5/8/2014，2014年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體激光器、無源光器件、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、微波光子學(xué)、光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。

作者：邵宇豐 方安樂 

半導(dǎo)體激光器
    中紅外連續(xù)波半導(dǎo)體激光器是一種非常重要的光源，尤其是在光譜學(xué)應(yīng)用方面�；�于GaSb的間帶發(fā)射器不管是在外腔構(gòu)建方面，還是在光譜選擇式分布反饋方面，都可以作為一種可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜的有效種子源。許多大氣層以及工業(yè)排放氣體在波長(zhǎng)為3-4μm范圍具有很強(qiáng)的吸收譜特性，例如甲烷、乙烷、乙炔和氰化氫等等。相對(duì)于子間帶量子級(jí)聯(lián)激光器來說，間帶激光源的優(yōu)點(diǎn)在于具有相對(duì)低的接通功率。室溫運(yùn)行的1-型量子阱半導(dǎo)體激光器的連續(xù)波譜可以達(dá)到3.44μm，其脈沖光譜可以達(dá)到3.73μm。事實(shí)上，這種基于GaSb的1-型量子阱半導(dǎo)體激光器在波長(zhǎng)3μm以上時(shí)受限于窄隙量子阱中的空穴勢(shì)壘，現(xiàn)階段可行的達(dá)到更長(zhǎng)運(yùn)行波長(zhǎng)的方法是利用InAs/GaInSb/InAs W-量子阱活性區(qū)。這種方法促進(jìn)了低溫運(yùn)行的光泵浦激光器和室溫運(yùn)行的連續(xù)波間帶級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展。然而，先前所報(bào)道的基于多重W-量子阱活性域半導(dǎo)體激光器只能輸出脈沖光，其解釋機(jī)理是源于多重2-nm厚InAs層中的空穴隧道載體運(yùn)輸限制，因而導(dǎo)致多重W-量子阱活性域的利用率很低。最近，紐約州立大學(xué)石溪分校的研究人員提出了一種無需InAs層的W-量子阱的改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案。他們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種基于三層GaInAsSb量子阱的室溫運(yùn)行的連續(xù)波半導(dǎo)體激光器。該激光器的工作波長(zhǎng)靈活可調(diào)，可獨(dú)立地由有效電子和空穴量子阱寬度來控制。澤中改進(jìn)型的設(shè)計(jì)方案采用了10-12nm寬的量子阱使得其工作波長(zhǎng)可達(dá)到3.2μm以上，室溫下的連續(xù)波工作范圍可接近3.3或3.4μm。
    此外，激光二極管泵浦摻鐠固態(tài)激光器也取得了一定的進(jìn)展，來自中國(guó)廈門大學(xué)電子工程系的研究人員提出了一種基于LiYF4的摻鐠二極管泵浦激光器，其工作波長(zhǎng)為695.8nm，實(shí)驗(yàn)中在波長(zhǎng)為640、670、698和721nm附近抑制較高的增益轉(zhuǎn)換。他們采用InGaN作激光二極管作為泵浦源，在σ偏振光的中心波長(zhǎng)為695.8nm處得到了輸出功率為51毫瓦，其斜率效能為12.6%，吸收泵浦功率的閾值為229毫瓦。這是首個(gè)利用YLF摻鐠激光器得到了在中心波長(zhǎng)為695.8nm的σ偏振光輸出。

無源光器件 
    隨著光纖光柵技術(shù)研究的深入，人們開始研究周期為幾百微米的能實(shí)現(xiàn)同向模式間耦合的長(zhǎng)周期光纖光柵，它是一種理想的帶阻型無源濾波器件，因其易于制作、附加損耗小、無反向反射、與偏振基本無關(guān)以及具有較高的溫度、折射率和彎曲靈敏度等特性，得到了人們?cè)絹碓綇V泛的重視，并且迅速成為光纖光柵技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。長(zhǎng)周期光纖光柵是指光柵周期大于1微米的光纖光柵，它的耦合特性是纖芯中傳輸?shù)幕�模與包層中傳輸?shù)牟煌�階次的包層模之間發(fā)生能量交換，從而造成與波長(zhǎng)相關(guān)的傳輸損耗，是一種很好的帶阻濾波器件。研究人員最開始是利用紫外曝光來制作長(zhǎng)周期光柵，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，易于批量制作，不過成本較高，因其需要光敏光纖，而且改變光柵的寫入?yún)��?shù)不靈活。隨后出現(xiàn)了很多其他制作方法如低頻二氧化碳激光脈沖法、幅度模版法、微彎法、電弧法、腐蝕法以及高頻二氧化碳激光脈沖法等。其中，二氧化碳脈沖法可以精確地控制每個(gè)光柵的周期長(zhǎng)度以及每個(gè)光柵的折射率改變量，腐蝕法可制作出較大應(yīng)變靈敏度的長(zhǎng)周期光纖光柵，機(jī)械微彎法的優(yōu)點(diǎn)是可通過簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)鋸齒槽與光纖的夾角來改變周期。隨著長(zhǎng)周期光纖光柵的寫入方法不同，其成柵機(jī)理也不盡相同。最近，深圳大學(xué)光電器件及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新的寫入方法，他們僅僅采用了商業(yè)捻接器，他們被用來使單模光纖周期性地錐形化。實(shí)驗(yàn)中得到的長(zhǎng)周期光纖光柵只有大約1dB的插入損耗，且其最大共振衰減超過了30dB。其中椎體光纖的周期性具有非常優(yōu)秀的再現(xiàn)性，其最小誤差范圍在0.3μm左右。這應(yīng)該是迄今為止使用弧放電技術(shù)得到的椎體最小再現(xiàn)性誤差。他們還觀察了3個(gè)不同傾斜度的長(zhǎng)周期光纖光柵樣本的近場(chǎng)特性，從而考察它們的模式耦合特性。此外，這種長(zhǎng)周期光柵的共振波長(zhǎng)開始時(shí)藍(lán)移，但隨著光柵周期的增長(zhǎng)而后紅移，起因于物理形變以及剩余應(yīng)力的松弛。

    偏振分束器是光子集成回路中非常重要的一種無源器件。它在相干通信， 高級(jí)光纖傳感系統(tǒng)和光纖測(cè)量技術(shù)方面均有廣闊的應(yīng)用前景。 隨著近些年光子集成回路技術(shù)的迅速發(fā)展，光電器件的小型化已成為一種趨勢(shì)�，F(xiàn)在已有的偏振分束器的基本原理都是基于模式耦合或者絕熱的模式演化，然而這些技術(shù)使得器件的尺寸過大，不太能滿足光子回路器件小型化的需求。例如，基于模式演變的器件需要長(zhǎng)度為100μm才能達(dá)到一個(gè)有效的消光比。為了減小器件的尺寸，現(xiàn)有的一個(gè)可行化的方法是設(shè)計(jì)具有高雙折射的波導(dǎo)型偏振分束器，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用包括硅制光子晶體，不對(duì)稱型波導(dǎo)耦合器以及干涉儀。其中，由于表面等離子體波導(dǎo)具有相當(dāng)大的雙折射率，因而被用于偏振分束器。最近，偏振分束器可提供較好的模式限制被廣泛關(guān)注，它可以通過等離子體波導(dǎo)和硅納米線之間的消逝場(chǎng)耦合來實(shí)現(xiàn)這一功能。這種偏振分束器的缺點(diǎn)是具有非常小的消光比，其在1550nm波段針對(duì)TE偏振和TM偏振的值分別為14dB和13dB。最新的一個(gè)研究結(jié)果報(bào)道了一種基于局域表面等離子體激元的超小型偏振分束器，這種結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)高的消光比和很低的插入損耗，然而由于要引入納米尺度的銀柱陣列，其構(gòu)造也相對(duì)復(fù)雜。香港大學(xué)電子工程系和都柏林理工學(xué)院光子研究中心的研究人員聯(lián)合提出了一種超小型等離子體偏振分束器，并利用有限元法進(jìn)行了數(shù)值仿真。這種偏振分束器是基于三芯等離子體定向耦合器，他們利用一個(gè)長(zhǎng)程的表面等離子體波導(dǎo)做為中間波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)偏振選擇耦合。計(jì)算表明，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該器件對(duì)于TE偏振和TM偏振分別具有0.17和0.25dB的低插入損耗，以及20.17和19.83dB的高消光比，并且可以在1550nm的遠(yuǎn)程通信波段實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于TE偏振和TM偏振，其穿過整個(gè)C帶的插入損耗低于0.5dB，消光比大于14dB。

光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 
    連續(xù)波寬頻帶量子光源在現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)中有著豐富的應(yīng)用，例如在波分復(fù)用技術(shù)、干涉?zhèn)鞲幸约吧�物醫(yī)療等方面。尤其是在基于Yb3+和Er3+離子的放大自發(fā)輻射光纖光源（ASE）方面得到越來越頻繁的應(yīng)用，但是這種自發(fā)光輻射光纖光源的頻譜分配、形狀及帶寬會(huì)受到摻離子玻璃自然發(fā)光特性的限制。值得一提的是，非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)可為這種非相干性ASE光源提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換及頻譜特性的修正。迄今為止，高度相干光源的非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換已經(jīng)被廣泛研究，然而寬帶非相干光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)仍很少見報(bào)道。鑒于這種ASE光源的連續(xù)譜、中低功率計(jì)及非相干特性，對(duì)其進(jìn)行有效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換相當(dāng)困難，并非如其它相干光源那樣簡(jiǎn)單直接。最近，西班牙米格爾埃爾南德斯大學(xué)通訊工程系光子系統(tǒng)研究小組提出了一種主動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它可以在1550nm波段附近實(shí)現(xiàn)對(duì)全寬帶ASE頻譜的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。為了提高轉(zhuǎn)換效率，他們采用腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，基于單通帶差頻產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中將一塊周期性連接的鉭酸鋰晶體內(nèi)置于主激光腔內(nèi)，以提供一個(gè)混頻光源。實(shí)驗(yàn)中采用的激光器為自注入鎖定二極管泵浦Cr3+：LiCAF（氟鋁酸鈣鋰）激光器。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為1550nm譜寬為30nm的寬帶頻譜的12nm左右的頻移。此外，他們發(fā)現(xiàn)在連續(xù)波情形下，較高的腔內(nèi)功率密度有助于提高非線性轉(zhuǎn)換效率。這種技術(shù)不僅可用于ASE光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，還可用于頻譜整形。

微波光子學(xué)
    微波光子鏈路現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于天線接收、有線電視和無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前已有很多種技術(shù)可用于提高微波光子鏈路的性能，其中強(qiáng)度調(diào)制相干探測(cè)（IM/CD）被認(rèn)為是最有前景的技術(shù)之一，相對(duì)于傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)（IM/DD）來說，其擁有更強(qiáng)的接收靈敏度且整個(gè)光鏈路的功率可以被控制的更低，從而降低大量非線性效應(yīng)帶來的影響。此外， IM/CD微波光子鏈路不需要光放大器，這樣可以避免光放大器帶來的放大的自發(fā)輻射噪聲，這種噪聲既占用帶寬又難以被消除。而且對(duì)于密集波分復(fù)用系統(tǒng)來說，信道選擇可通過在相干接收器里面加個(gè)電濾波器來實(shí)現(xiàn)。另一方面，IM/CD微波光子鏈路也容易受到來自發(fā)射器和本機(jī)震蕩激光源的相位噪聲的影響，近些年也發(fā)展出了一些解決的方法，例如利用光鎖相回路來鎖定本機(jī)震蕩激光源的相位，或者采用窄線寬激光源、雙模局域光源以及相位噪聲消除回路（PNC）。這些方法或多或少都有一些缺點(diǎn)，例如光鎖相回路非常復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)，窄線寬光源和雙模局域光源會(huì)增加整個(gè)微波光子鏈路的成本。PNC回路雖然可以消除噪聲，但是會(huì)導(dǎo)致發(fā)射源與本機(jī)振蕩源的頻率差是輸入射頻信號(hào)頻率的2到3倍，為避免這個(gè)問題還需引入一個(gè)頻率自動(dòng)控制回路，從而使得整個(gè)微波光子鏈路變得復(fù)雜而臃腫。最近，加拿大渥太華大學(xué)電子工程與計(jì)算科學(xué)學(xué)院的研究人員提出了一種強(qiáng)度調(diào)制相干檢測(cè)微波管子鏈路，實(shí)驗(yàn)中采用了基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的相位噪聲消除技術(shù)。在發(fā)射端，射頻信號(hào)被調(diào)制到光載波上，然后通過一根單模光纖傳輸?shù)较喔山邮掌鞫�。在接收端，利用本機(jī)震蕩激光源對(duì)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)。其中，源自發(fā)射激光源和本機(jī)振蕩源的相位噪聲在相干接收器端被轉(zhuǎn)換成振幅噪聲，該噪聲可通過合并來自相干接收器的同相分量和正交分量的幅度平方完全消除，該過程可在數(shù)字信號(hào)處理器單元實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了中心頻率為1.6GHz的正交相移鍵控調(diào)制的RF信號(hào)在25千米單模光纖中傳輸速率為1.25-Gb/s的無差錯(cuò)傳輸。對(duì)于比特率為834Mb/s的信號(hào)，其接收靈敏度可達(dá)到-24.5dB，遠(yuǎn)超過基于強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)微波光子鏈路20dB。

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    當(dāng)前，隨著移動(dòng)用戶人數(shù)的激增，無線數(shù)據(jù)流量正以指數(shù)形式增長(zhǎng)，最新的預(yù)測(cè)指出，由于射頻通信波譜的帶寬限制，其越來越難以滿足廣大移動(dòng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)率的要求。對(duì)于這種潛在的通信光譜危機(jī)，一種最有前景的解決方法是實(shí)現(xiàn)無線通信頻段到可見光頻段的轉(zhuǎn)移，即可見光通信技術(shù)。可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號(hào)來傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。采用可見光通信技術(shù)有大量射頻波段所不具備的優(yōu)點(diǎn)：1，為太赫茲波段許可牌照帶寬的100倍；2，簡(jiǎn)單的前段和終端設(shè)備；3，對(duì)靈敏的電子設(shè)備無干擾；4，可集成整合到現(xiàn)有的照明基礎(chǔ)設(shè)施。目前，作為非相干固態(tài)光照明器件的LED是作為可見光通信光源的最佳選擇，白光 LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線高速數(shù)據(jù)接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達(dá)到5W，發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到90lm/W，其發(fā)光效率（流明效率）已經(jīng)超過白熾燈，接近熒光燈。白光LED的光效超過100lm/W并達(dá)到200lm/W（可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備）在不久的將來即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前阻礙可見光通信技術(shù)商業(yè)化的苦難主要有一下就幾個(gè)原因。其一是現(xiàn)有的基于藍(lán)光LEDs的商用白光LEDs具有遲緩的調(diào)制響應(yīng)，其緩慢的調(diào)制響應(yīng)時(shí)間將光電器件的調(diào)制帶寬局限在幾個(gè)MHz范圍內(nèi)。研究人員在致力于提高LEDs的響應(yīng)速度方面做了大量的工作，英國(guó)愛丁堡大學(xué)數(shù)字通信學(xué)院的研究人員提出了一種基于50μm氮化鎵LEDs的可見光通信系統(tǒng)，這種氮化鎵LEDs的調(diào)制帶寬比目前商用白光LEDs至少提高了60MHz。他們采用的調(diào)制方案為正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，這使得器件的有限調(diào)制帶寬得到充分利用。實(shí)驗(yàn)采用負(fù)載均衡技術(shù)，通過合適的數(shù)據(jù)加載，成功實(shí)現(xiàn)了傳輸速率超過3Gb/s的無線通信，這是迄今為止最快的采用單LED的無線可見光通信系統(tǒng)。

    今天的商業(yè)系統(tǒng)通常采用數(shù)字信號(hào)處理器并且支持偏分復(fù)用正交相移鍵控傳輸（PM-QPSK），數(shù)據(jù)率達(dá)到每個(gè)通道100Gb/s。為了進(jìn)一步增大數(shù)據(jù)率，基于偏分復(fù)用的16-正交振幅調(diào)制技術(shù)（PM-16QAM）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，即使采用當(dāng)前最先進(jìn)的商業(yè)器件，PM-16QAM也僅可能使得數(shù)據(jù)率提升到大約200Gb/s每通道。在這個(gè)前提下，研究人員最近引入了超級(jí)通道這個(gè)概念，其具有無限增長(zhǎng)的數(shù)碼率，在數(shù)據(jù)率固定的情況下，各種不同的密堆積子載波形成了一個(gè)具有更高頻譜效率的超級(jí)通道（每一定帶寬下具有更高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率）。特別的是，基于PM-16QAM，利用雙重和四重載波超級(jí)通道結(jié)構(gòu)，近年來人們廣泛研究了數(shù)據(jù)率達(dá)到400Gb/s的信號(hào)傳輸。其中荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種基于PM-16QAM的數(shù)據(jù)率達(dá)到400Gb/s的應(yīng)答器變種和彈性格狀網(wǎng)升級(jí)結(jié)構(gòu)。他們確定了應(yīng)答器子載波的間隔尺寸，實(shí)驗(yàn)表明，從雙重載波超通道到四重載波超通道，其性能的提升僅限于約1.4dB（按照品質(zhì)因子，功率譜密度為10-1mW/GHz）,然而卻以雙倍的硬件需求為代價(jià)。鑒于上述情形，他們采用雙重載波400Gb/s的PM-16QAM收發(fā)器，建立了性能提升函數(shù)，其與遞增的前向糾錯(cuò)開支以及基于超通道光纖非線性補(bǔ)償?shù)墓庾V反演（SNLC-SI）相關(guān)。他們的研究結(jié)果表明，以顯著的功率消耗為代價(jià)，增加前向糾錯(cuò)開銷會(huì)提升傳輸性能。作為另一種選擇，也可采用SNLC-SI，在較低的前向糾錯(cuò)開銷下，這是一個(gè)更有功率效率的解決方案。