2018 年5月JLT光通信论文评析
发布时间：2018-07-11 15:14:38 热度：1545
7/11/2018，光纤在线特约编辑：邵宇丰 季幸平
2018年5月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
来自华侨大学、亚特兰大乔治亚理工学院的科研人员，设计并实验验证了一种极高吞吐量的相干超密集波分复用无源光网络（UDWDM-PON）系统，其中使用了奈奎斯特独立边带（N-ISB）调制技术有效增强了带宽效率（其中的光线路终端（OLT）具有75个下行链路光子副载波，每个副载波可以调制多达16到10Gb / s的N-ISB数字信道，而且仅使用一组光发射机硬件便可以有效生成副载波）。实验研究结果表明，所设计的UDWDM-PON系统能够容纳1200个10G用户，光分配网络损耗预算为35.5dB，总吞吐量达到12Tb/s，频谱效率为5.628bit/s/Hz。此外，科研人员还对PON系统中的N-ISB调制、锁频光学多载波产生和数字预均衡等关键技术进行了实验研究和验证。
中国台湾纳米技术与微系统工程研究所的科研人员设计了基于ZnO的纳米棒紫外探测器的结构，并采用蒸汽冷凝系统生长技术在蓝宝石衬底上实验了该结构的制备。为了研究光电探测器的内部增益机制，科研人员设置了不同的光化学钝化时间和不同的环境，并对ZnO的纳米棒进行操作以改变存在于纳米棒侧壁表面上的缺陷密度，由此得到内部增益的机制（这是因为侧壁表面缺陷和吸收的氧分子将引起ZnO基纳米棒的表面带弯曲效应）。采用光电化学钝化工艺处理2分钟后的ZnO基纳米棒紫外光电探测器，能获得3.25×1015 cmHz1 /2W-1的检测灵敏度。
图1纳米棒紫外光电探测器的结构示意图
燕山大学理学院材料科学与技术重点实验室的科研人员采用有限元方法对基于磁流体选择性填充光子晶体光纤的磁场传感器进行了设计分析（采用一个包层气孔渗入磁性流体并作为缺陷核芯）。他们发现：当满足相位匹配条件时，采用耦合缺陷核芯的光源时，核芯模式的禁闭损耗便会突然增加，同时检测灵敏度和品质因数也将进一步提升。科研人员所设计的磁性流体选择性地填充了体积小，灵敏度高，品质因数高的光子晶体光纤，该晶体光纤适用于磁场传感器的应用。
香港科技大学电子与计算机工程系的科研人员，采用有机金属气相外延方法实验研究了InAlGaAs / InAlAs多量子阱（MQW）的生长和表征特性。与在参考平面InP衬底上生长的相同结构相比较不同的是该MQW是在硅（Si）上约1310nm波长处制备。科研人员还根据室温下Si上MQW的光致发光过程得到了相关线宽和内部量子效率。科研人员在硅衬底上设计了一个带有中间层的InP缓冲区，并研究了通过三个应变InGaAs中间层过滤后相关横截面的透射特性。实验研究结果表明，在InP-on-Si模板上生长的高质量MQW结构可在Si平台上实现III-V族光子器件的集成应用。
无源和有源光子器件
比利时根特大学信息技术研究院的科研人员设计了一个支持25Gb/s和40Gb/s信号传输的低功耗互阻抗放大器（TIA）。科研人员采用响应度为0.55A/w的光电二极管，在25Gb/s时TIA具有-10.6dBm的光强度检测灵敏度，在40Gb/s时TIA具有-6.4 dBm的光强度检测灵敏度（使用2.5 V电源，TIA的功耗是158mW）。科研人员采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺制造TIA。与现有技术相比，在25Gb/s传输速率下，TIA具有与现有器件类似的功耗，而在40Gb/s传输速率下，TIA的功耗比现有技术低。
荷兰代尔夫特理工大学电气工程学院的科研人员设计了一种基于多个P+/N阱结的并由标准互补金属氧化物半导体（CMOS）技术支持的硅雪崩光电探测器（APD）。科研人员采用了加速技术解决CMOS-APD的带宽限制问题。该加速技术的使用，使得外在电场加速了电荷中性N阱区域中的光生载体运动过程。科研人员为了诱发N阱内部的非本征电场，设计了具有多个结的CMOS-APD以减小两个不同N阱偏置触点之间的距离；科研人员还设置了不同的偏置电压到N阱来模拟和测量CMOS-APD的性能以证明了加速技术可以实现更高带宽的测量过程。
瑞典皇家理工学院信息与通信技术学院的科研人员采用外延再生长工艺将基于AlGaAs /GaAs异质结双极型晶体管与InGaAs/GaAs 垂直腔面发光晶体管激光器（VCSEL）进行融合以实现pnp型VCSEL的优化过程。通过在基极区域的适当设计可以设置晶体管的有效工作范围远远超过其激光阈值以获得典型晶体管激光器的工作特性（其中包括毫瓦量级范围的输出功率，毫安量级范围的基极阈值电流）。科研人员研究表明，在高基极电流和/或发射极-集电极电压的限制下，伴随着光输出功率的猝灭，集电极被击穿，该现象与量子阱带填充有关。
新加坡微电子技术研究所的科研人员设计了基于光子波导的迈克尔逊干涉仪（MI）的光子热传感器（尺寸仅为120μm×80μm）。在1550 nm波长处，该超紧凑型MI装置具有近乎线性的温度响应（其灵敏度为113.7 pm /ºC，比传统光纤热传感器的灵敏度高出约20倍）。上述光子热传感器采用标准CMOS工艺制造，同时通过采用先进的封装技术，科研人员使其具有较高的热稳定性和机械稳定性（在13°C至95°C的温度范围内功率变化小于0.1 dB），从而使其具有广泛的应用前景。
南威尔士大学计算工程与科学学院的科研人员发现频率扫描干涉法是一种常见的技术可用于测量距离。然而，有限测量时间内光程长度的变化严重限制了该方法在现实环境中的实际应用。因此，科研人员设计了一种新方法，即采用四波混频技术来产生次级扫频源。该方法极大地降低了成本耗费，并解决了双激光系统经常遇到的同步问题。科研人员已经构建并测试了原型系统，针对光程长度的变化进行了测试，证明了该技术能够解决实际工业应用中的距离测量问题。
来自上海中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室的科研人员设计了一种全光纤被动调Q 掺杂TM3+的亚碲酸盐光纤激光器。复合亚碲酸盐光纤可专门用于需要高机械强度光纤链路的场景；碳纳米管（CNTs）和半导体可饱和吸收镜（SESAM）也能作为可饱和吸收体分别插入激光腔中实现光纤集成。科研人员在9厘米短距的亚碲酸盐光纤中通过1.59μm的带内泵浦过程搭建了1.86μm无自锁模效应的脉冲激光器；在持续860ns的CNT脉冲激光器中能获得84mW的平均输出功率。
图4 基于FBG制备的实验装置示意图
南开大学信息科学与技术教育部重点实验室和现代光学研究所的科研人员设计了一种新型光纤光栅矢量弯曲传感器头部结构。科研人员通过采用不断增加角度的方法使得光栅平面倾斜，从而将非对称特征设计体现到传感器头部的设计过程中（他们使用高频CO2激光器来制造传感器头部）。
图5 基于光纤光栅设计的弯曲传感器头部结构装置[/center]
2018年5月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
来自华侨大学、亚特兰大乔治亚理工学院的科研人员，设计并实验验证了一种极高吞吐量的相干超密集波分复用无源光网络（UDWDM-PON）系统，其中使用了奈奎斯特独立边带（N-ISB）调制技术有效增强了带宽效率（其中的光线路终端（OLT）具有75个下行链路光子副载波，每个副载波可以调制多达16到10Gb / s的N-ISB数字信道，而且仅使用一组光发射机硬件便可以有效生成副载波）。实验研究结果表明，所设计的UDWDM-PON系统能够容纳1200个10G用户，光分配网络损耗预算为35.5dB，总吞吐量达到12Tb/s，频谱效率为5.628bit/s/Hz。此外，科研人员还对PON系统中的N-ISB调制、锁频光学多载波产生和数字预均衡等关键技术进行了实验研究和验证。
中国台湾纳米技术与微系统工程研究所的科研人员设计了基于ZnO的纳米棒紫外探测器的结构，并采用蒸汽冷凝系统生长技术在蓝宝石衬底上实验了该结构的制备。为了研究光电探测器的内部增益机制，科研人员设置了不同的光化学钝化时间和不同的环境，并对ZnO的纳米棒进行操作以改变存在于纳米棒侧壁表面上的缺陷密度，由此得到内部增益的机制（这是因为侧壁表面缺陷和吸收的氧分子将引起ZnO基纳米棒的表面带弯曲效应）。采用光电化学钝化工艺处理2分钟后的ZnO基纳米棒紫外光电探测器，能获得3.25×1015 cmHz1 /2W-1的检测灵敏度。
图1纳米棒紫外光电探测器的结构示意图
燕山大学理学院材料科学与技术重点实验室的科研人员采用有限元方法对基于磁流体选择性填充光子晶体光纤的磁场传感器进行了设计分析（采用一个包层气孔渗入磁性流体并作为缺陷核芯）。他们发现：当满足相位匹配条件时，采用耦合缺陷核芯的光源时，核芯模式的禁闭损耗便会突然增加，同时检测灵敏度和品质因数也将进一步提升。科研人员所设计的磁性流体选择性地填充了体积小，灵敏度高，品质因数高的光子晶体光纤，该晶体光纤适用于磁场传感器的应用。
香港科技大学电子与计算机工程系的科研人员，采用有机金属气相外延方法实验研究了InAlGaAs / InAlAs多量子阱（MQW）的生长和表征特性。与在参考平面InP衬底上生长的相同结构相比较不同的是该MQW是在硅（Si）上约1310nm波长处制备。科研人员还根据室温下Si上MQW的光致发光过程得到了相关线宽和内部量子效率。科研人员在硅衬底上设计了一个带有中间层的InP缓冲区，并研究了通过三个应变InGaAs中间层过滤后相关横截面的透射特性。实验研究结果表明，在InP-on-Si模板上生长的高质量MQW结构可在Si平台上实现III-V族光子器件的集成应用。
无源和有源光子器件
比利时根特大学信息技术研究院的科研人员设计了一个支持25Gb/s和40Gb/s信号传输的低功耗互阻抗放大器（TIA）。科研人员采用响应度为0.55A/w的光电二极管，在25Gb/s时TIA具有-10.6dBm的光强度检测灵敏度，在40Gb/s时TIA具有-6.4 dBm的光强度检测灵敏度（使用2.5 V电源，TIA的功耗是158mW）。科研人员采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺制造TIA。与现有技术相比，在25Gb/s传输速率下，TIA具有与现有器件类似的功耗，而在40Gb/s传输速率下，TIA的功耗比现有技术低。
荷兰代尔夫特理工大学电气工程学院的科研人员设计了一种基于多个P+/N阱结的并由标准互补金属氧化物半导体（CMOS）技术支持的硅雪崩光电探测器（APD）。科研人员采用了加速技术解决CMOS-APD的带宽限制问题。该加速技术的使用，使得外在电场加速了电荷中性N阱区域中的光生载体运动过程。科研人员为了诱发N阱内部的非本征电场，设计了具有多个结的CMOS-APD以减小两个不同N阱偏置触点之间的距离；科研人员还设置了不同的偏置电压到N阱来模拟和测量CMOS-APD的性能以证明了加速技术可以实现更高带宽的测量过程。
瑞典皇家理工学院信息与通信技术学院的科研人员采用外延再生长工艺将基于AlGaAs /GaAs异质结双极型晶体管与InGaAs/GaAs 垂直腔面发光晶体管激光器（VCSEL）进行融合以实现pnp型VCSEL的优化过程。通过在基极区域的适当设计可以设置晶体管的有效工作范围远远超过其激光阈值以获得典型晶体管激光器的工作特性（其中包括毫瓦量级范围的输出功率，毫安量级范围的基极阈值电流）。科研人员研究表明，在高基极电流和/或发射极-集电极电压的限制下，伴随着光输出功率的猝灭，集电极被击穿，该现象与量子阱带填充有关。
新加坡微电子技术研究所的科研人员设计了基于光子波导的迈克尔逊干涉仪（MI）的光子热传感器（尺寸仅为120μm×80μm）。在1550 nm波长处，该超紧凑型MI装置具有近乎线性的温度响应（其灵敏度为113.7 pm /ºC，比传统光纤热传感器的灵敏度高出约20倍）。上述光子热传感器采用标准CMOS工艺制造，同时通过采用先进的封装技术，科研人员使其具有较高的热稳定性和机械稳定性（在13°C至95°C的温度范围内功率变化小于0.1 dB），从而使其具有广泛的应用前景。
南威尔士大学计算工程与科学学院的科研人员发现频率扫描干涉法是一种常见的技术可用于测量距离。然而，有限测量时间内光程长度的变化严重限制了该方法在现实环境中的实际应用。因此，科研人员设计了一种新方法，即采用四波混频技术来产生次级扫频源。该方法极大地降低了成本耗费，并解决了双激光系统经常遇到的同步问题。科研人员已经构建并测试了原型系统，针对光程长度的变化进行了测试，证明了该技术能够解决实际工业应用中的距离测量问题。
来自上海中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室的科研人员设计了一种全光纤被动调Q 掺杂TM3+的亚碲酸盐光纤激光器。复合亚碲酸盐光纤可专门用于需要高机械强度光纤链路的场景；碳纳米管（CNTs）和半导体可饱和吸收镜（SESAM）也能作为可饱和吸收体分别插入激光腔中实现光纤集成。科研人员在9厘米短距的亚碲酸盐光纤中通过1.59μm的带内泵浦过程搭建了1.86μm无自锁模效应的脉冲激光器；在持续860ns的CNT脉冲激光器中能获得84mW的平均输出功率。
图4 基于FBG制备的实验装置示意图
南开大学信息科学与技术教育部重点实验室和现代光学研究所的科研人员设计了一种新型光纤光栅矢量弯曲传感器头部结构。科研人员通过采用不断增加角度的方法使得光栅平面倾斜，从而将非对称特征设计体现到传感器头部的设计过程中（他们使用高频CO2激光器来制造传感器头部）。
图5 基于光纤光栅设计的弯曲传感器头部结构装置[/center]
