光纖在線特邀編輯：
邵宇豐 方安樂 
    2014年7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、微波光子學、光網絡及子系統等，筆者將逐一評析。

1.光纖激光器
    最近數十年，隨機激光器由于在光學傳感、激光成像、光譜學和醫(yī)療科學等領域有著重要的應用價值而被廣泛的研究。隨機激光器是一種非傳統的激光器。它的反饋機制是以隨機散射為基礎的。這一點與傳統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。有別于傳統的激光諧振腔，隨機激光器通過在增益介質中引入多重散射來獲得具有角度依賴性的光譜和非常高的閾值功率。此外，隨機激光器低廉的制造成本、特殊的工作波長、微小的尺寸、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�，F在通常利用光纖這種應用廣泛的光波導來提高隨機激光器的性能。例如，先前報道的基于來自銳利散射的隨機分布反饋式隨機光纖激光器，其利用傳統光纖中的分布拉曼增益來獲取放大的功率輸出。此外，還有利用銳利散射作為隨機分布反饋和利用受激布里淵散射作為增益的相干布里淵隨機激光器。到目前為止，大多數隨機激光器都采用光學泵浦。某些應用，如平板顯示、汽車、飛機座艙中的顯示要求能實現電子泵浦。最近，有人報道了在稀土金屬摻雜的介電納米磷光粉等材料上實現了電子學泵浦的連續(xù)激光輸出。隨機激光器對基礎研究領域也是非常有益的。例如，把光學增益添加到一個隨機介質，為光波的輸運和局域化提供了一個新的研究途徑。最近，來自中國計量大學的光電科技學院的研究人員報道了一種基于混合布里淵摻鉺光纖增益的級聯隨機光纖激光器。該激光器具有一個半開放的諧振腔，同樣利用銳利散射作為隨機分布反饋。他們在實驗中產生了四個級聯的頻率間隔為11GHz的受激布里淵斯托克斯譜。實驗測得第一個和第四個斯托克斯譜線的峰值功率差為2.808dB。輸出的斯托克斯線的數量可由980nm的泵浦光控制。利用半開放的光諧振腔可以避免技術和偶數斯托克斯線的峰值功率差。最佳的布里淵泵浦功率可降低到1-2mW，由于摻鉺光纖的引入，該激光器的多波長輸出譜呈扁平狀。

    多波長光纖激光器由于可用于光通信系統和光纖傳感器而備受關注。作為多波長光纖激光器中的關鍵器件，梳狀濾波器可用于確定激光譜線的信道間隔。因此，提高梳狀濾波器的性能也成為當前對于多波長光纖激光器研究的熱點之一。到目前為止，已有好幾種可用于實現梳狀濾波的方法，例如利用馬赫增的干涉儀，薩尼亞克環(huán)，光纖光柵，利奧濾波器等等。以上幾種梳狀濾波器都是基于傳統的光纖來構造的，這意味著其體積并不如何緊湊。然而由于在一些關于多波長激光器的應用中，小型化設計的腔內梳狀濾波功能將變得非常重要。從某種意義上講，超細纖維被認為是可用于構造多功能光子器件的最卓越的材料。特別地是，在一些新興的領域例如微型激光器的構造、光纖傳感等領域，基于微纖的諧振腔技術發(fā)展的相當迅速。微纖諧振腔具有易于構造、結構緊湊以及集成簡單等優(yōu)點，這使得其在光子器件領域的應用前景非常大。眾所周知，微纖諧振腔的形狀可以是環(huán)形，也可做成結狀。相較于環(huán)形微纖諧振腔，結狀微纖諧振腔更加穩(wěn)定，因為它與范德瓦爾斯力和靜電力無關。迄今為止，盡管微纖結狀諧振腔已被報道用于光纖傳感和光通信系統中，其在激光器中的應用還尚未見報道。這種結狀微纖諧振腔也具有梳妝濾波功能，這使得其可用于多波長光纖激光器的構造。最近，華南師范大學信息與光電工程科學學院的研究人員實驗驗證了一種基于結狀微纖諧振腔的穩(wěn)態(tài)多波長摻鉺光纖激光器。其中結狀微纖諧振腔的引入就是為了實現梳狀濾波功能。他們在實驗中通過適當地的旋轉偏振控制器，在3dB的帶寬內得到了高達11道激光譜線，其信道間隔為0.184nm。此外，利用腔內雙折射效應和具有偏振依賴的隔離器的濾波效應，該激光器的輸出譜可靈活調控。該實驗首次驗證了結狀微纖諧振腔可作為高性能的梳狀濾波器用于實現小型化的多波長光纖激光器。

2.無源光子器件
    光波導強度調制器是集成光學中的重要器件，廣泛應用于光學傳感、光學邏輯回路以及高速數模轉換等方面。調制機理主要是基于光波導的電光效應和熱光效應。其中電光效應的調制速度快，缺點是在調制過程中會帶來能量的衰減，而且由大電流引起的發(fā)熱會降低調制效率。薄膜電光調制器由于可被非常高效地整合到集成光子回路中，因而在近十年來發(fā)展迅速，這些電光調制器主要依靠波克爾斯效應來誘導折射率的變化。當前為了貫徹低損耗和器件小型化的設計理念，因而通常采用具有強電光系數的材料來制備。這類材料通常包含非常經典的鐵電材料，其電光系數比那些非鐵電材料要大一個數量級。鐵電材料具有非常寬的透射窗口，覆蓋了整個可見光波段以及部分紫外光波段。此外，他們還具有良好的熱學和機械力學的穩(wěn)定性。當前已有用于此類光電器件設計的鐵電材料主要為鈦酸鋇，例如將氮化硅帶狀波導沉積在鈦酸鋇薄膜頂部可實現集成光子回路上高速電光調制器的構造。最近，美國耶魯大學電氣工程系的研究人員提出了一種新型的小型電光調制器的設計思想，這種電光調制器主要是采用鈦酸鋇作為電光活性材料，并將其制成水平溝脊狀波導用于實現電光調制。由于該調制器可將傳輸的電磁場集中到鈦酸鋇薄膜層，因而具有很低的半波電壓長度，這樣將可實現調制電場和傳輸模之間的高度重疊。此外，他們還指出這種基于鈦酸鋇的波導結構具有非常低的傳輸損耗，并且利用傳統的硅加工技術也很容易制備。

    利用熱光效應的調制器調制速度相比電光調制較慢，其構造材料主要為具有熱光系數大、熱傳導率高的材料。SOI 光波導具有良好的光學性能，同時又與傳統的硅加工工藝兼容，近些年在光電子器件方面得到廣泛的應用，但其導波層硅屬于中心對稱浸提，直接電光效應很弱，只能通過等離子色散效應和熱光效應來進行折射率調制。由于等離子色散效應中注入的高濃度載流子會產生載流子吸收，進而影響調制器的性能，而且大的電流密度也會帶來大的功耗。因此，基于SOI的熱光調制器具有很好的應用前景。目前已有報道的基于SOI的熱光調制器結構主要有干涉儀型，如多模干涉馬赫-增德熱光調制器。最近，英國南安普頓光電研究中心的研究人員實驗報道了一種基于SOI材料的熱光調制器，該調制器的工作波段為位于中紅外波段的3.8μm。該器件的構造主要為非對稱的馬赫增德干涉儀，并在其中一臂上放置一個鋁制加熱器。實驗中所用的SOI肋狀波導的硅層厚度為400nm。它們分別研究了傳統的直臂結構和螺旋臂結構的干涉儀所構成的調制器的性能差異。實驗結果表明直臂結構的干涉儀具有更高的調制深度，達到了30.5dB，而螺旋臂結構的干涉儀具有更低的切換功率，可低至47mW。此外，研究結果發(fā)現該電光調制器的調制帶寬與干涉儀的幾何形狀無關。
3.微波光子學
    近年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。超寬帶通信技術以其傳輸速率高、抗干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術之一。超寬帶脈沖信號具有低功率譜密度，高帶寬等優(yōu)點，并且與其他無線系統可很好地兼容。發(fā)射超寬帶信號最常用和傳統的方法是發(fā)射時域上脈寬很短的脈沖，信息數據的調制方式有很多種，最常用的兩種分別為脈沖位置調制和脈沖幅度調制。當前，超寬帶脈沖信號無線通信技術已擴展到它所能覆蓋的范圍。與此同時，超寬帶脈沖信號的光學產生方法已被證實可減少射頻組件的復雜度，并且可以克服電子器件速度瓶頸。 全光產生超寬帶脈沖有很多種方法，包括相位調制到強度調制的轉換法，半導體光放大器中的交叉增益調制或交叉相位調制法等等。對于超寬帶脈沖無線通信技術的實際應用來說，人們最希望的就是能同時在光學范疇內實現信號的產生和調制。目前的方法大多數只能產生一種調制格式的超寬帶脈沖。最近，上海交通大學電氣工程系先進光通信系統與網絡國家重點實驗室的研究人員提出了一種新型利用雙驅動馬赫增德調制產生3-D超寬帶信號的方案。該方案所產生的超寬帶信號具有3個自由度，分別是脈沖位置、脈沖相位和脈沖振幅。實驗中每個馬赫增德調制器的端口都被兩個具有不同振幅的編碼信號所調制。通過適當地調整編碼信號的振幅和兩個射頻端口的偏壓，產生了5Gb/s中心頻率為3,5GHz的超寬帶脈沖信號，其部分帶寬為10dB。值得一提的是，該方案簡單可行，只用到了一個雙驅馬赫增德調制器。

    此外，來自武漢華中科技大學光電信息學院光電國家實驗室的研究人員也提出了一種簡單且新穎的產生可重構的超寬帶脈沖信 號的光學方法。在他們多提出的方案中，僅僅用到了一個電光相位調制器，一個光程序化濾波器和三個激光探頭。從相位調制到強度調制的轉換法被用來獲得基本的具有反極性的單環(huán)脈沖。研究人員利用單模光纖作為色散介質使得這些單環(huán)脈沖產生色散延時。通過切換不同的激光探頭，可以很容易地在光電探測器的輸出端獲得單環(huán)、雙環(huán)或三環(huán)脈沖。該方案還可用于產生高階的超寬帶脈沖信號以及同于超寬帶無線通信的不同調制格式的脈沖信號。
4.光網絡及子系統
    可見光通信技術主要是利用白光LED照明燈來實現無線傳輸的，與目前使用的無線局域網（無線LAN）相比，“可見光通信”系統可利用室內照明設備代替無線LAN局域網基站發(fā)射信號，其通信速度可達每秒數十兆至數百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。此外，以有機電致發(fā)光器件(OLED)、有機光伏器件(OPV)和有機場效應晶體管(OTFT) 為代表的有機光電功能材料和器件在新型平板顯示、固體照明、柔性顯示、高密度信息傳輸與存儲、新能源和光化學利用等領域顯現了廣闊的應用前景，受到科學界和產業(yè)界的普遍關注。然而，盡管可見光通信技術和有機光電器件這兩個研究領域都是當前的研究熱點，但是還未見有將有機光電器件應用于可見光通信鏈路中的實驗報道。這主要歸結于兩個原因：第一，當前市場上缺少相應的有機光電器件，僅有商用有機電致發(fā)光二極管，而并沒有有機光電探測器可售，除非專門定制。其次，基于有機光電器件的可見光通信技術也是最近才被研究人員重視，當前所報道研究成果主要集中在發(fā)射器和接收器兩方面。因而評估這種基于有機材料的光發(fā)射器和接收器在可見光通信鏈路中的性能表現顯得很有必要。最近，英國諾森比亞大學環(huán)境工程系光通信研究小組的研究人員實驗報道了一種基于有機光電器件的1-Mb/s可見光通信系統。該實驗是世界上首個全部采用有機光電器件的自由空間光通信實驗。由于具有較低的電荷傳輸特性，有機光電器件在幾百個KHz范圍內具有很高的頻帶限制(該實驗中達到135kHz)。必須采用一個人工神經網絡均衡器來消除碼間串擾效應。在沒有人工網絡均衡器的情形下，實驗測得的通信數據速率為350kb/s，而在施加均衡器的情形下，傳輸塑料廠可達到1.15Mb/s。

    在無源光網絡中，網絡線路故障的即時監(jiān)控和修復一直是網絡安全運行的重中之重。目前最主要的方法就是采用光時域反射計來集中和自動的對網絡的故障進行監(jiān)控和修復。無論是在時分復用無源光網絡還是波分復用無源光網絡中，都將受到來自全光分配網分路的銳利反向散射光的碼間串擾，這將使得對網路中的故障定位變得非常棘手。對于波分復用無源光網絡的監(jiān)控來說，由于采用陣列波導光柵取代了被動分離器，光時域反射計的寬帶脈沖將被分配到不同的多路復用信道中并且獲取不同的強度，因而其故障定位問題將比時分復用情形更加復雜。如果采用一個可調諧的光時域反射計，其波長選擇性將自動的解決故障識別問題。然而，可調諧的光時域反射計目前在還沒出現在商業(yè)市場上，并且寬帶光時域反射計的光譜功率密度太低以至于不能在單個WDM信道中提供一個合適的動態(tài)范圍。最近，巴西里約熱內盧天主教大學光通信研究中心的研究人員提出了一種基于可調諧光時域反射計的無源光網絡故障監(jiān)控方法。該故障定位原理為單光子探測法。該實驗中所運行的網絡為基于32個信道的周期性陣列波導光柵的波分復用無源光網絡。其中采用L波段作為監(jiān)控波段。在實驗中他們評估了下行的銳利散射和拉曼散射對暗計數噪聲的貢獻并且進行相應的濾波處理。研究結果表明上行功率將對本底噪聲產生最大的貢獻，它是制約上行傳輸速率的關鍵因素。在整個包含上行和下行功率的網路監(jiān)控實驗中，研究人員發(fā)現該方案可達到32dB的動態(tài)范圍等級，空間分辨率可達到5m。