2020年4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
    5/12/2020，光纤在线讯，2020年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、发光二极管、光纤转换器、激光调制器、光纤传感器等，笔者将逐一评析。

1 激光器

    德国莱布尼茨联合会费迪南德布劳恩研究所的Martin Wilkens等研究人员改进了双不对称外延设计的脊形波导激光器的设计，让其在保持高效率和光束质量的条件下进一步提升发射功率。研究人员增加了泵浦面积以减小整体串联电阻的影响，并引入了横向模式滤波器用以改善对高阶横向模式的抑制，使其能够在单模式下高功率工作，设计方案如图1所示。研究结果显示，在腔长为4mm的情况下，功率为1W时效率为67％，功率为1.5W时效率为65％；在腔长为6mm的情况下，功率为2W时效率为59％，功率为2.5W时效率大于55％。若在前端面再增加25 μm的横向波导宽度，可以在输出功率为2.5 W时具备60％的效率，而光束质量几乎不受影响；并且在此情况，该脊形波导激光器仍拥有超过3000小时的使用寿命[1]。


图1 横向-纵向波导设计方案

2 发光二极管

    新墨西哥大学的Arman Rashidi等研究人员基于线性锥形波导设计在非极性m面GaN衬底上制备了新型超级发光二极管(SLD), 该SLD在30kA / cm2电流密度下可实现2.5 GHz的3dB调制带宽，3D示意图如图2所示。研究人员解释了调制带宽行为随电流密度和增益变化的物理原理，锥形波导设计有效地抑制了激光发射过程；该设计有助于降低SLD输出面上的光功率密度，并通过引入反向传播损耗来降低光反馈和提升在各种电流密度下的发光性能。研究表明，使用锥形波导设计具备在高电流密度下操作SLD而不发生激射的能力，厚非极性有源区的线性增益则有助于提高性能，线性锥度设计通过在空腔中引入用于后向传播波的传播损耗，还有助于在大电流密度范围内提升发光性能[2]。

图2 新型超级发光二极管的3D示意图

3光纤转换器

    华中科技大学的Zhen Li等研究人员设计了一种基于反锥阵列的高效模式转换器，该转换器由反锥形阵列、级联y结和波导交叉以及控制模式转换状态的加热器组成，如图3所示。该转换器具有直接模式耦合功能，在基本模式和一阶模式下都可以直接进行光纤和芯片耦合和转换，无需额外的模式复用器/解复用器。研究表明，该转换器能实现光纤与芯片之间通过直接耦合模式进行转换，可以避免多路复用(Mux)或多路分配(DeMux)过程中冗余模式的产生；而且，该转换器的耦合效率高于−7dB，最佳模态串扰低于−15dB，且1dB带宽大于100nm[3]。

[center]
图3 (a)转换器示意图 (b)模式纤维 (c)锥形波导管 (d)Y型结构

4 激光调制器

    德国杜塞尔多夫华为技术有限公司研究中心的Ivan N. Cano等研究人员采用双驱动常规电吸收激光调制器（EML）在O波段以25Gb /s速率传输光信号20km后实现了+7 dBm的输出功率，同时保持了高消光比（≥9 dB）和高掩模余量，实验装置如图4所示。研究人员分析了激光调制电吸收调制激光器（LM-EML），通过使用LM-EML对分布式EML的分布式反馈激光器（DFB）和EAM进行幅度调制，从而减少EAM中的吸收饱和效应。研究表明，LM-EML的接收器灵敏度对EAM偏置具有较高容忍度，指出掩模冲突是使用该器件实现更高输出功率的主要限制。与传统EML工作模式相比，使用LM-EML时，调制输出功率增加了3dB，在MM≥10％的情况下光路损耗(OPP)可以忽略不计[4]。


图4 实验装置

5 光纤传感器

    印度技术学院的Akhilesh Kumar Pathak等研究人员设计了一种基于高灵敏度表面等离子体共振（SPR）的凹形折射传感器（CSRIS）。该传感器采用波长询问模式工作，并配备凹形微流体通道（CSMFC）辅助银纳米线。波长询问模式用于约束损耗和优化结构参数。凹形传感器利用芯导模之间的SPR效应测量分析物折射率的变化；SPR效应效应指存在p偏振光辐射情况下，导电电子将在金属-电介质界面处形成共振振荡。该传感器基于标准单模光纤设计，在靠近光纤纤芯D形边缘上有微通道，CSMFC恰好位于纤芯上方，剖面图如图5所示。研究表明，该传感器对于折射率在1.33到1.38之间的光纤，具有1.073×10−5 RIU的高分辨率，其波长和振幅灵敏度值分别为9314.28 nm/RIU和1494 RIU−1[5]


图5 凹形折射传感器的剖面

参考文献

[1] M. Wilkens et al., "Highly Efficient High-Brightness 970-nm Ridge Waveguide Lasers," in IEEE Photonics Technology Letters, 
vol. 32, no. 7, pp. 406-409, 1 April1, 2020.

[2] A. Rashidi et al., "High-Speed Nonpolar InGaN/GaN Superluminescent Diode With 2.5 GHz Modulation Bandwidth," 
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 7, pp. 383-386, 1 April1, 2020.

[3] Z. Li, Y. Lai, Y. Yu and X. Zhang, "Reconfigurable Fiber-Chip Mode Converter With Efficient Multi-Mode Coupling Function,"
 in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 7, pp. 371-374, 1 April1, 2020.

[4] I. N. Cano, D. Nesset and R. Brenot, "25-Gb/s Laser Modulated EML With High Output Power," in IEEE Photonics Technology Letters, 
vol. 32, no. 8, pp. 489-491, 15 April15, 2020.

[5] A. K. Pathak and V. K. Singh, "SPR Based Optical Fiber Refractive Index Sensor Using Silver Nanowire Assisted CSMFC," 
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 8, pp. 465-468, 15 April15, 2020.