7/11/2014，2014年6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、傳感器、微波光子學、光網絡及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
作者：邵宇豐 方安樂  

1.光纖激光器
        最近，全光纖穩(wěn)態(tài)多波長和雙波長激光器由于可廣泛應用于光傳感和通信、雙波長干涉測量、光譜分析、雷達吸收、光數據處理和光學儀器測試，已引起越來越多研究人員的關注。此外，摻鉺光纖放大器也已被廣泛研究并拓展至諸多商業(yè)應用，摻鉺光纖放大器在通信波段具有低成本、高飽和功率、低偏振依賴增益以及低信噪比等優(yōu)點。然而，由于在室溫下具有相當寬的均勻線寬(約為10nm)，基于多波長激光器的摻鉺光纖放大器常常伴隨非常強的模式競爭。目前為止，大多數多波長激光器都是通過腔內濾波結合各種不同的技術來實現(xiàn)的，其中包括使用混合增益介質或高非線性介質，在激光腔中插入頻移器和相位調制器，以及采用非線性偏振旋轉技術。為了達到多波長輸出的目的，腔內多波長透射濾波必不可少。例如采用光纖內馬赫增的干涉儀，薩尼亞克環(huán)形鏡，雙折射濾波器，啁啾光纖布拉格光柵，以及大角度傾斜光纖光柵等方法。利奧濾波器是種基于偏振器和波片交錯序列組合的偏振干涉濾波器，可以從中產生梳狀透射譜。單級利奧濾波器的帶寬和自由光譜范圍并不能通過改變腔長來調節(jié)，這是因為無論是帶寬還是自由光譜范圍均與光纖的長度成反比，而且利奧濾波器的帶寬僅是自由光譜范圍的一半。幸運的是，多級的利奧濾波器可以分別控制帶寬和自由光譜范圍。對于這種多級濾波器而言，具有同相的波長具有最大的透射率，而其它異相的波長將被抑制。多級利奧濾波器的帶寬和自由光譜范圍將分別取決于最長腔和最短腔的長度。最近，英國阿斯頓大學光電技術學院的研究人員提出了一種可切換的雙波長光纖環(huán)形激光器，該激光器是基于腔內三級全光纖利奧濾波器實現(xiàn)的，其具有高度的偏振輸出。實驗中采用的利奧濾波器由四個互相連接的具有45度傾斜角的光纖光柵構成，其中光纖光柵由不同長度的保偏光纖隔開，其長度比為1:2:4。該激光器可實現(xiàn)可切換的雙波長或單波長輸出，其輸出波長為1533.5nm和1563.3nm。由于多級利奧濾波器具有的同步選模功能，其輸出的激光相當穩(wěn)定，并且具有超過99.9的高偏振度。

                 圖一基于腔內三級全光纖利奧濾波器的雙波長光纖環(huán)形激光器實驗裝置圖

      近年來，雙波長單縱模光纖激光器已被廣泛的研究，這種激光器在微波產生領域具有非常豐富的應用，包括寬帶無線接入網、軟件定義無線電、波分復用技術和光傳感系統(tǒng)。為了保證穩(wěn)態(tài)的雙波長單縱模輸出，需要克服強均勻線寬展寬和交叉增益飽和導致的不穩(wěn)定雙波長震蕩。北京交通大學光波技術學院全光網絡和先進電磁兼容通信網絡重點實驗室的研究人員提出了一種單偏振雙波長單縱模摻鉺光纖環(huán)形激光器。這種激光器是基于具有超窄透射譜的保偏啁啾光纖布拉格光柵濾波器來實現(xiàn)單縱模雙波長輸出的，這種環(huán)形激光器的輸出光非常穩(wěn)定，其中利用20cm長的摻鉺光纖作為可飽和吸收器。同時，實驗測出了這種穩(wěn)定的雙波長激光器的波長間隔為0.41nm，并且其單偏振態(tài)也相當穩(wěn)定。實驗測得的每個輸出波長的線寬小于8kHz。

2.傳感器
        一般來說，對于易燃氣體的測量需要極其安全的測量方案。人們在測量的過程中需要遵守嚴格的操作規(guī)程，對于測量的儀器的選擇也至關重要，以盡量規(guī)避額外的爆炸風險。由于目前市面上大多數氣體傳感器都與電有關或將產生電火花，因而這些對于易燃氣體的測量要求已成為一道技術難題。以甲烷測量為例，相應的測量儀器有電甲烷傳感器包括催化燃燒傳感器、半導體傳感器等等類型。盡管它們已被廣泛的研究和長期的生產制造，它們依然具有某些先天性的安全劣勢。與電學傳感器不同的是，光學傳感器在易燃氣體測量方面具有無法比擬的安全優(yōu)勢。目前在市場上占據主導地位的主要為基于激光吸收光譜學的各項技術，在某些特殊傳感探測情形例如非常小型空間、煤礦井下彎曲隧道或遙感探測等，探測光也需要被彎曲引領到傳感位置，傳感器的體積要求也必須微型化，這些情況下基于激光光譜學技術的各種光學傳感器將不再適用。因而需要采用光纖傳感器來應對這些特殊情形的傳感測量。事實上，當前的光纖氣體傳感器很少，而用于甲烷測量的光纖氣體傳感器更是未見報道，這是由于光纖內的光很難與光纖外部的氣體發(fā)生相互作用。最近，中國華南師范大學和浙江大學光學工程系的研究人員提出了一種可用于甲烷探測的主動光纖氣體傳感器。該傳感器采用了摻鈷單模光纖。這種光纖可被加熱光源加熱到幾百攝氏度，并且在光纖內刻有光纖布拉格光柵作為溫度計。該光纖布拉格光柵的布拉格波長對光纖周圍氣體的熱導率相當敏感，因而可被用于監(jiān)測我們預先指定的特定氣體的濃度。他們提出的這種光纖傳感器可作為在一些特殊的應用場景用于探測爆炸和腐蝕性氣體的理想的傳感器，例如天然氣管道、煤礦井以及流量計等等。在實驗中他們利用這種傳感器測量了甲烷的濃度范圍從0到4.8%(5%為甲烷的爆炸極限)。該傳感器的結構如圖二所示。

                   圖二基于激光加熱光纖布拉格光柵的全光甲烷濃度光纖傳感器實驗裝置圖

        核磁共振成像也稱磁共振成像，是利用核磁共振原理，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，據此可以繪制成物體內部的結構圖像，其在物理、化學、醫(yī)療、石油化工、考古等領域都有著廣泛的應用。核磁共振系統(tǒng)中需要用到很多類型的傳感器，例如溫度、位置、報警、射梯度等等。核磁共振技術能在不傷害細胞的前提下，直接研究溶液和活細胞中相對分子質量較小的蛋白質、核酸以及其他分子的結構，其優(yōu)勢之處在于以非入侵方式探測液體和固體的微觀構造和相互作用，但以往核磁共振技術有一個很大的缺陷，其內在的靈敏性較差，使其不適合探測非常小的樣本。先前的報道中，美國的研究人員提出了一種微型核磁共振傳感器可對微小的樣本做出反應，極大的提高了核磁共振的探測靈敏度。最近，法國里昂大學和薩瓦大學微博表征實驗室的研究人員提出了一種基于梳狀Ti:LiNbO3波導結合特定的核磁共振圈用于低侵入磁場測量的傳感器模型。該器件可使得在被測磁場和探測激光束的偏振調制間可進行被動的光電轉換。由于集成光路的采用，核磁共振線圈的電動勢將誘導出一個增強的電場，這將大大地提高核磁共振靈敏度。該實驗證實在共振頻率為128MHz下，可檢測的最小磁場將低于60fT•Hz-1/2，靈敏度的動態(tài)范圍超過10dB。

3.微波光子學
        利用光學方法產生微波信號作為下一代高速接入網的一項關鍵技術引起人們的廣泛關注。微波信號源的性能是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素，因此獲得性能穩(wěn)定、低相位噪聲、可調諧的微波信號對系統(tǒng)的成功應用具有重要意義。傳統(tǒng)的電子微波信號發(fā)生器在高頻信號的產生方面成本較高，體積龐大，重量大，相位噪聲也很大。而利用光學方法來產生微波信號則有很多的優(yōu)點，例如超高的帶寬、體積小、低投射損耗和對電磁干擾具有免疫能力。隨著人們對通信帶寬要求的增加，通信頻段逐漸向高頻發(fā)展，當頻率大于26GHz后，利用傳統(tǒng)的電子技術的微波信號發(fā)生器的造價就會變得非常昂貴，并且采用同軸電纜來傳輸這種高頻信號會產生高昂的費用，難以商業(yè)化。利用光學方法產生高頻微波信號可以有效的克服電子微波信號發(fā)生器的不足，因而具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谶^去數十年中，人們發(fā)展出了多種產生微波信號的方法，例如光注入鎖定，光相位鎖定環(huán)，光電振蕩器和外部調制法。在這些方法中，基于馬赫增的調制器的外部調制法在高頻微波產生方面具有最大的應用前景，這是因為其具有很高的頻率倍增因子、較低的相位噪聲和較高的頻率可調性。光學倍頻和四倍頻可用單個調制器來實現(xiàn)，而產生較高倍增因子的微波信號則需要更多的調制器。例如六倍頻的光學產生方法則需要用到強度調制器和相位調制器的組合系列。最近，西安電子科技大學集成服務網絡國家重點實驗室的研究人員提出了一種利用光學六倍頻產生微波信號新方案。該方法是基于級聯(lián)強度調制器和一個雙重平行的馬赫增的調制器來實現(xiàn)的，方案中并未采用光學或電子濾波器。在實驗中，低頻局震蕩信號一分為二，其中一道信號在最小透射點驅動強度調制器，而另一道信號則驅動馬赫增德干涉儀的上臂，其中將產生三階邊帶，而其他邊帶將被抑制。實驗測得的電子寄生抑制率為20dB。他們通過相位噪聲測量技術證實了該微波產生信號的相位噪聲在光學系統(tǒng)中并沒有發(fā)生增大的情形。他們提出的這種新型方案對調制指數并沒有嚴格的需求，此外，所產生的微波信號具有非常高的純度和頻率可調諧性。該方案的實驗裝置圖如圖三所示。

                 圖三基于級聯(lián)強度調制器和雙平行馬赫增的干涉儀的六倍頻微波信號產生方案

        光生微波及毫米波技術在光載無線通信系統(tǒng)中也是一項關鍵技術。目前的光生毫米波方案主要有雙邊帶調制、單邊帶調制以及抑制載波雙邊帶調制。在雙邊帶調制技術中通常采用波分復用技術來匯聚基帶和雙邊帶信號，以提高頻譜效率。單邊帶調制通常具有較好的接收機靈敏度，然而為了達到更高的性能要求，通常需要采用注入鎖定分布反饋激光器來優(yōu)化載波邊帶比，使其達到0dB�；蛘卟捎霉饫w布拉格光柵來移除一部分載波功率，然而這將使整個系統(tǒng)變得更加復雜化。相比而言，抑制載波雙邊帶調制具有更好的接收機靈敏度，最高的頻譜效率、以及在整個傳輸距離上最小的功率損耗。此外，在先前的研究報道中，對于抑制載波雙邊帶調制方案，研究人員利用光電二極管探測時發(fā)現(xiàn)可同時產生基帶和射頻信號，并且通過標準的單模光纖傳輸時基帶和邊帶的功率損耗均可低于0.3dB。然而，這種方案卻很少被用于波分復用無源光網絡中的廣播發(fā)射。最近，中國臺灣國立臺北大學電子電氣工程系的研究人員提出了一種新型的利用抑制載波雙邊帶調制技術的廣播傳輸方案。在該項方案中，廣播數據和單播數據可同時利用單一波長的抑制載波雙邊帶調制和光學載波來發(fā)送，它們的偏振態(tài)分別是正交的。此外，在光線路終端廣播數據和單播數據的抑制載波調制和載波都將分別用到一個反射半導體光放大器，并且光網絡單元中將不依靠任何偏振追蹤來探測。這些廣播數據將可同時應用于無線和鋼纜服務。該實驗發(fā)現(xiàn)當廣播數據和單播數據通過25km的單模光纖傳輸時，其在比特誤碼率為 下的功率損耗將低于1dB，數據傳輸在單波長通道中具有足夠的獨立性。

4.光網絡及子系統(tǒng)
        當前，為了滿足住宅用戶對寬帶互聯(lián)網的自已增長的帶寬需求，包含銅線電纜的最后一公里接入網逐漸被光纖網所代替�，F(xiàn)有的研究表明，無源光網絡架構被認為是最節(jié)省成本和節(jié)能的網絡架構解決方案。為了保證整個網絡無差錯運行，無源光網絡監(jiān)控是網絡運營者的一項重要任務。在網絡發(fā)生差錯時，必須要保證一個及時的修復以降低網絡故障時間。利用光時域反射計（OTDR）是一個有效且便宜的故障檢測途徑。光時域反射計根據光的后向散射與菲涅耳反向原理制作，利用光在光纖中傳播時產生的后向散射光來獲取衰減的信息，可用于測量光纖衰減、接頭損耗、光纖故障點定位以及了解光纖沿長度的損耗分布情況等，是光纜施工、維護及監(jiān)測中必不可少的工具。在時分復用無源光網絡中，無源光分束器被用來將信號從饋線分配到各個用戶。引入光纖的識別將導致對某個故障的反射相當困難。在波分復用無源光網絡中，通常采用一個陣列波導光柵，它使得經過的信號與他們的波長相對應，因而光纖引入線中的故障可自動定位。利用合適的波導陣列光柵，可用來自鄰近的自由光譜范圍的波段來監(jiān)控故障，這樣可以不妨礙數據的傳輸。利用 型光時域反射計來監(jiān)控故障將意味著對不同波段的連續(xù)測量，這將根據待測的波段數來增加測量時間。而故障檢測時間的延長將與快速故障定位和低故障期相矛盾，因而減小故障檢測時間顯得非常重要。最近，德國多特蒙德大學的科研人員提出了一種新型的基于光時域反射計的光網絡故障測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的 型光時域反射計相比，該系統(tǒng)在時分復用和波分復用無源光網絡中的故障檢測時間將大大減少。它可以利用單個接收器光電二極管同時測量多個波段。它的工作原理類似于代碼分隔多路通信系統(tǒng)。此外，測量時間的減少不僅來自于對多個波段的同時測量，還得益于減少光時域反射平均時間的編碼增益。研究人員通過相關的測量實驗證實了該系統(tǒng)的測量速度將比傳統(tǒng)的 型光時域反射計系統(tǒng)快15倍。該新型的光是域反射系統(tǒng)如圖四所示。


        最近幾年，在全光信號處理中，光學相敏放大器常被用來結合高階調制格式如正交相移鍵控和正交振幅調制(QAM)以提高頻譜效率，這導致了各種不同的正交相移鍵控的相位再生方案，如8-QAM和16-QAM信號。來自丹麥技術大學光電工程洗和日本東京理工大學的研究人員最近提出了調制格式和波長轉換方案。他們發(fā)現(xiàn)周期性極化的鈮酸鋰波導中的相敏級聯(lián)二次諧波產生和差頻產生可將一個光場的兩個正交分量轉換到不同的波段上，這樣將可同時實現(xiàn)從正交相移鍵控到二進制相移鍵控的調制格式和波長轉換過程。對于兩種正交都可獲得20dB以上的靜態(tài)相敏消光比。該實驗裝置如圖五所示。

                            圖五動態(tài)相敏波長和調制格式轉換實驗裝置圖