光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平
 2018年4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(hào)處理、光纖技術(shù)，筆者將逐一評析。  

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)

香港中文大學(xué)信息工程系、浙江大學(xué)光學(xué)與電磁研究中心的科研人員研究發(fā)現(xiàn)， 在相干正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，采用圖像處理領(lǐng)域中的偏斜補(bǔ)償技術(shù)可以有效補(bǔ)償矩形信號(hào)星座由于共同相位誤差而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)負(fù)面效應(yīng)。科研人員設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)方案進(jìn)一步降低了算法的復(fù)雜性，并且采用數(shù)值模擬的方法調(diào)查研究了數(shù)據(jù)測試量對結(jié)果的影響�？蒲腥藛T比較分析了新型的改進(jìn)算法和傳統(tǒng)的盲相式搜索算法。研究結(jié)果表明，應(yīng)用上述新型改進(jìn)算法就能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)導(dǎo)頻輔助方法相當(dāng)?shù)男盘?hào)收發(fā)性能。

日本千葉縣古河電氣有限公司的科研人員研究論證了在動(dòng)態(tài)光路網(wǎng)絡(luò)（DOPN）中進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)倪^程�？蒲腥藛T采用快速可調(diào)分布式放大啁啾采樣光柵分布反射激光器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）泵浦控制器和基于光譜剪切干涉儀的快速色散監(jiān)測器，搭建了一種基于四波混頻過程的全自動(dòng)參數(shù)可調(diào)色散補(bǔ)償器（P-TDC）。色散監(jiān)視器通過檢測路徑中色散的變化過程，將監(jiān)視信號(hào)向前饋送至FPGA控制器。快速可調(diào)激光器可以通過改變參數(shù)值來設(shè)置其波長，從而進(jìn)行色散補(bǔ)償�？蒲腥藛T在DOPN測試平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該色散補(bǔ)償器具有小于17 ms的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自主P-TDC具有亞毫秒級(jí)別的響應(yīng)時(shí)間。

無源和有源光子器件

清華大學(xué)精密儀器系精密測試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員通過研究證明，傅立葉域鎖模(FDML)激光器是一種出色的波長掃描源，可與高速光纖布拉格光柵（FBG）聯(lián)合使用。當(dāng)激光器應(yīng)用于遠(yuǎn)程FBG傳感時(shí)，由于激光器的掃描周期較短，傳輸延遲會(huì)導(dǎo)致傳感信號(hào)偏離其實(shí)際位置，從而引起較大的波長解調(diào)誤差�？蒲腥藛T設(shè)計(jì)了一種用于延遲補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)校準(zhǔn)方法，主要實(shí)現(xiàn)過程是將具有波長標(biāo)記的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具插入到參考光路中以實(shí)時(shí)監(jiān)測波長掃描過程中的非線性效應(yīng)，使用插值算法可以計(jì)算出FBG的絕對響應(yīng)波長。


圖1 （a）FDML摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置（b）基于FDML光纖激光器的FBG傳感系統(tǒng)

來自英國南安普頓大學(xué)光電研究中心的科研人員，設(shè)計(jì)了一種基于四波混頻的新型相位敏感（PS）方案�？蒲腥藛T增加參量衰減分量后發(fā)現(xiàn)當(dāng)非線性相移低至0.3rad時(shí)，偏振器可實(shí)現(xiàn)理想的二進(jìn)制階躍相位傳遞過程（PS方案是通過采用極化混頻鎖相及正交極化信號(hào)與空載混合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的）。

德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的科研人員研發(fā)了一種能穩(wěn)定應(yīng)用于毫米（mm）波領(lǐng)域的新型技術(shù)，其中毫米（mm）波是通過干擾頻率梳的兩條譜線產(chǎn)生的（頻率梳是由飛秒光纖激光器產(chǎn)生）。為了補(bǔ)償激光器的重復(fù)頻率漂移過程，科研人員通過調(diào)制過程提取梳狀線以使得mm波趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該新型技術(shù)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高質(zhì)量毫米波，其載波偏移量為10 kHz時(shí)，譜線寬度為1 Hz，相位噪聲為-134 dBc / Hz。


圖2 高質(zhì)量穩(wěn)定毫米波生成的實(shí)驗(yàn)裝置圖

日本筑波國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所、電子與光子學(xué)研究所的科研人員，實(shí)驗(yàn)證明了基于二氧化硅的T形懸浮氮化硅環(huán)形諧振器的可行性。與類似設(shè)備相比，該諧振器可以在保證高品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)，增強(qiáng)與周圍環(huán)境的互動(dòng)性。諧振器是由一個(gè)波導(dǎo)寬度為1.3μm的定向耦合器和一個(gè)曲率半徑為20μm的環(huán)形結(jié)構(gòu)組合而成；在消光比約為9.2dB時(shí)，自由光譜范圍為5.48nm的1550.4nm波長處，可以獲得較高的品質(zhì)因數(shù)值（諧振器的靈敏度約為247nm / RIU）�？蒲腥藛T證明，該諧振器具有廣泛的光學(xué)傳感應(yīng)用前景。

韓國首爾延世大學(xué)物理與應(yīng)用物理研究所和光子器件物理實(shí)驗(yàn)室的科研人員，研發(fā)了基于錐形光纖飽和吸收體（SA）的全光纖鎖模激光器（該激光器是封裝在WS2納米片中的）�？蒲腥藛T使用標(biāo)準(zhǔn)火焰刷涂方法制造了錐形光纖（其相互作用長度為3mm，腰徑為10和15μm）�？蒲腥藛T采用液相剝離法后通過漸逝場的相互作用，沿著錐形光纖的相互作用長度制備光學(xué)沉積的WS2納米片�？蒲腥藛T制備了一個(gè)環(huán)形鎖模激光器，可產(chǎn)生錐形直徑為10μm的SA進(jìn)行脈沖傳輸（該脈沖的持續(xù)時(shí)間為369 fs，3dB的光譜帶寬為7.5 nm）。另一方面，若使用腰徑為15μm的鎖模器來傳輸脈沖，該輸出的脈沖脈沖持續(xù)時(shí)間為563fs，3dB帶寬為5.2nm。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明，腰徑較小的錐形纖維擁有更寬的光譜帶寬、更快的脈沖持續(xù)時(shí)間和更窄的3dB帶寬。

新加坡科學(xué)技術(shù)研究局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)研究所的科研人員在分布式反饋激光二極管中對λ/ 4相移異質(zhì)III-V / Si的橫向折射率耦合光柵進(jìn)行了性能分析。橫向折射率耦合光柵具有無畸變橫模分布的優(yōu)點(diǎn)（層數(shù)和光柵長度的變化與耦合系數(shù)有關(guān)，耦合系數(shù)與光柵中心間距成反比）。III-V脊寬度為2至4μm和蝕刻深度為120至240nm時(shí)，耦合系數(shù)的范圍在100到330cm-1之間�？蒲腥藛T采用基于二維有限元模型的熱阻抗計(jì)算后發(fā)現(xiàn)最大可能的光輸出功率范圍在2到6 mW之間。

俄羅斯圣彼得堡國立信息技術(shù)大學(xué)的科研人員分析了矩陣型CCD準(zhǔn)直器系統(tǒng)，并以以較低成本實(shí)現(xiàn)了相關(guān)光電子器件與激光器的對準(zhǔn)過程（在采用脈沖激光測距儀的方案中，激光發(fā)射器軸與測距儀的準(zhǔn)直軸進(jìn)行了精確匹配）。上述系統(tǒng)有助于解決光電器件通過不同接收通道實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直軸高精度對準(zhǔn)的問題。

光傳輸

加拿大多倫多大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系的科研人員在1800公里傳輸范圍內(nèi)，成功實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具有三個(gè)特征值的非線性頻分多路復(fù)用（NFDM）信號(hào)的調(diào)制和無誤差檢測過程。實(shí)驗(yàn)中，科研人員通過獨(dú)立的開關(guān)鍵控信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而形成了用于非線性光纖傳輸?shù)?位NFDM符號(hào)。


圖3 NFDM信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)置圖

目前，科研人員設(shè)計(jì)了一種在128 Gb / s雙偏振8-正交調(diào)幅（DP 8-QAM）密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中使用根多項(xiàng)式（RP）脈沖來減輕光纖非線性負(fù)面效應(yīng)影響光信號(hào)傳輸?shù)姆桨�。RP脈沖具有快漸近衰減率、低峰均功率比和窄脈沖寬度等特性，因此可以一定程度上容忍通道內(nèi)非線性效應(yīng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器量化效應(yīng)和定時(shí)恢復(fù)誤差的負(fù)面影響。在25GHz信道間隔的9通道DWDM傳輸實(shí)驗(yàn)中，RP脈沖傳輸?shù)淖畲缶嚯x為4800公里，相對于平方根升余弦形狀脈沖，傳輸距離延長了300公里（再循環(huán)回路的長度）。


圖4  DWDM傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖

光調(diào)制與光信號(hào)處理

華中科技大學(xué)光電信息工程學(xué)院的科研人員設(shè)計(jì)了一種基于雙FBG的射頻（RF）光纖干涉儀，該光纖干涉儀主要用于數(shù)公里到幾十公里的遠(yuǎn)程測量領(lǐng)域�？蒲腥藛T采用網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描頻率的方法在微波域中檢測干擾譜（當(dāng)光載波經(jīng)長距離往返生成微波干涉后，波長差的變化轉(zhuǎn)變成RF相位差的變化）。該傳感器具有易復(fù)用、抗隨機(jī)擾動(dòng)、自適應(yīng)溫度等優(yōu)點(diǎn)，尤其是與可進(jìn)行普通波長調(diào)節(jié)的光學(xué)傳感器相比，其測試靈敏度更高�？蒲腥藛T使用6.5km長的單模光纖（SMF）進(jìn)行了光柵應(yīng)變過程的測量，在SMF中實(shí)現(xiàn)了53.57 kHz /με的高靈敏度測量過程。


圖5 基于FBG的RF干涉過程示意圖

大阪大學(xué)電子信息工程學(xué)系的科研人員，設(shè)計(jì)并制備了一種電光空間光調(diào)制器，該調(diào)制器是通過周期極化MgO：s-LiTaO3薄晶體中的波導(dǎo)來進(jìn)行調(diào)制的。在355 nm波長處，該調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)制過程（當(dāng)采用10 V低電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)）。在高達(dá)2.7kW / cm2的光強(qiáng)下，相關(guān)波導(dǎo)在超過1000小時(shí)的壽命測試過程中，在模式應(yīng)用和透光率方面具有良好的穩(wěn)定性能。

光纖技術(shù)

金士頓羅德島大學(xué)電氣和生物醫(yī)學(xué)工程系的科研人員研究發(fā)現(xiàn)：在應(yīng)變測試和溫度傳感領(lǐng)域，基于光纖傳感技術(shù)的太赫茲（THz）光柵在體現(xiàn)了一定的實(shí)用性，其原因是它可基于更高階的諧振峰值在有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提高測試靈敏度。如果使用較低階的諧振峰值進(jìn)行感應(yīng)可以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，但是要以降低精度為代價(jià)�？蒲腥藛T設(shè)計(jì)了一種使用飛秒激光器研制的π相移太赫茲光纖布拉格光柵（能夠在更大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測到應(yīng)變過程，并且與傳統(tǒng)方法相比可提高測量精度）；他們設(shè)計(jì)的第二種太赫茲光柵結(jié)構(gòu)與第一種相似（同一根光纖上串聯(lián)），但其沒有π相移結(jié)構(gòu)�？蒲腥藛T建立并分析了上述器件的理論模型，并證明了該模型與實(shí)驗(yàn)觀察到的器件物理學(xué)性能匹配。

西安微波科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國空間技術(shù)研究院空間無線電技術(shù)研究所的科研人員基于雙平行馬赫增德爾調(diào)制器（MZM）和不對稱功率分配器設(shè)計(jì)了一種線性模擬光子鏈路的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)�？蒲腥藛T調(diào)整射頻信號(hào)的功率分配比使得系統(tǒng)中兩個(gè)子調(diào)制器的三階互調(diào)失真（IMD3）相互平衡。科研人員通過實(shí)驗(yàn)研究分析了功率分配比對IMD3抑制性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)功率分配比為0.1時(shí)，IMD3抑制約62.1dB；與單MZM的應(yīng)用方案相比，該方案在1Hz帶寬內(nèi)的無雜散動(dòng)態(tài)范圍提高了23 dB。

美國斯坦福大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室的科研人員設(shè)計(jì)了一種調(diào)整光譜吸收特性的方法，該方法可應(yīng)用于基于金屬材料鏡上超薄平面吸收半導(dǎo)體膜制備過程中�？蒲腥藛T通過調(diào)整金屬超材料的填充率來改變波長大小，從而使其在固定厚度的損耗膜中進(jìn)行強(qiáng)吸收；通過控制金屬超材料鏡上有損薄膜入射光的反射相位實(shí)現(xiàn)調(diào)諧過程。
 
馬來西亞大學(xué)工程學(xué)院電氣工程系綜合光波研究組的科研人員設(shè)計(jì)了一種簡單兩環(huán)結(jié)構(gòu)基于六方晶格光子晶體光纖（PCF）的生物傳感器，該傳感器具有表面等離子體共振（SPR）現(xiàn)象，可將活性等離子體金層和分析物（樣品）放置在光纖結(jié)構(gòu)外部，代替放置在氣孔內(nèi)部實(shí)現(xiàn)更加簡單直接的制作工藝流程。此外，該傳感器的雙折射特性能還可以顯著改善測試靈敏度�？蒲腥藛T采用有限元法（FEM）對導(dǎo)向特性和傳感性能進(jìn)行了數(shù)值研究。通過改變波長和振幅，該傳感器可以達(dá)到的最大靈敏度分別為4000nm / RIU和320 RIU-1，分辨率分別為2.5×10-5和3.125×10-5 RIU。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCF生物傳感器可用于生物和生化分析物檢測過程。

華東師范大學(xué)精密光譜學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員認(rèn)為紅外光譜學(xué)在應(yīng)用科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，因此過去的幾十年間，很多學(xué)者都致力于研究紅外光譜的測量。近年來，基于頻梳激光器的傅里葉變換光譜儀由于其快速準(zhǔn)確的測量過程而引起了很多科研人員的研究興趣；但是紅外光譜儀的檢測靈敏度仍然需要進(jìn)一步提升。目前，科研人員采用同步激光源的波長可調(diào)頻率上轉(zhuǎn)換檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于單光子級(jí)別的具有高檢測靈敏度的高效紅外光譜儀；該光譜儀轉(zhuǎn)換效率高，背景噪聲低，能在單光子水平下成功檢測硫化氫氣體的紅外透射光譜。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該光譜儀在氣體監(jiān)測和遠(yuǎn)程光譜分析中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

意大利比薩圣安娜高等學(xué)校的科研人員設(shè)計(jì)并研發(fā)了一個(gè) 用于差分正交相移鍵控信號(hào)檢測的超小型集成硅接收器，該接收器是基于兩個(gè)可調(diào)諧硅絕緣體微環(huán)諧振器和四個(gè)集成鍺光電探測器制備的。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該接收器可探測的信號(hào)速率范圍在10到20GBd之間。

上海交通大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，設(shè)計(jì)并制備了一種在1 到3 GHz光纖帶寬內(nèi)基于受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)的高選擇性矩形濾光片�？蒲腥藛T采用雙級(jí)泵分流裝置使濾波器的選擇性提高了16 dB以上，并且在2 GHz光纖帶寬內(nèi)濾波器的選擇性超過40 dB�？蒲腥藛T使用精確的數(shù)字反饋補(bǔ)償和非線性效應(yīng)管控技術(shù)，對濾波器進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，并采用相干檢測技術(shù)評估放大信號(hào)的信噪比，分析了單、雙級(jí)濾波器的噪聲性能。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與單級(jí)濾光片相比，雙級(jí)濾光片有更高的選擇性，在改善噪聲性能方面也更優(yōu)異。科研人員表示，由于內(nèi)在性能調(diào)整的靈活性和對噪聲性能的改進(jìn)特性，SBS濾波器在微波光子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的科研人員研究證明：在偏振復(fù)用相干光纖通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)和離散傅里葉變換擴(kuò)展OFDM（DFT-S-OFDM）信號(hào)通過犧牲高頻區(qū)域中零填充副載波的波特率減輕了頻率衰落負(fù)面效應(yīng)，或用較長的循環(huán)前綴（CP）來消除殘余碼間干擾（ISI）。為了進(jìn)一步優(yōu)化OFDM信號(hào)的收發(fā)性能，科研人員提出采用離散的菲涅耳變換擴(kuò)展OFDM（DFnT-S-OFDM）方案完成在時(shí)間和頻率雙維度上進(jìn)行信息有效傳播的方案；同時(shí)，科研人員還設(shè)計(jì)了一種具有低復(fù)雜度編碼過程的新型預(yù)編碼方案。 仿真研究結(jié)果表明，與常規(guī)OFDM信號(hào)相比，DFnT-S-OFDM信號(hào)能更有效地減少頻率衰落過程；與DFT-S-OFDM信號(hào)相比，DFnT-S-OFDM信號(hào)能更好地抵抗殘余ISI。