8/6/2018，光纖在線特邀編輯：邵宇豐 季幸平

2018年6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(píng)析。

光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的科研人員，基于半開腔方案設(shè)計(jì)了一種具有相對(duì)短腔的隨機(jī)分布反饋拉曼光纖激光器。在1173nm波長條件下，科研人員測得輸出功率為4W，并且工作效率大于90％。在1237nm波長處，當(dāng)兩個(gè)輸出端功率分別為4.1和0.8 W時(shí)，可以獲得二階斯托克斯波�？蒲腥藛T記錄并分析了斯托克斯波的線寬，觀察到泵浦功率的自振蕩略高于二階斯托克斯波的生成閾值，并且還提出了一種時(shí)空耦合數(shù)值模型。研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)一致吻合。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校電氣工程系的科研人員設(shè)計(jì)了一種外部腔激光器，該激光器通過將多線導(dǎo)模諧振（GMR）濾波器用作反射器來制備�？蒲腥藛T采用嚴(yán)格的數(shù)值方法設(shè)計(jì)諧振元件，并通過薄膜沉積、圖案設(shè)計(jì)和蝕刻來制作實(shí)驗(yàn)原型。在約170μm厚的玻璃板上，約100nm TiO2光柵層可以支持?jǐn)?shù)千種諧振模式。以840nm波長為中心，在約10nm波長范圍內(nèi)可以檢測出約10個(gè)窄共振峰�？蒲腥藛T將這種多線GMR器件應(yīng)用于增益芯片中，可以得到幾個(gè)同時(shí)共振的增益激光線。精確調(diào)諧可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光線，因此激光線可以從多個(gè)可用的諧振線中選擇。

北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和光電子系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員設(shè)計(jì)了一種基于PbSe膠體量子點(diǎn)（CQD）和場效應(yīng)晶體管（FET）配置的近紅外光電探測器�？蒲腥藛T將PbSeCdS摻入聚（3-己基噻吩-1,5-二基）（P3HT）作為活性層，將P3HT:PbSe納米復(fù)合材料的光敏光譜擴(kuò)展到近紅外區(qū)域。在40mW/cm2的980nm激光照射條件下， VDS = -40V，VG = -40V，基于FET的光電探測器Au（柵極）和 Au（源極，漏極）的響應(yīng)度和特定探測率可以分別達(dá)到500A/W和5.02×1012Jones。

華東師范大學(xué)精密光譜國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員設(shè)計(jì)了一種在1550 nm波長處的光子計(jì)數(shù)啁啾調(diào)幅（CAM）激光雷達(dá)�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，由于單光子探測器的非工作周期很長，因此CAM帶寬都限制在30 MHz以下。在科研人員設(shè)計(jì)的CAM激光雷達(dá)中，InGaAs/InP雪崩光電二極管在1.5 GHz正弦波模式下工作，從而將非工作周期縮短至6.4ns。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明，在日光環(huán)境中，當(dāng)調(diào)制周期為0.5ms時(shí)，CAM的帶寬超過200MHz，直接距離的精度可以達(dá)到0.12m。這種新型雷達(dá)在CAM激光雷達(dá)系統(tǒng)中有較大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。


圖1 1550nm波長處基于SPD激光測距系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置


無源和有源光子器件
英國肯特大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院應(yīng)用光學(xué)組的科研人員報(bào)道了一種工作在1550nm波長處的電子控制光學(xué)掃描源（它是在分散環(huán)腔中使用鎖模方式工作的）。為實(shí)現(xiàn)有源鎖模過程，科研人員直接將調(diào)制半導(dǎo)體光放大器（SOA）的電流作用增益介質(zhì)。在靜態(tài)分析中，科研人員測量了線寬、調(diào)諧帶寬、對(duì)比度參數(shù)等（其中軸向范圍是由動(dòng)態(tài)分析確定的），并將色散補(bǔ)償光纖和單模光纖用于激光環(huán)腔中。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明，上述兩種類型光纖的相對(duì)長度對(duì)線寬影響很小，驅(qū)動(dòng)SOA信號(hào)的頻率也可以極大地限制對(duì)線寬（通過在靜態(tài)范圍內(nèi)測量介于1nm到60μm范圍內(nèi)的線寬，同時(shí)在50到500MHz下驅(qū)動(dòng)SOA）�？蒲腥藛T通過實(shí)驗(yàn)獲得了相對(duì)較窄的線寬，此時(shí)在腔中色散補(bǔ)償光纖的比例是總長度的80％-90％�？蒲腥藛T基于上述技術(shù)還開發(fā)了響應(yīng)若干光學(xué)相干斷層掃描應(yīng)用需求的光源。

浙江大學(xué)信息科學(xué)與電子工程系和傳感器材料與應(yīng)用研究中心的科研人員，在硅片上實(shí)驗(yàn)制備了一種基于微環(huán)諧振器（MRR）的超高分辨率比率波長監(jiān)測器（RMWM）。他們證明了理論波長分辨率與微環(huán)的函數(shù)波長范圍和質(zhì)量（Q）因子有關(guān)�？蒲腥藛T還證明可以通過熱調(diào)整MRR的共振間距來調(diào)整函數(shù)范圍和分辨率，并發(fā)現(xiàn)分辨率也受到測量中引入的噪聲參數(shù)影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在0.72nm函數(shù)范圍內(nèi)可以獲得1.5μm的超高實(shí)驗(yàn)分辨率。考慮到固有的系統(tǒng)噪聲，科研人員預(yù)期理論型超高分辨率可以達(dá)到約0.4 pm。

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員采用光刻和濕法蝕刻技術(shù)制備了一種對(duì)波長不敏感的二氧化硅/聚合物全內(nèi)反射熱光開關(guān)元件（當(dāng)開關(guān)功率達(dá)到70mW時(shí)可以將串?dāng)_降至-20 dB以下）。在透射和反射狀態(tài)下，0.47cm長的核心開關(guān)元件傳播損耗分別為1.8和3.6dB�？蒲腥藛T使用11個(gè)開關(guān)元件設(shè)計(jì)了一種無阻塞四端口光路由器（沿所有路徑的傳播損耗范圍介于5.4到23.4 dB之間）。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，上述元件在寬帶信號(hào)切換方面具有潛在的應(yīng)用前景。

土耳其阿塔圖爾克大學(xué)電氣與電子工程系的科研人員設(shè)計(jì)一種新型測量方法即利用波長偏移（Δλ0）和反射率差（ΔR）組合來測量和識(shí)別各類氣體，如圖2所示。基于對(duì)ΔR到Δλ0的測量數(shù)據(jù)，并且對(duì)于反射指數(shù)接近的四種不同氣體蒸汽，科研人員通過法布里-珀羅干涉儀腔體的反射率分析驗(yàn)證了實(shí)際效果（其中腔體在745nm波長處附近可實(shí)現(xiàn)諧振）；同時(shí)科研人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，ΔR和Δλ0的組合測量比其本身單獨(dú)測量具有更好的識(shí)別度。


圖2 反射率測量配置裝置示意圖

東京國立信息通信技術(shù)研究所光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的科研人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)證明了一種新型數(shù)字自零差檢測（DSHD）接收器，該接收器主要用于高階調(diào)制格式信號(hào)的低階相干探測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)無需光學(xué)濾波和極化模式對(duì)準(zhǔn)時(shí)檢測4進(jìn)制正交相移鍵控、16進(jìn)制正交幅相調(diào)制（16QAM）、32QAM和64QAM信號(hào)（測量線寬介于630 kHz到5.7 MHz范圍內(nèi)）。科研人員闡述了三種工作狀態(tài)下DSHD中的數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)（分別是背靠背傳輸后，在單跨光纖傳輸之后，以及進(jìn)行多跨傳輸之后）。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于16進(jìn)制及更高進(jìn)制的QAM調(diào)制格式，在克服光纖非線性影響方面DSHD優(yōu)于其他傳統(tǒng)檢測信號(hào)方式。

光傳輸
國家光學(xué)傳感及通信綜合網(wǎng)絡(luò)研究中心和東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的科研人員設(shè)計(jì)了一種用于硅基槽隙波導(dǎo)的緊湊型偏振旋轉(zhuǎn)器（PR）（鋁（Al）金屬條嵌入到上包層中）�？蒲腥藛T利用金屬條制備的非對(duì)稱混合等離子體波導(dǎo)得到了45°的最佳光軸旋轉(zhuǎn)角度，從而獲得了高偏振轉(zhuǎn)換效率（PCE）。數(shù)值研究結(jié)果表明，在PCE值和TM到TE轉(zhuǎn)換的插入損耗值分別為97.6％和0.86 dB時(shí)，工作波長為1.55μm的PR長度為11.6μm。
 
伊利諾伊大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的科研人員，通過數(shù)據(jù)測試驗(yàn)證了一個(gè)200微米長的晶體管激光器在15°C時(shí)的無誤差工作過程。該器件的閾值電流為30 mA，在IB=85mA和VCE =1.5V條件下，3dB調(diào)制帶寬為10.4GHz（該器件支持以22Gb/s的速率無誤差發(fā)送27-1個(gè)偽隨機(jī)數(shù)據(jù)）。科研人員分析了晶體管激光器輸入阻抗對(duì)光調(diào)制幅度（OMA）的影響，并且證明了短腔（200μm）器件與信號(hào)發(fā)生器的50Ω阻抗能實(shí)現(xiàn)較好的匹配。

加拿大艾伯塔大學(xué)埃德蒙頓電氣工程系的科研人員設(shè)計(jì)了一種簡易穩(wěn)定的新型方法可用于絕緣體上硅（SOI）芯片制造石墨烯波導(dǎo)，如圖3所示。該波導(dǎo)由石墨層覆蓋的硅芯組成，石墨烯的寬度與硅芯的寬度完全一致�？蒲腥藛T通過測試?yán)�曼光譜證明，石墨烯層在加工后仍然能保持高質(zhì)量；通過硅波導(dǎo)上的透射測量過程證明，橫向電（TE）模式的偏振相關(guān)傳播損耗為0.03dB/μm，橫向磁（TM）模式的偏振相關(guān)傳播損耗為0.07dB /μm。
 

圖3 石墨烯覆蓋的硅波導(dǎo)SEM成像示意圖

瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科研人員驗(yàn)證了采用非歸零（NRZ）碼調(diào)制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無誤碼（BER<10-12）的傳輸鏈路（采用850 nm 垂直腔面激光器（VCSEL），其工作速率為71Gb/s，發(fā)射器的結(jié)構(gòu)配置圖如圖4所示）。上述傳輸鏈路收發(fā)系統(tǒng)由130 nm具有2抽頭前饋均衡的BiCMOS驅(qū)動(dòng)器集成電路、帶寬為850 nm的VCSEL、表面發(fā)光的的砷化鎵（GaAs ）PIN 型光電二極管和130 nm的CMOS接收器集成電路組成。

 
圖4發(fā)射器的結(jié)構(gòu)配置圖

光調(diào)制與光信號(hào)處理
伊朗德黑蘭托西技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院的科研人員，設(shè)計(jì)了一種新型的全光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生40Gb/s的連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）信號(hào)（采用基于不對(duì)稱半導(dǎo)體光放大器的Mach-Zehnder干涉儀進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換），如圖5所示。科研人員使用光學(xué)鑒頻解調(diào)器檢測CPFSK信號(hào)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與直接生成的CPFSK相比，上述CPFSK信號(hào)提供了更大的正、負(fù)殘余色散容限。
 

圖5  NRZ-OOK到CPFSK格式轉(zhuǎn)換器示意圖

光纖技術(shù)
澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)機(jī)械與制造工程學(xué)院的科研人員分析了蝕刻單模聚合物光纖的重要性，并且實(shí)驗(yàn)論證了其在開發(fā)高靈敏度傳感器中的巨大潛力。科研人員將基于聚甲基丙烯酸甲酯的單模聚合物光纖以不同的直徑進(jìn)行蝕刻，在實(shí)驗(yàn)中觀察到蝕刻可以導(dǎo)致光纖材料性質(zhì)的變化（例如楊氏模量和熱膨脹系數(shù)的變化），這對(duì)于改善傳感器的固有感測能力具有至關(guān)重要的作用。為了證明蝕刻聚合物光纖的改性材料特性可以增強(qiáng)其固有的感測能力，科研人員研究了蝕刻聚合物光纖布拉格光柵的感測特性（感測特性包括應(yīng)變，溫度和壓力）。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與未蝕刻的聚合物光纖相比，基于蝕刻的聚合物光纖傳感器具有較高的檢測靈敏度，它在開發(fā)用于測量應(yīng)變和溫度的傳感器方面具有很大的應(yīng)用前景。

南京大學(xué)微結(jié)構(gòu)光子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校電氣工程系的科研人員設(shè)計(jì)了分布型八波長單片集成掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)的反饋激光器陣列（該激光器陣列具有四分之一波長等效相，具有2mm×250μm的芯片尺寸，激光通道間距設(shè)計(jì)為800 GHz（在1.3μm處約為4.6 nm））。該激光器陣列在寬注入電流范圍和不同的環(huán)境溫度下，都具有精確的波長控制和穩(wěn)定的單模激光操作優(yōu)勢。在65mA偏置電流下，該激光器的測量線寬為278 kHz。激光器陣列的發(fā)射波長可以在沒有模式跳躍的條件下連續(xù)調(diào)諧超過38.3nm，該方法為波分復(fù)用系統(tǒng)提供了一種集成激光器陣列制備的新方法。