充分利用现存的光纤网络基础设施。光生毫米波有很多方法，其中较简单可行的是利用两列单色波信号拍频产生射频信号，即光外差法，相对前者而言，利用光子集成芯片的设计产生微波显得更加先进，其无论是在器件尺寸或转换效率上都优于光外差法。现今，光子集成技术是光通信最前沿和最有前途的领域，它是满足未来网络带宽需求的最好办法。光子集成比传统的分立“光-电-光”处理降低了成本和复杂性，可以用更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构，而更多的节点意味着更灵活地接入和更有效的维护和故障处理。光子集成芯片制造并不是一件很容易的事情，由于光子器件具有三维架构，比二维结构的半导体集成要复杂的多。将激光器、检测器、调制器和其他器件都集成到芯片中，这些集成需要在不同材料多个薄膜介质层上重复地沉积和蚀刻，这些材料包括砷化铟镓、磷化铟等。随着微納结构制备技术及工艺的高速发展，相信光子集成芯片的制备技术也会变得越来越成熟和商业化。最近，中国台湾国立交通大学光子系统研究所的研究人员一种基于简单小型化光子集成芯片产生可调谐微波的方法，该光子集成芯片包括一个反射镜和两台分布反馈激光器。他们采用聚焦离子束刻蚀技术制备出高质量的空气/半导体平板反射镜，两台激光器单独泵浦时都是以基态模运行，通过两束激光的光差频可以得到微波信号源。试验中研究人员通过调整两台激光器的注入电流可以实现可调谐峰值到25.5GHz的可调谐微波源。同时他们测量了四波混频光谱，其中产生的射频信号的线宽为1.9MHz。


6. 光网络及子系统
    波分复用无源光网络（WDM-PON）系统的高比特率性能使得其成为加速部署光纤到户的最有应用前景的方案。此外，正交频分复用（OFDM）技术与WDM-PON的结合也将使得通信系统的容量和色散容限得到增强。对于WDM-OFDM-PONS系统的实现，低成本的光网络子单元(ONUs)和线路终端（OLTs）将显得至关重要，尤其应该避免在每个光网络单元出现一个波长特定的激光源，即实现ONU“无色化”，使得ONU的波长能够在工作范围内自动适应网络，WDM-PON
的ONU“无色化”方案主要有宽光源频谱分割技术、注入锁定技术、光载波源技术和再调制技术几种。其中基于反射半导体光放大器（RSOA）的再调制WDM-PON系统结构简单，具有潜在的低成本优势，因而得到了广泛的关注和研究。近年来在WDM-OFDM-PONS系统中研究者们也提出了波长重复使用的概念，例如在OLT中利用光载波抑制光源或者在本地交换机中利用连续波光源对RSOA提供现远程供给，以实现上行线路的传输。最近，华中科技大学光电信息学院的研究人员报道了一种新型的采用垂直腔面发射激光器（VCSELs）和远程光注入技术的混合型基于波分复用技术的正交频分复用无源光网络。在上述方案中，1.55μm的VCSELs作为低成本直接调制的上行和下行信号传送器，其从属的VCSEL在光网络单元被已调的下行信号远程注入锁定，并且不需要额外的注入锁定光源和调制器。实验中实现了1.25Gb/s 4-正交幅度调制（4-QAM）-OFDM 信号在26千米长单模光纤中的双向传输。此外，他们还研究了由注入式调幅向从属调幅的转换所导致的剩余调幅（RAM），实验结果显示由于RAM的存在，该1.25Gb/s 4QAM-OFDM上行信号功率损耗为2dB。
 
    宽带因特网应用服务中数据通信的爆炸性增长使得其对大容量数据传输的需求越来越高。在大容量数据传输系统中，无法预期的光纤损坏通常会带来通信故障，因而危害管理体系不可或缺。最近，利用多芯光纤的空分复用技术受到研究人员的广泛关注，它可以克服传统单芯单模光纤在传输容量上的限制，它还可以解决在数据中心网络和无源光网络中的光缆尺寸限制问题。此外，多芯光纤可以在主线路之外提供备用线路，这项优点大大增强了通信网络的质量和可靠性。最近，日本日立公司中央研究实验室的研究人员提出了一种新型由大量光开关单元和多芯光纤组成的光网络系统，这种新型的光网络系统具有大容量和高可靠性的优点，可以作为数据中心网络和无源光网络的网间/网内光学链路。实验证明这种系统可以在线路故障发生时自动的修复和还原光通道，其恢复时间为5ms，达到了国际电信联盟规定的时间标准（<50ms）。

    采用多芯光纤（MCF）和自零差探测（SHD）的空分多路复用系统一直被认为是使用高阶调制格式进行超高容量、长距离传输的成本最低的解决方案。普通光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的，但MCF的一个共同包层区中却存在着多个纤芯。采用具有芯间串音低的MCF，空间信道的解复用不需采用额外的信号处理技术。该系统发射一个未调制的导频信号进入其中一个纤芯进行传输，然后剩余的纤芯分配给其它的光载调制信号传输，这样就相当于将导频信号作为本机振荡器（LO）对已调的信号进行相干检测。相比于内插检测（ID）系统，自零差检测对激光的相位噪声不敏感，可采用宽线宽激光器，对数字信号处理接收器的要求比较宽松。除了降低接收器的硬件需求之外，其低成本和节能的优点也弥补了单纤芯传输导频信号的不足。早前已有研究人员报道过单芯光纤SHD系统的性能，最近日本东京信息与通信技术国家研究院光子网络系统实验室的研究人员提出了一种采用自零差检测空分多路复用系统的一般模型，该模型适用于单偏振和双偏振方形M-正交幅度调制（QAM）信号，其中信号与导频信号的信噪比任意设定。研究人员采用正交相移键控（QPSK）16-QAM信号在具有七个纤芯的多芯光纤中进行传输，研究了自零差检测的应用性能，结果验证了该模型的正确性。