光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂
    2015年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：脈沖激光器、光纖放大器、無源光子器件、有源光子器件、光網絡及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
脈沖激光器
    可飽和吸收器是一種最常見的用于產生脈沖光的元器件，它可以導致激光振蕩腔內損耗的調制，從而產生一個增益遠遠大于損耗的短窗口以形成脈沖光。半導體可飽和吸收鏡是一種廣泛應用于激光諧振腔的可飽和吸收器，其基本結構就是把反射鏡與半導體可飽和吸收體結合在一起。底層一般為半導體反射鏡，其上生長一層半導體可飽和吸收體薄膜，最上層可能生長一層反射鏡或直接利用半導體與空氣的界面作為反射鏡，這樣上下兩個反射鏡就形成了一個法布里-珀羅腔，通過改變吸收體的厚度以及兩 反射鏡的反射率，可以調節(jié)吸收體的調制深度和反射鏡的帶寬。一般來說半導體的吸收有兩個特征弛豫時間，帶內熱平衡 (intraband thermalization) 弛豫時間和帶間躍遷(interband transition) 弛豫時間。帶內熱平衡弛豫時間很短，在100-200 飛秒左右，而帶間躍遷弛豫時間則相對較長，從幾個皮秒到幾百皮秒。帶內熱平衡弛豫時間基本上無法控制，而帶間躍遷弛豫時間主要取決于半導體生長時襯底的溫度，生長時的溫度越低，帶間躍遷弛豫時間越短。在半導體可飽和吸收鏡鎖模過程中，響應時間較長的帶間躍遷 (如載流子重組) 提供了鎖模的自啟動機制，而響應時間很短的帶內熱平衡可以有效壓縮脈寬、維持鎖模。由于一般的半導體可飽和反射鏡都需要利用分子束外延技術，并且其運行波長范圍都局限在半導體帶隙內，其應用范圍較窄。與之相反，基于石墨烯的可飽和吸收器的構造就相對簡單且成本低廉，此外其工作波長范圍也極其寬廣，因而應用前景良好。
    最近，英國南安普頓大學光電研究中心以及美國物理與天文學系的研究人員聯(lián)合提出了一種基于單層石墨烯結構可飽和吸收器的脈沖激光器，他們利用該可飽和吸收器在摻釔磷酸鹽玻璃波導激光器中實現(xiàn)調Q過程，此外在摻釔鉺磷酸鹽玻璃波導激光器中實現(xiàn)調Q鎖模過程。對于工作波長為1535納米的摻釔鉺激光器，其調Q脈沖的重復率可達到526KHz并且在重復頻率為6.8GHz處包含了鎖模脈沖。他們在實驗中所測量到的0.44納米帶寬可允許產生脈寬為6皮秒的脈沖激光，在此條件下的最大平均功率可達到27mW，斜率效能可達到5%。而對于工作波長為1057納米的摻釔激光器，可得到的調Q脈沖重復率達到833kHz，其最大平均輸出功率為21mW。此外，實驗人員發(fā)現(xiàn)，當泵浦功率從220毫瓦增加到652毫瓦時，脈沖寬度將從292納秒下降到140納秒，單脈沖能量將從17納焦增加到27納焦。
光纖放大器
    相對于傳統(tǒng)固體激光器，光纖激光器由于具有結構緊湊、效率高、光束質量高及散熱性好等優(yōu)點，因而得到了廣泛研究。雖然目前單模光纖激光器實現(xiàn)了千瓦量級的高功率激光輸出, 且具有衍射受限的光束質量，然而這種高功率光纖激光器的頻譜線寬在數納米量級, 對于上述應用需要的窄線寬單頻激光源的應用而言顯得太寬了。而單獨采用光纖激光器雖然目前已經實現(xiàn)了線寬在2kH以內的單頻激光輸出，但其功率卻在百毫瓦量級,不能滿足高功率的需要。因此，采用主振蕩光纖功率放大(MOPA)技術實現(xiàn)窄線寬高功率單頻高質量激光，是一個很好的選擇。高功率單頻主振蕩光纖功率放大器采用線寬窄高光束質量單頻激光器作為種子源，通過雙包層或特種摻稀土光纖一級或多極放大,實現(xiàn)高功率高光束質量的單頻激光輸出。最近，中國國防科技大學光電科學與工程學院的研究人員提出了一種高功率單頻摻銩光纖放大器。采用全光纖主振蕩功率放大器結構。采用一個輸出功率為40毫瓦具有超短腔的單頻光纖激光器作為該主振蕩功率放大器的種子光源，激光器的工作波長位于1971納米附近。最后的實驗結果表明，這種放大器的最終輸出功率達到了310W，斜率效能為0.56，研究人員同時還觀察到了沒放大的自發(fā)輻射和寄生振蕩輸出。受激布里淵散射閾值無法達到，且最終輸出功率僅受限于泵浦功率的大小。該實驗結果是第一次通過單頻摻銩全光纖主振蕩功率放大器實現(xiàn)超過300瓦的功率輸出。

無源光子器件
    空分復用是指讓同一個頻段在不同的空間內得到重復利用，在移動通信中，其基本技術就是采用自適應陣列天線實現(xiàn)空間分割，在不同的用戶方向上形成不同的波束。如果把空間的分割來區(qū)別不同的用戶，就叫做空分多址技術(SDMA)。每個波束可提供一個無其他用戶干擾的唯一信道。此外，如果把空間的分割來區(qū)別同一個用戶的不同數據，就叫做MIMO 空分復用。在未來空分復用通信系統(tǒng)中，利用少模光纖來傳輸信號是一個非常合適的選擇。少模光纖（few-mode fiber，F(xiàn)MF）是一種纖芯面積足夠大、足以利用幾個獨立的空間模式傳輸并行數據流的光纖。理想情況下，少模光纖的容量與模式的數量成正比。然而，為了延長傳輸距離，需要使用少模光纖放大器。不同于那些用于自由空間光通信和高功率激光應用中的放大器，少模光纖放大器具有可控的與模式相關的增益，以確保所有的空分復用信道均被優(yōu)化。因而，基于少模光纖的通信技術又被稱為模分復用技術。模分復用技術利用少模光纖中有限的穩(wěn)定模式作為獨立信道傳遞信息，可以成倍的提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。是構建未來光網絡的關鍵技術之一。在模分復用系統(tǒng)中，其關鍵點是將來自單模光纖的模式集中起來，然后獨立地分配到少模光纖的每個信道中，因此，模式轉換器在此過程中必不可少，模式轉換器可將幾個獨立地信道轉換到少模光纖的各個模式中。
    最近，北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室的研究人員提出了一種基于光子晶體光纖的模式選擇耦合器（也叫模式轉換器）。這種錐形的模式選擇轉換器是單模光纖錐形耦合器的一種延伸。他們詳細地描述了三個典型模式轉換器的原理及功能并作了相關仿真實驗，包括LP01模到LP11a模，LP01模到LP11b模，LP01模到LP21模。他們通過計算耦合損耗和帶寬寬度來考量該模式轉換器的性能。研究結果表明，他們所提出的模式轉換器為寬帶和低損耗無源器件。不同于通常的模式選擇耦合器需要使兩個模式間保持相位匹配，這種耦合器的相位匹配條件非常寬松，因此其對波長和器件長度不敏感，其耦合效率與兩個模式和中心區(qū)域錐形角度的耦合系數有關。此外，這些模式轉換器對正交偏振態(tài)不敏感，他們可以通過光子晶體光纖后加工技術來制備，并且很適合用于未來的模分復用光纖通信系統(tǒng)中。

有源光子器件
    電光調制器是芯片級光電集成回路中最基本的有源器件，因為它連接了光電兩個世界并且可將電信號轉換成光學信息。調制器按照其調制原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等，它們所依據的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、Franz-Keldysh效應、量子阱Stark效應、載流子色散效應等。其中電光調制器是通過電壓或電場的變化最終調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在損耗、功耗、速度、集成性等方面都優(yōu)于其他類型的調制器�，F(xiàn)代光纖系統(tǒng)中主要使用兩類調制器，一種是依賴于一定平面波導載光方式改變的電光調制器，另一種是內部結構類似于激光器的半導體二極管電吸收調制器，后者能在透過光和吸收光兩個狀態(tài)下切換。對于前一種光調制器，現(xiàn)在已有各種各樣的基于硅波導的光調制器，這些光波導調制器在調制深度和調制速度方面有著極其優(yōu)異的光調制性能， 然而，由于硅的電光系數非常小，將對調制長度有著更高的要求（器件尺寸增大），例如基于馬赫曽德干涉儀的光調制器，此外，基于共振結構器件的高Q因子使得他們只能在極窄的光譜寬度內運行。為了實現(xiàn)調制器的寬帶化和小型化，熱門提出了基于金屬氧化物半導體的混合等離子體波導的等離子體調制器。由于等離子體材料的折射率可以電調諧，因此這種等離子體波導中導波模的吸收系數可被調制，從而在輸出端獲得已調光信號。等離子體材料的折射率基本上可用電調控，例如石墨烯、氧化銦、摻鎵氧化鋅以及二氧化釩。基于這種等離子體材料的光調制器都有著較高的工作帶寬，然而，其具有非常高的插入損耗，因為損耗性等離子體導波模在這種金屬氧化物等離子體波導中的傳輸是一個關鍵問題。最近， 韓國大田電子通信研究所未來創(chuàng)新研究實驗室的研究人員提出了一種基于二氧化釩絕緣體-金屬相位轉換的緊湊型等離子體光調制器。該等離子體調制器可同時適用于橫電模（TE）和橫磁模（TM）。此外，該調制器由一根硅波導和一根插入硅波導中的金屬氧化物半導體型Si-SiO2-VO2-Cu混合等離子體波導組成。通過電場改變二氧化釩的相位使得其從絕緣體向金屬導電介質轉變，沿著該器件傳輸的TE模和TM模將收到抑制，因此可獲得已調光信號。最終的實驗結果表明，對于運行波長在1.55μm的500納米長的等離子體調制器，TE模具有3.9dB的開/關消光比，而TM模具有8.7dB的開/關消光比。

發(fā)光二極管（英語：Light-Emitting Diode，簡稱LED） 是一種能將電能轉化為光能的半導體電子元件。LED被稱為第四代光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調光、光束集中、維護簡便等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領域。當前的商用LED基本上是白光LED光源，實現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同的熒光粉對光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關系密切。最近，臺灣逢甲大學自動控制工程系的研究人員提出了一種基于晶體硅和集成紅綠藍三基色（RGB）傳感器的LED封裝模塊。在這種LED封裝模塊中，利用RGB顏色傳感器可以檢測白光LED發(fā)光亮度和特定波長強度的變化，從而可實時監(jiān)控發(fā)光的色度和色溫。研究人員利用半導體加工技術制備出了帶有溫度傳感器的載流子基底，此外利用硅刻蝕深加工過程來實現(xiàn)電分和絕熱。通過集成藍光LED和硅樹脂磷光劑，實現(xiàn)了一個低成本和微型化的整體封裝模塊。經典的實驗結果表明，當LED的輸入電流為0.2安時，RGB顏色傳感器的輸出電流分別為0.082、0.086、0.068毫安，計算得到的色品坐標系中的x和y分別為0.35和0.36，與之相對應的色溫為4852K。該實驗結果與一種商用發(fā)光測量儀所測得的結果相吻合。

光網絡及其子系統(tǒng)
    隨著以個人移動和固定寬帶為代表的通信業(yè)務的不斷普及，互聯(lián)網和大型數據中心為代表的IT業(yè)務的迅猛發(fā)展，使得當前信息化社會對于網絡帶寬的需求達到了前所未有的高度。為了解決不斷出現(xiàn)的“帶寬消耗”型業(yè)務對光傳送網帶來的巨大壓力，人們通過各種辦法提高現(xiàn)有的光傳輸容量。因此，光纖通信網絡在面對如此越來越強的帶寬需求時，需要不斷地升級和更新?lián)Q代。高速和大帶寬的需求不僅征對基于單模光纖的主干網，而且還征對基于塑料光纖或基于可見光通信技術的室內網絡。眾所周知，基于單模光纖的主干網絡為廣大用戶提供了高性能的通信網服務，然而，而突出的矛盾體現(xiàn)在接入網方面，即用戶與核心網絡的連接部分。理論上，全光纖接入網絡將是比較完美的解決方案。然而，全光纖接入實現(xiàn)上對接入網絡的要求過高，即使在發(fā)達國家也還遠遠未能實現(xiàn)。為了克服以上困難，必須發(fā)展新型的內部接入網。梯度折射率塑料光纖的發(fā)展應用和可見光通信技術被認為是解決最后一公里問題的備選方案。雖然石英光纖廣泛用于遠距離干線通信，然而在內網中應用梯度折射率塑料光纖和可見光通信技術具有很多優(yōu)點。具有梯度折射率的塑料光纖有著優(yōu)異的拉伸強度、耐用性和占用空間小的特點，具有大纖芯直徑和小彎曲半徑，質輕、柔軟，更耐破壞（振動和彎曲）。因而塑料光纖能夠很方便的實現(xiàn)光纖到戶，其相關的連接器件和安裝的總成本比較低，在光纖到戶、光纖到桌面整體方案中，塑料光纖是石英光纖的補充，可共同構筑一個全光網絡。最近，臺灣國立嘉義大學電子與電氣工程系的研究人員提出了一種混合型有線電視/16-QAM正交頻分復用室內接入網絡。他們通過實驗成功演示了該混合型室內接入網絡的性能，通信信號成功通過了40千米單模光纖傳輸長度，1.43千米光子晶體光纖傳輸長度，30米的梯度折射率塑料光纖及5米可見光通信傳輸長度。該室內接入網絡系統(tǒng)具有很高的信噪比，其中16-QAM-OFDM信號的的傳輸速率為10Gbps/5GHz，傳輸帶寬達到2.5GHz，信號的最低頻率達到3.75GHz，而有線電視信號的最高載頻達到550MHz，遠低于3.75GHz。此外，該綜合通信網絡還具有很低的誤碼率，其誤碼率低于10-6，當誤碼率達到10-6時，功率損耗達到2.8dB。研究人員指出，這種基于塑料光纖的綜合型室內網絡可提供很好的寬帶集成服務，包括有線電視，互聯(lián)網以及通信等。