2010年05月01日PTL光通信论文(一)

2010年05月01日PTL光通信论文
                ——邵宇丰评析
2010年5月1日出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体有机激光器和放大器、传输和光波导、无源器件、波长转换、测量技术、传感器、光电探测和光电接收技术、模拟和射频光子学、网络及子系统，笔者将逐一评析。
 
1、 半导体有机激光器和放大器
垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列在业界有许多有意思的应用，主要体现在高速并行数据传输、光互连和高功率光泵浦等方面的应用。与此同时，考虑到密集封装的垂直腔表面发射激光器阵列具有非常高的输出光功率，这将在垂直腔表面发射激光器阵列中增加每个元器件的耦合热量，并且这种限制将导致对垂直腔表面发射激光器阵列的研究进展变得更加缓慢。垂直腔表面发射激光器阵列的出射激光表现可以出一些典型的热光效应，例如由热透镜和增益压缩产生的自聚焦效应，以及由垂直腔表面发射激光器阵列中的热耦合产生的光串扰现象。来自美国南哈德利麻萨诸塞州曼荷莲女子学院物理系的研究人员提出并报道了一种新型采用不接触的方法在垂直腔表面发射激光器阵列中进行成像热量的扩散技术。采用基于热反射比的完全耦合设备（CCD）实现二维垂直腔表面发射激光器阵列热成型的方法被研究人员解决了。研究人员提出的这一技术提供了高空间分辨率（250nm）和热量比（10mK），而且这一技术能在单个垂直腔表面发射激光器内部和垂直腔表面发射激光器阵列的热耦合中有效测量其中的温度分布。研究人员在运行的垂直腔表面发射激光器中对阵列的热导率和热成像及其光模式和分布中的偏移进行了量化研究。图1.1所示为研究人员获得的在垂直腔表面发射激光器阵列中单个垂直腔表面发射激光器孔径的光场分布模式（左图）和热点（右图）的偏移图像。
 
图1.1单个垂直腔表面发射激光器孔径的光场分布模式（左图）和热点（右图）的偏移图像
近年来，无极镓氮材料由于消除了内在的电域关系（主要体现在它能在极性镓氮材料中强烈影响到应变量子阱（QW）的结构），因此在相关研究领域引起了研究人员的广泛关注。我们知道，在极化域空间分离电子和空穴的过程将缩减光子跃迁发生的可能概率。来自韩国电子技术研究所光电子技术实验室的研究人员报道和分析了基于电子各向异性的基底堆积缺陷（BSF）和基于蓝宝石衬底的非极性无极镓氮材料发光二极管（LED）的器件特性。图1.2所示为研究人员测量得到的基于蓝宝石衬底非极性无极镓氮材料切片平面的电子显微图像的平面图。
 
图1.2基于蓝宝石衬底非极性无极镓氮材料切片平面的电子显微图像的平面图
在铟镓氮量子阱（QW）发光二极管（LED）中提高出光效率在业界已经成为研究人员极其关注的一个重要研究课题，其原因是这种方法能够提高外部量子效应。目前，许多不同的方法被研究人员提出来以增加发光二极管的输出能量。我们知道，提高出光效率的基本方法是在发光二极管的内部和外侧增强光的散射效应。因此，在发光二极管表面进行粗糙化加工的处理方法被研究人员广泛采纳以增强发光二极管的出光效率。与此同时，研究人员还提出在材料的表面和内部进行光子晶体（PHCs）的周期性结构设计以提高发光二极管的出光效率。来自中国台北台湾国立大学电子工程系和光学与光电子研究所的研究人员提出并报道了基于联合光电化学（PEC）湿刻蚀过程和相位模板干涉技术在一个发光二极管平顶周围表面形成一维（1-D）光栅结构的方法。研究人员完成的实验实现了将出光效率提升至43%以上。在光电化学刻蚀过程中，一块半导体被浸入到一个传导电解液的容器中，该容器包含一个允许紫外光照射抽样的光学窗口。图1.3所示为研究人员提出并实现的一种光栅型发光二极管的结构。
 
图1.3研究人员提出的光栅型发光二极管的结构
与常规边缘发光器不同的是，光泵浦半导体激光器（OPSLs）有能力产生高质量高功率的激光束。实现光泵浦半导体激光器的最优高功率输出也是精确的晶片设计和晶片生长工艺所必须要求的。为了在一块光泵浦半导体激光器芯片的增益上利用共振增强效应，量子阱必须准确地生长在来自分布布拉格反射镜（DBR）反射形成的驻波波谷。来自美国图森市亚利桑那州州立大学光科学研究院的研究人员致力于研究和发展1040纳米的高功率光泵浦半导体激光器的光源以响应一个大气空间的光信号传输窗口。研究人员演示和实现了工作波长在1040纳米近衍射极限输出高达23.8w、光到光转换效率为27%、斜效率为32.4%和多模输出功率达到40.7w的光泵浦半导体激光器。研究人员提出的温度独立的光激发光测试方法能依照增强有效增益的设计技术确保精确的晶体外延生长过程。图1.4是研究人员得到的温度独立表面光激发光的光谱分布示意图。
 
图1.4研究人员得到的温度独立表面光激发光的光谱分布示意图
薄片激光器自从1992它年首次问世以来已经引起了研究人员的广泛关注。尤其值得一提的是，如果采用铟镓氮材料进行制备，光泵浦薄片激光器具有一系列的应用优势。但由于在铟镓氮材料中掺磷技术的实现本身就是一个艰巨的任务，采用电来驱动发光设备则会经受高的阻抗从而产生高热量。来自德国柏林大学固态物理研究所的研究人员提出并实现了一种铟镓氮-镓氮薄片激光器的一步实现工艺流程。在对设备的制备过程进行描述后，研究人员对铟镓氮-镓氮薄片激光器的特性进行了研究，尤其是对铟镓氮薄片激光器的斜效率进行了首次报道。此外，研究人员还进一步分析和讨论了改善铟镓氮薄片激光器性能的设计过程和一些存在于其中的概念性问题。图1.5是研究人员提出的垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）的设计方案图。
  
图1.5垂直外腔表面发射激光器（VECSELs）的设计方案图

2、 传输和光波导
我们知道，光子晶体（PhCs）具有周期性的结构因此有能力控制通过介质的光传输。光子晶体目前已经成为最有可能实现光子集成回路（PICs）的衬底，从而可以缩减光学元件的尺寸和功率需求，其主要作用是在单个芯片上实现单片集成。基于高系数对比材料的光子线（PhWs）就像基于绝缘体的硅材料（SOI）一样也能提供高的光局限效应。二维（2-D）光子晶体设备已经被证明在光分离器、光耦合器、光透镜和光功率分配器上有诸多的应用。当然，一维（1-D）光子晶体或光子线结构也能为具有小尺寸高Q值的设备在制造工艺上提供便利。通过对微腔细节的仔细设计高的Q值也是可以实现的，但是对于有较长间隔部分的器件设计，例如对于延伸腔体和多个微腔的设计则是较为困难的。来自英国布里斯托尔大学电子工程和电器系通信研究中心（CCR）光子学研发组的研究人员已经成功地实验实现了基于绝缘体硅材料的高质量一维光子晶体或光子线外延腔的制作和测量。研究人员研制了腔体范围长度从3微米到8微米的器件。图2.1是研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）扫描获得的一维光子晶体或光子线外延腔的照片。

图2.1采用扫描电子显微镜（SEM）扫描获得的一维光子晶体或光子线外延腔的照片
目前，液体核心光波导（LCW）被认为是实现新型光流体设备的关键器件，并已经受到许多研究人员的高度重视。液体核心光波导在高灵敏度光传感和光发送等应用领域扮演了不可或缺的角色，正因为这个原因，研究人员致力于进一步改进液体核心光波导的结构以求促进该技术的发展。我们知道，实际上把光局限在低折射率芯中还有一系列材料可以利用，例如光子晶体、布拉格光波导和共振反射型光波导（ARROW）。众所周知，共振反射型光波导是一种漏隙波导，它有能力把光限制在芯中是因为它的折射率低于任何一种外涂覆层的折射率。因此，利用这一特点可以采用直接作用的方法在液体核心光波导中实现非常少量液体的注入。来自意大利那不勒斯的研究人员报道了采用原子层沉积（ALD）技术构造液体核心共振反射型光波导的方法。结果显示低损耗的液体核心光波导有非常宽的输出传输光谱。研究人员不仅仅报道了来自液体核心光波导这种新结构材料的输出光谱，而且测量到其衰减损耗和理论计算的预期值基本一致。图2.2是研究人员提出并设计的共振反射型光波导的横断面示意图。
 
图2.2设计的共振反射型光波导的横断面示意图
近年来，空芯光子晶体光纤（HC-PCFs）由于其相比较传统的全反射型光纤而言具有某些特殊的性质引起了研究人员的广泛关注，而且空芯光子晶体光纤在高功率光孤子传送、低非线性和气相非线性光学领域具有很多的潜在应用优势。在空芯光子晶体光纤中，光波被局限在光子带隙（PBG）结构中传播。然而，目前所有的研究都集中于周期性的结构研究，其表现在由不同形状的三角形、方形、蜂巢型和Kagome 格子形孔洞形成的光子带隙结构。来自中国北京中国遥感研究所光电子研究中心的研究人员研究并报道了一种新型局部具有12重对称类似光子晶体结构（PQs）的空芯类光子晶体光纤（HC-PQF）。研究人员报道的类光子晶体结构实际上是一种具有大范围但缺乏周期性分布的特殊结构。目前的研究已经证明了类光子晶体结构具有非常多有趣的光学特性，例如类光子晶体结构可以提供更高的旋转对称性和更多各向同性的布里渊分布，因此在更低级的绝缘体上具有更多的一致性。图2.3是研究人员提出并设计的6重光子晶体光纤的横断面示意图。
 
图2.3重光子晶体光纤的横断面示意图

3、 无源器件
为了更进一步有效提高在光子集成回路（PICs）上承载的复杂信号处理任务的能力，基于芯片开发来各种光器件是一件不可或缺的事情。相比较有源器件而言，例如激光器、放大器和调制器，无源器件通常更有可能实现高级别的集成，其原因是它们通常是采用二氧化硅进行集成的。来自加拿大金斯顿女王大学电子和计算机工程系的研究人员提出和实验证明了一种在1550nm波长带内准光环形器的集成技术。这种准光环形器的结构中包含两个光功率耦合器，两个光放大器和一对光衰减器。其中，光功率分支器被背靠背地连接起来其分光比为98:2。光放大器在准光环形器中被使用作为定向器件来阻挡发至端口二送到端口一的光波，同时也阻挡发至端口三送到端口二的光波。光衰减器则被使用来对整个系统进行增益控制。测量结果显示从端口一到端口二和从端口二到端口三的前向光传输的插入损耗值接近到0dB。图3.1是研究人员提出并设计的准光环形器的结构示意图。
  
图3.1 研究人员设计的准光环形器的结构示意图
    表面等离子体光学是在金属和绝缘体接口利用表面等离子体激元(SPPs)的技术，在过去的十年里表面等离子体光学在全世界引起了研究人员的广泛关注。表面等离子体激元是由外部电磁场（如光波）诱导金属表面自由电子的集体振荡产生的，具有表面电磁场的传播性能，即电场强度在金属与介质的界面上具有最大值，随着垂直于金属表面的距离增大，场强呈指数衰减。表面等离子体激元的显著特点之一是巨大的局部场增强效应。这种局部增强效应已经在高灵敏生物化学传感、新型光源、高效光学元器件等领域获得了广泛应用。表面等离子体激元的另一方面还具有将电磁场能量聚集在很小的空间范围的特性，因而在纳米光子学领域显示出巨大的应用潜力，被称作目前最有希望的纳米集成光子器件的信息载体，并在纳米光学成像、纳米光刻等广泛领域获得了巨大成功。当然，尤其值得关注的是在高度集成的光子集成回路（ICs）中，当光最终进入电集成回路时，它比目前成熟的半导体技术表现出更少的衍射限制。来自中国台湾桃园县国立中央大学光学和光子系的研究人员设计并研究了一种基于金属-多绝缘体-金属配置的窄带波导表面等离子体的布拉格光栅，并基于设计原则和操作方法在每个禁带附近的色散关系被研究人员分析和推导出来。研究人员还采用数值仿真的方法研究了在1310nm波段光栅长度小于6.8微米和半高全宽带宽值约为9纳米的窄带设计方法。研究人员发现时间平均能量涡流存在于每一个禁带单元，并被最小耦合到每一个布拉格波长上。图3.2所示是研究人员提出并设计的银-多绝缘体-银波导表面等离子体布拉格光栅一个单元的示意图。
 
图3.2研究人员提出并设计的银-多绝缘体-银波导表面等离子体布拉格光栅一个单元的示意图

4、 波长转换
利用瞬态交叉相位调制和失谐滤波器进行的波长转换（WC）已经成功地被应用在紧凑的半导体设备中，例如半导体光放大器（SOA）和硅纳米线波导设备上。对于特殊的半导体光放大器而言，它有可能实现比其增益恢复时间快30倍的交换速度。然而，当半导体光放大器被广泛使用于信号增益的实验中时，我们也要注意到它比常规的无源光波导更难制造和封装，其原因是半导体光放大器是有源器件，它要求实现的插入电流和温度控制很难集成到无源光波导结构中。无源非线性光波导，例如硅纳米线、铝镓砷纳米线和硫族玻璃波导能够提供更简化的方案并且不需要外围控制电路。但是，其缺陷是纳米尺寸的光波导在制造上面临巨大的挑战，原因是它需要采用高分辨率的平版印刷技术并且需要完整的模场适配过程来促使光信号耦合进光纤。来自美国马里兰州巴尔的摩先进光子学研究中心（CASPR）的研究人员提出并实现了采用无源镓砷-铝镓砷光波导和失谐滤波器进行瞬态交叉相位调制的过程，并基于该技术实现了10Gbit/s归零码开光键控信号（RZ-OOK）的波长转换过程。相比较原始的归零码开光键控信号而言，转换后的归零码开光键控信号在10e-9误码率时功率代价值小于1dB。图4.1所示是研究人员提出并设计的无源镓砷-铝镓砷光波导横截面的示意图。
  
图4.1研究人员提出并设计的无源镓砷-铝镓砷光波导横截面的示意图
近年来，在微结构光纤（MOFs）的制备工艺中，混合玻璃的使用可以限制色散并在构造紧凑非线性设备的过程中具有一些新的特性。在不同的非线性处理过程中，四波混频（FWM）技术在不同光器件中的应用起到了关键作用，尤其是用于制造全光波长转换器。通常，实现高效和宽带四波混频的过程需要关注的光纤参数主要包括：高的非线性系数，低且平坦的色散特性和短光纤的长度。此外，软玻璃空芯光纤（HF）也被研究人员证明可以实现四波混频的过程。值得关注的是，零色散波长（ZDW）值为1582纳米和非线性系数值为164We-1KMe-1的硅酸盐软玻璃空芯光纤实现四波混频这一过程的带宽值为30纳米，零色散波长值为1550纳米和非线性系数值为580We-1KMe-1的硅酸盐软玻璃空芯光纤实现四波混频这一过程的带宽值为35纳米。然而，其缺陷是硅酸盐软玻璃空芯光纤的光纤参数是极其敏感的，尤其反映在其制备过程中很难控制。解决该问题的一种方法是在应用前进行精确加工工艺处理得到全固态的微结构光纤。来自英国南安普顿大学光电子研究中心的研究人员曾经报道过在波长转换过程中使用全固态微结构光纤的方法，但在其过程中光纤的色散系数并没有最优化。为了最优化这一结构，英国南安普顿大学光电子研究中心的研究人员在本期文章中实验提出并实现了在1.55微米波长上使用1.1米长度高非线性W型色散拖尾硅酸盐光纤进行四波混频的波长转换过程。图4.2所示是研究人员提出并设计的基于四波混频的波长转换实验装置和方案示意图。
  
图4.2研究人员提出并设计的基于四波混频的波长转换实验装置和方案示意图

2010年05月01日PTL光通信论文(二)