光纖在線特邀編輯：
邵宇豐 方安樂 
    2014年7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、微波光子學(xué)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.光纖激光器
    最近數(shù)十年，隨機(jī)激光器由于在光學(xué)傳感、激光成像、光譜學(xué)和醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值而被廣泛的研究。隨機(jī)激光器是一種非傳統(tǒng)的激光器。它的反饋機(jī)制是以隨機(jī)散射為基礎(chǔ)的。這一點與傳統(tǒng)激光器借助反射鏡反射的反饋機(jī)制是完全不同的。這種獨特的反饋機(jī)制對于那些在工作譜區(qū)上缺少有效反射元件的激光器，如UV激光器、X射線激光器的制造是非常有用的。有別于傳統(tǒng)的激光諧振腔，隨機(jī)激光器通過在增益介質(zhì)中引入多重散射來獲得具有角度依賴性的光譜和非常高的閾值功率。此外，隨機(jī)激光器低廉的制造成本、特殊的工作波長、微小的尺寸、靈活的形狀和友好的襯底兼容性使得它們有可能在許多方面獲得應(yīng)用�，F(xiàn)在通常利用光纖這種應(yīng)用廣泛的光波導(dǎo)來提高隨機(jī)激光器的性能。例如，先前報道的基于來自銳利散射的隨機(jī)分布反饋式隨機(jī)光纖激光器，其利用傳統(tǒng)光纖中的分布拉曼增益來獲取放大的功率輸出。此外，還有利用銳利散射作為隨機(jī)分布反饋和利用受激布里淵散射作為增益的相干布里淵隨機(jī)激光器。到目前為止，大多數(shù)隨機(jī)激光器都采用光學(xué)泵浦。某些應(yīng)用，如平板顯示、汽車、飛機(jī)座艙中的顯示要求能實現(xiàn)電子泵浦。最近，有人報道了在稀土金屬摻雜的介電納米磷光粉等材料上實現(xiàn)了電子學(xué)泵浦的連續(xù)激光輸出。隨機(jī)激光器對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也是非常有益的。例如，把光學(xué)增益添加到一個隨機(jī)介質(zhì)，為光波的輸運和局域化提供了一個新的研究途徑。最近，來自中國計量大學(xué)的光電科技學(xué)院的研究人員報道了一種基于混合布里淵摻鉺光纖增益的級聯(lián)隨機(jī)光纖激光器。該激光器具有一個半開放的諧振腔，同樣利用銳利散射作為隨機(jī)分布反饋。他們在實驗中產(chǎn)生了四個級聯(lián)的頻率間隔為11GHz的受激布里淵斯托克斯譜。實驗測得第一個和第四個斯托克斯譜線的峰值功率差為2.808dB。輸出的斯托克斯線的數(shù)量可由980nm的泵浦光控制。利用半開放的光諧振腔可以避免技術(shù)和偶數(shù)斯托克斯線的峰值功率差。最佳的布里淵泵浦功率可降低到1-2mW，由于摻鉺光纖的引入，該激光器的多波長輸出譜呈扁平狀。

    多波長光纖激光器由于可用于光通信系統(tǒng)和光纖傳感器而備受關(guān)注。作為多波長光纖激光器中的關(guān)鍵器件，梳狀濾波器可用于確定激光譜線的信道間隔。因此，提高梳狀濾波器的性能也成為當(dāng)前對于多波長光纖激光器研究的熱點之一。到目前為止，已有好幾種可用于實現(xiàn)梳狀濾波的方法，例如利用馬赫增的干涉儀，薩尼亞克環(huán)，光纖光柵，利奧濾波器等等。以上幾種梳狀濾波器都是基于傳統(tǒng)的光纖來構(gòu)造的，這意味著其體積并不如何緊湊。然而由于在一些關(guān)于多波長激光器的應(yīng)用中，小型化設(shè)計的腔內(nèi)梳狀濾波功能將變得非常重要。從某種意義上講，超細(xì)纖維被認(rèn)為是可用于構(gòu)造多功能光子器件的最卓越的材料。特別地是，在一些新興的領(lǐng)域例如微型激光器的構(gòu)造、光纖傳感等領(lǐng)域，基于微纖的諧振腔技術(shù)發(fā)展的相當(dāng)迅速。微纖諧振腔具有易于構(gòu)造、結(jié)構(gòu)緊湊以及集成簡單等優(yōu)點，這使得其在光子器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常大。眾所周知，微纖諧振腔的形狀可以是環(huán)形，也可做成結(jié)狀。相較于環(huán)形微纖諧振腔，結(jié)狀微纖諧振腔更加穩(wěn)定，因為它與范德瓦爾斯力和靜電力無關(guān)。迄今為止，盡管微纖結(jié)狀諧振腔已被報道用于光纖傳感和光通信系統(tǒng)中，其在激光器中的應(yīng)用還尚未見報道。這種結(jié)狀微纖諧振腔也具有梳妝濾波功能，這使得其可用于多波長光纖激光器的構(gòu)造。最近，華南師范大學(xué)信息與光電工程科學(xué)學(xué)院的研究人員實驗驗證了一種基于結(jié)狀微纖諧振腔的穩(wěn)態(tài)多波長摻鉺光纖激光器。其中結(jié)狀微纖諧振腔的引入就是為了實現(xiàn)梳狀濾波功能。他們在實驗中通過適當(dāng)?shù)氐男�轉(zhuǎn)偏振控制器，在3dB的帶寬內(nèi)得到了高達(dá)11道激光譜線，其信道間隔為0.184nm。此外，利用腔內(nèi)雙折射效應(yīng)和具有偏振依賴的隔離器的濾波效應(yīng)，該激光器的輸出譜可靈活調(diào)控。該實驗首次驗證了結(jié)狀微纖諧振腔可作為高性能的梳狀濾波器用于實現(xiàn)小型化的多波長光纖激光器。

2.無源光子器件
    光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制器是集成光學(xué)中的重要器件，廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光學(xué)邏輯回路以及高速數(shù)模轉(zhuǎn)換等方面。調(diào)制機(jī)理主要是基于光波導(dǎo)的電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)。其中電光效應(yīng)的調(diào)制速度快，缺點是在調(diào)制過程中會帶來能量的衰減，而且由大電流引起的發(fā)熱會降低調(diào)制效率。薄膜電光調(diào)制器由于可被非常高效地整合到集成光子回路中，因而在近十年來發(fā)展迅速，這些電光調(diào)制器主要依靠波克爾斯效應(yīng)來誘導(dǎo)折射率的變化。當(dāng)前為了貫徹低損耗和器件小型化的設(shè)計理念，因而通常采用具有強(qiáng)電光系數(shù)的材料來制備。這類材料通常包含非常經(jīng)典的鐵電材料，其電光系數(shù)比那些非鐵電材料要大一個數(shù)量級。鐵電材料具有非常寬的透射窗口，覆蓋了整個可見光波段以及部分紫外光波段。此外，他們還具有良好的熱學(xué)和機(jī)械力學(xué)的穩(wěn)定性。當(dāng)前已有用于此類光電器件設(shè)計的鐵電材料主要為鈦酸鋇，例如將氮化硅帶狀波導(dǎo)沉積在鈦酸鋇薄膜頂部可實現(xiàn)集成光子回路上高速電光調(diào)制器的構(gòu)造。最近，美國耶魯大學(xué)電氣工程系的研究人員提出了一種新型的小型電光調(diào)制器的設(shè)計思想，這種電光調(diào)制器主要是采用鈦酸鋇作為電光活性材料，并將其制成水平溝脊?fàn)畈▽?dǎo)用于實現(xiàn)電光調(diào)制。由于該調(diào)制器可將傳輸?shù)碾姶艌黾�中到鈦酸鋇薄膜層，因而具有很低的半波電壓長度，這樣將可實現(xiàn)調(diào)制電場和傳輸模之間的高度重疊。此外，他們還指出這種基于鈦酸鋇的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有非常低的傳輸損耗，并且利用傳統(tǒng)的硅加工技術(shù)也很容易制備。

    利用熱光效應(yīng)的調(diào)制器調(diào)制速度相比電光調(diào)制較慢，其構(gòu)造材料主要為具有熱光系數(shù)大、熱傳導(dǎo)率高的材料。SOI 光波導(dǎo)具有良好的光學(xué)性能，同時又與傳統(tǒng)的硅加工工藝兼容，近些年在光電子器件方面得到廣泛的應(yīng)用，但其導(dǎo)波層硅屬于中心對稱浸提，直接電光效應(yīng)很弱，只能通過等離子色散效應(yīng)和熱光效應(yīng)來進(jìn)行折射率調(diào)制。由于等離子色散效應(yīng)中注入的高濃度載流子會產(chǎn)生載流子吸收，進(jìn)而影響調(diào)制器的性能，而且大的電流密度也會帶來大的功耗。因此，基于SOI的熱光調(diào)制器具有很好的應(yīng)用前景。目前已有報道的基于SOI的熱光調(diào)制器結(jié)構(gòu)主要有干涉儀型，如多模干涉馬赫-增德熱光調(diào)制器。最近，英國南安普頓光電研究中心的研究人員實驗報道了一種基于SOI材料的熱光調(diào)制器，該調(diào)制器的工作波段為位于中紅外波段的3.8μm。該器件的構(gòu)造主要為非對稱的馬赫增德干涉儀，并在其中一臂上放置一個鋁制加熱器。實驗中所用的SOI肋狀波導(dǎo)的硅層厚度為400nm。它們分別研究了傳統(tǒng)的直臂結(jié)構(gòu)和螺旋臂結(jié)構(gòu)的干涉儀所構(gòu)成的調(diào)制器的性能差異。實驗結(jié)果表明直臂結(jié)構(gòu)的干涉儀具有更高的調(diào)制深度，達(dá)到了30.5dB，而螺旋臂結(jié)構(gòu)的干涉儀具有更低的切換功率，可低至47mW。此外，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬與干涉儀的幾何形狀無關(guān)。
3.微波光子學(xué)
    近年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。超寬帶脈沖信號具有低功率譜密度，高帶寬等優(yōu)點，并且與其他無線系統(tǒng)可很好地兼容。發(fā)射超寬帶信號最常用和傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時域上脈寬很短的脈沖，信息數(shù)據(jù)的調(diào)制方式有很多種，最常用的兩種分別為脈沖位置調(diào)制和脈沖幅度調(diào)制。當(dāng)前，超寬帶脈沖信號無線通信技術(shù)已擴(kuò)展到它所能覆蓋的范圍。與此同時，超寬帶脈沖信號的光學(xué)產(chǎn)生方法已被證實可減少射頻組件的復(fù)雜度，并且可以克服電子器件速度瓶頸。 全光產(chǎn)生超寬帶脈沖有很多種方法，包括相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換法，半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制或交叉相位調(diào)制法等等。對于超寬帶脈沖無線通信技術(shù)的實際應(yīng)用來說，人們最希望的就是能同時在光學(xué)范疇內(nèi)實現(xiàn)信號的產(chǎn)生和調(diào)制。目前的方法大多數(shù)只能產(chǎn)生一種調(diào)制格式的超寬帶脈沖。最近，上海交通大學(xué)電氣工程系先進(jìn)光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出了一種新型利用雙驅(qū)動馬赫增德調(diào)制產(chǎn)生3-D超寬帶信號的方案。該方案所產(chǎn)生的超寬帶信號具有3個自由度，分別是脈沖位置、脈沖相位和脈沖振幅。實驗中每個馬赫增德調(diào)制器的端口都被兩個具有不同振幅的編碼信號所調(diào)制。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整編碼信號的振幅和兩個射頻端口的偏壓，產(chǎn)生了5Gb/s中心頻率為3,5GHz的超寬帶脈沖信號，其部分帶寬為10dB。值得一提的是，該方案簡單可行，只用到了一個雙驅(qū)馬赫增德調(diào)制器。

    此外，來自武漢華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院光電國家實驗室的研究人員也提出了一種簡單且新穎的產(chǎn)生可重構(gòu)的超寬帶脈沖信 號的光學(xué)方法。在他們多提出的方案中，僅僅用到了一個電光相位調(diào)制器，一個光程序化濾波器和三個激光探頭。從相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換法被用來獲得基本的具有反極性的單環(huán)脈沖。研究人員利用單模光纖作為色散介質(zhì)使得這些單環(huán)脈沖產(chǎn)生色散延時。通過切換不同的激光探頭，可以很容易地在光電探測器的輸出端獲得單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)脈沖。該方案還可用于產(chǎn)生高階的超寬帶脈沖信號以及同于超寬帶無線通信的不同調(diào)制格式的脈沖信號。
4.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    可見光通信技術(shù)主要是利用白光LED照明燈來實現(xiàn)無線傳輸?shù)�，與目前使用的無線局域網(wǎng)（無線LAN）相比，“可見光通信”系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。此外，以有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)、有機(jī)光伏器件(OPV)和有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OTFT) 為代表的有機(jī)光電功能材料和器件在新型平板顯示、固體照明、柔性顯示、高密度信息傳輸與存儲、新能源和光化學(xué)利用等領(lǐng)域顯現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注。然而，盡管可見光通信技術(shù)和有機(jī)光電器件這兩個研究領(lǐng)域都是當(dāng)前的研究熱點，但是還未見有將有機(jī)光電器件應(yīng)用于可見光通信鏈路中的實驗報道。這主要歸結(jié)于兩個原因：第一，當(dāng)前市場上缺少相應(yīng)的有機(jī)光電器件，僅有商用有機(jī)電致發(fā)光二極管，而并沒有有機(jī)光電探測器可售，除非專門定制。其次，基于有機(jī)光電器件的可見光通信技術(shù)也是最近才被研究人員重視，當(dāng)前所報道研究成果主要集中在發(fā)射器和接收器兩方面。因而評估這種基于有機(jī)材料的光發(fā)射器和接收器在可見光通信鏈路中的性能表現(xiàn)顯得很有必要。最近，英國諾森比亞大學(xué)環(huán)境工程系光通信研究小組的研究人員實驗報道了一種基于有機(jī)光電器件的1-Mb/s可見光通信系統(tǒng)。該實驗是世界上首個全部采用有機(jī)光電器件的自由空間光通信實驗。由于具有較低的電荷傳輸特性，有機(jī)光電器件在幾百個KHz范圍內(nèi)具有很高的頻帶限制(該實驗中達(dá)到135kHz)。必須采用一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡器來消除碼間串?dāng)_效應(yīng)。在沒有人工網(wǎng)絡(luò)均衡器的情形下，實驗測得的通信數(shù)據(jù)速率為350kb/s，而在施加均衡器的情形下，傳輸塑料廠可達(dá)到1.15Mb/s。

    在無源光網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)線路故障的即時監(jiān)控和修復(fù)一直是網(wǎng)絡(luò)安全運行的重中之重。目前最主要的方法就是采用光時域反射計來集中和自動的對網(wǎng)絡(luò)的故障進(jìn)行監(jiān)控和修復(fù)。無論是在時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)還是波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中，都將受到來自全光分配網(wǎng)分路的銳利反向散射光的碼間串?dāng)_，這將使得對網(wǎng)路中的故障定位變得非常棘手。對于波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控來說，由于采用陣列波導(dǎo)光柵取代了被動分離器，光時域反射計的寬帶脈沖將被分配到不同的多路復(fù)用信道中并且獲取不同的強(qiáng)度，因而其故障定位問題將比時分復(fù)用情形更加復(fù)雜。如果采用一個可調(diào)諧的光時域反射計，其波長選擇性將自動的解決故障識別問題。然而，可調(diào)諧的光時域反射計目前在還沒出現(xiàn)在商業(yè)市場上，并且寬帶光時域反射計的光譜功率密度太低以至于不能在單個WDM信道中提供一個合適的動態(tài)范圍。最近，巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)光通信研究中心的研究人員提出了一種基于可調(diào)諧光時域反射計的無源光網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控方法。該故障定位原理為單光子探測法。該實驗中所運行的網(wǎng)絡(luò)為基于32個信道的周期性陣列波導(dǎo)光柵的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)。其中采用L波段作為監(jiān)控波段。在實驗中他們評估了下行的銳利散射和拉曼散射對暗計數(shù)噪聲的貢獻(xiàn)并且進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。研究結(jié)果表明上行功率將對本底噪聲產(chǎn)生最大的貢獻(xiàn)，它是制約上行傳輸速率的關(guān)鍵因素。在整個包含上行和下行功率的網(wǎng)路監(jiān)控實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)該方案可達(dá)到32dB的動態(tài)范圍等級，空間分辨率可達(dá)到5m。