光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
    2015年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：脈沖激光器、光纖放大器、無(wú)源光子器件、有源光子器件、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
脈沖激光器
    可飽和吸收器是一種最常見的用于產(chǎn)生脈沖光的元器件，它可以導(dǎo)致激光振蕩腔內(nèi)損耗的調(diào)制，從而產(chǎn)生一個(gè)增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損耗的短窗口以形成脈沖光。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡是一種廣泛應(yīng)用于激光諧振腔的可飽和吸收器，其基本結(jié)構(gòu)就是把反射鏡與半導(dǎo)體可飽和吸收體結(jié)合在一起。底層一般為半導(dǎo)體反射鏡，其上生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體可飽和吸收體薄膜，最上層可能生長(zhǎng)一層反射鏡或直接利用半導(dǎo)體與空氣的界面作為反射鏡，這樣上下兩個(gè)反射鏡就形成了一個(gè)法布里-珀羅腔，通過改變吸收體的厚度以及兩 反射鏡的反射率，可以調(diào)節(jié)吸收體的調(diào)制深度和反射鏡的帶寬。一般來說半導(dǎo)體的吸收有兩個(gè)特征弛豫時(shí)間，帶內(nèi)熱平衡 (intraband thermalization) 弛豫時(shí)間和帶間躍遷(interband transition) 弛豫時(shí)間。帶內(nèi)熱平衡弛豫時(shí)間很短，在100-200 飛秒左右，而帶間躍遷弛豫時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，從幾個(gè)皮秒到幾百皮秒。帶內(nèi)熱平衡弛豫時(shí)間基本上無(wú)法控制，而帶間躍遷弛豫時(shí)間主要取決于半導(dǎo)體生長(zhǎng)時(shí)襯底的溫度，生長(zhǎng)時(shí)的溫度越低，帶間躍遷弛豫時(shí)間越短。在半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模過程中，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的帶間躍遷 (如載流子重組) 提供了鎖模的自啟動(dòng)機(jī)制，而響應(yīng)時(shí)間很短的帶內(nèi)熱平衡可以有效壓縮脈寬、維持鎖模。由于一般的半導(dǎo)體可飽和反射鏡都需要利用分子束外延技術(shù)，并且其運(yùn)行波長(zhǎng)范圍都局限在半導(dǎo)體帶隙內(nèi)，其應(yīng)用范圍較窄。與之相反，基于石墨烯的可飽和吸收器的構(gòu)造就相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低廉，此外其工作波長(zhǎng)范圍也極其寬廣，因而應(yīng)用前景良好。
    最近，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心以及美國(guó)物理與天文學(xué)系的研究人員聯(lián)合提出了一種基于單層石墨烯結(jié)構(gòu)可飽和吸收器的脈沖激光器，他們利用該可飽和吸收器在摻釔磷酸鹽玻璃波導(dǎo)激光器中實(shí)現(xiàn)調(diào)Q過程，此外在摻釔鉺磷酸鹽玻璃波導(dǎo)激光器中實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模過程。對(duì)于工作波長(zhǎng)為1535納米的摻釔鉺激光器，其調(diào)Q脈沖的重復(fù)率可達(dá)到526KHz并且在重復(fù)頻率為6.8GHz處包含了鎖模脈沖。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所測(cè)量到的0.44納米帶寬可允許產(chǎn)生脈寬為6皮秒的脈沖激光，在此條件下的最大平均功率可達(dá)到27mW，斜率效能可達(dá)到5%。而對(duì)于工作波長(zhǎng)為1057納米的摻釔激光器，可得到的調(diào)Q脈沖重復(fù)率達(dá)到833kHz，其最大平均輸出功率為21mW。此外，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵浦功率從220毫瓦增加到652毫瓦時(shí)，脈沖寬度將從292納秒下降到140納秒，單脈沖能量將從17納焦增加到27納焦。
光纖放大器
    相對(duì)于傳統(tǒng)固體激光器，光纖激光器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、光束質(zhì)量高及散熱性好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛研究。雖然目前單模光纖激光器實(shí)現(xiàn)了千瓦量級(jí)的高功率激光輸出, 且具有衍射受限的光束質(zhì)量，然而這種高功率光纖激光器的頻譜線寬在數(shù)納米量級(jí), 對(duì)于上述應(yīng)用需要的窄線寬單頻激光源的應(yīng)用而言顯得太寬了。而單獨(dú)采用光纖激光器雖然目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了線寬在2kH以內(nèi)的單頻激光輸出，但其功率卻在百毫瓦量級(jí),不能滿足高功率的需要。因此，采用主振蕩光纖功率放大(MOPA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄線寬高功率單頻高質(zhì)量激光，是一個(gè)很好的選擇。高功率單頻主振蕩光纖功率放大器采用線寬窄高光束質(zhì)量單頻激光器作為種子源，通過雙包層或特種摻稀土光纖一級(jí)或多極放大,實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量的單頻激光輸出。最近，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員提出了一種高功率單頻摻銩光纖放大器。采用全光纖主振蕩功率放大器結(jié)構(gòu)。采用一個(gè)輸出功率為40毫瓦具有超短腔的單頻光纖激光器作為該主振蕩功率放大器的種子光源，激光器的工作波長(zhǎng)位于1971納米附近。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種放大器的最終輸出功率達(dá)到了310W，斜率效能為0.56，研究人員同時(shí)還觀察到了沒放大的自發(fā)輻射和寄生振蕩輸出。受激布里淵散射閾值無(wú)法達(dá)到，且最終輸出功率僅受限于泵浦功率的大小。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是第一次通過單頻摻銩全光纖主振蕩功率放大器實(shí)現(xiàn)超過300瓦的功率輸出。

無(wú)源光子器件
    空分復(fù)用是指讓同一個(gè)頻段在不同的空間內(nèi)得到重復(fù)利用，在移動(dòng)通信中，其基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分割，在不同的用戶方向上形成不同的波束。如果把空間的分割來區(qū)別不同的用戶，就叫做空分多址技術(shù)(SDMA)。每個(gè)波束可提供一個(gè)無(wú)其他用戶干擾的唯一信道。此外，如果把空間的分割來區(qū)別同一個(gè)用戶的不同數(shù)據(jù)，就叫做MIMO 空分復(fù)用。在未來空分復(fù)用通信系統(tǒng)中，利用少模光纖來傳輸信號(hào)是一個(gè)非常合適的選擇。少模光纖（few-mode fiber，F(xiàn)MF）是一種纖芯面積足夠大、足以利用幾個(gè)獨(dú)立的空間模式傳輸并行數(shù)據(jù)流的光纖。理想情況下，少模光纖的容量與模式的數(shù)量成正比。然而，為了延長(zhǎng)傳輸距離，需要使用少模光纖放大器。不同于那些用于自由空間光通信和高功率激光應(yīng)用中的放大器，少模光纖放大器具有可控的與模式相關(guān)的增益，以確保所有的空分復(fù)用信道均被優(yōu)化。因而，基于少模光纖的通信技術(shù)又被稱為模分復(fù)用技術(shù)。模分復(fù)用技術(shù)利用少模光纖中有限的穩(wěn)定模式作為獨(dú)立信道傳遞信息，可以成倍的提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。是構(gòu)建未來光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在模分復(fù)用系統(tǒng)中，其關(guān)鍵點(diǎn)是將來自單模光纖的模式集中起來，然后獨(dú)立地分配到少模光纖的每個(gè)信道中，因此，模式轉(zhuǎn)換器在此過程中必不可少，模式轉(zhuǎn)換器可將幾個(gè)獨(dú)立地信道轉(zhuǎn)換到少模光纖的各個(gè)模式中。
    最近，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于光子晶體光纖的模式選擇耦合器（也叫模式轉(zhuǎn)換器）。這種錐形的模式選擇轉(zhuǎn)換器是單模光纖錐形耦合器的一種延伸。他們?cè)敿?xì)地描述了三個(gè)典型模式轉(zhuǎn)換器的原理及功能并作了相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)，包括LP01模到LP11a模，LP01模到LP11b模，LP01模到LP21模。他們通過計(jì)算耦合損耗和帶寬寬度來考量該模式轉(zhuǎn)換器的性能。研究結(jié)果表明，他們所提出的模式轉(zhuǎn)換器為寬帶和低損耗無(wú)源器件。不同于通常的模式選擇耦合器需要使兩個(gè)模式間保持相位匹配，這種耦合器的相位匹配條件非常寬松，因此其對(duì)波長(zhǎng)和器件長(zhǎng)度不敏感，其耦合效率與兩個(gè)模式和中心區(qū)域錐形角度的耦合系數(shù)有關(guān)。此外，這些模式轉(zhuǎn)換器對(duì)正交偏振態(tài)不敏感，他們可以通過光子晶體光纖后加工技術(shù)來制備，并且很適合用于未來的模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中。

有源光子器件
    電光調(diào)制器是芯片級(jí)光電集成回路中最基本的有源器件，因?yàn)樗B接了光電兩個(gè)世界并且可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息。調(diào)制器按照其調(diào)制原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等，它們所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Franz-Keldysh效應(yīng)、量子阱Stark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等。其中電光調(diào)制器是通過電壓或電場(chǎng)的變化最終調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在損耗、功耗、速度、集成性等方面都優(yōu)于其他類型的調(diào)制器?，F(xiàn)代光纖系統(tǒng)中主要使用兩類調(diào)制器，一種是依賴于一定平面波導(dǎo)載光方式改變的電光調(diào)制器，另一種是內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于激光器的半導(dǎo)體二極管電吸收調(diào)制器，后者能在透過光和吸收光兩個(gè)狀態(tài)下切換。對(duì)于前一種光調(diào)制器，現(xiàn)在已有各種各樣的基于硅波導(dǎo)的光調(diào)制器，這些光波導(dǎo)調(diào)制器在調(diào)制深度和調(diào)制速度方面有著極其優(yōu)異的光調(diào)制性能， 然而，由于硅的電光系數(shù)非常小，將對(duì)調(diào)制長(zhǎng)度有著更高的要求（器件尺寸增大），例如基于馬赫曽德干涉儀的光調(diào)制器，此外，基于共振結(jié)構(gòu)器件的高Q因子使得他們只能在極窄的光譜寬度內(nèi)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的寬帶化和小型化，熱門提出了基于金屬氧化物半導(dǎo)體的混合等離子體波導(dǎo)的等離子體調(diào)制器。由于等離子體材料的折射率可以電調(diào)諧，因此這種等離子體波導(dǎo)中導(dǎo)波模的吸收系數(shù)可被調(diào)制，從而在輸出端獲得已調(diào)光信號(hào)。等離子體材料的折射率基本上可用電調(diào)控，例如石墨烯、氧化銦、摻鎵氧化鋅以及二氧化釩?；谶@種等離子體材料的光調(diào)制器都有著較高的工作帶寬，然而，其具有非常高的插入損耗，因?yàn)閾p耗性等離子體導(dǎo)波模在這種金屬氧化物等離子體波導(dǎo)中的傳輸是一個(gè)關(guān)鍵問題。最近， 韓國(guó)大田電子通信研究所未來創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于二氧化釩絕緣體-金屬相位轉(zhuǎn)換的緊湊型等離子體光調(diào)制器。該等離子體調(diào)制器可同時(shí)適用于橫電模（TE）和橫磁模（TM）。此外，該調(diào)制器由一根硅波導(dǎo)和一根插入硅波導(dǎo)中的金屬氧化物半導(dǎo)體型Si-SiO2-VO2-Cu混合等離子體波導(dǎo)組成。通過電場(chǎng)改變二氧化釩的相位使得其從絕緣體向金屬導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)變，沿著該器件傳輸?shù)腡E模和TM模將收到抑制，因此可獲得已調(diào)光信號(hào)。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于運(yùn)行波長(zhǎng)在1.55μm的500納米長(zhǎng)的等離子體調(diào)制器，TE模具有3.9dB的開/關(guān)消光比，而TM模具有8.7dB的開/關(guān)消光比。

發(fā)光二極管（英語(yǔ)：Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED） 是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。LED被稱為第四代光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長(zhǎng)、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調(diào)光、光束集中、維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領(lǐng)域。當(dāng)前的商用LED基本上是白光LED光源，實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。市場(chǎng)最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同的熒光粉對(duì)光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。最近，臺(tái)灣逢甲大學(xué)自動(dòng)控制工程系的研究人員提出了一種基于晶體硅和集成紅綠藍(lán)三基色（RGB）傳感器的LED封裝模塊。在這種LED封裝模塊中，利用RGB顏色傳感器可以檢測(cè)白光LED發(fā)光亮度和特定波長(zhǎng)強(qiáng)度的變化，從而可實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)光的色度和色溫。研究人員利用半導(dǎo)體加工技術(shù)制備出了帶有溫度傳感器的載流子基底，此外利用硅刻蝕深加工過程來實(shí)現(xiàn)電分和絕熱。通過集成藍(lán)光LED和硅樹脂磷光劑，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本和微型化的整體封裝模塊。經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)LED的輸入電流為0.2安時(shí)，RGB顏色傳感器的輸出電流分別為0.082、0.086、0.068毫安，計(jì)算得到的色品坐標(biāo)系中的x和y分別為0.35和0.36，與之相對(duì)應(yīng)的色溫為4852K。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與一種商用發(fā)光測(cè)量?jī)x所測(cè)得的結(jié)果相吻合。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    隨著以個(gè)人移動(dòng)和固定寬帶為代表的通信業(yè)務(wù)的不斷普及，互聯(lián)網(wǎng)和大型數(shù)據(jù)中心為代表的IT業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，使得當(dāng)前信息化社會(huì)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求達(dá)到了前所未有的高度。為了解決不斷出現(xiàn)的“帶寬消耗”型業(yè)務(wù)對(duì)光傳送網(wǎng)帶來的巨大壓力，人們通過各種辦法提高現(xiàn)有的光傳輸容量。因此，光纖通信網(wǎng)絡(luò)在面對(duì)如此越來越強(qiáng)的帶寬需求時(shí)，需要不斷地升級(jí)和更新?lián)Q代。高速和大帶寬的需求不僅征對(duì)基于單模光纖的主干網(wǎng)，而且還征對(duì)基于塑料光纖或基于可見光通信技術(shù)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，基于單模光纖的主干網(wǎng)絡(luò)為廣大用戶提供了高性能的通信網(wǎng)服務(wù)，然而，而突出的矛盾體現(xiàn)在接入網(wǎng)方面，即用戶與核心網(wǎng)絡(luò)的連接部分。理論上，全光纖接入網(wǎng)絡(luò)將是比較完美的解決方案。然而，全光纖接入實(shí)現(xiàn)上對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的要求過高，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能實(shí)現(xiàn)。為了克服以上困難，必須發(fā)展新型的內(nèi)部接入網(wǎng)。梯度折射率塑料光纖的發(fā)展應(yīng)用和可見光通信技術(shù)被認(rèn)為是解決最后一公里問題的備選方案。雖然石英光纖廣泛用于遠(yuǎn)距離干線通信，然而在內(nèi)網(wǎng)中應(yīng)用梯度折射率塑料光纖和可見光通信技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。具有梯度折射率的塑料光纖有著優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、耐用性和占用空間小的特點(diǎn)，具有大纖芯直徑和小彎曲半徑，質(zhì)輕、柔軟，更耐破壞（振動(dòng)和彎曲）。因而塑料光纖能夠很方便的實(shí)現(xiàn)光纖到戶，其相關(guān)的連接器件和安裝的總成本比較低，在光纖到戶、光纖到桌面整體方案中，塑料光纖是石英光纖的補(bǔ)充，可共同構(gòu)筑一個(gè)全光網(wǎng)絡(luò)。最近，臺(tái)灣國(guó)立嘉義大學(xué)電子與電氣工程系的研究人員提出了一種混合型有線電視/16-QAM正交頻分復(fù)用室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)。他們通過實(shí)驗(yàn)成功演示了該混合型室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)的性能，通信信號(hào)成功通過了40千米單模光纖傳輸長(zhǎng)度，1.43千米光子晶體光纖傳輸長(zhǎng)度，30米的梯度折射率塑料光纖及5米可見光通信傳輸長(zhǎng)度。該室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有很高的信噪比，其中16-QAM-OFDM信號(hào)的的傳輸速率為10Gbps/5GHz，傳輸帶寬達(dá)到2.5GHz，信號(hào)的最低頻率達(dá)到3.75GHz，而有線電視信號(hào)的最高載頻達(dá)到550MHz，遠(yuǎn)低于3.75GHz。此外，該綜合通信網(wǎng)絡(luò)還具有很低的誤碼率，其誤碼率低于10-6，當(dāng)誤碼率達(dá)到10-6時(shí)，功率損耗達(dá)到2.8dB。研究人員指出，這種基于塑料光纖的綜合型室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可提供很好的寬帶集成服務(wù)，包括有線電視，互聯(lián)網(wǎng)以及通信等。