2019年10月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
    2019年10月出版的PTL主要刊登了以下方向的一些文章，包括：有源器件、无源器件、光学传感器、光子系统、光子材料与制造技术等，笔者将逐一评析。
1. 有源器件
    北京大学光电技术重点实验室的Guanzhong Pan等研究人员使用金属网格技术来解决相干耦合垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列的电流扩展问题，能获取单个发射器之间均匀的近场光强度。他们在六角形19元素阵列（如图1所示）中实现了具有近衍射极限光束的同相模式操作。该阵列的测量光束宽度低至1.3°，仅约为衍射极限的1.08倍，并且它可在从中心到最大输出功率的中心叶中保持29.2％平均功率的较高比例。该技术为实现高光束质量的大面积同相相干耦合VCSEL阵列提供了一种替代方法[1]。

图1 （a）同相耦合注入定义的六角形19元素VCSEL阵列结构；（b）和（c）分别是传统框架接触阵列和金属栅格接触阵列注入孔中的电流密度分布

2. 无源器件
华中科技大学光电信息学院的Meng Huang等研究人员在硅芯光纤（SCF）平台上设计了全光纤集成的非线性波长转换器（NWC），如图2所示。该器件用于实现电信频带内基于四波混频（FWM）的转换，转换效率可达-22.1dB。他们使用仅约一厘米长的SCF实现了具有20Gb/s比特率的正交相移键控（QPSK）信号的波长转换，装置如图3所示。实验结果表明，调制信号在误码率（BER）为3.8×10−3情况下以1~2dB的代价水平进行转换，这也证明了硅光纤器件适用于超紧凑结构的全光纤光信号处理系统[2]。

图2 全光纤集成SCF-NWC系统

图3 支持QPSK信号的FWM波长转换实验装置

3. 光学传感器
哈尔滨工程大学的Shujie Duan等研究人员设计了一种高灵敏度的马赫曾德尔干涉仪（MZI）扭转传感器（如图4所示），用于检测扭转率和辨别扭转方向。该传感器由预扭锥级联多模光纤构件（MMFs）构成（MMFs由长度为3毫米的多模光纤组成）。预扭锥的作用主要是在单模光纤（SMF）中提供永久的螺旋变形。实验结果表明，在-π/3~π/3角度内，1453nm低谷和1586nm低谷处的波长漂移与扭转成线性关系；在0~9.97rad/m（逆时针）的扭转速率范围内，1453nm和1586nm低谷处的扭转灵敏度分别为-0.740nm/（rad/m）和-0.576nm/（rad/m）；相反，在0~9.97rad/m（顺时针）的扭转速率范围情况下，两个波长低谷处的扭转灵敏度分别为0.481 nm/（rad/m）和0.185 nm/（rad/m）。此外，在50~150℃范围内，1453nm和1586nm低谷处的波长漂移与温度也呈线性关系，温度灵敏度分别为49pm/℃和75pm/℃，也验证了该扭转传感器在测量扭转率和辨别扭转方向上的应用可行性[3]。


图4 传感器结构及模态传播

4. 光子系统
美国纽约IBM Thomas J. Watson研究中心的Benjamin G. Lee等研究人员设计了一种使用低分辨率数模转换器（DAC）在双调谐马赫-曾德尔开关（MZS）中实现相位微调的新装置，模具如图5（a）所示。它可以在未来的光子电路中节省大量的面积和成本；尤其是制备基于单片集成电子学和光子学的开关可能会受益，因为减小的DAC面积为光子学设计提供了更大的可控空间，并可能实现更大的开关半径。他们在由线性7位DAC驱动两个热光（TO）相位调谐器的MTS中进行了实验验证，测试装置如图5（b）所示。结果表明，该器件在使用该方法后的分辨率提高7倍以上，而功耗仅增加1.7%。该方法能够用于由TO和电光（EO）驱动的光子开关以及其它基于光子学的集成干涉仪[4]制备。

图5 （a）包含MZS试验场的模具图；（b）MTS测试装置

5. 光子材料与制造技术
清华大学的Xue-Qing Liu等研究人员设计了一种基于超光滑蓝宝石凹面微透镜阵列的均质器，用于将高通量脉冲激光束整形为平顶轮廓强度分布光束。蓝宝石凹面微透镜阵列通过干蚀刻辅助飞秒激光加工技术快速制成，表面粗糙度约为1.1 nm。由于蓝宝石玻璃在紫外到红外的波长范围内具有较高的透光率，他们在基于蓝宝石凹面微透镜阵列的均质器中成功对波长分别为266nm、532nm和808nm的激光束进行了均匀化实验，实验装置及原理分别如图6（a）、（b）所示。此外，该均质器具有蓝宝石激光损伤阈值高，凹形轮廓清晰和表面光滑度高等优点，并且对于通量小于5J/cm2的飞秒激光均质化的制备也具有应用优势[5]。


图6 （a）微透镜阵列进行光束均匀化的实验装置；（b）微透镜阵列进行光束均匀化的原理

参考文献
[1] Guanzhong Pan; Yiyang Xie; Chen Xu; Qiuhua Wang; et al. In-Phased Implant-Defined 
Hexagonal VCSEL Array with Near-Diffraction-Limited Beam [J]. IEEE Photonics Technology 
Letters, 2019, 31(20): 1647-1649. 
[2] Meng Huang; Haonan Ren; Ozan Aktas; Li Shen; et al. Fiber Integrated Wavelength 
Converter Based on a Silicon Core Fiber with a Nano-Spike Coupler [J]. IEEE Photonics 
Technology Letters, 2019, 31(19): 1561-1564.
[3] Shujie Duan; Xingyu Bai; Xiyuan Kang; Hang Du; et al. High Sensitive Torsion Sensor Based 
on Cascaded Pre-Twisted Taper and Multi-Mode Fiber Sheets [J]. IEEE Photonics Technology 
Letters, 2019, 31(19): 1588-1591.
[4] Benjamin G. Lee; Nicolas Dupuis; Jonathan E. Proesel; et al. Fine-Tuning of Mach–Zehnder 
Phase Using Low-Resolution Digital-to-Analog Converters [J]. IEEE Photonics Technology 
Letters, 2019, 31(19): 1573-1575.
[5] Xue-Qing Liu; Lei Yu; Qi-Dai Chen; Liang-cai Cao; et al. Sapphire Concave Microlens Arrays 
for High-Fluence Pulsed Laser Homogenization [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(20): 1615-1618.