光纖在線特邀評(píng)論員：邵宇豐 方安樂(lè)
7/10/2015,2015年6月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖傳感器、太赫茲技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)及子其系統(tǒng)等，筆者將逐一評(píng)析。
1.光纖傳感器
    光纖溫度傳感器的種類很多，除了熒光和分布式光纖溫度傳感器外，還有光纖光柵溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器以及基于彎曲損耗的光纖溫度傳感器等等，由于其種類很多，應(yīng)用發(fā)展也很廣泛，例如，應(yīng)用于電力系統(tǒng)、建筑業(yè)、航空航天業(yè)以及海洋開發(fā)領(lǐng)域等等。光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測(cè)量范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)溫度測(cè)量工作中。當(dāng)前最熱門的研究，就是針對(duì)光纖熒光溫度傳感器，其是利用熒光的材料會(huì)發(fā)光的特性，來(lái)檢測(cè)發(fā)光區(qū)域的溫度。這種熒光的材料通常在受到紫外線或紅外線的刺激時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)發(fā)光的情況，發(fā)射出的光參數(shù)和溫度是有著必然聯(lián)系的，因此可以通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度來(lái)測(cè)試溫度。最近，墨西哥瓜納華托大學(xué)集成光電子系的研究人員提出了一種新型的基于光纖環(huán)形激光器的溫度傳感器。在這項(xiàng)研究中，他們采用一個(gè)光纖布拉格光柵作為傳感器探頭，同時(shí)采用一個(gè)馬赫曽德干涉儀作為一個(gè)波長(zhǎng)選擇濾波器來(lái)增強(qiáng)溫度傳感器的靈敏性能。他們?cè)趦啥螁文９饫w之間拼接一段光子晶體光纖來(lái)構(gòu)造一個(gè)馬赫曽德干涉儀。此外，研究結(jié)果表明，當(dāng)激光器的輸出波長(zhǎng)隨著溫度的改變而發(fā)生偏移時(shí)，溫度傳感器的靈敏度在1550納米處達(dá)到18.8pm/℃，其中溫度可測(cè)量范圍為20℃—90℃。該光纖傳感系統(tǒng)主要包含一個(gè)偏振控制器、馬赫曽德干涉儀、光隔離器、光纖布拉格光柵以及一段長(zhǎng)2.8m的摻餌光纖。

    現(xiàn)代光纖最重要的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的易彎曲性，如果光纖彎曲的曲率半徑太小，將引起光的傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至有可能穿過(guò)包層向外滲漏。當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在彎曲部分中進(jìn)行傳輸，要想保持同相位的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就會(huì)越大。當(dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過(guò)光速，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻射模，所以，光束功率的一部分會(huì)損耗掉，這也就意味著衰減將會(huì)增加。光纖成纜、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)、光纜接頭等場(chǎng)合都會(huì)引起光纖的彎曲損耗。光纖微彎傳感器通過(guò)外界因素導(dǎo)致光纖發(fā)生微彎變化，進(jìn)而導(dǎo)致光纖傳輸光強(qiáng)變化來(lái)反映或者測(cè)量待測(cè)量變化，屬于非功能型光纖傳感器。當(dāng)光纖狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，這就是微彎損耗，光纖的微彎損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖的宏彎損耗，光纖既傳光又傳感，可劃分為傳感型光纖傳感器。微彎式光纖傳感器是根據(jù)光纖微彎變形引起纖芯或包層中傳輸?shù)墓廨d波強(qiáng)度變化的原理制成的全光纖型傳感器。微彎式傳感技術(shù)可分為亮場(chǎng)型和暗場(chǎng)型兩種。前者是通過(guò)對(duì)光纖芯中光強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換；而后者則檢測(cè)包層中的光信號(hào)。最近，南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所光信息科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新型的、結(jié)構(gòu)緊湊的光纖彎曲矢量傳感器。這種彎曲傳感器的設(shè)計(jì)也是基于簡(jiǎn)單的同軸馬赫曽德干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該馬赫曽德干涉儀的構(gòu)造是由一段單模光纖中產(chǎn)生兩個(gè)級(jí)聯(lián)的駝峰型錐體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該光纖傳感器件對(duì)于不同的彎曲方向有著良好的辨識(shí)特性，這使得其對(duì)于環(huán)境溫度和軸向應(yīng)力傳感有著極高的靈敏度。在0-1.2m-1范圍內(nèi)，長(zhǎng)度為13.4毫米的光纖傳感器對(duì)于0°和180°兩個(gè)相反的彎曲方向的靈敏度分別為10.224和-4.973nm/m-1。此外研究人員還測(cè)量了馬赫曽德干涉儀對(duì)于溫度和應(yīng)力的響應(yīng)，研究結(jié)果表明，波長(zhǎng)的變化與溫度或應(yīng)力的變化成線性關(guān)系。溫度范圍為20℃-80℃內(nèi)的靈敏度為0.049nm/℃，應(yīng)力范圍為0-0.98N內(nèi)的靈敏度為-3.643nm/N。
    紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按探測(cè)機(jī)理可分成為光子探測(cè)和熱探測(cè)。 紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代科技、國(guó)防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。此外，中紅外波段指波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為3.0～20微米的區(qū)域。中紅外波段在化學(xué)與生物傳感、醫(yī)療診斷、工業(yè)過(guò)程監(jiān)控、通信、國(guó)防和安全領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，已引起人們的重點(diǎn)關(guān)注。在中紅外傳感器應(yīng)用方面，這個(gè)被稱為“指紋”區(qū)域的波段由于其包含了對(duì)某些分子顆粒的獨(dú)特吸收帶，從而顯得格外重要。最近，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心的研究人員提出了一種基于低損耗絕緣體上硅溝狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中紅外傳感器的設(shè)計(jì)。其中，由于溝狀波導(dǎo)的缺口區(qū)域的電場(chǎng)振幅是常規(guī)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的50倍，它可以大幅度地增強(qiáng)傳感器的靈敏度，因而溝狀波導(dǎo)可作為中紅外傳感器構(gòu)造的一個(gè)重要選擇。在這篇文章中，研究人員提出了這種設(shè)計(jì)理念，并且測(cè)得絕緣體上硅溝狀波導(dǎo)在波長(zhǎng)為3.8微米處的傳輸損耗為1.4±0.2dB，并且測(cè)得溝狀彎曲損耗為0.18dB/彎曲度。
    長(zhǎng)周期光纖光柵具有很好的傳輸譜特性,它把光纖芯徑傳輸?shù)膶?dǎo)模能量耦合到包層中從而導(dǎo)致相應(yīng)波長(zhǎng)的傳輸損耗,是一種理想的帶阻傳輸型濾波器,具有制作工藝簡(jiǎn)單、插入損耗小、無(wú)后向反射、與偏振無(wú)關(guān)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。由于長(zhǎng)周期光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)的重要價(jià)值和在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵的開發(fā)和應(yīng)用研究進(jìn)展十分迅速,已經(jīng)成為一大技術(shù)熱點(diǎn)。此外，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濃度等外界環(huán)境的變化將引起光纖有效折射率、光柵周期參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致光纖光柵的諧振波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此光纖光柵是性能優(yōu)良的敏感元件。測(cè)量光纖光柵諧振波長(zhǎng)的變化就可獲得周圍環(huán)境參量的變化，并且光纖光柵的傳感信息通常是以波長(zhǎng)編碼的，這克服了強(qiáng)度調(diào)制傳感器必須補(bǔ)償光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏的不足。光纖光柵傳感器具有靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、可靠性高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。最近，深圳大學(xué)電子科技學(xué)院的研究人員報(bào)道了一種新型的長(zhǎng)周期光纖光柵設(shè)計(jì)，他們?cè)谄咸谚治⒔Y(jié)構(gòu)光纖中利用飛秒激光器直接寫入的方式制造出了一種長(zhǎng)周期光纖光柵。，他們利用有限元法分析了該光纖的模場(chǎng)分布和色散特性。他們分別制備了兩種周期分別為230微米和250微米的長(zhǎng)周期光纖光柵，其共振傾角分別出現(xiàn)在1325.8納米和1449.4納米處。此外，他們分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面考察了周期為250微米的光纖光柵的傳感特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力和溫度靈敏特性分別為1.88pm/με和0.267pm/℃。同時(shí)得到的溫度交叉靈敏度為0.142με/℃。


2.太赫茲技術(shù)
    電磁感應(yīng)透明（EIT, Electromagnetically induced transparency），一般是用兩束光同時(shí)照射到原子介質(zhì)（如大量原子組成的氣體），使得其中一束光能夠在與原子躍遷共振時(shí)通過(guò)原子介質(zhì)而不產(chǎn)生吸收和反射的現(xiàn)象。電磁感應(yīng)透明對(duì)于改善介質(zhì)的色散性質(zhì)，抑制介質(zhì)的吸收，增強(qiáng)介質(zhì)的非線性光學(xué)效應(yīng)起到了極其重要的作用。電磁感應(yīng)透明技術(shù)不僅能夠改變物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng),而且能夠調(diào)控光場(chǎng)本身的性質(zhì)。由于電磁感應(yīng)透明效應(yīng)能顯著地改變介質(zhì)的色散特性，利用這一點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)光速調(diào)控。近年來(lái)，在固體介質(zhì)中利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)也實(shí)現(xiàn)了光速減慢，光脈沖的存儲(chǔ)和復(fù)現(xiàn)等操作，另外，由于電磁感應(yīng)透明效應(yīng)伴隨著巨克爾非線性效應(yīng)，因此，利用電磁感應(yīng)透明可以形成光學(xué)弧子。電磁感應(yīng)透明效應(yīng)在光學(xué)非線性上的增強(qiáng)，使得少數(shù)幾個(gè)光子之間產(chǎn)生相互作用成為線寬等可調(diào)的單光子脈沖的產(chǎn)生，傳播和存儲(chǔ)，這些結(jié)果為量子通信的實(shí)現(xiàn)提供了很好的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)透明效應(yīng)在量子信息處理如量子存儲(chǔ)和量子計(jì)算中也有重要的應(yīng)用，與其他量子存儲(chǔ)手段不同的是，采用電磁感應(yīng)透明方法可以不失真地存儲(chǔ)單光子態(tài)。
    尤其特別地是，與電磁感應(yīng)透明類似，等離子感應(yīng)透明效應(yīng)（PIT）最近也引起了研究人員的重點(diǎn)關(guān)注，相對(duì)前者而言，等離子感應(yīng)透明效應(yīng)具有設(shè)計(jì)靈活并且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，等離子體感應(yīng)透明現(xiàn)象主要由明模（低質(zhì)量因子）和暗模（高質(zhì)量因子）共振之間的破壞性干涉導(dǎo)致的，其中亮模與入射場(chǎng)有強(qiáng)耦合，而暗模與入射場(chǎng)的耦合則相當(dāng)弱小或者不能耦合。在過(guò)去十年中，人們采用了不同的等離子體結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生等離子體感應(yīng)透明現(xiàn)象。然而大多數(shù)結(jié)構(gòu)都是由金屬材料構(gòu)成的，其缺點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子感應(yīng)透明窗口的動(dòng)態(tài)控制，除非改變微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)或者嵌入其它活性材料。此外，對(duì)于大多數(shù)等離子感應(yīng)透明結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在感應(yīng)透明峰值處的透射率相當(dāng)?shù)�，這一缺點(diǎn)直接限制了PIT效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。最近，天津大學(xué)緊密儀器與廣電工程學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種可在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)等離子感應(yīng)透明的超常材料。這種超常材料的微觀結(jié)構(gòu)是由片狀石墨烯和開口環(huán)諧振腔對(duì)組成的。這種等離子感應(yīng)透明超常材料具有一個(gè)非常顯著地強(qiáng)感應(yīng)透明峰值，其物理機(jī)制是源于亮模與暗模間的破壞性干涉，其中石墨烯中的直接激發(fā)等離子共振充當(dāng)亮模的角色，而開口環(huán)諧振腔對(duì)中的耦合激發(fā)電感-電容共振則充當(dāng)暗模的角色。研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯中的費(fèi)米能量可實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子感應(yīng)透明窗口的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)群折射率的動(dòng)態(tài)控制。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于可調(diào)諧型太赫茲器件、慢光以及傳感技術(shù)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。


3.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    毫米波 （millimeter wave ）指波長(zhǎng)為1～10毫米的電磁波段，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實(shí)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(shí)現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達(dá)和成像雷達(dá)。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時(shí)，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實(shí)現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計(jì)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(yuǎn)鏡探測(cè)宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。光載無(wú)線通信技術(shù)（ROF，RADIO-OVER-FIBER）技術(shù)為毫米波通信的覆蓋和延伸提供了一個(gè)新的途徑。最近，北京郵電大學(xué)的研究人員提出了一種2×2多輸入多輸出（MIMO）相干光載無(wú)線通信系統(tǒng)。其中采用了自編碼擴(kuò)頻技術(shù)。研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)擴(kuò)頻增益可以根據(jù)系統(tǒng)子單元和信號(hào)條件來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)，從而可以為系統(tǒng)提供一個(gè)靈活的功率預(yù)算和信噪比自適應(yīng)。此外，研究人員還在該ROF系統(tǒng)中引入了OFDM調(diào)制格式來(lái)提高頻譜效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有自編碼擴(kuò)頻的56.25Gb/s的2×2MIMO OFDM信號(hào)被證實(shí)可在不同的無(wú)線距離和光纖傳輸長(zhǎng)度上都具有良好的自適應(yīng)度。該ROF系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖四所示。

    隨著多媒體數(shù)據(jù)與視頻服務(wù)的發(fā)展，人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，達(dá)到了百兆甚至是千兆。面對(duì)這樣的問(wèn)題，普通的無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足要求。 此時(shí)，毫米波漸漸地走進(jìn)人們的視野。毫米波具有頻率高，帶寬大的特點(diǎn)，它的頻率范圍高達(dá)30~300Hz，可以滿足用戶 迫切增長(zhǎng)的帶寬要求，為多種信息業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了有利的條件。但是毫米波的傳輸受到各種外界因素的影響，導(dǎo)致其傳輸距離受到限制。RoF（Radio over Fiber） 光載無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。RoF 技術(shù)在原有的無(wú)線通信系統(tǒng)的中心站與基站之間，將射頻信號(hào)調(diào)制在光載波上通過(guò)光纖傳輸，結(jié)合了無(wú)線通信與光纖通信的特點(diǎn)，既擁有無(wú)線通信技術(shù)移動(dòng)環(huán)境簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，又具有光纖通信帶寬大、成本低的優(yōu)勢(shì)。由于高質(zhì)量毫米波的產(chǎn)生是降低造價(jià)和提高 ROF 系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一， 成為了人們研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者著力于研究各種各樣的光生毫米波的產(chǎn)生技術(shù)，主要有直接調(diào)制，外調(diào)制，光外差調(diào)制，四波混頻效應(yīng)法，布里淵散射法等。最近，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院聯(lián)合中國(guó)中興研究所的研究人員提出了一種新型的8QAM矢量毫米波信號(hào)的產(chǎn)生方案。該方案的實(shí)現(xiàn)主要是基于馬赫曽德調(diào)制器和自適應(yīng)多倍頻技術(shù)。為了獲取多振幅QAM調(diào)制的電矢量毫米波信號(hào)，在進(jìn)行平方律光電檢測(cè)后，將傳播中的射頻信號(hào)搭載多振幅QAM發(fā)射數(shù)據(jù)，在驅(qū)動(dòng)馬赫曽德調(diào)制器之前必須進(jìn)行振幅和相位預(yù)編碼。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用光學(xué)8倍頻技術(shù)產(chǎn)生8QAM矢量毫米波信號(hào)的過(guò)程。其中，利用12GHz的預(yù)編碼射頻信號(hào)攜帶1GB 8QAM發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)馬赫曽德調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的1GB 8QAM矢量毫米波信號(hào)在空氣中傳輸了2米的距離。值得一提的是，這是國(guó)際上首次通過(guò)采用外調(diào)制器的方法在毫米波段產(chǎn)生和接收多振幅QAM矢量信號(hào)的實(shí)驗(yàn)。