7/11/2014，2014年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、調(diào)制與信號處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。
作者：邵宇豐 王煉棟

光網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
        來自中國復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員通過實(shí)驗(yàn)展示了高速的2×2非成像多輸入多輸出奈奎斯特單載波可見光通信系統(tǒng)。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中分別使用了兩個商用藍(lán)色發(fā)光二極管和兩個雪崩光電二極管，藍(lán)色發(fā)光二極管在10兆赫具有3分貝的電帶寬，雪崩光電二極管在100兆赫具有3分貝的電帶寬。研究人員提出了一種基于兩對時間復(fù)用訓(xùn)練符號的頻域均衡方法，可在一個步驟中同時進(jìn)行解復(fù)用和后均衡處理。在本文中，研究人員還實(shí)現(xiàn)并分析了頻域平均和時域平均。在實(shí)驗(yàn)展示中，整體的數(shù)據(jù)速率為500兆比特/秒。實(shí)驗(yàn)中在經(jīng)過40厘米的自由空間傳輸后，對兩個接收器測得的誤碼率均低于前向糾錯門限3.8×10-3的7％。


        溫室氣體（GHG）的排放主要來自不可再生能源的消耗。為了減少IP優(yōu)化光互連網(wǎng)的溫室氣體排放，來自中國蘇州大學(xué)電子與信息工程學(xué)院和印度理工學(xué)院的研究人員建議在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置最大化地使用再生能源，以便減少不可再生能源的消耗。研究人員對IP優(yōu)化光互連網(wǎng)提出了“跟隨太陽，跟隨風(fēng)“的節(jié)能策略，即定期重新配置光路的虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便使更多的光路能在可使用再生能源最多的地方（節(jié)點(diǎn)）開始或結(jié)束。為此開發(fā)了一種混合整數(shù)線性編程模型來設(shè)計新光路的虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于優(yōu)化模型的計算復(fù)雜性是很高的，研究人員還提出了一種簡單而有效的啟發(fā)式算法來解決這個問題。研究結(jié)果表明，通過這種方式運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)可以顯著減少不可再生能源的消耗，例如在圖示的網(wǎng)絡(luò)場景中。

        對于未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前科研人員面臨兩大挑戰(zhàn)：可擴(kuò)展性和成本/能源效率。來自意大利國家工業(yè)技術(shù)中心、米蘭理工大學(xué)電子信息系和意大利電信的科研人員，提出了一種新的方法來評估波長交換光網(wǎng)絡(luò)（WSON）的可擴(kuò)展性和成本/能源效率。這種方法考慮到了可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）的路由限制、各種類型的相干傳輸系統(tǒng)、不同的擴(kuò)增方案和各種類型的光纖。通過對最近部署的意大利電信波長交換光網(wǎng)絡(luò)（WSON）進(jìn)行仿真運(yùn)行，科研人員已經(jīng)評估了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和用于技術(shù)改造的路線圖�？蒲腥藛T還使用真實(shí)的流量配置文件和流量增長率預(yù)測，來進(jìn)行各種實(shí)際情況的案例研究。這項研究為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者提供了創(chuàng)新的工具和敏銳的洞察力，使他們根據(jù)當(dāng)前以及未來光子技術(shù)的發(fā)展來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計決策。


無源和有源光子器件

        來自中國臺灣國立臺灣大學(xué)光子與光電子學(xué)院、通信工程學(xué)院和電氣工程系的科研人員提出并分析了一系列基于混合等離子體波導(dǎo)的垂直定向耦合器，這些混合等離子體波導(dǎo)是與硅晶絕緣體（SOI）兼容的。科研人員對兩種定向耦合器構(gòu)造進(jìn)行了研究：即金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)（MIM）和絕緣層-金屬-絕緣層結(jié)構(gòu)（IMI）。平面分析和三維分析都表明，金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)（MIM）的定向耦合器有著更好的耦合性能，如具有亞微米的耦合長度和較低的損耗。為了確保正�；�的功率損耗低于5％，耦合長度可以選擇盡可能短的0.492微米（大約是波長1.55微米的三分之一）。耦合器尺寸的大小甚至可以換來更低的功率損耗。在一個實(shí)例中，在保持同樣的亞微米耦合長度情況下，非緊湊設(shè)計會產(chǎn)生3％的功率損耗�？蒲腥藛T采用光束傳播分析進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的設(shè)計。這種分析獨(dú)自驗(yàn)證了使用緊湊的金屬-絕緣層-金屬結(jié)構(gòu)（MIM）設(shè)計，確實(shí)可以使導(dǎo)模耦合長度沿垂直方向縮短至0.492微米。

        為實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)硅光子電路的三維（3-D）集成，來自韓國電子與電信研究所未來創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計了一種基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺的偏振分束器。依靠一個三端口定向耦合器中心波導(dǎo)的偏振依賴性，這種偏振分束器將TM和TE偏振模式分離到三維（3-D）硅光子電路的不同層面。采用了全矢量光束傳播法進(jìn)行的數(shù)值模擬表明，研究人員可以實(shí)現(xiàn)10微米波長的偏振分束器，并且它的消光比在整個C波段都好于20分貝。水平偏振分束器采用沒有垂直偏移的光學(xué)器件，具有幾乎同樣的光學(xué)特性。因此，本文中所提出的偏振分束器不僅與CMOS在結(jié)構(gòu)上可以兼容，也能與CMOS制造工藝相兼容。

        來自印度Dayalbagh教育學(xué)院物理與計算機(jī)科學(xué)系的研究人員提出了一種理論模型，用于分析全光開關(guān)通過雙光子吸收而引起自由載流子注入到2×2上下路硅微環(huán)諧振器中。理論模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。這些結(jié)果已被用于設(shè)計可重構(gòu)的全光超快速解復(fù)用器/多路復(fù)用器的邏輯電路，電路中采用了三微環(huán)諧振器開關(guān)，所用的弗萊德（Fredkin）和托弗利（Toffoli）邏輯門是通用、傳統(tǒng)和可逆的，分別只有一個和兩個微環(huán)諧振器開關(guān)。開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，具有低功耗（25毫瓦）、超快運(yùn)行速度（25皮秒）和高調(diào)制深度（85%）的特點(diǎn)，使邏輯運(yùn)算達(dá)到40 Gb/s。高Q值、可調(diào)諧性、緊湊性、可級聯(lián)性、可逆性和可重構(gòu)性結(jié)合起來的優(yōu)勢，使這種設(shè)計具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。本文中研究人員所提出的模型，為超快速全光CMOS兼容可逆硅運(yùn)算電路的設(shè)計，提供了一種新的范例。

        當(dāng)施加的磁場垂直作用于磁流體薄膜表面時，磁流體薄膜中的磁性納米粒子會聚集在一起，形成了一種新型的磁流體光子晶體。磁流體光子晶體的晶格常數(shù)可以通過改變所施加的磁場強(qiáng)度來調(diào)節(jié)。來自中國東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院和流程工業(yè)綜合自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員對磁流體光子晶體的光子帶隙進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加磁場的掃描速率為2奧斯特/秒時，它具有較好的磁可調(diào)性。研究人員研究了所施加的磁場對慢光的影響程度。該結(jié)果表明，可以獲得低于0.35C群速度的慢光，并且當(dāng)外加磁場的掃描速度為10奧斯特/秒時，與磁場強(qiáng)度相關(guān)的慢光工作波長漂移是最明顯的。與傳統(tǒng)的光子晶體相比，磁流體光子晶體表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，具有更好的磁可調(diào)性并且更容易形成，這在新的光電器件制造上有很大的應(yīng)用潛力。

        定向耦合器是在光學(xué)集成電路中廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵元件。然而，傳統(tǒng)定向耦合器的耦合效率對波長是高度敏感的。這種敏感性會使設(shè)備的性能降低，包括用于波分復(fù)用傳輸?shù)亩ㄏ蝰詈掀�。來自日本金澤大學(xué)自然科學(xué)與技術(shù)研究生院的科研人員提出了曲線定向耦合器的設(shè)計，這是利用二氧化硅光波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)一種對波長不敏感的耦合器，具有小尺寸的封裝形式和寬容靈活的生產(chǎn)制造條件。在本文中，科研人員從理論上研究了這種曲線定向耦合器使用硅線狀波導(dǎo)的情況并得出了結(jié)論，當(dāng)曲線耦合器具有21微米的彎曲半徑以及7.40微米的耦合長度時，可以減少對波長的依賴；與傳統(tǒng)的定向耦合器相比，當(dāng)透射率的變化范圍在−3±0.1分貝時，曲線耦合器的工作帶寬獲得了約七倍的增強(qiáng)。


        來自意大利羅馬大學(xué)工程系和意大利光子網(wǎng)絡(luò)國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹了一種光控場效應(yīng)晶體管（OCFET）。這種器件是在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的基礎(chǔ)上改變幾何結(jié)構(gòu)，在柵氧化層和柵極金屬觸點(diǎn)之間插入一個鍺層而構(gòu)成的。它的研制工作是通過采用電腦技術(shù)輔助設(shè)計工具來完成的。研究人員描述了這種光控場效應(yīng)晶體管（OCFET）的工作原理，探討了它在1.55微米近紅外光下的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。并對這種器件在開/關(guān)電流比和開關(guān)時間方面的性能進(jìn)行了研究，同時與此對應(yīng)設(shè)計了諸如鍺的摻雜度、器件壽命、柵極偏置電壓以及光功率等參數(shù)。研究人員最后從未來應(yīng)用的視角和可能存在的應(yīng)用限制等方面，對器件的最佳工作條件和性能滿意平衡策略進(jìn)行了研究與討論。


光傳輸

        在未來的高帶寬通信系統(tǒng)中，對于評估來自太空的激光下行鏈路的可行性而言，航天器和光學(xué)地面站之間信息數(shù)據(jù)容量的準(zhǔn)確知識是最重要的。由于下行鏈路系統(tǒng)具有額外的成本和復(fù)雜性，人們對相干光接收器在靈敏度和頻譜效率方面的潛力越來越有興趣。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于下行鏈路部分包含了大氣層，晴空湍流引起的鏈路相位失真和衰減會使相干接收機(jī)的潛力受到嚴(yán)重影響。比較方便的做法是，由多個子孔徑組成的相干信道匹配陣列接收器可以減少信號衰減。另外，采用自適應(yīng)光學(xué)也可以從原理上使波前畸變得到緩解。本文中，來自西班牙加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)信號理論和通信系的研究人員，對在大氣層下行相干系統(tǒng)中使用的這兩種基本技術(shù)提供了綜合的、統(tǒng)一的分析。做為自適應(yīng)光學(xué)的一種替代方案，研究人員說明了如何使用陣列技術(shù)，通過跟蹤和校正大氣層中的信號失真來擴(kuò)展激光下行鏈路的容量。

調(diào)制與信號處理

        來自塞爾維亞貝爾格萊德大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種高效的半解析法，用于對半導(dǎo)體光放大器的穩(wěn)態(tài)增益特性進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的評估。這種方法依賴于對光子密度空間分布的分析解法，先進(jìn)行不含非線性增益抑制的粗略估算，然后再通過包含抑制的結(jié)果進(jìn)行細(xì)化。載流子密度的空間分布接近一個常數(shù)或一個分段常數(shù)函數(shù)。與簡化的寬帶數(shù)值方法相比，半解析法排除了對光子譜密度的依賴，只需要相當(dāng)?shù)偷奶幚碣Y源，并且根據(jù)模型的復(fù)雜度，在精度無顯著降低的情況下可以提高運(yùn)算速度一到兩個數(shù)量級。

        傳統(tǒng)的蒙特卡洛光線傳播法是利用菲涅耳反射系數(shù)來確定一個光子反射到界面的概率。然而在一些結(jié)構(gòu)中，光的波動性也是十分很重要的，例如在布拉格反射光柵中，菲涅耳系數(shù)就不適用于干涉效應(yīng)。來自美國費(fèi)城德雷克塞爾大學(xué)電氣與計算機(jī)工程系的研究人員在本文中介紹了這種結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)是通過利用波動方程計算出來的，對應(yīng)每個波長的波動方程在結(jié)構(gòu)中都會被模擬。這些反射系數(shù)在蒙特卡羅模型中被用于模擬光線的傳播，在這些模擬傳播中還要模仿光線通過某些區(qū)域，而這些區(qū)域中充滿了干擾產(chǎn)生的介質(zhì)。一些布拉格光柵會被做為示例在模擬時用到，模擬的結(jié)果也被分析計算所證實(shí)。


光纖技術(shù)

        來自中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、中國科技大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系的研究人員提出了一種有效的方法用以產(chǎn)生光旋渦（OVs），這種方法是將螺旋光纖布拉格光柵（H-FBG）直接加在少模光纖上。螺旋調(diào)制率是在單面UV曝光期間，通過使用相位掩模來旋轉(zhuǎn)光纖而得到的。研究人員制定了一組耦合模方程，用來分析螺旋光纖布拉格光柵（H-FBG）的反射特性。按照本文建議的方法，穩(wěn)定的光旋渦（OVs）可以用一種適當(dāng)設(shè)計的M-光纖來實(shí)現(xiàn)，而光旋渦（OVs）的順序可以通過諧振波長的調(diào)諧和螺旋光纖布拉格光柵（H-FBG）的旋向性來調(diào)整。

        來自比利時布魯塞爾自由大學(xué)、布魯塞爾光電子協(xié)會、法國下諾曼底卡昂大學(xué)和波蘭盧布林瑪麗亞居里夫人大學(xué)光纖技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員對五種類型的微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）和兩種類型的參考光纖進(jìn)行張力拉伸試驗(yàn)，然后利用威布爾統(tǒng)計對拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了分析。對斷裂表面使用光學(xué)顯微鏡觀察，可以識別出關(guān)鍵缺陷的所在并能確定失效機(jī)理。首先，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這些微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）與標(biāo)準(zhǔn)光纖相比，所具有的拉伸強(qiáng)度較低。其次，研究人員發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）的機(jī)械強(qiáng)度與光纖微觀結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)有關(guān)。最后，斷裂口表面的檢查證實(shí)了微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）是因位于空氣孔附近的缺陷而被拉斷的，而相比之下，標(biāo)準(zhǔn)光纖在被拉伸斷裂的過程中，裂縫總是由位于光纖外側(cè)二氧化硅表面的缺陷開始擴(kuò)大的。

        來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員介紹了一種基于達(dá)曼光柵的孔徑填充技術(shù)，主要應(yīng)用在無源相干光束合成光纖放大器陣列中，并使用全光反饋回路進(jìn)行鎖相。它的最大輸出功率為206 瓦。研究人員對一種三通道孔徑填充技術(shù)的組合效率進(jìn)行了討論分析，并且證實(shí)了這種技術(shù)的組合效率會隨輸出功率的改變而變化。所進(jìn)行的理論模擬表明一些擾動因素會導(dǎo)致組合效率的下降，而其中導(dǎo)致下降的關(guān)鍵因素是殘余相位誤差。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種技術(shù)具有良好的發(fā)展?jié)摿�，能在一個單一光束中獲得更高的亮度。

        來自天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的科研人員對長周期光纖光柵（LPG）進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究內(nèi)容是光柵對溫度、壓力、彎曲和外部折射率的靈敏度�；�于純二氧化硅光子晶體光纖（PCF）的特性，這種長周期光纖光柵（LPG）表現(xiàn)出了較低的溫度敏感性，在攝氏20至1100度的溫度范圍內(nèi)所測出的溫度系數(shù)約為10.5pm/℃。應(yīng)當(dāng)指出的是，由飛秒激光引起純結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的變化是可以承受高溫的。該長周期光纖光柵（LPG）的壓力靈敏度較高，數(shù)值是-1.86pm/με。由于不對稱修飾的包層結(jié)構(gòu)，這種長周期光纖光柵（LPG）具有很強(qiáng)的方向性彎曲敏感度，最大的彎曲敏感度為-1.12nm•m。該長周期光纖光柵（LPG）的最大外部折射率敏感度估計為-725nm/ RIU。對溫度的靈敏度非常弱（特別是在高溫環(huán)境中），對壓力、彎曲和外部折射率的敏感性很強(qiáng)，長周期光纖光柵（LPG）所具有的這些特性為解決光纖傳感器具有的交叉靈敏度問題，提供了一個簡單的途徑。因此，這種光柵可以作為傳感器，在包括高溫等惡劣環(huán)境的一系列應(yīng)用場合中得到廣泛的使用。