光纖在線特約編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
2018年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光子器件、傳感技術(shù)、激光器、波長轉(zhuǎn)換等，筆者將逐一評析。

1.光子器件
    磷光粉轉(zhuǎn)換白色發(fā)光二極管（pc-WLED）因其高效率，綠色環(huán)保以及耐用性被視為常規(guī)照明的候選器件。近年來，許多研究機構(gòu)已經(jīng)設(shè)計出多類pc-WLED封裝結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，磷光粉的精確光學建模有利于LED封裝的發(fā)展。在蒙特卡羅光線追蹤模擬實驗中，單個散射模式下的角散射和散射系數(shù)是影響表征粒子散射性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。過去幾年中，研究人員致力于研究表征磷光體粒子的散射性能。理論上，如果粒子是球形的并且磷光體的折射率（RI）已知，則散射參數(shù)可直接通過洛倫茲-米耶理論計算得知。但是，大多數(shù)LED磷光粉粉末形狀是不規(guī)則的且RI是未知的。在實驗中，為了獲得散射參數(shù)，研究人員設(shè)置各種測量方案用以研究測試磷光體的光學性能。由于光在磷光板中會倍增散射，所以在射線追蹤中需要至少調(diào)整兩個參數(shù)。光線跟蹤中的微調(diào)過程非常耗時。直到現(xiàn)在，仍然缺乏有效和高效的方法直接測量具有任意形狀磷光體的散射參數(shù)和未知的RI。最近，研究人員在單一散射條件下提出了一種基于激光粒子分析儀（LPA）測量磷光粉粒子有效表征的散射性能的新方法，實驗驗證并測量了WLEDs有效性通過透射率和光學性能。他們首次使用LPA系統(tǒng)直接測量單次散射條件下磷光粉粒子的相關(guān)數(shù)。采用表征光學參數(shù)的蒙特卡羅光線追蹤技術(shù)是為了模擬這種情況下WLEDs熒光板的透射率和光學性能，研究人員提出的方法被證明是可有效評估磷光粉的散射能力�？紤]到測量精度，在LPA中的液體介質(zhì)的RI應(yīng)該與WLED中的硅氧烷相匹配。利用實驗研究開發(fā)的方法可以精確地測量表征磷光體顆粒，光學性能可以使用數(shù)值模擬進行預測和優(yōu)化。上述方法對于WLED的色度調(diào)整非常有用。LPA測量裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 LPA測量裝置示意圖

    硅絕緣子（SOI）是一種用于緊湊設(shè)計和高性能應(yīng)用的光子集成電路（PICs）平臺，由于其優(yōu)異的高指數(shù)對比度和互補金屬氧化物半導體（CMOS）的兼容性引起了研究者的極大興趣。在高密度的光子集成電路（PICs）中，光功率分配器是實現(xiàn)光分布的關(guān)鍵部件，它在光學傳感器、開關(guān)和馬赫-曾德森干涉儀（MZI）調(diào)制器的構(gòu)建中得到了廣泛應(yīng)用。然而，SOI平臺的高指數(shù)對比度引起了強烈的極化依賴性，使得功率分配器對偏振敏感。因此，PIC非常需要同時具有偏振不敏感、低損耗、超寬帶和緊湊尺寸特性的功率分配器。研究人員已經(jīng)設(shè)計和制備了一些高性能功率分配器，包括Y分支、定向耦合器（DC）、多模干涉耦合器（MMI）等。其中，最簡單的結(jié)構(gòu)是Y分支，但兩個分支之間的角度需要非常�。�∼1°）以減小損耗，這也導致了較大的器件長度（∼50μm），并且對當前的制造技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的DC和MMI耦合器往往對波長和偏振的敏感度很高。一些研究者提出了在1550nm波長下具有0.06dB低損耗的MMI耦合器，但它只能在一個偏振狀態(tài)下運行良好。此外，有研究者提出了一種基于錐形硅波導的偏振不敏感和超寬帶3dB耦合器，其中低損耗的工作帶寬為1200到1700nm，設(shè)備長度只有5μm。然而，它的最小特征尺寸只有30納米，這對制造過程提出了非常嚴格的要求。因此，具有合理性能的功率分配器的超緊湊、偏振不敏感和寬帶方案仍然備受關(guān)注。目前，亞波長光柵（SWGs）由于其有效的衍射抑制、均質(zhì)行為和折射率操縱，使得光柵的間距小于光的傳播波長。運用這些獨特的特性，研究者們已經(jīng)成功地設(shè)計了使用SWG元件（包括與波長無關(guān)的MMI耦合器，2×2絕熱3dB耦合器和偏振分束器）的制備方案。對于使用SWG的3dB耦合器，它是偏振敏感的（僅用于TE模式），并且其具有相對較大的器件長度（有研究表明約為48.2μm）。此外，MMI耦合器的插入損耗（IL）在1260到1675nm范圍內(nèi)的工作帶寬僅低于1dB，這仍需要改進。
    最近，研究人員設(shè)計了基于TE和TM兩種模式的緊湊寬帶型功率分配器，其中輸入錐形波導和兩個輸出波導的前段是由反錐形波導和帶狀納米線組成，并將其嵌入在SWG結(jié)構(gòu)的中心（其原理圖如圖2所示）。研究人員已將設(shè)備尺寸優(yōu)化，使得輸入的TE和TM模式波耦合到相鄰的波導，然后從兩個對稱的彎曲通道輸出。實驗結(jié)果表明，該設(shè)備的總長度短至2.5μm，比傳統(tǒng)偏振不敏感的DC耦合器、MMI耦合器和基于SWG的MMI耦合器要短得多，并且低損耗（<0.1 dB）的工作帶寬可覆蓋從O到L以及部分U波段的整個范圍。

圖2硅基功率分配器原理圖

2. 傳感技術(shù)
    近年來，法布里-珀羅干涉儀（FPIs）在海洋勘探、化學探測、生物醫(yī)學和微流體應(yīng)用等各種應(yīng)用領(lǐng)域越來越受人們關(guān)注。制造FPIs的方法包括電弧放電、飛秒激光、聚合物的創(chuàng)建以及使用彈性膜片的FPI技術(shù)等。對具有彈性膜片的FPI，膜片的力學性能和厚度是影響壓力測量的最重要因素；膜片可由各種材料（包括銀、絲纖維蛋白、二硫化鉬和石墨烯）組成。由于石墨烯具有優(yōu)異的力學性能和超薄的厚度，因此使用石墨烯膜片的FPI被廣泛研究，并且已有研究證明25μm膜片直徑的壓力靈敏度超過39.4nm/kPa。研究人員通過使用石墨烯膜片來進一步提高傳感器的性能。一些研究已經(jīng)設(shè)計了用于測量不同參數(shù)（如振動、粘附能、熱膨脹和生物分子等）的類似傳感器結(jié)構(gòu)。研究人員通過實驗證明了相同的傳感器結(jié)構(gòu)能夠用于溫度測量過程；該類傳感器在500-510℃和1000-1008℃的溫度下分別具有1.56和1.87nm/℃的超高靈敏度。已有研究人員提出了與被困氣體熱膨脹、石墨烯隔膜的熱光學特性以及凸起的石墨烯氣泡偏轉(zhuǎn)行為有關(guān)的分析模型，其溫度測量結(jié)果表明：溫度在空腔長度下引起的變化為352nm/℃，并在20-60℃范圍內(nèi)具有良好的線性性質(zhì)。因此，具有石墨烯隔膜的FPI可以實現(xiàn)出色的壓力和溫度測量性能。然而，很少有研究分析交叉碰撞誤差如何影響壓力和溫度測量的準確性。雙參數(shù)測量的研究表明，用于雙參數(shù)測量的光纖傳感器可以通過矩陣來實現(xiàn)，用于同時測量壓力和溫度的傳感器可以實現(xiàn)2-10nm/kPa和10.7pm/K的靈敏度，并且光纖傳感器用于壓力和溫度測量可以達到4.07pm/kPa和10pm/℃的靈敏度。因而，雙參數(shù)測量可以通過溫度補償來實現(xiàn)。研究人員設(shè)計了直徑為125μm的石墨烯膜片來制造包括光纖布拉格光柵（FBG）和FPI的傳感器（如圖3所示），并將其用于同時測量壓力和溫度。FPI具有501.4nm/kPa的超高壓和306.2nm/kPa的溫度靈敏度。該傳感器的壓力靈敏度比之前的研究高了7.96-13.9倍，壓力與溫度之間的交叉影響是610Pa/℃。

圖3 光纖傳感器示意圖

3.激光器
    由于超快激光脈沖可廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工及其相關(guān)研究，因此它的發(fā)展演進吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。飽和吸收體（SAs）是一種非線性光學系統(tǒng)調(diào)制組件，在激光系統(tǒng)的短脈沖生成過程中起著至關(guān)重要的作用。最近，低密度的分層材料已被廣泛研究，因為它們可以將各種光學部件靈活地整合在一起，包括石墨烯，拓撲結(jié)構(gòu)絕緣體（TI），過渡金屬二硫族化合物（TMD），黑磷（BP）等。得益于寬帶的非線性光學（NLO）特性和超快響應(yīng)特性，它們已廣泛用于脈沖激光的產(chǎn)生。由于要求實現(xiàn)低成本，可調(diào)和穩(wěn)定的超短光纖激光器，因此SAs可調(diào)諧非線性光學特性已經(jīng)引起探索新型非線性功能材料和開發(fā)新穎NLO器件的研究人員的極大興趣。雜化有機-無機鈣鈦礦（HOIPs）具有電荷載流子躍遷的直接帶隙性質(zhì)吸引了研究太陽能電池中光吸收器的研究人員的極大關(guān)注。研究人員已經(jīng)證明了鈣鈦礦的高光電轉(zhuǎn)換效率來源于光學元件可比的吸收長度和電荷載流子擴散長度。鈣鈦礦的大強度吸收進一步刺激了研究鈣鈦礦的非線性光學響應(yīng)。最近，研究人員已經(jīng)證明CH3NH3PbI3在532nm和1028nm條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的非線性光學性質(zhì)；并且CH3NH3PbBr3在532nm和30℃的條件下的具有三階非線性響應(yīng)。研究人員還分析了CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx的非線性光學響應(yīng)，并展示了作為光學調(diào)制器的帶有鈣鈦礦的脈沖紅外（IR）激光器。此外，已有相關(guān)研究人員設(shè)計了基于鈣鈦礦SA的Q開關(guān)和鎖模摻鐿或摻鉺激光器�，F(xiàn)有條件下，SA已經(jīng)可集成到光纖套圈端面。但是，由于被動模式鎖定是限于相對較低的泵和輸出功率，光纖上的SA容易損壞端面會導致鈣鈦礦的強吸收。得益于與瞬逝場的相互作用，非線性材料不會直接暴露在高光功率下，從而減輕光學或熱損傷并改善光纖激光器的性能。此外，波導和非線性材料之間瞬逝場的相互作用為可調(diào)非線性光學器件提供工作平臺。當前，研究人員通過研究驗證了基于瞬態(tài)場與鹵化物鈣鈦礦相互作用的全光纖埃爾多安鎖模激光器。鈣鈦礦被沉積到D形光纖的側(cè)面拋光表面上，拋光長度30毫米，在核心處拋光深度為1-2微米。并對實驗樣品的非線性光學吸收特性進行了研究和測量。此外，穩(wěn)定的模式鎖定已經(jīng)實現(xiàn)了約1568.9nm的操作波長并且脈沖持續(xù)時間為1.13ps，表明HOIPs可以被開發(fā)成超快速光子的有效SA。研究人員通過實驗制備了基于瞬逝場與雜化有機-無機鈣鈦礦CH3NH3PbI3相互作用的全光纖摻鉺雜鎖模光纖激光器，還通過壓制D形光纖上高品質(zhì)的CH3NH3PbI3薄膜制備了 SA，研究證明該非線性光學的吸收強度依賴于鈣鈦礦的SA�；�于SA可 在光通信頻帶的操作過程中可獲得穩(wěn)定的模式鎖定。合成鈣鈦礦的被動鎖模光纖激光器的中心波長，光譜寬度，估計的脈沖持續(xù)時間和重復率分為1568.9nm，2.75nm，1.13ps4MHz。實驗結(jié)果證明了鹵化物鈣鈦礦的非線性光學響應(yīng)且其在非線性光學和超快光子學領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力（鈣鈦礦的光學特性如圖4所示）。

圖4 鈣鈦礦的光學特性：（a）電子顯微鏡（SEM）掃描顯示制備的鈣鈦礦表面薄膜的圖像; （b）拋光長度為30毫米的D形光纖表面; （c）UV-VIS-NIR吸收光譜;（d）裝有一個兩級可飽和吸收體模型的非線性透射測量結(jié)果

    自2010年首次應(yīng)用以來，隨機光纖激光器（RFL）因其具有高效率和易操作特性引起了人們的廣泛關(guān)注。RFL的增益由激拉曼散射（SRS）提供或受布里淵散射（SBS）產(chǎn)生，而光纖中的瑞利散射（RS）提供了隨機分布反饋過程。迄今為止，RFL在很多方面都有極大進展，諸如高功率，多波長，可調(diào)諧性和傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域。由于多波長光纖激光器是支持密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)一個重要器件，因此如何獲得多波長也是RFL中的熱門研究課題。在基于SRS的多波長RFL（MRFL）中，光譜濾波器具有多個傳輸峰值并常被用于生成多波長輸出，如FBG陣列濾光器的應(yīng)用。與基于SRS的RFL相比， 由于基于SBS的RFL具有窄帶寬和低門限的性質(zhì)，因此吸引了很多研究人員的興趣。SBS的增益帶寬僅為50-100 MHz，比SRS的窄得多，因此會導致基于SRS的RFL具有比較窄的線寬。更重要的是，SBS的門限也比SRS低一個數(shù)量級。上述特點使得窄線寬的RFLs在產(chǎn)生多波長方面有很大的優(yōu)勢。研究人員設(shè)計了結(jié)合了啁啾光纖光柵的多波長布里淵鉺隨機光纖激光器，并得到了一個波長間隔約0.088nm的五信道輸出，功率差約為4.3dB。但是，上述所有基于SBS的MRFL具有的輸出頻率間隔等于SBS頻率間隔。迄今為止，還未有展示基于SBS的MRFL具有輸出光頻率間隔等于雙SBS頻率間隔的實驗報道。最近，研究人員研制了一種新穎的基于SBS的可調(diào)諧多波長隨機光纖激光器。在實驗中，研究人員設(shè)計了在不同輸出端的六個信道（具有0.174nm的波長間隔）。通過調(diào)整兩個980納米激光二極管的功率，奇數(shù)階信道和偶數(shù)階信道在不同的條件下都獲得了相同的波長間隔輸出。研究人員設(shè)計的MRFL也可以從1549.75nm波長調(diào)諧到1569.75nm。 研究人員設(shè)計的多波長隨機光纖激光器實驗裝置如圖5所示。

圖5 多波長隨機光纖激光器實驗裝置

4.波長轉(zhuǎn)換
    近年來，隨著各類云計算服務(wù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量需求不斷增加。為了解決龐大通信業(yè)務(wù)流量這一問題，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗的高速互連。從調(diào)制格式層面考慮，由于無需進行復雜的發(fā)射機和接收機配置，四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）格式備受關(guān)注。在一些報道中，研究人員指出PAM-4格式的傳輸容量是傳統(tǒng)強度調(diào)制和直接檢測（IM/DD）調(diào)制格式的兩倍。特別是結(jié)合PAM-4和波分多路復用（WDM）技術(shù)的傳輸方案是未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的一個候選方案。在基于WDM傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，波長選擇是提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性的一項不可缺少的技術(shù)。全光波長轉(zhuǎn)換器（AOWCs）在波長選擇中起著重要的作用。半導體光放大器（SOA）是AOWCs中的非線性元件，它與其他類型的非線性元件相比，具有體積小、功耗低和集成度高等優(yōu)點。雖然AOWCs在未來的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中需要使用PAM-4信號，但與傳統(tǒng)的IM/DD方案相比，PAM-4信號在固定帶寬內(nèi)的容錯能力相對較低。量子點半導體光放大器（QD-SOAs）在活性層中具有納米級的量子點，其在AOWCs所要求的關(guān)鍵應(yīng)用方面體現(xiàn)出更高的增益、更大的增益帶寬和更快的增益恢復時間等優(yōu)勢。目前已經(jīng)有許多使用QD-SOA的AOWCs的報告，值得注意的是，基于QD-SOAs中藍色增益和折射率動態(tài)特性的較強藍色（短波長側(cè)）啁啾特性能夠加速增益恢復時間，并通過在QD-SOA的輸出端使用常規(guī)光學濾波器來減小帶寬限制。如果考慮濾波器的中心通帶稍微偏移到較短的波長端，可以引入藍移濾波（BSF）技術(shù)。在QD-SOA的相關(guān)研究中，研究人員已經(jīng)成功演示了超高速波長轉(zhuǎn)換和光學多路復用過程。與普通SOA相比，QD-SOA具有更快的增益恢復時間。由于藍啁啾的程度由瞬時相位的時間導數(shù)決定，使用QD-SOA更適合于通過BSF技術(shù)加速增益時間。在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，由于安裝了大量的光收發(fā)器，因此要求這些光收發(fā)器以低功耗和低成本運行。為了降低功耗和成本，非制冷光收發(fā)器被廣泛使用，因為熱電制冷器消耗了光收發(fā)器所需的大部分功率。在不冷卻的情況下，光收發(fā)器由于器件的溫度波動將導致波長漂移發(fā)生。最近，研究人員演示了在QD-SOA中使用交叉增益調(diào)制（XGM）和BSF技術(shù)的25Gbit/sPAM-4信號的全光波長轉(zhuǎn)換過程（其實驗裝置圖如圖6所示）。研究人員還使用實時采樣示波器在誤差矢量幅度（EVM）測量方面研究了AOWC的波長轉(zhuǎn)換性能。

圖6 PAM-4信號波長轉(zhuǎn)換實驗裝置圖（PPG：脈沖模式發(fā)生器；ECL：外腔激光二極管；PC：偏振控制器；LNM：LiNbO3調(diào)制器；EDFA：摻鉺光纖放大器；R-BPF：矩形帶通濾波器；OC：光耦合器；BPF：帶通濾波器；OPM：光學功率計；OSA：光學頻譜分析儀；PD：光電二極管；RS-OSC：實時采樣示波器）