2018年3月PTL光通信论文评析

光纤在线特约编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖
2018年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光子器件、传感技术、激光器、波长转换等，笔者将逐一评析。

1.光子器件
    磷光粉转换白色发光二极管（pc-WLED）因其高效率，绿色环保以及耐用性被视为常规照明的候选器件。近年来，许多研究机构已经设计出多类pc-WLED封装结构。在实际应用中，磷光粉的精确光学建模有利于LED封装的发展。在蒙特卡罗光线追踪模拟实验中，单个散射模式下的角散射和散射系数是影响表征粒子散射性能的两个关键参数。过去几年中，研究人员致力于研究表征磷光体粒子的散射性能。理论上，如果粒子是球形的并且磷光体的折射率（RI）已知，则散射参数可直接通过洛伦兹-米耶理论计算得知。但是，大多数LED磷光粉粉末形状是不规则的且RI是未知的。在实验中，为了获得散射参数，研究人员设置各种测量方案用以研究测试磷光体的光学性能。由于光在磷光板中会倍增散射，所以在射线追踪中需要至少调整两个参数。光线跟踪中的微调过程非常耗时。直到现在，仍然缺乏有效和高效的方法直接测量具有任意形状磷光体的散射参数和未知的RI。最近，研究人员在单一散射条件下提出了一种基于激光粒子分析仪（LPA）测量磷光粉粒子有效表征的散射性能的新方法，实验验证并测量了WLEDs有效性通过透射率和光学性能。他们首次使用LPA系统直接测量单次散射条件下磷光粉粒子的相关数。采用表征光学参数的蒙特卡罗光线追踪技术是为了模拟这种情况下WLEDs荧光板的透射率和光学性能，研究人员提出的方法被证明是可有效评估磷光粉的散射能力。考虑到测量精度，在LPA中的液体介质的RI应该与WLED中的硅氧烷相匹配。利用实验研究开发的方法可以精确地测量表征磷光体颗粒，光学性能可以使用数值模拟进行预测和优化。上述方法对于WLED的色度调整非常有用。LPA测量装置的示意图如图1所示。

图1 LPA测量装置示意图

    硅绝缘子（SOI）是一种用于紧凑设计和高性能应用的光子集成电路（PICs）平台，由于其优异的高指数对比度和互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性引起了研究者的极大兴趣。在高密度的光子集成电路（PICs）中，光功率分配器是实现光分布的关键部件，它在光学传感器、开关和马赫-曾德森干涉仪（MZI）调制器的构建中得到了广泛应用。然而，SOI平台的高指数对比度引起了强烈的极化依赖性，使得功率分配器对偏振敏感。因此，PIC非常需要同时具有偏振不敏感、低损耗、超宽带和紧凑尺寸特性的功率分配器。研究人员已经设计和制备了一些高性能功率分配器，包括Y分支、定向耦合器（DC）、多模干涉耦合器（MMI）等。其中，最简单的结构是Y分支，但两个分支之间的角度需要非常小（∼1°）以减小损耗，这也导致了较大的器件长度（∼50μm），并且对当前的制造技术提出了巨大的挑战。传统的DC和MMI耦合器往往对波长和偏振的敏感度很高。一些研究者提出了在1550nm波长下具有0.06dB低损耗的MMI耦合器，但它只能在一个偏振状态下运行良好。此外，有研究者提出了一种基于锥形硅波导的偏振不敏感和超宽带3dB耦合器，其中低损耗的工作带宽为1200到1700nm，设备长度只有5μm。然而，它的最小特征尺寸只有30纳米，这对制造过程提出了非常严格的要求。因此，具有合理性能的功率分配器的超紧凑、偏振不敏感和宽带方案仍然备受关注。目前，亚波长光栅（SWGs）由于其有效的衍射抑制、均质行为和折射率操纵，使得光栅的间距小于光的传播波长。运用这些独特的特性，研究者们已经成功地设计了使用SWG元件（包括与波长无关的MMI耦合器，2×2绝热3dB耦合器和偏振分束器）的制备方案。对于使用SWG的3dB耦合器，它是偏振敏感的（仅用于TE模式），并且其具有相对较大的器件长度（有研究表明约为48.2μm）。此外，MMI耦合器的插入损耗（IL）在1260到1675nm范围内的工作带宽仅低于1dB，这仍需要改进。
    最近，研究人员设计了基于TE和TM两种模式的紧凑宽带型功率分配器，其中输入锥形波导和两个输出波导的前段是由反锥形波导和带状纳米线组成，并将其嵌入在SWG结构的中心（其原理图如图2所示）。研究人员已将设备尺寸优化，使得输入的TE和TM模式波耦合到相邻的波导，然后从两个对称的弯曲通道输出。实验结果表明，该设备的总长度短至2.5μm，比传统偏振不敏感的DC耦合器、MMI耦合器和基于SWG的MMI耦合器要短得多，并且低损耗（<0.1 dB）的工作带宽可覆盖从O到L以及部分U波段的整个范围。

图2硅基功率分配器原理图

2. 传感技术
    近年来，法布里-珀罗干涉仪（FPIs）在海洋勘探、化学探测、生物医学和微流体应用等各种应用领域越来越受人们关注。制造FPIs的方法包括电弧放电、飞秒激光、聚合物的创建以及使用弹性膜片的FPI技术等。对具有弹性膜片的FPI，膜片的力学性能和厚度是影响压力测量的最重要因素；膜片可由各种材料（包括银、丝纤维蛋白、二硫化钼和石墨烯）组成。由于石墨烯具有优异的力学性能和超薄的厚度，因此使用石墨烯膜片的FPI被广泛研究，并且已有研究证明25μm膜片直径的压力灵敏度超过39.4nm/kPa。研究人员通过使用石墨烯膜片来进一步提高传感器的性能。一些研究已经设计了用于测量不同参数（如振动、粘附能、热膨胀和生物分子等）的类似传感器结构。研究人员通过实验证明了相同的传感器结构能够用于温度测量过程；该类传感器在500-510℃和1000-1008℃的温度下分别具有1.56和1.87nm/℃的超高灵敏度。已有研究人员提出了与被困气体热膨胀、石墨烯隔膜的热光学特性以及凸起的石墨烯气泡偏转行为有关的分析模型，其温度测量结果表明：温度在空腔长度下引起的变化为352nm/℃，并在20-60℃范围内具有良好的线性性质。因此，具有石墨烯隔膜的FPI可以实现出色的压力和温度测量性能。然而，很少有研究分析交叉碰撞误差如何影响压力和温度测量的准确性。双参数测量的研究表明，用于双参数测量的光纤传感器可以通过矩阵来实现，用于同时测量压力和温度的传感器可以实现2-10nm/kPa和10.7pm/K的灵敏度，并且光纤传感器用于压力和温度测量可以达到4.07pm/kPa和10pm/℃的灵敏度。因而，双参数测量可以通过温度补偿来实现。研究人员设计了直径为125μm的石墨烯膜片来制造包括光纤布拉格光栅（FBG）和FPI的传感器（如图3所示），并将其用于同时测量压力和温度。FPI具有501.4nm/kPa的超高压和306.2nm/kPa的温度灵敏度。该传感器的压力灵敏度比之前的研究高了7.96-13.9倍，压力与温度之间的交叉影响是610Pa/℃。

图3 光纤传感器示意图

3.激光器
    由于超快激光脉冲可广泛应用于工业加工及其相关研究，因此它的发展演进吸引了研究人员的广泛关注。饱和吸收体（SAs）是一种非线性光学系统调制组件，在激光系统的短脉冲生成过程中起着至关重要的作用。最近，低密度的分层材料已被广泛研究，因为它们可以将各种光学部件灵活地整合在一起，包括石墨烯，拓扑结构绝缘体（TI），过渡金属二硫族化合物（TMD），黑磷（BP）等。得益于宽带的非线性光学（NLO）特性和超快响应特性，它们已广泛用于脉冲激光的产生。由于要求实现低成本，可调和稳定的超短光纤激光器，因此SAs可调谐非线性光学特性已经引起探索新型非线性功能材料和开发新颖NLO器件的研究人员的极大兴趣。杂化有机-无机钙钛矿（HOIPs）具有电荷载流子跃迁的直接带隙性质吸引了研究太阳能电池中光吸收器的研究人员的极大关注。研究人员已经证明了钙钛矿的高光电转换效率来源于光学元件可比的吸收长度和电荷载流子扩散长度。钙钛矿的大强度吸收进一步刺激了研究钙钛矿的非线性光学响应。最近，研究人员已经证明CH3NH3PbI3在532nm和1028nm条件下表现出优异的非线性光学性质；并且CH3NH3PbBr3在532nm和30℃的条件下的具有三阶非线性响应。研究人员还分析了CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx的非线性光学响应，并展示了作为光学调制器的带有钙钛矿的脉冲红外（IR）激光器。此外，已有相关研究人员设计了基于钙钛矿SA的Q开关和锁模掺镱或掺铒激光器。现有条件下，SA已经可集成到光纤套圈端面。但是，由于被动模式锁定是限于相对较低的泵和输出功率，光纤上的SA容易损坏端面会导致钙钛矿的强吸收。得益于与瞬逝场的相互作用，非线性材料不会直接暴露在高光功率下，从而减轻光学或热损伤并改善光纤激光器的性能。此外，波导和非线性材料之间瞬逝场的相互作用为可调非线性光学器件提供工作平台。当前，研究人员通过研究验证了基于瞬态场与卤化物钙钛矿相互作用的全光纤埃尔多安锁模激光器。钙钛矿被沉积到D形光纤的侧面抛光表面上，抛光长度30毫米，在核心处抛光深度为1-2微米。并对实验样品的非线性光学吸收特性进行了研究和测量。此外，稳定的模式锁定已经实现了约1568.9nm的操作波长并且脉冲持续时间为1.13ps，表明HOIPs可以被开发成超快速光子的有效SA。研究人员通过实验制备了基于瞬逝场与杂化有机-无机钙钛矿CH3NH3PbI3相互作用的全光纤掺铒杂锁模光纤激光器，还通过压制D形光纤上高品质的CH3NH3PbI3薄膜制备了 SA，研究证明该非线性光学的吸收强度依赖于钙钛矿的SA。基于SA可 在光通信频带的操作过程中可获得稳定的模式锁定。合成钙钛矿的被动锁模光纤激光器的中心波长，光谱宽度，估计的脉冲持续时间和重复率分为1568.9nm，2.75nm，1.13ps4MHz。实验结果证明了卤化物钙钛矿的非线性光学响应且其在非线性光学和超快光子学领域极具应用潜力（钙钛矿的光学特性如图4所示）。

图4 钙钛矿的光学特性：（a）电子显微镜（SEM）扫描显示制备的钙钛矿表面薄膜的图像; （b）抛光长度为30毫米的D形光纤表面; （c）UV-VIS-NIR吸收光谱;（d）装有一个两级可饱和吸收体模型的非线性透射测量结果

    自2010年首次应用以来，随机光纤激光器（RFL）因其具有高效率和易操作特性引起了人们的广泛关注。RFL的增益由激拉曼散射（SRS）提供或受布里渊散射（SBS）产生，而光纤中的瑞利散射（RS）提供了随机分布反馈过程。迄今为止，RFL在很多方面都有极大进展，诸如高功率，多波长，可调谐性和传感系统等领域。由于多波长光纤激光器是支持密集波分复用（DWDM）系统一个重要器件，因此如何获得多波长也是RFL中的热门研究课题。在基于SRS的多波长RFL（MRFL）中，光谱滤波器具有多个传输峰值并常被用于生成多波长输出，如FBG阵列滤光器的应用。与基于SRS的RFL相比， 由于基于SBS的RFL具有窄带宽和低门限的性质，因此吸引了很多研究人员的兴趣。SBS的增益带宽仅为50-100 MHz，比SRS的窄得多，因此会导致基于SRS的RFL具有比较窄的线宽。更重要的是，SBS的门限也比SRS低一个数量级。上述特点使得窄线宽的RFLs在产生多波长方面有很大的优势。研究人员设计了结合了啁啾光纤光栅的多波长布里渊铒随机光纤激光器，并得到了一个波长间隔约0.088nm的五信道输出，功率差约为4.3dB。但是，上述所有基于SBS的MRFL具有的输出频率间隔等于SBS频率间隔。迄今为止，还未有展示基于SBS的MRFL具有输出光频率间隔等于双SBS频率间隔的实验报道。最近，研究人员研制了一种新颖的基于SBS的可调谐多波长随机光纤激光器。在实验中，研究人员设计了在不同输出端的六个信道（具有0.174nm的波长间隔）。通过调整两个980纳米激光二极管的功率，奇数阶信道和偶数阶信道在不同的条件下都获得了相同的波长间隔输出。研究人员设计的MRFL也可以从1549.75nm波长调谐到1569.75nm。 研究人员设计的多波长随机光纤激光器实验装置如图5所示。

图5 多波长随机光纤激光器实验装置

4.波长转换
    近年来，随着各类云计算服务的发展，数据中心网络的互联网业务流量需求不断增加。为了解决庞大通信业务流量这一问题，需要实现数据中心网络的低成本、低功耗的高速互连。从调制格式层面考虑，由于无需进行复杂的发射机和接收机配置，四电平脉冲幅度调制（PAM-4）格式备受关注。在一些报道中，研究人员指出PAM-4格式的传输容量是传统强度调制和直接检测（IM/DD）调制格式的两倍。特别是结合PAM-4和波分多路复用（WDM）技术的传输方案是未来数据中心网络的一个候选方案。在基于WDM传输的数据中心网络中，波长选择是提高网络可扩展性的一项不可缺少的技术。全光波长转换器（AOWCs）在波长选择中起着重要的作用。半导体光放大器（SOA）是AOWCs中的非线性元件，它与其他类型的非线性元件相比，具有体积小、功耗低和集成度高等优点。虽然AOWCs在未来的数据中心网络中需要使用PAM-4信号，但与传统的IM/DD方案相比，PAM-4信号在固定带宽内的容错能力相对较低。量子点半导体光放大器（QD-SOAs）在活性层中具有纳米级的量子点，其在AOWCs所要求的关键应用方面体现出更高的增益、更大的增益带宽和更快的增益恢复时间等优势。目前已经有许多使用QD-SOA的AOWCs的报告，值得注意的是，基于QD-SOAs中蓝色增益和折射率动态特性的较强蓝色（短波长侧）啁啾特性能够加速增益恢复时间，并通过在QD-SOA的输出端使用常规光学滤波器来减小带宽限制。如果考虑滤波器的中心通带稍微偏移到较短的波长端，可以引入蓝移滤波（BSF）技术。在QD-SOA的相关研究中，研究人员已经成功演示了超高速波长转换和光学多路复用过程。与普通SOA相比，QD-SOA具有更快的增益恢复时间。由于蓝啁啾的程度由瞬时相位的时间导数决定，使用QD-SOA更适合于通过BSF技术加速增益时间。在数据中心网络中，由于安装了大量的光收发器，因此要求这些光收发器以低功耗和低成本运行。为了降低功耗和成本，非制冷光收发器被广泛使用，因为热电制冷器消耗了光收发器所需的大部分功率。在不冷却的情况下，光收发器由于器件的温度波动将导致波长漂移发生。最近，研究人员演示了在QD-SOA中使用交叉增益调制（XGM）和BSF技术的25Gbit/sPAM-4信号的全光波长转换过程（其实验装置图如图6所示）。研究人员还使用实时采样示波器在误差矢量幅度（EVM）测量方面研究了AOWC的波长转换性能。

图6 PAM-4信号波长转换实验装置图（PPG：脉冲模式发生器；ECL：外腔激光二极管；PC：偏振控制器；LNM：LiNbO3调制器；EDFA：掺铒光纤放大器；R-BPF：矩形带通滤波器；OC：光耦合器；BPF：带通滤波器；OPM：光学功率计；OSA：光学频谱分析仪；PD：光电二极管；RS-OSC：实时采样示波器）