8月PTL光通讯论文评析
发布时间：2005-09-16 09:01:53 热度：2091
作者 浙江大学 宋军博士
本期网络与系统的文章只有两篇，且和光通讯关系不大，因此仅对器件部分评析如下：
一、有源器件：
1、半导体激光器和光纤激光器：
本期快报，半导体激光器方面有价值的论文挺多。
先来看VCSEL激光器的研究：（1）已经多次提到将价格低、小功耗的VCSEL激光器用于1.3－1.5微米的长波段通讯是当前研究的目标。在这方面近来不乏优异的研究成果出现。但VCSEL相对较短的腔长，决定了其分布Bragg反射部分的反射率相对较低。因此长波VCSEL要想获得和分布反馈激光器相当的光束质量，必须加入隔离器等元件，无疑这增大了模块的成本。本期Corning公司的研究成果就有效解决了这一难题，制成了不需隔离器的高品质长波VCSEL（1.3微米），在10公里，10Gb/s的系统中实现了无误码传输；（2）相对于长波情况，短波大功率的VCSEL已经相对成熟，现有的研究致在改变输出光束质量。首先本期长春光机所的研究成果很有益，其特征在于在传统结构上加了一个额外的金层。金层的加入明显降低了远场发散角，极大的改善了远场光束质量。当然金层的加入也略降低了10％左右的输出功率；其次德国Ulm大学的研究者将大功率VCSEL和一浅刻蚀表明光栅单片集成在一起，可以使所有传输模式保持单偏振稳定输出；本期瑞典研究者的思想类似，也是使用表明光栅以改善850nmVCSEL激光器的输出质量，所不同的是还配合了较强的射频调制，获得了稳定的基模输出。
再来看面向于波分复用应用的半导体激光器：适合WDM的激光器实现方法有多种，从以往的文献来看，主要有利用拉曼放大的，利用半导体放大器（SOA）的，利用EDFA等方法。然而由于激光模式的均匀展宽，要获得稳定的模式输出并不容易。本期香港理工大学的研究者利用线性光放大器（LOA）制作了多波长激光器。这里LOA相对于SOA，主要区别在于其能对增益有一定的钳制作用，能够保证常数放大。当前商用的LOA主要是由Genoa公司提供的。简单介绍了LOA后就容易理解香港研究者的思路了，利用了LOA，获得的多波长输出应该可以获得更好的增益稳定度。在其以0.8nm间隔，在C＋L段共38个通道输出的稳定性测试中，连续工作三小时，峰值功率仅变化了0.2dB左右，性能相当可靠。
半导体激光器方面其他相关研究还有：（1）台湾交通大学的研究者利用电子垂直耦合的InAs–GaAs量子点，在1.3微米附近，实现了连续大带宽的输出；Itswell公司的研究者靠改水平电极为垂直电极，以及使用锡化铟氧化物电极，明显改进了GaN基LED的性能，其输出功率达到7mw左右；法国的研究者通过使用光子晶体波导获得了高度的单模输出。
光纤激光器方面的研究较少，比较有趣的研究有：
首先来看东京大学研究者的成果，其首次利用单壁纳米碳管（CNT）做为饱和吸收器制作了1.3微米的锁模脉冲光纤激光器，其增益光纤区掺入了镨离子。通常情况用来做饱和吸收器的都是半导体材料，这里改用CNT，一方面可以获得更短的脉冲输出，另一方面可以获得更稳定的模式和偏振输出。实际测试显示其脉冲重复频率达到3.18 MHz，谱半宽达到0.15nm。此外，新加坡的研究者使用高非线性的光子晶体光纤，利用四波混频效应，制得了多波长可调输出得掺铒光纤激光器，其稳定性和多波长间的均匀性都非常优秀。
2、光接收器：
首先，Princeton大学的研究者研制的单片集成光外差接收器很有意思。其基于一个非对称双波导结构，外延生长了输入光纤波导、分布Bragg反射光栅、3dB多模干涉耦合器、半导体光放大器和p-i-n结等部分。工作时，信号被耦合入光纤波导中后，经分布光栅振荡进入3dB耦合器，然后进入SOA/p-i-n结部分被探测。整个探测器具有宽带整流窄带放大的特点；Texas大学的研究者致力于雪崩二极管（APD）的研究，其通过p区，n区，以及In0 53Ga0 47As–In0 52Al0 48As多层叠加，并进行精密控制的轰击离子化操作，可以获得低噪声高速接受的APD；台湾中央大学的研究者则对PIN光电二极管做了改进研究，其在有源光吸收区加入载流子寿命较短的材料重组中心区域，极大改进了输出饱和电流，降低了电阻电容带宽限制；德国研究者则展示了其在塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基底上低温外延生长的砷化镓光电二极管，具有亚皮秒的响应时间。
3、其余有源器件还有：
悉尼大学的研究者基于自相位调制效应研制了带宽、波长可调的滤波器，可用于可重构光网络系统中，其最富有优势的特征是实现了零色散转换，其可调频率范围为41GHz到108GHz，可调波长范围为2nm；Glasgow大学的研究者对一非对称的马赫则德干涉仪做喷镀二氧化硅处理，获得量子阱结构。在量子阱作用下工作波长可以蓝移，从而提高了器件电光效率。这样在注入不同小电流的时候，一个参考臂的折射率变化会影响输出的消光比。从工作原理来看，可以实现波长可调的解复用功能。当调节消光波长发生0.8nm改变的时候，需要的注入电流仅0.6mA，其消光比也可达到27dB；Melbourne大学的研究者对半导体放大器输入信号偏振态与输入、输出功率间的关系做了分析，得出了一个与实验结果相符的简单理论模型；此外，台湾交通大学的研究者利用双折射效应提升偏振调制的效果，并利用其来完成波长转换工作，可以大大提高转换速度；最后，还是对波长转换器，New Mexico大学的研究者在基于砷化镓衬底生长有砷化铟量子点的分布反馈激光器里，利用非衰减的四波混频效应，来完成波长转换，这种方式具有相对较高的转换效率。
二、无源器件：
1、集成器件：
NTT在阵列波导光栅（AWG）的研究和运用上一直处于领先地位。本期NTT的研究者提供了监控AWG强度相位分布的一种方法。之所以要对其监控，主要是为了避免工艺误差对器件性能的影响。其监控方式其实很简单，就是在器件内部内嵌集成一个干涉仪，来完成对目标的频域测定。
在超净室中用半导体工艺制作波导，是一种投入大，相对复杂的技术。人们一直以来都在探索工艺简单，投入较低的波导制作工艺。到目前为止，离子交换波导、利用溶胶凝胶工艺制作的波导，紫外直写波导等都是被广泛研究的简便技术。本期快报就有来自Denmark大学的研究者关于紫外直写技术的研究。这回他们利用该技术写入迈克而逊干涉仪，并写入光栅做为反射镜，其整体结构相当紧凑稳定。利用该干涉仪，进行相位-强度调制转换，实现了信号交替反转码调制（即归零码）。实测已在40Gb/s的调制系统中成功运行，性能可靠。
多次提到SOI材料是面向光电单片集成的最佳候选材料。利用SOI材料研制的器件、对其脊形波导光学特性的分析每期都有很多研究成果。而在这方面，我国的上海微系统所具有一定领先地位，到目前为止，已经有不少研究成果在PTL上发表。本期，微系统所的研究者报导了其基于SOI材料设计制作的方向耦合器。由于使用了非对称的脊形波导结构，有效耦合长度缩减到了原来的一半，实测显示其插入损耗2.3dB，非均匀度0.2dB。还是基于SOI材料，本期快报还有来自我国半导体所余金中研究员所在研究小组的论文。他们设计制作了4×4的可重构热光开关面阵。其特征在于其热光开关和斑点尺寸转换器集成在一起，且设计上最小化了器件尺寸。器件性能也是有报导以来同类器件中最优秀的，其四个通道损耗和偏振相关损耗分别都低于10dB和0.8dB，消光比也大于20dB。响应速度上，上升和下降时间分别为4.6和1.9微秒。
此外本期集成器件理论上的一些研究基本上都是立足于光子晶体器件设计的，例如华中理工大学的研究者就对二维光子晶体的有效折射率对传播参数的依赖关系做了严格分析。分析中结构的各向异性和截至传输方向（折射率有虚部时）都可以被准确预估。这对光子晶体器件的设计是很有帮助的。
2、非集成器件：
本期来自Mexico的研究非常有意思。其利用一根渐变光纤（一根光纤中间一段被拉锥）并在渐变区涂上色散材料（如Cargille油）。这样，用非常简单的结构却制成了波长可调的频带边沿滤波器。其滤波波长可以在1150–1650 nm，共500nm的大波段内进行调节。调节的时候仅仅需要简单的改变交互作用长度、渐变区直径或色散材料等参数。可以说该器件是一种以最简单工艺实现广泛应用的器件。此外，三星电子的研究者把一个薄膜滤波器嵌入到一个方向耦合器当中，制成了具有三重滤波作用的滤波器。也可谓简单结构实现复杂性能的典范。
本期网络与系统的文章只有两篇，且和光通讯关系不大，因此仅对器件部分评析如下：
一、有源器件：
1、半导体激光器和光纤激光器：
本期快报，半导体激光器方面有价值的论文挺多。
先来看VCSEL激光器的研究：（1）已经多次提到将价格低、小功耗的VCSEL激光器用于1.3－1.5微米的长波段通讯是当前研究的目标。在这方面近来不乏优异的研究成果出现。但VCSEL相对较短的腔长，决定了其分布Bragg反射部分的反射率相对较低。因此长波VCSEL要想获得和分布反馈激光器相当的光束质量，必须加入隔离器等元件，无疑这增大了模块的成本。本期Corning公司的研究成果就有效解决了这一难题，制成了不需隔离器的高品质长波VCSEL（1.3微米），在10公里，10Gb/s的系统中实现了无误码传输；（2）相对于长波情况，短波大功率的VCSEL已经相对成熟，现有的研究致在改变输出光束质量。首先本期长春光机所的研究成果很有益，其特征在于在传统结构上加了一个额外的金层。金层的加入明显降低了远场发散角，极大的改善了远场光束质量。当然金层的加入也略降低了10％左右的输出功率；其次德国Ulm大学的研究者将大功率VCSEL和一浅刻蚀表明光栅单片集成在一起，可以使所有传输模式保持单偏振稳定输出；本期瑞典研究者的思想类似，也是使用表明光栅以改善850nmVCSEL激光器的输出质量，所不同的是还配合了较强的射频调制，获得了稳定的基模输出。
再来看面向于波分复用应用的半导体激光器：适合WDM的激光器实现方法有多种，从以往的文献来看，主要有利用拉曼放大的，利用半导体放大器（SOA）的，利用EDFA等方法。然而由于激光模式的均匀展宽，要获得稳定的模式输出并不容易。本期香港理工大学的研究者利用线性光放大器（LOA）制作了多波长激光器。这里LOA相对于SOA，主要区别在于其能对增益有一定的钳制作用，能够保证常数放大。当前商用的LOA主要是由Genoa公司提供的。简单介绍了LOA后就容易理解香港研究者的思路了，利用了LOA，获得的多波长输出应该可以获得更好的增益稳定度。在其以0.8nm间隔，在C＋L段共38个通道输出的稳定性测试中，连续工作三小时，峰值功率仅变化了0.2dB左右，性能相当可靠。
半导体激光器方面其他相关研究还有：（1）台湾交通大学的研究者利用电子垂直耦合的InAs–GaAs量子点，在1.3微米附近，实现了连续大带宽的输出；Itswell公司的研究者靠改水平电极为垂直电极，以及使用锡化铟氧化物电极，明显改进了GaN基LED的性能，其输出功率达到7mw左右；法国的研究者通过使用光子晶体波导获得了高度的单模输出。
光纤激光器方面的研究较少，比较有趣的研究有：
首先来看东京大学研究者的成果，其首次利用单壁纳米碳管（CNT）做为饱和吸收器制作了1.3微米的锁模脉冲光纤激光器，其增益光纤区掺入了镨离子。通常情况用来做饱和吸收器的都是半导体材料，这里改用CNT，一方面可以获得更短的脉冲输出，另一方面可以获得更稳定的模式和偏振输出。实际测试显示其脉冲重复频率达到3.18 MHz，谱半宽达到0.15nm。此外，新加坡的研究者使用高非线性的光子晶体光纤，利用四波混频效应，制得了多波长可调输出得掺铒光纤激光器，其稳定性和多波长间的均匀性都非常优秀。
2、光接收器：
首先，Princeton大学的研究者研制的单片集成光外差接收器很有意思。其基于一个非对称双波导结构，外延生长了输入光纤波导、分布Bragg反射光栅、3dB多模干涉耦合器、半导体光放大器和p-i-n结等部分。工作时，信号被耦合入光纤波导中后，经分布光栅振荡进入3dB耦合器，然后进入SOA/p-i-n结部分被探测。整个探测器具有宽带整流窄带放大的特点；Texas大学的研究者致力于雪崩二极管（APD）的研究，其通过p区，n区，以及In0 53Ga0 47As–In0 52Al0 48As多层叠加，并进行精密控制的轰击离子化操作，可以获得低噪声高速接受的APD；台湾中央大学的研究者则对PIN光电二极管做了改进研究，其在有源光吸收区加入载流子寿命较短的材料重组中心区域，极大改进了输出饱和电流，降低了电阻电容带宽限制；德国研究者则展示了其在塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基底上低温外延生长的砷化镓光电二极管，具有亚皮秒的响应时间。
3、其余有源器件还有：
悉尼大学的研究者基于自相位调制效应研制了带宽、波长可调的滤波器，可用于可重构光网络系统中，其最富有优势的特征是实现了零色散转换，其可调频率范围为41GHz到108GHz，可调波长范围为2nm；Glasgow大学的研究者对一非对称的马赫则德干涉仪做喷镀二氧化硅处理，获得量子阱结构。在量子阱作用下工作波长可以蓝移，从而提高了器件电光效率。这样在注入不同小电流的时候，一个参考臂的折射率变化会影响输出的消光比。从工作原理来看，可以实现波长可调的解复用功能。当调节消光波长发生0.8nm改变的时候，需要的注入电流仅0.6mA，其消光比也可达到27dB；Melbourne大学的研究者对半导体放大器输入信号偏振态与输入、输出功率间的关系做了分析，得出了一个与实验结果相符的简单理论模型；此外，台湾交通大学的研究者利用双折射效应提升偏振调制的效果，并利用其来完成波长转换工作，可以大大提高转换速度；最后，还是对波长转换器，New Mexico大学的研究者在基于砷化镓衬底生长有砷化铟量子点的分布反馈激光器里，利用非衰减的四波混频效应，来完成波长转换，这种方式具有相对较高的转换效率。
二、无源器件：
1、集成器件：
NTT在阵列波导光栅（AWG）的研究和运用上一直处于领先地位。本期NTT的研究者提供了监控AWG强度相位分布的一种方法。之所以要对其监控，主要是为了避免工艺误差对器件性能的影响。其监控方式其实很简单，就是在器件内部内嵌集成一个干涉仪，来完成对目标的频域测定。
在超净室中用半导体工艺制作波导，是一种投入大，相对复杂的技术。人们一直以来都在探索工艺简单，投入较低的波导制作工艺。到目前为止，离子交换波导、利用溶胶凝胶工艺制作的波导，紫外直写波导等都是被广泛研究的简便技术。本期快报就有来自Denmark大学的研究者关于紫外直写技术的研究。这回他们利用该技术写入迈克而逊干涉仪，并写入光栅做为反射镜，其整体结构相当紧凑稳定。利用该干涉仪，进行相位-强度调制转换，实现了信号交替反转码调制（即归零码）。实测已在40Gb/s的调制系统中成功运行，性能可靠。
多次提到SOI材料是面向光电单片集成的最佳候选材料。利用SOI材料研制的器件、对其脊形波导光学特性的分析每期都有很多研究成果。而在这方面，我国的上海微系统所具有一定领先地位，到目前为止，已经有不少研究成果在PTL上发表。本期，微系统所的研究者报导了其基于SOI材料设计制作的方向耦合器。由于使用了非对称的脊形波导结构，有效耦合长度缩减到了原来的一半，实测显示其插入损耗2.3dB，非均匀度0.2dB。还是基于SOI材料，本期快报还有来自我国半导体所余金中研究员所在研究小组的论文。他们设计制作了4×4的可重构热光开关面阵。其特征在于其热光开关和斑点尺寸转换器集成在一起，且设计上最小化了器件尺寸。器件性能也是有报导以来同类器件中最优秀的，其四个通道损耗和偏振相关损耗分别都低于10dB和0.8dB，消光比也大于20dB。响应速度上，上升和下降时间分别为4.6和1.9微秒。
此外本期集成器件理论上的一些研究基本上都是立足于光子晶体器件设计的，例如华中理工大学的研究者就对二维光子晶体的有效折射率对传播参数的依赖关系做了严格分析。分析中结构的各向异性和截至传输方向（折射率有虚部时）都可以被准确预估。这对光子晶体器件的设计是很有帮助的。
2、非集成器件：
本期来自Mexico的研究非常有意思。其利用一根渐变光纤（一根光纤中间一段被拉锥）并在渐变区涂上色散材料（如Cargille油）。这样，用非常简单的结构却制成了波长可调的频带边沿滤波器。其滤波波长可以在1150–1650 nm，共500nm的大波段内进行调节。调节的时候仅仅需要简单的改变交互作用长度、渐变区直径或色散材料等参数。可以说该器件是一种以最简单工艺实现广泛应用的器件。此外，三星电子的研究者把一个薄膜滤波器嵌入到一个方向耦合器当中，制成了具有三重滤波作用的滤波器。也可谓简单结构实现复杂性能的典范。
