6/10/2014，2014年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖激光器、無源光子器件、光波導、光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
作者：邵宇豐 方安樂  
1.光纖激光器
    工作波長在1μm以下的窄線寬激光源一直被用來產(chǎn)生相干的窄線寬藍光和紫外光，在實驗室中通常利用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。相比半導體激光器的輸出光源和其它類型的激光源，基于光纖激光器的光源最近受到更大的關注，這得益于其良好的光束質(zhì)量、窄線寬、體積小以及運行方便等優(yōu)點。在2004年就有研究人員實現(xiàn)了工作波長在977nm的基于全光纖的分布反饋式激光器，隨后又有了工作波長在976nm，基于摻釔光纖的全光纖分布布拉格反射鏡激光器的報道，其輸出光為連續(xù)光。相比前者，秒沖光在實際的頻率轉(zhuǎn)換應用中具有更大的優(yōu)勢，因為它可以提供更大的峰值功率以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。最近，基于全光纖的調(diào)Q單頻激光器也有很多報道，其工作波長包括1μm、1.5μm和2μm，這些激光器通常被用于非線性頻率轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生其它波段的輸出光。天津大學光電工程和精密儀器學院的研究人員最近提出了一種全光纖單頻主動調(diào)Q激光器，其工作波長為978nm，其結構采用了2cm的商業(yè)化的高度摻釔光纖和一對光纖布拉格光柵。在很短的線性光纖諧振腔中可利用壓力誘導的偏振調(diào)制來實現(xiàn)主動調(diào)Q。這種激光器的輸出光為單頻納秒量級的脈沖光，其重復率的范圍為幾十個千赫茲到幾百個千赫茲。他們在實驗中測量了該激光器的平均輸出功率和峰值輸出功率，這是迄今為止第一臺基于高度摻釔光纖且工作波長在1μm以下的單頻全光纖調(diào)Q激光器。

    近年來，多波長脈沖光纖激光器受到研究人員的廣泛關注，這種類型的激光器在光纖傳感、儀表測量、以及波分復用光纖通信系統(tǒng)的光信號處理等領域有著重要的應用。目前，主動和被動鎖模技術都已可用于實現(xiàn)多波長鎖模脈沖光的輸出。相比主動鎖模技術，由于無需在激光腔中加入主動調(diào)制器，多波長被動鎖模技術具有更加簡單、小型化以及低成本的優(yōu)勢。迄今為止，人們已開發(fā)出各種不同的被動鎖模技術，例如非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)，非線性放大環(huán)形鏡(NALM)，以及可飽和吸收器(SA),都可用于實現(xiàn)多波長脈沖光纖激光器的運轉(zhuǎn)。然而，當前所報道的多波長被動鎖模光纖激光器產(chǎn)生的脈沖串只有幾兆赫茲的重復率。另一方面，具有高重復率的光纖激光器在無線通信、光譜學和測量學方面都有著大量的應用需求。為了提高鎖模脈沖的重復率，研究人員采用諧波鎖模技術來實現(xiàn)這一目標，它可在提高重復率的同時而不減小激光器的腔長。也有研究人員通過在光腔中引入合適的高階非線性效應來產(chǎn)生諧波鎖模脈沖。例如將具有高階非線性效應的可飽和吸收器置于光腔中，這兩種功能將被集成于同一個光學器件中，以實現(xiàn)更加緊湊型的設計。目前所報道的諧波鎖模脈沖光纖激光器僅能實現(xiàn)單波長脈沖輸出，而多波長諧波鎖模尚未見報道。最近，華南師范大學信息光電科學與工程學院和湖南大學物理與微電子科學學院的研究人員提出了一種可實現(xiàn)雙波長脈沖輸出的諧波鎖模光纖激光器。該激光器是基于拓撲絕緣體可飽和吸收器來實現(xiàn)諧波鎖模的。拓撲絕緣體是一種類似于石墨烯的新型的狄拉克材料，它在通信波段具有很強的可飽和吸收特性。研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)由于不同的波段具有不同的腔內(nèi)非線性效應，導致這種這種激光器輸出的雙波長脈沖串具有不同的諧波鎖模序列。通過適當?shù)卣{(diào)整光腔參數(shù)，重兩種波長的脈沖的重復率可分別達到388和239MHz。此外，實驗中還實現(xiàn)了兩種脈沖間的波長切換控制。這個研究成果表明，這種基于微纖的拓撲絕緣體可用來實現(xiàn)具有飽和吸收和高非線性特性的高性能雙功能光子器件，可應用于超快非線性光子學領域。

2.無源光子器件 
    微型環(huán)形諧振器被廣泛的用于實現(xiàn)光子器件集成回路，例如固定和可調(diào)諧濾波器、多路復用器、延遲線、調(diào)制器和傳感器等。在以上諸多的應用中，單環(huán)諧振器的光譜特性往往無法令人滿意，從而使包含許多耦合諧振器的高階結構成為人們用以實現(xiàn)高消光比和快速邊帶轉(zhuǎn)換的常用方案。利用絕緣體上硅這類光子集成平臺可實現(xiàn)極其簡潔的耦合諧振器件，它們具有大的帶寬和自由光譜范圍等優(yōu)點。然而這類技術往往受限于制造公差的高靈敏度，它會導致諧振器的共振頻率具有一個隨機的頻譜擴展。最近，意大利米蘭理工大學電子電氣與生物工程系的研究人員提出了一種新型的基于耦合諧振器的光學濾波器。這種耦合諧振器結構所展現(xiàn)的高階響應具有極高的穩(wěn)定度，其可用來抵消制造公差過于靈敏的缺陷。這種雙模濾波器的概念被廣泛用于微波領域，并且最近被研究人員拓展到光子集成領域，用來設計光子器件的反射率。他們設計的濾波器具有單腔雙模的特點，它由一串微型耦合諧振器構成，在最末端的諧振器里置有一個局部反射器以實現(xiàn)二階響應。局部反射器導致的反向耦合使得濾波的有效序列雙倍于諧振器的數(shù)量。由于反向的傳輸模具有共同的微腔，其共振頻率是一致的，這大大減少了濾波器的制造公差，結構的同序性得到控制。研究人員還在絕緣體上硅光子集成平臺上利用微環(huán)諧振器加載布拉格光柵分別實現(xiàn)了二階和四階的雙模濾波。
     隨著金屬-氧化物-半導體(CMOS)加工技術的飛速發(fā)展，絕緣體上硅(SOI)這種光子集成平臺由于具有良好的兼容性，應用前景巨大。然而，由于SOI具有極大的偏振依賴性，這成為其步入實際應用的最大制約因素。過去的幾年中，有研究人員利用偏振差異回路實現(xiàn)了SOI的偏振獨立。目前主要有兩種方法可以在芯片界面上解決偏振依賴問題，其一是采用偏振分離光柵耦合器(PSGC)，另一種方法是采用偏振不敏感的耦合器結合偏振分離旋轉(zhuǎn)器。芯片上的偏振旋轉(zhuǎn)器目前主要分為三類：第一種方法是利用具有不對稱橫截面的波導，它可以在突變界面造成散射以實現(xiàn)模式變換；第二種方法是采用模式演變，利用高階模作為基態(tài)橫電模和橫磁模的過渡；第三種偏振旋轉(zhuǎn)方法是采用非硅材料。最近，新加坡國立大學和美國特拉華大學電氣與計算機工程系的研究人員提出了一種新型的偏振分離旋轉(zhuǎn)器，它是在絕緣體上硅平臺構建的工作波長為1310nm，采用248nm的深紫外光刻技術實現(xiàn)。這種PSR由三個部分構成，包含一個定向耦合器，一個具有上下兩層錐化的TE1-TE0模式轉(zhuǎn)換器，以及一個不對稱的基于馬赫增德干涉儀的TE1-TE0模式轉(zhuǎn)換器。這種PSR只有最多2dB的模式轉(zhuǎn)換損耗，其在40nm的帶寬范圍內(nèi)的偏振串擾低于-20dB。偏振依賴損耗最高達到0.76dB。
3.光波導
    氮化鎵是繼硅和砷化鎵之后又一代重要的半導體材料，因為它的禁帶寬度寬，室溫下禁帶寬度為3.39eV，且是直接帶隙，在制備藍紫光電子器件如發(fā)射二極管、激光器、探測器件以及大功率高速微電子器件方面有很好的應用前景。此外，化學穩(wěn)定性幾號，它還有望制成在高溫輻射等惡劣環(huán)境下工作的的半導體器件。近年來，基于氮化鎵的納米結構最近被廣泛應用于增強表面發(fā)射器件的提取率、可見光波段的薄膜反射鏡、以及光腔等領域。最近，研究人員對這種納米結構的研究拓展至硅上氮化鉀鎵平臺，該平臺在制造加工上提供了很強的的靈活性，可用于制造新型的基于氮化鎵的光電器件。根切技術可以很容易地使獨立式的氮化鎵厚片從硅基底上分離出來。目前利用這種方法可以實現(xiàn)氮化鎵波導、導波模共振光柵和微型制動器。利用雙面加工方法可以從背面移除硅把手層以形成 獨立的氮化鎵薄膜，并且可以實現(xiàn)薄膜的背面打薄，以提供比傳統(tǒng)的多層電介質(zhì)薄膜結構更加緊湊和簡潔的器件設計。利用這種工藝技術和氮化鎵薄膜結構可構造圓形光柵，它提供的非凡特性可集成到相關的光電器件中。圓形光柵在面內(nèi)平行方向可實現(xiàn)反饋，在表面法線方向可與發(fā)射光發(fā)生耦合。此外，已有的研究表明圓形光柵還可用于光子結構的偏振無關耦合或去耦合。最近，南京郵電大學和英國布里斯托爾大學納米科學和量子信息研究中心的研究人員在硅上氮化鎵平臺上制備了圓形氮化鎵光柵并給出了相關特性表征。當光學模式在這種獨立式氮化鎵薄膜內(nèi)傳輸時，其模式數(shù)量將隨著薄膜厚度的減小而減少。對這種薄膜進行背面打薄處理所得到更薄的氮化鎵薄膜有助于減少共振模，并且可以增大可見光范圍內(nèi)干涉條紋的反射比。利用角度解析反射比測量可觀察到入射光與該圓光柵之間的強耦合現(xiàn)象。另外他們還考察了光柵參數(shù)對反射譜的影響。該項研究成果為可見光范圍內(nèi)單層氮化鎵共振光柵的制備提供了一種有效途徑。
    高雙折射光纖在通信、傳感等領域都有著廣泛的應用。在高雙折射光纖中，通過調(diào)諧脈沖的偏振態(tài)，兩個本征偏振模的傳輸會導致豐富的非線性效應。在硅波導中，增強大多數(shù)基于波導的光器件的性能通常有兩種方法，一是調(diào)整波導波方向(源于硅中三階克爾非線性的各向異性)，另一種方法是調(diào)節(jié)脈沖的偏振。當脈沖的偏振角度改變時，其在波導中傳輸時可激發(fā)橫電模(TE)和橫磁模(TM)并且通過克爾非線性相互耦合。這種現(xiàn)象可用于實現(xiàn)不同的光學功能例如光開關、脈沖壓縮和強度鑒別器。如果TE模和TM模的色散可以認為控制，模間耦合可以得到增強，這將導致更多的有效的非線性應用。利用橫截面為方形的納米波導可得到關于基態(tài)準TE模和準TM模的類似于TE模和TM模的色散曲線。然而此類波導的色散曲線在我們感興趣的波段范圍內(nèi)只有一個零色散點。此外，高色散值導致在相位匹配等非線性效應下可獲得的帶寬極其有限。另一方面，對于早先所研究的波導例如溝狀波導，TE模和TM模的色散曲線具有相當大的差異，因而在溝狀波導中色散的管理和設計只能針對一種模式來執(zhí)行，對于目標模式可以在較大的帶寬內(nèi)實現(xiàn)低且平坦的色散曲線。但與此同時另一種模式將具有相當高的色散值。因此，在此類波導中利用偏振來控制色散將不再可行。最近，伊朗Shiraz 科技大學電子系光電研究中心的研究人員提出了一種新型的硅波導結構，這種波導可以對TE模和TM模的色散同時進行調(diào)控。對于基態(tài)的準TM模和TE模，該波導分別在1404nm和904nm的帶寬范圍內(nèi)具有大約 250ps/(nm•km)的色散值。他們同時還考察了這種波導最佳結構中模式的非線性參數(shù)和群速度失配情形。研究結果表明在模式的時域分離發(fā)生之前模間耦合是可行的，并且可通過降低模式色散來增強模間耦合。增強的模間耦合和不同的模式色散特性可用于增加和控制各種非線性效應。因此，這種波導結構可基于偏振效應實現(xiàn)不同功能的光學器件。


4.光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)
    近年來，可見光通信(VLC)多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)由于能夠提高傳輸數(shù)據(jù)速率，其在光通信系統(tǒng)中已變得越來越受到研究人員的重視。在一個移動通信環(huán)境中，通過使用數(shù)個照明單元同時傳輸并行數(shù)據(jù)流通常被用來提供統(tǒng)一的空間照明并可接納日益增長的數(shù)據(jù)吞吐量。在一個采用成像透鏡演示的1Gb/s的4×9VLC-MIMO鏈路中，前置或后置均衡器可被用來擴大系統(tǒng)的帶寬，通過合適的比特和功率加載來執(zhí)行正交頻分復用調(diào)制格式，其需要一個反饋式回路。迄今為止在可見光通信的上行線路中并沒有一個一致的協(xié)議。MIMO系統(tǒng)已被廣泛應用于射頻波段，并且在最近也被用于光通信系統(tǒng)中。英國諾桑比亞大學環(huán)境與工程學院光通信研究小組的研究人員實驗演示了一種室內(nèi)可見光非成像MIMO系統(tǒng)，其在2m的距離內(nèi)具有總計50Mb/s的無誤差比特率。該系統(tǒng)采用4個獨立的白光LED信號發(fā)射器，每個發(fā)射器均以通斷鍵控止回零格式傳輸12.5Mb/s的數(shù)據(jù)。同時還采用了4個非成像光接收器。他們還在實驗中比較了從基礎信道倒置到更先進的時空技術等四個探測方法的性能優(yōu)劣。實驗結果表明，利用最簡單的技術可實現(xiàn)利用最復雜的方法所達到的比特誤碼率。該系統(tǒng)還可提供一個平均水平達到350勒克斯的全照明，完全符合家庭和辦公環(huán)境的ISO照明標準。

    在量子信息的所有分支中，量子密碼是最接近于實用的量子通信技術。經(jīng)過近20年的發(fā)展，量子密碼通信目前已從單純研究走向?qū)嶋H應用。量子密碼學是量子力學與密碼學結合的產(chǎn)物，而量子密碼學的核心就是量子密鑰分配。量子密鑰分配的安全性由量子力學的測不準原理和量子不可克隆定理等物理學原理作保證。實際上由于有了量子密鑰分發(fā)的安全性保障，用量子密鑰既可以實現(xiàn)單鑰體制中的密鑰共享，也可實現(xiàn)雙鑰體制中的私鑰安全分發(fā)。在當前的光通信系統(tǒng)中，量子密碼學沒有被廣泛采用的最大障礙就是其難以集成到標準的光網(wǎng)絡中，這種困難源于用于量子秘鑰分配的單量子相比經(jīng)典的光信號在功率上有極大的差異。這種巨大的功率差異使得采用量子密鑰分配技術來實現(xiàn)光通信的成本極其昂貴，并且難以有效部署實施。最近，西班牙Politéc-nica大學的研究人員提出了一種簡單直接的可將量子密碼學集成到光纖接入網(wǎng)絡中的集成方法。特別地是，他們研究了基于無源光和時分復用技術將量子秘鑰分配系統(tǒng)無縫集成到標準的接入網(wǎng)的具體方案。該方案的新奇之處在于，基于選擇性后處理方法避免了其它網(wǎng)絡用戶制造的噪聲，從而使得量子密鑰得到凈化。更重要的是，這種方案不需要修改量子或經(jīng)典器件的硬件規(guī)格，也不需要在網(wǎng)絡器件和量子密碼器件之間使用任何同步機制。