光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂 
    10/13/2014，2014年9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、光纖傳感與測(cè)量技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
 1.光纖激光器
    近些年，脈沖光纖激光器在激光器領(lǐng)域一直受到研究人員的重視，尤其是皮秒和亞納秒級(jí)別的脈沖光纖激光器，這是由于其在許多領(lǐng)域有著極其廣泛和獨(dú)特的應(yīng)用，例如濾波，頻率轉(zhuǎn)換以及超連續(xù)譜產(chǎn)生等。并且這些應(yīng)用對(duì)脈沖光纖激光器的特征參數(shù)和功能要求卻有很大不同，如脈沖間隔、脈寬以及重復(fù)率等參數(shù)。此外，在很大的時(shí)域范圍內(nèi)可調(diào)諧的全光纖型脈沖激光器的功能性和應(yīng)用性要比那些參數(shù)固定的激光器豐富得多。對(duì)于不同應(yīng)用中的對(duì)脈寬和重復(fù)率的不同需求，時(shí)域可調(diào)諧型脈沖光纖激光器具有很強(qiáng)的靈活度，它的存在大大減少了整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜程度。目前，通過引入合適的電脈沖產(chǎn)生器，然后利用激光二極管直接電流調(diào)制技術(shù)和連續(xù)波脈沖激光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)都可實(shí)現(xiàn)從皮秒到亞納秒范圍內(nèi)的時(shí)域可調(diào)諧脈沖光纖激光器。當(dāng)前，由時(shí)域可調(diào)脈沖激光種子源和稀土摻雜光纖放大器組成的光纖主震蕩功率放大系統(tǒng)已取得重大進(jìn)展并且應(yīng)用在很多領(lǐng)域。相比其它種子光源，鎖模光纖激光更具有出眾的優(yōu)點(diǎn)，尤其是它具有很低的信噪比和較高的輸出功率。然而具有時(shí)域可調(diào)功能的鎖模光纖激光器在這兩個(gè)方面的表現(xiàn)并不出色。最近，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員報(bào)道了一種基于摻釔光纖的全光纖脈沖激光器，這種激光器的脈寬和重復(fù)率都可在很大的范圍內(nèi)被動(dòng)可調(diào)，其鎖模原理為基于高速腔內(nèi)強(qiáng)度調(diào)制器的主動(dòng)鎖模。該激光器可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的皮秒脈沖串，并且脈寬的可調(diào)諧范圍為從31皮秒到910皮秒，重復(fù)率的可調(diào)諧范圍為從13.12MHz到6.2GHz（從基態(tài)到475階諧波），該調(diào)諧過程并不改變激光諧振腔的結(jié)構(gòu)。該激光腔的超模抑制比為45dB，其在6.2GHz重復(fù)率下的信噪比要優(yōu)于48dB。這是迄今為止在全正常色散摻釔光纖激光器中所能實(shí)現(xiàn)的最高階諧波鎖模（475階），并且具有迄今為止所報(bào)道過的最大的脈寬和重復(fù)率調(diào)諧范圍。

    空分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方法是利用多芯光纖或者多模光纖在空間上的自由度來復(fù)用多路信道，目的在于解決目前單模光纖的容量瓶頸。利用多模光纖實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用又被稱為模分復(fù)用。當(dāng)前，工作于不同橫模上的光纖激光器一直被人們寄望于應(yīng)用在模分復(fù)用系統(tǒng)中，然而目前對(duì)于這種類型的激光器的研究非常少。利用單波長(zhǎng)連續(xù)波激光器可產(chǎn)生圓柱形的矢量光束已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這種激光器依靠少模光纖布拉格光柵和腔內(nèi)的偏移拼接來產(chǎn)生快速偏振和方位偏振模。此外，利用少模或多模光纖布拉格光柵可在多模激光器和波長(zhǎng)開關(guān)激光器中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇功能，目前已有研究人員報(bào)道了可用線性摻釔光纖諧振腔和少模光纖布拉格光柵協(xié)同一個(gè)可調(diào)濾波器來實(shí)現(xiàn)模式選擇和波長(zhǎng)選擇的同步性。在此基礎(chǔ)上，香港城市大學(xué)電子工程系的研究人員提出了一種被動(dòng)鎖模光纖激光器，該激光器包含一個(gè)雙模光纖布拉格光柵因而可實(shí)現(xiàn)橫模的選擇。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過控制諧振腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，該激光器可在LP01模、LP11�；蛘邇烧呋旌系哪Ｊ缴蠈�(shí)現(xiàn)連續(xù)波輸出，這些模式與光纖布拉格光柵中的不同的反射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)激光器處于鎖模狀態(tài)下，它可在LP01模和LP11模式下輸出重復(fù)率為6.58MHz的皮秒脈沖，其輸出脈沖的信噪比高于56dB。此外，研究人員還證實(shí)了在足夠高的泵浦功率下，該激光器可以產(chǎn)生不規(guī)則的多重脈沖串和諧波鎖模脈沖，這種類型的光纖激光器可應(yīng)用于光纖無線通信的模分復(fù)用系統(tǒng)中。
    單壁碳納米管作為一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復(fù)合材料、平板顯示、真空電子器材、生物探測(cè)器、抗電磁干擾材料等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。最近，人們發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的光學(xué)吸收特性會(huì)隨著入射光的強(qiáng)度和能量的衰減而變化。這種非線性光學(xué)特性使得單壁碳納米管在超快光子學(xué)方面有著潛在的應(yīng)用。尤其對(duì)于被動(dòng)鎖模激光器來說，單壁碳納米管由于具有很寬的吸收帶寬和超快的恢復(fù)時(shí)間（~1皮秒），它可在激光器中作為非常好的可飽和吸收材料。目前已有科研人員將它用于光纖激光器中。當(dāng)前將單壁碳納米管飽和吸收器集成于光纖激光器諧振腔內(nèi)的方法主要包括三明治結(jié)構(gòu)、消逝場(chǎng)互作用法以及液態(tài)法。相比其它方法，液態(tài)飽和吸收器由于具有高熱損耗的優(yōu)點(diǎn)因而具備較高的損傷閾值。最近，北京科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院信息光子技術(shù)研究所的研究人員報(bào)道了一種基于重水中單壁碳納米管作為可飽和吸收器的鎖模光纖激光器。他們發(fā)現(xiàn)這種基于碳納米管的液態(tài)飽和吸收器具有非常高的透光度、熱損耗和損傷閾值。研究人員在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得該激光器的輸出脈沖脈寬為306飛秒，最大平均輸出功率為20毫瓦，中心波長(zhǎng)為1560納米，輸出譜寬為15.2納米。

2.無源光子器件
    光纖調(diào)制器因其低損耗、寬調(diào)制帶寬的優(yōu)點(diǎn)而成為光通信系統(tǒng)中非常重要的元器件之一。然而，對(duì)于大多數(shù)光纖調(diào)制器來說，將一個(gè)外部的電光器件引入光纖通信鏈路，不但增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且將導(dǎo)致不必要的插入損耗。此外，由外部調(diào)制引起的逆向散射還將對(duì)激光源造成一定的損傷。對(duì)于以上這種缺陷，目前有許多克服的方法，例如在光學(xué)路徑上插入一個(gè)吸收器或者反射性材料如吸收性液晶、鐵電晶體或磁性流體，但這些方法都在系統(tǒng)構(gòu)建上存在一定的困難；另外還有某些光纖調(diào)制器依賴于對(duì)光學(xué)路徑物理破壞的修正例如對(duì)纖芯的直接加熱以及采用薩尼亞克環(huán)結(jié)構(gòu)等，這些方法的缺陷是不易操控和調(diào)制效率低下。導(dǎo)致其調(diào)制效率低下的原因主要有兩個(gè)：其一是因?yàn)樵谕獠科骷�和纖芯之間存在大面積的包覆層，這將導(dǎo)致光學(xué)調(diào)制的難度增大；另一方面是因?yàn)閷?duì)于硅材料，光與物質(zhì)的相互作用相當(dāng)弱（硅材料中有效折射率的變化僅僅只有10-4量級(jí)），因而其很難被集成到光學(xué)回路中。所以往往需要很長(zhǎng)的光纖長(zhǎng)度（米量級(jí)）才能實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能，這使得其很難符合集成光子回路的微型化需求。因此，為了增大調(diào)制效率，必須增強(qiáng)光纖纖芯區(qū)域的光與物質(zhì)的相互作用。近年來，一種新型的二維材料石墨烯引起了研究人員的廣泛關(guān)注，石墨烯在電學(xué)、機(jī)械以及光學(xué)特性方面具有很多其他材料無法比擬的獨(dú)特性質(zhì)。其面內(nèi)介電常數(shù)可利用化學(xué)勢(shì)來主動(dòng)調(diào)節(jié)，這使得其在主動(dòng)調(diào)控光學(xué)器件方面有著潛在的應(yīng)用。此外，石墨烯已被人們用于光學(xué)調(diào)制器，包括吸收調(diào)制器、馬赫增德調(diào)制器等。最近，浙江大學(xué)信息科學(xué)與電子工程系的研究人員提出了一種基于石墨烯的光學(xué)調(diào)制器。該調(diào)制器可被集成到通信光纖中。研究人員將石墨烯直接固定在光纖的纖芯處以保證耦合效率。他們將光纖進(jìn)行精細(xì)地外圓加工以增強(qiáng)光與石墨烯的相互作用。在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，他們采用二維模型分析法和三維時(shí)域有限差分法嚴(yán)密地分析了基于二維各向異性石墨烯模型的光學(xué)調(diào)制機(jī)理。數(shù)值結(jié)果表明，基于這種石墨烯模型單臂長(zhǎng)度為12微米的相位調(diào)制器可增大光調(diào)制效率。此外，研究人員還首次在理論上發(fā)現(xiàn)了相位改變與石墨烯的化學(xué)勢(shì)之間存在一種準(zhǔn)線性關(guān)系。，該結(jié)果為光學(xué)相位調(diào)制的操控提供了一個(gè)較大的線性動(dòng)態(tài)區(qū)間。

    在非線性光學(xué)領(lǐng)域，強(qiáng)光一直被廣泛的應(yīng)用于各種光路，例如作為實(shí)現(xiàn)光功率放大的主動(dòng)介質(zhì)泵浦，相干受激輻射，單光子源的量子點(diǎn)泵浦，各種非線性光學(xué)過程如四波混頻、微型或納米諧振腔的泵浦源等等。與此同時(shí)，對(duì)于經(jīng)典信號(hào)和量子信息處理領(lǐng)域，光子集成回路中的信號(hào)通常由弱光或者單光子進(jìn)行編碼處理。因此，那些從強(qiáng)泵浦光中分離出的雜散光將在信息處理過程中導(dǎo)致誤碼以及較高的噪聲背景。也就是說，在集成光子回路中需要一個(gè)光學(xué)“垃圾倉(cāng)庫(kù)”，這個(gè)倉(cāng)庫(kù)的可以無反射地完美吸收那些強(qiáng)泵浦光。在過去的數(shù)十年中，研究人員提出了各種類型的由等離子體納米諧振腔陣列構(gòu)成的空間二維或三維吸收器。令人意外的是，可與電介質(zhì)波導(dǎo)兼容的集成型吸收器反而被人們忽略了。其實(shí)我們可以借鑒空間吸收器的想法來將精密的耦合諧振腔引入集成光子回路，用于無完美吸收那些入射的強(qiáng)光。然而這種基于諧振腔的吸收器存在幾個(gè)局限性：第一，諧振腔必須在臨界耦合條件下工作，這將導(dǎo)致對(duì)腔體幾何參數(shù)的高度依賴性；第二，它的吸收譜的輪廓為洛倫茲形，也就意味著很窄的帶吸收帶寬；第三，諧振腔的共振波長(zhǎng)對(duì)溫度敏感，這將導(dǎo)致吸收譜會(huì)隨著溫度的變化而偏移，導(dǎo)致吸收帶寬的不穩(wěn)定；第四，腔的共振特性與其有限的響應(yīng)速度相對(duì)應(yīng)，這也意味著在腔內(nèi)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)建立之前激光脈沖并不能被吸收。此外，由于光子回路中的共振是偏振相關(guān)的，因而兩個(gè)正交的偏振分量并不能同時(shí)被吸收。最近，中國(guó)科技大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種可應(yīng)用于光子集成回路的寬帶等離子體吸收器。眾所周知，表面等離子體偏振損耗是基于等離子體信息傳輸?shù)囊粋�(gè)致命缺陷。然而他們提出利用這個(gè)缺陷可構(gòu)建一個(gè)等離子體吸收器用于吸收光子集成回路中的強(qiáng)雜散光。受益于絕熱模式演化，這種吸收器的性能對(duì)帶寬大于300nm的入射光波長(zhǎng)并不敏感，并且能很好地適應(yīng)周圍的環(huán)境和溫度。此外，金屬材質(zhì)使得其體積非常緊湊并且熱耗散性能良好。研究結(jié)果表明，對(duì)于40μm長(zhǎng)的等離子體吸收器，其在1550nm波段的吸收效率超過99.8%，反射率和透射率都小于0.1%。研究人員指出這種吸收器將在光子集成回路中有著潛在的應(yīng)用，它將可以消除光子集成回路中的殘余泵浦光和雜散光。
 
3.光纖傳感與測(cè)量技術(shù)
    光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再過利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：它的電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。最近，成都電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種可同時(shí)測(cè)量高溫和張力的光纖傳感器。這種光纖傳感器由一個(gè)微型法布里波羅腔和一個(gè)短光纖布拉格光柵重疊組合而成，它的溫度測(cè)量極限為300攝氏度。研究人員利用157nm的激光源采用顯微機(jī)械加工技術(shù)在摻雜二氧化鍺的光子靈敏光纖中構(gòu)建了一個(gè)微型法布里波羅腔，并且采用248nm的激光源在光纖中與微腔相同的位置構(gòu)建了短光纖布拉格光柵。由于法布里波羅腔和光纖布拉格光柵具有不同的溫度和張力靈敏系數(shù)，因而可以實(shí)現(xiàn)溫度與張力兩個(gè)參數(shù)的同步測(cè)量。
 
4.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    相比其他長(zhǎng)途通信光纜線路系統(tǒng)，無中繼傳輸系統(tǒng)主要瞄準(zhǔn)于長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸，長(zhǎng)距離無中繼傳輸系統(tǒng)可將遠(yuǎn)程泵浦激光器與信號(hào)光的發(fā)送端或接收端設(shè)備放置在一起，增益介質(zhì)放置在光纖線路當(dāng)中，整個(gè)光傳輸線路部分沒有任何有源設(shè)備，從而減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)維成本，具有傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開通迅速，維護(hù)方便，成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)跨距無中繼全光傳輸技術(shù)的適用范圍十分廣闊，該技術(shù)可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：一，島嶼與島嶼、島嶼與大陸間長(zhǎng)距離大容量通信；二，海底光纜通信系統(tǒng)應(yīng)急搶通和替代升級(jí)；三，還與光纜工程規(guī)劃建設(shè)；四，沙漠、高山、峽谷、戈壁等跨無人區(qū)長(zhǎng)距離光纜工程建設(shè)。最近，美國(guó)薩摩薩特OFS實(shí)驗(yàn)室的研究人員實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳輸距離達(dá)402千米，傳輸速率達(dá)到6.3Tb/s（63×128Gb/s）的無中繼光纖傳輸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中他們?cè)诎l(fā)射端采用了高功率包層泵浦L波段摻鉺光纖放大器，在接收端放置一個(gè)遠(yuǎn)程泵浦光放大器，聯(lián)合超大面積光纖、低損耗和零水峰損耗光纖構(gòu)成了整個(gè)無中繼傳輸系統(tǒng)。此外研究人員還給出了實(shí)驗(yàn)中所采用的摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì)思路和特性分析，探討了遠(yuǎn)程泵浦光放大器的系統(tǒng)性能優(yōu)化，以及在大容量長(zhǎng)距離無中繼傳輸系統(tǒng)中拉曼效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

    當(dāng)前，隨著數(shù)據(jù)客戶的數(shù)量急速增長(zhǎng)，電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的需求一直以螺旋式向上提升。為了匹配高速光纖通信系統(tǒng)的容量，建立每秒數(shù)千兆比特的無線系統(tǒng)迫在眉睫。最近，復(fù)旦大學(xué)電磁信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一個(gè)可運(yùn)行于W波段并無縫集成的光纖-無線-光纖通信系統(tǒng)，其技術(shù)支撐為光生毫米波技術(shù)及解調(diào)技術(shù)。在該系統(tǒng)中傳輸速率達(dá)到109.6-Gb/s的偏振復(fù)用正交相移鍵控信號(hào)可在SMF-28型單模光纖中傳輸80千米。該光纖-無線-光纖集成系統(tǒng)具有可比擬光纖-光通信系統(tǒng)的容量，很適合應(yīng)用于應(yīng)急通訊。