2/12/2014，2014年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體有機(jī)激光器和放大器、光傳輸和光波導(dǎo)、無源器件和有源器件、頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)、測量技術(shù)、傳感器、光電探測和光電接收技術(shù)、微波光子技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)，筆者將逐一評析。
作者：邵宇豐 方安樂
1. 半導(dǎo)體有機(jī)激光器和放大器
    釹離子（Nd3+）摻雜無序石榴石晶體由于具有良好的機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)特性已經(jīng)引起了研究人員的大量關(guān)注，而且該晶體具有非均勻擴(kuò)展吸收和發(fā)射光譜帶，其有利于實(shí)現(xiàn)超短鎖模脈沖。其中，Nd:Gd3Ga5O15（Nd：GGG）被證明是一種很好的可以操控激光的介質(zhì)，尤其是在高功率激光應(yīng)用方面。作為Nd：GGG晶體的衍生物，Nd:LuxGd3-xGa5O12(Nd：LGGG)已經(jīng)可以用單晶體拉法來實(shí)現(xiàn)生長，它的晶體機(jī)構(gòu)復(fù)雜而無序，與此同時(shí)，它的非均勻擴(kuò)展光譜更寬些。Nd：LGGG晶體通常有兩種摻雜方式，一種是摻雜0.96%的釹離子，另一種是摻雜0.66%的镥離子（Lu3+），較低的摻雜濃度可以更好的實(shí)現(xiàn)晶體的生長并且提高激光器的性能。眾所周知，雙波長同步鎖模激光器一直被期望用于產(chǎn)生太赫茲輻射，除了鈦寶石雙波長同步鎖模激光器外，一些基于激光二極管泵浦的固態(tài)激光器也已被廣泛的研究。中國山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員們提出了一種基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）的釹石榴石雙波長連續(xù)波鎖模激光器。其最大連續(xù)波鎖模輸出功率為475兆瓦，光-光轉(zhuǎn)換效率為4.75%，鎖模激光輸出的中心波長為1060.9nm和1062.7nm，脈寬為6.3皮秒。他們在實(shí)驗(yàn)中觀察到了時(shí)域?qū)挾葹?ps的自相關(guān)軌跡的干涉圖樣。并且在試驗(yàn)中產(chǎn)生了激光頻拍，其時(shí)域?qū)挾葘��?yīng)的兩波長間的頻率差為0.48THz。這種雙波長連續(xù)波鎖模脈沖可以應(yīng)用于基于差頻方法的太赫茲波的產(chǎn)生。

    眾所周知，稀土摻雜玻璃光纖激光器一直是纖維光學(xué)、光通信以及激光技術(shù)的研究重點(diǎn)，迄今為止，稀土摻雜光纖激光器已可實(shí)現(xiàn)單縱模連續(xù)波、高速超短脈沖、多波長和大功率等運(yùn)轉(zhuǎn)方式，但是光纖激光器的穩(wěn)定性問題依然是一個(gè)急需解決的難點(diǎn)問題�，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，造成激光器不穩(wěn)定的主要原因來源于環(huán)境聲波噪音的影響。降低或者抑制這種不利影響的有效方案是減小激光器腔長的同時(shí)提高摻雜光纖的摻雜濃度。然而提高摻雜濃度將會(huì)引起一系列諸如濃度淬滅等材料問題。如今只有摻鐿光纖可以獲得高摻雜濃度，然而高摻雜濃度的摻鐿光纖存在著激發(fā)態(tài)壽命淬滅，導(dǎo)致強(qiáng)烈的非飽和吸收，從而影響激光器件的效率；此外，在許多稀土摻雜玻璃中，如摻銩、摻鐠、摻銪等，還存在著受激光輻射的永久性退化，即所謂的光子暗化（Photo-darkening），而且摻雜光纖的基質(zhì)為玻璃液可能存在類似的光子暗化效應(yīng)。最近，人們開始重視在高濃度摻鐿光纖中調(diào)查這一效應(yīng)。英國的斯旺西大學(xué)的研究人員研究了摻鐿光纖激光器中405nm的激光輻射對光子暗化效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)在976nm和405nm的激光輻射下可以同時(shí)產(chǎn)生光子暗化效應(yīng)和光漂白效應(yīng)，這是在1070nm的激光器中得到的。此外，他們還實(shí)驗(yàn)觀察到405nm輻射致光漂白并不能完全恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，活性離子將導(dǎo)致對405nm輻射的強(qiáng)吸收，這成為限制漂白性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。他們還第一次觀察到了在已輻射的原始光纖中基態(tài)吸收會(huì)引起光子暗化效應(yīng)，該效應(yīng)將在激光系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的剩余損耗。

   量子點(diǎn)激光器是對注入載流子具有三維量子限制結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。與量子阱和量子線激光器相比，量子點(diǎn)激光器在輸出光譜純度、閾值電流、溫度特性和調(diào)制性能等方面均可獲得較大幅度的提高。今年來量子點(diǎn)激光器更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其低閾值電流密度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)吸引了越來越多的實(shí)驗(yàn)室和科研單位進(jìn)入該領(lǐng)域。量子點(diǎn)激光器的迅猛發(fā)展已經(jīng)向傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但其性能與理論預(yù)測相比仍有較大差距。德國卡塞爾大學(xué)納米結(jié)構(gòu)和分析研究所的學(xué)者與以色列理工大學(xué)電子工程系的研究人員合作提出了一種基于砷化銦/磷化銦的量子點(diǎn)激光器，其輸出波長為1.55微米，他們研究了這種激光器的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。他們利用一個(gè)獨(dú)特的空間解決模型來優(yōu)化增益部分從而可以實(shí)現(xiàn)激光器的高速運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)測得的調(diào)制性能對結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性（勢壘寬度和量子點(diǎn)層數(shù)）與理論模型預(yù)測一致。短腔激光器具有10cm-1每量子點(diǎn)層的模式增益，他可以實(shí)現(xiàn)超過9GHz的信號(hào)調(diào)制寬度，信號(hào)調(diào)制速率可以達(dá)到22Gb/s，開關(guān)比為3dB。圖1.3為這種量子點(diǎn)激光器的結(jié)構(gòu)和材料成分。

    波長掃描激光器具有性價(jià)比高、使用簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是一款廣泛應(yīng)用于科研、傳感、光學(xué)測試和成像等領(lǐng)域的可調(diào)諧光纖激光器。傳統(tǒng)的波長掃描激光器是由寬帶增益介質(zhì)和一個(gè)光學(xué)濾波器構(gòu)成，其掃描機(jī)制主要由濾波器的機(jī)械調(diào)諧特性決定，例如光纖法布里-波羅可調(diào)濾波器（FFP-TF）和多邊形掃描鏡濾波器。此外，雙波長激光器最近也被廣泛地應(yīng)用于差異吸收光探測和測距（LIDAR） 、微波產(chǎn)生和光譜雙頻段光學(xué)相干斷層掃描（OCT）成像。研究人員設(shè)計(jì)出了各種各樣的雙波長激光器，但是大多數(shù)方案都是由兩個(gè)增益區(qū)域和一個(gè)波長選擇濾波器構(gòu)成。例如，對于雙頻帶波長掃描頻域鎖模光纖激光器而言，法布里-泊羅可調(diào)濾波器被置于腔內(nèi)用于掃描每一個(gè)波段。韓國國立釜山大學(xué)認(rèn)知科學(xué)工程系的研究人員提出了一種基于主動(dòng)鎖模的雙頻帶波長同步掃描光纖激光器。在沒有采用機(jī)械波長選擇濾波器的前提下，研究人員通過輸入單個(gè)的調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙波長同步掃描。激光腔具有雙重的通路長度結(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立控制兩個(gè)自由光譜區(qū)。研究人員分別在時(shí)域和頻域觀測了該激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。該激光器可以實(shí)現(xiàn)在1310nm波段從1263.0到1333.3的雙波長同步掃描，還可以實(shí)現(xiàn)1550nm波段從1493到1563.3的雙波長同步掃描。這種激光器可用于雙頻段相干光斷層攝影成像系統(tǒng)。

2. 光傳輸和光波導(dǎo)
    近年來，可以衍射極限范圍內(nèi)連續(xù)波輸出的摻鐿光纖激光器（YDF）和放大器已被大量的研究并成績顯著。相應(yīng)地，可以輸出高質(zhì)量光束的高功率光纖激光器也被廣泛應(yīng)用于工程中的標(biāo)記、切割和焊接。然而，大量的非線性效應(yīng)，如拉曼散射和布里淵散射以及激光材料的損傷閾值都限制了高功率單模光纖放大器的輸出功率和光束質(zhì)量。抑制和消除上述有害效應(yīng)的一種比較有效的方法就是采用大模場光纖，即增大摻雜光纖的模面積。獲得大模場光纖通常有兩種方法：一種是對于單模光纖，可以減小纖芯和包層的折射率差值；二是還可以采用多模光纖。然而，大模場光纖會(huì)不可避免的產(chǎn)生高階模，從而影響輸出光束的質(zhì)量，光纖纖芯的折射率分布也同樣影響著輸出光束的質(zhì)量。除了光纖本身的因素對光束質(zhì)量的限制外，還有一些其他的影響光束質(zhì)量的因素，例如，放大器中種子模在不同時(shí)刻與受激發(fā)模的相對位置，另外還有在實(shí)驗(yàn)中的不同的模式選擇方法如光纖彎曲或者摻雜限制，都會(huì)對大模場造成附加損耗和增益抑制，從而影響輸出光束的質(zhì)量。此外，最近的實(shí)驗(yàn)研究觀察到了大模場光纖放大器中一種模式不穩(wěn)定性的現(xiàn)象，這涉及到在強(qiáng)功率閾值上有一個(gè)光束質(zhì)量的猝發(fā)退化。中國國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程的研究人員們實(shí)驗(yàn)觀察了在輸出功率為2.04kW的近單模光纖放大器中的光束質(zhì)量演化。他們首次發(fā)現(xiàn)了由大模場階躍折射率光纖構(gòu)成的多千瓦級(jí)光纖激光器中光束質(zhì)量演化與信號(hào)輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。此外，光束質(zhì)量和模場的演化證明，由于增益介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)的不同，高功率光纖激光器相對其他固體激光器有著更好的熱學(xué)和光學(xué)性能。

3. 無源器件 
    近十年來，由于在光通信、信息處理以及傳感器等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，光的耦合以及如何將入射光分離成兩束正交的線性偏振波已經(jīng)引起研究人員的廣發(fā)關(guān)注并逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。為了更進(jìn)一步有效提高在光子集成回路上承載的復(fù)雜信號(hào)處理任務(wù)的能力，無源光器件在芯片尺度上的集成勢在必行，由于這種集成需要緊密的平板結(jié)構(gòu)，這激起了研發(fā)人員設(shè)計(jì)有效的偏振光束分離器的熱情。通常來說，模式化的金屬薄膜可以構(gòu)成一個(gè)控制光的傳播的平臺(tái)，光束在其中以表面等離激元的形式（SPPs）傳播，這樣便能夠使得超緊密相連的器件能進(jìn)行雙向的表面波耦合，等離子二色分離，等離子光輻射以及單向的發(fā)射和耦合。然而由于表面等離激元是TM偏振極化的，因而在大多數(shù)等離子體器件中僅支持然入射光中的TM偏振成分進(jìn)行耦合。從這個(gè)意義上來說，對于非偏振入射光，其TE偏振成分的透射被抑制從而使得部分光能量被浪費(fèi)了。然而在有些應(yīng)用中卻需要精準(zhǔn)操控光的兩個(gè)偏振成分例如偏振通透濾波器和偏振獨(dú)立增強(qiáng)光的透射。最近，北京大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于級(jí)聯(lián)光柵的金屬-電介質(zhì)-空氣結(jié)構(gòu)的緊密型雙向偏振分離器。這種偏振分離器能同時(shí)支持TE模和TM模的傳播并且具有高偏振消光比和較低的串?dāng)_，它可以使照明光耦合并且分離成沿左行進(jìn)的TE光子模和沿右邊行進(jìn)的TM等離子模。

    近年來，超常材料引起了國內(nèi)外大量研究人員的廣泛關(guān)注和深入研究。超常材料(metamaterials)指的是一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出自然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，超常材料所展現(xiàn)出的新奇的電磁特性主要源自它們的亞波長結(jié)構(gòu)，而不是材料的本征屬性，人們可以通過改變其微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式等來調(diào)控它對電磁波的響應(yīng)強(qiáng)度和頻譜范圍。超常材料最初在微波段實(shí)現(xiàn),得益于納米制造技術(shù)和亞波長成像技術(shù)的發(fā)展,最近，實(shí)驗(yàn)上證實(shí)可以在紅外和光學(xué)波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。超常材料的應(yīng)用研究在新型的無線通信、光通信、雷達(dá)、超分辨率成像、電磁隱身技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。在大多數(shù)應(yīng)用中，超常材料的吸收損耗（即介電常數(shù)的虛部）通常會(huì)降低它的性能，因而在超材料設(shè)計(jì)中，介電常數(shù)的虛部通常都被最小化以降低損耗。然而吸收損耗也可以變得很有用途，增強(qiáng)材料的吸收損耗特性可以用于構(gòu)造一個(gè)吸收性能卓越的吸波材料。最早提出的超常材料吸波器的吸收率可以達(dá)到88%，它由嵌入介電層的金屬棒和開口環(huán)諧振腔周期性的排列組成。此后，基于超常材料的吸波器件被廣泛研究，其吸波范圍覆蓋微波到可見光頻段。盡管這些吸波器具有很高的吸波率，但是他們的吸波范圍太窄，基本上屬于單頻帶或雙頻帶的吸收。來自中國湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種非常規(guī)的基于多層相同尺寸方形盤結(jié)構(gòu)的超常材料太赫茲波吸收器，該器件吸波率超過99%，吸收范圍達(dá)到300GHz，工作中心波長為1.96THz。該器件的半高寬度（FWHM）可以達(dá)到42%，為單層結(jié)構(gòu)的2.6倍，并且適用于非常大范圍的入射角。該寬帶吸收器的吸收機(jī)制歸因于各層結(jié)構(gòu)之間的縱向耦合。這項(xiàng)研究成果可應(yīng)用于太陽能電池，光學(xué)探測及成像系統(tǒng)。

4. 有源器件
    光電振蕩器（OEO）被認(rèn)為是一種非常有前景的能夠產(chǎn)生高光譜純度和低相位噪聲的毫米波信號(hào)的方法。一般來說，光電震蕩器包含了激光光源，強(qiáng)度調(diào)制器，長光纖延遲線，光電探測器，電放大器，電相移器，電子帶通濾波器以及其他的一些光電器件。光電振蕩器中的這些離散的光電器件不僅體積龐大、笨重，而且會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的能量損耗，很難滿足未來的一些對此需求嚴(yán)格的通信手段諸如雷達(dá)、航海和衛(wèi)星系統(tǒng)。因此，如何減小光電探測器的尺寸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。通常采用的方法是用高Q值的光諧振器來取代長光纖延遲線，另一種方法是用直接調(diào)制激光器來取代激光源和強(qiáng)度調(diào)制器，但這兩種方法都有各自的缺陷和不足。南京大學(xué)雷達(dá)成像及微波光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的的研究人員提出了一種新的減小光電振蕩器尺寸的方法，他們用電吸收調(diào)制激光器（EML）來代替激光源、調(diào)制器和光探測器，因?yàn)殡娢�收調(diào)制器可以同時(shí)扮演光探測和強(qiáng)度調(diào)制的角色。他們實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了相位噪聲為-101.31dBc/Hz,偏移量為10kHz的9.945GHz毫米波。

5. 頻率轉(zhuǎn)換 
    近年來，光纖無線通信技術(shù)（ROF）在無線通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，引起了大量研究人員的廣泛關(guān)注。作為光通信和無線通信技術(shù)的結(jié)合，ROF系統(tǒng)在光纖中實(shí)現(xiàn)了射頻微波的低損耗、低信道串?dāng)_的寬帶傳輸，在超寬帶無線移動(dòng)通信、相控雷達(dá)、微波毫米波傳感、微波毫米波信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。作為一種重要的、應(yīng)用于未來寬帶無線接入的技術(shù)，ROF系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)-頻率上轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)便成了ROF系統(tǒng)中的關(guān)鍵，由于電毫米波器件的復(fù)雜性，利用全光方法來實(shí)現(xiàn)頻率上變換越來越引起了各國研究人員的重視。此外。為了充分體現(xiàn)ROF系統(tǒng)的寬帶寬和高的頻譜利用率，ROF系統(tǒng)與城域WDM環(huán)形網(wǎng)、星狀WDM/SCM波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的融合也越來越重要。過去的幾年，已經(jīng)提出了很多利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)頻率上變換，同時(shí)對變換后的信號(hào)在光纖中的傳輸特性也進(jìn)行了廣泛研究。這些技術(shù)包括利用強(qiáng)度調(diào)制器、光鎖相技術(shù)、遠(yuǎn)程上變換技術(shù)、各種波長變換技術(shù)等。此外，還有基于電吸收調(diào)制器的全光頻率上變換，基于半導(dǎo)體光放大器的全光頻率上變換，基于高非線性光纖的全光頻率上變換。中國清華大學(xué)電子工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新的對ROF信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程頻率上變換的方法。他們用基帶數(shù)據(jù)調(diào)制啁啾光脈沖來替代傳統(tǒng)的發(fā)射端的ROF信號(hào)，當(dāng)信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖色散效應(yīng)的影響，光信號(hào)演化成超短脈沖。實(shí)驗(yàn)中利用帶通濾波器將目標(biāo)信號(hào)光譜轉(zhuǎn)換成高階諧波，然后通過選出目標(biāo)信號(hào)頻譜在遠(yuǎn)端天線單元處實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換。因此，通過移除中心局處的混頻器和高頻局域振蕩器，簡化了ROF系統(tǒng)和天線單元。研究人員利用這種方法，在缺少光同軸、預(yù)放大、色散補(bǔ)償和光學(xué)濾波的條件下，當(dāng)信號(hào)在45千米光纖和7米空氣中傳輸之后，實(shí)現(xiàn)了2-Gbit/s數(shù)據(jù)上轉(zhuǎn)換到16GHz，誤碼率低于10-9，頻譜效率為1-bits/Hz。

6. 測量技術(shù)
    高速光電二極管是微波光子鏈路的關(guān)鍵元件，其中光電二極管的頻率響應(yīng)是決定微波光子鏈路特性的最重要的因素之一，尤其是對于在大帶寬內(nèi)有高增益平坦度需求的微波光子鏈路。光電二極管在用于微波光子鏈路之前，其頻率響應(yīng)必須得到精確地校準(zhǔn)。十多年來，研究人員為了測量光電二極管的頻率響應(yīng)提出了各種各樣的技術(shù)，包括脈沖光譜分析，光外差法，光強(qiáng)噪聲技術(shù)以及外加調(diào)制搖頻法。其中，脈沖響應(yīng)分析法師一種需要短脈沖激光器和 高采樣率示波器的時(shí)域分析方法。由于光電二極管的有限的飽和度，其限制了信號(hào)電平，而且這種寬帶時(shí)域法會(huì)帶來很高的噪聲電平，從而使得信噪比非常的低。光外差法是用2個(gè)窄線寬激光源照射光電二極管得到微波輸出，通過調(diào)節(jié)其中一個(gè)光源的波長可以實(shí)現(xiàn)輸出端微波的頻率掃描。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要提前校準(zhǔn)外部調(diào)制器的頻率響應(yīng)，但是它需要較高的光功率穩(wěn)定性和極好的溫度控制。光強(qiáng)噪聲法可以在光電二極管上激發(fā)寬帶放大自發(fā)輻射，最近，一個(gè)修正的光強(qiáng)噪聲法利用法布里波羅濾波器降低噪聲帶寬并得到了一個(gè)17dB的動(dòng)力學(xué)范圍提升，但是其動(dòng)力學(xué)范圍仍然遠(yuǎn)低于掃頻法。掃頻法很容易用于構(gòu)造微波光子鏈路和產(chǎn)生微波信號(hào)，并且能測量馬赫增德干涉儀和光電二極管。光電二極管的頻率響應(yīng)可從微波光子鏈路的頻率響應(yīng)獲得，而且可事先知道馬赫增德干涉儀半波電壓的頻率特性。然而馬赫增德干涉儀的半波電壓校準(zhǔn)需要一個(gè)精確的偏離控制回路，不精確的偏離控制將導(dǎo)致校準(zhǔn)錯(cuò)誤，使得對光電二極管頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)也會(huì)產(chǎn)生偏差。中國東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員提出了一種測量光電二極管頻率響應(yīng)的新方法。這種方法是基于用一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的相位調(diào)制干涉儀探測的增益峰值來計(jì)算光電二極管的頻率響應(yīng)。研究人員通過用光譜分析儀測量調(diào)制光邊帶的強(qiáng)度比來校準(zhǔn)相位調(diào)制器的半波電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相位調(diào)制干涉儀檢測測量的光電二極管的頻率響應(yīng)與馬赫增德強(qiáng)度調(diào)制直接解調(diào)有一個(gè)非常好的匹配，其結(jié)果與光電二極管制造商提供的數(shù)據(jù)相同。該研究結(jié)果提供了一個(gè)非常容易的途徑用于快速掃描光電二極管響應(yīng)頻率，并且校準(zhǔn)相位調(diào)制器的半波電壓時(shí)并不需要偏離控制。


7. 傳感器
    光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高出許多倍，而且它可以再高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測系統(tǒng)。光纖傳感器具備很多傳統(tǒng)電子傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如，廉價(jià)、體積小、重量輕以及對電磁干擾免疫，因而光纖傳感器在傳感應(yīng)用方面大有用武之地。例如在許多工業(yè)的工藝化流程中，微位移傳感器被用于監(jiān)控精確的位移。光纖微位移傳感器一般分為兩種主要結(jié)構(gòu)，一種是馬赫曾德爾干涉儀，另一種是光纖模態(tài)干涉儀。中國計(jì)量學(xué)院光電科技學(xué)院的研究人員提出了一種新型基于馬赫曾德爾干涉儀的光纖微位移傳感器，其中馬赫曾德爾干涉儀由兩根單模光纖和一個(gè)蝴蝶結(jié)型的椎體構(gòu)成，馬赫曾德爾干涉儀的透射譜的變化與纖芯偏移的橫向微位移相關(guān)。當(dāng)微位移的的范圍為0-13微米時(shí)，該微位移傳感器具有非常高的靈敏度，其值為-1.89dB/μm,幾乎為現(xiàn)有的類似傳感器靈敏度的787倍。此外，研究人員利用強(qiáng)度解調(diào)方法可以使該微位移傳感器可以克服溫度限制和位移橫向交叉效應(yīng)。

    光纖曲率傳感器由于在彎曲測量領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，已經(jīng)引起研究人員的廣發(fā)關(guān)注。近年來，模式干涉曲率傳感計(jì)由于具有高靈敏度、電磁干擾以及小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大量地開發(fā)應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。研究者們提出了基于不同光纖器件的光纖曲率傳感計(jì)，例如，長周期光柵（LPGs），長周期光柵聯(lián)合光纖多模干涉，兩根連接在一起的低損耗的熔融光纖椎體，纖芯偏移的單模光纖或者保偏光纖。然而不足的是，長周期光柵或者光纖布拉格光柵都對溫度變化太敏感，纖芯偏移單模光纖又容易折斷，因此都沒能被廣泛地應(yīng)用于工程中。最近大量的新型光纖被用于制作曲率傳感計(jì)，例如，靈敏度為-6.68nm/m基于長周期光纖光柵的曲率傳感計(jì)，靈敏度近似為10nm/m基于二維波導(dǎo)陣列光纖的曲率傳感計(jì)，基于具有包層模共振的特殊光纖靈敏度約為-10.15nm/m，還有基于細(xì)芯光纖的靈敏度為-14.7nm/m，等等。值得一提的是，中國計(jì)量學(xué)院光電技術(shù)院的研究者們提出了一種新型的基于光纖模式干涉儀的光纖曲率傳感計(jì)，其中模式干涉儀是由僅由單模光纖構(gòu)成的兩個(gè)花生型結(jié)構(gòu)組成的，這種花生型結(jié)構(gòu)可以分離和重組纖芯模和包層模，從而可以產(chǎn)生模間干涉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示峰值波長幾乎是隨著曲率的改變而線性變化的，其中，在波長為21、26、30nm時(shí)的傳感器的靈敏度分別為-18.46，-21.87和13.68nm/m。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度以及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。


8. 光電探測和光電接收技術(shù)
    局域表面等離子模是源于金屬納米結(jié)構(gòu)中電等離子體的集體震蕩，這種模式有著各種各樣的應(yīng)用例如生物傳感器、近場光學(xué)顯微鏡以及其他光學(xué)器件。當(dāng)共振激發(fā)時(shí)，這些模式能使自由傳輸?shù)妮椛渚钟蚣�中化并產(chǎn)生非常高的光學(xué)近場強(qiáng)度，并且由于金屬的強(qiáng)光學(xué)吸收特性，這些模式可以以熱量的形式有效地驅(qū)散電磁能量。這種強(qiáng)光學(xué)吸收特性可以用于實(shí)現(xiàn)從太赫茲波段到可見光波段的吸收器。等離子吸收器導(dǎo)致的熱等離子效應(yīng)激起了研究者們的興趣，并使得這種納米結(jié)構(gòu)的熱源應(yīng)用于許多領(lǐng)域。此外，通過集成等離子體吸收器，這種納米機(jī)械器件有著非常高的質(zhì)量、應(yīng)力和位移靈敏度，使得其在熱光機(jī)械紅外探測方面具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢。美國賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員實(shí)驗(yàn)證實(shí)通過集成等離子體納米天線，這些基于薄膜的微機(jī)械諧振腔將變得具有紅外活性。由納米天線導(dǎo)致的光熱機(jī)械效應(yīng)成為微機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。他們利用這種混合的納米天線耦合機(jī)械器件作為熱紅外探測器，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)于位移響應(yīng)為98.7μm/W的一個(gè)數(shù)值為12mA/W的電流響應(yīng)，并且測出了6μm波長處的熱學(xué)時(shí)間常數(shù)為5.7ms。這種方法可以延伸至任意的機(jī)械諧振器用于構(gòu)造新的光學(xué)機(jī)械傳感裝置。

9. 微波光子技術(shù)
    微波光子鏈路受到廣泛的關(guān)注和研究，得益于近年來微波光子學(xué)的快速發(fā)展和進(jìn)步。微波光子學(xué)是微波與光電子技術(shù)結(jié)合的一門新興學(xué)科，其中光生毫米波技術(shù)，光纖無線通信技術(shù)（ROF），光控相控陣技術(shù)等微波光子學(xué)的分支成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。微波光子鏈路作為這些技術(shù)的核心，是接收微波信號(hào)并提供微波信號(hào)輸出，直接進(jìn)行微波信號(hào)輸出的光鏈路，其具有大帶寬、體積小、重量輕、損耗小、抗電磁干擾、低色散等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域，如電子戰(zhàn)、雷達(dá)、遙感探測、無線通信、有線電視等領(lǐng)域。近年來隨著對微波光子鏈路性能要求的不斷提高，更多的新技術(shù)和新方法唄應(yīng)用到鏈路中，從而將鏈路的性能大幅的提高，如光外差平衡探測技術(shù)、相位調(diào)制技術(shù)、載波抑制技術(shù)、低偏置技術(shù)、阻抗匹配技術(shù)等。
    傳統(tǒng)的微波光子鏈路在調(diào)制和探測過程中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)嚴(yán)重限制了鏈路的無寄生動(dòng)態(tài)范圍，這是傳統(tǒng)微波光子鏈路存在的主要瓶頸之一，所以近年來相位調(diào)制技術(shù)成為微波光鏈路研究的一個(gè)熱點(diǎn)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種高度線性的微波光子鏈路，他們在一個(gè)薩尼亞克環(huán)內(nèi)用一個(gè)偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了該鏈路。對于逆時(shí)針光信號(hào)的調(diào)制，可以通過聯(lián)合使用偏振調(diào)制器，偏振控制器和偏光器，相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，而當(dāng)光信號(hào)在逆時(shí)針方向不能被調(diào)制時(shí)則歸因于速度失配，這樣可以將強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)加載在光載波上。研究人員通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整系統(tǒng)的某些參數(shù)來減少三階互調(diào)失真，例如順時(shí)針信號(hào)和逆時(shí)針信號(hào)的功率比和相位差以及等效強(qiáng)度調(diào)制器的偏壓點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相統(tǒng)一。其中三階互調(diào)失真可以下降45dB，其無寄生動(dòng)態(tài)范圍為98.85dB•Hz2/3+。該結(jié)果比傳統(tǒng)的基于偏振調(diào)制器的微波光子鏈路多了15dB。


    近年來，基于鈮酸鋰馬赫增德調(diào)制器的外加調(diào)制微波光子鏈路逐漸趨于主導(dǎo)地位，盡管基于激光二極管直接調(diào)制的微波光子鏈路成本低廉，但是相比外加調(diào)制鏈路，其性能相對受限，尤其在帶寬方面。隨著晶體管激光器的出現(xiàn)，現(xiàn)在又多出了一種可用于未來微波光子鏈路的激光源。晶體管激光器有許多優(yōu)點(diǎn)，首先，相對傳統(tǒng)的二極管激光器，它具有更高的帶寬和更強(qiáng)的衰減性。其次，可選擇共發(fā)射極或共基極運(yùn)行，尤其后一種方式可以增加帶寬。再次，可進(jìn)行直接地集電極電流反饋控制，這樣就不必監(jiān)控光電二極管，并且大大簡化了功率穩(wěn)定性電路。最后，利用集電極電流反饋可以減低三階互調(diào)失真效應(yīng)。因此，研究人員普遍看好晶體管激光器在微波光子鏈路中的應(yīng)用前景，其關(guān)鍵點(diǎn)在于建立相關(guān)的模型來考察重要的鏈路參數(shù)例如增益、噪聲系數(shù)和無寄生動(dòng)態(tài)范圍。塞浦路斯大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的研究人員提出了一種基于晶體管激光器的微波光子鏈路，他們利用信號(hào)流圖技術(shù)得到鏈路增益。相比于傳統(tǒng)的激光二極管，三端晶體管激光器引入了一個(gè)額外的微波端口用于鏈路參數(shù)的阻抗調(diào)諧。他們還利用小信號(hào)等效電路模擬了激光器的增益等高線，結(jié)果表明鏈路中所有端口的潛在增益值為50Ω。

10. 光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（PON）是寬帶接入的主流技術(shù)之一，尤其是光纖到戶（FTTH）是其中最有競爭力的解決方案，其應(yīng)用于寬帶光接入的獨(dú)特優(yōu)勢得到越來越廣泛的共識(shí)，在國內(nèi)外受到了研究人員的普遍重視。得益于波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的成熟發(fā)展及其在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)上的廣泛應(yīng)用，基于波分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）被認(rèn)為是極有前途的下一代寬帶光接入網(wǎng)絡(luò)，它能提供較寬的工作帶寬，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的對稱寬帶接入，并且在網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)性能升級(jí)方面具有明顯優(yōu)勢。波分復(fù)用技術(shù)的演進(jìn)僅需要在基于功率分配器的基礎(chǔ)上維護(hù)老化的光分配網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以在無源光網(wǎng)絡(luò)中避開多路復(fù)用器和光放大器等無源器件。其實(shí)這個(gè)目標(biāo)也可以通過相干接收器來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴捎孟喔山邮掌骶鸵呀?jīng)考慮了通道選擇度（去除對WDM信號(hào)分離器的需求）和高接收靈敏度（緩解對光放大器的需求）�；�于高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的相干接收器適用于高頻譜效率的光通信鏈路。近年來，大量的研究工作報(bào)道了基于波分復(fù)用技術(shù)無源光網(wǎng)絡(luò)中的相干接收器裝置，它們都是基于相位調(diào)制格式的，例如，差分相移鍵控（DPSK）和四相相移鍵控（QPSK）;相比強(qiáng)度調(diào)制格式而言，它們確保了相當(dāng)高的接收靈敏度。然而高階調(diào)制格式的選擇對本機(jī)振蕩器（LO）和信號(hào)之間的相位/頻率鎖定提出了更嚴(yán)格的要求，該可以通過數(shù)字信號(hào)處理器來解決。反射無源光網(wǎng)絡(luò)中采用的零差接收器同樣可以解決這個(gè)需求。雖然同樣的激光源被用于作為上行線路信號(hào)的光載波源和本機(jī)振蕩器，但是反射架構(gòu)在光分配網(wǎng)絡(luò)中仍然需要使用波分復(fù)用技術(shù)中的多路復(fù)用器或者信號(hào)分離器，而且不能直接與功率分流的超密集型波分復(fù)用方法（UDWDM）兼容。此外，相位調(diào)制過程需要配備的激光器必須具有非常低的相位噪聲，這在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)上是及其昂貴的。換句話說，可以采取相位分集零差接收器結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)（例如ASK）的方法，這種強(qiáng)度調(diào)制格式將不再需要相位鎖定。這樣就可以采用寬譜寬的激光器如分布反饋激光器（DFB）并且不用執(zhí)行相位鎖定回路。同時(shí)，信號(hào)的解調(diào)過程也將被大大簡化。也就是說，針對相對簡化的相干接收器和基于自由運(yùn)轉(zhuǎn)的分布反饋激光器，強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的靈敏度可以大為改善。意大利圣安娜大學(xué)通信信息與感知技術(shù)研究所的研究人員提出了一種超密集波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是基于簡化的、低成本的相干接收器和自由運(yùn)轉(zhuǎn)的分布反饋激光器來建立的。這個(gè)1.25Gb/s的系統(tǒng)提供了一個(gè)大于40dB的高功率預(yù)算范圍，并實(shí)現(xiàn)了大分光比（1×128）和長距離接入延伸（超過60km）。這個(gè)零差接收器的設(shè)計(jì)相對簡單，因?yàn)樗鼪]有使用數(shù)字信號(hào)處理過程并且也不需要相位/頻率鎖定；因此，它只需用普通的自由運(yùn)轉(zhuǎn)式分布反饋激光器作為本機(jī)振蕩器，而不是采用價(jià)格昂貴的低相位噪聲激光器。研究人員在實(shí)驗(yàn)中，加載了5×1.25Gb/s（總數(shù)據(jù)速率）來評估該系統(tǒng)的通信性能，在相干接收器內(nèi)，唯一的自由運(yùn)轉(zhuǎn)式分布反饋激光器通過熱調(diào)諧方式可以選擇任意一個(gè)獨(dú)立的信道并表現(xiàn)出一致的接入性能。