2014年8月PTL光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰方安乐
2014年8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、无源光子器件、光生太赫兹技术、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。

1. 半导体激光器
垂直外腔面发射激光器是一种新型半导体激光器，它是光子器件在集成化方面的重大突破，这种激光器由于可以将具有衍射极限的空间光束质量和从紫外到中红外的宽频谱范围与高输出功率相结合，最近受到研究人员的广泛关注。这种激光器与侧面发光的端面发射器在结构上有很大的不同，其优于端面发射激光器的地方在于易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；并且其有源尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理且封装即可进行实验；在很宽的温度和电流范围内都可以单纵模工作，几个也很低廉。现今，基于量子点等新型结构的这种激光器更是具有一些非常优秀的特性，例如宽增益带宽、超快载动力、低温度灵敏度、低阈值电流以及较低的饱和吸收特性。此外，它们开放的体系架构也有诸多优点，例如可用饱和吸收器进行被动锁模甚至于自启动锁模，而且可实现腔内频率转换。尤其需要指出的是，它们良好的热管理性能使得单片垂直腔面发射激光器的运行功率可高达100W以上。此外，这种光学泵浦系统还有被用于不同的应用领域如光谱学、计量学、生物光子学以及光通信等领域。最近，德国马尔堡菲利普大学物理与材料科学研究中心的研究人员提出了一种新型基于量子点的垂直腔面发射激光器，其工作波长为1040nm。实验人员分别记录了在不同的泵浦宽度和不同的运行温度下的输出功率值，作为激光器运行环境的优化结果，他们在1.5摄氏度的激发温度和330μm泵浦宽度条件下为得到了一个最大的连续波输出功率为8.41W。该结果是迄今为止得到的最高输出功率的基于量子点结构的垂直腔面发射激光器。此外，通过在激光腔内插入双折射滤波器，研究人员实现了一个非常宽的波长可调功能，其调谐范围达到了45nm。

图一基于量子点结构的垂直腔面发射激光器实验装置原理示意图
输出波长为2μm的固态激光器在很多领域如激光雷达、激光测距、材料加工和显微手术等领域都有着重要的应用价值。此外，2μm波长具有高峰值功率的脉冲激光也是一种优良的泵浦种子源，可作为掺鉻硫化锌固体激光器和基于砷化镓的光参量振荡器的泵浦源。最近，山东大学信息科学与工程学院的研究人员首次研究了具有波长可调谐特性的主动调Q掺铥碳酸锂激光器。通过内置一个双折射石英片，这种激光器的输出波长可在1835nm至1995nm范围内调谐。通过使用一个AO调制器作为光学快门，实验中在波长为1924.2nm处得到了244ns的脉冲激光，重复率为1kHz，其中单脉冲能量为0.47mJ，峰值功率为1.65kW。该实验结果被证实为目前稀土掺杂铁电晶体激光器所能获得的最高峰值功率。
自从半导体量子阱晶体管激光器问世以来，它在高速光通信网络中的应用普遍而重要。晶体管激光器作为一种相干光源，它将使更快的宽带通信成为可能，包括远程通信网络及芯片内和芯片间的短距离互连。此外，无论是作为晶体管还是激光器，晶体管激光器都具有革命性的意义。当用作晶体管时，因其具有3个电极，而不像二极管只有2个，因而比二极管更容易集成在芯片上。与集成电路相似，晶体管有独立的输入和输出端口，而二极管的输入和输出为一个端口。当用作激光器时，因其离子束反转能用驱动电流较快地控制，在速度上比二极管激光器更具优势。最近，美国伊利诺伊大学香槟分校电子与计算工程系的研究人员设计并制造出了一种量子阱晶体管激光器，其腔长为200μm。实验测量了为激光器集电极的电流电压特性以及光功率电压特性，在温度为20摄氏度下的阈值电流为36mA。此外，实验还测量了在载流子与光子共振振幅约为4.2dB的情况下输出激光的调制带宽为8.1GHz。在相同的偏压条件下，该晶体管激光器被证实可在室温下无误差的以13.5Gb/s的速率传输数据。
2. 无源光子器件
导模共振滤波器在理论和实际运用上都具有重要的物理意义和研究价值。其主要表现为介质光栅的反射异常，即当入射波的波长、入射角或光栅结构参量做微笑变化时，光栅衍射能量发生剧烈变化的现象。导模共振目前受到研究人员的重视，主要有三个方面的原因。首先，它提供了一个和新的制作新型功能光学元件的方向，其次它利用的是光波在亚波长波导光栅中传播时产生导模共振的物理现象。与传统薄膜滤光片相比它具有极窄的带宽和极高的反射，并且结构简单。最后一个原因是它优秀的光学特性例如共振波长的带宽可控、现行对称以及在很宽的波长范围内旁带值被抑制的很低的特性使其具有非常重要的应用价值。此外，利用导模共振全反射对光栅参量和入社条件极为敏感的性质，可以设计制作高反元件，窄带滤波器及偏振分离如激光器反射镜、偏振片、光学调制器等光学器件。最近，美国德克萨斯大学电气工程系的研究人员提出将多线导模共振滤波器作为一个反射镜以实现一个外腔激光器的方案。它们利用严格的数值方法设计了共振器件并且利用薄膜沉积和刻蚀方法做成了一个实验模型，将一个100nm厚的光栅层沉积于170μm厚的玻璃板上以支持上千个共振模的传输。他们在中心波长为840nm带宽约为10nm宽的范围内探测到了约10个窄共振峰。将这种多线导模共振滤波器作为增益玻片可获得数个同时共振的激光线用于增益竞争，并且可以通过精确的调谐可从多重共振线中获得一个稳定的激光线。
偏振器作为一种最基本的光学器件，它有着极其广泛的应用价值，例如在光波通信和光传感领域。目前人们已经研究了基于周期型结构的不同类型的偏振器，这其中就包括一种由分层的金属介电层组成的分层状偏振器。入射的横磁模通过表面等离子体偏振效应可通过这种分层偏振器，而入射的横电模则被反射或被其中的金属层所吸收。最近，来自日本法政大学工程科学系的研究人员通过FDTD仿真研究了这种分层偏振器的基本特性，为实现宽带运行，它们设计了抗反射涂层，该涂层可成功地抑制在偏振器的输入面和输出面所产生的反射波。特别的是，双层抗反射涂层将会极其显著的提高TM波的透射率，然而这就要求邻近空气的那层材料需要相当低的折射率（<1.15），因而在实际实验中实现TM波的高透射率是相当有挑战性的。为获得具有低折射率的双层抗反射涂层，它们采用了一个亚波长光栅结构作为第一层，通过选择合适的填充因子，亚波长光栅相当于提供了一个低折射率的层面结构。为了实现这种低折射率的要求，它们还利用有效介质理论来测量几何结构参数。它们最终实现了在1.0μm到2.0μm的波长范围内TM波的透射率超过99%，而对于TE波的透射率低于-70dB。

图二层状偏振器结构示意图

3. 光生太赫兹技术
最近，基于非线性光学效应的太赫兹波的产生也取得了极大的进展。这些关于光生太赫兹技术的重大进展使得我们能够将之应用于更宽广的科学领域诸如材料科学、生命科学、化学、高速光通信以及无损探测等领域。其中尤其值得关注的是，多频混频过程是一种非常有前景的太赫兹波产生的非线性光学技术，它可在室温下利用纳秒脉冲和连续波产生可调谐、窄线宽以及高转换效率的太赫兹波。此外，光子晶体由于起独特的光学传输特性一直持续收到人们的关注，诸如慢光效应和光子带隙结构，他们都可对在其中传输的光波进行特别的限制。光子晶体的线性和非线性特性在波导、激光器、非线性光学器件等方向都有着非常广泛的应用。在太赫兹频段，随着线性太赫兹光子器件的发展，太赫兹光子晶体结构也取得了一系列相当重要的进步。主动非线性光子晶体器件由于具有对光线的强限制性和布洛赫波特性，这些特点使得光子晶体中太赫兹波的产生具有非常独特的相位匹配条件。最近，日本仙台东北大学工程研究院材料科学系的研究人员报道了非线性光子晶体波导中准单色太赫兹脉冲的产生过程。他们利用数值分析的方法来研究太赫兹波产生的一些特性，其中采用时域有限差分法(FDTD)来分析太赫兹波产生过程中的频率依赖特性。他们基于光子晶体波导中的导引模和空气带实现了两种不同的相位匹配条件。经过计算得到的太赫兹输出谱与早先的相关试验结果围合的很好。这些理论结果提供了一个对太赫兹输出特性能有效估计的方法，该方法可用于设计较有效的相干太赫兹波源。
连续波可调谐的太赫兹辐射可利用光导天线中的两个光场进行拍频来获得。这种产生连续波太赫兹辐射的拍频方案设计通常需要采用两台独立的激光器来实现。这其中可供选择的激光源可以为两台纵模激光器，或者为可调谐的双色激光器。半导体激光器体积小且廉价，但是由于具有很短的载流子复合时间以及亨利因子等缘由，它们的频谱质量通常比较差。相反，固体双频激光器会提供非常好的输出频谱纯度。在一台双频激光器中，两个光学本征模通过交叉偏振效应产生震荡，因而可被独立地调谐。此外，由于两个本征模在同一个激光腔内震荡，他们的频率波动具有很强的相关性，并且可完美的消除频率差异。最近，来自法国雷恩大学的研究人员报道了利用双轴、双偏振和双频率的钛锶激光器产生具有高频谱纯度的连续波太赫兹辐射的方案。该激光器的输出功率为50mW。为了匹配低温下生长的砷化镓混频器的最大效率，激光器的平均输出波长被优化到780nm左右。尽管钛锶具有极其宽的增益带宽，研究人员还是设计了一个合适的腔内滤波器以适用于该激光器的特殊结构，使得每个激光模式都具有单频可调谐的特性。拍频的结果显示其在dc和1.5THz之间可调谐，其中拍频步幅为82GHz。输出谱的线宽在没有采用任何主动稳定化的情况下仍窄于30kHz，完全符合预期的高频谱纯度的结果。

图三具有双轴双偏振和双频率的钛锶激光器的实验装置示意图

4. 光网络及子系统
近些年，许多新兴的服务(例如，高清IP-TV，大数据分享，网络教学和数据中心迁移等)都需要将相同的数据从一个源头交付到多个目的地，也叫做多路广播或多路传送。它是指网络中一个节点发出的信息被多个节点收到。与此相对的有单一传播和广播，前者是指一个节点发出的信息只被一个节点收到，后者是指一个节点发出的信息被子网内所有节点收到。实际上，在数据链路层和网络层都有多路广播，通常所说的多路广播大多是针对IP的。这种技术用于多媒体应用、多用户交互(如聊天室)、软件分发等，相比与传统的单一广播可以大大提高效率。在子网内实现多路广播较为简单，然而跨越子网时需要路由器、网关等设备的支持。在因特网上，不用广播通信。随着网络上的主机越来越多，很少有所有人都感兴趣的东西。干扰所有计算机的权利也是一种非常危险的东西。在IP地址中，可以进行广播的能力一半是在子网或局域网上。虽然大规模不太有用，但广域网上的多路广播还是非常有用的。那就是：它可以将数据发送到一组订户。数据只发送一次，而且只到需要他的地址去。最近，来自北京邮电大学信息光子学和光通信国家重点实验室的研究人员提出了一种新型的光网络路由节点架构，它可以支持正交相移监控信号实现从一到六的波分复用多路广播。路由节点的多路广播性能直接决定了能量节省、快速服务开通以及有效网络资源利用的效率。研究人员设计了一种光网络路由节点结构以支持波长转换，单一传播和多路广播，并且在中间节点处设计了一个可共享的多路广播/波长转换模块。此外，他们还采用用一个只有两个泵浦光源的半导体光放大器实验验证了基于四波混频的25Gb/s的QPSK信号的波长转换和1-6型波分复用多路广播实验。实验结果表明全部6个多路广播信号均达到无差错执行，其功率损耗小于4.3dB。

图四 (a)实现波长转换和WDM多路广播的网络方案原理图；(b)路由节点架构示意图； (c) M/W转换模块的详细结构
正交频分复用技术作为一种应用前景巨大的多载波调制技术，目前已被广泛的应用于光纤传输系统及接入网络。此外，正交频分复用技术还已被用于自由空间光通信系统，该技术用于自由空间光通信系统具有以下许多优点：1.高谱效率；2.低廉的成本和有效的执行度；3.可免除由大气湍流所致的突发错误；4.对震荡信号的衰减具有高容忍度。目前来看尽管正交频分复用技术也具有许多它自身的缺点如对相位噪声的灵敏度和高峰值平均功率比，但是我们通过精心的设计使得其在在自由空间光通信的信道中仍可最大程度的发挥它的优点，并且尽可能减小它的一些弱点。最近，来自新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院的研究人员利用多级差分相移键控（FD-MDPSK）将非均衡正交频分复用技术（NE-OFDM）应用于相干自由光通信系统的湍流信道中。他们采取修正的莱斯分布作为自由光通信系统的湍流信道，其中同事考虑到了振幅衰减和相位失真。基于MDPSK的NE-OFDM差分编码过程可同时在频域和时域执行。仿真结果表明NE-OFDM利用FD-MDPSK实现了与利用TD-MDPSK差不多相同的比特误码率，但是前者具有更低的计算硬件需求和更高的频谱效率。因此，基于FD-MDPSK的NE-OFDM技术在相干自由光通信系统中是非常具有应用前景的。