2014年4月PTL光通信论文评析

5/8/2014，2014年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体激光器、无源光器件、光波长转换、微波光子学、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

作者：邵宇丰 方安乐 

半导体激光器
    中红外连续波半导体激光器是一种非常重要的光源，尤其是在光谱学应用方面。基于GaSb的间带发射器不管是在外腔构建方面，还是在光谱选择式分布反馈方面，都可以作为一种可调谐半导体激光光谱的有效种子源。许多大气层以及工业排放气体在波长为3-4μm范围具有很强的吸收谱特性，例如甲烷、乙烷、乙炔和氰化氢等等。相对于子间带量子级联激光器来说，间带激光源的优点在于具有相对低的接通功率。室温运行的1-型量子阱半导体激光器的连续波谱可以达到3.44μm，其脉冲光谱可以达到3.73μm。事实上，这种基于GaSb的1-型量子阱半导体激光器在波长3μm以上时受限于窄隙量子阱中的空穴势垒，现阶段可行的达到更长运行波长的方法是利用InAs/GaInSb/InAs W-量子阱活性区。这种方法促进了低温运行的光泵浦激光器和室温运行的连续波间带级联激光器的发展。然而，先前所报道的基于多重W-量子阱活性域半导体激光器只能输出脉冲光，其解释机理是源于多重2-nm厚InAs层中的空穴隧道载体运输限制，因而导致多重W-量子阱活性域的利用率很低。最近，纽约州立大学石溪分校的研究人员提出了一种无需InAs层的W-量子阱的改进型设计方案。他们设计并构建了一种基于三层GaInAsSb量子阱的室温运行的连续波半导体激光器。该激光器的工作波长灵活可调，可独立地由有效电子和空穴量子阱宽度来控制。泽中改进型的设计方案采用了10-12nm宽的量子阱使得其工作波长可达到3.2μm以上，室温下的连续波工作范围可接近3.3或3.4μm。
    此外，激光二极管泵浦掺鐠固态激光器也取得了一定的进展，来自中国厦门大学电子工程系的研究人员提出了一种基于LiYF4的掺鐠二极管泵浦激光器，其工作波长为695.8nm，实验中在波长为640、670、698和721nm附近抑制较高的增益转换。他们采用InGaN作激光二极管作为泵浦源，在σ偏振光的中心波长为695.8nm处得到了输出功率为51毫瓦，其斜率效能为12.6%，吸收泵浦功率的阈值为229毫瓦。这是首个利用YLF掺鐠激光器得到了在中心波长为695.8nm的σ偏振光输出。

无源光器件 
    随着光纤光栅技术研究的深入，人们开始研究周期为几百微米的能实现同向模式间耦合的长周期光纤光栅，它是一种理想的带阻型无源滤波器件，因其易于制作、附加损耗小、无反向反射、与偏振基本无关以及具有较高的温度、折射率和弯曲灵敏度等特性，得到了人们越来越广泛的重视，并且迅速成为光纤光栅技术研究中的一个热点。长周期光纤光栅是指光栅周期大于1微米的光纤光栅，它的耦合特性是纤芯中传输的基模与包层中传输的不同阶次的包层模之间发生能量交换，从而造成与波长相关的传输损耗，是一种很好的带阻滤波器件。研究人员最开始是利用紫外曝光来制作长周期光栅，其优点是稳定性好，易于批量制作，不过成本较高，因其需要光敏光纤，而且改变光栅的写入参数不灵活。随后出现了很多其他制作方法如低频二氧化碳激光脉冲法、幅度模版法、微弯法、电弧法、腐蚀法以及高频二氧化碳激光脉冲法等。其中，二氧化碳脉冲法可以精确地控制每个光栅的周期长度以及每个光栅的折射率改变量，腐蚀法可制作出较大应变灵敏度的长周期光纤光栅，机械微弯法的优点是可通过简单调节锯齿槽与光纤的夹角来改变周期。随着长周期光纤光栅的写入方法不同，其成栅机理也不尽相同。最近，深圳大学光电器件及系统教育部重点实验室的研究人员提出了一种新的写入方法，他们仅仅采用了商业捻接器，他们被用来使单模光纤周期性地锥形化。实验中得到的长周期光纤光栅只有大约1dB的插入损耗，且其最大共振衰减超过了30dB。其中椎体光纤的周期性具有非常优秀的再现性，其最小误差范围在0.3μm左右。这应该是迄今为止使用弧放电技术得到的椎体最小再现性误差。他们还观察了3个不同倾斜度的长周期光纤光栅样本的近场特性，从而考察它们的模式耦合特性。此外，这种长周期光栅的共振波长开始时蓝移，但随着光栅周期的增长而后红移，起因于物理形变以及剩余应力的松弛。

    偏振分束器是光子集成回路中非常重要的一种无源器件。它在相干通信， 高级光纤传感系统和光纤测量技术方面均有广阔的应用前景。 随着近些年光子集成回路技术的迅速发展，光电器件的小型化已成为一种趋势。现在已有的偏振分束器的基本原理都是基于模式耦合或者绝热的模式演化，然而这些技术使得器件的尺寸过大，不太能满足光子回路器件小型化的需求。例如，基于模式演变的器件需要长度为100μm才能达到一个有效的消光比。为了减小器件的尺寸，现有的一个可行化的方法是设计具有高双折射的波导型偏振分束器，该项技术应用包括硅制光子晶体，不对称型波导耦合器以及干涉仪。其中，由于表面等离子体波导具有相当大的双折射率，因而被用于偏振分束器。最近，偏振分束器可提供较好的模式限制被广泛关注，它可以通过等离子体波导和硅纳米线之间的消逝场耦合来实现这一功能。这种偏振分束器的缺点是具有非常小的消光比，其在1550nm波段针对TE偏振和TM偏振的值分别为14dB和13dB。最新的一个研究结果报道了一种基于局域表面等离子体激元的超小型偏振分束器，这种结构具有相当高的消光比和很低的插入损耗，然而由于要引入纳米尺度的银柱阵列，其构造也相对复杂。香港大学电子工程系和都柏林理工学院光子研究中心的研究人员联合提出了一种超小型等离子体偏振分束器，并利用有限元法进行了数值仿真。这种偏振分束器是基于三芯等离子体定向耦合器，他们利用一个长程的表面等离子体波导做为中间波导，以实现偏振选择耦合。计算表明，通过选择合适的结构参数，该器件对于TE偏振和TM偏振分别具有0.17和0.25dB的低插入损耗，以及20.17和19.83dB的高消光比，并且可以在1550nm的远程通信波段实现。此外，对于TE偏振和TM偏振，其穿过整个C带的插入损耗低于0.5dB，消光比大于14dB。

光波长转换 
    连续波宽频带量子光源在现代光网络中有着丰富的应用，例如在波分复用技术、干涉传感以及生物医疗等方面。尤其是在基于Yb3+和Er3+离子的放大自发辐射光纤光源（ASE）方面得到越来越频繁的应用，但是这种自发光辐射光纤光源的频谱分配、形状及带宽会受到掺离子玻璃自然发光特性的限制。值得一提的是，非线性光学频率转换技术可为这种非相干性ASE光源提供波长转换及频谱特性的修正。迄今为止，高度相干光源的非线性波长转换已经被广泛研究，然而宽带非相干光源的波长转换技术仍很少见报道。鉴于这种ASE光源的连续谱、中低功率计及非相干特性，对其进行有效的波长转换相当困难，并非如其它相干光源那样简单直接。最近，西班牙米格尔埃尔南德斯大学通讯工程系光子系统研究小组提出了一种主动转换系统，它可以在1550nm波段附近实现对全宽带ASE频谱的波长转换。为了提高转换效率，他们采用腔内频率转换技术，基于单通带差频产生，实验中将一块周期性连接的钽酸锂晶体内置于主激光腔内，以提供一个混频光源。实验中采用的激光器为自注入锁定二极管泵浦Cr3+：LiCAF（氟铝酸钙锂）激光器。实验中实现了中心波长为1550nm谱宽为30nm的宽带频谱的12nm左右的频移。此外，他们发现在连续波情形下，较高的腔内功率密度有助于提高非线性转换效率。这种技术不仅可用于ASE光源的波长转换，还可用于频谱整形。

微波光子学
    微波光子链路现被广泛应用于天线接收、有线电视和无线网络系统。目前已有很多种技术可用于提高微波光子链路的性能，其中强度调制相干探测（IM/CD）被认为是最有前景的技术之一，相对于传统的强度调制直接探测（IM/DD）来说，其拥有更强的接收灵敏度且整个光链路的功率可以被控制的更低，从而降低大量非线性效应带来的影响。此外， IM/CD微波光子链路不需要光放大器，这样可以避免光放大器带来的放大的自发辐射噪声，这种噪声既占用带宽又难以被消除。而且对于密集波分复用系统来说，信道选择可通过在相干接收器里面加个电滤波器来实现。另一方面，IM/CD微波光子链路也容易受到来自发射器和本机震荡激光源的相位噪声的影响，近些年也发展出了一些解决的方法，例如利用光锁相回路来锁定本机震荡激光源的相位，或者采用窄线宽激光源、双模局域光源以及相位噪声消除回路（PNC）。这些方法或多或少都有一些缺点，例如光锁相回路非常复杂不易实现，窄线宽光源和双模局域光源会增加整个微波光子链路的成本。PNC回路虽然可以消除噪声，但是会导致发射源与本机振荡源的频率差是输入射频信号频率的2到3倍，为避免这个问题还需引入一个频率自动控制回路，从而使得整个微波光子链路变得复杂而臃肿。最近，加拿大渥太华大学电子工程与计算科学学院的研究人员提出了一种强度调制相干检测微波管子链路，实验中采用了基于数字信号处理（DSP）的相位噪声消除技术。在发射端，射频信号被调制到光载波上，然后通过一根单模光纤传输到相干接收器端。在接收端，利用本机震荡激光源对强度调制信号进行相干检测。其中，源自发射激光源和本机振荡源的相位噪声在相干接收器端被转换成振幅噪声，该噪声可通过合并来自相干接收器的同相分量和正交分量的幅度平方完全消除，该过程可在数字信号处理器单元实现。该实验实现了中心频率为1.6GHz的正交相移键控调制的RF信号在25千米单模光纤中传输速率为1.25-Gb/s的无差错传输。对于比特率为834Mb/s的信号，其接收灵敏度可达到-24.5dB，远超过基于强度调制直接检测微波光子链路20dB。

光网络及子系统
    当前，随着移动用户人数的激增，无线数据流量正以指数形式增长，最新的预测指出，由于射频通信波谱的带宽限制，其越来越难以满足广大移动用户对数据率的要求。对于这种潜在的通信光谱危机，一种最有前景的解决方法是实现无线通信频段到可见光频段的转移，即可见光通信技术。可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。采用可见光通信技术有大量射频波段所不具备的优点：1，为太赫兹波段许可牌照带宽的100倍；2，简单的前段和终端设备；3，对灵敏的电子设备无干扰；4，可集成整合到现有的照明基础设施。目前，作为非相干固态光照明器件的LED是作为可见光通信光源的最佳选择，白光 LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已经达到5W，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。当前阻碍可见光通信技术商业化的苦难主要有一下就几个原因。其一是现有的基于蓝光LEDs的商用白光LEDs具有迟缓的调制响应，其缓慢的调制响应时间将光电器件的调制带宽局限在几个MHz范围内。研究人员在致力于提高LEDs的响应速度方面做了大量的工作，英国爱丁堡大学数字通信学院的研究人员提出了一种基于50μm氮化镓LEDs的可见光通信系统，这种氮化镓LEDs的调制带宽比目前商用白光LEDs至少提高了60MHz。他们采用的调制方案为正交频分复用系统，这使得器件的有限调制带宽得到充分利用。实验采用负载均衡技术，通过合适的数据加载，成功实现了传输速率超过3Gb/s的无线通信，这是迄今为止最快的采用单LED的无线可见光通信系统。

    今天的商业系统通常采用数字信号处理器并且支持偏分复用正交相移键控传输（PM-QPSK），数据率达到每个通道100Gb/s。为了进一步增大数据率，基于偏分复用的16-正交振幅调制技术（PM-16QAM）被认为是实现下一代网络升级的关键技术。然而，即使采用当前最先进的商业器件，PM-16QAM也仅可能使得数据率提升到大约200Gb/s每通道。在这个前提下，研究人员最近引入了超级通道这个概念，其具有无限增长的数码率，在数据率固定的情况下，各种不同的密堆积子载波形成了一个具有更高频谱效率的超级通道（每一定带宽下具有更高的网络数据率）。特别的是，基于PM-16QAM，利用双重和四重载波超级通道结构，近年来人们广泛研究了数据率达到400Gb/s的信号传输。其中荷兰埃因霍温科技大学的研究人员报道了一种基于PM-16QAM的数据率达到400Gb/s的应答器变种和弹性格状网升级结构。他们确定了应答器子载波的间隔尺寸，实验表明，从双重载波超通道到四重载波超通道，其性能的提升仅限于约1.4dB（按照品质因子，功率谱密度为10-1mW/GHz）,然而却以双倍的硬件需求为代价。鉴于上述情形，他们采用双重载波400Gb/s的PM-16QAM收发器，建立了性能提升函数，其与递增的前向纠错开支以及基于超通道光纤非线性补偿的光谱反演（SNLC-SI）相关。他们的研究结果表明，以显著的功率消耗为代价，增加前向纠错开销会提升传输性能。作为另一种选择，也可采用SNLC-SI，在较低的前向纠错开销下，这是一个更有功率效率的解决方案。