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(píng)析。
1.調(diào)制技術(shù)
    當(dāng)今社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)（如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)）的需求正面臨爆炸性的增長(zhǎng)，在此情形下需要對(duì)光通信傳輸系統(tǒng)的容量進(jìn)行擴(kuò)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(shì)：例如對(duì)光纖色散的耐受性好、具有良好的子載波可擴(kuò)展性和靈活性，以及能夠使用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法，因此吸引了越來越多的研究人員對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用研究和探索。為了進(jìn)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(diǎn)。與相干系統(tǒng)相比，強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（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(jìn)行部署。對(duì)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(hào)不能根據(jù)埃爾米特對(duì)稱性生成，所以只能借助于基于FFT的NOFDM系統(tǒng)對(duì)上變頻信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制從而生成中頻信號(hào)。但是，生成的中頻信號(hào)不僅比基帶信號(hào)占用更多的帶寬，而且信號(hào)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(duì)稱性的實(shí)值上變頻NOFDM信號(hào)�；�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(cè)（ID）算法來減少FTN-NOFDM系統(tǒng)內(nèi)的載波間干擾生成，但這對(duì)高壓縮帶寬不是非常有效。最大似然檢測(cè)（MLD）是一種廣泛應(yīng)用的檢測(cè)誤碼率（BER）性能的最優(yōu)算法，但它的弱點(diǎn)在于計(jì)算復(fù)雜度高且應(yīng)用成本也較高。同時(shí)考慮到在多級(jí)輸入輸出（MIMO）無線通信系統(tǒng)中，研究人員提出利用簡(jiǎn)化QR和M算法（QRM-MLD）的方法來簡(jiǎn)化MLD過程。如果M值相對(duì)較大，則QRM-MLD算法檢測(cè)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�；�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(jì)算復(fù)雜度和更少的搜索路徑數(shù)。在實(shí)驗(yàn)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(hào)并在超過25公里的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）上進(jìn)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(cuò)（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(shí)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(hào)。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(jì)算復(fù)雜度。研究人員指明未來研究工作將重點(diǎn)將放在兩個(gè)方面：一是在發(fā)射機(jī)上產(chǎn)生具有較少ICI的FTN-NOFDM信號(hào);二是進(jìn)一步降低接收機(jī)的QRM-MLD算法計(jì)算復(fù)雜度。基于FrHT的FTN-NOFDM系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖1所示。
 
圖1 基于FrHT的FTN-NOFDM系統(tǒng)測(cè)試框圖

2.傳感器
使用強(qiáng)度調(diào)制和波長(zhǎng)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(qiáng)型表面等離子體共振（SPR）傳感器來改進(jìn)RI傳感器分辨率進(jìn)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(jì)將得到1×10-7 的折射靈敏度（RIU）。通過級(jí)聯(lián)環(huán)形諧振器和一個(gè)馬赫-曾德干涉儀，在Sagnac環(huán)中研究人員實(shí)現(xiàn)了測(cè)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(qiáng)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(jìn)一步改進(jìn)。研究人員基于單核無芯單模光纖（SNCS）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過在具有腔內(nèi)強(qiáng)度調(diào)制和感測(cè)技術(shù)的光纖環(huán)形激光器中組合多模光纖干涉儀（MMI）實(shí)現(xiàn)了高分辨率RI測(cè)量。在信噪比（SNR）從1.3349到1.3665變化的過程中，RI靈敏度測(cè)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(dòng)補(bǔ)償功能。此外，通過實(shí)驗(yàn)研究人員也分析了光纖激光傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量誤差。值得注意的是，RI傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量高分辨率參數(shù)是因?yàn)橄到y(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(qiáng)度調(diào)制和感測(cè)技術(shù)。RI靈敏度從1.3349到1.3665的測(cè)量值為-4.98mW / RIU；相對(duì)強(qiáng)度靈敏度從1.3349到1.3544測(cè)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(shí)驗(yàn)還分析了溫度自我補(bǔ)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(cè)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(cè)等諸方面。光纖激光傳感器的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)和制造成本低。同時(shí)，考慮到市場(chǎng)對(duì)LED有著不斷增長(zhǎng)的消費(fèi)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(zhǎng)時(shí)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(bào)道了一款新穎的高性能無轉(zhuǎn)換過程LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，所以閃爍程度低。這個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器也有特殊的設(shè)計(jì)，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(zhǎng)和能量效率變化等）很小。雖然LED驅(qū)動(dòng)器附加穩(wěn)壓電流源或平衡電阻可以在一定程度上簡(jiǎn)化LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，是簡(jiǎn)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(yùn)行模式，能夠大幅提高系統(tǒng)效率，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。此外，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)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(dòng)器實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定照明的一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)單個(gè)無轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)和制造中，應(yīng)用HVLED的研究方案同時(shí)也考慮了系統(tǒng)的適用性和兼容性，并會(huì)考慮了系統(tǒng)的光學(xué)特性和熱特性。一個(gè)由60個(gè)LED電池組成的實(shí)驗(yàn)裝置附加一個(gè)無轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(zhǎng)、顏色鮮明、可靠性高、環(huán)保、安全和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，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(hù)LED并確保其使用壽命。同時(shí)，這項(xiàng)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(jí)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(shí)兼具體積小、外形小和材料成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過高精度高密度封裝CSP-LED，可實(shí)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(diǎn)。入射到接口處的光只要超過臨界角，就會(huì)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(jì)和表面改進(jìn)的方法。前者包括截頂?shù)菇鹱炙�（TIP）型LED設(shè)計(jì)，該方法能最大限度地提高頂面發(fā)射效率。后者將隨機(jī)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(shí)現(xiàn)和可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí)間和成本耗費(fèi)。克服封裝LED的LEE問題，另一種經(jīng)濟(jì)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(shí)能讓入射角減小，并且只有入射角小于臨界角時(shí)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(jìn)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(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)。然而上述方法的實(shí)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(duì)于高性能的CSP-LED封裝工藝，高效率和經(jīng)濟(jì)型的改進(jìn)LEE設(shè)計(jì)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(kuò)展上述研究的應(yīng)用可能性，并設(shè)計(jì)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(jì)過程模擬分析了金字塔及平頂金字塔的實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)緊密和交錯(cuò)型棋盤式布局結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)，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(jì)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(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度或者同時(shí)測(cè)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(cè)和生命科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)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(cè)量的傳感器中。然而，由于光纖布拉格光柵可對(duì)同一時(shí)刻多個(gè)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(shí)測(cè)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(cè)多模共振的技術(shù)來同時(shí)辨別多參數(shù)；但光纖中不同包層模的溫度響應(yīng)差會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)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(duì)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(shí)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(cè)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(jì)方法，但其測(cè)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(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)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(huì)對(duì)應(yīng)變、溫度以及SRI產(chǎn)生不同的響應(yīng)變化，通過測(cè)量布拉格共振波長(zhǎng)和包層模式共振的歸一化面積可以同時(shí)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(gè)相距較遠(yuǎn)的終端共享密碼密鑰序列以建立絕對(duì)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(shí)現(xiàn)。例如，基于高速光纖QKD的實(shí)際應(yīng)用需要在長(zhǎng)距離光纖中進(jìn)行穩(wěn)定和高速的單光子相位或偏振編碼。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行有源相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)；偏振編碼過程則需要單光子偏振反饋控制的實(shí)施以消除不可避免的環(huán)境干擾引起的隨機(jī)偏振現(xiàn)象。在基于MZI的相位編碼QKD方案中，長(zhǎng)距離光纖通信過程中的隨機(jī)偏振變化需要精確補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了 “即插即用”協(xié)議中的自動(dòng)偏振補(bǔ)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(huì)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(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，因此為低成本實(shí)用QKD系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)很好的選擇方案。相關(guān)密鑰通過在實(shí)際 “即插即用”的QKD系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)脈沖強(qiáng)度來檢測(cè)以避免遭受特洛伊木馬的攻擊。然而，與法拉第鏡相連的實(shí)際相位調(diào)制器對(duì)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(duì)任何時(shí)刻光子脈沖的所有偏振狀態(tài)進(jìn)行相等的相位調(diào)制。實(shí)際上，通過對(duì)法拉第反射鏡反射前后的往返時(shí)間脈沖還需相位調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)完美的偏振無關(guān)相位調(diào)制過程。同時(shí)，法拉第反射鏡中順序時(shí)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(shí)際長(zhǎng)度限制了量子編碼速度。另一方面，研究人員也指出采用時(shí)分單光子Sagnac干涉儀可以實(shí)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(cè)試系統(tǒng)中，并使用兩個(gè)相位調(diào)制器來實(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)間調(diào)節(jié)過程