2014年6月JLT光通信论文评析

7/11/2014，2014年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、无源和有源光子器件、光传输、调制与信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
作者：邵宇丰 王炼栋

光网络及子系统
        来自中国复旦大学信息科学与工程学院的研究人员通过实验展示了高速的2×2非成像多输入多输出奈奎斯特单载波可见光通信系统。在发射机和接收机中分别使用了两个商用蓝色发光二极管和两个雪崩光电二极管，蓝色发光二极管在10兆赫具有3分贝的电带宽，雪崩光电二极管在100兆赫具有3分贝的电带宽。研究人员提出了一种基于两对时间复用训练符号的频域均衡方法，可在一个步骤中同时进行解复用和后均衡处理。在本文中，研究人员还实现并分析了频域平均和时域平均。在实验展示中，整体的数据速率为500兆比特/秒。实验中在经过40厘米的自由空间传输后，对两个接收器测得的误码率均低于前向纠错门限3.8×10-3的7％。


        温室气体（GHG）的排放主要来自不可再生能源的消耗。为了减少IP优化光互连网的温室气体排放，来自中国苏州大学电子与信息工程学院和印度理工学院的研究人员建议在每个网络节点位置最大化地使用再生能源，以便减少不可再生能源的消耗。研究人员对IP优化光互连网提出了“跟随太阳，跟随风“的节能策略，即定期重新配置光路的虚拟拓扑结构，以便使更多的光路能在可使用再生能源最多的地方（节点）开始或结束。为此开发了一种混合整数线性编程模型来设计新光路的虚拟拓扑结构。由于优化模型的计算复杂性是很高的，研究人员还提出了一种简单而有效的启发式算法来解决这个问题。研究结果表明，通过这种方式运行的网络可以显著减少不可再生能源的消耗，例如在图示的网络场景中。

        对于未来光网络的发展，目前科研人员面临两大挑战：可扩展性和成本/能源效率。来自意大利国家工业技术中心、米兰理工大学电子信息系和意大利电信的科研人员，提出了一种新的方法来评估波长交换光网络（WSON）的可扩展性和成本/能源效率。这种方法考虑到了可重构光分插复用器（ROADM）的路由限制、各种类型的相干传输系统、不同的扩增方案和各种类型的光纤。通过对最近部署的意大利电信波长交换光网络（WSON）进行仿真运行，科研人员已经评估了网络的可扩展性和用于技术改造的路线图。科研人员还使用真实的流量配置文件和流量增长率预测，来进行各种实际情况的案例研究。这项研究为网络设计者提供了创新的工具和敏锐的洞察力，使他们根据当前以及未来光子技术的发展来进行网络设计决策。


无源和有源光子器件

        来自中国台湾国立台湾大学光子与光电子学院、通信工程学院和电气工程系的科研人员提出并分析了一系列基于混合等离子体波导的垂直定向耦合器，这些混合等离子体波导是与硅晶绝缘体（SOI）兼容的。科研人员对两种定向耦合器构造进行了研究：即金属-绝缘层-金属结构（MIM）和绝缘层-金属-绝缘层结构（IMI）。平面分析和三维分析都表明，金属-绝缘层-金属结构（MIM）的定向耦合器有着更好的耦合性能，如具有亚微米的耦合长度和较低的损耗。为了确保正常化的功率损耗低于5％，耦合长度可以选择尽可能短的0.492微米（大约是波长1.55微米的三分之一）。耦合器尺寸的大小甚至可以换来更低的功率损耗。在一个实例中，在保持同样的亚微米耦合长度情况下，非紧凑设计会产生3％的功率损耗。科研人员采用光束传播分析进一步验证了所提出的设计。这种分析独自验证了使用紧凑的金属-绝缘层-金属结构（MIM）设计，确实可以使导模耦合长度沿垂直方向缩短至0.492微米。

        为实现芯片内硅光子电路的三维（3-D）集成，来自韩国电子与电信研究所未来创新研究实验室的研究人员设计了一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）平台的偏振分束器。依靠一个三端口定向耦合器中心波导的偏振依赖性，这种偏振分束器将TM和TE偏振模式分离到三维（3-D）硅光子电路的不同层面。采用了全矢量光束传播法进行的数值模拟表明，研究人员可以实现10微米波长的偏振分束器，并且它的消光比在整个C波段都好于20分贝。水平偏振分束器采用没有垂直偏移的光学器件，具有几乎同样的光学特性。因此，本文中所提出的偏振分束器不仅与CMOS在结构上可以兼容，也能与CMOS制造工艺相兼容。

        来自印度Dayalbagh教育学院物理与计算机科学系的研究人员提出了一种理论模型，用于分析全光开关通过双光子吸收而引起自由载流子注入到2×2上下路硅微环谐振器中。理论模拟的结果与实验结果十分吻合。这些结果已被用于设计可重构的全光超快速解复用器/多路复用器的逻辑电路，电路中采用了三微环谐振器开关，所用的弗莱德（Fredkin）和托弗利（Toffoli）逻辑门是通用、传统和可逆的，分别只有一个和两个微环谐振器开关。开关进行了优化，具有低功耗（25毫瓦）、超快运行速度（25皮秒）和高调制深度（85%）的特点，使逻辑运算达到40 Gb/s。高Q值、可调谐性、紧凑性、可级联性、可逆性和可重构性结合起来的优势，使这种设计具有良好的实际应用效果。本文中研究人员所提出的模型，为超快速全光CMOS兼容可逆硅运算电路的设计，提供了一种新的范例。

        当施加的磁场垂直作用于磁流体薄膜表面时，磁流体薄膜中的磁性纳米粒子会聚集在一起，形成了一种新型的磁流体光子晶体。磁流体光子晶体的晶格常数可以通过改变所施加的磁场强度来调节。来自中国东北大学信息科学与工程学院和流程工业综合自动化国家重点实验室的研究人员对磁流体光子晶体的光子带隙进行了理论分析，发现当外加磁场的扫描速率为2奥斯特/秒时，它具有较好的磁可调性。研究人员研究了所施加的磁场对慢光的影响程度。该结果表明，可以获得低于0.35C群速度的慢光，并且当外加磁场的扫描速度为10奥斯特/秒时，与磁场强度相关的慢光工作波长漂移是最明显的。与传统的光子晶体相比，磁流体光子晶体表现出更大的优势，具有更好的磁可调性并且更容易形成，这在新的光电器件制造上有很大的应用潜力。

        定向耦合器是在光学集成电路中广泛应用的一个关键元件。然而，传统定向耦合器的耦合效率对波长是高度敏感的。这种敏感性会使设备的性能降低，包括用于波分复用传输的定向耦合器。来自日本金泽大学自然科学与技术研究生院的科研人员提出了曲线定向耦合器的设计，这是利用二氧化硅光波导来实现一种对波长不敏感的耦合器，具有小尺寸的封装形式和宽容灵活的生产制造条件。在本文中，科研人员从理论上研究了这种曲线定向耦合器使用硅线状波导的情况并得出了结论，当曲线耦合器具有21微米的弯曲半径以及7.40微米的耦合长度时，可以减少对波长的依赖；与传统的定向耦合器相比，当透射率的变化范围在−3±0.1分贝时，曲线耦合器的工作带宽获得了约七倍的增强。


        来自意大利罗马大学工程系和意大利光子网络国家实验室的研究人员介绍了一种光控场效应晶体管（OCFET）。这种器件是在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的基础上改变几何结构，在栅氧化层和栅极金属触点之间插入一个锗层而构成的。它的研制工作是通过采用电脑技术辅助设计工具来完成的。研究人员描述了这种光控场效应晶体管（OCFET）的工作原理，探讨了它在1.55微米近红外光下的静态特性和动态特性。并对这种器件在开/关电流比和开关时间方面的性能进行了研究，同时与此对应设计了诸如锗的掺杂度、器件寿命、栅极偏置电压以及光功率等参数。研究人员最后从未来应用的视角和可能存在的应用限制等方面，对器件的最佳工作条件和性能满意平衡策略进行了研究与讨论。


光传输

        在未来的高带宽通信系统中，对于评估来自太空的激光下行链路的可行性而言，航天器和光学地面站之间信息数据容量的准确知识是最重要的。由于下行链路系统具有额外的成本和复杂性，人们对相干光接收器在灵敏度和频谱效率方面的潜力越来越有兴趣。但在实际应用中，由于下行链路部分包含了大气层，晴空湍流引起的链路相位失真和衰减会使相干接收机的潜力受到严重影响。比较方便的做法是，由多个子孔径组成的相干信道匹配阵列接收器可以减少信号衰减。另外，采用自适应光学也可以从原理上使波前畸变得到缓解。本文中，来自西班牙加泰罗尼亚技术大学信号理论和通信系的研究人员，对在大气层下行相干系统中使用的这两种基本技术提供了综合的、统一的分析。做为自适应光学的一种替代方案，研究人员说明了如何使用阵列技术，通过跟踪和校正大气层中的信号失真来扩展激光下行链路的容量。

调制与信号处理

        来自塞尔维亚贝尔格莱德大学电气工程学院的研究人员开发了一种高效的半解析法，用于对半导体光放大器的稳态增益特性进行快速而准确的评估。这种方法依赖于对光子密度空间分布的分析解法，先进行不含非线性增益抑制的粗略估算，然后再通过包含抑制的结果进行细化。载流子密度的空间分布接近一个常数或一个分段常数函数。与简化的宽带数值方法相比，半解析法排除了对光子谱密度的依赖，只需要相当低的处理资源，并且根据模型的复杂度，在精度无显著降低的情况下可以提高运算速度一到两个数量级。

        传统的蒙特卡洛光线传播法是利用菲涅耳反射系数来确定一个光子反射到界面的概率。然而在一些结构中，光的波动性也是十分很重要的，例如在布拉格反射光栅中，菲涅耳系数就不适用于干涉效应。来自美国费城德雷克塞尔大学电气与计算机工程系的研究人员在本文中介绍了这种结构的反射系数是通过利用波动方程计算出来的，对应每个波长的波动方程在结构中都会被模拟。这些反射系数在蒙特卡罗模型中被用于模拟光线的传播，在这些模拟传播中还要模仿光线通过某些区域，而这些区域中充满了干扰产生的介质。一些布拉格光栅会被做为示例在模拟时用到，模拟的结果也被分析计算所证实。


光纤技术

        来自中国科学院福建物质结构研究所、中国科技大学光学与光学工程系的研究人员提出了一种有效的方法用以产生光旋涡（OVs），这种方法是将螺旋光纤布拉格光栅（H-FBG）直接加在少模光纤上。螺旋调制率是在单面UV曝光期间，通过使用相位掩模来旋转光纤而得到的。研究人员制定了一组耦合模方程，用来分析螺旋光纤布拉格光栅（H-FBG）的反射特性。按照本文建议的方法，稳定的光旋涡（OVs）可以用一种适当设计的M-光纤来实现，而光旋涡（OVs）的顺序可以通过谐振波长的调谐和螺旋光纤布拉格光栅（H-FBG）的旋向性来调整。

        来自比利时布鲁塞尔自由大学、布鲁塞尔光电子协会、法国下诺曼底卡昂大学和波兰卢布林玛丽亚居里夫人大学光纤技术实验室的研究人员对五种类型的微结构光纤（MOFs）和两种类型的参考光纤进行张力拉伸试验，然后利用威布尔统计对拉伸强度进行了分析。对断裂表面使用光学显微镜观察，可以识别出关键缺陷的所在并能确定失效机理。首先，实验结果表明了这些微结构光纤（MOFs）与标准光纤相比，所具有的拉伸强度较低。其次，研究人员发现微结构光纤（MOFs）的机械强度与光纤微观结构的尺寸和形态有关。最后，断裂口表面的检查证实了微结构光纤（MOFs）是因位于空气孔附近的缺陷而被拉断的，而相比之下，标准光纤在被拉伸断裂的过程中，裂缝总是由位于光纤外侧二氧化硅表面的缺陷开始扩大的。

        来自中国科学院上海光学精密机械研究所和上海市全固态激光器与应用技术重点实验室的研究人员介绍了一种基于达曼光栅的孔径填充技术，主要应用在无源相干光束合成光纤放大器阵列中，并使用全光反馈回路进行锁相。它的最大输出功率为206 瓦。研究人员对一种三通道孔径填充技术的组合效率进行了讨论分析，并且证实了这种技术的组合效率会随输出功率的改变而变化。所进行的理论模拟表明一些扰动因素会导致组合效率的下降，而其中导致下降的关键因素是残余相位误差。理论和实验结果表明，这种技术具有良好的发展潜力，能在一个单一光束中获得更高的亮度。

        来自天津医科大学生物医学工程学院的科研人员对长周期光纤光栅（LPG）进行了系统的研究，研究内容是光栅对温度、压力、弯曲和外部折射率的灵敏度。基于纯二氧化硅光子晶体光纤（PCF）的特性，这种长周期光纤光栅（LPG）表现出了较低的温度敏感性，在摄氏20至1100度的温度范围内所测出的温度系数约为10.5pm/℃。应当指出的是，由飞秒激光引起纯结构波导的变化是可以承受高温的。该长周期光纤光栅（LPG）的压力灵敏度较高，数值是-1.86pm/με。由于不对称修饰的包层结构，这种长周期光纤光栅（LPG）具有很强的方向性弯曲敏感度，最大的弯曲敏感度为-1.12nm•m。该长周期光纤光栅（LPG）的最大外部折射率敏感度估计为-725nm/ RIU。对温度的灵敏度非常弱（特别是在高温环境中），对压力、弯曲和外部折射率的敏感性很强，长周期光纤光栅（LPG）所具有的这些特性为解决光纤传感器具有的交叉灵敏度问题，提供了一个简单的途径。因此，这种光栅可以作为传感器，在包括高温等恶劣环境的一系列应用场合中得到广泛的使用。