光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂 
    10/13/2014，2014年9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、光纖傳感與測量技術、光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
 1.光纖激光器
    近些年，脈沖光纖激光器在激光器領域一直受到研究人員的重視，尤其是皮秒和亞納秒級別的脈沖光纖激光器，這是由于其在許多領域有著極其廣泛和獨特的應用，例如濾波，頻率轉(zhuǎn)換以及超連續(xù)譜產(chǎn)生等。并且這些應用對脈沖光纖激光器的特征參數(shù)和功能要求卻有很大不同，如脈沖間隔、脈寬以及重復率等參數(shù)。此外，在很大的時域范圍內(nèi)可調(diào)諧的全光纖型脈沖激光器的功能性和應用性要比那些參數(shù)固定的激光器豐富得多。對于不同應用中的對脈寬和重復率的不同需求，時域可調(diào)諧型脈沖光纖激光器具有很強的靈活度，它的存在大大減少了整個應用系統(tǒng)的復雜程度。目前，通過引入合適的電脈沖產(chǎn)生器，然后利用激光二極管直接電流調(diào)制技術和連續(xù)波脈沖激光強度調(diào)制技術都可實現(xiàn)從皮秒到亞納秒范圍內(nèi)的時域可調(diào)諧脈沖光纖激光器。當前，由時域可調(diào)脈沖激光種子源和稀土摻雜光纖放大器組成的光纖主震蕩功率放大系統(tǒng)已取得重大進展并且應用在很多領域。相比其它種子光源，鎖模光纖激光更具有出眾的優(yōu)點，尤其是它具有很低的信噪比和較高的輸出功率。然而具有時域可調(diào)功能的鎖模光纖激光器在這兩個方面的表現(xiàn)并不出色。最近，中國國防科技大學光電科學與工程學院的研究人員報道了一種基于摻釔光纖的全光纖脈沖激光器，這種激光器的脈寬和重復率都可在很大的范圍內(nèi)被動可調(diào)，其鎖模原理為基于高速腔內(nèi)強度調(diào)制器的主動鎖模。該激光器可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的皮秒脈沖串，并且脈寬的可調(diào)諧范圍為從31皮秒到910皮秒，重復率的可調(diào)諧范圍為從13.12MHz到6.2GHz（從基態(tài)到475階諧波），該調(diào)諧過程并不改變激光諧振腔的結(jié)構。該激光腔的超模抑制比為45dB，其在6.2GHz重復率下的信噪比要優(yōu)于48dB。這是迄今為止在全正常色散摻釔光纖激光器中所能實現(xiàn)的最高階諧波鎖模（475階），并且具有迄今為止所報道過的最大的脈寬和重復率調(diào)諧范圍。

    空分復用的實現(xiàn)方法是利用多芯光纖或者多模光纖在空間上的自由度來復用多路信道，目的在于解決目前單模光纖的容量瓶頸。利用多模光纖實現(xiàn)空分復用又被稱為模分復用。當前，工作于不同橫模上的光纖激光器一直被人們寄望于應用在模分復用系統(tǒng)中，然而目前對于這種類型的激光器的研究非常少。利用單波長連續(xù)波激光器可產(chǎn)生圓柱形的矢量光束已被實驗證實。這種激光器依靠少模光纖布拉格光柵和腔內(nèi)的偏移拼接來產(chǎn)生快速偏振和方位偏振模。此外，利用少模或多模光纖布拉格光柵可在多模激光器和波長開關激光器中實現(xiàn)波長選擇功能，目前已有研究人員報道了可用線性摻釔光纖諧振腔和少模光纖布拉格光柵協(xié)同一個可調(diào)濾波器來實現(xiàn)模式選擇和波長選擇的同步性。在此基礎上，香港城市大學電子工程系的研究人員提出了一種被動鎖模光纖激光器，該激光器包含一個雙模光纖布拉格光柵因而可實現(xiàn)橫模的選擇。在實驗中，研究人員通過控制諧振腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，該激光器可在LP01模、LP11模或者兩者混合的模式上實現(xiàn)連續(xù)波輸出，這些模式與光纖布拉格光柵中的不同的反射波長相對應。當激光器處于鎖模狀態(tài)下，它可在LP01模和LP11模式下輸出重復率為6.58MHz的皮秒脈沖，其輸出脈沖的信噪比高于56dB。此外，研究人員還證實了在足夠高的泵浦功率下，該激光器可以產(chǎn)生不規(guī)則的多重脈沖串和諧波鎖模脈沖，這種類型的光纖激光器可應用于光纖無線通信的模分復用系統(tǒng)中。
    單壁碳納米管作為一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復合材料、平板顯示、真空電子器材、生物探測器、抗電磁干擾材料等方面有著廣泛的應用前景。最近，人們發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的光學吸收特性會隨著入射光的強度和能量的衰減而變化。這種非線性光學特性使得單壁碳納米管在超快光子學方面有著潛在的應用。尤其對于被動鎖模激光器來說，單壁碳納米管由于具有很寬的吸收帶寬和超快的恢復時間（~1皮秒），它可在激光器中作為非常好的可飽和吸收材料。目前已有科研人員將它用于光纖激光器中。當前將單壁碳納米管飽和吸收器集成于光纖激光器諧振腔內(nèi)的方法主要包括三明治結(jié)構、消逝場互作用法以及液態(tài)法。相比其它方法，液態(tài)飽和吸收器由于具有高熱損耗的優(yōu)點因而具備較高的損傷閾值。最近，北京科技大學應用科學學院信息光子技術研究所的研究人員報道了一種基于重水中單壁碳納米管作為可飽和吸收器的鎖模光纖激光器。他們發(fā)現(xiàn)這種基于碳納米管的液態(tài)飽和吸收器具有非常高的透光度、熱損耗和損傷閾值。研究人員在實驗中測得該激光器的輸出脈沖脈寬為306飛秒，最大平均輸出功率為20毫瓦，中心波長為1560納米，輸出譜寬為15.2納米。

2.無源光子器件
    光纖調(diào)制器因其低損耗、寬調(diào)制帶寬的優(yōu)點而成為光通信系統(tǒng)中非常重要的元器件之一。然而，對于大多數(shù)光纖調(diào)制器來說，將一個外部的電光器件引入光纖通信鏈路，不但增加了整個系統(tǒng)的復雜程度，而且將導致不必要的插入損耗。此外，由外部調(diào)制引起的逆向散射還將對激光源造成一定的損傷。對于以上這種缺陷，目前有許多克服的方法，例如在光學路徑上插入一個吸收器或者反射性材料如吸收性液晶、鐵電晶體或磁性流體，但這些方法都在系統(tǒng)構建上存在一定的困難；另外還有某些光纖調(diào)制器依賴于對光學路徑物理破壞的修正例如對纖芯的直接加熱以及采用薩尼亞克環(huán)結(jié)構等，這些方法的缺陷是不易操控和調(diào)制效率低下。導致其調(diào)制效率低下的原因主要有兩個：其一是因為在外部器件和纖芯之間存在大面積的包覆層，這將導致光學調(diào)制的難度增大；另一方面是因為對于硅材料，光與物質(zhì)的相互作用相當弱（硅材料中有效折射率的變化僅僅只有10-4量級），因而其很難被集成到光學回路中。所以往往需要很長的光纖長度（米量級）才能實現(xiàn)調(diào)制功能，這使得其很難符合集成光子回路的微型化需求。因此，為了增大調(diào)制效率，必須增強光纖纖芯區(qū)域的光與物質(zhì)的相互作用。近年來，一種新型的二維材料石墨烯引起了研究人員的廣泛關注，石墨烯在電學、機械以及光學特性方面具有很多其他材料無法比擬的獨特性質(zhì)。其面內(nèi)介電常數(shù)可利用化學勢來主動調(diào)節(jié)，這使得其在主動調(diào)控光學器件方面有著潛在的應用。此外，石墨烯已被人們用于光學調(diào)制器，包括吸收調(diào)制器、馬赫增德調(diào)制器等。最近，浙江大學信息科學與電子工程系的研究人員提出了一種基于石墨烯的光學調(diào)制器。該調(diào)制器可被集成到通信光纖中。研究人員將石墨烯直接固定在光纖的纖芯處以保證耦合效率。他們將光纖進行精細地外圓加工以增強光與石墨烯的相互作用。在前期研究結(jié)果的基礎上，他們采用二維模型分析法和三維時域有限差分法嚴密地分析了基于二維各向異性石墨烯模型的光學調(diào)制機理。數(shù)值結(jié)果表明，基于這種石墨烯模型單臂長度為12微米的相位調(diào)制器可增大光調(diào)制效率。此外，研究人員還首次在理論上發(fā)現(xiàn)了相位改變與石墨烯的化學勢之間存在一種準線性關系。，該結(jié)果為光學相位調(diào)制的操控提供了一個較大的線性動態(tài)區(qū)間。

    在非線性光學領域，強光一直被廣泛的應用于各種光路，例如作為實現(xiàn)光功率放大的主動介質(zhì)泵浦，相干受激輻射，單光子源的量子點泵浦，各種非線性光學過程如四波混頻、微型或納米諧振腔的泵浦源等等。與此同時，對于經(jīng)典信號和量子信息處理領域，光子集成回路中的信號通常由弱光或者單光子進行編碼處理。因此，那些從強泵浦光中分離出的雜散光將在信息處理過程中導致誤碼以及較高的噪聲背景。也就是說，在集成光子回路中需要一個光學“垃圾倉庫”，這個倉庫的可以無反射地完美吸收那些強泵浦光。在過去的數(shù)十年中，研究人員提出了各種類型的由等離子體納米諧振腔陣列構成的空間二維或三維吸收器。令人意外的是，可與電介質(zhì)波導兼容的集成型吸收器反而被人們忽略了。其實我們可以借鑒空間吸收器的想法來將精密的耦合諧振腔引入集成光子回路，用于無完美吸收那些入射的強光。然而這種基于諧振腔的吸收器存在幾個局限性：第一，諧振腔必須在臨界耦合條件下工作，這將導致對腔體幾何參數(shù)的高度依賴性；第二，它的吸收譜的輪廓為洛倫茲形，也就意味著很窄的帶吸收帶寬；第三，諧振腔的共振波長對溫度敏感，這將導致吸收譜會隨著溫度的變化而偏移，導致吸收帶寬的不穩(wěn)定；第四，腔的共振特性與其有限的響應速度相對應，這也意味著在腔內(nèi)的穩(wěn)態(tài)場建立之前激光脈沖并不能被吸收。此外，由于光子回路中的共振是偏振相關的，因而兩個正交的偏振分量并不能同時被吸收。最近，中國科技大學量子信息重點實驗室的研究人員提出了一種可應用于光子集成回路的寬帶等離子體吸收器。眾所周知，表面等離子體偏振損耗是基于等離子體信息傳輸?shù)囊粋�致命缺陷。然而他們提出利用這個缺陷可構建一個等離子體吸收器用于吸收光子集成回路中的強雜散光。受益于絕熱模式演化，這種吸收器的性能對帶寬大于300nm的入射光波長并不敏感，并且能很好地適應周圍的環(huán)境和溫度。此外，金屬材質(zhì)使得其體積非常緊湊并且熱耗散性能良好。研究結(jié)果表明，對于40μm長的等離子體吸收器，其在1550nm波段的吸收效率超過99.8%，反射率和透射率都小于0.1%。研究人員指出這種吸收器將在光子集成回路中有著潛在的應用，它將可以消除光子集成回路中的殘余泵浦光和雜散光。
 
3.光纖傳感與測量技術
    光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，再過利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學測量的特點，有一系列獨特的優(yōu)點：它的電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯(lián)接。傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。最近，成都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提出了一種可同時測量高溫和張力的光纖傳感器。這種光纖傳感器由一個微型法布里波羅腔和一個短光纖布拉格光柵重疊組合而成，它的溫度測量極限為300攝氏度。研究人員利用157nm的激光源采用顯微機械加工技術在摻雜二氧化鍺的光子靈敏光纖中構建了一個微型法布里波羅腔，并且采用248nm的激光源在光纖中與微腔相同的位置構建了短光纖布拉格光柵。由于法布里波羅腔和光纖布拉格光柵具有不同的溫度和張力靈敏系數(shù)，因而可以實現(xiàn)溫度與張力兩個參數(shù)的同步測量。
 
4.光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)
    相比其他長途通信光纜線路系統(tǒng)，無中繼傳輸系統(tǒng)主要瞄準于長距離的光信號傳輸，長距離無中繼傳輸系統(tǒng)可將遠程泵浦激光器與信號光的發(fā)送端或接收端設備放置在一起，增益介質(zhì)放置在光纖線路當中，整個光傳輸線路部分沒有任何有源設備，從而減小了系統(tǒng)的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的建設運維成本，具有傳輸容量大、傳輸距離遠、通信質(zhì)量高，結(jié)構簡單，開通迅速，維護方便，成本低廉等諸多優(yōu)點。長跨距無中繼全光傳輸技術的適用范圍十分廣闊，該技術可應用于以下幾個方面：一，島嶼與島嶼、島嶼與大陸間長距離大容量通信；二，海底光纜通信系統(tǒng)應急搶通和替代升級；三，還與光纜工程規(guī)劃建設；四，沙漠、高山、峽谷、戈壁等跨無人區(qū)長距離光纜工程建設。最近，美國薩摩薩特OFS實驗室的研究人員實驗驗證了傳輸距離達402千米，傳輸速率達到6.3Tb/s（63×128Gb/s）的無中繼光纖傳輸系統(tǒng)。實驗中他們在發(fā)射端采用了高功率包層泵浦L波段摻鉺光纖放大器，在接收端放置一個遠程泵浦光放大器，聯(lián)合超大面積光纖、低損耗和零水峰損耗光纖構成了整個無中繼傳輸系統(tǒng)。此外研究人員還給出了實驗中所采用的摻鉺光纖放大器的設計思路和特性分析，探討了遠程泵浦光放大器的系統(tǒng)性能優(yōu)化，以及在大容量長距離無中繼傳輸系統(tǒng)中拉曼效應對整個系統(tǒng)的影響。

    當前，隨著數(shù)據(jù)客戶的數(shù)量急速增長，電信運營商對網(wǎng)絡容量和傳輸速率的需求一直以螺旋式向上提升。為了匹配高速光纖通信系統(tǒng)的容量，建立每秒數(shù)千兆比特的無線系統(tǒng)迫在眉睫。最近，復旦大學電磁信息科學重點實驗室的研究人員提出了一個可運行于W波段并無縫集成的光纖-無線-光纖通信系統(tǒng)，其技術支撐為光生毫米波技術及解調(diào)技術。在該系統(tǒng)中傳輸速率達到109.6-Gb/s的偏振復用正交相移鍵控信號可在SMF-28型單模光纖中傳輸80千米。該光纖-無線-光纖集成系統(tǒng)具有可比擬光纖-光通信系統(tǒng)的容量，很適合應用于應急通訊。