光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平
 2017年12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、光纖技術等，筆者將逐一評析。
  
光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
來自韓國首爾中央大學電子與電子工程學院的科研人員，設計并研制了一種三角形表面等離子體共振（SPR）傳感器（如圖1所示）。其原理主要是利用全內(nèi)反射（TIR）鏡提供SPR激勵來檢測折射率（RI）的變化情況�？蒲腥藛T首次采用沒有任何增益介質(zhì)的SoI襯底進行了設計。當TIR鏡上的非金屬層達到30nm / RIU時，他們基于TIR鏡上35納米厚的金膜制備了三角形諧振器傳感器，該傳感器的輸出功率增量為1.2dB，靈敏度達到102nm / RIU。考慮到SPR將引起傳輸信號的相位變化可導致共振峰的大幅移動，從而可使得傳感器的探測靈敏度增強�？蒲腥藛T還進一步證明，雖然SPR反射鏡的感應區(qū)域非常小，但相關配置可以大幅提高RI傳感器的靈敏度，因此在其應用領域有著顯著的潛在發(fā)展優(yōu)勢。

圖1. 三角形表面等離子體共振（SPR）傳感器設計圖
來自上海中國科學院、上海微系統(tǒng)與信息技術研究所及太赫茲先進技術重點實驗室的科研人員，設計并研制了一個2mm間隙的半絕緣砷化鎵（GaAs）光電導半導體開關（PCSS）。當PCSS由一個4μJ的商用激光二極管觸發(fā)時可在6kV的偏壓下獲得1.45kA的大電流。在瞬態(tài)放電過程中，科研人員采用無線鏈路控制（RLC）瞬態(tài)電路模型獲得了PCSS的電學特性。科研人員研究發(fā)現(xiàn)，上述模型從非線性工作模式退出的主要原因是開關兩端的電場低于閾值電場。 研究結果證明，采用GaAs制備的 PCSS具有成本低、結構緊湊和脈沖源功率高等應用優(yōu)勢，因此將具有一定的潛在應用價值。
來自北京大學通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡學院和先進光學國家重點實驗室的科研人員指出：隨著終端用戶對多類型電信業(yè)務帶寬需求的不斷增加，100Gb/s光接入解決方案將受到用戶的日益關注�？蒲腥藛T設計了一種基于100Gb/s傳輸速率的對稱數(shù)字信號處理算法，以增強時分和波分混合復用無源光網(wǎng)絡（TWDM-PON）的工作效率（相關體系結構支持四對波長的收發(fā)過程）�？蒲腥藛T在26.7公里光纖上使用雙邊帶（DSB）調(diào)制正交頻分復用（OFDM）信號，實驗演示了4×25Gb/s傳輸速率的TWDM-PON的收發(fā)性能。實驗研究結果表明：反射式半導體光放大器部署在光網(wǎng)絡單元（ONU）中，將有效提高下行OFDM光信號的接收靈敏度；采用DSB單載波頻域均衡技術進行上行傳輸信號調(diào)制，則能有效降低ONU的光電器件成本耗費。

來自成都電子科技大學機電工程學院和伯利恒利哈伊大學機械工程與力學系的科研人員，研究論證了通過薄膜微結構和外部磁場，來調(diào)節(jié)Fe3O4聚二甲基硅氧烷納米復合膜透射率的可行性。在該薄膜的制備過程中，科研人員基于有無外部磁場的兩種情況分別制備了從1wt％至13wt％重量分數(shù)的Fe3O4納米粒子各向異性膜和各向同性膜。分析該薄膜的紫外至可見光透射譜表明，各向異性薄膜表現(xiàn)出更好的透明度，主要體現(xiàn)在它比相同重量分數(shù)的Fe3O4納米顆粒在各向同性透明度方面性能更佳更高。此外，科研人員還觀測到，該薄膜的透射率可以通過施加外部磁場來調(diào)節(jié)，這是由于磁致伸縮效應引起了Fe3O4納米粒子間距離變化研究表明，當各向異性膜的Fe3O4納米粒子重量分數(shù)為10wt％時，磁場B約等于800G；在透射波長值為600nm的情況下，透射率相對下降8.61％。

無源和有源光子器件
來自西班牙馬德里大學電子工程技術系的科研人員，探索了基于垂直腔面發(fā)射激光二極管的光學頻率梳狀發(fā)生器（OFCG）的性能。 科研人員實驗評估了直接增益切換（GS）技術，間接電光（EO）轉(zhuǎn)換技術以及兩者的融合方案。 科研人員觀測到，由于兩者融合的方案部分繼承了GS- OFCG性能，所以在頻率跨度、平坦度和與EO技術的一致性方面提供了可調(diào)的改進性能。
來自韓國慶山嶺南大學電子工程系、韓國光電子技術研究所LED設備研究中心的科研人員，在全尺寸聚酰亞胺基板上制造了一種基于銦氮化稼（InGaN）的柔性發(fā)光二極管（FLED）。 科研人員直接把藍寶石襯底上的InGaN外延層與聚酰亞胺襯底鍵合，然后通過激光剝離工藝去除藍寶石襯底�？蒲腥藛T將用于芯片隔離的摻雜硅（n-GaN）蝕刻工藝在2英寸聚酰亞胺襯底上以加工完成LED芯片的制作�？蒲腥藛T采用簡單的直接轉(zhuǎn)移過程，使得工業(yè)產(chǎn)量達到了97％以上。考慮到FLED器件工作在線性區(qū)域，所以其輸入電流最高可達500mA。當驅(qū)動電流高達400mA時，F(xiàn)LED的輸出功率、工作電壓和波長偏移等參量幾乎與金屬襯底的垂直LED相同。
來自韓國大田聚合元件與材料研究實驗室、光無線融合組件研究所和電信研究所的科研人員，設計并制備了了10×10 Gb/s的分布反饋式集成激光二極管陣列（DFB-LDA）和平面光波電路陣列波導光柵（AWG）的混合模塊。為了制備DFB-LDA，科研人員采用了選擇性區(qū)域增長技術來適當調(diào)整信道增益，并采用電子束光刻過程來精確控制信道可用波長和光柵相位。為了實現(xiàn)AWG的制備，科研人員引入了相關模塊來減小AWG和DFB-LDA之間的耦合損耗，并在自由傳播區(qū)域中的結點部分設計了錐型和拋物線型光波導，以擴大光譜通帶寬度。 他們所研制的模塊能夠?qū)崿F(xiàn)大于45 dB的邊模抑制比；在10Gb/s的傳輸速率下，信號的動態(tài)眼圖的消光比高于 4.4 dB，經(jīng)過傳輸后所有通道的功率損失均小于1.5 dB。
來自荷蘭埃因霍溫霍爾斯特中心的科研人員研究制備了基于光電二極管層和背板讀出器的有機半導體成像器。該光電二極管是基于超�。�<100 nm）疊層制備的，在300至650 nm波長范圍內(nèi)具有敏感的響應曲線。上述讀出電路是采用溶液處理半導體（XPRD30B01）和可交聯(lián)電介質(zhì)（XDRD30B01）制備的開關矩陣。當ON電流高于0.1μA時，讀出薄膜晶體管（TFT）（溝道寬度為140μm，長度為5μm）的泄漏電流低1pA。科研人員研究證明，在像素間距低至200μm的32×32像素成像器中，可以用幾μA/cm2的暗信號和線性響應高達100μW的入射功率進行實驗演示。實驗結果表明：制備基于可交聯(lián)電介質(zhì)的TFT讀出電路具有一定可行性；此方案可以減少兩個相關步驟（柵極電介質(zhì)和封裝層的開口）以實現(xiàn)光刻過程，從而大大簡化了背板制造工藝的流程。
來自夏洛特維爾維吉尼亞大學電氣與計算機工程系的科研人員實驗研究了與局部場模型不同且具有薄倍增區(qū)的雪崩光電二極管中F（M）和M之間的線性關系�？蒲腥藛T對不同特性的雪崩光電二極管進行了系統(tǒng)級蒙特卡羅方法（Monte Carlo）數(shù)值模擬仿真。
來自日本東京國家信息技術研究所和光網(wǎng)絡系統(tǒng)實驗室的科研人員，研究了反射式半導體光放大器（RSOA）在共享波長無源光網(wǎng)絡架構中的關鍵作用。在基于自相干上行（US）和下行（DS）傳輸方案中（如圖2所示）， 科研人員證明：在30公里光纖鏈路上將產(chǎn)生32 dB的功率損耗；并且 9.4Gb/s 的DS和750M/s 的US雙向傳輸實驗被成功實現(xiàn)（此方案包含7％的前向糾錯過程和8b/10b 的編碼過程）。此方案是通過采用簡化的數(shù)字信號處理過程，實現(xiàn)了低成本RSOA（該RSOA具備18 dB功率增益和1 GHz調(diào)制帶寬）的有效應用。

圖2. 雙向傳輸實驗的示意圖
來自北京半導體材料重點實驗室和中國科學院半導體研究所的科研人員，設計了一種基于分布式布拉格反射（DBR）激光器和集成半導體光放大器（SOA）的可調(diào)諧全光信號處理方案。仿真研究結果表明：對于1.25 Gbit/s至10Gbit/s之間的傳輸速率，可以實現(xiàn)信號消光比（ER）6dB動態(tài)提升至28dB；在兩個信號同時輸入時，可使用邏輯與非門和或非門分別實現(xiàn)24dB和20dB的ER改進。

光傳輸
來自新加坡科學技術研究所和資訊通信研究所及光學系的科研人員，對微通道組成的微流體光纖器件進行了建模仿真和深入分析（如圖3所示）；并對相關物質(zhì)直接注入到與纖芯相交的微通道中完成了檢測評估過程。仿真研究結果表明，微通道的尺寸可以顯著影響相關器件靈敏度的檢測過程，且微通道的偏心程度對于器件性能也起著重要作用；優(yōu)化的微流體裝置還應用在靈敏折射率傳感和生物傳感器中。

圖3.微通道纖維裝置示意圖
來自杭州中國太赫茲研究中心的科研人員，設計了一個新型方案以控制太赫茲波束的傳播過程�？蒲腥藛T通過調(diào)節(jié)外部環(huán)境的溫度以改變溫度敏感材料的折射率，從而動態(tài)調(diào)節(jié)巨大的橫向Goos-Hänchen偏移�？蒲腥藛T采取上述方案，可以在不改變原始器件結構的情況下控制太赫茲波傳播過程。他們還從理論上分析了Goos-Hänchen位移、外界環(huán)境溫度、入射角度和運行頻率之間的關系，并采用有限元方法驗證并分析了可調(diào)諧太赫茲波的Goos-Hänchen偏移特性。實驗證明，在太赫茲波的傳播頻率為0.857THz時，上述裝置中信號的消光比高達24.3dB。
來自意大利帕維亞大學工業(yè)與信息工程系和中央大學精密工程研究所的科研人員，提出了一種新型測量襯底彎曲度的方法，即在襯底上生長外延層引入材料變形進行測量。類似于目前使用的激光束偏轉(zhuǎn)法，在金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方案的觀察窗口下，科研人員在晶片旋轉(zhuǎn)期間，基于晶片表面的傾斜角度開始測量其曲率半徑。但是科研人員并沒有采用常規(guī)的基于位置敏感探測器的三角測量法，而使用了非接觸式自混合干涉檢測方案。該方案是基于激光器將一個點投射到晶片表面并用其本身檢測背反射過程實現(xiàn)的。研究表明，新方法的優(yōu)點是消除了光源和檢測器的分離過程，并可以應用更小的MOCVD窗口實現(xiàn)測量�？紤]到角分辨率探測過程優(yōu)于普通探測器，所以上述方案中的極限靈敏度探測過程將得到改善。 實驗數(shù)據(jù)表明，用新方法測量的曲率半徑范圍從10米擴大到至10公里。
來自北京理工大學光電信息科學與工程學院的科研人員提出了一種基于傅里葉變換的白光干涉測量方案，用于測量高精度光纖非本征法布里-帕羅干涉（EFPI）傳感器的光程差（OPD）。由于在高精度EFPI傳感器中存在多光束干涉過程，所以傳輸信號的傅里葉頻譜由多個頻率分量組成。科研人員研究表明，可以通過傅立葉變換過程提取傅立葉光譜的高階頻率分量來恢復OPD，從而克服當EFPI傳感器的OPD較短時發(fā)生的光譜重疊效應。在實驗中，科研人員測量了腔長度為120μm的高精度光纖EFPI傳感器，以提取二階頻率分量以恢復腔長度的測試（測量結果的標準偏差達到9.132nm）。
來自中國電子科技大學物理電子學院的科研人員，基于兩個光控微波開關（OCMS）控制兩個獨立窄帶互補開環(huán)諧振器（CSRR）的過程，設計了一種能產(chǎn)生可重構多頻帶陷波的光控孔超寬帶（UWB）天線。科研人員研究發(fā)現(xiàn)，在3.1至10.6GHz頻帶范圍內(nèi)，可實現(xiàn)四種可重構頻帶分布（聯(lián)邦通信委員會（FCC）允許的頻帶，全球微波互聯(lián)接入（WiMax）確定的頻帶，無線局域網(wǎng)（WLAN）包含的頻帶和WiMax-WLAN支持的頻帶）。上述頻段能用于檢測可用頻譜或通過簡單改變OCMS的開/關狀態(tài)，來阻斷WiMax和WLAN系統(tǒng)的有害干擾環(huán)節(jié)，并使得其中每個開關的運行功率不超過100mW�？蒲腥藛T設計并測量了原型天線，還通過模擬仿真驗證了所提設計方案的可行性。

光調(diào)制與光信號處理
來自南昌物理與通訊電子學研究所、江西師范大學、上�？茖W技術研究所的科研人員，通過光譜和角度探詢模式下的單因素調(diào)查，從理論上研究了溫度對對稱金屬包層光波導（SMCOW）反射率的影響。射率溫度依賴性的理論模型包括折射率與引導層厚度的溫度依賴關系，金屬膜厚度與金屬-介電函數(shù)的溫度依賴關系�？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)溫度對SMCOW反射率的影響，主要是由于折射率與導熱層厚度的溫度依賴關系;相反，金屬膜的溫度特性幾乎不會影響溫度對反射率的影響。在此基礎上，科研人員計算了不同光學玻璃組成的導光層SMCOW在光譜和角度條件下的靈敏度。此實驗旨在為設計SMCOW傳感器提供防止溫度變化的方向和主要因素。
來自江西師范大學物理與通信電子學院和納米材料與傳感器實驗室的科研人員，研究了一種基于不透明金屬鏡從等離子狹縫陣列中改進多波段的抗反射方法。 他們引入的反射鏡可以增強光場的耦合特性和約束特性，與由介質(zhì)基片建立的開放式狹縫方案相比，上述方法可以產(chǎn)生更強的等離子體共振過程。 通過調(diào)整結構參數(shù)，三波段近紅外反射過程在光學頻率上具有很高的可擴展性�？蒲腥藛T證明，基于這種亞衍射極限（λ/5）結構，可以實現(xiàn)高靈敏度和高信噪比以及18.6％/ nm的極大斜率等參量值。實驗結果證明，該方案具有潛在的應用價值，尤其體現(xiàn)在超緊致生物傳感器的制備過程中。

光纖技術
來自北京交通大學光波技術研究所和全光網(wǎng)重點實驗室的科研人員，提出并實驗驗證了一種基于單模錐形光纖模場（STCS）新型折射率（RI）的全光纖環(huán)形溫度激光傳感器（如圖4所示）。其中STCS的光纖結構既支持傳感應用，也支持濾波應用。 由于采用了激光傳感系統(tǒng)，該裝置可以實現(xiàn)較高的光信噪比（約40 dB）和較窄的3dB帶寬（小于0.12 nm）。當RI值在1.333-1.399的范圍內(nèi)變化時，其平均靈敏度為163.80nm / RIU。當溫度在8°C至80°C范圍內(nèi)變化時，其靈敏度高達10.8 pm /°C。 科研人員證明上述系統(tǒng)結構實現(xiàn)簡單、易于構建，同時還具有分辨率高、信噪比高和易于監(jiān)測等優(yōu)點。

圖4.（a）STCS光纖結構示意圖（b）錐型包層光纖的顯微圖像
來自北京交通大學光電技術研究所和全光網(wǎng)重點實驗室的科研人員，設計并制備了一種緊湊型全光纖傳感器，用于同時測量基于無芯光纖（NCF）和光纖布拉格光柵（FBG）的溫度和折射率（RI）變化。他們在FBG的兩端嵌入了兩段用作分束器和合束器的NCF，以構成對溫度和環(huán)境RI敏感的馬赫增德爾（MZ）干涉儀。 隨著折射率和溫度的變化，MZ干涉和布拉格反射過程將導致透射譜的變化。 實驗結果表明，溫度范圍在10〜70℃時，其靈敏度為0.014 nm /℃。實驗證明了上述結構在同時測量外部RI和溫度方面具有可行性。
來自北京工業(yè)大學激光工程系和國家激光技術研究中心的科研人員，提出了一種將空芯帶隙光纖（NKT的HC-1550-02）和傳統(tǒng)的單模光纖（Corning的SMF28）進行低損耗熔接的方法，其中用于熔融的光纖是高V值中間光纖。 與常用的光纖后處理技術相比，中間光纖熔融方法提供了支持新型V值自由度調(diào)節(jié)過程，能夠使耦合損耗降低到0.35dB。實驗研究證明，Nufern公司提供的SM1950（V = 2.836）和HC-1550-02光纖之間的熔接損耗低至0.63 dB（SMF28和HC-1550-02光纖的總插入損耗值0.73dB。 
來自國家光電實驗室和武漢理工大學光學傳感技術研究所的科研人員，提出并制備了一種低精度法布里-帕羅腔的光纖高溫傳感器（如圖5所示）。該傳感器是通過在多模光纖末端應用介質(zhì)薄膜形成的，該傳感器結構簡單、成本低、容易批量制造。實驗研究表明，當環(huán)境溫度從250℃變化到750℃時，傳感器的靈敏度達到5.4×10-3nm /℃。

圖5.基于薄膜溫度傳感器的光學檢測系統(tǒng)
來自加拿大多倫多瑞爾森大學電氣與計算機工程系的科研人員，設計并制備了一種單模到多模再到單模的光纖濾波器。該濾波器使用1046nm臨界波長的階躍折射率大面積光纖來制備，但該濾波器對外部溫度變化過程非常敏感。當該濾波器遭遇應變和溫度同時變化時，臨界波長兩側(cè)的干涉條紋將分別產(chǎn)生藍移或紅移�？蒲腥藛T基于LP01和LP02兩種模式的干擾以及其傳播常數(shù)差來模擬透射光譜變化。研究結果顯示模擬譜與實驗譜相當吻合�？蒲腥藛T經(jīng)過實驗驗證，該濾波器能用于可變輸出耦合器或光纖傳感器的制備。