光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
    2015年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、無源光器件、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
1.激光器
    光纖激光器被稱作激光領(lǐng)域的新興技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用得到了社會(huì)各方面的廣泛重視，近年來也成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。光纖激光器具有低成本、易操作、體積緊湊以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。重復(fù)率高于200MHz的超短脈沖光纖激光器最近備受關(guān)注，該激光器可用于光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生、任意波前產(chǎn)生、以及高速光采樣。此外，主動(dòng)鎖模技術(shù)和諧波被動(dòng)鎖模技術(shù)已被用于產(chǎn)生具有高重復(fù)率的超短脈沖串。然而，在主動(dòng)鎖模光纖激光器中，脈沖寬度受限于皮秒量級(jí)以及低于3納米的譜寬。而由于激光腔中的超模產(chǎn)生，諧波被動(dòng)鎖模激光器相當(dāng)不穩(wěn)定并且無法實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)操作。具有線性腔結(jié)構(gòu)的被動(dòng)鎖模激光器聯(lián)合可飽和布拉格反射器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHz的基態(tài)重復(fù)率，不過其譜寬僅僅局限于幾個(gè)納米，從而寬脈寬的獲得常常要?dú)w功于由可飽和吸收器導(dǎo)致的慢脈沖整形機(jī)制。與前者相比較而言，基于腔內(nèi)偏振器件的非線性偏振演化技術(shù)是一種極具應(yīng)用前景的非線性技術(shù)，可用于在環(huán)形激光器中產(chǎn)生具有高重復(fù)率的超短脈沖。此外，基于非線性偏振演化的被動(dòng)鎖模光纖激光器具有優(yōu)秀的噪聲特性，從而在長線穩(wěn)態(tài)操作中具有低定時(shí)抖動(dòng)的特性。最近，上海交通大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了重復(fù)率高于200MHz的摻鉺光纖激光器的有效色散和非線性特性。在700mW的有效泵浦功率下直接輸出脈沖的最大功率為84.8mW，脈寬為56.5fS，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)12.1%，單脈沖能量達(dá)到0.42nJ，脈沖峰值功率達(dá)到7kW。他們還在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整波片和泵浦功率觀察了輸出脈沖的光譜特性演化。該光纖激光器可以直接輸出44.6飛秒、半高全寬為148納米的超短脈沖。下圖為該激光實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。

    窄線寬激光器是光纖激光器發(fā)展的一個(gè)主要方向，以其窄線寬、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感及材料技術(shù)等領(lǐng)域。波長選擇器件（如F-P標(biāo)準(zhǔn)具、可調(diào)諧濾波器、布拉格光柵）用來確定和調(diào)整其波長，限值增益譜內(nèi)起振的縱模數(shù)，讓滿足特定條件的少數(shù)幾個(gè)頻率的激光起振，以實(shí)現(xiàn)窄線寬。最近，中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料與科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種大調(diào)諧范圍的窄線寬激光器。該激光器采用集成分布式布拉格反射鏡的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，他們采用帶隙為1.44微米的InGaAsP作為光纖與布拉格光柵的結(jié)合材料，首次實(shí)現(xiàn)了具有13個(gè)納米的大波長調(diào)諧范圍的雙節(jié)分布式布拉格反射鏡光纖激光器。此外，利用連個(gè)平行的環(huán)形光纖作為反饋腔，在某些特定的條件下該激光器的線寬可減小到3.2KHz，在整個(gè)13納米的波長調(diào)諧范圍內(nèi)，可獲得少于10KHz的窄譜線寬輸出。最后，他們還實(shí)驗(yàn)研究了該激光器在線寬壓縮后的輸出波長和功率的穩(wěn)定性。
    工作波長范圍位于2微米人眼安全區(qū)域的基于三價(jià)銩離子的固體激光器最近引起了研究人員的廣泛關(guān)注，這種固體激光器廣泛應(yīng)用于民用、軍事以及科研領(lǐng)域。迄今為止，氟化物、石榴石、硅酸鹽、鎢酸鹽以及釩酸鹽摻銩都可成功地用于激光震蕩，并且展現(xiàn)出了高效、寬波長調(diào)諧等諸多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)典的石榴石晶體YAG已被廣泛研究并且被認(rèn)為是最好的銩摻雜材料。通常，對(duì)于銩摻雜晶體，高摻雜濃度是確保相鄰兩個(gè)銩離子間進(jìn)行有效交叉弛豫過程的必要條件。缺點(diǎn)是，這種高摻雜濃度將減小材料的熱電導(dǎo)率，這種效應(yīng)在釔鋁石榴石摻銩材料中表現(xiàn)得尤為明顯，這是源于銩離子和釔離子的質(zhì)量差別太大的緣故。最近，中科院上海陶瓷研究所光功能無機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種連續(xù)波雙波長被動(dòng)調(diào)Q激光器，該激光器采用了镥鋁石榴石摻銩進(jìn)行有效的二極管泵浦。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大輸出功率為4.42W，在輸出波長為2021.2納米處得到的光束質(zhì)量為M2≤1.45，斜率效能為49.5%。采用雙折射石英片使得該激光器在雙波長2022納米和2030納米處的輸出功率為2.3W。此外，他們通過引入單壁碳納米管作為可飽和吸收器，成功實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q，使得該激光器在2021.6納米波長處產(chǎn)生的最短脈沖為405納秒，在2019.7納米波長處的最大單脈沖能量達(dá)到40.6微焦。圖二為這種镥鋁石榴石摻銩激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

    來自成都電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器，該激光器中采用二硫化鉬作為可飽和吸收體，實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)層二硫化鉬層采用化學(xué)氣相沉積法制備。制備的二硫化鉬層被轉(zhuǎn)移到光纖連接器的端面以形成一個(gè)光纖聯(lián)合二硫化鉬的可飽和吸收器。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的該飽和吸收器的飽和強(qiáng)度和調(diào)制深度分別為0.43MW/cm2和33.2%。該調(diào)Q摻鉺光纖激光器具有一個(gè)由雙布拉格光柵和全光纖線性腔形成的終端反射鏡。通過在激光腔中插入二硫化鉬可飽和吸收體，激光器的穩(wěn)態(tài)調(diào)Q可在1.55微米實(shí)現(xiàn)。該激光器的泵浦閾值為20.4mW，脈沖重復(fù)率的可調(diào)諧范圍為10.6KHz到173.1kHz，最小脈寬為1.66微秒。
2.無源光器件
    光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測(cè)技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測(cè)系統(tǒng)。光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.傳光性能良好，光損耗小,最高≤0.2dB/km;2.頻帶寬、可進(jìn)行超高速測(cè)量；     3.靈敏度、線性好；4.體積小、重量輕，適應(yīng)于非接觸、遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境測(cè)量。光纖傳感器分為物性型和結(jié)構(gòu)型。其中， 物性型光纖傳感器是利用光纖對(duì)環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號(hào)。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，其傳光特性，如相位與光強(qiáng)，會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果能測(cè)出通過光纖的光相位、光強(qiáng)變化，就可以知道被測(cè)物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。而結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光檢測(cè)元件與光纖傳輸回路及測(cè)量電路所組成的測(cè)量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。
    最近，斯洛文尼亞馬里博爾大學(xué)電子工程與計(jì)算科學(xué)系光電與傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種迷你型全光纖結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)傳感器。這種光纖傳感器包括一根保偏光纖，一根短截面標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，一個(gè)全光纖四分之一波片，以及一個(gè)反射層。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖收到機(jī)械應(yīng)力彎曲或旋轉(zhuǎn)時(shí)，該傳感器可以改變光波的偏振態(tài)或空間電場(chǎng)的矢量分布，然后，這種扭曲的單模光纖會(huì)導(dǎo)致波片軸和保偏光纖的位移。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得整個(gè)傳感器的體積緊湊，活性長度不超過5毫米。該傳感器的扭曲或旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量范圍為 45°，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的角度分辨率高于0.03°，溫度靈敏度小于0.011°/C。此外，研究人員為了實(shí)現(xiàn)低溫靈敏的傳感系統(tǒng)，采用了不同的保偏光纖來消除基于保偏光纖的波片的溫度敏感性。這種溫度敏感性是整個(gè)裝置中溫感誤差的主要來源。
    最近，由于可以通過激發(fā)表面等離子體來提高傳感性能，金屬薄膜已被研究人員大量地用于光纖傳感器中提升傳感靈敏度。此外，光纖光柵結(jié)構(gòu)由于具有體積小以及與光纖和多路技術(shù)良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)同樣被引入光纖表面等離子體傳感器以實(shí)現(xiàn)纖芯模和表面等離子模之間的模式轉(zhuǎn)換。因此，光纖布拉格光柵，這種在單模光纖纖芯內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，已被廣泛地用于表面等離子體光纖傳感器。其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射
或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。最近，中國東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員提出了一種基于長周期光纖光柵的光纖表面等離子體傳感器。其基本原理是，在長周期光纖光柵中，光纖纖芯層的導(dǎo)波�？梢约ぐl(fā)覆蓋在光纖柱形表面的金屬薄膜中的表面等離子共振。在這件工作中，研究人員采用耦合模方法的非共軛形式數(shù)值分析了該傳感器的基本特性。根據(jù)模式分析，纖芯中的電磁模可以與表面等離子模耦合并可應(yīng)用于折射率傳感器，這是因?yàn)橛杀砻娴入x子體共振導(dǎo)致的透射率的降低對(duì)周圍傳輸環(huán)境的折射率非常敏感。研究結(jié)果表明該傳感器在水溶液中的折射率靈敏度可以達(dá)到1660nm/RIU。圖三為這種基于長周期光纖布拉格光柵的光纖傳感器。

    最近，華北電力大學(xué)再生能源交流電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種用光纖布拉格光柵傳感技術(shù)來檢測(cè)環(huán)境污染的新方法。電力傳輸線的污染條件在線監(jiān)測(cè)是預(yù)防電弧跳火的重要手段。傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法很容易受到周圍高壓線的強(qiáng)電磁干擾的影響。在這件工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，覆蓋在光纖布拉格光柵表面的聚酰亞胺的布拉格波長受到聚酰亞胺表面沉積食鹽的微弱抑制。因此經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的光纖布拉格光柵傳感器可用于檢測(cè)絕緣體或者電力傳輸線上的等值附鹽密度。為了提高傳感器的靈敏度，將多重聚酰亞胺層覆蓋在裸光纖布拉格光柵表面，在固化的過程中施加一個(gè)0.15牛的作用力在光纖布拉格光柵的自由端以形成均勻的覆蓋層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明抑制波長將隨著等值附鹽密度的改變而改變。并且可通過增加聚酰亞胺層數(shù)來提高其解析度。 
3.光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    移動(dòng)性、無線化、數(shù)字化和寬帶化是當(dāng)今信息業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，超高速、超大容量成為信息傳送追求的主要目標(biāo)。隨著社會(huì)信息化程度的深入，城域以太網(wǎng)、IPTV、高清晰電視、移動(dòng)多媒體、視頻流媒體等新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，人類社會(huì)對(duì)于信息傳輸帶寬的需求一直在以驚人的速度增長。與此同時(shí)，人們對(duì)于無線通信的需求也急劇增長，3G時(shí)代的到來使人們實(shí)現(xiàn)“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)以任何方式”獲得各種多媒體信息的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。但是，無線通信有限的頻譜資源和有限的傳輸距離使它的發(fā)展受到很大的限制，如何有效利用光通信與無線通信的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)光通信與無線通信的融合將成為未來通信的發(fā)展方向。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)即將成為下一代無線通信的物理層核心技術(shù)。OFDM光載無線(OFDM-RoF)接合了無線通信和光通信的優(yōu)點(diǎn)，具有高速率、高容量、高頻譜利用率的優(yōu)勢(shì)。光載OFDM(O-OFDM)系統(tǒng)結(jié)合OFDM技術(shù)與光通信的特點(diǎn)，構(gòu)建出高速率、高容量、低成本的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，并且具有較強(qiáng)的信道容量的可擴(kuò)展性，可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上很好的升級(jí)與過渡，提供高速率、高容量、高質(zhì)量的通信服務(wù)。O-OFDM技術(shù)也可以作為全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)、無線局域網(wǎng)(WLAN)的一部分，通過RoF技術(shù)的使用，在有效降低無線信號(hào)的多徑衰落的同時(shí)提高了信號(hào)的質(zhì)量，通過增加基站數(shù)目來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，并且提高了信道容量、傳輸速率，簡化了數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度。
    最近，愛爾蘭都柏林城市大學(xué)無線與光通信實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種60GHz的基于直接調(diào)制直接檢測(cè)技術(shù)的光正交頻分復(fù)用光纖無線融合傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一個(gè)外部的注入增益開關(guān)分布反饋式激光器。從主激光器外部注入的增益開關(guān)型分布反饋激光器被用于減緩直接調(diào)制分布激光器的線性啁啾效應(yīng)。研究人員利用該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀察了信號(hào)在光纖中傳輸25千米的情形。此外，他們還理論分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由光纖色散引起的多通道傳輸導(dǎo)致的功率衰減現(xiàn)象。在總站中，16QAM-OFDM信號(hào)由采樣率為20Gb/s的任意波形發(fā)生器來產(chǎn)生。其中，快速傅里葉變換的采樣點(diǎn)為256，數(shù)據(jù)率為5Gb/s或10Gb/s。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了10Gb/s、60GHz的16QAM-OFDM信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸25公里的信號(hào)誤碼率低至2.4×103。圖四為這種基于增益開關(guān)激光器的OFDM-ROF光纖無線融合系統(tǒng)示意圖。

    圖像視頻、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、社交媒體以及移動(dòng)數(shù)據(jù)的快速增長推動(dòng)著互聯(lián)網(wǎng)流量以每年30%的幅度增長。為滿足帶寬需求并降低每波特每赫茲的成本，傳輸網(wǎng)絡(luò)需要更高的頻譜效率和更高的傳輸速率。提高傳輸速率和頻譜效率可以依靠更先進(jìn)的基于數(shù)字信號(hào)處理的算法。目前商用的100G產(chǎn)品都是基于相干探測(cè)的單載波極化復(fù)用的QPSK調(diào)制碼技術(shù)，頻譜效率為2bit/s/Hz，傳輸容量為10Tbps。將來的光網(wǎng)絡(luò)采用400G或更高速率的超100G信號(hào)，傳輸譜效率需要到達(dá)到4bit/s/Hz或更高，容量需要達(dá)到20Tbps以上。最近，美國德克薩斯ADVA光網(wǎng)絡(luò)的研究人員最新報(bào)道了100GHz超級(jí)通道傳輸實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中將4×28-Gb/s的雙二進(jìn)制子載波置于25-GHz的格子上，光信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸了580千米，其中有三個(gè)25GHz可重構(gòu)的分插復(fù)用器節(jié)點(diǎn)。這種直接檢測(cè)的超級(jí)通道具有適當(dāng)?shù)男旁氡刃枨笠约皩?duì)不同光損傷的很強(qiáng)的耐受性。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種100GHz系統(tǒng)的魯棒性、低功率損耗、成本效率以及頻譜效率使得其極其適用于當(dāng)今的數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。