1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205
【目的】为了应对不断增长的超千兆需求，从千兆走向万兆，从第五代固定网络（F5G）走向高级第五代固定网络（F5.5G），50 Gbit/s无源光网络（PON）被认为是F5.5G的重要组成部分。故文章针对当前接入网络发展状况，对50 Gbit/s PON技术进行了深入研究。
【方法】文章首先介绍了实现50 Gbit/s PON高灵敏度面临的困难，并提出了解决方案。方案中，50 Gbit/s的非归零（NRZ）信号通过雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）探测器，在强电场的作用下形成可被检测到的宏观电流，该电流通过跨阻放大器（TIA）放大并转换成电压输出。对其进行均衡处理，采用光数字信号处理（oDSP）芯片的前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）对脉冲信号的拖尾现象进行补偿后，再通过DFE将码间干扰的影响降到最低。接着重点分析了APD、TIA和oDSP等关键技术，并采用25与50 Gbit/s APD对接收性能进行比较。
【结果】两组实验测试结果显示，第1组实验25 Gbit/s APD在测试时间4 min内接收信号无误码，接收光功率为－8.48 dBm，当误码率（BER）为2.78e－2时，接收光功率达－26.61 dBm；在使用50 Gbit/s APD的情况下，4 min内接收信号无误码时，接收光功率为－8.97 dBm。当BER为2.78e－2时，接收光功率达到－27.05 dBm，第2组数据50 Gbit/s APD-2也达到了同样的实验效果。
【结论】50 Gbit/s APD接收灵敏度更高，性能更好，更适合使用在50 Gbit/s PON光模块中实现高性能接收。最后文章针对未来降成本方案在均衡技术与APD上的应用提出了可行性分析。
50 Gbit/s无源光网络 雪崩光电二极管 光数字信号处理 跨阻放大器 高性能接收 50 Gbit/s PON APD oDSP TIA high sensitivity reception 光通信研究
2024, 50(1): 23015001
1 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
3 北京空间机电研究所， 北京 100089
4 广州南沙光子感知技术研究院，广东 广州 511462
为了研制一种微小型、三轴测量的高灵敏度振动传感器，提出一种分立元件交错组合的超紧凑光纤光栅三轴振动传感器设计方法。采用分立元件组合设计方法降低了设计加工难度，与一体化设计对比，分立元件组合结构的零件结构简单、易于加工、结构设计也更为灵活，缩短了传感器结构的优化迭代周期。通过理论模型分析和有限元仿真，优化传感器结构参数，最终封装完成的尺寸为15 mm×15 mm×15 mm，质量约为24.26 g。最后进行实验测试和传感器性能分析。实验结果表明：该传感器的工作频段为0~1 200 Hz，在X、Y、Z轴方向的固有频率分别为1 850 Hz、1 770 Hz和1 860 Hz，三个轴向的灵敏度分别达到77.37 pm/g、80.73 pm/g和75.04 pm/g，横向抗干扰小于5%。该传感器满足航天振动测量轻量化、工作范围和灵敏度的应用需求，在遥感卫星微振动测量等领域具有重要应用前景。
光纤布拉格光栅 三轴振动传感器 微型化 高灵敏度 fiber Bragg grating triaxial vibration sensor microminiaturization high sensitivity 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230518
1 合肥工业大学光电技术研究院特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
提出了一种基于柔性超材料的高灵敏度拉力传感器，该超材料传感器由刻蚀在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面的多方形谐振单元的平面阵列组成。拉伸柔性PDMS薄膜会改变谐振单元的结构参数，进而使传感器的谐振频率产生变化。该超材料传感器可以同时实现应变或拉力的高灵敏度检测。同时，谐振结构中央的方形连接环起到了不对称分裂间隙的作用，激发了具有更高Q值的高阶谐振模式，实现了更高的频谱分辨率。实验结果表明，施加拉力从0增大至1.2 N时，结构尺寸拉伸率达到初始状态的1.2倍，超材料的谐振峰频率从109.23 GHz红移到99.42 GHz。该传感器可以实现8.43 GHz/N的高灵敏度拉力传感。耐久性测试表明在该样品的使用中至少可以经历100次拉伸-松弛循环。所提出的传感器具有灵敏度高、加工方便、成本低和无线测量的优点，具有潜在的应用价值。
传感器 拉力传感器 柔性 超材料 光谱 高灵敏度
1 中国环境科学研究院清洁生产与循环经济中心, 北京 100012北京师范大学水科学研究院, 北京 100875
2 中国环境科学研究院清洁生产与循环经济中心, 北京 100012同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
3 北京 100012同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
4 中国环境科学研究院清洁生产与循环经济中心, 北京 100012
六价铬［Cr(Ⅵ)］在水环境中有严重的毒性和迁移性, 尤其工业过程中的高浓度Cr(Ⅵ), 对环境和人体健康有严重的危害。 建立一种准确、 快速且实用的高浓度Cr(Ⅵ)溶液测定方法尤为重要。 描述了一种基于光程优化的紫外可见分光光度法直接测定溶液的新方法, 该方法聚焦于不同光程条件下, 测定Cr(Ⅵ)溶液的浓度范围和灵敏度研究。 结果表明, 通过改变光程(1, 5, 10, 30, 50, 100 mm), Cr(Ⅵ)溶液的线性浓度测定范围增加到1 500 mg·L-1(国标方法为1 mg·L-1); 光程从1 mm增加到100 mm, 测定灵敏度增加了100.3倍(从0.001 6 L·mg-1增加到0.161 5 L·mg-1)。 同时, 进行了光程优化方法的建立, 在保证准确度的前提下, 使得不同浓度在不同光程的测定条件下具有最高的灵敏度。 研究结果表明, 在Cr(Ⅵ)与三价铬［Cr(Ⅲ)］、 铁离子［Fe(Ⅲ)］、 铜离子［Cu(Ⅱ)］、 镍离子［Ni(Ⅱ)］以一定比例共存的条件下, 该方法有较好的抗离子干扰性能, 且测定结果的准确度几乎不受温度变化影响(5～30 ℃), 并成功地将该方法应用于实际电镀废水样品中高浓度Cr(Ⅵ)的分析。 与其他常见的Cr(Ⅵ)溶液测定方法相比, 该方法显示出更宽泛的线性浓度范围(0.003 96～1 500 mg·L-1)、 更高的高浓度Cr(Ⅵ)溶液分析准确度和很短的测定时间(1.5 min)。 该方法在工业过程中Cr(Ⅵ)溶液的污染控制和环境分析监测方面具有良好的应用前景。
六价铬［Cr(Ⅵ)］ 紫外可见分光光度法 光程优化 高浓度 高灵敏度 Chromium(Ⅵ) Direct spectrophotometry Optical path optimization High-concentration High sensitivity 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1829
北京信息科技大学 理学院，北京 海淀 100192
为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB，发射带宽为170 kHz，接收灵敏度最高达到-173.7 dB，接收带宽为110 kHz，-6 dB波束开角为8.1°。
宽带 高灵敏 机电等效 水声换能器 制备工艺 压电材料 broadband high-sensitivity electromechanical equivalence hydroacoustic transducer preparation process piezoelectric materials
1 首都师范大学物理系, 北京 100048
2 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
本文设计了一种非对称金属十字单元结构, 该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大, 限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率, 故通过打破传统金属十字结构的对称性, 引入类Fano共振效应, 从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU, 传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布, 探究了Fano共振效应的物理机制, 并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响, 通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后, 设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。
太赫兹 超表面 高灵敏度 高品质因子 非对称结构 Fano共振 结构优化 terahertz metasurface high sensitivity high quality factor asymmetric structure Fano resonance structure optimization
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
本文提出并研究了一种基于干涉增强型混合光波导（IE-HOW）的高灵敏折射率传感器。IE-HOW包括微纳U型光波导与微瓶腔，通过光纤熔融拉锥以及电弧放电方法制备并级联而成。基于强倏逝场效应，实现了对折射率的高灵敏传感测试。实验结果表明，当微纳U型光纤锥区直径为4.88 μm时，IE-HOW的折射率灵敏度相比于普通单个无干涉增强微纳U型光波导提高了3倍，高达8813.26 nm/RIU（灵敏度单位），线性度R2>0.9。该传感器具有灵敏度高、损耗低、结构紧凑、稳定性好等优点，在环境监测、生化检测、临床诊断等领域有着广阔的应用前景。
干涉增强型混合光波导 光纤折射率传感 倏逝场效应 高灵敏度 光学学报
2023, 43(22): 2206004
1 西安交通大学生命科学与技术学院生物医学光子学与传感研究所，生物医学信息工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学食品装备科学与技术学院，陕西 西安 710049
随着社会的发展，人类对疾病标志物、食品有害因子、环境污染物等的高灵敏和高特异性检测需求不断增长。基于表面等离子体共振（SPR）的传感器作为一种无标记、灵敏度高、可用于实时检测的生物传感器，在检测各类生物化学分子方面展现出了巨大的应用潜力。本文总结了近年来常用或正在快速发展的5种SPR传感器调制方式，在每种调制方式研究现状的基础上，根据近年来增强SPR传感器的研究，从纳米材料敏化和传感器结构优化两个方面总结讨论了增强传感信号的方法，以克服传统SPR传感器灵敏度较低且难以检测低浓度、低相对分子质量物质的缺点。
表面光学 表面等离子体 表面等离子体共振 生物分子检测 高灵敏检测 传感器增敏策略 中国激光
2023, 50(21): 2107402
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
提出并研究了基于光反射式耦合探针（ORCP）的高灵敏曲率和振动双参量传感器。ORCP通过光纤熔融拉锥、耦合结合垂直切割方法制备而成，尺寸为mm级别。将弯曲或振动信号施加于ORCP悬臂耦合区域，改变干涉超模的模场分布以及折射率，引起反射光谱波长或强度偏移，实现对曲率和振动两种物理量的高灵敏度测试。其中，曲率灵敏度高达11.97 nm/m-1，响应范围为0~10.49 m-1，线性度大于0.98。振动灵敏度为0.72 mV/V@80 kHz，超宽带振动频率响应范围为185 Hz~20 MHz，具有高保真度以及高线性度，信噪比达到~53.56 dB。此外，该传感器可实现阻尼振动信号的检测以及声音识别。所提基于ORCP曲率和振动传感器具有灵敏度高、响应范围宽、线性度好、稳定性高、保真度高等优势，探针尺寸为mm级别，结构紧凑，支撑其在油田、煤矿等受限空间与恶劣环境领域中的潜在应用，有望实现基础设施突发事件潜在威胁的预测以及微小裂缝的检测。
光反射式耦合探针 光纤传感 高灵敏度 曲率 振动 光学学报
2023, 43(21): 2128001
