光纖在線特邀編輯：邵宇豐 方安樂。
9/8/2015,2015年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器和放大器、無源光子器件、光網絡及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.激光器和放大器

        超短脈沖激光器在諸多領域包括光通信、微結構制造、光譜分析以及生物醫(yī)學方面有著非常廣泛而重要的應用。從上世紀80年代開始，經歷了從染料到固體飛秒激光器的發(fā)展，開辟了科學和工業(yè)應用的新時代。但其昂貴的價格，龐大的體積，對環(huán)境的穩(wěn)定性差等缺陷阻礙了超短脈沖飛秒激光的應用。自90年代初，光纖激光器利用半導體激光器泵浦，具有小巧、結構簡單、無需水冷和可集成化的特點，逐步發(fā)展起來并成為鈦寶石激光器強有力的競爭者和替代者。早期的飛秒光纖激光器，采用摻鉺的通信光纖，工作波長1550nm，普通單模光纖色散為負，能提供與自相位調制對應的啁啾補償，于是孤子鎖模(Soliton mode locking)和展寬脈沖(Stretched pulse)鎖模就成為主流機制。由于其倍頻光的波長在775nm，經過拉曼移頻可移到800nm附近，在商用激光器上，已經用作鈦寶石放大器的種子脈沖。但是，由于鉺光纖的摻雜濃度不能很高，以及鎖模機制的限制，輸出脈沖能量仍然很低，限制了此種光纖激光器的應用。近年來，隨著高摻雜摻鐿光纖激光器的發(fā)展，自相似(Self-similar)和全正色散鎖模理論被提出并在實驗上獲得證實，使光纖振蕩器的單脈沖能量突破20nJ。最近，韓國先進科學技術研究院物理系聯(lián)合延世大學物理無應用物理學院光子器件物理實驗室的研究人員提出了一種基于錐形光纖可飽和吸收器的全光纖被動鎖模激光器，其中可飽和吸收器結構中嵌入了一個二硫化鎢納米薄片。實驗中的錐形光纖采用標準的火焰灼燒法制備，其作用長度為3毫米，腰部直徑為10到15微米。二硫化鎢納米薄片采用液相沉積法制備從而得到均衡的色散特性，然后將其沿著錐形光纖的作用長度方向放置，從而構造了一個包含被動鎖模機制的環(huán)形激光器。其具有10微米錐形直徑的可飽和吸收器可產生脈寬為369飛秒的超短脈沖，具有3dB、7.5納米的譜寬。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)采用腰徑為15微米錐形光纖的可飽和吸收器可得到563飛秒的脈寬輸出，其譜寬為5.2納米。研究結果表明錐形光纖的腰部直徑越小，所產生的超短脈沖的譜寬越寬。這種全光纖激光器的結構如圖1所示。

圖一 基于錐形光纖構造可飽和吸收器的飛秒激光器實驗裝置圖

        高功率的摻銩光纖激光器是一種非常有市場前景的激光技術，其輸出中心波長在2微米附近，水分子在該波長附近具有很強的中紅外吸收峰，因此，摻銩光纖激光器被認為是應用于醫(yī)學、生物學、超快光學、眼睛安全、近距離遙感和遠程探測系統(tǒng)如激光測距機、相干多普勒測風雷達、水蒸氣拋面DIAL系統(tǒng)等的理想光源，具有潛在的應用價值。在醫(yī)學領域，摻銩光纖激光器作為單一光源緊湊型的激光平臺，具有多種應用，其中包括精細切割、快速汽化以及在軟組織處理過程中合適的凝結止血等。而諸如更小的尺寸、更高的效率和更好的光束質量這些潛在的優(yōu)點使其能勝任更加精細的組織切除。此外，高功率摻銩光纖激光器除了作為2微米波段人眼安全波長和激光雷達的光源外，還可以作為固態(tài)晶體激光器的泵浦原以實現(xiàn)更長波長的紅外激光器輸出，具有很大的市場應用前景。最近，挪威科技大學物理系的研究人員報道了3種基于高度摻鍺和摻銩光纖的線性腔飛秒全光纖主震蕩功率放大器。他們采用了不同結構的半導體可飽和吸收鏡實現(xiàn)鎖模。他們系統(tǒng)研究了這三種不同結構的性能并在一個較寬的腔內色散范圍內得到了穩(wěn)定的鎖模。在這篇論文中，他們著重聚焦三種鎖模區(qū)域：反常色散、近零色散以及正常色散區(qū)域，其中并沒有采用額外的色散補償器件。對于正常色散和近零色散區(qū)域，可得到數(shù)個納焦的飛秒脈沖。此外，他們利用一個簡單的光纖壓縮機可將脈沖寬度壓縮至630飛秒，這種光纖壓縮機包含一根傳統(tǒng)的通信光纖，這使得該超短脈沖激光器的設計簡單并且性價比較高。該激光器的示意圖如圖二所示：

圖二 摻銩光纖激光器和放大器結構示意圖

全光纖激光器以光纖光柵和泵浦合束器替代二色鏡，有效克服了空間耦結構光纖激光器的不足，使系統(tǒng)結構更加緊湊、轉換效率更高、可靠性更好，引起了國內外的廣泛關注。與空間耦合結構光纖激光器一級震蕩輸出激光不同，高功率全光纖激光器采用了主震蕩功率放大結構（MOPA）結構，即通過級聯(lián)放大器將低功率種子激光器的輸出放大，一方面緩解了種子激光器內的熱負荷等問題，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；另一方面具有良好的功率提升潛力。主振蕩功率放大就是將具有高光束質量的種子信號光和泵浦光 , 通過一定的方式耦合進雙包層光纖進行放大 , 從而實現(xiàn)對種子光源的高功率放大。 其突出特點是 : 主振蕩器主要作用是產生高質量的種子光 , 輸出功率可大可小 , 因而輸出光較易做到所需的時域、 頻域特性和保持良好的光束質量 ; 功率放大部分主要作用則是對種子光進行放大 , 在保證了輸出光的高光束質量的同時又實現(xiàn)了高功率、高能量輸出 , 即它結合了低功率種子源的良好脈沖特性和雙包層放大器的高功率放大特性的優(yōu)點。目前千瓦級的全光纖激光器已實現(xiàn)產品化。09年美國IPG公司推出了產品化的單模10千瓦級光纖激光器，其多模連續(xù)光纖激光器的輸出功率可達50千瓦，電光轉換效率高于25%。此外，Nufern公司也推出了千瓦量級窄線寬高功率單模光纖放大器系統(tǒng)。國內多家單位也已成功實現(xiàn)千瓦量級的功率輸出。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千瓦量級全光纖級聯(lián)放大器。該實驗是首次利用分布式單邊耦合包層泵浦摻釔光纖實現(xiàn)的放大器系統(tǒng)。該放大器可實現(xiàn)雙級級聯(lián)放大，其總輸出功率可達到1.009千瓦，關聯(lián)泵浦光功率的光-光轉換效率達到76.8%。此外，研究人員還測量了級聯(lián)放大器的輸出光束質量，其品質因子達到了2.1。研究結果表明該級聯(lián)放大器對于光纖激光系統(tǒng)的功率縮放起著至關重要的作用。其結構如圖三所示。

圖三 全光纖級聯(lián)放大器實驗裝置圖

2.無源光子器件

        微波光子濾波器是一個利用光學處理方法處理微波信號并實現(xiàn)濾波功能的光學系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電子技術的濾波技術是直接將射頻信號下變頻后在電路中進行處理，相對缺少靈活性，系統(tǒng)易受電磁波的干擾；收到頻帶及采樣率等電子拼瓶頸的限制。而微博光子濾波技術實在光域上處理載有的電信號，利用光釬、光學鏈路、光電子器件等對信號采樣、加權、相加等處理。由于微波光子濾波器使用光學的方法處理微波信號，它可以克服傳統(tǒng)的電濾波器的“電子”瓶頸。傳統(tǒng)的采樣頻率最高只能達到幾千兆赫左右，而微波光信號處理則可以達到上千億赫茲，這將給高速無線通信提供很好的基礎。比起傳統(tǒng)的電子濾波器，微波光子濾波器用光學的方法處理微波信號，這種方法利用了光纖延遲損耗小、抗電磁干擾、能提供較寬的工作帶寬和高速的取樣頻率等優(yōu)勢；并且微波光子濾波器更容易實現(xiàn)可調和可重構。這些優(yōu)點使得微波光子濾波器的應用非常廣泛。例如其可以在現(xiàn)代高速光纖無線接入網中得到廣泛的應用，既可以應用在地面雷達系統(tǒng)中，也可以應用到從通用移動通信系統(tǒng)到固定接入微蜂窩網絡中的無線接入網級相關標準中，全球互操作性微波接入以及局域多點分布服務，此外，由于重量輕的特點，其在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中也有著廣泛的應用。最近，上海交通大學先進光通信系統(tǒng)與網絡國家重點實驗室的研究人員提出了一種具有高選擇性的矩形光濾波器。該濾波器的原理是基于光纖中的布里淵散射效應來實現(xiàn)的。其濾波帶寬為1到3GHz。通過泵浦分裂雙級構造，該濾波器的選擇性提升了16dB，并且在2GHz的帶寬范圍內超過40dB。濾波形狀可以通過數(shù)字反饋補償和非線性管理來精確地控制。此外，研究人員利用相干檢測技術通過對放大信號的信噪比的評估分析了單級和雙級濾波器的噪聲特性。研究結果表明，在實現(xiàn)更高的選擇性和提升噪聲性能方面，雙級架構的性能優(yōu)于單級架構。其對濾波性能的靈活可調性使得這種基于布里淵散射的濾波器可稱為最有應用前景的微波光子器件之一。

        隨著光纖技術的發(fā)展以及人們對測量要求的提高，光纖傳感器被越來越多的應用在社會生活的各個領域，相對傳統(tǒng)機械或電傳感器，光纖傳感器有著許多不可替代的優(yōu)勢。比如其一般采用光學的測量方法，測量精度高，傳感器結構一般都是光纖材料，具有很好的抗腐蝕性，穩(wěn)定性，并且可以設計成任意形狀。兼具傳感與傳輸于一體。目前，加速度計作為重要的傳感元件已廣泛地應用于交通、航天和醫(yī)療等領域。在各類微型加速度計中，光纖型加速度計由于具有抗電磁干擾能力好、重量輕以及能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點，已經成為國內外研究的重點。光纖加速計時通過光纖傳感技術來測量質量塊的慣性力從而測量加速度的光纖傳感器，由于它體積小質量輕，動態(tài)范圍寬，響應快，精度高，具有抗電磁干擾、電絕緣和耐腐蝕性等優(yōu)點，在許多領域都有著廣泛的應用�，F(xiàn)有的各類光纖型加速度計中，光彈效應加速度計結構相對比較復雜，而光波導加速度計存在光纖與波導耦合效率相對較低的困難。最近，安徽大學光電信息捕獲與操控教育部重點實驗室的研究人員提出了一種基于模式干涉儀的懸臂式光纖加速計，該加速計具有30dB的條紋可見度。在該光纖加速計系統(tǒng)中，他們采用電測試替代光譜探測來實現(xiàn)更快的加速度測量。實驗結果表明，使用該傳感器檢測的最小加速度為1.36mg，共振頻率為520Hz，與此同時，他們還分析了這種光纖加速計的角度依賴性，對于不同角度的輸出強度差最高達到18dB。這種光纖加速計可應用于水下聲學探測和地震波的探測。

3.光網絡及其子系統(tǒng)

        目前，數(shù)據處理中心和高性能計算系統(tǒng)對通信帶寬的需求日益增長。這些網絡都需要具有大帶寬和低功率損耗的短距離的網絡連通度。隨著近幾年隨局域網傳輸速率不斷升級，50μm芯徑多模光纖越來越引起人們的重視。自1997年開始，局域網向1Gb/s發(fā)展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖幾百兆的帶寬顯然不能滿足要求。與62.5/125μm相比，50/125μm光纖數(shù)值孔徑和芯徑較小，帶寬比62.5/125μm光纖高，制作成本也可降低1/3。因此，各國業(yè)界紛紛提出重新啟用50/125μm多模光纖。經過研究和論證，國際標準化組織制訂了相應標準。但考慮到過去已有相當數(shù)量的62.5/125μm多模光纖在局域網中安裝使用，IEEE802.3z千兆比特以太網標準中規(guī)定50/125μm和62.5/125μm多模光纖都可以作為1GMbit/s以太網的傳輸介質使用。但對新建網絡，一般首選50/125μm多模光纖。50/125μm多模光纖的重新啟用，改變了62.5/125μm多模光纖主宰多模光纖市場的局面。此外，由于當前的光纖通信網絡都是基于單模光纖的，雖然其單纖傳輸容量已逼近100Tbps的非線性香農極限，由于目前從時間、頻率、偏振、多進制調制、多光纖唯獨的利用來看，其利用均已接近極限。因此，干線的傳輸容量已接近極限，提高將十分困難，只有采用新的空間復用技術才有可能進一步提高光纖的傳輸能力。從而基于多模光纖的模分復用技術逐漸引起研究人員的重視。最近，倫敦大學電子與電氣工程系以及劍橋大學工程系的研究人員提出了一種基于傳統(tǒng)的梯度折射率多模光纖的模分復用系統(tǒng)。在這項實驗中，他們利用該系統(tǒng)將信號傳輸了8千米。他們在這種多通道多路復用的三線性偏振模（LP01，LP11a和LP11b）系統(tǒng)中采用了空間光調制器。他們利用一個6×6的頻域均衡器作為基于空間光調制器的模分復用系統(tǒng)中的信道脈沖響應。研究結果表明，由于光纖中的模式MUX/DEMUX和小耦合造成的大的串擾效應，該均衡器過于稀疏，而每個模式上的信號傳輸都可利用傳統(tǒng)的頻域均衡器來進行傳輸性能的改進和恢復。此外，研究人員指出，這種基于空間光調制器的模分復用系統(tǒng)可應用于短距離傳輸來提高通信系統(tǒng)的容量。圖四為這種模分復用系統(tǒng)的實驗框架圖。

圖四 基于空間光調制器的模分多路復用系統(tǒng)框架圖

        毫米波在通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學、臨床醫(yī)學和波譜學方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠程導彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質的成分。從本質上來講，現(xiàn)有光學毫米波信號產生方法有三種：光外差調制，直接強度調制和外部調制。對于直接強度調制而言，由于直接激光器的帶寬有限，難以產生40-60GHz的光毫米波。而光外差的方法是傳輸兩個頻率差等于所需要的毫米波頻率的窄線寬光波，其中之一攜帶了需要傳輸?shù)幕鶐��?shù)據，在基站通過外差產生毫米波載波信號，在傳輸光纖中兩光波的光譜都很窄，色散效應很小，但是需要兩個性能很好的激光源，增加了系統(tǒng)成本。在更高毫米波頻率，例如30GHz以上，外部調制比較容易實現(xiàn)毫米波產生，使用外部調制器產生高頻毫米波是最簡單、最有效的方法，被認為是最有應用前景的毫米波產生技術。最近，德國布倫瑞克科技大學的研究人員提出了一種新型的穩(wěn)態(tài)毫米波產生技術。該方案的原理是利用飛秒激光器產生的頻率梳的兩條干涉譜線來實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)毫米波的產生。通過補償激光重復率的漂移，通過對其中一根梳妝頻譜線的調制來得到穩(wěn)態(tài)的毫米波。因此，實驗中的激光諧振腔是封閉式的，從而在通過軟件穩(wěn)定技術實現(xiàn)的10kHz載波偏移條件下得到了穩(wěn)定和高質量的毫米波，其譜線寬為1Hz，相位噪聲為-134dBc/Hz，產生頻率的偏移量在40分鐘的時間內低至1Hz證明了該毫米波產生方案的長期穩(wěn)定性。實驗方案如圖五所示。

圖五 一種新型毫米波產生方案實驗框架圖