07年02月PTL光通讯论文评析

   一、光网络与系统：

光纤微波通讯（RoF）： 
    随着移动通讯，特别是视频、移动上网等业务的不断发展，对无线通讯的容量要求也日益提高。混合无线与光纤的RoF系统，利用了微波和光纤通讯各自优势，将毫米波信号调制到光载波上，用光纤进行传输，再在各节点上用天线进行发射。这样的技术近来受到很多研究者的关注。本期以色列的研究者对具有波长交换功能的RoF系统进行了研究。作者的系统在中心站（CS）使用了可调激光器（TL）。信号到达CS，首先利用电子电路缓存，判断其目标基站（BS）位置，这里每个BS固定使用一个波长，由TL调节发射相应波长，将信号发射到目标BS传输。促使TL波长选择是靠CS部分电子电路发射触发信号来实现的。当发射相应波长后，先经过低通滤波器来限制谱宽，之后RF信号在放大后，通过外部调制加载在该光频上。经过光纤传输到目标节点位置，通过光纤光栅（FBG）和环路器将相应波长解复用，最后在将光信号转化为电信号处理。作者接着研究了TL在完成波长切换过程相应时间对Q因子的影响。发现要获得稳定的性能，两次波长切换的时间间隔必须大于140ns。同时作者也证明了两次波长切换不同波长间的串扰并不强烈。这支持了作者可以用TL实现RoF系统波长切换交换功能的观点。

WDM-PON： 
    高成本，特别是适合WDM多波长通道特性的光源成本较高，是限制WDM-PON实用化的关键因素。为了降低光源成本，很多研究者提出了“无色光源”的概念。即将WDM光源标准化，对不同的波长通道可以使用相同的光源，而通过其它一些办法来实时的对使用波长做出选择。目前已有的相关技术可归纳为三类：使用放大自发辐射注入的FP激光二级管、使用波长注入的反射式半导体光放大器（RSOA）和使用自注入式的RSOA。前两种必须使用大带宽的光源，第三种由于使用了AWG等器件，插入损耗较大。本期韩国三星的研究者建议使用限幅的RSOA，通过温度改变来实现“无色光源”。这里作者使用的RSOA不同于通常结构之处在于其在有源层加入了多层量子阱结构，目的是增强器件对温度的敏感性。作者通过偏压的改变来控制该单元温度在0到60摄氏度间变化，且以2度为步长。作者将该光发射器应用在了调制速率155Mb/s，传输距离25km，共32个通道的WDM-PON中，通过测试证明，误码率可以维持在10-10以下。

3R： 
    已有的脉冲再整形基于高非线性光纤环镜（NOLM）与半导体光放大器（SOA）来实现。但采用NOLM来实现脉冲再整形实验装置复杂，需要较高的输入光功率，且对信号偏振、光纤参数的依赖性也很高。而SOA是一有源器件，一般需要波长转换过程。这里法国的研究者建议使用饱和吸收器件来实现对高速脉冲的再整形，指出其显著优势为：无源工作、偏振不敏感、容易使用、驰豫时间短、成本低等。并且作者特别指出使用该方法做脉冲整形可以针对未来160Gb/s的高速网络。作者实验中使用的饱和吸收器是在七层InGaAs-InP量子阱的腹部制作了非对称的FP微腔。再使用金属氧化物气相外延工艺将Ni6+离子掺入，以便将载流子生命周期降低至几个皮秒左右。器件使用薄的银膜做后向反射镜，以两层介质的SiO2-TiO2做前向镜。实验测试中，作者先使用脉冲发生器生成80GHz的脉冲序列，通过耦合器分为两束，通过两束产生适当时延，再时分复用来生成160Gb/s的脉冲序列发射。其中一束连接可调光衰减器来人为的控制“鬼脉冲”的大小。信号经过光放大后，通过光环路器，环路器下端光由光纤入射到饱和吸收器上，由于器件后端有银膜，将信号返回，在光纤末端有光纤微透镜来收集光能量（插入损耗大约10dB左右）。这样信号再回到环路器进入探测端。作者考察了脉冲再整形效果与输入光功率的关系，证明当该功率在80mW左右能得到最佳的脉冲整形效果，抑制“0”的功率，而对“1”基本没有影响。

高速脉冲发射： 
    高重复率的飞秒脉冲在光通讯里有许多应用。目前很多研究者立足于AWG结构来实现这一功能。利用器件相邻阵列波导具有特定的长度差，进而可让输入脉冲在经过阵列波导后产生一定间隔的时延。不同研究者利用这种空间对时间的处理，结合其它一些辅助元件来实现各种分布的高重复率脉冲序列。本期Texas Tech大学的研究者利用反射式AWG（RAWG）和一相位掩膜来实现任意分布的超快脉冲序列发射。所谓RAWG就是只使用半个通常的AWG，而在中间使用反射镜，这通常是为了最小化器件结构而提出的，而用在其它扩展场合就可以在中间反射层加入很多其它元件来实现各种目的。这里作者先将相位掩膜贴在半个AWG的后面，再一起沉积银膜作为反射镜。这里的相位掩膜是在一块半导体材料上有规律的刻蚀一些槽，从而产生一些0和π相位交替分布的相位单元。在把这样的相位掩膜加在反射镜前方后，显然最终的脉冲输出会受到波导阵列干涉与相位阵列反射双重叠加的影响。即是通过相位掩膜对原脉冲序列分布产生影响，以获得特定分布的脉冲序列。而对脉冲分布的调节主要是通过0和π相位单元数目以及位置的变化来实现的。但从上面的介绍可以知道，作者的方法不是可调的。即要获得一定的脉冲分布，必须对应使用一个不同的相位掩膜。

波长转换： 
    常用的波长转换器，原理主要有三种，一是利用SOA的交叉增益调制或交叉相位调制效应，二是利用电吸收调制器（EAM）的光电效应，三是基于光纤中的四波混频效应。本期California大学的研究者报导了其基于EAM的波长转换系统，并对相关性能进行了测试。该系统被单片集成在一块半导体材料上，包括接收机和发射机两个模块。接收部分先对入射信号使用SOA进行两次放大，之后通过渐变波导将能量聚焦，照射在一具有双层量子阱结构的光电探测器（QW-PIN）上。检测信号再次被放大，进入发射机模块，由具有采样光栅的分布Bragg反射激光器（SGDBR）发射光载波信号，经过EAM单元调制，发射另一波长激光。这里SGDBR具有四段结构，且和EAM一起同时受到电压源和直流偏置的控制。来对发射波长进行控制。之后作者对这样系统的性能进行了测试分析，发现该系统偏振敏感，于是作者通过后期工艺，如再生长一些膜层来抵消这种效应。此外作者也证明通过对入射波长功率进行优化，能够获得最小的转换功耗，以及相对较大的消光比。

    二、有源器件：

    California大学的研究者研制了硅材料和三五族材料混合型的半导体光放大器，也就是光主要被约束在硅波导内传输，倏逝波尾巴脱在三五族材料里，被放大。显然这也是为了解决硅材料最适合光集成，而量子却效率差的矛盾，而提出的折衷解决方案。工艺上作者先制作了SOI的无源结构，再在另外在一块InP材料上制作有源量子阱结构。在低温下利用氧等离子体作用，可以将两块芯片贴在一起，再在300度的温度下退火，最后再结合两种不同气体的反应离子刻蚀操作，InP基底被移去，成了最终的混合型器件。该放大器能够对信号实现13dB的放大，其输出饱和功率在11dBm左右。

    台湾中央大学的研究者利用台湾半导体公司自主产权的0.18μm的CMOS工艺，制作了高速、高响应效率的硅光电二级管。现在工艺非常利于批量化、阵列化生产，且器件性能也是国际领先的；意大利的研究者采用InGaAs异质结结构，有源区采用了六层InAs量子点结构，实验上在15－85度的大温度范围内，实现了单横模的输出；Princeton大学的研究者使用离子束加工在量子级联激光器内制作了亚波长的光栅，大大降低了器件的端面反射。

    光纤器件方面，Georgia理工的研究者探讨了多模光纤做拉曼放大的可行性。作者认为多模光纤的拉曼增益是和通常单模光纤相当的。并且作者证明通过对GeO2浓度的调节可以有选择的对某个模式能量进行放大，这是很有趣的结果。

    三、无源器件：

    浙大的研究者在光子晶体光纤包层使用圆的空气洞，在芯层使用椭圆空气洞，获得了极高的双折射（大于0.01）和极低的光纤限制损耗（小于0.001dB/km）；台湾中山大学的研究者改进了传统多模干涉耦合器（MMI）的设计方法，采用分段式结构，在特定交叉耦合效率下，比传统设计能有效减小耦合长度，从而最小化器件尺寸。(作者浙江大学宋军博士)