光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平 周越
2018年1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，筆者將逐一評析。

光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
來自土耳其伊斯坦布爾科克大學物理系微光學研究實驗室的科研人員演示了一種在90°彈性光散射過程中同時實現(xiàn)橫向磁場（TM）和橫向電場（TE）極化的IB型金剛石（氮雜質(zhì)＞5 ppm）微球模式諧振器，其工作波長范圍介于1426.10 nm和1427.42 nm之間（其中測量的最高Q因子值為104，模式間距為0.332nm。 科研人員基于單模光纖石英半耦合器還實現(xiàn)了對連續(xù)光波（CW）可調(diào)紅外激光器與金剛石微球的耦合過程。通過實驗研究證明：利用鉆石內(nèi)存在的氮空位中心，該類型諧振器可以在制備穩(wěn)定光學頻率梳產(chǎn)生器或激光微腔方面得到有效應用。


圖1.基于金剛石微球體進行彈性散射測量的實驗裝置

來自澳大利亞維多利亞州克萊頓莫納什大學電子與計算機系統(tǒng)工程系電光子交換研究中心的科研人員設計了一種新方法以在微波光子系統(tǒng)中實現(xiàn)高帶寬RF分配，該方法同時支持兩輸出信號之間實現(xiàn)一定程度的幅度調(diào)節(jié)和相位偏移（如下圖2所示）。另外，該方法的實現(xiàn)過程簡單且具有簡單可行的系統(tǒng)配置架構�？蒲腥藛T在實驗演示過程中實現(xiàn)了5-20GHz瞬時RF頻帶的調(diào)整過程。


圖2.相關等效系統(tǒng)功能圖

來自澳大利亞堪培拉大學和新南威爾士大學信息工程技術學院的科研人員提出：抗超高溫的陶瓷材料可被廣泛應用于超聲速飛行器、核反應堆以及極端條件下運行的相關應用系統(tǒng)中。他們采用硼化鋯（ZrB12）（一種超高溫難熔陶瓷材料，其熔點高達3000℃以上）進行測試，得出其激光損傷閾值為132mJ / cm2（高于許多通常用作飽和吸收體的材料）；上述特性使其適用于高功率激光系統(tǒng)的應用�？蒲腥藛T同時指明：ZrB12也可用作摻鐿調(diào)Q光纖激光器中的飽和吸收體以生成239-2600納秒的光脈沖。
來自英國班戈大學電子工程學院的科研人員首次針對波分復用無源光網(wǎng)絡（WDM-PON）研究出基于直接調(diào)制無色弱諧振腔法布里-珀羅激光二極管（WRC-FPLD）的發(fā)射機。該發(fā)射機利用光增益飽和反射半導體光放大器（RSOA）引起的反饋效應制備（并且不受外部光信號注入的影響）�？蒲腥藛T實驗分析了不同結(jié)構類型RSOA反饋動態(tài)機制對直接調(diào)制輸出光信號的影響和相應的無色傳輸光信號的性能。實驗研究結(jié)果表明：該發(fā)射機生成的相干光源提供了高達65nm的輸出波長可調(diào)范圍并可實現(xiàn)大于37dB的邊模抑制比（SMSR）。在強度調(diào)制和直接檢測WDM-PON系統(tǒng)中（包含25公里的普通單模光纖），科研人員實驗實現(xiàn)了在35nm波長可調(diào)范圍內(nèi)7.5Gb/s直接調(diào)制光正交頻分復用信號的無色傳輸過程；在誤比特率為2.3×10-3的情況下，該系統(tǒng)的接收機靈敏度較高。


無源和有源光子器件
來自美國俄亥俄州克利夫蘭市國家航空航天局（NASA）研究中心的科研人員設計、裝配和測試了一種小巧便攜的動態(tài)光散射（DLS）器（基于光纖制備），其中采用的光纖成像探頭配置如圖3所示。該器件集成了最新的固態(tài)光纖制備技術，可用于研究活體動物眼中的流體和組織（例如眼角膜和視網(wǎng)膜中的流體和組織）。


圖3.光纖成像探頭配置

來自四川電力公司和中國國家電網(wǎng)公司的科研人員設計了基于色散誘導機制的單邊帶微波光子濾波器（MPF）和頻率廣泛可調(diào)的光電子振蕩器（OEO）。科研人員通過采用寬帶光源、雙輸出馬赫增德爾調(diào)制器（1×2 MZM）和線性啁啾分布的光纖布拉格光柵對MPF進行了實際應用測試�？蒲腥藛T實驗發(fā)現(xiàn)：通過調(diào)整1×2 MZM中雙輸出光纖長度的差值可將MPF集成到光域雙環(huán)OEO中以調(diào)整其振蕩工作頻率�？蒲腥藛T還通過理論分析和實驗驗證了其中微波信號的可調(diào)頻率范圍在4.078-13.05GHz之間。
來自同濟大學電子科學與工程系的科研人員研究了具有任意功率和相位分布的雙芯光纖參量放大器。基于旋波近似普遍型泵浦方案，科研人員推導了一個完備的解析分析模型（假設該模型在較強的耦合下是有效的）。科研人員證明：其中的參數(shù)增益并不依賴于雙芯光纖放大器中纖芯之間的耦合強度（尤其是在強耦合狀態(tài)下）。通過分析該模型和觀察測試結(jié)果，他們還證明：上述研究過程可為雙芯光纖參量放大器的設計和性能評估提供有效分析。

來自芬蘭坦佩雷坦佩雷理工大學光電研究中心的科研人員設計了工作波長為780nm的窄線寬邊緣發(fā)射型分布反射（DFB）式激光器（該激光器不使用紫外納米印刷表面光柵進行再生長制備）。其中，三階橫向耦合的脊形波導表面光柵可實現(xiàn)單模操作，并具備優(yōu)異的光譜純度（40-55 dB的邊模抑制比和10 kHz線寬），可在連續(xù)光波運行過程中實現(xiàn)良好的光電流-電壓工作特性（大約112 mA閾值電流，1.55V開路電壓，以及在300mA電流下實現(xiàn)28.9mW輸出功率）。上述性能在各類實際應用中體現(xiàn)其可行性（例如在銣光譜和原子鐘泵浦的應用中）。該類激光器具備的制造成本低、產(chǎn)量高、結(jié)構靈活、器件成品率高的特性與大規(guī)模實際批量生產(chǎn)及應用完全兼容。
來自臺灣臺南成功大學電氣工程系微電子研究所高級光電技術研究中心的科研人員基于射頻磁控管濺射沉積氧化鎂鋅（MgZnO）制備了一種薄膜晶體管（TFT）�？蒲腥藛T通過原子層沉積法將氧化鋁用作MgZnO TFT中的柵極絕緣層，并指出具有Al2O3絕緣體的MgZnO TFT具有7.73cm 2/Vs的遷移率，4.2V的閾值電壓和0.29V/decade的亞閾值�？蒲腥藛T證明：與以前已報道的類似研究方案相比，目前的開關效率提高了近兩個數(shù)量級。

光傳輸
來自武漢華中科技大學光電國家實驗室的科研人員設計了一種基于固態(tài)碰撞電離倍增器（SIM）的量子通信相干接收機。在新提出的相干接收機系統(tǒng)中，平衡光電探測器（BPD）作為電流源連接到SIM中。科研人員發(fā)現(xiàn)，來自BPD的信號饋送到SIM中經(jīng)過與雪崩光電二極管類似的雪崩過程放大后，可以饋送到互阻抗放大器中用于電壓的讀出。與傳統(tǒng)相干增益相干接收機相比，新型相干接收機的信號增益是由本地振蕩器（LO）產(chǎn)生的相干增益和SIM產(chǎn)生的雪崩增益兩部分組成，因此通過減少LO功率可有效避免BPD的飽和增益影響。實驗研究結(jié)果還表明，上述新型接收機通過優(yōu)化相干接收機的配置和重新設計SIM的幾何結(jié)構，可支持更高帶寬范圍內(nèi)量子通信的過程。
來自西澳大學物理與天體學院和國際射電天文研究中心的科研人員通過獨立、穩(wěn)定的微波頻率有效區(qū)分了兩類光信號，并證明了光纖鏈路上光信號和微波信號可實現(xiàn)同時傳輸。該系統(tǒng)可在傳統(tǒng)的穩(wěn)定光傳輸網(wǎng)絡上應用，并且不會降低光信號的收發(fā)有效性，還能增加目前和未來大規(guī)模光傳輸網(wǎng)絡的可應用范圍。在30公里的光纖鏈路上，193 THz光載波的傳輸工作頻率穩(wěn)定度為4.9×10-5Hz，10.02 GHz微波信號的傳輸工作頻率穩(wěn)定度為1.3×10-4Hz。

光調(diào)制與光信號處理
來自墨西哥薩拉曼卡瓜納華托大學伊拉普阿托-薩拉曼卡校區(qū)的科研人員設計了用于測量液體折射率的新型全光纖多模干涉儀；該干涉儀是采用電弧熔接標準單模光纖技術制備的，實驗證明其最大折射靈敏度為112 dB / RIU，熱效應強度變化最小達-10.7×10-3 dB /°C。實驗研究表明，對于強度調(diào)制和相位調(diào)制過程可以分別實現(xiàn)大約0.05×10 -6 RIU /℃和0.9×10 -6 RIU /℃的交叉敏感度值�？蒲腥藛T還進行了穩(wěn)定性分析，研究結(jié)果顯示當溫度和折射率恒定時，波長和功率變化的最小值分別為0.01nm和0.27dB�？蒲腥藛T表示，探索空間頻率分析過程可以作為測量液體折射率（以避免熱效應影響）的替代方法。
來自德國德累斯頓工業(yè)大學電路與網(wǎng)絡設計系的科研人員設計和研究了一種具有1.4dB光調(diào)制幅度、42Gb/s的新型垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）驅(qū)動器�？蒲腥藛T為保持較低功耗，沒有使用均衡器的實現(xiàn)了較高速率信號的輸出過程�？蒲腥藛T還基于串聯(lián)分流峰化技術優(yōu)化降低了激光器輸入端的群延遲變化過程。他們進一步指出：無數(shù)據(jù)傳輸時，可以禁用發(fā)射機電路，以節(jié)省全速率工作過程中所需的50%功率，且可實現(xiàn)不到10納秒的全速率工作模式。該驅(qū)動器芯片采用14nm互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術制備而成，并連接到20GHz共陰極VCSEL中進行了測試。測試結(jié)果表明，當數(shù)據(jù)傳輸速率高達42 Gb/s時信號接收誤碼率低于10-12（包括VCSEL在內(nèi)的系統(tǒng)總功耗為81.5 mW，功率效率為1.94 pJ/b）�？蒲腥藛T認為，這是目前適用于突發(fā)模式工作的基于CMOS工藝制備最快VCSEL驅(qū)動器。
來自希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學信息學系的科研人員展示了2.6ns / mm2片上延遲型集成絕緣硅（SOI）螺旋波導，該器件在10 Gb/s光分組傳輸過程中可實現(xiàn)可變光延遲緩沖和光時隙交換交換。該類微型SOI芯片包含了三個不同長度的集成波導延遲元件，分別支持6.5、11.3和17.2ns的可變延遲過程�？蒲腥藛T采用兩個半導體光放大器、馬赫增德爾干涉儀波長轉(zhuǎn)換器和片上分組延遲成功實現(xiàn)了6.5-17.2ns無誤碼片上可變延遲緩沖過程以及10Gb/s光分組信息的時隙交換過程。
來自阿拉伯聯(lián)合酋長國阿布扎比大學電氣和計算工程系的科研人員提出了一種基于非線性石墨烯分層介質(zhì)對兩個強光波進行太赫茲（THz）波放大的新方案。其工作原理是通過精確設計介質(zhì)色散效應、石墨烯非線性響應和光頻率間隔來生成后向傳播的太赫茲波。生成的太赫茲波又與共同傳播的光波相互作用，實現(xiàn)能量交換。實驗研究結(jié)果表明：通過配置適當?shù)膫鞑ラL度，可以實現(xiàn)一定光參量條件下大THz增益的轉(zhuǎn)換過程（相關數(shù)值研究顯示，在適當光輸入強度下幾厘米的傳播長度可以轉(zhuǎn)化實現(xiàn)50dB的THz增益）。上述方案是簡單易調(diào)諧并可在室溫下應用。
來自復旦大學國家重點實驗室的科研人員設計了兩種新型技術來抑制直接調(diào)制激光驅(qū)動器中高速信號反射的影響。第一種技術利用主動反向端（ABT）技術吸收來自阻抗失配的反射能量；第二種技術則是采用電容耦合預加重（CCPE）方法來消除瞬態(tài)過沖過程。科研人員為了評估并驗證上述兩種技術的可行性，采用了標準65納米工藝來設計和制備了兩類25Gb/s CMOS激光驅(qū)動器。實驗研究結(jié)果證明：兩類驅(qū)動器工作后都可以生成清晰的光學眼圖，收發(fā)光信號消光比大于4 dB（在啟用ABT或CCPE技術時，收發(fā)光信號的抖動性能也得以明顯改善）。

光纖技術
國防科技大學海洋科學與工程學院的科研人員通過實驗重現(xiàn)了光纖中FPU的分布式測量過程（科研人員把具有弱調(diào)制的方形脈沖注入到單模光纖中以重現(xiàn)FPU）�？蒲腥藛T通過記錄各種邊帶的瑞利背散射過程數(shù)據(jù)以測量功率振動效應。他們還采用數(shù)值模擬和回歸方法驗證了上述分布式方法的可行性。與傳統(tǒng)的回歸法相比，該類分布式方法具有測量時間短、成本耗費低、重復性好等顯著優(yōu)點�？蒲腥藛T還進一步說明了該類分布式方法在測量光纖中的其它非線性效應方面也有很大的應用潛力。
來自天津工業(yè)大學電子與信息工程學院和天津市光電檢測技術重點實驗室的科研人員設計并實驗驗證了一種新型光纖折射（RI）傳感器，該類傳感器是通過光纖布拉格光柵（FBG）級聯(lián)制備的小型纖維傳感器。科研人員指出：通過激發(fā)和重新耦合包層�？缮�成對周圍折射率敏感的光纖模間干涉。通過FBG的反射過程，科研人員監(jiān)測了反射式FBG光譜的峰值功率變化以測量RI值。 實驗研究結(jié)果表明，傳感器的RI靈敏度在1.3330-1.3988的范圍內(nèi)達到366.69 dB / RIU且其具有溫度不敏感特性（在30°C-70°C的溫度范圍內(nèi)，對應的RI測量誤差約為3.136×10-5 RIU /°C）。
來自墨西哥國立自治大學工程學院的科研人員提出了多芯光纖（MCF）芯間串擾的數(shù)值分析方法，此方法是基于受激拉曼散射（SRS）和四波混頻（FWM）過程進行非線性分析的新型理論方案（考慮隨機擾動情況）�？蒲腥藛T推導的耦合傳播方程可用來數(shù)值分析具有同質(zhì)和異質(zhì)核心的波分復用系統(tǒng)。采用10個200GHz間隔的光信道傳輸實驗（信號沿10公里均勻雙芯光纖傳輸）表明，目前設計的方案將為未來多通道MCF系統(tǒng)的應用提供技術指導。
來自西班牙潘普洛納納瓦拉公立大學電氣與電子工程系的科研人員研究并制備了基于長周期光柵（LPG）和微球串聯(lián)的新型器件，該器件除了支持信號耦合到包層的模式過程之外還兼具干涉儀的作用。科研人員提出：該類新器件可用于同時測量應變和溫度兩種特性，并在采取適當數(shù)據(jù)處理算法后可實現(xiàn)溫度補償應變傳感器的制備（其中采用的算法是利用兩個不同波長長度來測量應變和溫度）。
來自美國加利福尼亞州帕洛阿爾托惠普實驗室的科研人員研究了硅片上晶圓鍵合量子點激光器的振幅噪聲�？蒲腥藛T實驗研究證明：在三個最高功率工作通道中，室溫環(huán)境中連續(xù)電流注入下可實現(xiàn)無差錯操作，收發(fā)的信號具有11.5dB或更大的信噪比；該激光器可作為下一代數(shù)據(jù)中心中百萬兆級計算機間互連的光學引擎。
來自美國伊利諾伊大學電子與計算工程系光子系統(tǒng)實驗室的科研人員闡述了基于本征模式拓展和傳輸矩陣理論來快速設計和優(yōu)化光子納米噴射（PNJ）的應用方案�？蒲腥藛T系統(tǒng)研究了超窄光束的實現(xiàn)方法，并基于不同本征模的線性組合過程引導和移動了PNJ熱點位置。該技術支持復雜光束形狀設計的特性使得其在許多應用場合中具有顯著吸引力（包括檢測位于細胞深處的納米顆粒、超分辨率成像和光刻應用）。
由于其固有的應變敏感性，分布反饋式光纖激光傳感器（DFBFL）在過去十年中一直是科研人員研究的熱門主題，并且其中的應變及靈敏度特性在最近幾年的發(fā)展中取得了重大進展。因此，科研人員分析了DFBFL器件的實際應用性能，概述了波分復用DFBFL傳感器系統(tǒng)的基本工作原理。
來自上海固體激光應用重點實驗室和中國科學院上海光學精密機械研究所的科研人員研制了在1000-1099 nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的Yb摻雜線性極化光纖環(huán)形激光器，并在1000-1025 nm的短波長范圍內(nèi)研究了其放大性能（其工作原理如下圖4所示）。科研人員通過實驗證明：采用全光纖單模偏振保持主振蕩器和功率放大器可實現(xiàn)波長分別在1010-1090 nm范圍內(nèi)超過10W的輸出和波長在1014-1080 nm范圍內(nèi)超過30W的輸出。在波長小于1020nm時，插入帶通濾波器可抑制自發(fā)輻射影響。


圖4.可調(diào)諧光纖激光器的工作原理

來自杭州中國計量學院光電技術學院的科研人員將基于單模-單芯-單模光纖夾層結(jié)構制備的光纖通過馬赫增德爾干涉儀插入到環(huán)形腔內(nèi)，制備了一種新型激光彎曲傳感器（如下圖5所示）。該傳感器對溫度變化不敏感，且支持約為0.61dBm的輸出光強度和高達63dB的光信噪比，同時具備約0.01nm的窄光譜寬度和1.04nm/m-1的良好彎曲靈敏度。


圖5.基于光纖環(huán)形腔的彎曲傳感器配置