光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平 
  2018年2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)、無源及有源光子器件、光傳輸、光調(diào)制與光信號(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
來自韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究所的科研人員發(fā)現(xiàn)，隨著災(zāi)害發(fā)生的頻率和損害嚴(yán)重程度越來越高，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商越來越關(guān)心如何為光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供災(zāi)難恢復(fù)措施，如果僅通過增加網(wǎng)絡(luò)器件冗余配置來減輕網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷的可能性，空間效率低下且成本高昂。隨著科技的進(jìn)步，無線技術(shù)是潛在的高效多樣化候選解決方案。科研人員討論分析了具有抗災(zāi)能力的無線鏈路增強(qiáng)型光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方案。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)尋找光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中鏈路子集的優(yōu)化模型，通過無線鏈路增強(qiáng)配置最大限度地提高了給定預(yù)算成本下確保整體網(wǎng)絡(luò)可用性的災(zāi)后恢復(fù)能力。為降低最優(yōu)設(shè)計(jì)解的計(jì)算復(fù)雜度，科研人員提出了一種新型啟發(fā)式算法，即通過對(duì)兩種搜索算法（詳盡的枚舉搜索和簡(jiǎn)單的啟發(fā)式搜索)性能對(duì)比驗(yàn)證了啟發(fā)式算法具有更高的效率和可擴(kuò)展性。

無源及有源光子器件
來自西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，研究了采用表面氮化鎵（GaN）納米結(jié)構(gòu)為光阱的銦氮化稼（InGaN ）多量子阱（MQWs）太陽(yáng)能電池的應(yīng)用性能。從外量子效率（EQE）和光致發(fā)光光譜的測(cè)量結(jié)果來看，光電響應(yīng)的增強(qiáng)有助于器件的應(yīng)用性能改善。由于有效的光吸收效應(yīng)增加，轉(zhuǎn)換效率從1.02％（平面）顯著提高到2.235％（納米孔表面）。雖然性能提升有限，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過在InGaN/GaN的MQWs單元表面引入納米結(jié)構(gòu)是提高轉(zhuǎn)換效率的一種有效方法。
來自加拿大渥太華大學(xué)物理系的科研人員，提出并演示了在雙核As2Se3聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）錐上測(cè)量高靈敏度溫度和應(yīng)變的方法。結(jié)合PMMA包層的熱膨脹系數(shù)、微米直徑As2Se3芯的尺度以及As2Se3和PMMA的折射率之間的巨大差異，科研人員實(shí)現(xiàn)了較高靈敏度的測(cè)量過程。在雙芯光纖中科研人員通過測(cè)量主偏振軸透射光譜獲得了115pm/℃和4.21pm /με的較高靈敏度，通過測(cè)量第二偏振軸獲得了35.5pm/℃和3.16pm /με的高靈敏度。由于As2Se3和PMMA熱膨脹系數(shù)之間的數(shù)量級(jí)差異，導(dǎo)致PMMA包層對(duì)As2Se3芯形成熱感應(yīng)擠壓，從而完成了主偏振軸溫度、應(yīng)變及靈敏度之間的解相關(guān)過程，使得該方案能夠同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變的變化，其中溫度和應(yīng)變不確定度分別為0.15°C和1.87με。
來自荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)光電子器件研究所的科研人員發(fā)現(xiàn)，具有高（大于99％）轉(zhuǎn)換效率的集成偏振轉(zhuǎn)換器（PC），在基于磷化銦（InP）的光子集成電路領(lǐng)域?qū)⒋嬖谛碌膽?yīng)用可行性�？蒲腥藛T描述了如何將PC添加到包含半導(dǎo)體光放大器（SOA）的電路中實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)的放大過程（科研人員通過將PC置于兩個(gè)相同SOA之間來獲得極化獨(dú)立性）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在設(shè)計(jì)和制造兩方面進(jìn)行折衷考慮（當(dāng)使用兩個(gè)PC時(shí)，極化轉(zhuǎn)換效率高于99.5％，轉(zhuǎn)換器引起的額外插入損耗低于0.5dB），同時(shí)包含PC、SOA的偏振相關(guān)增益（PDG）從17dB降低到僅0.3dB。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果證明：上述測(cè)試值與使用其它技術(shù)找到的最佳PDG值相當(dāng)；且在整個(gè)C波段和變化的泵電流下可實(shí)現(xiàn)PDG的有效降低。偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1. 偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖
來自愛爾蘭都柏林皇家三一學(xué)院電子電氣工程系的科研人員研究了基于硅（Si）微結(jié)構(gòu)的一維光子晶體（1D PC）復(fù)合材料的光譜。該復(fù)合光子晶體基于Si空氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由兩個(gè)具有不同晶格常數(shù)的周期性一維PC組成。其中，PC使用光刻法制備然后進(jìn)行Si的各向異性化學(xué)蝕刻�？蒲腥藛T結(jié)合使用了基于紅外顯微模式工作的傅立葉變換紅外（FTIR）光譜儀測(cè)量了該結(jié)構(gòu)的反射和透射光譜。科研人員測(cè)量獲得的透射光譜顯示出擴(kuò)展的光子阻帶（SB）之間的特征透射帶。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：擴(kuò)展SB的位置不取決于復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)個(gè)體PC的順序；一般而言，復(fù)合結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布與各個(gè)PC組件的電場(chǎng)分布相似。
來自英國(guó)劍橋大學(xué)電子工程系光電系統(tǒng)研究中心的科研人員，通過藍(lán)色微型二極管（μLED），雪崩光電二極管（APD）接收器在單波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)了PAM-32信號(hào)的調(diào)制生成方案，并在單根10m 低損耗階躍型塑料光纖（SI-POF）上實(shí)現(xiàn)了10 Gb /s的雙向數(shù)據(jù)傳輸。10 Gb/s LED-POF通信鏈路的建立包含雙向配置過程，該配置使總體通信容量翻了一番,其中使用的APD由于與PIN光電二極管相比性價(jià)比更高，因此可提供更高的鏈路功率預(yù)算。此外，該方案提供的高頻譜效率以及均衡技術(shù)，能夠充分利用鏈路帶寬，并且其中的光信號(hào)傳輸速率高于傳統(tǒng)開關(guān)鍵控光信號(hào)的傳輸速率。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述方案的可行性，并且在雙向傳輸過程中，該方案同時(shí)實(shí)現(xiàn)了5Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸，接受信號(hào)的誤碼率（BER）小于10-3（兩個(gè)傳輸方向之間的串?dāng)_代價(jià)小于0.5dB）。

光傳輸
來自瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)研究所的科研人員，為了研究波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中波長(zhǎng)信道的通信容量，對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)上的傳輸信號(hào)建立了統(tǒng)計(jì)分析模型（例如，假設(shè)所有波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)都是彼此獨(dú)立配置的，并且這些發(fā)射機(jī)具有相同的信號(hào)功率或者使用相同的調(diào)制格式）。研究結(jié)果表明：該模型的建立對(duì)單波長(zhǎng)信息傳輸速率的配置有著深遠(yuǎn)的影響；基于此科研人員在建模分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了最大速率的波分復(fù)用系統(tǒng)配置。
來自臺(tái)灣臺(tái)中國(guó)立勤益科技大學(xué)電子工程系的科研人員，設(shè)計(jì)了一種新型具有高靈敏度和高分辨率的局域表面等離子體共振（LSPR）生化傳感器，如圖2所示。該傳感器依據(jù)不同的功能分成了兩個(gè)子組件，即單模光纖和金屬陣列。位于傳感器左側(cè)和右側(cè)的單模光纖用來輸入和輸出光信號(hào)。包含圓柱形納米金屬顆粒排列的金屬陣列用作傳感器的檢測(cè)區(qū)域。為有效降低存儲(chǔ)器容量和計(jì)算時(shí)間，科研人員提出了兩種創(chuàng)新技術(shù)（即對(duì)象網(wǎng)格劃分和邊界網(wǎng)格劃分）能與有限元方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)分析過程（即以三角形元素的面積為基礎(chǔ)，以1：8：160：1600的比例對(duì)物體邊界、小物體、中等物體和大物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分）�；�于改進(jìn)的數(shù)值模擬方法和六個(gè)設(shè)計(jì)程序科研人員開發(fā)和分析了LSPR生化傳感器。研究結(jié)果表明，新型LSPR生化傳感器的性能優(yōu)于目前兩款商用高性能生化傳感器，并具有長(zhǎng)度較短（約430μm）、分辨率高（約-120dB）和靈敏度高（約127604nm/RIU）等潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖2. 傳感器的三維結(jié)構(gòu)圖像

光調(diào)制與光信號(hào)處理
來自愛爾蘭都柏林城市大學(xué)無線電和光通信實(shí)驗(yàn)室的科研人員演示了一個(gè)100Gb/s短距離信號(hào)傳輸系統(tǒng)，并使用了基于增益切換單片集成激光器的多載波發(fā)射機(jī)。其中，具有12.5GHz自由光譜范圍的光梳源是通過增益切換集成無源反饋激光器來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)中，100Gb/s波分復(fù)用單邊帶直接檢測(cè)正交頻分復(fù)用（WDM-SSB-DD-OFDM）系統(tǒng)在25km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上收發(fā)信號(hào)的頻譜效率為1.8b/s/Hz；傳輸25公里后的接收靈敏度達(dá)到-14.2dBm。采用相位和幅度預(yù)補(bǔ)償方法，科研人員還優(yōu)化了SSB-OFDM調(diào)制過程，從而減少了信道間干擾并克服了由濾光器引起的功率衰落過程。
來自意大利米蘭理工大學(xué)、德國(guó)通信工程研究所的科研人員研究證明：Colavolpe，Barbieri和Caire在2005年推出的迭代解調(diào)和解碼算法需要采用引導(dǎo)符號(hào)來分析受相位噪聲影響的信道。然而，引導(dǎo)符號(hào)降低了系統(tǒng)的頻譜效率，并降低了通信吞吐量。科研人員研究證明：基于網(wǎng)格的解調(diào)過程可以用來引導(dǎo)迭代過程而不需要導(dǎo)頻符號(hào)。此外，科研人員論述了基于網(wǎng)格解調(diào)的復(fù)雜性問題。研究結(jié)果證明，迭代之后的解調(diào)和解碼性能實(shí)際上不受復(fù)雜度降低的影響，前提是解調(diào)器需保證無循環(huán)滑動(dòng)操作。從測(cè)試的數(shù)值結(jié)果可以看出，對(duì)于與實(shí)際線寬相關(guān)的相位噪聲分析過程可以采用無循環(huán)滑動(dòng)操作完成，因此該方案中引入的相關(guān)算法計(jì)算復(fù)雜度降低。
目前，一些科研人員設(shè)計(jì)、制備并測(cè)量了低插入損耗和低串?dāng)_寬帶的2×2馬赫增德爾（Mach-Zehnder）開關(guān)，并將其應(yīng)用于納秒級(jí)光學(xué)數(shù)據(jù)路由系統(tǒng)中�？蒲腥藛T提出了一個(gè)仿真方案來計(jì)算開關(guān)的頻譜特性，并使用此特性設(shè)計(jì)了兩個(gè)開關(guān)（一個(gè)基于定向耦合器，另一個(gè)使用兩節(jié)定向耦合器以獲得更大帶寬）。研究結(jié)果表明，以推挽方式驅(qū)動(dòng)的交換機(jī)能夠犧牲光學(xué)帶寬作為代價(jià)來降低插入損耗和光學(xué)串?dāng)_的影響（其插入損耗約1dB，在O波段45納米光學(xué)帶寬上光學(xué)串?dāng)_小于-23dB）。

光纖技術(shù)
來自韓國(guó)漢城延世大學(xué)光子器件的科研人員，分析了二硫化鎢（WS2）薄膜的非線性光學(xué)特性，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其作為非線性飽和吸收體在被動(dòng)鎖模光纖激光器中的應(yīng)用潛力�？蒲腥藛T制備了側(cè)面拋光纖維（SPF），并覆蓋WS2膜以提供有效漸逝場(chǎng)的相互作用過程�？蒲腥藛T使用兩種方法制備WS2膜：第一種方案是采用液相剝離方法形成少量層納米片；第二種方案是采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法在SiO2基底上生長(zhǎng)均勻的多層WS2，并通過旋涂WS2溶液或剝離SPF上的多層CVD的 WS2來制備兩種SPF可飽和吸收劑�？蒲腥藛T構(gòu)建了一個(gè)全光纖環(huán)形腔，并將覆蓋在SPF上的WS2薄膜與作為增益介質(zhì)的摻鉺光纖結(jié)合用作模式鎖定器，如圖3所示。他們使用旋涂的WS2 SPF產(chǎn)生了穩(wěn)定的類孤子脈沖（具有5.6nm的光譜寬度和467fs的脈沖持續(xù)時(shí)間）。包含CVD的WS2 SPF的光纖激光腔產(chǎn)生了光譜寬度為8.23 nm，脈沖寬度為332 fs的孤子脈沖序列�？蒲腥藛T進(jìn)一步指出：WS2薄膜作為激光應(yīng)用的新型二維非線性光學(xué)材料具有很高的實(shí)用價(jià)值。

圖 3.光纖環(huán)形激光器配置圖
來自印度加爾各答光纖光子事業(yè)部、中央玻璃和陶瓷研究所的科研人員，研分析了一種鉍（Bi）摻雜氧化釔-鋁硅酸鹽玻璃（Y-Al-SiO2：Bi）的顯微吸收性、熒光特性和拉曼散射特性。在與鋁（Al）共摻雜的Bi摻雜二氧化硅纖維固中，科研人員確定了Bi原子和Bi相關(guān)熒光活性中心的空間分布趨勢(shì)（集中在周圍環(huán)狀區(qū)域）。他們發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域形成的納米Bi簇，其顯示特性很弱或無熒光產(chǎn)生。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生被認(rèn)為是造成泵信號(hào)重疊因子惡化的原因，并將降低基于Bi摻雜鋁硅酸鹽的光纖激光器和放大器的工作效率。
來自俄羅斯烏里揚(yáng)諾夫斯克州立大學(xué)的科研人員在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，高非線性正常色散增強(qiáng)光纖中光脈沖的演變已經(jīng)成為熱門研究方向。他們證明：在時(shí)間穩(wěn)定的情況下，錐形波導(dǎo)中的光譜將增寬并且施加高質(zhì)量脈沖壓縮過程中需要線性頻率調(diào)制過程。相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4. 實(shí)驗(yàn)裝置
來自西班牙潘普洛納納瓦拉公立大學(xué)電氣和電子工程系的科研人員，基于兩種隨機(jī)分布反饋光纖激光器的制備過程研發(fā)了窄帶發(fā)射光信號(hào)的方案。他們已經(jīng)測(cè)量了窄至3.2μm的譜線寬度；另外，科研人員還驗(yàn)證了多波長(zhǎng)工作時(shí)相關(guān)光電器件設(shè)置的變化過程。上述方案都呈現(xiàn)出一種簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（其中組合使用的相移光纖布拉格光柵和常規(guī)光纖布拉格光柵被作為濾波元件得到應(yīng)用，如圖5所示）。

圖5.隨機(jī)DFB光纖激光器的配置圖
來自俄羅斯圣彼得堡國(guó)立大學(xué)放射物理系的科研人員，建立了相敏光時(shí)域反射儀（OTDR）中接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析模型（接收到的信號(hào)是由高相干源探測(cè)得到的）。其中，后向散射過程模型是由具有適當(dāng)參數(shù)的一組離散散射體建模而成（可推導(dǎo)用于計(jì)算背向散射信號(hào)的幅度方程和相位方程）。該模型還預(yù)測(cè)了振幅信號(hào)的光譜及自相關(guān)特性，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似度較高。為了研究OTDR系統(tǒng)的實(shí)際傳感應(yīng)用過程，科研人員研究了其中相位信號(hào)的收發(fā)特性，證明了該模型的應(yīng)用可行性和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的良好匹配性�？蒲腥藛T進(jìn)一步指出，分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)更詳細(xì)的建模過程及其對(duì)光纖干擾的響應(yīng)分析將成為未來值得關(guān)注的焦點(diǎn)問題。
來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)納米科學(xué)研究所的科研人員，設(shè)計(jì)了基于光子晶體平板兩個(gè)級(jí)聯(lián)腔的光學(xué)傳感器�？蒲腥藛T采用三維模擬過程分析了傳感器諧振過程中的品質(zhì)因數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，通過在總線通道中引入反射器并且通過控制兩個(gè)腔和下降通道之間的耦合過程，可以顯著提高工作效率。除模擬分析之外，科研人員還制備了兩個(gè)腔體傳感器，并測(cè)試了它對(duì)水和油滲透的光學(xué)響應(yīng)過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：水樣和油樣之間的折射率差為0.12（導(dǎo)致了18.3nm的波長(zhǎng)偏移，該結(jié)果與20nm的模擬結(jié)果完全吻合并且具有153nm RIU-1的靈敏度）；水和油滲透的共振峰在其透射光譜中具有良好的選擇性。他們進(jìn)一步指出，該傳感器可廣泛應(yīng)用于生物分析、化學(xué)檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
來自加拿大多倫多大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，非線性相位噪聲已成為長(zhǎng)距離相干光纖通信系統(tǒng)發(fā)展過程中的主要限制因素視。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上述相位噪聲依賴于信號(hào)本身特性，并且與時(shí)間變化過程函數(shù)相關(guān)。因此，他們提出了一種采用輔助代碼期望的最大化算法來減輕非線性相位噪聲負(fù)面影響。數(shù)值模擬仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于雙偏振波分復(fù)用16QAM光通信系統(tǒng)中，采用上述算法后，其發(fā)射功率容差可以增加1.5dB，光學(xué)信噪比要求可以放寬0.3dB。