光纖在線特約編輯：邵宇豐 方安樂 
    2014年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、無源光子器件、光纖制備、頻率轉換、光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.激光器
    雙波長激光器在很多領域具有重要的潛在應用價值，例如遙感測量、光通信器件、激光測距、測繪學、太赫茲波產(chǎn)生方面以及大量的醫(yī)療應用。通常來講，在固體激光器中實現(xiàn)雙波長輸出的方法主要有三種：一是在主晶中摻雜兩種不同的離子；二是在主晶中的單個離子上進行兩種波長的同步激發(fā)；三是在耦合腔中采用兩種不同的主晶。此外，最近也有研究人員二極管激光器也已被用來實現(xiàn)雙波長輸出。摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體是一種性能優(yōu)良的激光晶體，適于制造激光二極管泵浦特別是中低功率的激光器。與Nd:YAG相比Nd:YVO4對泵浦光有較高的吸收系數(shù)和更大的受激發(fā)射截面。現(xiàn)在Nd:YVO4激光器已在機械、材料加工、波譜學、晶片檢驗、顯示器、醫(yī)學檢測、激光印刷、數(shù)據(jù)存儲等多個領域得到廣泛的應用。目前來看，在摻釹釩酸釔晶體激光器中實現(xiàn)雙波長輸出的方法也主要有兩種：對于長波段（數(shù)十個納米以及更長），通常采用耦合腔來實現(xiàn)；對于短波段（幾個納米），通常采用一個校準器或者二相色鏡來實現(xiàn)雙波長輸出。以上兩種方法都各自的缺陷，校準器會使得諧振腔復雜化，而二相色鏡也需要復雜的設計和精細的涂層工藝。相比這兩種方法，法布里-泊羅帶通濾波是一種很成熟的技術，這種濾波器的通帶在在激光腔中抑制一種輻射震蕩從而加強并獲得另一種輻射震蕩，因而可替代前面的校準器或者二相色鏡方法。最近，廈門大學電子工程系的研究人員實驗報道了輸出波長分別為1064納米和1085納米的耦合腔摻釹釩酸釔激光器。他們利用兩個電介質法布里-泊羅帶通濾波器作為激光器的輸出耦合器，采用808納米梳狀光纖激光二極管陣列來泵浦凹面諧振腔中的摻釹釩酸釔晶體。在該實驗中，第一個法布里-泊羅濾波器用于抑制1064納米的強輻射從而促進1085納米弱輻射的震蕩。第二個法布里-泊羅濾波器被用來盡可能地傳輸1085納米的激光以及加強1064納米的輻射震蕩。最終在1.4瓦的泵浦功率下實現(xiàn)了1064納米和1085納米的雙波長輸出。該雙波長激光器的泵浦功率閾值為1瓦，最大輸出功率為220毫瓦，斜率轉換效率為8.7%。

     被動鎖模光纖激光器一直是激光器領域的研究熱點，這是源自其在許多領域都具有非常重要的應用價值。作為光纖激光器家族的一員，多波長被動鎖模光纖激光器的實現(xiàn)方法是在諧振腔中置入各種不同的梳狀濾波器，從而實現(xiàn)多波長輸出。由于可在不同的波段同步輸出多個脈沖，多波長光纖激光器在波分復用系統(tǒng)和光譜學上有著重要的應用。目前為止，各種被動鎖模技術如半導體飽和吸收器、非線性偏振旋轉技術、非線性放大環(huán)形鏡技術、碳納米管、石墨烯和拓撲絕緣體都可用來實現(xiàn)多波長光纖激光器中的被動鎖模。然而，上面的各種鎖模技術所得到得多波長輸出波形都是雙曲正割形脈沖。另一方面，光纖激光器中的矩形脈沖產(chǎn)生在激光物理領域已成為一個研究熱點，這是由于矩形脈沖有著諸多潛在的應用如全光方波時鐘，激光微加工技術，激光測距以及光傳感技術。事實上，通過選擇光腔參數(shù)可在光纖激光器中頻繁地觀察到矩形脈沖。 對于矩形脈沖的形成機制目前只要有兩種觀點：其一是諧振腔中的弱峰鉗位效應；其二是最近才提出的耗散孤子共振機制。然而，目前人們研究的矩形脈沖主要集中在單波長輸出，多波長矩形脈沖輸出還未見報道。最近，華南師范大學光電信息科學與工程學院納米光子功能材料與器件實驗室的研究人員實驗報道了在被動鎖模光纖激光器中可實現(xiàn)多波長矩形脈沖輸出。他們在實驗中觀察到的多波長矩形脈沖為不同中心波長矩形脈沖的疊加，并且脈沖寬度隨著泵浦功率的增加而展寬。利用自相關器可證實該矩形脈沖為類噪聲脈沖。此外，通過適當?shù)匦�轉偏振控制器可實現(xiàn)雙波長或者三波長矩形脈沖的輸出。該實驗結果為光纖激光器中類噪聲多波長矩形脈沖的形成機制提供了一個新的觀點。
    近年來，利用摻鈥光纖作為主動介質來實現(xiàn)2微米及以上波段激光的輸出已變得非常熱門，基于光纖激光器產(chǎn)生的大于2微米的相干輻射（連續(xù)波或者脈沖）也有著豐富的應用。摻鈥光纖激光器在過去幾年中取得了相當大的進展，無論是在輸出功率還是在轉換效率方面。最近，墨西哥光學研究中心的研究人員實驗報道了采用一種新型的1.064微米的光泵浦技術在釔鈥雙摻雜光纖中實現(xiàn)了2.05微米的連續(xù)波輸出。他們在該激光器中采用了非常簡單的非優(yōu)化法布里-泊羅腔，得到了約0.8瓦的低閾值功率以及約15.6%的適中的斜率效能。該實驗所產(chǎn)生的高亮度2.05微米輸出光具有非常優(yōu)異的激光特性，此外，這種雙摻雜光纖激光器的穩(wěn)定性非常好，每天數(shù)小時連續(xù)不斷的運行測試結果表明其輸出功率的震蕩范圍僅為3%。
2.無源光子器件
    超常介質(metamaterials)是一種人工合成的、具有微納尺度結構單元的復合材料，它具有天然材料所不具備的一些奇異電磁特性。近年來，超常介質的應用研究在新型的無線通信、光通信、雷達、超分辨率成像、微波吸收、電磁隱身技術等許多領域得到了快速的發(fā)展�；�于超常介質的完美吸收器是超常介質諸多應用中一個非常引人關注的研究方向。這種完美吸收器自從被實驗證實之后，由于其具有非常廣泛地應用如生物醫(yī)療傳感器、輻射熱測定計以及可調(diào)諧的光子探測器等，大量的研究人員致力于對這種超性能吸收器進行了設計上的優(yōu)化和制備工藝上的改進。然而，傳統(tǒng)的只有一個吸收帶的超常介質吸收器難以滿足一些應用領域如光譜探測和能量采集儀器的要求。因此，高吸收率并不是超常介質吸收器的唯一優(yōu)點，其它的一些優(yōu)秀特性如偏振獨立、對入射角不敏感以及多頻帶或者寬帶吸收特性使其成為吸波材料的重要選擇。多頻帶超常介質吸收器可利用單共振結構或者多共振結構來實現(xiàn)。利用單共振結構的高階�？蓪崿F(xiàn)多頻帶的共振響應。然而對于單共振結構來說，不同共振模式的頻率和強度與其結構單元的幾何尺寸密切相關，因此很難去獨立的調(diào)控其共振頻率和強度。另外，雖然也有研究人員利用非對稱金屬結構實現(xiàn)了雙頻帶吸收器并且可以很容易地調(diào)諧其吸收峰值，但是這種復雜結構在制備上的困難使得其吸收特性在實驗中難以得到驗證。另一方面，基于多共振結構的超常介質吸收器在操控共振模式方面具有天然的優(yōu)勢，這源于其共振單元在功能上的獨立性，并且不同的共振單元可以不同的方式進行排列如漁網(wǎng)結構或積木結構。最近，北京大學微電子研究所微納制備科學與技術國家重點實驗室的研究人員設計并制備出了一種近紅外波段雙頻帶超常介質吸收器。這種吸收器的最小單元為一個十字諧振器聯(lián)合4個單開口環(huán)組成。其背景材料為金，實驗中將其沉積在二氧化硅電介質基底上。這種吸收器在4.17微米波段和4.86微米波段的吸收峰值分別達到了90.3%和88.4%。研究人員基于德魯?shù)履Ｐ�，采用多重反射干涉理論解釋了該吸收器的吸收機理，理論結算結果與仿真和實驗結果吻合的非常好。此外，這種吸收器在很寬的帶寬范圍內(nèi)對電磁波的入射角度和偏振方向不敏感，因而具有很高的應用價值。

3.光纖制備
    近年來，多芯光纖由于具有許多重要的應用而受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關注。其應用領域包括大容量信息傳輸、光纖色散管理、張力傳感器等。多芯光纖（Multi Core Fiber）是一個共同的包層區(qū)中存在多個纖芯的光纖。按照包層內(nèi)纖芯的間隔距離，可分兩種功能：其一是纖芯間隔大，即不產(chǎn)生光耦合的結構。這種光纖，由于能提高傳輸線路的單位面積的集成密度。在光通信中，可以作成具有多個纖芯的帶狀光纜，而在非通信領域，作為光纖傳像束，有將纖芯作成成千上萬個的。其二是使纖芯之間的距離靠近，可使傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生耦合作用。利用此原理可開發(fā)雙纖芯的敏感器或光回路器件。多芯光纖最經(jīng)典的應用為空分復用技術，這種技術使得數(shù)據(jù)傳輸容量達到了一個前所未有的量級。最近，有實驗報道了利用12芯的多芯光纖實現(xiàn)了1.01Pb/s（1Pb=1000Tb）的數(shù)據(jù)傳輸速率。迄今為止，為了最大化空間利用率和減少信道間的串擾，研究人員提出了各種不同的多芯光纖設計和制備方案，包括六邊形緊密包裹結構、雙傾斜結構以及單環(huán)結構等。最近，人們成功制備出了一種新型的多芯光纖—多芯扁平光纖，這種多芯扁平光纖已被證實可實現(xiàn)低串擾傳輸，具有高輸出功率的激光放大器等。相比六邊形結構，多芯扁平結構由于具有更少的近鄰纖芯對，因而具有更低的串擾，其最低串擾被實驗證實可小于-60dB。到目前為止，多芯扁平光纖的制備技術主要有以下幾種：1，堆積和拉伸方法，通常用于構造光子晶體光纖；2，在矩形玻璃基底上鉆孔然后用摻雜玻璃棒填充；3，在內(nèi)孔為方形的空心玻璃管中堆積摻雜玻璃棒；4，利用鉗形玻璃實現(xiàn)方形三明治結構和矩形平行六面體結構波導組片。以上方法有的需要矩形橫截面預成型，有的構造方案非常復雜。最近，馬來西亞馬來亞大學電子與電氣工程系集成光學研究小組的研究人員提出了一種新型的構造多芯扁平光纖的方法。他們制備出了一根40米長，橫向尺寸為230微米×670微米的6個纖芯陣列形成一排的多芯扁平光纖。外層采用聚合物材料包裹。該多芯扁平光纖的內(nèi)芯串擾低于-74dB.該方法大大簡化了多芯扁平光纖的構造思路，使得多芯扁平光纖的制造更加快捷靈活。
4.頻率轉換
     超高分辨率光譜學、太赫茲相干通信、太赫茲計量學以及太赫茲無線天文學等領域都需要超穩(wěn)定的連續(xù)波太赫茲源。一般來講，通過在光檢測器中實現(xiàn)兩個連續(xù)波的差頻可產(chǎn)生穩(wěn)定的太赫茲連續(xù)波信號源，其穩(wěn)定性主要取決于相位鎖定回路。當外差拍頻處于太赫茲波段時，最主要的問題將變成將太赫茲拍頻下轉換成射頻以實現(xiàn)標準的相位鎖定回路。因而此時最重要的實驗步驟是利用非線性電光調(diào)制器來作為聯(lián)系兩個間隔非常大的光頻帶隙間的紐帶。光電相位鎖定回路的原理就是維持兩個不同頻率光波的拍頻信號穩(wěn)定于100GHz，并且據(jù)報道這種鎖相回路在改進方案后最高可達到250GHz。此外，四波混頻也是一種有著非常重要的應用價值的非線性光學現(xiàn)象，例如在遠程通信中一根光線中同時傳輸多個載波時，四波混頻效應將變得不可忽視。最近，法國雷恩大學的研究人員在零色散斜率高非線性光纖中利用標準的馬赫增的干涉儀實現(xiàn)了太赫茲光拍頻光電下轉換到射頻波段的非線性過程。其中利用四波混頻效應得到的2個交錯的光梳包含了75個諧波成分，這個簡單的利用四波混頻實現(xiàn)的下轉換過程被用于實現(xiàn)一個雙頻固態(tài)激光器中的頻率差的相位鎖定。

5.光網(wǎng)絡及子系統(tǒng)
    光纖無線集成通信系統(tǒng)將是未來通信網(wǎng)絡的主要通信技術之一，這是源于這種通信技術將光纖通信的大帶寬和無線通信的高機動性這兩個各自的顯著優(yōu)點有機地結合在一起。隨著用戶對IPTV、互動視頻游戲、視頻會議、P2P、以太網(wǎng)專線、視頻監(jiān)控、傳感物聯(lián)等高速率、高質量業(yè)務需求的增加，接入網(wǎng)帶寬需求快速增長。此外，由于用戶對全覆蓋、移動性等接入靈活性、便利性的需求，移動寬帶化和寬帶移動化成為業(yè)界共識。同時，接入監(jiān)測環(huán)境的復雜性、接入監(jiān)測需求的多樣性和無線接入在傳輸距離和帶寬之間的矛盾，決定了無線接入和光接入共存、互補，光纖與無線融合的發(fā)展趨勢。隨著接入網(wǎng)技術的發(fā)展，光接入與無線接入的融合不僅很好地順應未來接入網(wǎng)寬帶化與泛在化的發(fā)展趨勢，同時將成為匯聚傳輸各種傳感信息實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的廣域覆蓋的主要技術手段。換句話說，對于光纖無線通信系統(tǒng)而言，每一個光波分復用信道的比特率已經(jīng)可達到100Gb/s，或將隨著多級調(diào)制技術和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展而超過這個速率。相比偏分復用正交相移鍵控調(diào)制技術（PDM-QPSK），100G光波分復用信道采用更高級的偏分復用16進制正交幅度調(diào)制技術（PDM-16QAM）可獲取更高的頻譜效率和更小的占用帶寬，其帶寬將小于25GHz。另一方面，未來的Gb/s量級的無線通信系統(tǒng)將會位于帶寬充足的毫米波頻段（30GHz-100GHz）和太赫茲波段（100GHz-10THz）。基于光子技術的毫米波和太赫茲波的產(chǎn)生技術不但克服了電子器件的帶寬極限，而且可有效地促進無線網(wǎng)絡與光纖光通信網(wǎng)絡的無縫連接。最近，利用光生毫米波技術可實現(xiàn)100-和400-Gb/s PDM-QPSK/PDM-16QAM 調(diào)制的光纖無線系統(tǒng)的集成。然而，在先前的系統(tǒng)中無線毫米波信號是電調(diào)制信號，其具有及其有限的射頻傳輸距離。此外，隨著比特率和毫米波載波頻率的增加，將使得電調(diào)制格式的毫米波信號解調(diào)變得更加復雜。復旦大學信息科學與電磁波重點實驗室的研究人員提出并實驗驗證了W波段的光纖-無線-光纖傳輸系統(tǒng)的無縫集成。他們在該實驗中采用的毫米波信號為光生毫米波，在該系統(tǒng)中，128Gb/s的偏分復用16QAM信號首次在28號單模光纖中傳輸了50千米，然后在100GHz波段通過1-m 2×2的多輸入多輸出無線鏈路，最終在另外的50千米28號單模光纖中完成最后的傳輸實驗。其傳輸過程中的誤碼率小于第三代前向糾錯碼閾值2×10-2。該系統(tǒng)可以很好地兼容高級QAM調(diào)制并且很適合大容量高頻譜效率的光纖無線集成通信。
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