6/10/2014，2014年5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(wú)源光子器件、光波導(dǎo)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
作者：邵宇豐 方安樂(lè)  
1.光纖激光器
    工作波長(zhǎng)在1μm以下的窄線寬激光源一直被用來(lái)產(chǎn)生相干的窄線寬藍(lán)光和紫外光，在實(shí)驗(yàn)室中通常利用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。相比半導(dǎo)體激光器的輸出光源和其它類型的激光源，基于光纖激光器的光源最近受到更大的關(guān)注，這得益于其良好的光束質(zhì)量、窄線寬、體積小以及運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)。在2004年就有研究人員實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)在977nm的基于全光纖的分布反饋式激光器，隨后又有了工作波長(zhǎng)在976nm，基于摻釔光纖的全光纖分布布拉格反射鏡激光器的報(bào)道，其輸出光為連續(xù)光。相比前者，秒沖光在實(shí)際的頻率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗�可以提供更大的峰值功率以�?shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。最近，基于全光纖的調(diào)Q單頻激光器也有很多報(bào)道，其工作波長(zhǎng)包括1μm、1.5μm和2μm，這些激光器通常被用于非線性頻率轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生其它波段的輸出光。天津大學(xué)光電工程和精密儀器學(xué)院的研究人員最近提出了一種全光纖單頻主動(dòng)調(diào)Q激光器，其工作波長(zhǎng)為978nm，其結(jié)構(gòu)采用了2cm的商業(yè)化的高度摻釔光纖和一對(duì)光纖布拉格光柵。在很短的線性光纖諧振腔中可利用壓力誘導(dǎo)的偏振調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)Q。這種激光器的輸出光為單頻納秒量級(jí)的脈沖光，其重復(fù)率的范圍為幾十個(gè)千赫茲到幾百個(gè)千赫茲。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)量了該激光器的平均輸出功率和峰值輸出功率，這是迄今為止第一臺(tái)基于高度摻釔光纖且工作波長(zhǎng)在1μm以下的單頻全光纖調(diào)Q激光器。

    近年來(lái)，多波長(zhǎng)脈沖光纖激光器受到研究人員的廣泛關(guān)注，這種類型的激光器在光纖傳感、儀表測(cè)量、以及波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的光信號(hào)處理等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前，主動(dòng)和被動(dòng)鎖模技術(shù)都已可用于實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)鎖模脈沖光的輸出。相比主動(dòng)鎖模技術(shù)，由于無(wú)需在激光腔中加入主動(dòng)調(diào)制器，多波長(zhǎng)被動(dòng)鎖模技術(shù)具有更加簡(jiǎn)單、小型化以及低成本的優(yōu)勢(shì)。迄今為止，人們已開(kāi)發(fā)出各種不同的被動(dòng)鎖模技術(shù)，例如非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)，非線性放大環(huán)形鏡(NALM)，以及可飽和吸收器(SA),都可用于實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖光纖激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)前所報(bào)道的多波長(zhǎng)被動(dòng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生的脈沖串只有幾兆赫茲的重復(fù)率。另一方面，具有高重復(fù)率的光纖激光器在無(wú)線通信、光譜學(xué)和測(cè)量學(xué)方面都有著大量的應(yīng)用需求。為了提高鎖模脈沖的重復(fù)率，研究人員采用諧波鎖模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它可在提高重復(fù)率的同時(shí)而不減小激光器的腔長(zhǎng)。也有研究人員通過(guò)在光腔中引入合適的高階非線性效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生諧波鎖模脈沖。例如將具有高階非線性效應(yīng)的可飽和吸收器置于光腔中，這兩種功能將被集成于同一個(gè)光學(xué)器件中，以實(shí)現(xiàn)更加緊湊型的設(shè)計(jì)。目前所報(bào)道的諧波鎖模脈沖光纖激光器僅能實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)脈沖輸出，而多波長(zhǎng)諧波鎖模尚未見(jiàn)報(bào)道。最近，華南師范大學(xué)信息光電科學(xué)與工程學(xué)院和湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院的研究人員提出了一種可實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)脈沖輸出的諧波鎖模光纖激光器。該激光器是基于拓?fù)浣^緣體可飽和吸收器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波鎖模的。拓?fù)浣^緣體是一種類似于石墨烯的新型的狄拉克材料，它在通信波段具有很強(qiáng)的可飽和吸收特性。研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于不同的波段具有不同的腔內(nèi)非線性效應(yīng)，導(dǎo)致這種這種激光器輸出的雙波長(zhǎng)脈沖串具有不同的諧波鎖模序列。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整光腔參數(shù)，重兩種波長(zhǎng)的脈沖的重復(fù)率可分別達(dá)到388和239MHz。此外，實(shí)驗(yàn)中還實(shí)現(xiàn)了兩種脈沖間的波長(zhǎng)切換控制。這個(gè)研究成果表明，這種基于微纖的拓?fù)浣^緣體可用來(lái)實(shí)現(xiàn)具有飽和吸收和高非線性特性的高性能雙功能光子器件，可應(yīng)用于超快非線性光子學(xué)領(lǐng)域。

2.無(wú)源光子器件 
    微型環(huán)形諧振器被廣泛的用于實(shí)現(xiàn)光子器件集成回路，例如固定和可調(diào)諧濾波器、多路復(fù)用器、延遲線、調(diào)制器和傳感器等。在以上諸多的應(yīng)用中，單環(huán)諧振器的光譜特性往往無(wú)法令人滿意，從而使包含許多耦合諧振器的高階結(jié)構(gòu)成為人們用以實(shí)現(xiàn)高消光比和快速邊帶轉(zhuǎn)換的常用方案。利用絕緣體上硅這類光子集成平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)潔的耦合諧振器件，它們具有大的帶寬和自由光譜范圍等優(yōu)點(diǎn)。然而這類技術(shù)往往受限于制造公差的高靈敏度，它會(huì)導(dǎo)致諧振器的共振頻率具有一個(gè)隨機(jī)的頻譜擴(kuò)展。最近，意大利米蘭理工大學(xué)電子電氣與生物工程系的研究人員提出了一種新型的基于耦合諧振器的光學(xué)濾波器。這種耦合諧振器結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)的高階響應(yīng)具有極高的穩(wěn)定度，其可用來(lái)抵消制造公差過(guò)于靈敏的缺陷。這種雙模濾波器的概念被廣泛用于微波領(lǐng)域，并且最近被研究人員拓展到光子集成領(lǐng)域，用來(lái)設(shè)計(jì)光子器件的反射率。他們?cè)O(shè)計(jì)的濾波器具有單腔雙模的特點(diǎn)，它由一串微型耦合諧振器構(gòu)成，在最末端的諧振器里置有一個(gè)局部反射器以實(shí)現(xiàn)二階響應(yīng)。局部反射器導(dǎo)致的反向耦合使得濾波的有效序列雙倍于諧振器的數(shù)量。由于反向的傳輸模具有共同的微腔，其共振頻率是一致的，這大大減少了濾波器的制造公差，結(jié)構(gòu)的同序性得到控制。研究人員還在絕緣體上硅光子集成平臺(tái)上利用微環(huán)諧振器加載布拉格光柵分別實(shí)現(xiàn)了二階和四階的雙模濾波。
     隨著金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)加工技術(shù)的飛速發(fā)展，絕緣體上硅(SOI)這種光子集成平臺(tái)由于具有良好的兼容性，應(yīng)用前景巨大。然而，由于SOI具有極大的偏振依賴性，這成為其步入實(shí)際應(yīng)用的最大制約因素。過(guò)去的幾年中，有研究人員利用偏振差異回路實(shí)現(xiàn)了SOI的偏振獨(dú)立。目前主要有兩種方法可以在芯片界面上解決偏振依賴問(wèn)題，其一是采用偏振分離光柵耦合器(PSGC)，另一種方法是采用偏振不敏感的耦合器結(jié)合偏振分離旋轉(zhuǎn)器。芯片上的偏振旋轉(zhuǎn)器目前主要分為三類：第一種方法是利用具有不對(duì)稱橫截面的波導(dǎo)，它可以在突變界面造成散射以實(shí)現(xiàn)模式變換；第二種方法是采用模式演變，利用高階模作為基態(tài)橫電模和橫磁模的過(guò)渡；第三種偏振旋轉(zhuǎn)方法是采用非硅材料。最近，新加坡國(guó)立大學(xué)和美國(guó)特拉華大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的研究人員提出了一種新型的偏振分離旋轉(zhuǎn)器，它是在絕緣體上硅平臺(tái)構(gòu)建的工作波長(zhǎng)為1310nm，采用248nm的深紫外光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這種PSR由三個(gè)部分構(gòu)成，包含一個(gè)定向耦合器，一個(gè)具有上下兩層錐化的TE1-TE0模式轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)不對(duì)稱的基于馬赫增德干涉儀的TE1-TE0模式轉(zhuǎn)換器。這種PSR只有最多2dB的模式轉(zhuǎn)換損耗，其在40nm的帶寬范圍內(nèi)的偏振串?dāng)_低于-20dB。偏振依賴損耗最高達(dá)到0.76dB。
3.光波導(dǎo)
    氮化鎵是繼硅和砷化鎵之后又一代重要的半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗�的禁帶寬度寬，室溫下禁帶寬度�?.39eV，且是直接帶隙，在制備藍(lán)紫光電子器件如發(fā)射二極管、激光器、探測(cè)器件以及大功率高速微電子器件方面有很好的應(yīng)用前景。此外，化學(xué)穩(wěn)定性幾號(hào)，它還有望制成在高溫輻射等惡劣環(huán)境下工作的的半導(dǎo)體器件。近年來(lái)，基于氮化鎵的納米結(jié)構(gòu)最近被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)表面發(fā)射器件的提取率、可見(jiàn)光波段的薄膜反射鏡、以及光腔等領(lǐng)域。最近，研究人員對(duì)這種納米結(jié)構(gòu)的研究拓展至硅上氮化鉀鎵平臺(tái)，該平臺(tái)在制造加工上提供了很強(qiáng)的的靈活性，可用于制造新型的基于氮化鎵的光電器件。根切技術(shù)可以很容易地使獨(dú)立式的氮化鎵厚片從硅基底上分離出來(lái)。目前利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)氮化鎵波導(dǎo)、導(dǎo)波模共振光柵和微型制動(dòng)器。利用雙面加工方法可以從背面移除硅把手層以形成 獨(dú)立的氮化鎵薄膜，并且可以實(shí)現(xiàn)薄膜的背面打薄，以提供比傳統(tǒng)的多層電介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)更加緊湊和簡(jiǎn)潔的器件設(shè)計(jì)。利用這種工藝技術(shù)和氮化鎵薄膜結(jié)構(gòu)可構(gòu)造圓形光柵，它提供的非凡特性可集成到相關(guān)的光電器件中。圓形光柵在面內(nèi)平行方向可實(shí)現(xiàn)反饋，在表面法線方向可與發(fā)射光發(fā)生耦合。此外，已有的研究表明圓形光柵還可用于光子結(jié)構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)耦合或去耦合。最近，南京郵電大學(xué)和英國(guó)布里斯托爾大學(xué)納米科學(xué)和量子信息研究中心的研究人員在硅上氮化鎵平臺(tái)上制備了圓形氮化鎵光柵并給出了相關(guān)特性表征。當(dāng)光學(xué)模式在這種獨(dú)立式氮化鎵薄膜內(nèi)傳輸時(shí)，其模式數(shù)量將隨著薄膜厚度的減小而減少。對(duì)這種薄膜進(jìn)行背面打薄處理所得到更薄的氮化鎵薄膜有助于減少共振模，并且可以增大可見(jiàn)光范圍內(nèi)干涉條紋的反射比。利用角度解析反射比測(cè)量可觀察到入射光與該圓光柵之間的強(qiáng)耦合現(xiàn)象。另外他們還考察了光柵參數(shù)對(duì)反射譜的影響。該項(xiàng)研究成果為可見(jiàn)光范圍內(nèi)單層氮化鎵共振光柵的制備提供了一種有效途徑。
    高雙折射光纖在通信、傳感等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在高雙折射光纖中，通過(guò)調(diào)諧脈沖的偏振態(tài)，兩個(gè)本征偏振模的傳輸會(huì)導(dǎo)致豐富的非線性效應(yīng)。在硅波導(dǎo)中，增強(qiáng)大多數(shù)基于波導(dǎo)的光器件的性能通常有兩種方法，一是調(diào)整波導(dǎo)波方向(源于硅中三階克爾非線性的各向異性)，另一種方法是調(diào)節(jié)脈沖的偏振。當(dāng)脈沖的偏振角度改變時(shí)，其在波導(dǎo)中傳輸時(shí)可激發(fā)橫電模(TE)和橫磁模(TM)并且通過(guò)克爾非線性相互耦合。這種現(xiàn)象可用于實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)功能例如光開(kāi)關(guān)、脈沖壓縮和強(qiáng)度鑒別器。如果TE模和TM模的色散可以認(rèn)為控制，模間耦合可以得到增強(qiáng)，這將導(dǎo)致更多的有效的非線性應(yīng)用。利用橫截面為方形的納米波導(dǎo)可得到關(guān)于基態(tài)準(zhǔn)TE模和準(zhǔn)TM模的類似于TE模和TM模的色散曲線。然而此類波導(dǎo)的色散曲線在我們感興趣的波段范圍內(nèi)只有一個(gè)零色散點(diǎn)。此外，高色散值導(dǎo)致在相位匹配等非線性效應(yīng)下可獲得的帶寬極其有限。另一方面，對(duì)于早先所研究的波導(dǎo)例如溝狀波導(dǎo)，TE模和TM模的色散曲線具有相當(dāng)大的差異，因而在溝狀波導(dǎo)中色散的管理和設(shè)計(jì)只能針對(duì)一種模式來(lái)執(zhí)行，對(duì)于目標(biāo)模式可以在較大的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)低且平坦的色散曲線。但與此同時(shí)另一種模式將具有相當(dāng)高的色散值。因此，在此類波導(dǎo)中利用偏振來(lái)控制色散將不再可行。最近，伊朗Shiraz 科技大學(xué)電子系光電研究中心的研究人員提出了一種新型的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這種波導(dǎo)可以對(duì)TE模和TM模的色散同時(shí)進(jìn)行調(diào)控。對(duì)于基態(tài)的準(zhǔn)TM模和TE模，該波導(dǎo)分別在1404nm和904nm的帶寬范圍內(nèi)具有大約 250ps/(nm•km)的色散值。他們同時(shí)還考察了這種波導(dǎo)最佳結(jié)構(gòu)中模式的非線性參數(shù)和群速度失配情形。研究結(jié)果表明在模式的時(shí)域分離發(fā)生之前模間耦合是可行的，并且可通過(guò)降低模式色散來(lái)增強(qiáng)模間耦合。增強(qiáng)的模間耦合和不同的模式色散特性可用于增加和控制各種非線性效應(yīng)。因此，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可基于偏振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同功能的光學(xué)器件。


4.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    近年來(lái)，可見(jiàn)光通信(VLC)多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)由于能夠提高傳輸數(shù)據(jù)速率，其在光通信系統(tǒng)中已變得越來(lái)越受到研究人員的重視。在一個(gè)移動(dòng)通信環(huán)境中，通過(guò)使用數(shù)個(gè)照明單元同時(shí)傳輸并行數(shù)據(jù)流通常被用來(lái)提供統(tǒng)一的空間照明并可接納日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量。在一個(gè)采用成像透鏡演示的1Gb/s的4×9VLC-MIMO鏈路中，前置或后置均衡器可被用來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬，通過(guò)合適的比特和功率加載來(lái)執(zhí)行正交頻分復(fù)用調(diào)制格式，其需要一個(gè)反饋式回路。迄今為止在可見(jiàn)光通信的上行線路中并沒(méi)有一個(gè)一致的協(xié)議。MIMO系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于射頻波段，并且在最近也被用于光通信系統(tǒng)中。英國(guó)諾桑比亞大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院光通信研究小組的研究人員實(shí)驗(yàn)演示了一種室內(nèi)可見(jiàn)光非成像MIMO系統(tǒng)，其在2m的距離內(nèi)具有總計(jì)50Mb/s的無(wú)誤差比特率。該系統(tǒng)采用4個(gè)獨(dú)立的白光LED信號(hào)發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器均以通斷鍵控止回零格式傳輸12.5Mb/s的數(shù)據(jù)。同時(shí)還采用了4個(gè)非成像光接收器。他們還在實(shí)驗(yàn)中比較了從基礎(chǔ)信道倒置到更先進(jìn)的時(shí)空技術(shù)等四個(gè)探測(cè)方法的性能優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用最簡(jiǎn)單的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)利用最復(fù)雜的方法所達(dá)到的比特誤碼率。該系統(tǒng)還可提供一個(gè)平均水平達(dá)到350勒克斯的全照明，完全符合家庭和辦公環(huán)境的ISO照明標(biāo)準(zhǔn)。

    在量子信息的所有分支中，量子密碼是最接近于實(shí)用的量子通信技術(shù)。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，量子密碼通信目前已從單純研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。量子密碼學(xué)是量子力學(xué)與密碼學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，而量子密碼學(xué)的核心就是量子密鑰分配。量子密鑰分配的安全性由量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理等物理學(xué)原理作保證。實(shí)際上由于有了量子密鑰分發(fā)的安全性保障，用量子密鑰既可以實(shí)現(xiàn)單鑰體制中的密鑰共享，也可實(shí)現(xiàn)雙鑰體制中的私鑰安全分發(fā)。在當(dāng)前的光通信系統(tǒng)中，量子密碼學(xué)沒(méi)有被廣泛采用的最大障礙就是其難以集成到標(biāo)準(zhǔn)的光網(wǎng)絡(luò)中，這種困難源于用于量子秘鑰分配的單量子相比經(jīng)典的光信號(hào)在功率上有極大的差異。這種巨大的功率差異使得采用量子密鑰分配技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光通信的成本極其昂貴，并且難以有效部署實(shí)施。最近，西班牙Politéc-nica大學(xué)的研究人員提出了一種簡(jiǎn)單直接的可將量子密碼學(xué)集成到光纖接入網(wǎng)絡(luò)中的集成方法。特別地是，他們研究了基于無(wú)源光和時(shí)分復(fù)用技術(shù)將量子秘鑰分配系統(tǒng)無(wú)縫集成到標(biāo)準(zhǔn)的接入網(wǎng)的具體方案。該方案的新奇之處在于，基于選擇性后處理方法避免了其它網(wǎng)絡(luò)用戶制造的噪聲，從而使得量子密鑰得到凈化。更重要的是，這種方案不需要修改量子或經(jīng)典器件的硬件規(guī)格，也不需要在網(wǎng)絡(luò)器件和量子密碼器件之間使用任何同步機(jī)制。