2014年6月PTL光通信论文评析2014年9月29日

发布时间：2014-09-29

　　7/11/2014，2014年6月出书的PTL次要登载了以下一些标的目的的文章，包罗：光纤激光器、传感器、微波光子学、光收集及子系统等，笔者将一一评析。

　　作者：邵宇丰方安泰

　　1.光纤激光器

　　比来，全光纤稳态多波长和双波长激光器因为可普遍使用于光传感和通信、双波长丈量、光谱阐发、雷达接收、光数据处置和测试，已惹起越来越多研究人员的关心。此外，掺铒光纤放大器也已被普遍研究并拓展至诸多贸易使用，掺铒光纤放大器在通信波段具有低成本、高饱和功率、低偏振依赖增益以及低信噪比等长处。然而，因为在室温下具有相当宽的平均线宽(约为10nm)，基于多波长激光器的掺铒光纤放大器常常陪伴很是强的模式合作。目前为止，大大都多波长激光器都是通过腔内滤波连系各类分歧的手艺来实现的，此中包罗利用夹杂增益介质或高非线性介质，在激光腔中插入频移器和相位调制器，以及采用非线性偏振扭转手艺。为了达到多波长输出的目标，腔内多波长透射滤波必不成少。例如采用光纤内马赫增的仪，萨尼亚克环形镜，双折射滤波器，啁啾光纤布拉格光栅，以及大角度倾斜光纤光栅等方式。利奥滤波器是种基于偏振器和波片交织序列组合的偏振滤波器，能够从中发生梳状透射谱。单级利奥滤波器的带宽和光谱范畴并不克不及通过改变腔长来调理，这是由于无论是带宽仍是光谱范畴均与光纤的长度成反比，并且利奥滤波器的带宽仅是光谱范畴的一半。幸运的是，多级的利奥滤波器能够别离节制带宽和光谱范畴。对于这种多级滤波器而言，具有同相的波长具有最大的透射率，而其它异相的波长将被。多级利奥滤波器的带宽和光谱范畴将别离取决于最长腔和最短腔的长度。比来，英国阿斯顿大学光电手艺学院的研究人员提出了一种可切换的双波长光纤环形激光器，该激光器是基于腔内全光纤利奥滤波器实现的，其具有高度的偏振输出。尝试中采用的利奥滤波器由四个互相毗连的具有45度倾斜角的光纤光栅形成，此中光纤光栅由分歧长度的保偏光纤离隔，其长度比为1:2:4。该激光器可实现可切换的双波长或单波长输出，其输出波长为1533.5nm和1563.3nm。因为多级利奥滤波器具有的同步选模功能，其输出的激光相当不变，而且具有跨越99.9的高偏振度。

　　图一基于腔内全光纤利奥滤波器的双波长光纤环形激光器尝试安装图

　　近年来，双波长单纵模光纤激光器已被普遍的研究，这种激光器在微波发生范畴具有很是丰硕的使用，包罗宽带无线接入网、软件定义无线电、波分复用手艺和光传感系统。为了稳态的双波长单纵模输出，需要降服强平均线宽展宽和交叉增益饱和导致的不不变双波长震动。交通大学光波手艺学院全光收集和先辈电磁兼容通信收集重点尝试室的研究人员提出了一种单偏振双波长单纵模掺铒光纤环形激光器。这种激光器是基于具有超窄透射谱的保偏啁啾光纤布拉格光栅滤波器来实现单纵模双波长输出的，这种环形激光器的输出光很是不变，此中操纵20cm长的掺铒光纤作为可饱和接收器。同时，尝试测出了这种不变的双波长激光器的波长间隔为0.41nm，而且其单偏振态也相当不变。尝试测得的每个输出波长的线宽小于8kHz。

　　2.传感器

　　一般来说，对于易燃气体的丈量需要极其平安的丈量方案。人们在丈量的过程中需要恪守严酷的操作规程，对于丈量的仪器的选择也至关主要，以尽量规避额外的爆炸风险。因为目前市道上大大都气体传感器都与电相关或将发生电火花，因此这些对于易燃气体的丈量要求已成为一道手艺难题。以甲烷丈量为例，响应的有电甲烷传感器包罗催化燃烧传感器、半导体传感器等等类型。虽然它们已被普遍的研究和持久的出产制造，它们仍然具有某些先本性的平安劣势。与电学传感器分歧的是，光学传感器在易燃气体丈量方面具有无法对比的平安劣势。目前在市场上占领主导地位的次要为基于激光接收光谱学的各项手艺，在某些特殊传感探测景象例如很是小型空间、煤矿井下弯曲地道或遥感探测等，探测光也需要被弯曲引领到传感，传感器的体积要求也必需微型化，这些环境下基于激光光谱学手艺的各类光学传感器将不再合用。因此需要采用光纤传感器来应对这些特殊景象的传感丈量。现实上，当前的光纤气体传感器很少，而用于甲烷丈量的光纤气体传感器更是未见报道，这是因为光纤内的光很难与光纤外部的气体发生彼此感化。比来，中国华南师范大学和浙江大学光学工程系的研究人员提出了一种可用于甲烷探测的自动光纤气体传感器。该传感器采用了掺钴单模光纤。这种光纤可被加热光源加热到几百摄氏度，而且在光纤内刻有光纤布拉格光栅作为温度计。该光纤布拉格光栅的布拉格波长对光纤四周气体的热导率相当，因此可被用于监测我们事后指定的特定气体的浓度。他们提出的这种光纤传感器可作为在一些特殊的使用场景用于探测爆炸和侵蚀性气体的抱负的传感器，例如天然气管道、煤矿井以及流量计等等。在尝试中他们操纵这种传感器丈量了甲烷的浓度范畴从0到4.8%(5%为甲烷的爆炸极限)。该传感器的布局如图二所示。

　　图二基于激光加热光纤布拉格光栅的全光甲烷浓度光纤传感器尝试安装图

　　核磁共振成像也称磁共振成像，是操纵核磁共振道理，通过外加梯度检测所发射出的电磁波，据此能够绘制成物体内部的布局图像，其在物理、化学、医疗、石油化工、考古等范畴都有着普遍的使用。核磁共振系统中需要用到良多类型的传感器，例如温度、、报警、射梯度等等。核磁共振手艺能在不细胞的前提下，间接研究溶液和活细胞中相对证量较小的卵白质、核酸以及其他的布局，其劣势之处在于以非入侵体例探测液体和固体的微观机关和彼此感化，但以往核磁共振手艺有一个很大的缺陷，其内在的活络性较差，使其不适合探测很是小的样本。先前的报道中，美国的研究人员提出了一种微型核磁共振传感器可对细小的样本做出反映，极大的提高了核磁共振的探测活络度。比来，法国里昂大学和萨瓦大学微博表征尝试室的研究人员提出了一种基于梳状Ti:LiNbO3波导连系特定的核磁共振圈用于低侵入丈量的传感器模子。该器件可使得在被测和探测激光束的偏振调制间可进行被动的光电转换。因为集成光的采用，核磁共振线圈的电动势将出一个加强的电场，这将大大地提高核磁共振活络度。该尝试在共振频次为128MHz下，可检测的最小将低于60fTHz-1/2，活络度的动态范畴跨越10dB。

　　3.微波光子学

　　操纵光学方式发生微波信号作为下一代高速接入网的一项环节手艺惹起人们的普遍关心。微波信号源的机能是影响系统机能的一个主要要素，因而获得机能不变、低相位噪声、可调谐的微波信号对系统的成功应器具有主要意义。保守的电子微波信号发生器在高频信号的发生方面成本较高，体积复杂，分量大，相位噪声也很大。而操纵光学方式来发生微波信号则有良多的长处，例如超高的带宽、体积小、低投射损耗和对电磁干扰具有免疫能力。跟着人们对通信带宽要求的添加，通信频段逐步向高频成长，当频次大于26GHz后，操纵保守的电子手艺的微波信号发生器的造价就会变得很是高贵，而且采用同轴电缆来传输这种高频信号会发生昂扬的费用，难以贸易化。操纵光学方式发生高频微波信号能够无效的降服电子微波信号发生器的不足，因此具有很大的成长潜力。在过去数十年中，人们成长出了多种发生微波信号的方式，例如光注入锁定，光相位锁定环，光电振荡器和外部调制法。在这些方式中，基于马赫增的调制器的外部调制法在高频微波发生方面具有最大的使用前景，这是由于其具有很高的频次倍增因子、较低的相位噪声和较高的频次可调性。光学倍频和四倍频可用单个调制器来实现，而发生较高倍增因子的微波信号则需要更多的调制器。例如六倍频的光学发生方需要用到强度调制器和相位调制器的组合系列。比来，西安电子科技大学集成办事收集国度重点尝试室的研究人员提出了一种操纵光学六倍频发生微波信号新方案。该方式是基于级联强度调制器和一个双重平行的马赫增的调制器来实现的，方案中并未采用光学或电子滤波器。在尝试中，低频局震动信号一分为二，此中一道信号在最小透射点驱动强度调制器，而另一道信号则驱动马赫增德仪的上臂，此中将发生三阶边带，而其他边带将被。尝试测得的电子寄生率为20dB。他们通过相位噪声丈量手艺了该微波发生信号的相位噪声在中并没有发生增大的景象。他们提出的这种新型方案对换制指数并没有严酷的需求，此外，所发生的微波信号具有很是高的纯度和频次可调谐性。该方案的尝试安装图如图三所示。

　　图三基于级联强度调制器和双平行马赫增的仪的六倍频微波信号发生方案

　　光生微波及毫米波手艺在光载无线通信系统中也是一项环节手艺。目前的光生毫米波方案次要有双边带调制、单边带调制以及载波双边带调制。在双边带调制手艺中凡是采用波分复用手艺来汇聚基带和双边带信号，以提高频谱效率。单边带调制凡是具有较好的领受机活络度，然而为了达到更高的机能要求，凡是需要采用注入锁定分布反馈激光器来优化载波边带比，使其达到0dB。或者采用光纤布拉格光栅来移除一部门载波功率，然而这将使整个系统变得愈加复杂化。比拟而言，载波双边带调制具有更好的领受机活络度，最高的频谱效率、以及在整个传输距离上最小的功率损耗。此外，在先前的研究报道中，对于载波双边带调制方案，研究人员操纵光电二极管探测时发觉可同时发生基带和射频信号，而且通过尺度的单模光纤传输时基带和边带的功率损耗均可低于0.3dB。然而，这种方案却很少被用于波分复用无源光收集中的发射。比来，中国国立台北大学电子电气工程系的研究人员提出了一种新型的操纵载波双边带调制手艺的传输方案。在该项方案中，数据和单播数据可同时操纵单一波长的载波双边带调制和光学载波来发送，它们的偏振态别离是正交的。此外，在光线终端数据和单播数据的载波调制和载波都将别离用到一个反射半导体光放大器，而且光收集单位中将不依托任何偏振追踪来探测。这些数据将可同时使用于无线和钢缆办事。该尝试发觉当数据和单播数据通过25km的单模光纤传输时，其在比特误码率为下的功率损耗将低于1dB，数据传输在单波长通道中具有足够的性。

　　4.光收集及子系统

　　当前，为了满足室第用户对宽带互联网的自已增加的带宽需求，包含铜线电缆的最初一公里接入网逐步被光纤网所取代。现有的研究表白，无源光收集架构被认为是最节流成本和节能的收集架构处理方案。为了整个收集无差错运转，无源光收集是收集运营者的一项主要使命。在收集发生差错时，必必要一个及时的修复以降低收集毛病时间。操纵光时域反射计（OTDR）是一个无效且廉价的毛病检测路子。光时域反射计按照光的后向散射与菲涅耳反向道理制造，操纵光在光纤中时发生的后向散射光来获取衰减的消息，可用于丈量光纤衰减、接头损耗、光纤毛病点定位以及领会光纤沿长度的损耗分布环境等，是光缆施工、及监测中必不成少的东西。在时分复用无源光收集中，无源光分束器被用来将信号从馈线分派到各个用户。引入光纤的识别将导致对某个毛病的反射相当坚苦。在波分复用无源光收集中，凡是采用一个阵列波导光栅，它使得颠末的信号与他们的波长相对应，因此光纤引入线中的毛病可主动定位。操纵合适的波导阵列光栅，可用来自临近的光谱范畴的波段来毛病，如许能够不妨碍数据的传输。操纵型光时域反射计来毛病将意味着对分歧波段的持续丈量，这将按照待测的波段数来添加丈量时间。而毛病检测时间的耽误将与快速毛病定位和低毛病期相矛盾，因此减小毛病检测时间显得很是主要。比来，多特蒙德大学的科研人员提出了一种新型的基于光时域反射计的光收集毛病，与保守的型光时域反射计比拟，该系统在时分复用和波分复用无源光收集中的毛病检测时间将大大削减。它能够操纵单个领受器光电二极管同时丈量多个波段。它的工作道理雷同于代码分隔多通信系统。此外，丈量时间的削减不只来自于对多个波段的同时丈量，还得益于削减光时域反射平均时间的编码增益。研究人员通过相关的丈量尝试了该系统的丈量速度将比保守的型光时域反射计系统快15倍。该新型的光是域反射系统如图四所示。

　　比来几年，在全光信号处置中，光学相敏放大器常被用来连系高阶调制格局如正交相移键控和正交振幅调制(QAM)以提高频谱效率，这导致了各类分歧的正交相移键控的相位再生方案，如8-QAM和16-QAM信号。来自丹麦手艺大学光电工程洗和日本东京理工大学的研究人员比来提出了调制格局和波长转换方案。他们发觉周期性极化的铌酸锂波导中的相敏级联二次谐波发生和差频发生可将一个光场的两个正交分量转换到分歧的波段上，如许将可同时实现从正交相移键控到二进制相移键控的调制格局和波长转换过程。对于两种正交都可获得20dB以上的静态相敏消光比。该尝试安装如图五所示。