光纖在線特約編輯：邵宇豐 周越 周俊毅 馬文哲 季幸平
11/9/2016，2016年10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)及其子系統(tǒng)、無源和有源光子器件、光傳輸、光調(diào)制與光信號處理、光纖技術(shù)等，筆者將逐一評析。 

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    來自墨西哥國立自治大學(xué)電信工程系的科研人員，利用微倏逝場的作用機理，研發(fā)了一種用于測量振動和相對濕度的新型傳感器系統(tǒng)�？蒲腥藛T在通信傳輸信號的快速傅里葉變換算法（FFT）中，通過對峰峰值的快速傅里葉變換相位的監(jiān)測，實現(xiàn)了對傳感頭的監(jiān)測。當(dāng)存在具有多種不同靈敏度的干擾頻率分量時，信號幅度和波長的變化可能會影響其結(jié)果。而此系統(tǒng)不依賴于信號的幅度，且避免了光譜中的波長發(fā)生變化，從而使實驗結(jié)果得到進(jìn)一步優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：在相對濕度為0.14πrad/％且靈敏度達(dá)到最大的情況下，點傳感器能夠測量20％-70％寬范圍的濕度。當(dāng)靈敏度大約為0.0051nm-1/Hz時，微傳感器可以在320Hz至1300Hz的頻率范圍內(nèi)工作。由于系統(tǒng)使用光學(xué)讀寫器作為唯一的有源元件，所以具有較低的成本效益。
來自日本筑波、茨城訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)實驗室的科研人員，通過使用基于布里淵分析的端反射法，首次在中心站內(nèi)測量出了無源光接入網(wǎng)絡(luò)中分支光纖的信號損耗分布規(guī)律�？蒲腥藛T通過采用頻移技術(shù)補償場中布里淵頻移（BFS）的變化，最終完整地測量了單個分支光纖的損耗分布范圍。
    來自西班牙阿爾卡拉大學(xué)電子工程系的科研人員，提出了如何檢測并分類長氣體管道附近的威脅特征；并提出基于相位敏感光時域的反射技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的信息識別過程。研究人員研究的系統(tǒng)使用了兩種不同的操作模式：（1）機器+活動識別--其輸出由特定機器來執(zhí)行。（2）威脅檢測--無論當(dāng)前實際活動如何，只檢測威脅信息�？蒲腥藛T還提出了不同位置的選擇策略和歸一化方法，并且對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的評估。他們用第一種操作模式，對第二模式的威脅或非威脅情況進(jìn)行了進(jìn)一步標(biāo)記，獲得了與實際應(yīng)用相符的理想結(jié)果，并且指出上述兩種模式將會拓寬對實際操作的全功能管道威脅檢測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計路徑。研究結(jié)果證明，采用光子學(xué)技術(shù)改進(jìn)的全功能管道威脅檢測系統(tǒng)在實際條件下良好運作，且在未來將具有深遠(yuǎn)的運用前景。


無源和有源光子器件
    來自韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的科研人員，研究了基于微光纖結(jié)型諧振器（MKR）的高靈敏度相對濕度（RH）傳感器。其中，微光纖結(jié)型諧振器（MKR）的涂層材料是聚乙烯醇（PVA）。為了制造出微型光纖相對濕度（RH）感應(yīng)探頭，科研人員設(shè)計了一個帶有聚乙烯醇（PVA）涂層的微光纖結(jié)型諧振器（MKR）。通過利用直徑為2微米的微型光纖制成的束帶制作了微光纖結(jié)型諧振器（MKR），其環(huán)直徑為70微米并涂覆聚乙烯醇（PVA）。由于微型光纖強倏逝場的作用，該微光纖結(jié)型諧振器（MKR）會隨著相對濕度（RH）的變化而變化。為了精確測量出相對濕度（RH），科研人員使用快速傅立葉變換（FFT）算法，將該傳感器的光譜轉(zhuǎn)換為空間頻譜。一旦空氣中的濕度增大，涂層中聚乙烯醇（PVA）的有效折射率就會降低，聚乙烯醇（PVA）微光纖結(jié)型諧振器（MKR）的自由光譜范圍（FSR）將變大，微光纖結(jié)型諧振器（MKR）的空間頻率隨之降低。所以，基于聚乙烯醇（PVA）微光纖結(jié)型諧振器（MKR）感測探頭可通過空間頻率的變化來度量空氣中的濕度。科研人員還發(fā)現(xiàn)，在高階模式下相對濕度（RH）探頭的靈敏度比低階模式下有了極大的提高。
    來自倫敦城市大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)與工程專業(yè)的科研人員指出，在海洋等領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的壓電陶瓷（PZT）傳感器已愈發(fā)暴露其局限性。為此，他們尋找了一種有效的替代方式——用基于多光纖布拉格光柵（FBG）的傳感器進(jìn)行聲發(fā)射（AE）檢測；并進(jìn)一步搭建了級聯(lián)光纖聲傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光學(xué)濾波器進(jìn)行信號解調(diào)�？蒲腥藛T在標(biāo)準(zhǔn)化條件下，對該光學(xué)傳感系統(tǒng)的性能進(jìn)行了較多性能的實驗評估，例如，用玻璃板來檢測聲信號、使用金屬板來判斷聲源的位置等。實驗結(jié)果表明，新型光聲傳感器輸出端與壓電陶瓷（PZT）傳感器輸出端之間可實現(xiàn)良好的匹配，其出色的性能不僅體現(xiàn)在監(jiān)測微弱的聲發(fā)射（AE）信號，而且還體現(xiàn)在能對多點信號實現(xiàn)同時測量。
    來自巴西庫里蒂巴聯(lián)邦科技大學(xué)的科研人員，基于兩種夾板固定的方法，對丙烯酸樹脂的兩種聚合收縮類型進(jìn)行了研究�？蒲腥藛T將兩個植入物放置在人造骨中，其兩個轉(zhuǎn)移接口用丙烯酸樹脂進(jìn)行連接，然后使用光纖布拉格光柵傳感器測量兩個樹脂的收縮程度和溫度變化。實驗結(jié)果顯示：其中一個樹脂具有較高的溫度變化，而兩者的收縮程度是相似的。由此可以看出，使用丙戌酸樹脂夾板固定的方法在緩和應(yīng)力松弛和減少聚合收縮方面具有顯著的效果。
   來自弗羅茨瓦夫技術(shù)大學(xué)的科研人員，提出了一種有關(guān)聚合收縮問題的數(shù)值分析方法，此方法主要考慮聚合收縮對嵌入在復(fù)合材料中聚合物的影響，并同時考慮基于二氧化硅的高雙折射（HB）光纖的影響。經(jīng)反復(fù)實驗研究人員得出的結(jié)論如下：聚合是將許多分子結(jié)合成大分子化合物的化學(xué)過程，因此聚合收縮的方向取決于復(fù)合材料表面分子的數(shù)量。在高雙折射（HB）光纖中，科研人員還提出了一種在層壓過程中針對壓電光效應(yīng)的具體分析方案。
來自德國慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的科研人員，提出并證明了一種新型局部微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（LMFBG）制造的方法。這種新型的LMFBG可以同時感測壓力和溫度。LMFBG是在I型光纖布拉格光柵（FBG）中，使用飛秒（fs）激光燒蝕約86μm長和約27μm的圓周槽，該凹槽具有恒定的深度和陡峭的側(cè)壁�？蒲腥藛T還發(fā)現(xiàn)，由于作用在LMFBG上的軸向壓縮力會導(dǎo)致LMFBG的結(jié)構(gòu)部分中產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)的相移，可以在反射譜中出現(xiàn)通帶效應(yīng)。同時，溫度的變化將引起整個光譜的偏移，而不影響其形狀�？蒲腥藛T因此提出了一個描述LMFBG反射光譜的理論模型，它由三個傳遞矩陣的乘積，即外力、溫度和可調(diào)自由參數(shù)的光功率組成。在溫度值為5℃至45℃、壓力為0N至-1.44N范圍內(nèi)，基于模型的理論圖形很好的對應(yīng)了LMFBR光譜結(jié)構(gòu)。由于飛秒（fs）激光加工的LMFBG具有精確的結(jié)構(gòu)特征，科研人員能將三個FBG組合在一起來模擬LMFGB。

圖1 光纖布拉格光柵的局部微結(jié)構(gòu)圖
來自葡萄牙維亞納堡學(xué)院高等工程系、納瓦拉公立大學(xué)電氣與電子工程系的科研人員，成功地將長周期光纖光柵（LPFG）刻入硼鍺摻雜光纖，使光柵周期小于150微米。此外，他們利用電弧使28號標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）中的長周期光纖光柵（LPFG）到達(dá)色散轉(zhuǎn)折點，進(jìn)而將光柵周期減小至197微米。此前作者曾將28號光纖中的光柵周期縮短至190微米和320微米。據(jù)此，科研人員開發(fā)了一種高電壓電源來大幅減少光柵的周期，通過接入更高階的包層模式來獲得更高的靈敏度。該電源能產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，其電流范圍可從10.5毫安變化至21毫安。通過計算機模擬，每個刻在不同纖維上的光柵用于識別包層模式共振�？蒲腥藛T通過蝕刻或薄膜沉積制作的長周期光纖光柵（LPFG），其外部折射率可從1.33提升至1.42。當(dāng)外部折射率在1.33至1.41范圍內(nèi)時，雖然該192微米的光柵沒有被進(jìn)一步優(yōu)化，其折射率的平均靈敏度仍可達(dá)-720 nm/RIU。
 
圖2 實驗系統(tǒng)中的機械裝置和高壓電源部分
來自日本國防研究院通信系的科研人員，設(shè)計了使用光纖布拉格光柵和光頻域反射計(OFDR)可以監(jiān)測多點的振動傳感過程。該技術(shù)中，其發(fā)射端僅僅是一個激光二極管。使用激光二極管控制器注入高頻電流可調(diào)制它的波長，從而實現(xiàn)高速掃描的過程。實驗研究結(jié)果表明，該傳感器的噪聲容量為7 fm/√Hz（實驗測量時間為10毫秒）。
 
圖3 光頻域反射計的測量過程


光傳輸
來自西班牙納瓦拉大學(xué)電氣與電子工程系的科研人員研究了一種隨機分布反饋（DFB）光纖激光器。這種隨機分布反饋（DFB）光纖激光器具有調(diào)制簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，且可以在超過200公里的遠(yuǎn)距離多路波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中使用。該激光器腔調(diào)制的靈敏度可用時域反射法來度量。另外，通過調(diào)整激光的發(fā)射波長，可以測量出反射信號和距離之間的關(guān)系。上述方案克服了超遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的主要缺點，即：有限的復(fù)用能力。使用上述方案還可以確定同波長傳感器在網(wǎng)絡(luò)中的位置，也可以用同樣的方式間隔波分復(fù)用傳感器�？蒲腥藛T進(jìn)行了兩個不同的實驗，在第一個實驗中，使用可調(diào)諧光纖布拉格光柵（FBG）作為激光器的濾波元件。實驗結(jié)果證明：170公里外空間分辨率為85米的監(jiān)測站可以同時檢測到9個波長在1545-1550 納米之間光纖布拉格光柵（FBG）。在第二個實驗，使用可調(diào)濾波器作為激光器的濾波元件。實驗結(jié)果顯示第二個實驗的結(jié)果比第一個實驗的結(jié)果相對改善了許多：200公里外空間分辨率為45米的監(jiān)測站可以同時檢測到10個波長在1540-1550 納米之間光纖布拉格光柵（FBG）。由于材料能力會限制被監(jiān)測傳感器的數(shù)量，但該系統(tǒng)的設(shè)計可以不受材料的影響而直接監(jiān)測到更多數(shù)量的光纖布拉格光柵（FBG），但科研人員仍不能可靠地估計出可被復(fù)用傳感器的最大數(shù)量，但若使用更先進(jìn)的反射測量技術(shù)和設(shè)備可以提高系統(tǒng)的性能。例如，可以通過對增益分布的適當(dāng)控制來測量出更寬的光譜。總的來說，科研人員通過利用奇異性質(zhì)，來實現(xiàn)在傳感器中實現(xiàn)隨機分布反饋（DFB）光纖激光器的應(yīng)用，該方案相比類似其它裝置具有更好的復(fù)用能力。
來自以色列巴伊蘭大學(xué)工學(xué)部的科研人員，研究了長度為8.8km、空間分辨率為2cm的分布式布里淵分析方法。在測量過程中，科研人員定位了44萬個潛在的分辨率點，并且正確識別了泵波輸出端處長度為7cm熱點。在布里淵頻移的局部值估計中，實驗誤差為±3.5 MHz。在相關(guān)峰超過2,000的情況下，科研人員分析了泵和信號波在周期相位調(diào)制時生成的布里淵交互過程。其中，單個峰峰值的布里淵擴增，可以通過10,000位長的非周期序列或者檢波壓縮后得到有效解析�？蒲腥藛T還對數(shù)千公里、厘米分辨率的光纖布里淵作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果證明：高分辨率分布式布里淵傳感器能實現(xiàn)有效實際應(yīng)用。
 
圖4 長距離、高分辨率分布式布里淵光纖傳輸系統(tǒng)圖

光調(diào)制與光信號處理
來自德國聯(lián)邦材料研究和檢測機構(gòu)的科研人員，提出了一種非線性和隨機傳遞函數(shù)的解調(diào)方法，該方法基于部分補償光纖直接檢測和相干瑞利光時域反射計（C-OTDR）實現(xiàn)。具體而言，已知要感測的動態(tài)光纖應(yīng)變會在空間中以均勻的方式影響較長的傳感光纖，科研人員通過在聲發(fā)射傳感器中進(jìn)行檢測，從而能提升檢測小振幅、高頻動態(tài)的光纖應(yīng)變過程。上述研究表明，光纖中部分信號分量可以通過合適且有效的方式進(jìn)行平均，從而在C-OTDR信號中提取更多的定量信息�？蒲腥藛T提出了該方法的理論基礎(chǔ)，并研究了有效的實驗結(jié)果。通過使用邁克爾遜散斑干涉儀的隨機正交解調(diào)（RQD）法，科研人員能夠直接檢測并解調(diào)單脈沖光纖的C-OTDR信號。與最初的方法類似，RQD應(yīng)用于C-OTDR反向散射返回信號的實驗表明了，在低頻漂移和干擾的情況下恢復(fù)光纖應(yīng)變的弱高頻調(diào)制，能在傳感光纖的橫截面產(chǎn)生空間均勻的動態(tài)應(yīng)變。盡管與由短脈沖聲信號激發(fā)且由相位調(diào)制光纖傳感器的直接干涉測量相比，瑞利C-OTDR提高了相關(guān)靈敏度，但是仍然存在1.5-2數(shù)量級的靈敏度間隙。

光纖技術(shù) 
來自波蘭華沙工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)和光電子學(xué)研究所的科研人員，提出了一種反應(yīng)離子蝕刻（RIE）應(yīng)用方案。該方案通過類金剛石碳（DLC）納米層沉積，采用射頻等離子體增強的化學(xué)氣相沉積（RF PECVD）法，可以有效地調(diào)整長周期光纖光柵（LPG）折射率（RI）的靈敏度，蝕刻和沉積都使用同一種工藝。科研人員通過在高階包覆模式和模式躍遷狀態(tài)下使用組合等離子體法，可以使得長周期光纖光柵(LPG) 的色散轉(zhuǎn)折點具有良好的調(diào)諧。實驗結(jié)果表明，在窄折射率（RI）范圍（1.3344-1.3355 RIU）內(nèi)，每一個共振的折射率（RI）靈敏度已經(jīng)增強到超過12,000nm/RIU；在寬折射率（RI）范圍（1.3344-1.3355 RIU）內(nèi)已經(jīng)增強到超過2,000 nm/RIU。實驗結(jié)果已經(jīng)通過數(shù)值分析等到證明，該方案顯著增強了折射率（RI）的靈敏度并且加大了折射率（RI）范圍。
來自意大利巴勒莫大學(xué)化學(xué)與物理系研究所的科研人員，研究了在惡劣環(huán)境（高溫，高輻射劑量）下，溫度傳感器的光頻域反射（OFDR）響應(yīng)，并著重分析了光纖涂層對傳感器性能的影響。在各種類型涂料的制備過程中，熱處理和輻射處理不盡相同，這使得運用了多種涂料傳感器的溫度系數(shù)變化很�。ǎ�5%）�？蒲腥藛T實驗證明，光纖在進(jìn)行預(yù)熱處理時，一些涂層可達(dá)到其最大工作溫度，如高溫丙烯酸酯，其工作溫度高達(dá)150°C；如聚酰胺涂層，其工作溫度高達(dá)300°C等。該技術(shù)使傳感器的溫度系數(shù)保持穩(wěn)定，輻射對散射現(xiàn)象的影響將顯著降低，當(dāng)輻射量高達(dá)10 mGy時，溫度系數(shù)（CTS）當(dāng)波動范圍可保持在1%以內(nèi)�？蒲腥藛T認(rèn)為，永久輻射誘導(dǎo)衰減（RIA）法為溫度傳感器提供了寶貴的技術(shù)支持，使得其在惡劣的環(huán)境（氣溫高達(dá)300°C、電離輻射達(dá)到毫戈瑞水平）下，得以保證較高的空間分辨能力。
來自克蘭菲爾德大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院、諾丁漢大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的科研人員，提出了一種新型光纖傳感技術(shù)。該技術(shù)基于正弦光頻調(diào)制，使用了高成本效益的激光二極管，并將一組光纖應(yīng)變傳感器分布在光纖部分反射鏡之間，由此實現(xiàn)了干涉信號長距離傳輸?shù)倪^程�？蒲腥藛T將這種信號處理技術(shù)稱為光纖部分干涉（FSI）技術(shù)，并對其進(jìn)行了深入研究。
來自德國萊布尼茨光子技術(shù)研究所的科研人員指出，在通信和傳感器領(lǐng)域中，人們通常將單模光纖（SMF）中的光纖布拉格光柵（FBG）作為窄帶濾波器，目前這項技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。其實，在光譜應(yīng)用領(lǐng)域（例如拉曼光譜）中，光纖布拉格光柵（FBG）濾波器還可用于分離激光探測光，這使得拉曼探針得以簡化。為了實現(xiàn)這一功能，科研人員需要把樣品中的光收集到光纖中。然而，單模光纖（SMF）的光纖芯區(qū)較小，其光收集效率十分有限�？蒲腥藛T通過使用單模多芯光纖，在提高光收集效率的同時，保證了布拉格（FBG）濾波器的性能。實驗結(jié)果表明，在61芯光纖中，使用光纖布拉格光柵（FBG）濾波器，可使整個系統(tǒng)的光密度濾波效果提高1.5倍，傳輸損耗為-15dB�？蒲腥藛T通過模擬仿真，進(jìn)一步分析了光纖的幾何結(jié)構(gòu)和折射率分布對光柵性能的影響。仿真研究結(jié)果證明，相比于傳統(tǒng)的均勻光柵，將啁啾光柵應(yīng)用在多芯光纖中可使濾波性能大大提高。
來自德國萊布尼茨光子技術(shù)研究所光纖系的科研人員指出，在溫度高達(dá)500℃的范圍內(nèi)施加相應(yīng)的壓力，就能在偏振保持的特種光纖中制備布拉格光纖光柵。特種光纖中的I型光柵會在高溫退火工藝下再生。在第一個溫度的循環(huán)周期中，科研人員發(fā)現(xiàn)光纖在高溫下的雙折射率隨溫度的變化產(chǎn)生了明顯的滯后，但是在隨后的溫度循環(huán)中顯示了雙折射率對溫度的依賴性。與普通光纖相比，在室溫下這種光纖的雙折射率幾乎是普通光纖的兩倍，并且在低于和高于500℃的線性溫度下表現(xiàn)出很大的依賴性，但在兩個溫度之間具有不同的靈敏度。在該溫度下，科研人員對溫度和施加的軸向力進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示出傳感器元件的可再生和近似的線性響應(yīng)。使用2x2矩陣法可以同時測量溫度和縱向負(fù)載。相反，如果溫度高于500℃，光纖內(nèi)應(yīng)力施加的部分將會變得粘稠，從而導(dǎo)致光纖的粘彈性現(xiàn)象。在特種偏振保持光纖中，科研人員制造出了光纖布拉格光柵，然后對種子光柵逐步施加高達(dá)1000℃的溫度，接著施加緩慢的冷卻。在實驗期間，使用偏振分辨測量技術(shù)分別測量快軸和慢軸的光譜，并且通過分析慢軸和快軸中光纖布拉格光柵的光譜峰間距來確定光纖的雙折射率。在第一溫度循環(huán)期間，光纖的雙折射率具有與溫度相關(guān)的非線性和滯后性，結(jié)果與其他研究者熱應(yīng)力誘導(dǎo)PM光纖的實驗結(jié)果一致。非線性似乎與SAP轉(zhuǎn)變溫度的交叉點有關(guān)，而滯后可能歸因于應(yīng)力和應(yīng)變的減輕，所述應(yīng)力和應(yīng)變會在其制造過程中凝滯在光纖中。在退火過程之后，光纖顯示出了比之前幾乎加倍的雙折射率，并且在隨后的緩慢溫度循環(huán)中，科研人員發(fā)現(xiàn)雙折射率的溫度依賴性并沒有滯后。特種光纖的RFBG的應(yīng)變和溫度響應(yīng)的特征表明，在300℃和500℃之間，布拉格波長對溫度和壓力的響應(yīng)是近似線性的。
 
圖5 相關(guān)測量裝置圖