2017 年10月JLT光通信论文评析

2017年10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，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
    来自中国武汉华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的科研人员，分析了基于白光干涉（WLI）设计的新型原子力显微镜（AFM）测量纳米级表面的数据。在应用中，基于AFM探针位置的光束偏转（OBD）技术被取代，科研人员重点对探针悬臂表面的白光干涉条纹进行了位置分析。他们设计了探针调节方法，提出了一种基于小波变换和希尔伯特变换以精确定位零级条纹的算法，并且开发了用于探针悬臂表面干涉条纹位置识别与探头垂直位移的校准方法。上述方法的应用过程中，将白光干涉高垂直分辨率的优点与用于纳米分辨率表面测量的原子力探针高水平分辨率的优点进行了有机结合。科研人员实验验证了AFM测量探头的可行性和准确性。与商用AFM相比，标准光栅的3D测量结果证明，设计的AFM探头其测量速度快22％。

 
图1 基于白光干扰的AFM探头结构示意图

    来自波兰华沙理工大学物理学院、电器和电子工程师协会的科研人员指出，在过去几年中，人们越来越重视基于微结构的光射流波导领域，特别关注通过用光子晶体纤维填充流体而产生波导的过程。科研人员利用光子晶体光纤与各向同性和各向异性液体的渗透过程，分析了光子晶体光纤传感器的温度、压力、电/磁场和折射率等传感特性及其相关应用。
    来自南京航空航天大学光子学雷达成像与微波重点实验室的科研人员通过研究指出，微波测量过程是通过获取微波信号的参数或者是对物体特性的识别来实现的。由于现代光子学所提供的宽带宽和高速度优势，光子学领域的微波测量过程可以在带宽和速度方面提供更好的应用特性，这是使用现有电子学技术所无法实现的。科研人员讨论了基于光子学的宽带和高速微波测量技术的实现方法，重点分析了微波信号参数测量和物体属性识别的系统架构，并讨论了相关新兴技术和未来可能的研究方向。
    来自法国巴黎大学、巴黎电信科技公司的科研人员研究指明，布里渊分布式光纤应变传感过程是基于需要很长采集时间的频率扫描技术而实现，因此常局限于静态范围。动态分布式应变监测对于确保线性结构对疲劳载荷或振动的完整性是必要的，例如针对海底立管或输油管线、高架管线、长桥、铁路或高层塔楼的动态监测过程。科研人员设计了一种基于斜率辅助（SA）方法的单端分布式应变测量应用的动态布里渊光时域反射计（dynamic-BOTDR）。该功率计通过调整本地振荡器频率，能实现沿光纤分布的布里渊增益谱在最大斜率处的布里渊背向散射功率测量过程。科研人员指出：任何引起布里渊频移应变的过程都将通过幅度变化过程来检测。科研人员还采用三根光纤沿着10米的钢管实施振动已完成模型测试过程，并实时测量了管道的振荡阻尼时间和几何位移（采集速率为7.6Hz，应变误差为±40μstrain，空间分辨率为1m）。从纵向应变积分过程来分析，管道位移的计算误差为±12mm。科研人员还采用2km长度的光纤传感器来比较频率扫描和斜坡辅助方法的性能差异。
无源和有源光子器件
    来自希腊激光研究所的科研人员研究表明，基于光纤的生物传感器是一个新兴的研究领域，它具有极其广阔的应用领域和颠覆性的应用潜力。在过去几年中，科研人员对各种相关系统应用的进行了选择性探索（从感测光纤的类型到光学传感元件，再到可能的传感放大策略实现）。科研人员根据发表的文献和研究经验，比较分析和修正了若干设计生物传感器的方法，指出了它们的应用优势和缺点。科研人员讨论的焦点主要集中在DNA传感系统，特别是在无标记模式下，研究了寻找DNA序列的问题。
    来自韩国釜山国立大学机电工程系的科研人员，提出了一种通过线场扫描源干涉仪测量透明样品厚度和折射率分布的新方法。在这项研究中，通过使用线场光束代替点聚焦光束，并采用800nm中心区域的新型扫频源组合器件和基于1024像素的硅电荷耦合器件（CCD）检测器，测量沿线场分布的多种干扰现象。当透明样品的厚度不均匀或折射率不均匀时，可在光照区域同时测量两个参数的整体分布。使用四种类型透明样品的情况下，通过使用36 Hz的扫描光源和36 kHz的 CCD扫描检测器，在27ms的单波长扫描时间内，科研人员准确测量了每组样品的厚度和折射率分布（其中每组样品是由两个单独的样品配对而成）。
    来自日本神奈川县相模原斯伦贝谢公司的科研人员指出，石油和天然气勘探过程中有各种各样的传感装置能被应用。这些传感器必须在极有挑战性的环境中工作（例如高温高压）才具有现实应用价值。由于电子技术的成熟应用，大部分传感器都是基于电子元件制备的，少数光学传感器只成功地用于没相关特定测量领域。因此，科研人员引入了分布式光学传感器并进行了井下光学光谱的分析，以探索其独特的油气勘探测量过程中的应用价值。
来自美国克利夫兰格伦研究中心美国国家航空航天局的科研人员，报道了一种小巧便携的动态光散射（DLS）仪器的设计，构造，装配和测试过程。该仪器集成了最新的固态光子学技术，能应用于活体动物的眼睛（从眼角膜到视网膜的眼部流体和组织）仿真过程。
    来自肯特大学工程与数字艺术学院的科研人员，设计了一种基于光时域拉伸频域反射（OTS-FDR）的全分布线性啁啾光纤布拉格光栅（LCFBG）应变传感器，其时间和空间分辨率都比较高，并对其进行了实验验证。与普通的均匀光纤光栅相比，LCFBG具有更长的光栅长度和更宽的反射带宽，对于全分布式传感器的使用而言具有可观的应用前景。在科研人员设计的系统中，两个LCFBG被用在迈克尔逊干涉仪的配置中，其中一个光栅用作参考光栅，而另一个用作感测器件。在形成宽带谱干涉图中，可以看到应变信息编码在与波长相关的自由光谱范围（FSR）内实现。而色散引起的时间拉伸过程能实现超快检测过程，使得目标光谱干涉图被有效映射，从而完成单像素光电探测器实时捕获的时间干涉波形。由于高速数据采集过程的事项，相关装置也获得了高空间分辨率。在实验中，科研人员证明了具有各种应变分布的全分布光栅传感器的超快实时检测过程；并最终实现了达50MHz的超快速测量速度，和在25mm的测量长度和9.1μ的应变分辨率下31.5μm的高空间分辨率。

光传输
    来自武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室的科研人员提出了一种基于频移干涉（FSI）过程的新型光纤振动传感系统。该传感器是基于弯曲光纤传输过程中光频率振动多普勒频移现象制备的。与传统的光纤布拉格光栅（FBG）振动传感器相比，该传感器制作简单，成本低，无方向依赖性。FSI解调过程能应用于测量灵敏度，并且由于其具有路径干扰特性，故有优越的信号传输稳定性。采用FSI系统测得的多普勒频移与由应变测量得出的计算结果非常吻合。实验研究结果表明，该系统灵敏度高，频率范围宽，在实验中仅受励磁装置的限制。
 
图2  FSI解调振动感测示意图
    来自英国爱丁堡龙比亚大学工程与建筑环境学院、英国伦敦大学数学计算机科学与工程学院的科研人员研究表明，测量混凝土下水道的腐蚀速率需要考虑环境中的湿度，因此其测量的精确度至关重要。科研人员试图引入一种新的方法达到这个要求，并对现有的基于光纤布拉格光栅（FBG）的湿度传感器进行了现场评估，在引力污水渠长时间处于高湿度和硫化氢气体侵蚀的条件下，测定了传感器的响应性和稳定性。在水道条件下，使用校准和可重复的峰值波长位移来响应湿度变化，该探头中的临界湿度监测元件是基于湿度敏感的聚酰亚胺涂层FBG制备的。为了使设备在恶劣环境中更好工作，科研人员使用不同的材料对两个不同的探头组件进行分别设计，从而使得设备在恶劣环境中具有长期工作的耐久性。设计评估探头的目的是为了实现对湿度较好的灵敏度，并保护传感元件免受侵蚀性环境的影响，避免放置在下水道中的电子传感器失效，且可以用于交叉比较。在五个月的时间内，科研人员对原封的传感器进行了全面评估，考虑到传感器常遭受高湿度影响，其中湿硫化氢气体的含量不同，因此在对传感器性能进行交叉比对时，使用传统电传感器配置的光纤传感器性能更胜一筹。研究结果表明，光纤传感器长期应用于恶劣环境时，其湿度测量过程是必须的。
 

图3 单传感器探头的实验校准装置示意图
光调制与光信号处理
    来自中国沈阳东北大学信息科学与工程学院的科研人员，结合光子晶体（PC）腔优良的谐振特性和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的良好解调性能，设计了一种基于液晶（LC）渗透PC腔的小型化高灵敏度电场传感器。当施加外部电场时，由于电光效应，LC的折射率将会改变，因此PC腔的相应谐振波长也将改变。通过检测MZI的输出强度，来监测PC腔透射光的波长偏移，从而实现对外部电场的检测。科研人员采用时域有限差分（FDTD）方法对PC腔的波长灵敏度进行分析和优化，计算出MZI输出强度与外电场的线性关系。实验结果表明，电场的准线性测量可以达到7nW / V / m的高灵敏度和0.143V / m的检测极限。
 

图4 基于LC渗透PC腔的电场传感器的结构图
    来自加拿大渥太华大学电子工程与计算机科学学院，微波光子学研究实验室的科研人员研究指明，光电子振荡器（OEO）可用于实现高速和超高分辨率的光学传感过程。其基本思想是将光域中被测波长变化，转换为微波域中由OEO生成的微波信号的频率变化。由于微波信号的频率可以由数字信号处理器进行高速和高分辨率测量，所以基于OEO的光学传感器能够提供高速和超高分辨率的光学询问。科研人员讨论了基于OEO的光学传感器的应变、温度或横向负载传感能力。实现基于OEO的光学传感器关键在于，设计中心频率有效的通带微波光子滤波器。科研人员还研究讨论了采用微波光子滤波器实现OEO光学传感的技术。
    来自杭州浙江大学航空航天学院的科研人员，对无源光学环形谐振腔陀螺仪（OPRG）的发展和评估进行了重要的评述。科研人员对OPRG中遇到的寄生噪声源有了相应的对策，其寄生噪声源包括后向散射、背向反射、偏振误差、非线性克尔效应和激光频率噪声。科研人员在OPRG中研究出了一个可行的新操作方案， 并且解决了OPRG中复杂度高的数字信号处理问题。
光纤技术
    来自意大利摩德纳大学和雷焦艾米利亚大学工程部的科研人员研究表明，激光二极管自混合干涉测量是广泛应用于工业和实验室的非接触式技术。科研人员提出了一种类似超发光二极管一样将自混合方法扩展到低相干源的技术，同时采用了基于单模尾纤超发光二极管的光纤共轨干涉仪。他们研发的测量系统已被证明能够实现管道流量测试。据科研人员所知，这是首次通过单臂自混合尾纤超发光二极管进行的流量测量过程。测量系统利用了通过从管壁的内侧面反射的光和由移动颗粒反向扩散的光产生的多普勒干涉图样，在靠近管壁固定、明确的区域内，使用低相干源测量散射粒子速度，从而完成对散射体浓度的变化鲁棒性的检测，并估计层流假设下的流动过程。实验研究结果表明：当流动范围在1 cm3/s至15cm3/s（散射体积浓度范围在0.015％〜0.36％范围内），上述技术可提供较高的线性度（99%皮尔森系数）和高灵敏度的测试。
    来自埃及沙姆斯大学工程学院电子与通信工程系的科研人员认为光学相干域偏振（OCDP）是利用非相干光并基于迈克尔逊干涉过程实现的。科研人员设计了一种利用单模光纤环镜（FLM）（萨尼亚克环）下的保偏（PM）迈克尔逊光纤干涉仪，来取代传统的自由空间反射镜OCDP系统。此系统的实施具有很好的环境鲁棒性，并减轻了降低温度和振动效应所需的大部分并发负面效应。他们将压电换能器（PZT）插入到干涉仪的一个臂中并在其共振附近驱动，采用上述方法可以在被测器件中进行极化耦合的详细测量。科研人员给出了一种基于泡利矩阵代数的分析模型，讨论了由于组件缺陷而产生的副作用。实验研究结果证明：PZT中的偏振耦合对OCDP输出具有极大的副作用。科研人员测量了两种长度分别为20μm和150μm的保偏光纤，并成功测量了新系统中被测光纤的分布式偏振模耦合、组双折射和群双折射色散效应。

图5 采用宽带掺铒光纤放大器光源的光纤迈克尔逊干涉仪进行的分布式偏振耦合测量OCDP
    来自深圳大学光电工程系光电器件重点实验室的科研人员，提出了一种利用长周期光纤光栅搜索和确定光纤参数的新方法。科研人员刻蚀了不同长度的光栅以测量相位匹配曲线。他们还通过计算光纤模式的有效折射率，找到理论相位匹配曲线。在研究过程中，科研人员通过改变光纤参数值，使得实验相位匹配曲线和理论相位曲线之间的差异最小化。当两者差异最小化时，光纤参数也就同时得以确定。
    来自广东省光纤传感重点实验室、暨南大学光电技术研究所的科研人员，设计并实验验证了一种新型的电场强度传感器。该传感器利用倾斜的光纤布拉格光栅（TFBG）与液晶相互作用的过程制备。TFBG外层包覆有效折射率在1.53〜1.70范围内的液晶，以响应外部电场强度的变化。TFBG中受激包层模的引导性对外部电场非常敏感。科研人员通过监测选定包覆模式共振的振幅，测量了在1.0 kV/ cm到4.8 kV/ cm范围内的电场强度。该传感器的灵敏度为0.287dB/kV/cm，线性度优于99%；应用TFBG传感器还可以有效降低温度引起的交叉灵敏度变化。
    来自广州暨南大学光电子技术研究所、加拿大卡尔顿大学电子系的科研人员，指出光纤布拉格光栅（FBG）本质上对温度、轴向应变和压力敏感，可以通过监测反射/透射功率谱中的布拉格波长的变化过程来测量。当检测光的偏振时，FBG传感器能获得更多附加传感模式。为了使偏振效应产生作用，光纤的圆柱对称性必须由光纤本身的结构、光纤光栅的结构或被测量的摄动来施加影响。偏振控制过程能感测空间取向的参数（例如横向力、弯曲或扭曲等），并且还能用于测量各向异性介质的性质。此外，偏振控制能够应用于高质量全光纤表面等离子体共振（SPR）FBG传感器和LSPR辅助传感器的制备。科研人员今后还将研究光纤光栅偏振测量理论与相关实验。科研人员指出，表面等离子体激元共振（SPR）光纤传感器的成本耗费低且构造简单，能在棱镜配置中实现高灵敏度生化和电化学测量，并具有小型化和远程操作的优点。科研人员在难以到达的空间中进行单点传感后发现，光栅辅助和偏振控制是光纤SPR传感器实现极高灵敏度和检测极限的两个关键特性。他们设计的生物传感器是采用纳米金属涂层倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）印在单模光纤芯上实现的，没有进行其余结构的修改。该类型传感器的制备利用了高密度窄包层模式光谱梳的附加谐振机制，可实现表面等离子体激元的广泛吸收重叠过程。