光纖在線特約編輯：邵宇豐 方安樂
2015年4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、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
1.激光器
    被動鎖模光纖激光器是傳統(tǒng)龐大且昂貴的固體激光器的有力替代者，但其在單脈沖能量上仍然落后于固體激光器，這主要是由于在高能量下非線性相移的積累導致脈沖分裂。自相似脈沖激光器和大模場面積光纖激光器有力地克服了脈沖能量受限的問題，產(chǎn)生的脈沖能量目前已可達到納焦量級。目前，采用摻釔的大模場面積光纖激光器來獲得高能量鎖模脈沖已經(jīng)成為超短脈沖技術(shù)的研究熱點。鎖模光纖激光器向著高功率、短脈沖、結(jié)構(gòu)簡單的趨勢發(fā)展的，由于釔離子的獨特優(yōu)勢，摻釔光纖鎖模激光器受到了越來越多的關(guān)注。
    最近，中國國防科技大學光電科學與工程學院的研究人員在一個全正常色散被動鎖模摻釔光纖激光器中實現(xiàn)了高能量的方形脈沖輸出，該激光實驗是利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)在耗散孤子共振條件下觀察到的。其中，耗散孤子共振作為耗散孤子系列中的一種特殊情況，區(qū)別于耗散孤子具有矩形光譜的情況，隨著泵浦功率的增加，它可以從鎖模脈沖演變?yōu)榫匦蚊}沖。雖然理論上這種方形脈沖可以無限增大而脈沖高度保持穩(wěn)定，脈沖并沒有產(chǎn)生分裂且脈沖能量能夠無限增大，但是近些年的研究進展卻極其緩慢，在本次實驗中研究人員測得的方形脈沖屬于鎖模脈沖，并且其共振腔的重復率為1.86MHz。最大輸出平均功率為62.1毫瓦，相應(yīng)的單脈沖能量為34納焦。此外，這種利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)的方形脈沖屬于波形自由分裂脈沖，它的脈寬寬度可通過改變泵浦功率來調(diào)諧，其調(diào)諧范圍可從數(shù)百皮秒到幾個納秒之間變化。值得一提的是，在該項實驗中，他們首次在全正常色散諧振腔中觀察到了耗散孤子共振的多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，并且和理論預測結(jié)果極為吻合。研究人員同時指出，該實驗結(jié)果勢必加深人們對耗散孤子共振現(xiàn)象的基本物理本質(zhì)的理解。

高重復率飛秒脈沖激光在光頻測量、高速光取樣和激光測距等方面有重要的應(yīng)用價值。在產(chǎn)生高重復率脈沖激光的傳統(tǒng)方法中，主動鎖模需要高頻信號發(fā)生器和相位（或強度）調(diào)制器，這無疑增加了制造成本和系統(tǒng)復雜性；而被動諧波鎖模，相對于基頻鎖模，會產(chǎn)生較大的時間啁啾和振幅抖動。非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)(NPE)由于具有極快的飽和吸收效應(yīng)，能直接獲得百飛秒脈沖激光，而且基于這種技術(shù)的鎖模激光器可以是全光纖結(jié)構(gòu)，能有效提高抵抗環(huán)境干擾的能力。近年來，受益于鐿離子摻雜技術(shù)的改進與提高，高基頻重復率非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模光纖激光器獲得了迅速發(fā)展。目前，在被動鎖模光纖激光器中主要有兩種技術(shù)可用于產(chǎn)生高重復率的脈沖串。第一種技術(shù)是通過縮短激光腔的腔長來增加基頻重復率，另一種是通過引入等間隔分布的多重脈沖來實現(xiàn)高階諧波重復率。通常，為了縮短激光諧振腔長度，可采用諸如基于碳納米管、石墨烯以及半導體可飽和吸收鏡等薄膜型可飽和吸收器來實現(xiàn)，這種技術(shù)大大優(yōu)于那些基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)和非線性放大回路的人工可飽和吸收器。迄今為止，在實驗中觀察到的最高基頻重復率為19.45GHz，這是在5毫米長的基于碳納米管的可飽和吸收器的鎖模光纖激光器中觀測到的。為了實現(xiàn)更高的脈沖串重復率，人們提出可以采用基于束縛孤子的諧波鎖模技術(shù)來實現(xiàn)。最近，新加坡南洋理工大學電子與電氣工程學院的研究人員在一個首次在實驗中觀察到了基頻重復率高達211.8MHz的束縛孤子的形成，該實驗采用了全光纖線性結(jié)構(gòu)的鎖模激光器，其中采用基于碳納米管的可飽和吸收器作為可飽和吸收體。他們通過調(diào)節(jié)激光腔的偏振態(tài)，發(fā)現(xiàn)束縛孤子展現(xiàn)出一個很大的脈沖間隔，其間隔寬度可達到脈寬的3.5到73倍之間。此外，束縛孤子的相位將在±π/2之間變化。他們還通過數(shù)值仿真進一步支持了束縛孤子的光譜形狀將依賴于脈沖間隔和相位差的實驗結(jié)果。這種全光纖線性結(jié)構(gòu)鎖模激光器包括一個波分復用耦合器，一根摻餌光纖，一個偏振控制器以及一個基于碳納米管的可飽和吸收器。
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2.無源光子器件
    基于光學方法的溫度傳感器由于具有抗電磁干擾的優(yōu)點，并且可運行于許多諸如有毒、酸性腐蝕和爆炸等惡劣的環(huán)境中，其在許多重要的領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用例如渦輪機、燃燒室、核反應(yīng)堆、石油勘探、健康監(jiān)測系統(tǒng)等。然而，當前的大多數(shù)光學溫度傳感器都是基于光纖光學，因而其器件的緊湊程度受到很大的限制。此外，它的熱靈敏度相對較低，這源于硅材料的相對較低的熱調(diào)制效率導致的。最近，基于硅光子波導的傳感器受到研究人員原來越多的關(guān)注，這是由于硅光子波導具有許多非常顯著地優(yōu)點，包括快速響應(yīng)、高靈敏度以及可與傳統(tǒng)的電子回路靈活集成等。此外，盡管基于微環(huán)的溫度傳感器也具有非常緊湊的體積以及高靈敏度，但是其溫度探測范圍將受到微環(huán)半徑的限制。減小微環(huán)半徑可增加溫度可探測范圍，但同時增加的小環(huán)的彎曲損耗將使其在具體應(yīng)用中受到嚴格限制。在這樣的研究背景下，中國北京郵電大學和新加坡南洋理工大學的研究人員聯(lián)合提出了一種光學溫度傳感器，他們是利用基于光子波導的邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)的，這種傳感器的尺寸很小，僅僅只有120μm×80μm，其工作波段在1550納米左右，這種超級緊湊的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)具有近似線性的溫度相應(yīng)曲線，其靈敏度為113.7pm/℃，該值為一般的傳統(tǒng)光纖光學溫度傳感器的20倍。其制作過程采用標準的互補式金屬氧化物半導體加工過程，受益于先進的封裝技術(shù)，他們提出的這種光子溫度傳感器具有良好熱力學和機械穩(wěn)定性，在溫度范圍為13℃—95℃之間的功率變化僅僅小于0.1-dB，這種高穩(wěn)定性為其提供了很寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

    磁場傳感器是可以將各種磁場及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號輸出的裝置。自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關(guān)的信息。利用人工設(shè)置的永久磁體產(chǎn)生的磁場， 可作為許多種信息的載體。因此，探測、采集、存儲、轉(zhuǎn)換、復現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務(wù)，自然就落在磁場傳感器身上。在現(xiàn)今人們對高速信息傳播需求日盛的情況下，磁場傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)元件。目前，人們已研制出利用各種物理、化學和生物效應(yīng)的磁場傳感器，并已在科研、生產(chǎn)和社會生活的各個方面得到廣泛應(yīng)用，承擔起探究種種信息的任務(wù)。早先的磁場傳感器，是伴隨測磁儀器的進步而逐步發(fā)展的。在眾多的測磁方法中，大都將磁場信息變成電訊號進行測量。在測磁儀器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁場傳感器。目前已有的磁場傳感器主要包括薄膜磁致電阻傳感器、磁阻敏感器、電渦流式傳感器、磁性液體加速度傳感器、磁性液體水平傳感器等等。
    最近，磁性液體傳感器受到了研究人員的極大關(guān)注并取得飛速發(fā)展。磁性液體（Magnetic fluid）又稱鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性，用納米金屬及合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。中國燕山大學亞穩(wěn)材料科學與技術(shù)重點實驗室的研究人員提出了一種基于磁性液體的新型磁場傳感器。這種磁場傳感器是利用在光子晶體光纖中選擇性地填充磁性液體來實現(xiàn)的。他們的設(shè)計思路是將一個包層空氣孔滲入磁性液體作為一個缺陷纖芯。當相位匹配條件滿足時，傳輸芯中的光耦合到缺陷芯，其限制損耗將得到急劇增強。研究人員發(fā)現(xiàn)其該磁場傳感器的靈敏度對于x偏振方向和y偏振方向分別可達到456.1pm/Oe-1和542.9 pm/Oe-1 ，品質(zhì)因子分別為0.408 Oe-1和0.169 Oe-1。此外，相比于目前市場上的傳統(tǒng)磁場傳感器而言，這種基于磁性液體填充光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的磁場傳感器具有小體積、高靈敏度和高品質(zhì)因子等優(yōu)點。
    光纖耦合器又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、光纖法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的光通信器件，其在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都有著廣泛的應(yīng)用。最近，北京交通大學光波技術(shù)研究所全光網(wǎng)絡(luò)與先進光通信網(wǎng)絡(luò)重點實驗室的研究人員提出了一種基于熱電極雙芯光纖的可調(diào)諧光纖耦合器，其中雙芯光纖采用孔-芯-芯-孔結(jié)構(gòu)。其熱電極處理過程是基于二維電荷動力學模型來實現(xiàn)的。同時在雙芯連接點反向引入了有效的 ，通過外加的調(diào)制電壓調(diào)節(jié)電極性的雙芯光纖，研究人員在實驗中研究了雙芯光纖耦合比的可調(diào)諧性。研究結(jié)果表明這種熱電極型雙芯光纖的耦合特性可由外加調(diào)制電壓來靈活地操控，當施加外加調(diào)制電壓時，雙芯光纖的折射率差隨之變化，并且傳輸譜的輸出功率也隨之相應(yīng)地變化，這種結(jié)構(gòu)的雙芯光纖外加電壓裝置可作為一個體積緊湊且極其穩(wěn)定的電調(diào)諧雙芯光纖耦合器。
在越來越熱的太赫茲波段電磁波的研究中,光子晶體由于其好特性有著廣泛的應(yīng)用 , 近年來也出現(xiàn)了多種基于光子晶體的太赫茲濾波器結(jié)構(gòu)。光子晶體構(gòu)中介電常數(shù)的周期性會形成禁帶,限制某個頻率范圍內(nèi)的光在光子晶體中的傳輸。上述基于光子晶體的濾波器結(jié)構(gòu)中,在光子晶體中引入缺陷便可以在禁帶范圍內(nèi)形成一個窄通帶,實現(xiàn)了濾波功能,在基于多模干涉效應(yīng)的太赫茲濾波器結(jié)構(gòu)中,通過光子晶體結(jié)構(gòu)的線缺陷可以實現(xiàn)單模的太赫茲波導,隨后引入面缺陷,形成多模干涉區(qū)域,使得太赫茲輸入波在面缺陷區(qū)域激發(fā)多種傳輸模式,不同模式之間產(chǎn)生干涉效應(yīng),實現(xiàn)基于二維光子晶體的太赫茲濾波器。可見在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入缺陷，是實現(xiàn)太赫茲濾波器的基礎(chǔ)，鑒于其對某些特定范圍的太赫茲波的高通過率和對其他頻率太赫茲波的高反射率，可以基于光子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)性能優(yōu)越的太赫茲濾波器。最近，中科院西安光機所瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室的研究人員提出了一種可實現(xiàn)磁調(diào)諧的基于三角格子光子晶體的窄帶太赫茲濾波器。這種周期性性的三角格子光子晶體具有一個點缺陷和兩個線缺陷，研究人員發(fā)現(xiàn)這種濾波器在傳輸譜中存在一個中心頻率為1THz的單共振峰，其寬度窄于2GHz。此外，在外加磁場控制下，傳輸頻率和通帶寬度可調(diào)諧，研究結(jié)果表明這種帶有點缺陷和線缺陷的二維硅光子晶體可用于構(gòu)造連續(xù)可調(diào)諧帶通太赫茲濾波器。

3.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    無源光網(wǎng)絡(luò)接入光纖到戶（PON）技術(shù)是寬帶光（FTTH）和光纖到大樓（FTTB網(wǎng)絡(luò)的主要解決方案。為了適應(yīng)下一代高速、靈活、全業(yè)務(wù)的光接入網(wǎng)絡(luò)的需求，到目前為止，國際電聯(lián)（ITU-T）關(guān)于下一代無源光網(wǎng)絡(luò)標準的布局已基本完成，形成了以G.989.X為代表的NG-PON2標準系列，并逐步完成該系列標準。該標準提出NG-PON2應(yīng)當支持40 GHz下行帶寬、10G上行帶寬（可擴展到40 GHz）、40 km最大差分距離（20 km～40 km可配置，最大支持60 km傳輸距離， 支持1:256的最大分路比，上下行至少4個時分波分復用（TWDM）通道。NG-PON2被視為一個長期的解決方案NG-PON2有多種可選技術(shù)，包括TDM-PON、TWDM-PON、OFDM-PON、WDM-PON等。其中，40G TDM-PON延用GPON思路，繼續(xù)在時域上提升速率至40Gbps。與10Gbps PON相比，主要區(qū)別在于：提高發(fā)射光功率6dB；增加光器件帶寬至大約20GHz；ONU采用APD接收機；比特間插復用方案（BIMS）簡化電信號處理；更先進FEC技術(shù)（如LDPC）獲得額外增益等。40G TWDM-PON是通過多個波長通道來堆疊10G的TDM-PON。從技術(shù)角度看，TWDM-PON與現(xiàn)有PON兼容，不需要改動運營商已鋪設(shè)的ODN網(wǎng)絡(luò)，因為該標準對運營商的網(wǎng)絡(luò)繼承演進特性最佳，得到了諸多運營商、芯片廠商和設(shè)備廠商的認可和推動，是目前40G接入網(wǎng)首選。
最近，意大利都靈理工學院電子與通信系的研究人員提出了一種PON解決方案，該方案可在傳統(tǒng)的基于光分路器的高損耗下行光分配網(wǎng)中達到32Gb/s的傳輸速率，該解決方案不但在光線路終端不采用多波長技術(shù)，而且在每個網(wǎng)絡(luò)子單元中避免大量的數(shù)字信號處理過程。此外，該解決方案實現(xiàn)的32Gb/s容量不僅接近4個時分波分復用（TWDM）通道所達到的40Gb/s速率，而且完全避免了多波長處理過程，這事因為該系統(tǒng)具有更高的電頻譜效率以及非常良好的系統(tǒng)優(yōu)化。研究人員利用頻分多址技術(shù)來打國際電聯(lián)標準中的“每個波長10Gb/s”的界限，該系統(tǒng)具有如下特性：
1. 單波長傳輸：避免多波長但可實現(xiàn)接近多波長的傳輸速率（32Gb/s vs. 40Gb/s）。
2. 具有有效的電-電6dB、小于7GHz的帶寬。
3. 采用頻分多址的多路復用技術(shù)，其中每個電子載波為16-QAM調(diào)制。
4. 提高了最大可達到的ODN損耗，將損耗從當前的28dB提高至34dB
5. 相比已有的FDMA-PON方案，該解決方案的下行架構(gòu)更符合國際電聯(lián)的相關(guān)標準（傳輸速率相當、基于光束分離器，高ODN損耗兼容性）。