光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂(lè)
    2014年11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(wú)源光子器件、太赫茲技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。

1.激光器
可調(diào)諧型光纖激光器在密集波分復(fù)用光通信系統(tǒng)、光纖傳感器以及光纖器件測(cè)試等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景，最近受到了研究人員的廣泛關(guān)注。這種類型的光纖激光器的波長(zhǎng)可調(diào)諧功能可通過(guò)在激光腔內(nèi)置一個(gè)可調(diào)諧濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)�；�于光學(xué)超大規(guī)模集成電路處理器或二維色散管理的自由空間濾波器可提供相當(dāng)小的調(diào)諧幅度。不過(guò)這些器件通常會(huì)帶來(lái)較高的插入損耗（最高可達(dá)14dB），導(dǎo)致的邊模抑制比可低至35dB。另一方面，光纖濾波器具有低插入損耗、體積緊湊的優(yōu)點(diǎn)，在全光纖激光系統(tǒng)中更容易與其它光學(xué)器件集成。在早期，光纖布拉格光柵和嵌入式法布里-泊羅濾波器通常被用于實(shí)現(xiàn)光纖激光器的可調(diào)諧輸出。然而，以上兩種方法的缺陷太明顯，光纖布拉格光柵的構(gòu)造需要昂貴的紫外激光器、相位掩摸和精確的加工技術(shù)，法布里波羅濾波器的可調(diào)諧功能是通過(guò)壓電技術(shù)來(lái)改變腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的，其可調(diào)諧范圍僅僅只有1納米。近些年，模式干涉儀由于其易于制備和低成本的優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代以上兩種方式成為實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光纖激光器的首選，例如光纖探針、雙頭光纖探針以及多模光纖等等。光纖探針的調(diào)諧范圍不低于8納米。雙頭光纖探針濾波器的調(diào)諧范圍可達(dá)到16.1納米，其調(diào)諧幅度為0.07-0.5納米。多模光纖濾波器可將C帶得波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍提高至30納米。此外，高雙折射薩尼亞克反射鏡或者利奧雙折射濾波器可提供的調(diào)諧范圍為40納米，然而其調(diào)諧幅度只有2.2納米。因此，寬調(diào)諧范圍與小調(diào)諧幅度很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。最近，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院的研究人員實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種C頻帶可調(diào)諧型摻鉺光纖激光器。這種可調(diào)諧激光器是通過(guò)基于級(jí)聯(lián)雙芯光纖的定向耦合器實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)彎曲一個(gè)具有0.14米長(zhǎng)度的雙線光纖耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的輸出波長(zhǎng)的粗略調(diào)諧，而通過(guò)拉伸另一根長(zhǎng)度為1.37米的雙芯光纖耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該激光器的輸出波長(zhǎng)可線性單調(diào)地在23.2納米（1541.8-1560納米）的帶寬范圍內(nèi)調(diào)諧，其調(diào)諧幅度為0.22納米，邊模抑制比高達(dá)58dB，功率平整度為±0.1dB。此外，在實(shí)驗(yàn)中分別檢測(cè)到的輸出功率的起伏為<±0.05dB，波長(zhǎng)漂移為0.004納米。

鎖模光纖激光器是皮秒脈沖和飛秒量級(jí)脈沖的重要光源。在許多應(yīng)用中，通常用它來(lái)取代固體激光器來(lái)作為種子光源，這是因?yàn)橄鄬?duì)后者來(lái)說(shuō)，鎖模光纖激光器具有體積緊湊、成本低和無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是鎖模光纖激光器的一些缺點(diǎn)也導(dǎo)致他的應(yīng)用受限。例如，脈沖能量和脈沖峰值功率將受限于大量的非線性效應(yīng)。此外，光纖的大色散將使得時(shí)域脈沖展寬導(dǎo)致脈沖的穩(wěn)定性和連續(xù)性大大降低。目前已報(bào)道的大多數(shù)激光振蕩器的工作范圍都在10-100MHz，產(chǎn)生低重復(fù)率的超短脈沖輸出仍面臨很多困難。最近，比利時(shí)蒙斯大學(xué)應(yīng)用光學(xué)系的研究人員實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種工作波長(zhǎng)為1030納米的全光纖被動(dòng)鎖模激光器。該激光器產(chǎn)生超快激光的基本原理是基于光纖中的非線性偏振演化效應(yīng)。研究人員將一根長(zhǎng)距離光纖連接在一個(gè)偏振器和一個(gè)法拉第反射鏡之間，這種結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生各種各樣的脈沖輸出如類噪聲脈沖、多重脈沖、突發(fā)脈沖和單脈沖鎖模。在單脈沖鎖模形態(tài)下，在低重復(fù)率948kHz情況下的脈寬為17.8皮秒。其中譜寬為2.2納米，脈沖能量為68皮焦，偏振消光比約為15dB。
具有窄線寬的單模半導(dǎo)體激光器在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是基于先進(jìn)調(diào)制格式的相干光通信系統(tǒng)。在前幾年，分布反饋式激光器和分布布拉格反射鏡激光器都具有大于10M的線寬。降低激光線寬的方法通常都是通過(guò)增加腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，對(duì)大多數(shù)短腔激光器來(lái)說(shuō)，其輸出光的線寬通常在幾個(gè)赫茲左右。目前分布反饋式激光器具有的最窄線寬為3.6kHz，但是其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。最近，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的研究人員一種基于簡(jiǎn)單高產(chǎn)的蝕刻溝槽的單模激光器平臺(tái)。這些位于激光腔內(nèi)單邊的溝槽為激光提供了足夠的反射性，這將使得這種激光器可與其他的光電器件集成如半導(dǎo)體光放大器和調(diào)制器等。研究人員測(cè)量了這種簡(jiǎn)單易于構(gòu)造的激光器的輸出線寬。測(cè)得有效腔長(zhǎng)為450微米的激光器的閾值電流為31毫安，單模抑制比為48dB。該激光器在室溫下的最小洛倫茲線寬為720kHz。在溫度范圍為10℃—60℃之間時(shí)的線寬約為1MHz。
2.無(wú)源光子器件
自從單模-多模-單模型（SMS）光纖帶通濾波器在實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)以來(lái)，各種基于光纖的光譜特性的光纖傳感器被用于溫度、應(yīng)力以及折射率的測(cè)量�；�于SMS結(jié)構(gòu)的光纖傳感器之所以引起廣泛關(guān)注是因?yàn)樗麑?duì)溫度和張力的光譜響應(yīng)與光纖布拉格光柵相當(dāng)，并且其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。在一個(gè)SMS濾波器中，在單模光纖中傳輸?shù)墓鈱⑴c多模光纖中的各種模式耦合并且發(fā)生干涉，再通過(guò)另一根單模光纖進(jìn)行模式過(guò)濾，導(dǎo)致入射光場(chǎng)在光纖軸線上周期性的成像。其最大透過(guò)率取決于這些模式的光程長(zhǎng)度和傳輸常數(shù)。近幾年來(lái)，大模場(chǎng)光纖由于在高功率光纖激光器中具有非常重要的應(yīng)用，也逐漸引起了研究人員的興趣。當(dāng)在SMS濾波器中用一根大模場(chǎng)光纖取代多模光纖時(shí)，僅僅只有幾個(gè)模式可以被激發(fā)，因此SMS濾波器的透射譜具有周期性的峰值特性。最近，中科院上海光機(jī)所與多倫多瑞爾森大學(xué)電子與計(jì)算工程系的研究人員聯(lián)合提出了一種SMS濾波器。該濾波器中用到了一根具有梯度折射率的大模場(chǎng)光纖，其臨界波長(zhǎng)為1046納米，也就是說(shuō)在1046納米處，傳輸光對(duì)溫度和張力的變化非常敏感。當(dāng)濾波器收到張力和溫度變化的影響時(shí)，位于臨界波長(zhǎng)兩邊的干涉條紋將分別出現(xiàn)藍(lán)移或紅移。研究人員還基于雙模干涉和它們的傳輸常數(shù)差進(jìn)行了透射譜仿真。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合地很好。它們指出這種SMS濾波器可作為一個(gè)可變的輸出耦合器或者用于光纖傳感。

偏振旋轉(zhuǎn)器是在光通信系統(tǒng)和光子集成回路中非常重要的無(wú)源器件，例如偏振差異系統(tǒng)、偏分復(fù)用系統(tǒng)、偏振開(kāi)關(guān)和濾波以及量子信息處理等。實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)的方法有很多種，大致可分為三種類型：第一類方法是模式干涉。在纖芯的橫截面部分光波導(dǎo)須具有很高的雙折射，這可由非對(duì)稱橫截面結(jié)構(gòu)和一些特殊材料或混合等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種類型的波導(dǎo)可支持兩種正交模式，并且這兩種正交模式可有節(jié)奏地進(jìn)行拍頻，在經(jīng)歷每個(gè)拍長(zhǎng)后會(huì)積累一個(gè)π相移。最終兩個(gè)正交導(dǎo)波模在每一個(gè)拍頻循環(huán)后會(huì)互相交換偏振方向。第二類方法是模式演化。該方法通過(guò)絕熱波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)，例如，緩慢的改變波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)。如果波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)改變的非常平緩，導(dǎo)引模將沿著波導(dǎo)進(jìn)行演化。第三類方法是利用定向耦合原理。將兩個(gè)波導(dǎo)設(shè)計(jì)成特定的尺寸，使得窄波導(dǎo)中偏振模的有效折射率等于寬波導(dǎo)中正交偏振模的有效折射率。滿足這個(gè)相位匹配條件之后，兩個(gè)波導(dǎo)間的模式就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的交叉偏振耦合效應(yīng)。最近，南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所光信息科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種光子晶體光纖偏振旋轉(zhuǎn)器。這種偏振旋轉(zhuǎn)器的實(shí)現(xiàn)方法是基于一種新型的機(jī)理—利用兩個(gè)混合導(dǎo)波模間的模式干涉。研究人員通過(guò)在背景格子中引入兩個(gè)缺陷和一個(gè)輔助的金納米線，然后通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該偏振旋轉(zhuǎn)器可在1550納米波段實(shí)現(xiàn)100%的偏振轉(zhuǎn)換比，轉(zhuǎn)換帶寬約為100納米，最高可至1627納米，模式插入損耗低至1.2dB。基于全矢量有限元法的數(shù)值仿真結(jié)果表明對(duì)于TE模和TM模該偏振旋轉(zhuǎn)器具有高達(dá)0.92的耦合效率。


3.太赫茲技術(shù)
太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長(zhǎng)大概在3mm到30um范圍，介于微波與紅外之間；在有些場(chǎng)合特指0.3—3THz，還有時(shí)被賦予一種廣義的定義，其頻率范圍可包含高達(dá)100THz的波，這包括整個(gè)中、遠(yuǎn)紅外波段。由于受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測(cè)器的限制，因此這一波段也被稱為T(mén)Hz間隙。隨著新世紀(jì)一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快激光技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準(zhǔn)常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。太赫茲的獨(dú)特性能給通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無(wú)標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。就目前的太赫茲技術(shù)來(lái)講，在太赫茲波的操控方面，如何精準(zhǔn)有效地操控和利用太赫茲波，還有大量的問(wèn)題亟需探索和解決。眾所周知，當(dāng)一束光在一平面處發(fā)生全反射時(shí)，實(shí)際的反射光與幾何理論反射光之間存在一個(gè)微小的橫移，這種現(xiàn)象被稱做古斯-漢欣位移。在過(guò)去的幾十年，古斯?jié)h欣位移現(xiàn)象在眾多的電磁波段已被廣泛的研究，如微波、中紅外以及可見(jiàn)光波段。然而，有關(guān)太赫茲波段的古斯?jié)h欣位移問(wèn)題研究相對(duì)較少。最近，中國(guó)計(jì)量大學(xué)和巴黎電氣工程實(shí)驗(yàn)室的研究人員聯(lián)合提出了一種可操控太赫茲波的新方案。他們認(rèn)為，通過(guò)調(diào)整外部環(huán)境的溫度，可以改變具有溫度靈敏性材料的折射率，因而可實(shí)現(xiàn)古斯?jié)h欣位移在一個(gè)較大的橫向范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。利用這種方案，不需要改變相關(guān)器件的初始結(jié)構(gòu)就可以動(dòng)態(tài)的控制太赫茲波。他們理論分析了古斯?jié)h欣位移、外部溫度、入射角度和入射頻率間的關(guān)系。并且通過(guò)有限元方法數(shù)值驗(yàn)證和分析了可調(diào)太赫茲波的古斯?jié)h欣位移的相關(guān)特性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在0.857THz無(wú)線通信波段，這種具有溫度敏感性的材料構(gòu)成的探測(cè)器件具有24.3dB的消光比。

4.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
100Gbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在2010年已經(jīng)建立完成,但是適用于100Gbps以太網(wǎng)
收發(fā)模塊研制才剛起步。此外，10×10G的100Gbps光收發(fā)模塊多源協(xié)議(MSA)是一些業(yè)內(nèi)高速率光網(wǎng)絡(luò)潛在用戶對(duì)帶寬要求的產(chǎn)物。目前10X10 MSA已由多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合廠商共同制定并推廣，10X10G多源協(xié)議要求10條速率為10Gbps的電信號(hào)通道直接嫁接到10個(gè)速率為10Gbps的激光器上。第一個(gè)激光器模塊的傳輸需通過(guò)單模光纖，且距離至少到2公里甚至跟高的10公里或40公里，該協(xié)議已經(jīng)成功用于現(xiàn)有的100Gbps光通信設(shè)備。具有10個(gè)通道的調(diào)制速率為10Gbps的直接調(diào)制分布反饋式激光二極管陣列是適用于此類多源協(xié)議需求的最佳光源之一，其中一個(gè)關(guān)鍵要求是每個(gè)通道的性能均勻性。例如，通過(guò)量子阱結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建多通道分布反饋式激光二極管陣列時(shí)，由于增益譜寬相當(dāng)窄（大約30納米），均勻的信道功率將受到嚴(yán)重的限制。并且當(dāng)前大多數(shù)對(duì)于多波長(zhǎng)分布反饋式激光二極管陣列的研究主要聚焦于其在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。最近，韓國(guó)電子與通信技術(shù)研究所光無(wú)線融合研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種混合集成模塊。該集成模塊由一個(gè)10X10Gbps的分布反饋式激光二極管陣列和一個(gè)平面光陣列波導(dǎo)光柵組合而成。對(duì)于激光二極管陣列，他們采用選擇性區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)控信道增益，而對(duì)于陣列波導(dǎo)光柵，他們采用電子束光刻法來(lái)精準(zhǔn)地控制信道激光波長(zhǎng)和光柵相位。為了減小兩者間的耦合損耗，他們引入了2%-Δ結(jié)構(gòu)。此外設(shè)計(jì)了錐形和拋物線型波導(dǎo)連接自由傳輸區(qū)域以增加帶通譜寬。這種新型的集成模塊的邊帶抑制比>45dB。在10Gb/s速率下的動(dòng)態(tài)消光比>4.4dB。傳輸2千米后所有信道的功率損耗均小于1.5dB。
隨著基于因特網(wǎng)服務(wù)的日益增長(zhǎng)，下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）必須支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在眾多的解決方案中，時(shí)分波分混合復(fù)用技術(shù)（TWDM）已成為下一代支持超過(guò)40Gb/s的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的最主要解決方案。從2012年開(kāi)始，該技術(shù)已被廣泛的討論和研究，人們發(fā)現(xiàn)TWDM-PON在帶寬、功率預(yù)算、保密性和用戶數(shù)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是目前限制TWDM-PON的是其組網(wǎng)成本較高。隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，用戶對(duì)高帶寬的需求會(huì)進(jìn)一步增加。另一方面，隨著WDM技術(shù)的日益成熟，其其建成本逐漸下降，WDM技術(shù)應(yīng)用于寬帶接入網(wǎng)將成為PON的必然發(fā)展趨勢(shì)。TWDM-PON技術(shù)的規(guī)模商用首先需要解決光模塊的互換性，尤其是光網(wǎng)絡(luò)單元側(cè)光模塊。固定波長(zhǎng)光源的方案難以應(yīng)用于商用的TWDM-PON中，因此“無(wú)色”光源技術(shù)是TWDM-PON系統(tǒng)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。 目前，無(wú)色光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）方案包括但不限于以下三種：可調(diào)激光器、注入鎖定FP-LD和波長(zhǎng)重用反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）方式。目前，在TWDM-PON中，通常用直接調(diào)制激光器作為上行無(wú)色光源，而將一個(gè)反射式半導(dǎo)體光放大器分配在光網(wǎng)絡(luò)單元中以實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)靈敏度的提升。TWDM-PON是邏輯層面點(diǎn)到點(diǎn)，物理層面點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，具有對(duì)協(xié)議和速率透明的特性，具有良好的可擴(kuò)展性，因此應(yīng)用也非常靈活。目前，TWDM-PON可應(yīng)用于以下多種場(chǎng)合。最近，北京大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種對(duì)稱型100Gb/s數(shù)據(jù)信號(hào)處理增強(qiáng)的時(shí)分波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。他們實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)4×25-Gb/s的TWDM-PON系統(tǒng)，4對(duì)光信號(hào)在光纖中傳輸了26.7千米，其中采用了雙邊帶正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）技術(shù)。此外，在光網(wǎng)絡(luò)單元中分配一個(gè)反射式半導(dǎo)體光放大器來(lái)增強(qiáng)下行OFDM信號(hào)的接收靈敏度；在上行傳輸中采用雙邊帶單載波頻域均衡調(diào)制技術(shù)來(lái)減小光網(wǎng)絡(luò)單元的復(fù)雜程度和成本。