4/8/2014,2014年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體激光器、光測(cè)量技術(shù)、光頻率變換、光傳感器、微波光子學(xué)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。

光纖在線特約編輯：邵宇豐 方安樂 

1. 半導(dǎo)體激光器
    2μm及其以上中紅外波段是非常重要的大氣窗口，工作于該波段的激光器在軍事和民用的許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。由于許多氣體分子的特征譜線都落在中紅外波段，因此可應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、反化學(xué)戰(zhàn)、反生物戰(zhàn)、醫(yī)學(xué)診斷和藥物鑒定等領(lǐng)域。由于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光散射較低，大功率中紅外激光器可應(yīng)用于激光雷達(dá)、防撞系統(tǒng)和軍事上的目標(biāo)指示等。此外，中紅外波段的半導(dǎo)體激光器在新一代光纖通信領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用前景。通常來說，2μm波段的半導(dǎo)體激光器都是基于銻化鈣（GaSb）材料發(fā)展起來的，由于銻化物激光器件具有較低的閾值和良好的溫度特性，長(zhǎng)期以來一直是中紅外波段激光器、探測(cè)器的首選材料。以GaSb為襯底的較成熟的多元銻化物外延材料廣泛地應(yīng)用于近中紅外異質(zhì)結(jié)激光器和光電探測(cè)器等器件上。含銻的化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋范圍寬（1.5-5μm），其應(yīng)用除了中紅外光源和探測(cè)器以外，還包括熱光伏特器件、HEMT、DHBT等。    GaInAsSb/AlGaAsSb量子阱結(jié)構(gòu)激光器具有較大的導(dǎo)帶補(bǔ)償值，顯示出良好的溫度特性和可靠性，工作于該波段的高功率半導(dǎo)體激光器更適于軍事應(yīng)用。最近，中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所功能材料和信息學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種輸出波長(zhǎng)為2.2μm基于磷化銦（InP）的InAs/InGaAs量子阱半導(dǎo)體激光器。他們研究了三角量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)激光性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)三角量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)激光器性能的提高有著多方面的影響包括：閾值電流密度，輸出功率，特征溫度，最高運(yùn)行溫度，量子效率以及內(nèi)在光損耗系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在溫度為300K時(shí)，采用三角量子阱結(jié)構(gòu)使得閾值電流密度從2.58 kA/cm2下降到1.42 kA/cm2，在注入電流為400MA 的情況下輸出功率從3.6mW增加到10.4mW。最高運(yùn)行溫度達(dá)到330K，比矩形量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的最大運(yùn)行室溫高出20K。
2. 光測(cè)量技術(shù) 
    保偏光纖中布里淵動(dòng)態(tài)光柵致光反射現(xiàn)象已受到越來越廣泛的關(guān)注和研究，它有許多重要的應(yīng)用比如可調(diào)諧延遲線、雙折射分布式測(cè)量、張力與溫度的分布式同步測(cè)量、亞厘米空間分辨率布里淵光學(xué)時(shí)域分析（BOTDA）等�；�于布里淵動(dòng)態(tài)光柵的測(cè)量方法主要由兩種，一種是基于脈沖的時(shí)域分析法，另一種是基于連續(xù)波的布里淵相關(guān)域分析（BOCDA）法。布里淵光相干域分析基于連續(xù)探測(cè)光和抽運(yùn)光經(jīng)頻率調(diào)制后的相互作用。利用BOCDA能夠訪問任何被測(cè)位置，具有較高的空間分辨率和較高的測(cè)量速度。2010年Kwang Yong Song提出提高空間分辨率同時(shí)保證測(cè)量精度的寬譜探測(cè)思想. 傳統(tǒng)布里淵光時(shí)域分析 BOTDA 系統(tǒng)為提高空間分辨率使用短脈沖抽運(yùn)將導(dǎo)致測(cè)得的布里淵增益譜展寬,影響測(cè)量精度。BOCDA系統(tǒng)的空間分辨率由光源的調(diào)制參數(shù)（幅值和頻率）決定�，F(xiàn)有的基于BOCDA技術(shù)BDG測(cè)量的最高空間分辨率可以達(dá)到8mm。最近，上海交通大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了在基于BOCDA的BDG光譜分布式測(cè)量中利用強(qiáng)度調(diào)制增大空間分辨率的方法。根據(jù)相關(guān)域分析原理，受激布里淵散射局限在所謂的相關(guān)峰，但由于這些峰具有旁瓣，將激發(fā)BDG跳出這些峰區(qū)域，對(duì)比于BDG光譜測(cè)量空間分辨率。實(shí)驗(yàn)中他們對(duì)輸入光波的光功率譜施加一個(gè)振幅調(diào)制從而抑制旁瓣的產(chǎn)生，該方法將空間分辨率提高了4.5倍。，實(shí)驗(yàn)中成功識(shí)別了一根500m長(zhǎng)光纖中的一小段長(zhǎng)25cm的應(yīng)力段，在缺少?gòu)?qiáng)度調(diào)制的情形下是無法實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。
3. 光頻率變換 
    長(zhǎng)距離光纖中上變頻信號(hào)的寬帶上變頻和色散自由傳輸是光載無線通信（ROF）系統(tǒng)中的兩大關(guān)鍵技術(shù)。一般來說，RF上變頻是將光基帶信號(hào)或中頻（IF）信號(hào)轉(zhuǎn)換到射頻頻帶的過程，在RoF傳輸鏈路中，這是無線信號(hào)產(chǎn)生的最關(guān)鍵步驟，其產(chǎn)生時(shí)光基帶信號(hào)和高頻本振信號(hào)在外調(diào)制器中光域混頻。主要方法是在電子混頻器中實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的電子本地震蕩，該方法具有帶寬限制，并且轉(zhuǎn)換損耗較大，無法實(shí)現(xiàn)多波段變頻。此外，高頻本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)具有較差的相位噪聲表現(xiàn)。相比較電子域?qū)崿F(xiàn)上變頻的諸多缺點(diǎn)，研究人員也提出了多種在光域利用光子學(xué)方法實(shí)現(xiàn)上變頻的技術(shù)，通常是采用光電振蕩器來實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不但具有低相位噪聲的本地震蕩，而且可以實(shí)現(xiàn)多頻道的頻率上變換。中國(guó)南京航空航天大學(xué)電子與信息工程學(xué)院雷達(dá)成像和微波光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于偏振調(diào)制光電振蕩器的光子微波多頻段上變頻的實(shí)驗(yàn)方案。該方法可以產(chǎn)生高質(zhì)量的本地震蕩信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)任意光波段的多頻段上變頻，它還可以實(shí)現(xiàn)ROF鏈路中多頻段的色散補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)中采用兩個(gè)頻率分別為3.5和7.5GHz，傳輸速率為50Mb/s的16-QAM信號(hào)，分別實(shí)現(xiàn)了頻率上變換到13.436和17.436GHz ，并且在光纖中的兩個(gè)獨(dú)立頻段分別傳輸了20和15km，實(shí)驗(yàn)中忽略了光纖中的色散誘導(dǎo)功率損失。

4. 光傳感器
    如今，智能手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ�活不可或缺的電子產(chǎn)品，全球有將近10億智能手機(jī)用戶。對(duì)比過去的那種普通的鍵盤式電話手機(jī)，智能手機(jī)通常具有很多先進(jìn)的科技特征比如優(yōu)秀的操作系統(tǒng)、可自由安裝各類軟件、完全大屏的全觸屏式操作感、百萬像素CCD攝像頭、藍(lán)牙傳輸、Wi-Fi等。如今的高端智能手機(jī)相機(jī)的拍照功能非常強(qiáng)大，甚至達(dá)到了千萬像素級(jí)別，這種便攜智能設(shè)備完全可用于構(gòu)造各種各樣的光學(xué)傳感工具。近年來，一些研究小組實(shí)驗(yàn)研究了將智能手機(jī)照相機(jī)設(shè)計(jì)成各種不同的光學(xué)工具，甚至應(yīng)用于生物傳感器。例如，利用透鏡系統(tǒng)，智能手機(jī)的照相機(jī)可被轉(zhuǎn)換成顯微鏡，其顯微度足以觀測(cè)到血紅細(xì)胞、細(xì)菌及其它生物細(xì)胞。同樣的，結(jié)合瞄準(zhǔn)儀和光柵，智能手機(jī)相機(jī)可被轉(zhuǎn)換成分辨率達(dá)到5nm的光譜儀，此外還可用于一些其他的光學(xué)應(yīng)用諸如無標(biāo)記生物探測(cè)傳感、量子點(diǎn)標(biāo)記、熒光顯微法自由透鏡顯微系統(tǒng)以及光流體和微流體應(yīng)用。光學(xué)傳感技術(shù)也就是光纖傳感器，表面等離子共振傳感器或光子晶體傳感器，他們的主要原理都是基于傳感器靈敏區(qū)域上吸附介質(zhì)與消逝場(chǎng)的耦合。盡管最近已有基于智能手機(jī)的光子晶體生物傳感器方面的研究，但是如何利用智能手機(jī)相機(jī)探測(cè)棱鏡或光纖與吸附介質(zhì)的耦合消逝場(chǎng)信號(hào)至今還未見報(bào)道。印度泰茲普爾大學(xué)物理系應(yīng)用光學(xué)與微納光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種利用智能手機(jī)相機(jī)構(gòu)造消逝波耦合光譜傳感器的技術(shù)。他們利用簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，將智能手機(jī)相機(jī)轉(zhuǎn)換成高分辨率（像素點(diǎn)間距為0.305nm）的光譜儀，結(jié)合直角棱鏡，寬帶光源產(chǎn)生的內(nèi)部反射光信號(hào)的消逝場(chǎng)將可與外加介質(zhì)相互作用進(jìn)行耦合。這種光學(xué)傳感技術(shù)具有簡(jiǎn)單便攜和低成本等優(yōu)點(diǎn)。


5. 微波光子學(xué)
    在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，光生微波技術(shù)變得越來越重要，無論是全光時(shí)鐘，超高速調(diào)制，光載無線通信（ROF）系統(tǒng)，還有其它很多應(yīng)用都離不開一個(gè)高度穩(wěn)定的光生毫米波源。尤其在ROF系統(tǒng)中，一個(gè)合適的微波源不但可以簡(jiǎn)化復(fù)雜的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并且可充分利用現(xiàn)存的光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。光生毫米波有很多方法，其中較簡(jiǎn)單可行的是利用兩列單色波信號(hào)拍頻產(chǎn)生射頻信號(hào)，即光外差法，相對(duì)前者而言，利用光子集成芯片的設(shè)計(jì)產(chǎn)生微波顯得更加先進(jìn)，其無論是在器件尺寸或轉(zhuǎn)換效率上都優(yōu)于光外差法�，F(xiàn)今，光子集成技術(shù)是光通信最前沿和最有前途的領(lǐng)域，它是滿足未來網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的最好辦法。光子集成比傳統(tǒng)的分立“光-電-光”處理降低了成本和復(fù)雜性，可以用更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而更多的節(jié)點(diǎn)意味著更靈活地接入和更有效的維護(hù)和故障處理。光子集成芯片制造并不是一件很容易的事情，由于光子器件具有三維架構(gòu)，比二維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成要復(fù)雜的多。將激光器、檢測(cè)器、調(diào)制器和其他器件都集成到芯片中，這些集成需要在不同材料多個(gè)薄膜介質(zhì)層上重復(fù)地沉積和蝕刻，這些材料包括砷化銦鎵、磷化銦等。隨著微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及工藝的高速發(fā)展，相信光子集成芯片的制備技術(shù)也會(huì)變得越來越成熟和商業(yè)化。最近，中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)光子系統(tǒng)研究所的研究人員一種基于簡(jiǎn)單小型化光子集成芯片產(chǎn)生可調(diào)諧微波的方法，該光子集成芯片包括一個(gè)反射鏡和兩臺(tái)分布反饋激光器。他們采用聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備出高質(zhì)量的空氣/半導(dǎo)體平板反射鏡，兩臺(tái)激光器單獨(dú)泵浦時(shí)都是以基態(tài)模運(yùn)行，通過兩束激光的光差頻可以得到微波信號(hào)源。試驗(yàn)中研究人員通過調(diào)整兩臺(tái)激光器的注入電流可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧峰值到25.5GHz的可調(diào)諧微波源。同時(shí)他們測(cè)量了四波混頻光譜，其中產(chǎn)生的射頻信號(hào)的線寬為1.9MHz。


6. 光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)的高比特率性能使得其成為加速部署光纖到戶的最有應(yīng)用前景的方案。此外，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)與WDM-PON的結(jié)合也將使得通信系統(tǒng)的容量和色散容限得到增強(qiáng)。對(duì)于WDM-OFDM-PONS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，低成本的光網(wǎng)絡(luò)子單元(ONUs)和線路終端（OLTs）將顯得至關(guān)重要，尤其應(yīng)該避免在每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元出現(xiàn)一個(gè)波長(zhǎng)特定的激光源，即實(shí)現(xiàn)ONU“無色化”，使得ONU的波長(zhǎng)能夠在工作范圍內(nèi)自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，WDM-PON
的ONU“無色化”方案主要有寬光源頻譜分割技術(shù)、注入鎖定技術(shù)、光載波源技術(shù)和再調(diào)制技術(shù)幾種。其中基于反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）的再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有潛在的低成本優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的關(guān)注和研究。近年來在WDM-OFDM-PONS系統(tǒng)中研究者們也提出了波長(zhǎng)重復(fù)使用的概念，例如在OLT中利用光載波抑制光源或者在本地交換機(jī)中利用連續(xù)波光源對(duì)RSOA提供現(xiàn)遠(yuǎn)程供給，以實(shí)現(xiàn)上行線路的傳輸。最近，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院的研究人員報(bào)道了一種新型的采用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）和遠(yuǎn)程光注入技術(shù)的混合型基于波分復(fù)用技術(shù)的正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)。在上述方案中，1.55μm的VCSELs作為低成本直接調(diào)制的上行和下行信號(hào)傳送器，其從屬的VCSEL在光網(wǎng)絡(luò)單元被已調(diào)的下行信號(hào)遠(yuǎn)程注入鎖定，并且不需要額外的注入鎖定光源和調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了1.25Gb/s 4-正交幅度調(diào)制（4-QAM）-OFDM 信號(hào)在26千米長(zhǎng)單模光纖中的雙向傳輸。此外，他們還研究了由注入式調(diào)幅向從屬調(diào)幅的轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的剩余調(diào)幅（RAM），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由于RAM的存在，該1.25Gb/s 4QAM-OFDM上行信號(hào)功率損耗為2dB。
 
    寬帶因特網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)中數(shù)據(jù)通信的爆炸性增長(zhǎng)使得其對(duì)大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹碓礁�。在大容量�?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，無法預(yù)期的光纖損壞通常會(huì)帶來通信故障，因而危害管理體系不可或缺。最近，利用多芯光纖的空分復(fù)用技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注，它可以克服傳統(tǒng)單芯單模光纖在傳輸容量上的限制，它還可以解決在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和無源光網(wǎng)絡(luò)中的光纜尺寸限制問題。此外，多芯光纖可以在主線路之外提供備用線路，這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)大大增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和可靠性。最近，日本日立公司中央研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新型由大量光開關(guān)單元和多芯光纖組成的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這種新型的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有大容量和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，可以作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和無源光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間/網(wǎng)內(nèi)光學(xué)鏈路。實(shí)驗(yàn)證明這種系統(tǒng)可以在線路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)的修復(fù)和還原光通道，其恢復(fù)時(shí)間為5ms，達(dá)到了國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（<50ms）。

    采用多芯光纖（MCF）和自零差探測(cè)（SHD）的空分多路復(fù)用系統(tǒng)一直被認(rèn)為是使用高階調(diào)制格式進(jìn)行超高容量、長(zhǎng)距離傳輸?shù)某杀咀畹偷慕鉀Q方案。普通光纖是由一個(gè)纖芯區(qū)和圍繞它的包層區(qū)構(gòu)成的，但MCF的一個(gè)共同包層區(qū)中卻存在著多個(gè)纖芯。采用具有芯間串音低的MCF，空間信道的解復(fù)用不需采用額外的信號(hào)處理技術(shù)。該系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)未調(diào)制的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)入其中一個(gè)纖芯進(jìn)行傳輸，然后剩余的纖芯分配給其它的光載調(diào)制信號(hào)傳輸，這樣就相當(dāng)于將導(dǎo)頻信號(hào)作為本機(jī)振蕩器（LO）對(duì)已調(diào)的信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)。相比于內(nèi)插檢測(cè)（ID）系統(tǒng)，自零差檢測(cè)對(duì)激光的相位噪聲不敏感，可采用寬線寬激光器，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理接收器的要求比較寬松。除了降低接收器的硬件需求之外，其低成本和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)也彌補(bǔ)了單纖芯傳輸導(dǎo)頻信號(hào)的不足。早前已有研究人員報(bào)道過單芯光纖SHD系統(tǒng)的性能，最近日本東京信息與通信技術(shù)國(guó)家研究院光子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種采用自零差檢測(cè)空分多路復(fù)用系統(tǒng)的一般模型，該模型適用于單偏振和雙偏振方形M-正交幅度調(diào)制（QAM）信號(hào)，其中信號(hào)與導(dǎo)頻信號(hào)的信噪比任意設(shè)定。研究人員采用正交相移鍵控（QPSK）16-QAM信號(hào)在具有七個(gè)纖芯的多芯光纖中進(jìn)行傳輸，研究了自零差檢測(cè)的應(yīng)用性能，結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性。