光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
3/11/2015,2015年2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、光波導(dǎo)、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
1.激光器
    隨機(jī)光纖激光器技術(shù)，相比傳統(tǒng)光纖激光器，最大的不同之處在于無需反射鏡，具有波長可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、潛在功率高等突出優(yōu)點(diǎn)，有望形成新一代的無模式高功率光纖激光器，在光纖傳感、光纖通信、機(jī)械加工、3D打印、激光手術(shù)、激光成像、激光武器等多個(gè)領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。在隨機(jī)光纖激光器中,激光的反饋通過光纖中隨機(jī)分布的背向瑞利散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn),此外還可通過光纖中的分布式拉曼散射效應(yīng)獲得增益,即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、空間不相干的連續(xù)光輸出。近年來，由于隨機(jī)光纖激光器的諸多優(yōu)點(diǎn)，人們對它的研究越來越多。但是，由于閉合環(huán)形腔在介質(zhì)中是隨機(jī)分布的，所以其手機(jī)輻射具有各縱模的不確定性，即復(fù)雜輻射特性、輻射角度依賴性等，因而在某些檢測領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)必須改進(jìn)其光譜特性，才能挑戰(zhàn)傳統(tǒng)激光器的優(yōu)異性能。隨機(jī)光纖激光器有多種不同類型的結(jié)構(gòu)，大致可歸類為雙向分布反饋式和單向分布反饋式。其中，雙向分布反饋式是最基本的一類隨機(jī)光纖激光器，它完全依靠光纖的瑞麗散射來形成諧振，不借助光纖光柵或反射鏡，在形式上是一種無腔鏡的超長光纖拉曼激光器，具有無縱模、非空間相干的雙波長連續(xù)輸出特性。而單向分布反饋隨機(jī)光纖激光器采用單個(gè)反射鏡與分布式瑞利散射相結(jié)合構(gòu)成諧振腔，是一種不完全的隨機(jī)光纖激光器，由于采用高反射率的光纖布拉格光柵作為其中一個(gè)腔鏡，其對抽運(yùn)功率閾值和光纖總長度的要求降低，因此更容易實(shí)現(xiàn)激射。 
     最近,中國電子科技大學(xué)光纖傳感與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種具有低閾值、高效率的隨機(jī)光纖激光器，同時(shí)該激光器的波長輸出具有線性特性。該隨機(jī)激光器的激光腔包括標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的截面和一個(gè)置于光纖的最末端的具有頻帶選擇特性的點(diǎn)反射鏡。數(shù)值仿真結(jié)果表明，相比那些開放的諧振腔結(jié)構(gòu)，該激光器中大多數(shù)的能量都非常接近泵浦邊帶，以產(chǎn)生一個(gè)非常高效的頻譜輸出。此外，研究人員還考察了激光器的出光閾值功率和斜率效能隨腔長和泵浦波長的變化，研究結(jié)果表明，更重要的是，更短的腔長將產(chǎn)生更高的效率，并且對于不同的泵浦波長來說，則會出現(xiàn)不同的腔長將對應(yīng)不同的最低出光閾值的情形。最后，研究人員通過選擇特定的參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了1145納米的隨機(jī)激光波長輸出，其輸出功率達(dá)到7.13瓦，斜率效能大于90%，其中泵浦功率為10瓦，他們會還發(fā)現(xiàn)當(dāng)閾值在2瓦以上時(shí)，激光器的斜率效能為一個(gè)常數(shù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為涉及特定性能的隨機(jī)光纖激光器提供了一個(gè)很好的解決方案。

2.無源光子器件
    傳統(tǒng)微電子技術(shù)的特點(diǎn)是依靠集成電子器件提供更高的信息處理速度、存儲密度和片上可集成度等能力，但受到納米尺寸的瓶頸限制，集成電子器件已開始受到制約。與微電子技術(shù)發(fā)展并行的另一門高新技術(shù)——光電子技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)集成光子回路、互聯(lián)光路、光計(jì)算等功能方面顯現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，有可能是取代“集成電路”的新一代信息技術(shù)的重要支柱，該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是如何在納米尺寸高度集成的芯片上實(shí)現(xiàn)人們像操縱電子那樣操控光子。表面等離激元(SPPs)是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁模，經(jīng)常被稱為“能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)線傳輸光子”的信息載體，它在發(fā)展新一代光電子集成技術(shù)中發(fā)揮重要作用，但怎樣在納米尺寸的芯片上實(shí)現(xiàn)SPPs的“傳輸控制”是該領(lǐng)域的一個(gè)國際研究熱點(diǎn)。該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是如何在納米尺寸高度集成的芯片上實(shí)現(xiàn)人們像操縱電子那樣操控光子，是取代“集成電路”的新一代信息技術(shù)的重要技術(shù)。
偏振控制器件如偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振光束分離器，在光子回路中的具有不可替代的重要作用，迄今為止，偏振控制器具有各種各樣的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方法，例如基于模式干涉和非對稱徑向耦合的方法，或者基于絕熱模式演化方法，但是以上這些方法都具有他們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。北京大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)信息學(xué)院先進(jìn)光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新型的偏振旋轉(zhuǎn)器，該偏振旋轉(zhuǎn)器的原理是基于表面等離子體波導(dǎo)和帶狀硅絕緣體波導(dǎo)通過非對稱徑向耦合來實(shí)現(xiàn)的。該偏振旋轉(zhuǎn)器具有非常緊湊的尺寸，很低的插入損耗以及非常好的絕緣體上硅匹配性。其中，兩種不同波導(dǎo)和耦合長度僅僅只有11.2微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩個(gè)帶狀硅波導(dǎo)在相同耦合間距的條件下在相同的硅芯層上耦合的長度。此外，該偏振旋轉(zhuǎn)器在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了一個(gè)非常高偏振轉(zhuǎn)換效率，在1550納米處的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.9%，插入損耗僅僅只有0.136dB，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在現(xiàn)今所報(bào)道的所有新型偏振控制器中處于領(lǐng)先水平。此外，該偏振控制器還可以在帶寬超過60納米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大于96%的轉(zhuǎn)換效率，以及低于0.42dB的插入損耗值。

3.光波導(dǎo)
    超常材料(metamaterials)是一種人工合成的、具有微納尺度結(jié)構(gòu)單元的復(fù)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(zhì)的應(yīng)用研究在新型的無線通信、光通信、雷達(dá)、超分辨率成像、微波吸收、電磁隱身技術(shù)等許多領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。隨著人們對超常材料的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)利用它的微結(jié)構(gòu)特性可以實(shí)現(xiàn)非常大的色散，在具有這種特定微結(jié)構(gòu)單元的材料中可以消除大波矢量的中斷效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)非常高的折射率，通常這種大折射率超常材料可用于制作靈敏度非常高的生物傳感器件。目前看來，盡管在兩個(gè)具有高折射率的波導(dǎo)耦合情形下的低折射率溝狀區(qū)域存在局域場增強(qiáng)效應(yīng)，并且這種現(xiàn)象可用于紅外光譜儀，但是其功能仍然受限于波導(dǎo)的折射率。因此對于更強(qiáng)的場放大方法，人們提出了金屬-電介質(zhì)混合溝狀波導(dǎo)，這種波導(dǎo)在通信波段可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的場放大效應(yīng)。但是在紅外波段，對這種局域場放大效應(yīng)的研究仍然是一個(gè)未被深入研究的領(lǐng)域，無論是從原理上還是應(yīng)用前景上。
    北京交通大學(xué)先進(jìn)全光網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)光通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種基于石墨烯-電介質(zhì)的混合溝狀波導(dǎo)，他們研究了這種混合溝狀波導(dǎo)在紅外頻段的局域場放大特性。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代光電子器件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。研究人員利用有效介質(zhì)理論和耦合平板波導(dǎo)模型，通過基于多重結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真考察了這種混合溝狀波導(dǎo)的模式演化特性以及局域場放大特性。研究結(jié)果表明，電場振幅在這種混合溝狀波導(dǎo)的溝槽中可以放大接近20倍并且70%的功率能流被集中在溝槽區(qū)域。該研究結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了早先報(bào)道的銀-鍺混合波導(dǎo)和硅溝狀波導(dǎo)。此外，顯著地區(qū)別于傳統(tǒng)的波導(dǎo)光器件，利用更低的頻率或者更高的化學(xué)勢和更大的石墨烯填充因子和周期數(shù)。，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的局域場放大特性以及更小的模態(tài)衰減。這種利用石墨烯和電介質(zhì)混合構(gòu)造的溝狀波導(dǎo)在生物傳感器和紅外光譜學(xué)等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

    光子晶體光纖(PCF)又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖（MSF)，近年來引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個(gè)長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。光子晶體光纖研究的日趨成熟不僅拓寬了光纖激光器的研究領(lǐng)域，同時(shí)也推動了激光技術(shù)的發(fā)展。對于采用常規(guī)光纖的光纖激光器，要求注入到纖芯的泵浦光為單模，這就限制了泵浦光的入纖效率。且當(dāng)激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于纖芯的非線性效應(yīng)，也將限制輸出功率的極限值。光子晶體光纖由于其靈活的光學(xué)可控性和特殊結(jié)構(gòu)，可具有大模面積且保持無限單模的特性，有效地克服了常規(guī)光纖的設(shè)計(jì)缺陷。最近，大連科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的研究人員報(bào)道了一種光子晶體光纖，他們利用傳統(tǒng)的光纖布拉格光柵刻印步驟將一個(gè)光纖布拉格光柵刻到一根雙芯光子晶體光纖上。因此，這種帶有光纖布拉格光柵的雙芯光子晶體光纖將具有非常有特色的反射譜，其展現(xiàn)出一個(gè)寬廣的反射峰，并且僅僅在其短波邊帶上有一個(gè)顯著地旁瓣。研究人員系統(tǒng)研究并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種光子晶體光纖的溫度和應(yīng)力靈敏特性，發(fā)現(xiàn)它在旁瓣和峰值處的溫度靈敏度分別為11.88pm/℃和11.77 pm/℃，張力系數(shù)分別為1.03pm/με和1.01pm/με。他們還同時(shí)考察了這種光纖的彎曲響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其彎曲響應(yīng)與傳統(tǒng)的刻有光纖布拉格光柵的多芯光纖有明顯不同，，旁瓣和峰值處的反射譜將隨著彎曲半徑的改變而改變。
4.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    在現(xiàn)代光通信領(lǐng)域，隨著人們對帶寬需求的日益增長，以更高的比特率傳輸?shù)亩叹嚯x光纖通信系統(tǒng)已成為寬帶接入技術(shù)的一個(gè)重要支撐。對于單波長信號來講嗎，利用相干檢測技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的多級多維度編碼已經(jīng)可以使得數(shù)據(jù)信號的傳輸速率達(dá)到100Gb/s以上。我們知道，在長距離通信中光纖早已唱起了主角，而在短距離如家庭內(nèi)、交通工具內(nèi)、辦公大樓及辦公室內(nèi)的通信和多媒體傳輸中光纖的運(yùn)用目前卻還很少。但隨著intenret數(shù)據(jù)通信、視頻點(diǎn)播、可視電話、電視會議等多媒體業(yè)務(wù)的迅速擴(kuò)大，對物理網(wǎng)絡(luò)的寬帶化、高速化提出了更高的要求，使光纖到戶和光纖到桌面的傳輸網(wǎng)絡(luò)逐步取代現(xiàn)有的光電混合形式成為最理想的傳輸網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供寬帶高速的信息服務(wù)，從而推動了全光交換技術(shù)的不斷發(fā)展。在全光交換網(wǎng)絡(luò)中，為用戶提供寬帶高速的信息服務(wù)，從而推動了全光交換技術(shù)的不斷發(fā)展。
    不像長距離通信和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可以由大量的用戶消費(fèi)來支撐整個(gè)系統(tǒng)，短距離光纖通信需要低建造成本和低運(yùn)營成本�？紤]到成本和復(fù)雜程度等現(xiàn)實(shí)問題，在短距離光纖通信中采用強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測技術(shù)顯然很有必要。此外，隨著高速服務(wù)需求的日益增長，例如高清視頻和云計(jì)算，它們對比特率的需求都要達(dá)到幾十個(gè)Gb/s甚至100Gb/s，因此100Gb/s的通信速率需求已經(jīng)使得通信系統(tǒng)從長距離相干檢測技術(shù)向短距離強(qiáng)度調(diào)制直接檢測技術(shù)轉(zhuǎn)變。目前，不同的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被用于短距離光纖通信系統(tǒng)，例如多級強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)，正交幅度調(diào)制（QAM）結(jié)合子載波調(diào)制技術(shù)(SCM)，正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)(OFDM)和抑制載波和相位技術(shù)(CAP)等。在以上這些調(diào)制技術(shù)中，不需要射頻源且利用數(shù)字頻率上轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的SCM技術(shù)相對來說更加簡單易實(shí)現(xiàn)。而OFDM技術(shù)和CAP技術(shù)由于要基于快速傅里葉變換或者在傳輸或者接收端采用正交濾波器對，因而相對更加復(fù)雜。最近，湖南大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)院的研究人員實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種短距離光纖通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用具有64/128-QAM格式的半周期子載波調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。他們在該系統(tǒng)中摒棄了傳統(tǒng)的摻餌光纖放大器，在實(shí)驗(yàn)中利用更加節(jié)省成本的直接調(diào)制激光器來實(shí)現(xiàn)單偏振64/128-QAM的半周期子載波調(diào)制信號的傳輸。此外，他們還利用一對外加調(diào)制器進(jìn)行了雙偏振信號傳輸實(shí)驗(yàn)。此外，在該實(shí)驗(yàn)中研究人員還采用基于一對實(shí)踐交錯(cuò)訓(xùn)練序列的頻域均衡和多路偏分復(fù)用信道估計(jì)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅僅采用3GHz的帶寬，3.25Gb/s的雙偏振64-QAM格式信號在光纖中傳輸了20千米后，其誤碼率依然低于3.8×10-3，而38Gb/s的雙偏振128-QAM格式信號在同樣的傳輸長度下的誤碼率低于2.4×10-2。