光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
    2014年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、無源光子器件、太赫茲技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.激光器
可調(diào)諧型光纖激光器在密集波分復用光通信系統(tǒng)、光纖傳感器以及光纖器件測試等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景，最近受到了研究人員的廣泛關(guān)注。這種類型的光纖激光器的波長可調(diào)諧功能可通過在激光腔內(nèi)置一個可調(diào)諧濾波器來實現(xiàn)。基于光學超大規(guī)模集成電路處理器或二維色散管理的自由空間濾波器可提供相當小的調(diào)諧幅度。不過這些器件通常會帶來較高的插入損耗（最高可達14dB），導致的邊模抑制比可低至35dB。另一方面，光纖濾波器具有低插入損耗、體積緊湊的優(yōu)點，在全光纖激光系統(tǒng)中更容易與其它光學器件集成。在早期，光纖布拉格光柵和嵌入式法布里-泊羅濾波器通常被用于實現(xiàn)光纖激光器的可調(diào)諧輸出。然而，以上兩種方法的缺陷太明顯，光纖布拉格光柵的構(gòu)造需要昂貴的紫外激光器、相位掩摸和精確的加工技術(shù)，法布里波羅濾波器的可調(diào)諧功能是通過壓電技術(shù)來改變腔長實現(xiàn)的，其可調(diào)諧范圍僅僅只有1納米。近些年，模式干涉儀由于其易于制備和低成本的優(yōu)點，逐漸替代以上兩種方式成為實現(xiàn)可調(diào)諧光纖激光器的首選，例如光纖探針、雙頭光纖探針以及多模光纖等等。光纖探針的調(diào)諧范圍不低于8納米。雙頭光纖探針濾波器的調(diào)諧范圍可達到16.1納米，其調(diào)諧幅度為0.07-0.5納米。多模光纖濾波器可將C帶得波長可調(diào)諧范圍提高至30納米。此外，高雙折射薩尼亞克反射鏡或者利奧雙折射濾波器可提供的調(diào)諧范圍為40納米，然而其調(diào)諧幅度只有2.2納米。因此，寬調(diào)諧范圍與小調(diào)諧幅度很難同時實現(xiàn)。最近，北京交通大學電子信息工程學院的研究人員實驗報道了一種C頻帶可調(diào)諧型摻鉺光纖激光器。這種可調(diào)諧激光器是通過基于級聯(lián)雙芯光纖的定向耦合器實現(xiàn)的。實驗中通過彎曲一個具有0.14米長度的雙線光纖耦合器來實現(xiàn)激光器的輸出波長的粗略調(diào)諧，而通過拉伸另一根長度為1.37米的雙芯光纖耦合器來實現(xiàn)精確調(diào)諧。實驗結(jié)果表明該激光器的輸出波長可線性單調(diào)地在23.2納米（1541.8-1560納米）的帶寬范圍內(nèi)調(diào)諧，其調(diào)諧幅度為0.22納米，邊模抑制比高達58dB，功率平整度為±0.1dB。此外，在實驗中分別檢測到的輸出功率的起伏為<±0.05dB，波長漂移為0.004納米。

鎖模光纖激光器是皮秒脈沖和飛秒量級脈沖的重要光源。在許多應(yīng)用中，通常用它來取代固體激光器來作為種子光源，這是因為相對后者來說，鎖模光纖激光器具有體積緊湊、成本低和無需維護等優(yōu)點。但是鎖模光纖激光器的一些缺點也導致他的應(yīng)用受限。例如，脈沖能量和脈沖峰值功率將受限于大量的非線性效應(yīng)。此外，光纖的大色散將使得時域脈沖展寬導致脈沖的穩(wěn)定性和連續(xù)性大大降低。目前已報道的大多數(shù)激光振蕩器的工作范圍都在10-100MHz，產(chǎn)生低重復率的超短脈沖輸出仍面臨很多困難。最近，比利時蒙斯大學應(yīng)用光學系的研究人員實驗報道了一種工作波長為1030納米的全光纖被動鎖模激光器。該激光器產(chǎn)生超快激光的基本原理是基于光纖中的非線性偏振演化效應(yīng)。研究人員將一根長距離光纖連接在一個偏振器和一個法拉第反射鏡之間，這種結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生各種各樣的脈沖輸出如類噪聲脈沖、多重脈沖、突發(fā)脈沖和單脈沖鎖模。在單脈沖鎖模形態(tài)下，在低重復率948kHz情況下的脈寬為17.8皮秒。其中譜寬為2.2納米，脈沖能量為68皮焦，偏振消光比約為15dB。
具有窄線寬的單模半導體激光器在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是基于先進調(diào)制格式的相干光通信系統(tǒng)。在前幾年，分布反饋式激光器和分布布拉格反射鏡激光器都具有大于10M的線寬。降低激光線寬的方法通常都是通過增加腔長來實現(xiàn)的。然而，對大多數(shù)短腔激光器來說，其輸出光的線寬通常在幾個赫茲左右。目前分布反饋式激光器具有的最窄線寬為3.6kHz，但是其結(jié)構(gòu)非常復雜。最近，美國加利福尼亞大學電子與計算機工程系的研究人員一種基于簡單高產(chǎn)的蝕刻溝槽的單模激光器平臺。這些位于激光腔內(nèi)單邊的溝槽為激光提供了足夠的反射性，這將使得這種激光器可與其他的光電器件集成如半導體光放大器和調(diào)制器等。研究人員測量了這種簡單易于構(gòu)造的激光器的輸出線寬。測得有效腔長為450微米的激光器的閾值電流為31毫安，單模抑制比為48dB。該激光器在室溫下的最小洛倫茲線寬為720kHz。在溫度范圍為10℃—60℃之間時的線寬約為1MHz。
2.無源光子器件
自從單模-多模-單模型（SMS）光纖帶通濾波器在實驗中被證實以來，各種基于光纖的光譜特性的光纖傳感器被用于溫度、應(yīng)力以及折射率的測量。基于SMS結(jié)構(gòu)的光纖傳感器之所以引起廣泛關(guān)注是因為他對溫度和張力的光譜響應(yīng)與光纖布拉格光柵相當，并且其結(jié)構(gòu)非常簡單。在一個SMS濾波器中，在單模光纖中傳輸?shù)墓鈱⑴c多模光纖中的各種模式耦合并且發(fā)生干涉，再通過另一根單模光纖進行模式過濾，導致入射光場在光纖軸線上周期性的成像。其最大透過率取決于這些模式的光程長度和傳輸常數(shù)。近幾年來，大模場光纖由于在高功率光纖激光器中具有非常重要的應(yīng)用，也逐漸引起了研究人員的興趣。當在SMS濾波器中用一根大模場光纖取代多模光纖時，僅僅只有幾個模式可以被激發(fā)，因此SMS濾波器的透射譜具有周期性的峰值特性。最近，中科院上海光機所與多倫多瑞爾森大學電子與計算工程系的研究人員聯(lián)合提出了一種SMS濾波器。該濾波器中用到了一根具有梯度折射率的大模場光纖，其臨界波長為1046納米，也就是說在1046納米處，傳輸光對溫度和張力的變化非常敏感。當濾波器收到張力和溫度變化的影響時，位于臨界波長兩邊的干涉條紋將分別出現(xiàn)藍移或紅移。研究人員還基于雙模干涉和它們的傳輸常數(shù)差進行了透射譜仿真。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合地很好。它們指出這種SMS濾波器可作為一個可變的輸出耦合器或者用于光纖傳感。

偏振旋轉(zhuǎn)器是在光通信系統(tǒng)和光子集成回路中非常重要的無源器件，例如偏振差異系統(tǒng)、偏分復用系統(tǒng)、偏振開關(guān)和濾波以及量子信息處理等。實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)的方法有很多種，大致可分為三種類型：第一類方法是模式干涉。在纖芯的橫截面部分光波導須具有很高的雙折射，這可由非對稱橫截面結(jié)構(gòu)和一些特殊材料或混合等離子體來實現(xiàn)。這種類型的波導可支持兩種正交模式，并且這兩種正交模式可有節(jié)奏地進行拍頻，在經(jīng)歷每個拍長后會積累一個π相移。最終兩個正交導波模在每一個拍頻循環(huán)后會互相交換偏振方向。第二類方法是模式演化。該方法通過絕熱波導實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)，例如，緩慢的改變波導的幾何結(jié)構(gòu)。如果波導的結(jié)構(gòu)改變的非常平緩，導引模將沿著波導進行演化。第三類方法是利用定向耦合原理。將兩個波導設(shè)計成特定的尺寸，使得窄波導中偏振模的有效折射率等于寬波導中正交偏振模的有效折射率。滿足這個相位匹配條件之后，兩個波導間的模式就會產(chǎn)生相當強的交叉偏振耦合效應(yīng)。最近，南開大學現(xiàn)代光學研究所光信息科學與技術(shù)教育部重點實驗室的研究人員提出了一種光子晶體光纖偏振旋轉(zhuǎn)器。這種偏振旋轉(zhuǎn)器的實現(xiàn)方法是基于一種新型的機理—利用兩個混合導波模間的模式干涉。研究人員通過在背景格子中引入兩個缺陷和一個輔助的金納米線，然后通過參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。實驗結(jié)果表明該偏振旋轉(zhuǎn)器可在1550納米波段實現(xiàn)100%的偏振轉(zhuǎn)換比，轉(zhuǎn)換帶寬約為100納米，最高可至1627納米，模式插入損耗低至1.2dB?；谌噶坑邢拊ǖ臄?shù)值仿真結(jié)果表明對于TE模和TM模該偏振旋轉(zhuǎn)器具有高達0.92的耦合效率。


3.太赫茲技術(shù)
太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長大概在3mm到30um范圍，介于微波與紅外之間；在有些場合特指0.3—3THz，還有時被賦予一種廣義的定義，其頻率范圍可包含高達100THz的波，這包括整個中、遠紅外波段。由于受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測器的限制，因此這一波段也被稱為THz間隙。隨著新世紀一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快激光技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來了深遠的影響。就目前的太赫茲技術(shù)來講，在太赫茲波的操控方面，如何精準有效地操控和利用太赫茲波，還有大量的問題亟需探索和解決。眾所周知，當一束光在一平面處發(fā)生全反射時，實際的反射光與幾何理論反射光之間存在一個微小的橫移，這種現(xiàn)象被稱做古斯-漢欣位移。在過去的幾十年，古斯?jié)h欣位移現(xiàn)象在眾多的電磁波段已被廣泛的研究，如微波、中紅外以及可見光波段。然而，有關(guān)太赫茲波段的古斯?jié)h欣位移問題研究相對較少。最近，中國計量大學和巴黎電氣工程實驗室的研究人員聯(lián)合提出了一種可操控太赫茲波的新方案。他們認為，通過調(diào)整外部環(huán)境的溫度，可以改變具有溫度靈敏性材料的折射率，因而可實現(xiàn)古斯?jié)h欣位移在一個較大的橫向范圍內(nèi)的動態(tài)調(diào)控。利用這種方案，不需要改變相關(guān)器件的初始結(jié)構(gòu)就可以動態(tài)的控制太赫茲波。他們理論分析了古斯?jié)h欣位移、外部溫度、入射角度和入射頻率間的關(guān)系。并且通過有限元方法數(shù)值驗證和分析了可調(diào)太赫茲波的古斯?jié)h欣位移的相關(guān)特性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在0.857THz無線通信波段，這種具有溫度敏感性的材料構(gòu)成的探測器件具有24.3dB的消光比。

4.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
100Gbps的以太網(wǎng)標準在2010年已經(jīng)建立完成,但是適用于100Gbps以太網(wǎng)
收發(fā)模塊研制才剛起步。此外，10×10G的100Gbps光收發(fā)模塊多源協(xié)議(MSA)是一些業(yè)內(nèi)高速率光網(wǎng)絡(luò)潛在用戶對帶寬要求的產(chǎn)物。目前10X10 MSA已由多家研究機構(gòu)聯(lián)合廠商共同制定并推廣，10X10G多源協(xié)議要求10條速率為10Gbps的電信號通道直接嫁接到10個速率為10Gbps的激光器上。第一個激光器模塊的傳輸需通過單模光纖，且距離至少到2公里甚至跟高的10公里或40公里，該協(xié)議已經(jīng)成功用于現(xiàn)有的100Gbps光通信設(shè)備。具有10個通道的調(diào)制速率為10Gbps的直接調(diào)制分布反饋式激光二極管陣列是適用于此類多源協(xié)議需求的最佳光源之一，其中一個關(guān)鍵要求是每個通道的性能均勻性。例如，通過量子阱結(jié)構(gòu)來構(gòu)建多通道分布反饋式激光二極管陣列時，由于增益譜寬相當窄（大約30納米），均勻的信道功率將受到嚴重的限制。并且當前大多數(shù)對于多波長分布反饋式激光二極管陣列的研究主要聚焦于其在密集波分復用系統(tǒng)中的應(yīng)用。最近，韓國電子與通信技術(shù)研究所光無線融合研究實驗室的研究人員提出了一種混合集成模塊。該集成模塊由一個10X10Gbps的分布反饋式激光二極管陣列和一個平面光陣列波導光柵組合而成。對于激光二極管陣列，他們采用選擇性區(qū)域增長技術(shù)來適當?shù)卣{(diào)控信道增益，而對于陣列波導光柵，他們采用電子束光刻法來精準地控制信道激光波長和光柵相位。為了減小兩者間的耦合損耗，他們引入了2%-Δ結(jié)構(gòu)。此外設(shè)計了錐形和拋物線型波導連接自由傳輸區(qū)域以增加帶通譜寬。這種新型的集成模塊的邊帶抑制比>45dB。在10Gb/s速率下的動態(tài)消光比>4.4dB。傳輸2千米后所有信道的功率損耗均小于1.5dB。
隨著基于因特網(wǎng)服務(wù)的日益增長，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）必須支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在眾多的解決方案中，時分波分混合復用技術(shù)（TWDM）已成為下一代支持超過40Gb/s的無源光網(wǎng)絡(luò)的最主要解決方案。從2012年開始，該技術(shù)已被廣泛的討論和研究，人們發(fā)現(xiàn)TWDM-PON在帶寬、功率預算、保密性和用戶數(shù)等方面具有顯著優(yōu)勢，但是目前限制TWDM-PON的是其組網(wǎng)成本較高。隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，用戶對高帶寬的需求會進一步增加。另一方面，隨著WDM技術(shù)的日益成熟，其其建成本逐漸下降，WDM技術(shù)應(yīng)用于寬帶接入網(wǎng)將成為PON的必然發(fā)展趨勢。TWDM-PON技術(shù)的規(guī)模商用首先需要解決光模塊的互換性，尤其是光網(wǎng)絡(luò)單元側(cè)光模塊。固定波長光源的方案難以應(yīng)用于商用的TWDM-PON中，因此“無色”光源技術(shù)是TWDM-PON系統(tǒng)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。 目前，無色光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）方案包括但不限于以下三種：可調(diào)激光器、注入鎖定FP-LD和波長重用反射式半導體光放大器（RSOA）方式。目前，在TWDM-PON中，通常用直接調(diào)制激光器作為上行無色光源，而將一個反射式半導體光放大器分配在光網(wǎng)絡(luò)單元中以實現(xiàn)下行信號靈敏度的提升。TWDM-PON是邏輯層面點到點，物理層面點到多點的連接，具有對協(xié)議和速率透明的特性，具有良好的可擴展性，因此應(yīng)用也非常靈活。目前，TWDM-PON可應(yīng)用于以下多種場合。最近，北京大學先進光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出了一種對稱型100Gb/s數(shù)據(jù)信號處理增強的時分波分復用無源光網(wǎng)絡(luò)。他們實驗驗證了一個4×25-Gb/s的TWDM-PON系統(tǒng)，4對光信號在光纖中傳輸了26.7千米，其中采用了雙邊帶正交頻分復用調(diào)制（OFDM）技術(shù)。此外，在光網(wǎng)絡(luò)單元中分配一個反射式半導體光放大器來增強下行OFDM信號的接收靈敏度；在上行傳輸中采用雙邊帶單載波頻域均衡調(diào)制技術(shù)來減小光網(wǎng)絡(luò)單元的復雜程度和成本。