2018 年1月JLT光通信论文评析

浏览量：

导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰季幸平周越
2018年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
来自土耳其伊斯坦布尔科克大学物理系微光学研究实验室的科研人员演示了一种在90°弹性光散射过程中同时实现横向磁场（TM）和横向电场（TE）极化的IB型金刚石（氮杂质＞5 ppm）微球模式谐振器，其工作波长范围介于1426.10 nm和1427.42 nm之间（其中测量的最高Q因子值为104，模式间距为0.332nm。科研人员基于单模光纤石英半耦合器还实现了对连续光波（CW）可调红外激光器与金刚石微球的耦合过程。通过实验研究证明：利用钻石内存在的氮空位中心，该类型谐振器可以在制备稳定光学频率梳产生器或激光微腔方面得到有效应用。

图1.基于金刚石微球体进行弹性散射测量的实验装置

来自澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学电子与计算机系统工程系电光子交换研究中心的科研人员设计了一种新方法以在微波光子系统中实现高带宽RF分配，该方法同时支持两输出信号之间实现一定程度的幅度调节和相位偏移（如下图2所示）。另外，该方法的实现过程简单且具有简单可行的系统配置架构。科研人员在实验演示过程中实现了5-20GHz瞬时RF频带的调整过程。

图2.相关等效系统功能图

来自澳大利亚堪培拉大学和新南威尔士大学信息工程技术学院的科研人员提出：抗超高温的陶瓷材料可被广泛应用于超声速飞行器、核反应堆以及极端条件下运行的相关应用系统中。他们采用硼化锆（ZrB12）（一种超高温难熔陶瓷材料，其熔点高达3000℃以上）进行测试，得出其激光损伤阈值为132mJ / cm2（高于许多通常用作饱和吸收体的材料）；上述特性使其适用于高功率激光系统的应用。科研人员同时指明：ZrB12也可用作掺镱调Q光纤激光器中的饱和吸收体以生成239-2600纳秒的光脉冲。
来自英国班戈大学电子工程学院的科研人员首次针对波分复用无源光网络（WDM-PON）研究出基于直接调制无色弱谐振腔法布里-珀罗激光二极管（WRC-FPLD）的发射机。该发射机利用光增益饱和反射半导体光放大器（RSOA）引起的反馈效应制备（并且不受外部光信号注入的影响）。科研人员实验分析了不同结构类型RSOA反馈动态机制对直接调制输出光信号的影响和相应的无色传输光信号的性能。实验研究结果表明：该发射机生成的相干光源提供了高达65nm的输出波长可调范围并可实现大于37dB的边模抑制比（SMSR）。在强度调制和直接检测WDM-PON系统中（包含25公里的普通单模光纤），科研人员实验实现了在35nm波长可调范围内7.5Gb/s直接调制光正交频分复用信号的无色传输过程；在误比特率为2.3×10-3的情况下，该系统的接收机灵敏度较高。

无源和有源光子器件
来自美国俄亥俄州克利夫兰市国家航空航天局（NASA）研究中心的科研人员设计、装配和测试了一种小巧便携的动态光散射（DLS）器（基于光纤制备），其中采用的光纤成像探头配置如图3所示。该器件集成了最新的固态光纤制备技术，可用于研究活体动物眼中的流体和组织（例如眼角膜和视网膜中的流体和组织）。

图3.光纤成像探头配置

来自四川电力公司和中国国家电网公司的科研人员设计了基于色散诱导机制的单边带微波光子滤波器（MPF）和频率广泛可调的光电子振荡器（OEO）。科研人员通过采用宽带光源、双输出马赫增德尔调制器（1×2 MZM）和线性啁啾分布的光纤布拉格光栅对MPF进行了实际应用测试。科研人员实验发现：通过调整1×2 MZM中双输出光纤长度的差值可将MPF集成到光域双环OEO中以调整其振荡工作频率。科研人员还通过理论分析和实验验证了其中微波信号的可调频率范围在4.078-13.05GHz之间。
来自同济大学电子科学与工程系的科研人员研究了具有任意功率和相位分布的双芯光纤参量放大器。基于旋波近似普遍型泵浦方案，科研人员推导了一个完备的解析分析模型（假设该模型在较强的耦合下是有效的）。科研人员证明：其中的参数增益并不依赖于双芯光纤放大器中纤芯之间的耦合强度（尤其是在强耦合状态下）。通过分析该模型和观察测试结果，他们还证明：上述研究过程可为双芯光纤参量放大器的设计和性能评估提供有效分析。

来自芬兰坦佩雷坦佩雷理工大学光电研究中心的科研人员设计了工作波长为780nm的窄线宽边缘发射型分布反射（DFB）式激光器（该激光器不使用紫外纳米印刷表面光栅进行再生长制备）。其中，三阶横向耦合的脊形波导表面光栅可实现单模操作，并具备优异的光谱纯度（40-55 dB的边模抑制比和10 kHz线宽），可在连续光波运行过程中实现良好的光电流-电压工作特性（大约112 mA阈值电流，1.55V开路电压，以及在300mA电流下实现28.9mW输出功率）。上述性能在各类实际应用中体现其可行性（例如在铷光谱和原子钟泵浦的应用中）。该类激光器具备的制造成本低、产量高、结构灵活、器件成品率高的特性与大规模实际批量生产及应用完全兼容。
来自台湾台南成功大学电气工程系微电子研究所高级光电技术研究中心的科研人员基于射频磁控管溅射沉积氧化镁锌（MgZnO）制备了一种薄膜晶体管（TFT）。科研人员通过原子层沉积法将氧化铝用作MgZnO TFT中的栅极绝缘层，并指出具有Al2O3绝缘体的MgZnO TFT具有7.73cm 2/Vs的迁移率，4.2V的阈值电压和0.29V/decade的亚阈值。科研人员证明：与以前已报道的类似研究方案相比，目前的开关效率提高了近两个数量级。

光传输
来自武汉华中科技大学光电国家实验室的科研人员设计了一种基于固态碰撞电离倍增器（SIM）的量子通信相干接收机。在新提出的相干接收机系统中，平衡光电探测器（BPD）作为电流源连接到SIM中。科研人员发现，来自BPD的信号馈送到SIM中经过与雪崩光电二极管类似的雪崩过程放大后，可以馈送到互阻抗放大器中用于电压的读出。与传统相干增益相干接收机相比，新型相干接收机的信号增益是由本地振荡器（LO）产生的相干增益和SIM产生的雪崩增益两部分组成，因此通过减少LO功率可有效避免BPD的饱和增益影响。实验研究结果还表明，上述新型接收机通过优化相干接收机的配置和重新设计SIM的几何结构，可支持更高带宽范围内量子通信的过程。
来自西澳大学物理与天体学院和国际射电天文研究中心的科研人员通过独立、稳定的微波频率有效区分了两类光信号，并证明了光纤链路上光信号和微波信号可实现同时传输。该系统可在传统的稳定光传输网络上应用，并且不会降低光信号的收发有效性，还能增加目前和未来大规模光传输网络的可应用范围。在30公里的光纤链路上，193 THz光载波的传输工作频率稳定度为4.9×10-5Hz，10.02 GHz微波信号的传输工作频率稳定度为1.3×10-4Hz。

光调制与光信号处理
来自墨西哥萨拉曼卡瓜纳华托大学伊拉普阿托-萨拉曼卡校区的科研人员设计了用于测量液体折射率的新型全光纤多模干涉仪；该干涉仪是采用电弧熔接标准单模光纤技术制备的，实验证明其最大折射灵敏度为112 dB / RIU，热效应强度变化最小达-10.7×10-3 dB /°C。实验研究表明，对于强度调制和相位调制过程可以分别实现大约0.05×10 -6 RIU /℃和0.9×10 -6 RIU /℃的交叉敏感度值。科研人员还进行了稳定性分析，研究结果显示当温度和折射率恒定时，波长和功率变化的最小值分别为0.01nm和0.27dB。科研人员表示，探索空间频率分析过程可以作为测量液体折射率（以避免热效应影响）的替代方法。
来自德国德累斯顿工业大学电路与网络设计系的科研人员设计和研究了一种具有1.4dB光调制幅度、42Gb/s的新型垂直腔表面发射激光器（VCSEL）驱动器。科研人员为保持较低功耗，没有使用均衡器的实现了较高速率信号的输出过程。科研人员还基于串联分流峰化技术优化降低了激光器输入端的群延迟变化过程。他们进一步指出：无数据传输时，可以禁用发射机电路，以节省全速率工作过程中所需的50%功率，且可实现不到10纳秒的全速率工作模式。该驱动器芯片采用14nm互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制备而成，并连接到20GHz共阴极VCSEL中进行了测试。测试结果表明，当数据传输速率高达42 Gb/s时信号接收误码率低于10-12（包括VCSEL在内的系统总功耗为81.5 mW，功率效率为1.94 pJ/b）。科研人员认为，这是目前适用于突发模式工作的基于CMOS工艺制备最快VCSEL驱动器。
来自希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学信息学系的科研人员展示了2.6ns / mm2片上延迟型集成绝缘硅（SOI）螺旋波导，该器件在10 Gb/s光分组传输过程中可实现可变光延迟缓冲和光时隙交换交换。该类微型SOI芯片包含了三个不同长度的集成波导延迟元件，分别支持6.5、11.3和17.2ns的可变延迟过程。科研人员采用两个半导体光放大器、马赫增德尔干涉仪波长转换器和片上分组延迟成功实现了6.5-17.2ns无误码片上可变延迟缓冲过程以及10Gb/s光分组信息的时隙交换过程。
来自阿拉伯联合酋长国阿布扎比大学电气和计算工程系的科研人员提出了一种基于非线性石墨烯分层介质对两个强光波进行太赫兹（THz）波放大的新方案。其工作原理是通过精确设计介质色散效应、石墨烯非线性响应和光频率间隔来生成后向传播的太赫兹波。生成的太赫兹波又与共同传播的光波相互作用，实现能量交换。实验研究结果表明：通过配置适当的传播长度，可以实现一定光参量条件下大THz增益的转换过程（相关数值研究显示，在适当光输入强度下几厘米的传播长度可以转化实现50dB的THz增益）。上述方案是简单易调谐并可在室温下应用。
来自复旦大学国家重点实验室的科研人员设计了两种新型技术来抑制直接调制激光驱动器中高速信号反射的影响。第一种技术利用主动反向端（ABT）技术吸收来自阻抗失配的反射能量；第二种技术则是采用电容耦合预加重（CCPE）方法来消除瞬态过冲过程。科研人员为了评估并验证上述两种技术的可行性，采用了标准65纳米工艺来设计和制备了两类25Gb/s CMOS激光驱动器。实验研究结果证明：两类驱动器工作后都可以生成清晰的光学眼图，收发光信号消光比大于4 dB（在启用ABT或CCPE技术时，收发光信号的抖动性能也得以明显改善）。

光纤技术
国防科技大学海洋科学与工程学院的科研人员通过实验重现了光纤中FPU的分布式测量过程（科研人员把具有弱调制的方形脉冲注入到单模光纤中以重现FPU）。科研人员通过记录各种边带的瑞利背散射过程数据以测量功率振动效应。他们还采用数值模拟和回归方法验证了上述分布式方法的可行性。与传统的回归法相比，该类分布式方法具有测量时间短、成本耗费低、重复性好等显著优点。科研人员还进一步说明了该类分布式方法在测量光纤中的其它非线性效应方面也有很大的应用潜力。
来自天津工业大学电子与信息工程学院和天津市光电检测技术重点实验室的科研人员设计并实验验证了一种新型光纤折射（RI）传感器，该类传感器是通过光纤布拉格光栅（FBG）级联制备的小型纤维传感器。科研人员指出：通过激发和重新耦合包层模可生成对周围折射率敏感的光纤模间干涉。通过FBG的反射过程，科研人员监测了反射式FBG光谱的峰值功率变化以测量RI值。实验研究结果表明，传感器的RI灵敏度在1.3330-1.3988的范围内达到366.69 dB / RIU且其具有温度不敏感特性（在30°C-70°C的温度范围内，对应的RI测量误差约为3.136×10-5 RIU /°C）。
来自墨西哥国立自治大学工程学院的科研人员提出了多芯光纤（MCF）芯间串扰的数值分析方法，此方法是基于受激拉曼散射（SRS）和四波混频（FWM）过程进行非线性分析的新型理论方案（考虑随机扰动情况）。科研人员推导的耦合传播方程可用来数值分析具有同质和异质核心的波分复用系统。采用10个200GHz间隔的光信道传输实验（信号沿10公里均匀双芯光纤传输）表明，目前设计的方案将为未来多通道MCF系统的应用提供技术指导。
来自西班牙潘普洛纳纳瓦拉公立大学电气与电子工程系的科研人员研究并制备了基于长周期光栅（LPG）和微球串联的新型器件，该器件除了支持信号耦合到包层的模式过程之外还兼具干涉仪的作用。科研人员提出：该类新器件可用于同时测量应变和温度两种特性，并在采取适当数据处理算法后可实现温度补偿应变传感器的制备（其中采用的算法是利用两个不同波长长度来测量应变和温度）。
来自美国加利福尼亚州帕洛阿尔托惠普实验室的科研人员研究了硅片上晶圆键合量子点激光器的振幅噪声。科研人员实验研究证明：在三个最高功率工作通道中，室温环境中连续电流注入下可实现无差错操作，收发的信号具有11.5dB或更大的信噪比；该激光器可作为下一代数据中心中百万兆级计算机间互连的光学引擎。
来自美国伊利诺伊大学电子与计算工程系光子系统实验室的科研人员阐述了基于本征模式拓展和传输矩阵理论来快速设计和优化光子纳米喷射（PNJ）的应用方案。科研人员系统研究了超窄光束的实现方法，并基于不同本征模的线性组合过程引导和移动了PNJ热点位置。该技术支持复杂光束形状设计的特性使得其在许多应用场合中具有显著吸引力（包括检测位于细胞深处的纳米颗粒、超分辨率成像和光刻应用）。
由于其固有的应变敏感性，分布反馈式光纤激光传感器（DFBFL）在过去十年中一直是科研人员研究的热门主题，并且其中的应变及灵敏度特性在最近几年的发展中取得了重大进展。因此，科研人员分析了DFBFL器件的实际应用性能，概述了波分复用DFBFL传感器系统的基本工作原理。
来自上海固体激光应用重点实验室和中国科学院上海光学精密机械研究所的科研人员研制了在1000-1099 nm范围内连续可调的Yb掺杂线性极化光纤环形激光器，并在1000-1025 nm的短波长范围内研究了其放大性能（其工作原理如下图4所示）。科研人员通过实验证明：采用全光纤单模偏振保持主振荡器和功率放大器可实现波长分别在1010-1090 nm范围内超过10W的输出和波长在1014-1080 nm范围内超过30W的输出。在波长小于1020nm时，插入带通滤波器可抑制自发辐射影响。

图4.可调谐光纤激光器的工作原理

来自杭州中国计量学院光电技术学院的科研人员将基于单模-单芯-单模光纤夹层结构制备的光纤通过马赫增德尔干涉仪插入到环形腔内，制备了一种新型激光弯曲传感器（如下图5所示）。该传感器对温度变化不敏感，且支持约为0.61dBm的输出光强度和高达63dB的光信噪比，同时具备约0.01nm的窄光谱宽度和1.04nm/m-1的良好弯曲灵敏度。