2017 年12月JLT光通信论文评析

 
光纤在线特邀编辑：邵宇丰 季幸平
 2017年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术等，笔者将逐一评析。
  
光网络及其子系统
来自韩国首尔中央大学电子与电子工程学院的科研人员，设计并研制了一种三角形表面等离子体共振（SPR）传感器（如图1所示）。其原理主要是利用全内反射（TIR）镜提供SPR激励来检测折射率（RI）的变化情况。科研人员首次采用没有任何增益介质的SoI衬底进行了设计。当TIR镜上的非金属层达到30nm / RIU时，他们基于TIR镜上35纳米厚的金膜制备了三角形谐振器传感器，该传感器的输出功率增量为1.2dB，灵敏度达到102nm / RIU。考虑到SPR将引起传输信号的相位变化可导致共振峰的大幅移动，从而可使得传感器的探测灵敏度增强。科研人员还进一步证明，虽然SPR反射镜的感应区域非常小，但相关配置可以大幅提高RI传感器的灵敏度，因此在其应用领域有着显著的潜在发展优势。

图1. 三角形表面等离子体共振（SPR）传感器设计图
来自上海中国科学院、上海微系统与信息技术研究所及太赫兹先进技术重点实验室的科研人员，设计并研制了一个2mm间隙的半绝缘砷化镓（GaAs）光电导半导体开关（PCSS）。当PCSS由一个4μJ的商用激光二极管触发时可在6kV的偏压下获得1.45kA的大电流。在瞬态放电过程中，科研人员采用无线链路控制（RLC）瞬态电路模型获得了PCSS的电学特性。科研人员研究发现，上述模型从非线性工作模式退出的主要原因是开关两端的电场低于阈值电场。 研究结果证明，采用GaAs制备的 PCSS具有成本低、结构紧凑和脉冲源功率高等应用优势，因此将具有一定的潜在应用价值。
来自北京大学通信系统与网络学院和先进光学国家重点实验室的科研人员指出：随着终端用户对多类型电信业务带宽需求的不断增加，100Gb/s光接入解决方案将受到用户的日益关注。科研人员设计了一种基于100Gb/s传输速率的对称数字信号处理算法，以增强时分和波分混合复用无源光网络（TWDM-PON）的工作效率（相关体系结构支持四对波长的收发过程）。科研人员在26.7公里光纤上使用双边带（DSB）调制正交频分复用（OFDM）信号，实验演示了4×25Gb/s传输速率的TWDM-PON的收发性能。实验研究结果表明：反射式半导体光放大器部署在光网络单元（ONU）中，将有效提高下行OFDM光信号的接收灵敏度；采用DSB单载波频域均衡技术进行上行传输信号调制，则能有效降低ONU的光电器件成本耗费。

来自成都电子科技大学机电工程学院和伯利恒利哈伊大学机械工程与力学系的科研人员，研究论证了通过薄膜微结构和外部磁场，来调节Fe3O4聚二甲基硅氧烷纳米复合膜透射率的可行性。在该薄膜的制备过程中，科研人员基于有无外部磁场的两种情况分别制备了从1wt％至13wt％重量分数的Fe3O4纳米粒子各向异性膜和各向同性膜。分析该薄膜的紫外至可见光透射谱表明，各向异性薄膜表现出更好的透明度，主要体现在它比相同重量分数的Fe3O4纳米颗粒在各向同性透明度方面性能更佳更高。此外，科研人员还观测到，该薄膜的透射率可以通过施加外部磁场来调节，这是由于磁致伸缩效应引起了Fe3O4纳米粒子间距离变化研究表明，当各向异性膜的Fe3O4纳米粒子重量分数为10wt％时，磁场B约等于800G；在透射波长值为600nm的情况下，透射率相对下降8.61％。

无源和有源光子器件
来自西班牙马德里大学电子工程技术系的科研人员，探索了基于垂直腔面发射激光二极管的光学频率梳状发生器（OFCG）的性能。 科研人员实验评估了直接增益切换（GS）技术，间接电光（EO）转换技术以及两者的融合方案。 科研人员观测到，由于两者融合的方案部分继承了GS- OFCG性能，所以在频率跨度、平坦度和与EO技术的一致性方面提供了可调的改进性能。
来自韩国庆山岭南大学电子工程系、韩国光电子技术研究所LED设备研究中心的科研人员，在全尺寸聚酰亚胺基板上制造了一种基于铟氮化稼（InGaN）的柔性发光二极管（FLED）。 科研人员直接把蓝宝石衬底上的InGaN外延层与聚酰亚胺衬底键合，然后通过激光剥离工艺去除蓝宝石衬底。科研人员将用于芯片隔离的掺杂硅（n-GaN）蚀刻工艺在2英寸聚酰亚胺衬底上以加工完成LED芯片的制作。科研人员采用简单的直接转移过程，使得工业产量达到了97％以上。考虑到FLED器件工作在线性区域，所以其输入电流最高可达500mA。当驱动电流高达400mA时，FLED的输出功率、工作电压和波长偏移等参量几乎与金属衬底的垂直LED相同。
来自韩国大田聚合元件与材料研究实验室、光无线融合组件研究所和电信研究所的科研人员，设计并制备了了10×10 Gb/s的分布反馈式集成激光二极管阵列（DFB-LDA）和平面光波电路阵列波导光栅（AWG）的混合模块。为了制备DFB-LDA，科研人员采用了选择性区域增长技术来适当调整信道增益，并采用电子束光刻过程来精确控制信道可用波长和光栅相位。为了实现AWG的制备，科研人员引入了相关模块来减小AWG和DFB-LDA之间的耦合损耗，并在自由传播区域中的结点部分设计了锥型和抛物线型光波导，以扩大光谱通带宽度。 他们所研制的模块能够实现大于45 dB的边模抑制比；在10Gb/s的传输速率下，信号的动态眼图的消光比高于 4.4 dB，经过传输后所有通道的功率损失均小于1.5 dB。
来自荷兰埃因霍温霍尔斯特中心的科研人员研究制备了基于光电二极管层和背板读出器的有机半导体成像器。该光电二极管是基于超薄（<100 nm）叠层制备的，在300至650 nm波长范围内具有敏感的响应曲线。上述读出电路是采用溶液处理半导体（XPRD30B01）和可交联电介质（XDRD30B01）制备的开关矩阵。当ON电流高于0.1μA时，读出薄膜晶体管（TFT）（沟道宽度为140μm，长度为5μm）的泄漏电流低1pA。科研人员研究证明，在像素间距低至200μm的32×32像素成像器中，可以用几μA/cm2的暗信号和线性响应高达100μW的入射功率进行实验演示。实验结果表明：制备基于可交联电介质的TFT读出电路具有一定可行性；此方案可以减少两个相关步骤（栅极电介质和封装层的开口）以实现光刻过程，从而大大简化了背板制造工艺的流程。
来自夏洛特维尔维吉尼亚大学电气与计算机工程系的科研人员实验研究了与局部场模型不同且具有薄倍增区的雪崩光电二极管中F（M）和M之间的线性关系。科研人员对不同特性的雪崩光电二极管进行了系统级蒙特卡罗方法（Monte Carlo）数值模拟仿真。
来自日本东京国家信息技术研究所和光网络系统实验室的科研人员，研究了反射式半导体光放大器（RSOA）在共享波长无源光网络架构中的关键作用。在基于自相干上行（US）和下行（DS）传输方案中（如图2所示）， 科研人员证明：在30公里光纤链路上将产生32 dB的功率损耗；并且 9.4Gb/s 的DS和750M/s 的US双向传输实验被成功实现（此方案包含7％的前向纠错过程和8b/10b 的编码过程）。此方案是通过采用简化的数字信号处理过程，实现了低成本RSOA（该RSOA具备18 dB功率增益和1 GHz调制带宽）的有效应用。

图2. 双向传输实验的示意图
来自北京半导体材料重点实验室和中国科学院半导体研究所的科研人员，设计了一种基于分布式布拉格反射（DBR）激光器和集成半导体光放大器（SOA）的可调谐全光信号处理方案。仿真研究结果表明：对于1.25 Gbit/s至10Gbit/s之间的传输速率，可以实现信号消光比（ER）6dB动态提升至28dB；在两个信号同时输入时，可使用逻辑与非门和或非门分别实现24dB和20dB的ER改进。

光传输
来自新加坡科学技术研究所和资讯通信研究所及光学系的科研人员，对微通道组成的微流体光纤器件进行了建模仿真和深入分析（如图3所示）；并对相关物质直接注入到与纤芯相交的微通道中完成了检测评估过程。仿真研究结果表明，微通道的尺寸可以显著影响相关器件灵敏度的检测过程，且微通道的偏心程度对于器件性能也起着重要作用；优化的微流体装置还应用在灵敏折射率传感和生物传感器中。

图3.微通道纤维装置示意图
来自杭州中国太赫兹研究中心的科研人员，设计了一个新型方案以控制太赫兹波束的传播过程。科研人员通过调节外部环境的温度以改变温度敏感材料的折射率，从而动态调节巨大的横向Goos-Hänchen偏移。科研人员采取上述方案，可以在不改变原始器件结构的情况下控制太赫兹波传播过程。他们还从理论上分析了Goos-Hänchen位移、外界环境温度、入射角度和运行频率之间的关系，并采用有限元方法验证并分析了可调谐太赫兹波的Goos-Hänchen偏移特性。实验证明，在太赫兹波的传播频率为0.857THz时，上述装置中信号的消光比高达24.3dB。
来自意大利帕维亚大学工业与信息工程系和中央大学精密工程研究所的科研人员，提出了一种新型测量衬底弯曲度的方法，即在衬底上生长外延层引入材料变形进行测量。类似于目前使用的激光束偏转法，在金属有机化学气相沉积（MOCVD）方案的观察窗口下，科研人员在晶片旋转期间，基于晶片表面的倾斜角度开始测量其曲率半径。但是科研人员并没有采用常规的基于位置敏感探测器的三角测量法，而使用了非接触式自混合干涉检测方案。该方案是基于激光器将一个点投射到晶片表面并用其本身检测背反射过程实现的。研究表明，新方法的优点是消除了光源和检测器的分离过程，并可以应用更小的MOCVD窗口实现测量。考虑到角分辨率探测过程优于普通探测器，所以上述方案中的极限灵敏度探测过程将得到改善。 实验数据表明，用新方法测量的曲率半径范围从10米扩大到至10公里。
来自北京理工大学光电信息科学与工程学院的科研人员提出了一种基于傅里叶变换的白光干涉测量方案，用于测量高精度光纤非本征法布里-帕罗干涉（EFPI）传感器的光程差（OPD）。由于在高精度EFPI传感器中存在多光束干涉过程，所以传输信号的傅里叶频谱由多个频率分量组成。科研人员研究表明，可以通过傅立叶变换过程提取傅立叶光谱的高阶频率分量来恢复OPD，从而克服当EFPI传感器的OPD较短时发生的光谱重叠效应。在实验中，科研人员测量了腔长度为120μm的高精度光纤EFPI传感器，以提取二阶频率分量以恢复腔长度的测试（测量结果的标准偏差达到9.132nm）。
来自中国电子科技大学物理电子学院的科研人员，基于两个光控微波开关（OCMS）控制两个独立窄带互补开环谐振器（CSRR）的过程，设计了一种能产生可重构多频带陷波的光控孔超宽带（UWB）天线。科研人员研究发现，在3.1至10.6GHz频带范围内，可实现四种可重构频带分布（联邦通信委员会（FCC）允许的频带，全球微波互联接入（WiMax）确定的频带，无线局域网（WLAN）包含的频带和WiMax-WLAN支持的频带）。上述频段能用于检测可用频谱或通过简单改变OCMS的开/关状态，来阻断WiMax和WLAN系统的有害干扰环节，并使得其中每个开关的运行功率不超过100mW。科研人员设计并测量了原型天线，还通过模拟仿真验证了所提设计方案的可行性。

光调制与光信号处理
来自南昌物理与通讯电子学研究所、江西师范大学、上海科学技术研究所的科研人员，通过光谱和角度探询模式下的单因素调查，从理论上研究了温度对对称金属包层光波导（SMCOW）反射率的影响。射率温度依赖性的理论模型包括折射率与引导层厚度的温度依赖关系，金属膜厚度与金属-介电函数的温度依赖关系。科研人员研究发现温度对SMCOW反射率的影响，主要是由于折射率与导热层厚度的温度依赖关系;相反，金属膜的温度特性几乎不会影响温度对反射率的影响。在此基础上，科研人员计算了不同光学玻璃组成的导光层SMCOW在光谱和角度条件下的灵敏度。此实验旨在为设计SMCOW传感器提供防止温度变化的方向和主要因素。
来自江西师范大学物理与通信电子学院和纳米材料与传感器实验室的科研人员，研究了一种基于不透明金属镜从等离子狭缝阵列中改进多波段的抗反射方法。 他们引入的反射镜可以增强光场的耦合特性和约束特性，与由介质基片建立的开放式狭缝方案相比，上述方法可以产生更强的等离子体共振过程。 通过调整结构参数，三波段近红外反射过程在光学频率上具有很高的可扩展性。科研人员证明，基于这种亚衍射极限（λ/5）结构，可以实现高灵敏度和高信噪比以及18.6％/ nm的极大斜率等参量值。实验结果证明，该方案具有潜在的应用价值，尤其体现在超紧致生物传感器的制备过程中。

光纤技术
来自北京交通大学光波技术研究所和全光网重点实验室的科研人员，提出并实验验证了一种基于单模锥形光纤模场（STCS）新型折射率（RI）的全光纤环形温度激光传感器（如图4所示）。其中STCS的光纤结构既支持传感应用，也支持滤波应用。 由于采用了激光传感系统，该装置可以实现较高的光信噪比（约40 dB）和较窄的3dB带宽（小于0.12 nm）。当RI值在1.333-1.399的范围内变化时，其平均灵敏度为163.80nm / RIU。当温度在8°C至80°C范围内变化时，其灵敏度高达10.8 pm /°C。 科研人员证明上述系统结构实现简单、易于构建，同时还具有分辨率高、信噪比高和易于监测等优点。

图4.（a）STCS光纤结构示意图（b）锥型包层光纤的显微图像
来自北京交通大学光电技术研究所和全光网重点实验室的科研人员，设计并制备了一种紧凑型全光纤传感器，用于同时测量基于无芯光纤（NCF）和光纤布拉格光栅（FBG）的温度和折射率（RI）变化。他们在FBG的两端嵌入了两段用作分束器和合束器的NCF，以构成对温度和环境RI敏感的马赫增德尔（MZ）干涉仪。 随着折射率和温度的变化，MZ干涉和布拉格反射过程将导致透射谱的变化。 实验结果表明，温度范围在10〜70℃时，其灵敏度为0.014 nm /℃。实验证明了上述结构在同时测量外部RI和温度方面具有可行性。
来自北京工业大学激光工程系和国家激光技术研究中心的科研人员，提出了一种将空芯带隙光纤（NKT的HC-1550-02）和传统的单模光纤（Corning的SMF28）进行低损耗熔接的方法，其中用于熔融的光纤是高V值中间光纤。 与常用的光纤后处理技术相比，中间光纤熔融方法提供了支持新型V值自由度调节过程，能够使耦合损耗降低到0.35dB。实验研究证明，Nufern公司提供的SM1950（V = 2.836）和HC-1550-02光纤之间的熔接损耗低至0.63 dB（SMF28和HC-1550-02光纤的总插入损耗值0.73dB。 
来自国家光电实验室和武汉理工大学光学传感技术研究所的科研人员，提出并制备了一种低精度法布里-帕罗腔的光纤高温传感器（如图5所示）。该传感器是通过在多模光纤末端应用介质薄膜形成的，该传感器结构简单、成本低、容易批量制造。实验研究表明，当环境温度从250℃变化到750℃时，传感器的灵敏度达到5.4×10-3nm /℃。

图5.基于薄膜温度传感器的光学检测系统
来自加拿大多伦多瑞尔森大学电气与计算机工程系的科研人员，设计并制备了一种单模到多模再到单模的光纤滤波器。该滤波器使用1046nm临界波长的阶跃折射率大面积光纤来制备，但该滤波器对外部温度变化过程非常敏感。当该滤波器遭遇应变和温度同时变化时，临界波长两侧的干涉条纹将分别产生蓝移或红移。科研人员基于LP01和LP02两种模式的干扰以及其传播常数差来模拟透射光谱变化。研究结果显示模拟谱与实验谱相当吻合。科研人员经过实验验证，该滤波器能用于可变输出耦合器或光纤传感器的制备。