光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂 
    2014年8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、無源光子器件、光生太赫茲技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1. 半導(dǎo)體激光器
    垂直外腔面發(fā)射激光器是一種新型半導(dǎo)體激光器，它是光子器件在集成化方面的重大突破，這種激光器由于可以將具有衍射極限的空間光束質(zhì)量和從紫外到中紅外的寬頻譜范圍與高輸出功率相結(jié)合，最近受到研究人員的廣泛關(guān)注。這種激光器與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射器在結(jié)構(gòu)上有很大的不同，其優(yōu)于端面發(fā)射激光器的地方在于易于實現(xiàn)二維平面和光電集成；圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合；并且其有源尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；芯片生長后無須解理且封裝即可進(jìn)行實驗；在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都可以單縱模工作，幾個也很低廉。現(xiàn)今，基于量子點等新型結(jié)構(gòu)的這種激光器更是具有一些非常優(yōu)秀的特性，例如寬增益帶寬、超快載動力、低溫度靈敏度、低閾值電流以及較低的飽和吸收特性。此外，它們開放的體系架構(gòu)也有諸多優(yōu)點，例如可用飽和吸收器進(jìn)行被動鎖模甚至于自啟動鎖模，而且可實現(xiàn)腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換。尤其需要指出的是，它們良好的熱管理性能使得單片垂直腔面發(fā)射激光器的運行功率可高達(dá)100W以上。此外，這種光學(xué)泵浦系統(tǒng)還有被用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域如光譜學(xué)、計量學(xué)、生物光子學(xué)以及光通信等領(lǐng)域。最近，德國馬爾堡菲利普大學(xué)物理與材料科學(xué)研究中心的研究人員提出了一種新型基于量子點的垂直腔面發(fā)射激光器，其工作波長為1040nm。實驗人員分別記錄了在不同的泵浦寬度和不同的運行溫度下的輸出功率值，作為激光器運行環(huán)境的優(yōu)化結(jié)果，他們在1.5攝氏度的激發(fā)溫度和330μm泵浦寬度條件下為得到了一個最大的連續(xù)波輸出功率為8.41W。該結(jié)果是迄今為止得到的最高輸出功率的基于量子點結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器。此外，通過在激光腔內(nèi)插入雙折射濾波器，研究人員實現(xiàn)了一個非常寬的波長可調(diào)功能，其調(diào)諧范圍達(dá)到了45nm。

圖一 基于量子點結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器實驗裝置原理示意圖
輸出波長為2μm的固態(tài)激光器在很多領(lǐng)域如激光雷達(dá)、激光測距、材料加工和顯微手術(shù)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。此外，2μm波長具有高峰值功率的脈沖激光也是一種優(yōu)良的泵浦種子源，可作為摻鉻硫化鋅固體激光器和基于砷化鎵的光參量振蕩器的泵浦源。最近，山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員首次研究了具有波長可調(diào)諧特性的主動調(diào)Q摻銩碳酸鋰激光器。通過內(nèi)置一個雙折射石英片，這種激光器的輸出波長可在1835nm至1995nm范圍內(nèi)調(diào)諧。通過使用一個AO調(diào)制器作為光學(xué)快門，實驗中在波長為1924.2nm處得到了244ns的脈沖激光，重復(fù)率為1kHz，其中單脈沖能量為0.47mJ，峰值功率為1.65kW。該實驗結(jié)果被證實為目前稀土摻雜鐵電晶體激光器所能獲得的最高峰值功率。
自從半導(dǎo)體量子阱晶體管激光器問世以來，它在高速光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用普遍而重要。晶體管激光器作為一種相干光源，它將使更快的寬帶通信成為可能，包括遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)及芯片內(nèi)和芯片間的短距離互連。此外，無論是作為晶體管還是激光器，晶體管激光器都具有革命性的意義。當(dāng)用作晶體管時，因其具有3個電極，而不像二極管只有2個，因而比二極管更容易集成在芯片上。與集成電路相似，晶體管有獨立的輸入和輸出端口，而二極管的輸入和輸出為一個端口。當(dāng)用作激光器時，因其離子束反轉(zhuǎn)能用驅(qū)動電流較快地控制，在速度上比二極管激光器更具優(yōu)勢。最近，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校電子與計算工程系的研究人員設(shè)計并制造出了一種量子阱晶體管激光器，其腔長為200μm。實驗測量了為激光器集電極的電流電壓特性以及光功率電壓特性，在溫度為20攝氏度下的閾值電流為36mA。此外，實驗還測量了在載流子與光子共振振幅約為4.2dB的情況下輸出激光的調(diào)制帶寬為8.1GHz。在相同的偏壓條件下，該晶體管激光器被證實可在室溫下無誤差的以13.5Gb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。
2. 無源光子器件
導(dǎo)模共振濾波器在理論和實際運用上都具有重要的物理意義和研究價值。其主要表現(xiàn)為介質(zhì)光柵的反射異常，即當(dāng)入射波的波長、入射角或光柵結(jié)構(gòu)參量做微笑變化時，光柵衍射能量發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象。導(dǎo)模共振目前受到研究人員的重視，主要有三個方面的原因。首先，它提供了一個和新的制作新型功能光學(xué)元件的方向，其次它利用的是光波在亞波長波導(dǎo)光柵中傳播時產(chǎn)生導(dǎo)模共振的物理現(xiàn)象。與傳統(tǒng)薄膜濾光片相比它具有極窄的帶寬和極高的反射，并且結(jié)構(gòu)簡單。最后一個原因是它優(yōu)秀的光學(xué)特性例如共振波長的帶寬可控、現(xiàn)行對稱以及在很寬的波長范圍內(nèi)旁帶值被抑制的很低的特性使其具有非常重要的應(yīng)用價值。此外，利用導(dǎo)模共振全反射對光柵參量和入社條件極為敏感的性質(zhì)，可以設(shè)計制作高反元件，窄帶濾波器及偏振分離如激光器反射鏡、偏振片、光學(xué)調(diào)制器等光學(xué)器件。最近，美國德克薩斯大學(xué)電氣工程系的研究人員提出將多線導(dǎo)模共振濾波器作為一個反射鏡以實現(xiàn)一個外腔激光器的方案。它們利用嚴(yán)格的數(shù)值方法設(shè)計了共振器件并且利用薄膜沉積和刻蝕方法做成了一個實驗?zāi)Ｐ停瑢⒁粋�100nm厚的光柵層沉積于170μm厚的玻璃板上以支持上千個共振模的傳輸。他們在中心波長為840nm帶寬約為10nm寬的范圍內(nèi)探測到了約10個窄共振峰。將這種多線導(dǎo)模共振濾波器作為增益玻片可獲得數(shù)個同時共振的激光線用于增益競爭，并且可以通過精確的調(diào)諧可從多重共振線中獲得一個穩(wěn)定的激光線。
    偏振器作為一種最基本的光學(xué)器件，它有著極其廣泛的應(yīng)用價值，例如在光波通信和光傳感領(lǐng)域。目前人們已經(jīng)研究了基于周期型結(jié)構(gòu)的不同類型的偏振器，這其中就包括一種由分層的金屬介電層組成的分層狀偏振器。入射的橫磁模通過表面等離子體偏振效應(yīng)可通過這種分層偏振器，而入射的橫電模則被反射或被其中的金屬層所吸收。最近，來自日本法政大學(xué)工程科學(xué)系的研究人員通過FDTD仿真研究了這種分層偏振器的基本特性，為實現(xiàn)寬帶運行，它們設(shè)計了抗反射涂層，該涂層可成功地抑制在偏振器的輸入面和輸出面所產(chǎn)生的反射波。特別的是，雙層抗反射涂層將會極其顯著的提高TM波的透射率，然而這就要求鄰近空氣的那層材料需要相當(dāng)?shù)偷恼凵渎剩?1.15），因而在實際實驗中實現(xiàn)TM波的高透射率是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。為獲得具有低折射率的雙層抗反射涂層，它們采用了一個亞波長光柵結(jié)構(gòu)作為第一層，通過選擇合適的填充因子，亞波長光柵相當(dāng)于提供了一個低折射率的層面結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)這種低折射率的要求，它們還利用有效介質(zhì)理論來測量幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。它們最終實現(xiàn)了在1.0μm到2.0μm的波長范圍內(nèi)TM波的透射率超過99%，而對于TE波的透射率低于-70dB。

圖二 層狀偏振器結(jié)構(gòu)示意圖

3. 光生太赫茲技術(shù)
最近，基于非線性光學(xué)效應(yīng)的太赫茲波的產(chǎn)生也取得了極大的進(jìn)展。這些關(guān)于光生太赫茲技術(shù)的重大進(jìn)展使得我們能夠?qū)⒅畱?yīng)用于更寬廣的科學(xué)領(lǐng)域諸如材料科學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、高速光通信以及無損探測等領(lǐng)域。其中尤其值得關(guān)注的是，多頻混頻過程是一種非常有前景的太赫茲波產(chǎn)生的非線性光學(xué)技術(shù)，它可在室溫下利用納秒脈沖和連續(xù)波產(chǎn)生可調(diào)諧、窄線寬以及高轉(zhuǎn)換效率的太赫茲波。此外，光子晶體由于起獨特的光學(xué)傳輸特性一直持續(xù)收到人們的關(guān)注，諸如慢光效應(yīng)和光子帶隙結(jié)構(gòu)，他們都可對在其中傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行特別的限制。光子晶體的線性和非線性特性在波導(dǎo)、激光器、非線性光學(xué)器件等方向都有著非常廣泛的應(yīng)用。在太赫茲頻段，隨著線性太赫茲光子器件的發(fā)展，太赫茲光子晶體結(jié)構(gòu)也取得了一系列相當(dāng)重要的進(jìn)步。主動非線性光子晶體器件由于具有對光線的強限制性和布洛赫波特性，這些特點使得光子晶體中太赫茲波的產(chǎn)生具有非常獨特的相位匹配條件。最近，日本仙臺東北大學(xué)工程研究院材料科學(xué)系的研究人員報道了非線性光子晶體波導(dǎo)中準(zhǔn)單色太赫茲脈沖的產(chǎn)生過程。他們利用數(shù)值分析的方法來研究太赫茲波產(chǎn)生的一些特性，其中采用時域有限差分法(FDTD)來分析太赫茲波產(chǎn)生過程中的頻率依賴特性。他們基于光子晶體波導(dǎo)中的導(dǎo)引模和空氣帶實現(xiàn)了兩種不同的相位匹配條件。經(jīng)過計算得到的太赫茲輸出譜與早先的相關(guān)試驗結(jié)果圍合的很好。這些理論結(jié)果提供了一個對太赫茲輸出特性能有效估計的方法，該方法可用于設(shè)計較有效的相干太赫茲波源。
    連續(xù)波可調(diào)諧的太赫茲輻射可利用光導(dǎo)天線中的兩個光場進(jìn)行拍頻來獲得。這種產(chǎn)生連續(xù)波太赫茲輻射的拍頻方案設(shè)計通常需要采用兩臺獨立的激光器來實現(xiàn)。這其中可供選擇的激光源可以為兩臺縱模激光器，或者為可調(diào)諧的雙色激光器。半導(dǎo)體激光器體積小且廉價，但是由于具有很短的載流子復(fù)合時間以及亨利因子等緣由，它們的頻譜質(zhì)量通常比較差。相反，固體雙頻激光器會提供非常好的輸出頻譜純度。在一臺雙頻激光器中，兩個光學(xué)本征模通過交叉偏振效應(yīng)產(chǎn)生震蕩，因而可被獨立地調(diào)諧。此外，由于兩個本征模在同一個激光腔內(nèi)震蕩，他們的頻率波動具有很強的相關(guān)性，并且可完美的消除頻率差異。最近，來自法國雷恩大學(xué)的研究人員報道了利用雙軸、雙偏振和雙頻率的鈦鍶激光器產(chǎn)生具有高頻譜純度的連續(xù)波太赫茲輻射的方案。該激光器的輸出功率為50mW。為了匹配低溫下生長的砷化鎵混頻器的最大效率，激光器的平均輸出波長被優(yōu)化到780nm左右。盡管鈦鍶具有極其寬的增益帶寬，研究人員還是設(shè)計了一個合適的腔內(nèi)濾波器以適用于該激光器的特殊結(jié)構(gòu)，使得每個激光模式都具有單頻可調(diào)諧的特性。拍頻的結(jié)果顯示其在dc和1.5THz之間可調(diào)諧，其中拍頻步幅為82GHz。輸出譜的線寬在沒有采用任何主動穩(wěn)定化的情況下仍窄于30kHz，完全符合預(yù)期的高頻譜純度的結(jié)果。

圖三 具有雙軸雙偏振和雙頻率的鈦鍶激光器的實驗裝置示意圖

4. 光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    近些年，許多新興的服務(wù)(例如，高清IP-TV，大數(shù)據(jù)分享，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和數(shù)據(jù)中心遷移等)都需要將相同的數(shù)據(jù)從一個源頭交付到多個目的地，也叫做多路廣播或多路傳送。它是指網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點發(fā)出的信息被多個節(jié)點收到。與此相對的有單一傳播和廣播，前者是指一個節(jié)點發(fā)出的信息只被一個節(jié)點收到，后者是指一個節(jié)點發(fā)出的信息被子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點收到。實際上，在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層都有多路廣播，通常所說的多路廣播大多是針對IP的。這種技術(shù)用于多媒體應(yīng)用、多用戶交互(如聊天室)、軟件分發(fā)等，相比與傳統(tǒng)的單一廣播可以大大提高效率。在子網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)多路廣播較為簡單，然而跨越子網(wǎng)時需要路由器、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的支持。在因特網(wǎng)上，不用廣播通信。隨著網(wǎng)絡(luò)上的主機越來越多，很少有所有人都感興趣的東西。干擾所有計算機的權(quán)利也是一種非常危險的東西。在IP地址中，可以進(jìn)行廣播的能力一半是在子網(wǎng)或局域網(wǎng)上。雖然大規(guī)模不太有用，但廣域網(wǎng)上的多路廣播還是非常有用的。那就是：它可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到一組訂戶。數(shù)據(jù)只發(fā)送一次，而且只到需要他的地址去。最近，來自北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)和光通信國家重點實驗室的研究人員提出了一種新型的光網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點架構(gòu)，它可以支持正交相移監(jiān)控信號實現(xiàn)從一到六的波分復(fù)用多路廣播。路由節(jié)點的多路廣播性能直接決定了能量節(jié)省、快速服務(wù)開通以及有效網(wǎng)絡(luò)資源利用的效率。研究人員設(shè)計了一種光網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點結(jié)構(gòu)以支持波長轉(zhuǎn)換，單一傳播和多路廣播，并且在中間節(jié)點處設(shè)計了一個可共享的多路廣播/波長轉(zhuǎn)換模塊。此外，他們還采用用一個只有兩個泵浦光源的半導(dǎo)體光放大器實驗驗證了基于四波混頻的25Gb/s的QPSK信號的波長轉(zhuǎn)換和1-6型波分復(fù)用多路廣播實驗。實驗結(jié)果表明全部6個多路廣播信號均達(dá)到無差錯執(zhí)行，其功率損耗小于4.3dB。

圖四 (a)實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換和WDM多路廣播的網(wǎng)絡(luò)方案原理圖；(b)路由節(jié)點架構(gòu)示意圖； (c) M/W轉(zhuǎn)換模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)
正交頻分復(fù)用技術(shù)作為一種應(yīng)用前景巨大的多載波調(diào)制技術(shù)，目前已被廣泛的應(yīng)用于光纖傳輸系統(tǒng)及接入網(wǎng)絡(luò)。此外，正交頻分復(fù)用技術(shù)還已被用于自由空間光通信系統(tǒng)，該技術(shù)用于自由空間光通信系統(tǒng)具有以下許多優(yōu)點：1.高譜效率；2.低廉的成本和有效的執(zhí)行度；3.可免除由大氣湍流所致的突發(fā)錯誤；4.對震蕩信號的衰減具有高容忍度。目前來看盡管正交頻分復(fù)用技術(shù)也具有許多它自身的缺點如對相位噪聲的靈敏度和高峰值平均功率比，但是我們通過精心的設(shè)計使得其在在自由空間光通信的信道中仍可最大程度的發(fā)揮它的優(yōu)點，并且盡可能減小它的一些弱點。最近，來自新加坡南洋理工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院的研究人員利用多級差分相移鍵控（FD-MDPSK）將非均衡正交頻分復(fù)用技術(shù)（NE-OFDM）應(yīng)用于相干自由光通信系統(tǒng)的湍流信道中。他們采取修正的萊斯分布作為自由光通信系統(tǒng)的湍流信道，其中同事考慮到了振幅衰減和相位失真�；�于MDPSK的NE-OFDM差分編碼過程可同時在頻域和時域執(zhí)行。仿真結(jié)果表明NE-OFDM利用FD-MDPSK實現(xiàn)了與利用TD-MDPSK差不多相同的比特誤碼率，但是前者具有更低的計算硬件需求和更高的頻譜效率。因此，基于FD-MDPSK的NE-OFDM技術(shù)在相干自由光通信系統(tǒng)中是非常具有應(yīng)用前景的。

圖五 基于FD-MDPSK的NE-OFDM技術(shù)在相干自由光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實驗原理示意圖