随着第五代移动通信(5G)网络全面部署, 光通信产业进入到全面快速发展的阶段。根据数据中心光模块的市场需求, 光模块在未来必然向高速率和低价格方向发展。文章所研究的400 Gbit/s双密度四通道小型可插拔封装(QSFP-DD)光收发模块采用近高斯光束理论进行光路设计, 并通过ZEMAX软件进行光路仿真分析, 使用优化函数对球面参数进行优化, 最终得到耦合效率为74.8%, 分析不同偏移下的耦合效率以得到误差范围。对接触面的菲涅尔反射进行分析, 对比不同研磨角度下的器件性能以及模块高温传纤测试, 通过对比选择斜8 °进行适配。根据实验结果对比协议要求, 文章的光路设计搭配斜8 °的光纤可以很好地满足使用场景。

文章提出了一种微流控多功能器件, 利用介质上电润湿(EWOD)效应灵活改变进光能量, 可实现可变光圈、可变光衰减器和光开关等多个功能。其具有结构简单、体积小、操作简便、应用广且灵活和成本低等优点。文章分析讨论了所提微流控多功能器件的光学特性并做了结构优化。研究结果表明, 所提微流控多功能器件的插入损耗很小, 仅为0.014 dB; 液体可变光圈的通光孔径变化范围为0~0.506 mm; 可变光衰减器理论上具有0 ~100% 的可变衰减范围, 外加 91.1 V电压时的衰减量为40.2 dB; 微流控光开关无电压时处于“关”状态, 外加电压大于135 V时, 处于 “开”状态。

基于受激布里渊散射(SBS)效应的微波光子滤波器(MPF)不仅具有低阈值和高增益等优点, 而且具有可重构和可调谐的特性, 这些特点使得该滤波器引起了业内人士的广泛关注。文章通过对基于SBS的MPF的研究, 得到滤波器通带的规律, 带宽较大且通带较为平坦。用相位调制器(PM)与SBS效应相结合, 通过改变泵浦支路输入光梳的个数和频率间隔, 可以改变布里渊增益谱的带宽, 从而改变滤波器的通带带宽和形状, 即可实现滤波器带宽的可重构性。通过改变泵浦支路输入正弦信号的幅度就可以改变光梳的形状, 随之改变布里渊增益谱和滤波器的平坦度。文章使用仿真软件Optisystem与Matlab联合仿真并分析, 得到基于SBS效应形成MPF的规律和调谐方法。

针对验证光半波损失问题，文章提出了一种验证光半波损失的方案并进行了详细的理论推导和实验验证。该方案采用琼斯矩阵进行计算，分析了光场量子态的变化，计算了光在通过两种Sagnac干涉环后的出射情况，进而得到相位的π变化方案。该方案实验装置借助了由X型耦合器组成的Sagnac干涉环和附加偏振分束器与法拉第旋转镜组成的改进型Sagnac干涉环。实验结果表明，该方案结构简单，现象结果明显，得到的干涉对比度均达99%以上。

针对当前大多数随机数产生方案结构复杂和体积庞大的问题，文章从理论上提出并仿真论证了一种基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)模式跳变直接产生全光物理随机数的技术方案。通过方波调制信号周期性重启工作在双稳区域的VCSEL，并利用自发辐射噪声平衡两个偏振模式出射的不对称，可以直接实现随机数的产生。仿真结果表明，该方法可以直接产生速率为2.5 Gbit/s且随机性得到验证的物理随机数。该方案主要包含一个VCSEL，结构简单，为随机数发生器的光子集成问题提供了新的解决方案。

针对光纤表面等离子体共振传感普遍存在强度脆弱、灵敏度偏低及等离子体激发效率低下的问题, 文章将长周期光纤光栅作为辅助平台, 研究了表面等离子体共振传感器增强灵敏度的途径。在光纤光栅表面传感区域热蒸发一层金膜, 通过调谐输入光纤光栅部位的偏振光模式来实现对外传感性能的增强。选用氯化钠溶液作为外界折射率感应物质, 通过软件进行模拟仿真, 仿真结果表明, 镀金膜前后, 横磁波和横电波的透射功率在空气中分别衰减了4.3和0.3 dB, 在溶液中分别衰减了5.3和2.2 dB。在1.335~1.372溶液折射率变化范围内, 两种偏振光源的折射率灵敏度分别提升了18.7和12.9 nm/RIU。

针对电流调制半导体激光器的信号有限时同步传输问题设计了技术方案。文章首先对电流调制半导体激光器的特性进行了理论分析。在此基础上, 利用滑模控制方法设计了独特的滑模面和滑模控制器, 完成了电流调制半导体激光器对目标信号的有限时同步传输。研究结果表明, 该项技术不但能够保证电流调制半导体激光器在有限的时间内完成对目标信号的同步传输, 而且通过简单调节滑模面中的参量便可控制滑模面收敛的快慢。同时, 该项技术对目标信号没有任何限制。

在星间激光通信中，精跟踪单元常采用四象限探测器用于光斑位置定位，定位误差的大小直接影响精跟踪单元的测角精度。为实现微弧度量级的测角精度，文章研究了影响探测器定位误差的各个噪声因素，并根据星间光通信的实际情况进行了简化分析，提出了定位误差的具体计算方法，最后通过具体算例评估了各噪声因素的影响程度。研究结果表明，提高发射功率可以在一定范围内提高接收端信号的信噪比，减小定位误差，进而减小测角误差，提高测角精度。但定位误差并非随发射功率的增大而线性减小，当发射功率增大到一定程度之后，定位误差的减小有限，这时再单纯通过增大发射功率来提高测角精度代价将非常大。

为了获取优质的超短脉冲光源，文章将自相似脉冲与光栅对结合，通过数值模拟方法详细分析了自相似脉冲的演化和压缩过程。首先将半高全宽（FWHM）为1 ps、能量为45 pJ的高斯脉冲入射到色散渐减光纤中，产生具有强线性啁啾的自相似脉冲，然后利用光栅对对自相似脉冲进行啁啾补偿压缩，最终得到FWHM为80 fs、峰值功率为507.6 W的超短脉冲输出，压缩品质参量Q为0.96，压缩因子为12.5。在此基础上，文章又分析了色散渐减光纤中的三阶色散对光栅对压缩质量的影响，发现随着三阶色散的增加，压缩脉冲品质会显著降低。研究结果表明，当系统中三阶色散效应较小时，利用自相似脉冲与光栅对可得到高功率的超短脉冲。这一结果对超短脉冲的获取是有帮助的。

针对硅光芯片在应用中由于其模场较小存在耦合损耗较大的问题，文章利用一款硅光调制器芯片对其与单模光纤的耦合效率进行了研究。首先对模场匹配理论进行了分析，随后对硅光芯片以及耦合用的单模光纤进行了模场测试，提出了一种提高耦合效率的低成本耦合方式。实验结果表明，该单模光纤与硅光芯片的耦合效率达到70%。利用该方案制作了光组件并进行了四阶脉冲幅度调制 (PAM4)眼图测试，得到了较好的眼图。