3/16/2014,2014年2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、光傳輸和光波導、無源光子器件、頻率轉(zhuǎn)換、傳感器、微波光子學、光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

作者：光纖在線特約編輯 邵宇豐 方安樂

1.光纖激光器
　　多年以來，無反射鏡隨機激光器一直受到研究人員的廣泛關(guān)注和研究，這種隨機激光的形成機制源自與無序增益介質(zhì)中的多重散射，隨機激光器是一種非傳統(tǒng)的激光器。它的反饋機制是以隨機散射為基礎(chǔ)的。這一點與傳統(tǒng)激光器借助反射鏡反射的反饋機制是完全不同的。這種獨特的反饋機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。此外，隨機激光器低廉的制造成本、特殊的工作波長、微小的尺村、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用。最近研究人員提出了一種新型的基于標準單模光纖中極其弱的銳利散射的隨機激光器，這項工作大大激發(fā)了研究者們對隨機激光器的熱情，此外，研究人員發(fā)現(xiàn)色散補償光纖這種無序增益介質(zhì)也可以提供粒子的多重散射，并且由于這種光纖具有很大的拉曼增益和銳利散射，使得這種隨機激光的輸出功率得到非常有效的增強。在此基礎(chǔ)上人們提出了多重基于色散補償光纖的隨機激光器，例如，利用色散補償光纖作為雙反射鏡的多波長光纖激光器，調(diào)制反射鏡隨機激光器，此外還有通過在單模色散補償光纖諧振腔中加入光纖布拉格光柵構(gòu)造出了2階隨機激光器。中國成都電子科技大學的研究人員實驗研究了單獨基于色散補償光纖的二階隨機光纖激光器，研究發(fā)現(xiàn)一階隨機激光的閾值僅僅為0.45W。此外，他們還提出了一種獨特地構(gòu)造穩(wěn)態(tài)二階隨機激光的方法，即一個二階隨機激光的弧形輸出譜，并且隨著泵浦功率的增加，在一階隨機向二階隨機演化的過程中出現(xiàn)了三個混亂無序的區(qū)域。實驗所采用的色散補償光纖長度為11km。
　　
2.光傳輸和光波導
    光孤子一直是非線性光學研究前沿，光孤子是電磁波在傳播過程中色散和衍射與非線性效應平衡的結(jié)果，由于光孤子具有傳輸不變形的特點，從而決定了它在通信領(lǐng)域里有著非常重要的應用前景，它在全光網(wǎng)絡，光通信以及光邏輯器件方面都有著非常重要的應用。實驗表明，光孤子在10Gbps的碼率下保持的距離超過了106km，而且傳輸?shù)乃俾蕵O高，預計可達100Gbps以上，因此光孤子通信無疑是實現(xiàn)超長距離、高速率通信的重要手段，被認為第五代光纖通信系統(tǒng)。孤子為非線性薛定諤方程的穩(wěn)態(tài)解，在單模光纖中，輸入一個非理想化的脈沖可以逐漸演化成光孤子，其中額外的能量以色散波的形式傳輸。短脈沖孤子由于具有很大的帶寬可以導致脈間受激拉曼散射，從而有可能形成拉曼孤子，由于超短脈沖的帶寬足夠?qū)挘�在光纖的非線性延遲響應下，脈沖的藍端分量泵浦紅端分量即高頻分量通過拉曼增益向低頻分量轉(zhuǎn)移能量，結(jié)果脈沖頻移向紅端移動，由于觀察到的頻譜移動是孤子自身引起的，因此稱孤子自頻移。拉曼孤子自頻移效應一般用于在光纖中產(chǎn)生簡單的波長可調(diào)的近完美脈沖。光纖中的拉曼孤子自頻移（SSFS）與光纖本身的結(jié)構(gòu)設計有關(guān)，標準的單模光纖由于無法在波長低于1.3μm的區(qū)域提供形成孤子所必須的反常色散，人們設計出了實芯光子晶體光纖、空芯光子帶隙光纖以及高階模光纖用于1.3μm波段以上拉曼孤子的產(chǎn)生。中國深圳大學光電工程系和美國康奈爾大學應用工程物理學院的研究人員在高階模光纖中實驗觀察到了孤子以級聯(lián)對的方式頻移了145nm，其中輸入脈沖為1030nm,在1175波段處產(chǎn)生了能量為3.5nJ和脈寬為55fs的孤子脈沖。該實驗證明了利用復合高階模光纖來提供額外的色散控制的可行性，從而實現(xiàn)拉曼孤子自頻移用于超短脈沖的產(chǎn)生。
3.無源光子器件 
    絕緣體上硅這種新型微電子材料近年來受到人們的廣泛關(guān)注和研究，絕緣體上硅是指在一絕緣體襯底上再形成一層單晶硅薄膜，或者是單晶硅薄膜唄一層絕緣層從支撐的硅襯底中分開這樣結(jié)構(gòu)的材料。這種材料結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)制造器件的薄膜材料完全與襯底材料的隔離。絕緣體上硅集成光學平臺被廣泛地應用于信號處理和傳感器等光學系統(tǒng)，硅波導纖芯對于光傳輸?shù)拿芊庑韵拗拼龠M了封裝組件的微型化，并且使得較大型的光子學回路得到集成。最近，研究人員通過致力于硅晶絕緣體光子學性能的提高來實現(xiàn)光的產(chǎn)生和探測、調(diào)制及傳感方面的應用。由于硅波導纖芯層對于光學模式的高度限制，包層材料中的光功率是相當?shù)偷�，因而可以采用溝型波導的方式來有效利用包層材料的性能。這種設計的器件使得一大部分的光能量以消逝波耦合模的形式存在于地折射率包層材料中。此外，溝型波導器件在液態(tài)和氣態(tài)傳感器方面也有極其出色的表現(xiàn)，可以利用消逝場耦合和大量普通的環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)來設計，為了更好地利用相關(guān)光學效應的環(huán)形諧振放大，必須考慮環(huán)形諧振的臨界耦合點也就是回路的雙程損耗等于耦合分數(shù)K的值。英國格拉斯哥大學和斯科拉斯克萊德大學光子研究所的研究人員們設計了一種基于溝型波導環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的耦合器，他們探討了這種耦合器的設計以及諧振腔幾何結(jié)構(gòu)與靈敏度的關(guān)系，實驗證實了在維持幾千米拍長的情形下，相對于傳統(tǒng)的耦合器，這種改進型的消逝場耦合器對于諧振環(huán)半徑的大小變化有較低的靈敏度，通過測量彎曲型溝型波導的彎曲損耗，他們構(gòu)造出了精密的環(huán)形耦合諧振腔，其共振消光超過22dB。
4、頻率轉(zhuǎn)換
    石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，由于石墨烯具有很多卓越的光學性能，如可調(diào)光學吸收、強非線性以及飽和吸收特性等，可用于開發(fā)新型的基于石墨烯的光子器件如調(diào)制器，偏振器，光接收器和鎖模激光器等等。其自身的強吸收結(jié)合泡利阻塞效應可用于超快載流子動力學，其強非線性可實現(xiàn)快速響應時間，這些都可用于開發(fā)新型的非線性光學器件。微納結(jié)構(gòu)中的四波混頻過程也有許多重要的應用，例如波長轉(zhuǎn)換，色散補償，梳狀濾波器以及光開關(guān)。已有的研究表明可以當強光透射石墨烯薄膜的過程中會產(chǎn)生四波混頻現(xiàn)象，相關(guān)的實驗證實了在泵浦功率約為35dBm的情形下可以達到的轉(zhuǎn)換效率為-28dB。并且當石墨烯薄膜構(gòu)成波導的一部分時，光與石墨烯的相互作用會得到大大地增強。中國電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點實驗室的研究人員們實驗研究了2μm微纖聯(lián)合石墨烯薄膜復合波導結(jié)構(gòu)中的四波混頻現(xiàn)象，實驗中采用了兩個輸出波長為1550nm的連續(xù)波泵浦激光器。其中微纖與石墨烯薄膜的解觸長度為10nm，兩束泵浦光的輸入功率分別為600和100mW，得到了轉(zhuǎn)換效率為-28—-34dB對應于兩束激光的波長差值范圍為0.5—4.5nm。這種石墨烯附加微纖的結(jié)構(gòu)可用于小型化的光信號處理非線性器件如頻率轉(zhuǎn)換和光開關(guān)等。


5、傳感器
    近年來，光纖傳感器一直朝著靈敏、精確=適應性強、小巧和只能化的方向發(fā)展。光纖模式干涉儀由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、高靈敏度和易于構(gòu)造等優(yōu)點，已被廣泛應用于各種傳感器。模式干涉通常發(fā)生于多模光纖中的兩個導波模之間，或者產(chǎn)生于單模光纖中的纖芯模與包層模之間。其中纖芯-包層模間干涉儀尤其適用于溫度測量技術(shù)，其原理是由于干涉光在沿著獨立的波導（纖芯和包層）傳輸時具有很大的溫度響應差異。光纖的不同結(jié)構(gòu)配置例如陡峭的錐形對，腰部增大錐形化，纖芯口徑錯位以及長周期光柵都被用來構(gòu)造纖芯-包層模式干涉儀用于溫度傳感器。然而由于單模光纖包層模的有效折射率取決于其環(huán)繞層的折射率，這種基于單模光纖的模式干涉儀對于環(huán)繞層折射率非常靈敏相關(guān)，當環(huán)繞層的折射率遠大于包層模折射率時將不會產(chǎn)生模式干涉。為克服這種橫向折射率靈敏的缺點，研究人員提出了基于單模光纖內(nèi)部空氣腔的馬赫增德干涉儀溫度傳感器，然而其缺點也很明顯，由于要飛秒激光器來構(gòu)造單模光纖氣腔，其結(jié)構(gòu)復雜且代價昂貴。因此，哈爾濱工程大學光纖集成光學教育部重點實驗室的研究人員提出了一種新型的光纖模式干涉儀，其結(jié)構(gòu)為將一根同軸雙波導光纖置于兩根纖芯偏移很小的單模光纖之間，溫度傳感機制源自同軸光纖的纖芯模與包層模之間的干涉效應。這種結(jié)構(gòu)的干涉儀對外部折射率不敏感，并且適用于環(huán)繞層折射率遠大于包層模折射率的條件，它對溫度的靈敏度為78pm/℃，其橫向張力靈敏度僅為0.004℃/με。

6、微波光子學
    對于微波通信和微波光子技術(shù)來說，優(yōu)質(zhì)的微波信號源是產(chǎn)生一切微博領(lǐng)域應用的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的電微波信號產(chǎn)生方式有很多缺點和局限性，而在光子領(lǐng)域，由于激光器性能的提高和各種光子器件在工藝和性能方面的改善，利用光子學方法產(chǎn)生高品質(zhì)的微波信號，特別是在高頻段（微波/毫米波）信號的產(chǎn)生方面有明顯的優(yōu)勢，具有可調(diào)諧、大帶寬、高光譜純度、低損耗以及輕量化等諸多優(yōu)點。近年來，倍頻微波信號的產(chǎn)生以及可調(diào)諧的微波相移已被廣泛研究，大帶寬可調(diào)諧相移器被用于多頻帶微波信號的產(chǎn)生，可以實現(xiàn)相位編碼微波信號的產(chǎn)生和相位陣列波束成形。此外，四倍頻微波信號的光子學產(chǎn)生方案也有相關(guān)報導，如利用強度調(diào)制器和基于光纖布拉格光柵的陷波濾波器來產(chǎn)生四倍頻微波信號；或者利用兩個級聯(lián)強度調(diào)制器和一個微波相移器來產(chǎn)生四倍頻微波信號，該方法可實現(xiàn)頻率變化范圍為4—40GHz的微波信號產(chǎn)生；還有在薩尼亞克環(huán)中引入單個的偏振調(diào)制器，可實現(xiàn)四倍頻可調(diào)諧微波信號及亞太赫茲波的產(chǎn)生。中國華中科技大學光電信息學院的研究人員提出了一種全360°隨意可調(diào)相移的四倍頻微波信號的光子學產(chǎn)生方案。實驗中通過對馬赫增的干涉儀加偏壓，實現(xiàn)在最大透射點抑制奇數(shù)階邊帶產(chǎn)生兩束相干光分量，然后兩個二階邊帶連同載波一起通過一個程序化的濾波器，實現(xiàn)載波濾波并且對其中一個二階邊帶產(chǎn)生相移，最后在光電探測器中實現(xiàn)雙邊帶拍頻從而產(chǎn)生相位可調(diào)的四倍頻微波信號。其中相移角度為全360°，微波信號的產(chǎn)生范圍為30GHz—42.4GHz。這種四倍頻微波信號產(chǎn)生方法可用于寬帶陣列信號處理系統(tǒng)。

7、網(wǎng)絡及子系統(tǒng)
    近年來，在寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著網(wǎng)絡流量的指數(shù)級增長，基于波分復用技術(shù)的無源光網(wǎng)絡技術(shù)得到了研究人員的廣泛研究和高速發(fā)展。受到日益增長的帶寬需求和用戶數(shù)量的驅(qū)動，未來的接入網(wǎng)絡需要在小于50GHz的密集波長柵格中每個信號通道達到40Gbps的高速通信模式，對于這種密集波分復用無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)，較高階的光學調(diào)制格式得到越來越多的重視，得益于其具有增強的頻譜效率。這些調(diào)制格式都具有一些嚴格的要求，尤其是在線路終端的波分復用源中的低相位噪聲（窄發(fā)射譜寬）特性需求。相應地，作為一種選擇，利用光電調(diào)制器或者注入式增益開關(guān)激光器產(chǎn)生的梳狀光源，作為唯一的低噪聲種子源，其具有極大的應用前景用于產(chǎn)生窄線寬光頻道。此外，這種梳狀光源具有很多有趣的特性，例如在通道中的波長偏移恒定，還具有靈活可調(diào)的頻道間隔和發(fā)射波長。因此，在網(wǎng)絡線路終端中，這種注入式增益開關(guān)激光器的梳狀光源或可應用于網(wǎng)絡管理中的成本降低和簡化。愛爾蘭都柏林大學和倫敦大學學院電子與電氣工程學院的研究人員提出了一種6×40-Gb/s長距離密集波分復用無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)，該實驗在標準單模光纖中運行了80km，其中6個具有20GHz頻道間隔的光頻道由外加的注入式增益開關(guān)激光器梳狀光源產(chǎn)生，研究人員在每個梳形線上都加載一個偏分復用正交振幅調(diào)制，實現(xiàn)了在誤碼率為1.5×10-2的條件下最弱的頻道靈敏度達到-35.6dBm，產(chǎn)生了40dB的系統(tǒng)損耗預算。

    正交頻分復用(OFDM)技術(shù)是多載波調(diào)制技術(shù)的一種，該技術(shù)的應用可以有效地解決由色散信道引起的符號間干擾(ISI)問題，能夠廣泛地用于各種寬帶無線和有線通信中。近年來，基于相干光的正交頻分復用（CO-OFDM）技術(shù)被獨立的提出，光通信系統(tǒng)在接收端采用相干光檢測，不僅可以有效抑制色散，還可獲得更高的光電頻率利用率，同時具有更好的信噪比特性。CO-OFDM系統(tǒng)結(jié)合了光纖通信中的相干光檢測和正交頻分復用的特點，相干系統(tǒng)帶來了OFDM技術(shù)所需要的線性，OFDM技術(shù)使線性系統(tǒng)計算效率搞、信道簡單并可進行相位估值。同時CO-OFDM系統(tǒng)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡有很好的兼容性，在現(xiàn)有基礎(chǔ)設施上能更好的升級，擴容方便。北京大學先進光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡國家重點實驗室的研究人員提出了一種在偏分復用相干光正交頻分復用系統(tǒng)（PDM CO-OFDM）中基于正交基展開的相位噪聲抑制方法。與傳統(tǒng)的抑制相位噪聲方法相比較，這種正交基展開法不僅能提高光通信系統(tǒng)對激光相位噪聲的耐受性，而且可以提高光通信系統(tǒng)對抗非線性相位噪聲的穩(wěn)健性。研究人員通過采用16進制-正交振幅調(diào)制格式對PDM CO-OFDM系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果驗證了理論分析的結(jié)論。

    光載無線通信（radio-over-fiber（ROF））技術(shù)是在中心站將微波調(diào)制到激光上，調(diào)制后的光波通過復雜的光纖鏈路進行傳輸，到達基站后，光電轉(zhuǎn)換將微波信號解調(diào)，再通過天線發(fā)射供用戶使用。ROF技術(shù)的關(guān)鍵還是光源問題，即需要運行于毫米波段的具有超高調(diào)制速率的激光源。半導體激光器的帶寬主要受限于其本身弛豫共振頻率極限，其帶寬通常都低于20GHz。通常來說，毫米波段的大多數(shù)應用僅僅只需要中心頻率處在毫米波段的較窄的帶寬。最近發(fā)現(xiàn)的一個有意思的實現(xiàn)高頻調(diào)制的方法是通過外腔共振增強半導體激光器在毫米波段的頻率調(diào)制。日本東京理工學院的光子集成系統(tǒng)研究中心的研究人員實現(xiàn)了對一種新型的橫向耦合腔垂直腔面發(fā)射激光進行高速和高效的直接調(diào)制，其結(jié)果可直接應用于ROF技術(shù)。實驗測得的L/I特性以及激光光譜證實了激光內(nèi)部諧振腔和外加腔的相干耦合。在調(diào)制頻率大于25GHz時該器件的小信號響應在調(diào)制振幅處的增強幅度超過30dB，其共振增強的調(diào)制響應適用于毫米波段的有效窄帶調(diào)制，其在毫米波段的調(diào)制寬度遠大于在沒有外腔共振反饋情形下激光器固有的調(diào)制帶寬。