2017年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：電光調(diào)制技術(shù)，傳感器，激光器，光柵應(yīng)用，光子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
1.調(diào)制技術(shù)
    當(dāng)今社會對數(shù)據(jù)服務(wù)（如移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)）的需求正面臨爆炸性的增長，在此情形下需要對光通信傳輸系統(tǒng)的容量進行擴展以滿足容納更多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。作為高頻譜效率調(diào)制的有效技術(shù)，正交頻分復(fù)用（OFDM）具有很多應(yīng)用優(yōu)勢：例如對光纖色散的耐受性好、具有良好的子載波可擴展性和靈活性，以及能夠使用數(shù)字信號處理（DSP）算法，因此吸引了越來越多的研究人員對其進行應(yīng)用研究和探索。為了進一步改善頻譜效率，具有較小子載波間隔的非正交分頻復(fù)用（NOFDM）技術(shù)變?yōu)榱私�期的研究熱點。與相干系統(tǒng)相比，強度調(diào)制-直接檢測（IM/DD）光通信系統(tǒng)具有較低的成本和功耗，并且可以在無源光網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)互連中心和可見光通信中心進行部署。對于基于傅立葉變換的（FFT）的常規(guī)IM / DDNOFDM系統(tǒng)，由于子載波壓縮數(shù)據(jù)信號不能根據(jù)埃爾米特對稱性生成，所以只能借助于基于FFT的NOFDM系統(tǒng)對上變頻信號進行強度調(diào)制從而生成中頻信號。但是，生成的中頻信號不僅比基帶信號占用更多的帶寬，而且信號傳輸過程中還要求應(yīng)用具有較高帶寬的電器件和光器件。在以往的研究過程中，F(xiàn)FT可以用分?jǐn)?shù)哈特利變換（FrHT）代替以產(chǎn)生沒有埃爾米特對稱性的實值上變頻NOFDM信號�；�于FrHT具有更快的奈奎斯特采樣頻率，因此FTN-NOFDM技術(shù)可以應(yīng)用在IM/ DD光傳輸系統(tǒng)中，并且在該系統(tǒng)中帶寬壓縮因素α小于0.5 。FTN-NOFDM技術(shù)研究的關(guān)鍵問題是克服由窄子載波間隔引起的載波間干擾（ICI）現(xiàn)象。研究人員已經(jīng)提出使用迭代檢測（ID）算法來減少FTN-NOFDM系統(tǒng)內(nèi)的載波間干擾生成，但這對高壓縮帶寬不是非常有效。最大似然檢測（MLD）是一種廣泛應(yīng)用的檢測誤碼率（BER）性能的最優(yōu)算法，但它的弱點在于計算復(fù)雜度高且應(yīng)用成本也較高。同時考慮到在多級輸入輸出（MIMO）無線通信系統(tǒng)中，研究人員提出利用簡化QR和M算法（QRM-MLD）的方法來簡化MLD過程。如果M值相對較大，則QRM-MLD算法檢測BER的性能非常接近于MLD算法；因此可以考慮把NOFDM系統(tǒng)作為準(zhǔn)MIMO系統(tǒng)，QRM-MLD也成為有希望降低FTN-NOFDM系統(tǒng)ICI的算法。基于上述考慮，研究人員提出首先應(yīng)用QRM-MLD算法減少FTN-NOFDM系統(tǒng)中的ICI。QRM-MLD算法有比MLD算法更低的計算復(fù)雜度和更少的搜索路徑數(shù)。在實驗中，他們應(yīng)用QRM-MLD算法的FTN-NOFDM系統(tǒng)生成并發(fā)送了10Gbit /s的傳輸信號并在超過25公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）上進行了傳輸。相比于直流偏移OFDM（DCO-OFDM）系統(tǒng)，具有QRM-MLD算法的FTN-NOFDM系統(tǒng)可以節(jié)省20％帶寬，并在7％前向糾錯（FEC）限制下僅具有約2 dB的功率損失。犧牲接收功率靈敏度能夠得到窄的子載波間隔，但是也能顯著提高頻譜效率。應(yīng)用QRM-MLD算法還可以減少ICI造成的狹窄子載波間隔，并且QRM-MLD算法幾乎可以實現(xiàn)與MLD算法相同的性能，而且它的改善頻譜利用率的性能也比ID算法好很多。
    來自中國北京郵電大學(xué)的研究人員首次應(yīng)用QRM-MLD算法降低FTN-NOFDM系統(tǒng)的ICI。在實驗中，在超過25公里的SSMF上傳輸了應(yīng)用QRM-MLD算法的10Gbit/s FTN-NOFDM信號。在QRM-MLD算法的應(yīng)用下，相比于7％FEC限制下功率損耗約為2dB的DCO-OFDM系統(tǒng)，F(xiàn)TN-NOFDM 功率損失小于1dB并且節(jié)省了10％-20％帶寬。為了減少ICI，應(yīng)用QRM-MLD算法可以獲得與MLD算法幾乎相同的傳輸性能，并且QRM-MLD算法具有較低的計算復(fù)雜度。研究人員指明未來研究工作將重點將放在兩個方面：一是在發(fā)射機上產(chǎn)生具有較少ICI的FTN-NOFDM信號;二是進一步降低接收機的QRM-MLD算法計算復(fù)雜度�；�于FrHT的FTN-NOFDM系統(tǒng)測試框圖如圖1所示。
 
圖1 基于FrHT的FTN-NOFDM系統(tǒng)測試框圖

2.傳感器
使用強度調(diào)制和波長調(diào)制技術(shù)的光纖折射率（RI）傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域。相關(guān)研究工作是通過應(yīng)用法布里-珀羅干涉儀（FPI），傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）和增強型表面等離子體共振（SPR）傳感器來改進RI傳感器分辨率進行的。研究人員介紹了應(yīng)用微加工FPI技術(shù)提高RI傳感器的靈敏度和分辨率的方法，并說明預(yù)計將得到1×10-7 的折射靈敏度（RIU）。通過級聯(lián)環(huán)形諧振器和一個馬赫-曾德干涉儀，在Sagnac環(huán)中研究人員實現(xiàn)了測量較高分辨率RI的過程，并且達(dá)到1×10-8的 RIU值 。近年來，基于增強型表面等離子體共振TFBG RI傳感器的研究也引起了人們極大的關(guān)注。上述RI傳感器的分辨率通常限制在10-8 RIU，因此需要進一步改進。研究人員基于單核無芯單模光纖（SNCS）的結(jié)構(gòu)特點，通過在具有腔內(nèi)強度調(diào)制和感測技術(shù)的光纖環(huán)形激光器中組合多模光纖干涉儀（MMI）實現(xiàn)了高分辨率RI測量。在信噪比（SNR）從1.3349到1.3665變化的過程中，RI靈敏度測量最終結(jié)果為-4.98mW / RIU。研究人員還指出，RI傳感器系統(tǒng)分辨率可達(dá)到2×10-10 RIU，高于現(xiàn)有光纖RI傳感器的分辨率。上述傳感器系統(tǒng)也具有溫度自動補償功能。此外，通過實驗研究人員也分析了光纖激光傳感器的穩(wěn)定性和測量誤差。值得注意的是，RI傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測量高分辨率參數(shù)是因為系統(tǒng)應(yīng)用了光纖環(huán)形激光器和光學(xué)光纖MMI，并且該光纖環(huán)形激光器是基于SNCS結(jié)構(gòu)和能夠在腔內(nèi)采用應(yīng)用強度調(diào)制和感測技術(shù)。RI靈敏度從1.3349到1.3665的測量值為-4.98mW / RIU；相對強度靈敏度從1.3349到1.3544測量值為-196.1dB / RIU。此外，該傳感器的SNR值大于55d，分辨率為2×10-10 RIU。實驗還分析了溫度自我補償傳感器的特征和穩(wěn)定性。研究人員指出，上述傳感器在高分辨率RI測量中具有很大的應(yīng)用潛力，并且可廣泛應(yīng)用于高容量網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和遠(yuǎn)程檢測等諸方面。光纖激光傳感器的實驗裝置、FBG的反射光譜及SNCS的RI響應(yīng)特性圖如圖2所示。

   
圖2 （a）光纖激光傳感器的實驗裝置，（b）FBG的反射光譜和SNCS的RI響應(yīng)特性圖

3.激光器
最近，氮化鎵（GaN）發(fā)光二極管（LED）已被廣泛應(yīng)用于信息顯示領(lǐng)域（如標(biāo)牌和一般照明等），其原因是氮化鎵發(fā)光二極管能源效率高、使用壽命長和制造成本低。同時，考慮到市場對LED有著不斷增長的消費需求，LED照明系統(tǒng)的發(fā)光質(zhì)量也急需提高。但研究人員發(fā)現(xiàn)：氮化鎵發(fā)光二極管長時間使用后，光線的頻繁閃爍可能導(dǎo)致一些健康問題，包括頭痛和癲癇等。最近，相關(guān)研究報道了一款新穎的高性能無轉(zhuǎn)換過程LED驅(qū)動器，該LED采用功率恒定控制方案制備，不使用大功率和昂貴的電感器、短壽命的電解電容器（E-cap）和常規(guī)的LED驅(qū)動器，所以閃爍程度低。這個LED驅(qū)動器也有特殊的設(shè)計，例如配置中大量串聯(lián)LED，并且封裝形成的LED相關(guān)性能變化特性（例如正向電壓，波長和能量效率變化等）很小。雖然LED驅(qū)動器附加穩(wěn)壓電流源或平衡電阻可以在一定程度上簡化LED驅(qū)動電路的設(shè)計復(fù)雜度，是簡化后LED的可靠性低和封裝成本高使得該器件不能被廣泛應(yīng)用。為解決上述問題，研究人員提出應(yīng)用高壓LED（HVLED），其原因是高壓LED采用低電流運行模式，能夠大幅提高系統(tǒng)效率，并簡化設(shè)計流程。此外，根據(jù)相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)證明，HVLED應(yīng)用更可靠、封裝更緊湊和成本較低。 因此，HVLED的制備是LED驅(qū)動器實現(xiàn)均勻穩(wěn)定照明的一個有發(fā)展前景的候選兼容方案�；�于上述原因，研究人員設(shè)計了緊湊型的低閃爍照明系統(tǒng)，并采用均勻可靠的大功率HVLED實現(xiàn)單個無轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動程序驅(qū)動。在設(shè)計和制造中，應(yīng)用HVLED的研究方案同時也考慮了系統(tǒng)的適用性和兼容性，并會考慮了系統(tǒng)的光學(xué)特性和熱特性。一個由60個LED電池組成的實驗裝置附加一個無轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動器只顯示出15.2％-17％的低閃爍特性。因此，上述系統(tǒng)具有低閃爍、高光輸出功率和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，具有很大的照明應(yīng)用潛力。無轉(zhuǎn)換過程LED的照明系統(tǒng)示意圖如圖3所示。
 
圖3無轉(zhuǎn)換過程LED照明系統(tǒng)的示意圖

    由于發(fā)光二極管（LED）具有能源效率高、使用壽命長、顏色鮮明、可靠性高、環(huán)保、安全和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，所以被認(rèn)為是固態(tài)照明中最重要的光源之一；如果采用高精度封裝技術(shù)還可以保護LED并確保其使用壽命。同時，這項技術(shù)有助于提高照明系統(tǒng)的電氣，熱學(xué)和光學(xué)性能。作為新型的LED封裝技術(shù)，近年來芯片級封裝LED（CSP-LED）方式正在蓬勃發(fā)展。CSP-LED的核心面積和封裝面積比約為1:1.2到1:1.7，同時兼具體積小、外形小和材料成本低等優(yōu)點。通過高精度高密度封裝CSP-LED，可實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用所需的集成密度和輸出功率。然而，CSP-LED仍然面臨著光析出率（LEE）小于30%的問題。有限的LEE主要是由空氣和光轉(zhuǎn)換材料之間的平滑界面引起的。此外，光轉(zhuǎn)換層和空氣的折射率較大，也導(dǎo)致了臨界角小的缺點。入射到接口處的光只要超過臨界角，就會被全部反射回來；由于發(fā)生了全內(nèi)反射（TIR）過程，大量光被凝聚在硅樹脂層內(nèi)部（如圖4左側(cè)所示）將阻礙CSP-LED效率的提高。為克服TIR的影響并提高LED芯片可靠性，研究人員提出了幾種主要芯片型LED的設(shè)計和表面改進的方法。前者包括截頂?shù)菇鹱炙�（TIP）型LED設(shè)計，該方法能最大限度地提高頂面發(fā)射效率。后者將隨機表面紋理應(yīng)用于藍(lán)寶石襯底，氮化鎵（GaN）表面和側(cè)壁，該方法具有易于實現(xiàn)和可塑性強的優(yōu)點。如果在發(fā)射端頂部放置微球陣列光學(xué)衍射元件(如微金字塔，橢圓形納米粒子和納米線陣列),可以滿足均勻分布在頂面上衍射元件的需求。實際中，絕大多數(shù)方法需要復(fù)雜步驟，包括但不限于薄膜沉積、光刻、自組裝和干蝕刻或濕蝕刻等方法。這些額外的處理步驟增加了時間和成本耗費�？朔�封裝LED的LEE問題，另一種經(jīng)濟有效的方法是在封裝材料的頂部添加微結(jié)構(gòu)，用以破壞空氣與封裝材料之間的平滑界面。與平頂表面相比，入射光在到達(dá)頂表面時能讓入射角減小，并且只有入射角小于臨界角時光線才能通過，如圖4右圖所示。研究人員基于蒙特卡洛射線追蹤方法進行了仿真研究工作，他們采用納米壓印技術(shù)、激光圖案和光刻技術(shù)等微觀制造方法來設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)。然而上述方法的實現(xiàn)仍需要在激光或真空條件下操作，導(dǎo)致了系統(tǒng)成本的大幅增加。因此，對于高性能的CSP-LED封裝工藝，高效率和經(jīng)濟型的改進LEE設(shè)計過程非常必要。研究人員結(jié)合蒙特卡洛仿真和納米壓印方式，并通過模具沖壓來擴展上述研究的應(yīng)用可能性，并設(shè)計三維結(jié)構(gòu)以充分解決TIR誘導(dǎo)下的CSP-LED低LEE問題。研究人員結(jié)合設(shè)計過程模擬分析了金字塔及平頂金字塔的實現(xiàn)方式，并對緊密和交錯型棋盤式布局結(jié)構(gòu)進行了探索研究。研究人員使用濕蝕刻和納米壓印技術(shù)制備了能達(dá)到最佳性能的布局結(jié)構(gòu)：金字塔結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，表面圖案化的CSP-LED（SPCSP-LED）顯示了LEE得到有效增強，其中表現(xiàn)最好的是SPCSP-LED，它的表面優(yōu)化率提高了20.31%。研究人員設(shè)計的金字塔和平頂金字塔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

 
圖4 TIR和表面圖案化作用下的光轉(zhuǎn)換過程示意圖

 
圖5 （a）金字塔 （b）平頂金字塔
 
     
4.光柵應(yīng)用
    同時測量應(yīng)變和溫度或者同時測量溫度和環(huán)境折射率（SRI）是石油開采、航天航空、生化工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和生命科學(xué)領(lǐng)域中的一個重要研究課題。光纖布拉格光柵（FBG）由于其優(yōu)異的特性，被廣泛應(yīng)用于含多種物理參數(shù)測量的傳感器中。然而，由于光纖布拉格光柵可對同一時刻多個物理參數(shù)產(chǎn)生響應(yīng)，從而具有較大的交叉敏感性。研究人員據(jù)此提出了許多有效方法來區(qū)分應(yīng)變、溫度和環(huán)境折射率的傳感過程。但是，同時測量應(yīng)變、溫度和SRI的變化依然面臨巨大挑戰(zhàn)。為解決上述問題，研究人員提出應(yīng)用基于光子晶體光纖（PCF）制備光纖布拉格光柵（FBG）監(jiān)測多模共振的技術(shù)來同時辨別多參數(shù)；但光纖中不同包層模的溫度響應(yīng)差會導(dǎo)致應(yīng)變測量的不確定性。此外，研究者還提出了一種基于蝕刻芯FBG的方法，通過使用非對稱非絕熱錐度模式來激發(fā)具有不同響應(yīng)的三種階次模式的應(yīng)用，但實際應(yīng)用中，7μm細(xì)直徑的錐度非常脆弱。研究人員通過檢測包層模式、芯模式和虛擬共振效應(yīng)，提出了一種傾斜式光纖布拉格光柵（TFBG）設(shè)計方法，但其測試最大誤差卻達(dá)到10.6%，溫度差值達(dá)到14%。因此，研究人員提出了一種使用飛秒激光在雙模光纖（DMF）中刻蝕FBG以實現(xiàn)同時測量應(yīng)變、溫度和SRI的方法。上述光纖布拉格光柵（FBG）在應(yīng)用過程中會對應(yīng)變、溫度以及SRI產(chǎn)生不同的響應(yīng)變化，通過測量布拉格共振波長和包層模式共振的歸一化面積可以同時判別和區(qū)別不同參數(shù)的變化。使用飛秒激光在雙模光纖中刻蝕的顯微圖像如圖6所示。
 
圖6 飛秒激光在雙模光纖中刻蝕FBG的顯微圖像

5.光子系統(tǒng)
    量子密鑰分配（QKD）方法允許兩個相距較遠(yuǎn)的終端共享密碼密鑰序列以建立絕對安全的通信過程。該方法主要依賴于穩(wěn)定和高效的量子比特編碼過程實現(xiàn)。例如，基于高速光纖QKD的實際應(yīng)用需要在長距離光纖中進行穩(wěn)定和高速的單光子相位或偏振編碼。為了實現(xiàn)長距離光纖通信的傳輸穩(wěn)定性，相位調(diào)制通常采用馬赫曾德爾干涉（MZ）過程并對其進行有源相位調(diào)制來實現(xiàn)；偏振編碼過程則需要單光子偏振反饋控制的實施以消除不可避免的環(huán)境干擾引起的隨機偏振現(xiàn)象。在基于MZI的相位編碼QKD方案中，長距離光纖通信過程中的隨機偏振變化需要精確補償，以避免導(dǎo)致任何可能的偏振相關(guān)相位調(diào)制效應(yīng)。研究人員通過雙向相位調(diào)制，實現(xiàn)了 “即插即用”協(xié)議中的自動偏振補償過程。由于該過程中使用了法拉第鏡，單光子脈沖的偏振會發(fā)生跳變交替現(xiàn)象，因此單光子脈沖使得量子編碼（相位調(diào)制）在未經(jīng)任何反饋控制的情況下馬赫曾德爾干涉過程能夠保持必要的穩(wěn)健性。由于上述系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和簡單易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，因此為低成本實用QKD系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個很好的選擇方案。相關(guān)密鑰通過在實際 “即插即用”的QKD系統(tǒng)中監(jiān)測脈沖強度來檢測以避免遭受特洛伊木馬的攻擊。然而，與法拉第鏡相連的實際相位調(diào)制器對相位調(diào)制過程設(shè)置了應(yīng)用限制；而單光子量子編碼需要對任何時刻光子脈沖的所有偏振狀態(tài)進行相等的相位調(diào)制。實際上，通過對法拉第反射鏡反射前后的往返時間脈沖還需相位調(diào)節(jié)來實現(xiàn)完美的偏振無關(guān)相位調(diào)制過程。同時，法拉第反射鏡中順序時間段內(nèi)脈沖的反射過程還可能導(dǎo)致交叉相位調(diào)制負(fù)面效應(yīng)。因此，與法拉第鏡相連的相位調(diào)制器的實際長度限制了量子編碼速度。另一方面，研究人員也指出采用時分單光子Sagnac干涉儀可以實現(xiàn)QKD。有趣的是，研究人員將Sagnac干涉儀設(shè)置為“即插即用”模式后可獲得更好的頻率性能、QBER和穩(wěn)定性。研究人員將Sagnac干涉儀放置在測試系統(tǒng)中，并使用兩個相位調(diào)制器來實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)，避免由反射光學(xué)結(jié)構(gòu)引起的相關(guān)限制，從而可達(dá)到較高的工作頻率。除此之外，上述方法還能使調(diào)制過程更容易和更精確。研究結(jié)果表明，上述方案允許通過安置在Sagnac環(huán)中的附加強度調(diào)制器以獲得誘最優(yōu)調(diào)制過程，相關(guān)方案圖如圖7（a）所示（PMA1和PMA2的時間調(diào)節(jié)過程如圖7（b）所示）。
   
圖7（a）基于短程保偏Sagnac環(huán)的偏振復(fù)用相位調(diào)制方案（b）PMA1和PMA2的時間調(diào)節(jié)過程