2017 年11月JLT光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰季幸平
2017年11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
来自北京交通大学光电技术研究所和先进电信网络重点实验室的科研人员，设计了一种基于单模锥形包层-单模（STCS）光纤结构的具备新型折射率（RI）的全光纤环形激光传感器，并且进行了实验验证。采用STCS光纤结构设计激光传感器和滤波器的过程中，由于采用了激光传感系统，可以获得较高的光学信噪比（〜40 dB）和较窄的带宽可用范围（其中3 dB带宽<0.12 nm）。在进行RI测量时，研究人员发现当RI值在1.333-1.399范围内时，平均灵敏度将达到163.80nm / RIU。在进行温度测量时，实验证明当温度测量范围在8°C至80°C时，灵敏度为10.8 pm /°C。上述系统结构简单，易于构建，同时具有分辨率高，信噪比高，易于监测的优点。
来自浙江大学、英国曼彻斯特大学、圣安德鲁斯大学的科研人员，分析了若干类型的微结构光纤（MOF）传感器的构造，并总结了上述传感器的实际应用范围。研究人员综述了基于光栅的干涉测量过程，以及涉及到的两类主要MOF传感器，并具体介绍了应用于传感器制备的微结构光纤设计方法及测量过程（包括物理参数（压力、应变、扭转、温度）的测量和生物医学参数（折射率和微流体流量）的测量）。研究人员还分析了基于光纤布拉格光栅和干涉仪的MOF传感器的基本设计原理，并对传感器的应用性能进行了多方面比较。
来自中国吉林大学太赫兹研究中心的研究人员，设计了一个新的方案来约束太赫兹波束传播过程。通过调节外部环境温度以改变温度敏感材料的折射率，从而动态调节横向古斯（Goos-Hänchen）偏移。基于上述方案，可以在不改变原始器件结构的情况下有效操控太赫兹波。研究人员从理论上分析了GoosHänchen位移过程，并分析了外界环境温度，入射角度和操作频率之间的相互关系。研究人员同时采用有限元方法验证分析了可调谐太赫兹波的Goos-Hänchen偏移特性。在太赫兹波无线通信频率为0.857THz时，测量信号的消光比为24.3dB。

图1可调古斯（Goos-Hänchen）装置工作原理图
来自荷兰霍尔斯特中心的研究人员报道了集成光电二极管层条件下基于有机半导体成像器的制备过程。使用的光电二极管包含长度小于100 nm的蒸发超薄叠层，并且在300nm和650 nm之间的工作波长范围内表现较为敏感。同时，他们基于开关矩阵的原理设计了读写电路。该电路中，当开（ON）电流高于0.1μA时，读出主动式矩阵（TFT）的漏电流小于1pA。研究人员采用μA/ cm2量级的平均暗电流和高达100μW的入射功率等指标来测试像素间距低至200μm的32×32像素成像器的应用特性。实验结果证明了制备基于可交联电介质TFT读出电路的可行性。因为上述方案中仅包含光刻过程，从而简化了背板的制造工艺流程。
来自西安交通大学应用物理系的研究人员，研制了一个2mm间隙基于半绝缘砷化镓（GaAs）的光电导半导体开关（PCSS）。当PCSS采用一个4μJ的商业激光二极管进行触发时，在6kV的偏置电压下可获得高达1.45kA的大电流。研究人员采用RLC瞬态电路模型，测量得到了瞬态放电过程中PCSS的电学特性。实验研究证明，实际应用可采用无线链路控制（RLC）瞬态电路模型得到瞬态放电过程中PCSS的电学特性；PCSS从非线性工作模式退出的原因是开关两端的电场低于锁定电场。上述研究方案表明了基于GaAs制备 PCSS具有低成本和紧凑性的应用前景。

图2基于半绝缘砷化镓（GaAs）的光电导半导体开关（PCSS）横向示意图

无源和有源光子器件
来自西班牙马德里卡洛斯大学电子技术系的研究人员探索了一种基于垂直腔面发射激光二极管设计的光学频率梳发生器（OFCG）的应用性能。研究人员对直接增益切换（GS）技术、间接电光（EO）技术以及两者的组合技术进行了实验和评估；他们观察到，组合技术具有更好的OFCG性能，因为它部分地继承了GS- OFCG的应用优势，并提供了更大的频率跨度和平坦度，还与EO方法保持了一致性。
来自韩国首尔中央大学电气与电子工程学院的研究人员，设计了一种使用全内反射（TIR）镜提供表面等离子体共振（SPR）激励以检测折射率（RI）变化的传感器，并且首次在没有任何增益介质的绝缘硅衬底上证明了制备过程。在TIR镜上，以厚度为35纳米材料为金属膜制作而成的三角形谐振器传感器其输出功率增量为1.2dB（灵敏度为102nm / RIU），而TIR镜上的非金属层显示灵敏度为30nm / RIU。灵敏度增强的原因是SPR中的相位发生了变化，从而导致了共振峰的大幅移动。研究人员表示，即使SPR反射镜的感应区域非常小，但上述配置在提高RI传感器灵敏度方面仍然有显著优势。
来自英国南安普敦与中国科学院光电研究合作中心的研究人员，提出并展示了一种基于四波混频跟随偏振器的新型相位敏感（PS）方案，并在非线性相移低至0.3rad的情况下实现了理想的二进制阶跃相位传递过程。PS方案的应用是通过在退化的双泵浦矢量参量放大器中生成相位锁定的正交极化信号并与空闲信号进行极化混合而实现的。
来自韩国庆山光州技术研究所的研究人员在全尺寸聚酰亚胺衬底上制备了一系列基于铟氮化稼(InGaN)材料的柔性发光二极管（FLED）。制备过程中，蓝宝石衬底上的InGaN外延层直接与聚酰亚胺衬底结合，然后通过激光剥离工艺去除蓝宝石衬底；再用芯片隔离参杂硅蚀刻工艺在聚酰亚胺整体基板上完成LED芯片的封装。使用上述直接转移过程，将获得超过97％的工艺生产量。如果FLED器件在线性区域工作，输入电流能达到500 mA。研究人员证明：FLED的输出功率，工作电压和高达400mA驱动电流的波长偏移等性能几乎与金属衬底上的垂直LED相同。
来自上海交通大学、天津大学、东京大学的研究人员通过分析证明，近期研发的超高分辨率光纤光栅传感器具有高分辨率、低成本、便于部署、远程监测和多线路传感能力等优点，能为地壳形变监测提供了强大的探测手段。研究人员综合分析了几种准静态超高分辨率光纤传感器的研究进展（包括基于窄线宽波长扫描和激光探测的光纤布拉格光栅传感器、基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的传感器、利用Pound-Drever-Hall（PDH）技术制备的传感器和可实现分时段多线路复用超高分辨率的光纤传感器）。研究人员同时综述了光纤光栅传感器在地壳形变现场监测中的应用过程。
来自江西师范大学物理与电子学院和纳米材料与传感器实验室的研究人员，通过使用不透明的金属镜提出并展示了一种基于离子体裂缝阵列的改进型多波段抗反射技术。该技术引入的反射镜可以增强光场耦合和约束效应，因此与基于电介质基底构建的开放缝隙技术相比能产生更强的等离子体共振。通过调整结构设计参数，研究人员证明：三波段近场反射在光学频率上具有很高的可扩展性；并且高灵敏度的传感测量、高信噪比以及18.6％/ nm的斜率参数实现可基于亚衍射极限（λ/ 5）结构来实现。科研人员证明了该方案和相关研究结果具有一定潜在的应用价值。
来自美国弗吉尼亚大学夏洛特维尔分校电气工程中心的研究人员发现，具有超薄倍增区的雪崩光电二极管能在F（M）和M之间显现线性关系，这一特性与局部场模型不同。颋证明了当非局部效应显著时F（M）和M的相互关系。为了验证理论分析过程，研究人员在不同雪崩光电二极管上进行了系统级别的蒙特卡洛模拟仿真过程。
来自中国台湾地区的研究人员，设计了一种基板外倾角原位测量的新方案以确保外延层在基板上生长形变。类似于目前采用的激光束偏转方法，研究人员在金属有机化学气相沉积（MOCVD）晶片旋转期间，从晶片表面倾角α（z）处测量曲率半径。但是，研究人员采用了非接触自混合干涉检测方法取代了通常使用的三角测量法。研究人员将一个点投射到晶片表面上，并采用激光检测背反射过程。上述新方法的优点在于消除了光源和检测器的分离，并且可以使用较小的MOCVD窗口。采用上述方案后，由于检测到的角分辨率比普通探测器检测到的要好，所以其极限灵敏度得以改善。实验数据表明，新方法测量的曲率半径在10m〜10km范围内。

光传输
来自国外的研究人员通过实验已经证明，采用集成不平衡的马赫增德尔干涉仪（MZI）和绝缘硅（SOI）平台可以主动完成相位解调过程，并在此基础上验证了布拉格光纤光栅（FBG）传感器的可行性。研究人员把外部的阵列波导光栅（AWG）放在检测电路的输出端，通过波分复用（WDM）模式可以集成多个FBG。相关信号处理过程则采用相位载波（PGC）解调技术以提取信号的波长偏移模式参量，完成精确动态的FBG解调过程。研究人员分析了集成FBG读写器的性能，并以动态FBG作为参考将其与基于光谱仪的商用FBG读出装置进行比较验证，实验结果表明其动态应变分辨率达到72.3nε/Hz。
来自印度贾达普大学和加尔各答大学的研究人员，实验展示了光敏纤维光纤光栅(FBG)传感器的抗辐射特性，并将其与硅芯耐辐射光纤连接起来，应用于开发一种适合于恶劣环境下遥感和数据传输的传感器系统。研究人员采用改进的化学气相沉积技术，专门设计和制备了基于二氧化硅的芯下掺氟包层光纤；并对包含氟掺杂内包层的关键波导参数进行了优化设计，在1550nm的工作波长区域内获得了小于0.2dB / km的低损耗值。研究人员对光纤制造过程（主要是针对沉积条件）也进行了优化，实现了二氧化硅芯层的平滑沉积和烧结，使得辐射引起的吸收值达到最小化。研究人员为了搭建一个适用于恶劣环境条件下的有效传感器系统，通过发射不同累积剂量的γ射线评估采用光敏纤维制造的特种光纤连接到FBG传感器中的实际性能。研究人员还对相关布拉格波长位移（BWS）和峰值振幅进行了连续监测，他们发现通过使用不锈钢管屏蔽传感器可以大幅减少辐射引起的BWS值。实验证明，上述传感系统在存在γ射线辐射前后，其温度敏感性和峰值幅度相关性基本保持不变，这一结论证明了上述系统在恶劣辐射环境中进行温度测量时具有潜在的应用价值。

目前，已有研究人员分析了10×10-Gb/s分布反馈式激光二极管阵列（DFB-LDA）和平面光波电路阵列波导光栅（AWG）的混合集成模块的制备过程。为了研制DFB-LDA，研究人员采用了选择性区域生长技术来适当调整通道增益，并使用电子束光刻过程来精确控制通道激射波长和光栅相位变换。为了应用AWG，研究人员采结构优化设计来减小AWG和DFB-LDA之间的耦合损耗过程，并在自由传播区域的接合处设计锥形和抛物线形波导以扩大光谱通带宽度，相关边模抑制比能大于 45 dB。研究人员证明了在10 Gb/s的传输速率下信号具有大于4.4 dB动态消光比；在长度大于2 km的所有通道传输之后，其信号接收功率代价值小于1.5 dB。
来自日本国家通信技术研究所光子网络系统实验室的研究人员基于自相干上行（US）和自零差下行（DS）的实验方案，研究了反射式半导体光放大器（RSOA）在等波长共享无源光网络架构应用特性。研究人员经过实验验证了相关理论数据，实验结果表明在30公里光纤链路上将存在32dB的功率损耗，相关信号在9.4 Gb/s 的DS和750 Mb/s US传输过程中可以进行有效通信（在并不考虑7％的前向纠错过程中）。在简化的数字信号处理和低成本运行的过程中，研究人员采用具有18 dB增益和1 GHz调制带宽的RSOA得到了上述实验结果。

光调制与光信号处理
来自上海理工大学现代光学系统重点实验室的研究人员，从理论上研究了温度对对称金属包层光波导（SMCOW）反射率的影响过程。他们分析得出：相关理论模型包括折射率与引导层厚度的温度依赖关系函数，以及金属膜厚度与金属-介电参数的温度依赖函数。研究证明，温度对SMCOW反射率的影响主要是来自折射率与引导层厚度的温度依赖关系；然而，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，研究人员计算了不同光学玻璃组成的导光层SMCOW在光谱和角度上的检测敏感性；他们表示此项研究将为制备SMCOW传感器提供克服温度变化的科研视角。
来自北京大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的研究人员指出，随着终端用户日益增长的带宽需求，100Gb/s传输速率的高速接入解决方案将受到越来越多用户的关注。研究人员设计了一种四波长对称实现100Gb/s传输的数字信号处理方案并在波分复用无源光接入网（TWDM-PON）中进行了验证。研究人员采用双边带（DSB）正交频分复用（OFDM）调制技术，在26.7公里光纤上对4×25Gb/s的 TWDM-PON进行了实验性演示；他们把反射式半导体光放大器部署在光网络单元（ONU）中以进一步提高了下行OFDM信号的接收灵敏度，同时还采用DSB单载波频域均衡技术调制上行传输信号以降低ONU的复杂度和成本耗费。

光纤技术
来自新加坡资讯及通信研究所、科学技术局天线和光学研究中心的研究人员对由微通道构成的微流体光纤器件进行了建模和深入分析。研究人员发现与纤芯相交的微通道可直接注入周围的物质来完成检测。仿真研究结果证明，微通道的尺寸将显著影响器件检测的灵敏度（如图3所示）；另外，微通道的偏心位置对于器件性能的改进也起着极其重要的作用。他们还指出，优化改进后的微流体装置可用于生物传感等领域的应用。

图3 各通道尺寸下的灵敏度曲线
来自北京交通大学光电技术研究所和先进电信网络重点实验室的研究人员，设计并制备了一种紧凑型全光纤传感器，该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）。如果在FBG的两端嵌入两段用作分束器和合束器的NCF，将形成对温度敏感的马赫增德尔（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。实验研究结果表明，在相关波长范围内，RI的灵敏度为-109.573 nm / RI；温度范围在10〜70℃时，其灵敏度为0.014 nm /℃。研究人员通过实验证明了上述配置在同时测量外部RI和温度方面具有一定的可行性。

图4一定波长范围内传感器的透射光谱值

来自西班牙瓦伦西亚理工大学和哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学的研究人员，使用卡洛南-洛伊（KLT）变换技术检测了多种光纤布拉格光栅（FBG）的波长值，并将上述光栅用作多线路复用传感器。由于色散效应的存在，FBG的波长变换被映射到射频（RF）的延迟表征中。其中，波长变化是由脉冲响应中检测幅度变化决定的，其波长随KLT方程计算的特征值的变化而改变。
来自北京工业大学激光工程研究所和国家激光技术研究中心的研究人员，使用高V值中间纤维在空芯光子带隙光纤（NKT提供的HC-1550-02）和传统单模光纤（Corning提供的SMF28）之间进行了低损耗熔接并进行了实验研究。与常用的光纤后处理技术相比，中间光纤技术提供了一个V值自由度调节范围，并使得耦合损耗值降低到0.35 dB。实验研究表明，Nufern公司提供的SM1950（V = 2.836）和HC-1550-02两种光纤之间的熔接损耗值低至0.63 dB， SMF28和HC-1550-02光纤间的总插入损耗为0.73 dB。研究人员指出，通过使用阶跃折射率实芯光纤（0.63dB）和SMF28光纤（0.73dB）能实现最低接头损耗值。
来自武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室的研究人员，设计了一种在多模光纤末端由介质薄膜形成的法布里—珀罗腔光纤高温传感器，并对其进行了相关实验论证。该传感器具备工艺结构简单、部件成本耗费低和批量生产容易等应用优势。实验研究表明，当环境温度从250℃变化到750℃时，该传感器的灵敏度为5.4×10-3nm /℃。