2014年5月PTL光通信论文评析

6/10/2014，2014年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤激光器、无源光子器件、光波导、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。
作者：邵宇丰 方安乐  
1.光纤激光器
    工作波长在1μm以下的窄线宽激光源一直被用来产生相干的窄线宽蓝光和紫外光，在实验室中通常利用非线性频率转换技术来实现这种转换。相比半导体激光器的输出光源和其它类型的激光源，基于光纤激光器的光源最近受到更大的关注，这得益于其良好的光束质量、窄线宽、体积小以及运行方便等优点。在2004年就有研究人员实现了工作波长在977nm的基于全光纤的分布反馈式激光器，随后又有了工作波长在976nm，基于掺钇光纤的全光纤分布布拉格反射镜激光器的报道，其输出光为连续光。相比前者，秒冲光在实际的频率转换应用中具有更大的优势，因为它可以提供更大的峰值功率以实现更高的转换效率。最近，基于全光纤的调Q单频激光器也有很多报道，其工作波长包括1μm、1.5μm和2μm，这些激光器通常被用于非线性频率转换以产生其它波段的输出光。天津大学光电工程和精密仪器学院的研究人员最近提出了一种全光纤单频主动调Q激光器，其工作波长为978nm，其结构采用了2cm的商业化的高度掺钇光纤和一对光纤布拉格光栅。在很短的线性光纤谐振腔中可利用压力诱导的偏振调制来实现主动调Q。这种激光器的输出光为单频纳秒量级的脉冲光，其重复率的范围为几十个千赫兹到几百个千赫兹。他们在实验中测量了该激光器的平均输出功率和峰值输出功率，这是迄今为止第一台基于高度掺钇光纤且工作波长在1μm以下的单频全光纤调Q激光器。

    近年来，多波长脉冲光纤激光器受到研究人员的广泛关注，这种类型的激光器在光纤传感、仪表测量、以及波分复用光纤通信系统的光信号处理等领域有着重要的应用。目前，主动和被动锁模技术都已可用于实现多波长锁模脉冲光的输出。相比主动锁模技术，由于无需在激光腔中加入主动调制器，多波长被动锁模技术具有更加简单、小型化以及低成本的优势。迄今为止，人们已开发出各种不同的被动锁模技术，例如非线性偏振旋转(NPR)，非线性放大环形镜(NALM)，以及可饱和吸收器(SA),都可用于实现多波长脉冲光纤激光器的运转。然而，当前所报道的多波长被动锁模光纤激光器产生的脉冲串只有几兆赫兹的重复率。另一方面，具有高重复率的光纤激光器在无线通信、光谱学和测量学方面都有着大量的应用需求。为了提高锁模脉冲的重复率，研究人员采用谐波锁模技术来实现这一目标，它可在提高重复率的同时而不减小激光器的腔长。也有研究人员通过在光腔中引入合适的高阶非线性效应来产生谐波锁模脉冲。例如将具有高阶非线性效应的可饱和吸收器置于光腔中，这两种功能将被集成于同一个光学器件中，以实现更加紧凑型的设计。目前所报道的谐波锁模脉冲光纤激光器仅能实现单波长脉冲输出，而多波长谐波锁模尚未见报道。最近，华南师范大学信息光电科学与工程学院和湖南大学物理与微电子科学学院的研究人员提出了一种可实现双波长脉冲输出的谐波锁模光纤激光器。该激光器是基于拓扑绝缘体可饱和吸收器来实现谐波锁模的。拓扑绝缘体是一种类似于石墨烯的新型的狄拉克材料，它在通信波段具有很强的可饱和吸收特性。研究人员在实验中发现由于不同的波段具有不同的腔内非线性效应，导致这种这种激光器输出的双波长脉冲串具有不同的谐波锁模序列。通过适当地调整光腔参数，重两种波长的脉冲的重复率可分别达到388和239MHz。此外，实验中还实现了两种脉冲间的波长切换控制。这个研究成果表明，这种基于微纤的拓扑绝缘体可用来实现具有饱和吸收和高非线性特性的高性能双功能光子器件，可应用于超快非线性光子学领域。

2.无源光子器件 
    微型环形谐振器被广泛的用于实现光子器件集成回路，例如固定和可调谐滤波器、多路复用器、延迟线、调制器和传感器等。在以上诸多的应用中，单环谐振器的光谱特性往往无法令人满意，从而使包含许多耦合谐振器的高阶结构成为人们用以实现高消光比和快速边带转换的常用方案。利用绝缘体上硅这类光子集成平台可实现极其简洁的耦合谐振器件，它们具有大的带宽和自由光谱范围等优点。然而这类技术往往受限于制造公差的高灵敏度，它会导致谐振器的共振频率具有一个随机的频谱扩展。最近，意大利米兰理工大学电子电气与生物工程系的研究人员提出了一种新型的基于耦合谐振器的光学滤波器。这种耦合谐振器结构所展现的高阶响应具有极高的稳定度，其可用来抵消制造公差过于灵敏的缺陷。这种双模滤波器的概念被广泛用于微波领域，并且最近被研究人员拓展到光子集成领域，用来设计光子器件的反射率。他们设计的滤波器具有单腔双模的特点，它由一串微型耦合谐振器构成，在最末端的谐振器里置有一个局部反射器以实现二阶响应。局部反射器导致的反向耦合使得滤波的有效序列双倍于谐振器的数量。由于反向的传输模具有共同的微腔，其共振频率是一致的，这大大减少了滤波器的制造公差，结构的同序性得到控制。研究人员还在绝缘体上硅光子集成平台上利用微环谐振器加载布拉格光栅分别实现了二阶和四阶的双模滤波。
     随着金属-氧化物-半导体(CMOS)加工技术的飞速发展，绝缘体上硅(SOI)这种光子集成平台由于具有良好的兼容性，应用前景巨大。然而，由于SOI具有极大的偏振依赖性，这成为其步入实际应用的最大制约因素。过去的几年中，有研究人员利用偏振差异回路实现了SOI的偏振独立。目前主要有两种方法可以在芯片界面上解决偏振依赖问题，其一是采用偏振分离光栅耦合器(PSGC)，另一种方法是采用偏振不敏感的耦合器结合偏振分离旋转器。芯片上的偏振旋转器目前主要分为三类：第一种方法是利用具有不对称横截面的波导，它可以在突变界面造成散射以实现模式变换；第二种方法是采用模式演变，利用高阶模作为基态横电模和横磁模的过渡；第三种偏振旋转方法是采用非硅材料。最近，新加坡国立大学和美国特拉华大学电气与计算机工程系的研究人员提出了一种新型的偏振分离旋转器，它是在绝缘体上硅平台构建的工作波长为1310nm，采用248nm的深紫外光刻技术实现。这种PSR由三个部分构成，包含一个定向耦合器，一个具有上下两层锥化的TE1-TE0模式转换器，以及一个不对称的基于马赫增德干涉仪的TE1-TE0模式转换器。这种PSR只有最多2dB的模式转换损耗，其在40nm的带宽范围内的偏振串扰低于-20dB。偏振依赖损耗最高达到0.76dB。
3.光波导
    氮化镓是继硅和砷化镓之后又一代重要的半导体材料，因为它的禁带宽度宽，室温下禁带宽度为3.39eV，且是直接带隙，在制备蓝紫光电子器件如发射二极管、激光器、探测器件以及大功率高速微电子器件方面有很好的应用前景。此外，化学稳定性几号，它还有望制成在高温辐射等恶劣环境下工作的的半导体器件。近年来，基于氮化镓的纳米结构最近被广泛应用于增强表面发射器件的提取率、可见光波段的薄膜反射镜、以及光腔等领域。最近，研究人员对这种纳米结构的研究拓展至硅上氮化钾镓平台，该平台在制造加工上提供了很强的的灵活性，可用于制造新型的基于氮化镓的光电器件。根切技术可以很容易地使独立式的氮化镓厚片从硅基底上分离出来。目前利用这种方法可以实现氮化镓波导、导波模共振光栅和微型制动器。利用双面加工方法可以从背面移除硅把手层以形成 独立的氮化镓薄膜，并且可以实现薄膜的背面打薄，以提供比传统的多层电介质薄膜结构更加紧凑和简洁的器件设计。利用这种工艺技术和氮化镓薄膜结构可构造圆形光栅，它提供的非凡特性可集成到相关的光电器件中。圆形光栅在面内平行方向可实现反馈，在表面法线方向可与发射光发生耦合。此外，已有的研究表明圆形光栅还可用于光子结构的偏振无关耦合或去耦合。最近，南京邮电大学和英国布里斯托尔大学纳米科学和量子信息研究中心的研究人员在硅上氮化镓平台上制备了圆形氮化镓光栅并给出了相关特性表征。当光学模式在这种独立式氮化镓薄膜内传输时，其模式数量将随着薄膜厚度的减小而减少。对这种薄膜进行背面打薄处理所得到更薄的氮化镓薄膜有助于减少共振模，并且可以增大可见光范围内干涉条纹的反射比。利用角度解析反射比测量可观察到入射光与该圆光栅之间的强耦合现象。另外他们还考察了光栅参数对反射谱的影响。该项研究成果为可见光范围内单层氮化镓共振光栅的制备提供了一种有效途径。
    高双折射光纤在通信、传感等领域都有着广泛的应用。在高双折射光纤中，通过调谐脉冲的偏振态，两个本征偏振模的传输会导致丰富的非线性效应。在硅波导中，增强大多数基于波导的光器件的性能通常有两种方法，一是调整波导波方向(源于硅中三阶克尔非线性的各向异性)，另一种方法是调节脉冲的偏振。当脉冲的偏振角度改变时，其在波导中传输时可激发横电模(TE)和横磁模(TM)并且通过克尔非线性相互耦合。这种现象可用于实现不同的光学功能例如光开关、脉冲压缩和强度鉴别器。如果TE模和TM模的色散可以认为控制，模间耦合可以得到增强，这将导致更多的有效的非线性应用。利用横截面为方形的纳米波导可得到关于基态准TE模和准TM模的类似于TE模和TM模的色散曲线。然而此类波导的色散曲线在我们感兴趣的波段范围内只有一个零色散点。此外，高色散值导致在相位匹配等非线性效应下可获得的带宽极其有限。另一方面，对于早先所研究的波导例如沟状波导，TE模和TM模的色散曲线具有相当大的差异，因而在沟状波导中色散的管理和设计只能针对一种模式来执行，对于目标模式可以在较大的带宽内实现低且平坦的色散曲线。但与此同时另一种模式将具有相当高的色散值。因此，在此类波导中利用偏振来控制色散将不再可行。最近，伊朗Shiraz 科技大学电子系光电研究中心的研究人员提出了一种新型的硅波导结构，这种波导可以对TE模和TM模的色散同时进行调控。对于基态的准TM模和TE模，该波导分别在1404nm和904nm的带宽范围内具有大约 250ps/(nm•km)的色散值。他们同时还考察了这种波导最佳结构中模式的非线性参数和群速度失配情形。研究结果表明在模式的时域分离发生之前模间耦合是可行的，并且可通过降低模式色散来增强模间耦合。增强的模间耦合和不同的模式色散特性可用于增加和控制各种非线性效应。因此，这种波导结构可基于偏振效应实现不同功能的光学器件。


4.光网络及子系统
    近年来，可见光通信(VLC)多输入多输出系统(MIMO)由于能够提高传输数据速率，其在光通信系统中已变得越来越受到研究人员的重视。在一个移动通信环境中，通过使用数个照明单元同时传输并行数据流通常被用来提供统一的空间照明并可接纳日益增长的数据吞吐量。在一个采用成像透镜演示的1Gb/s的4×9VLC-MIMO链路中，前置或后置均衡器可被用来扩大系统的带宽，通过合适的比特和功率加载来执行正交频分复用调制格式，其需要一个反馈式回路。迄今为止在可见光通信的上行线路中并没有一个一致的协议。MIMO系统已被广泛应用于射频波段，并且在最近也被用于光通信系统中。英国诺桑比亚大学环境与工程学院光通信研究小组的研究人员实验演示了一种室内可见光非成像MIMO系统，其在2m的距离内具有总计50Mb/s的无误差比特率。该系统采用4个独立的白光LED信号发射器，每个发射器均以通断键控止回零格式传输12.5Mb/s的数据。同时还采用了4个非成像光接收器。他们还在实验中比较了从基础信道倒置到更先进的时空技术等四个探测方法的性能优劣。实验结果表明，利用最简单的技术可实现利用最复杂的方法所达到的比特误码率。该系统还可提供一个平均水平达到350勒克斯的全照明，完全符合家庭和办公环境的ISO照明标准。

    在量子信息的所有分支中，量子密码是最接近于实用的量子通信技术。经过近20年的发展，量子密码通信目前已从单纯研究走向实际应用。量子密码学是量子力学与密码学结合的产物，而量子密码学的核心就是量子密钥分配。量子密钥分配的安全性由量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理等物理学原理作保证。实际上由于有了量子密钥分发的安全性保障，用量子密钥既可以实现单钥体制中的密钥共享，也可实现双钥体制中的私钥安全分发。在当前的光通信系统中，量子密码学没有被广泛采用的最大障碍就是其难以集成到标准的光网络中，这种困难源于用于量子秘钥分配的单量子相比经典的光信号在功率上有极大的差异。这种巨大的功率差异使得采用量子密钥分配技术来实现光通信的成本极其昂贵，并且难以有效部署实施。最近，西班牙Politéc-nica大学的研究人员提出了一种简单直接的可将量子密码学集成到光纤接入网络中的集成方法。特别地是，他们研究了基于无源光和时分复用技术将量子秘钥分配系统无缝集成到标准的接入网的具体方案。该方案的新奇之处在于，基于选择性后处理方法避免了其它网络用户制造的噪声，从而使得量子密钥得到净化。更重要的是，这种方案不需要修改量子或经典器件的硬件规格，也不需要在网络器件和量子密码器件之间使用任何同步机制。