2010年05月01日PTL光通信論文
                ——邵宇豐評析
2010年5月1日出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體有機(jī)激光器和放大器、傳輸和光波導(dǎo)、無源器件、波長轉(zhuǎn)換、測量技術(shù)、傳感器、光電探測和光電接收技術(shù)、模擬和射頻光子學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)，筆者將逐一評析。
 
1、 半導(dǎo)體有機(jī)激光器和放大器
垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列在業(yè)界有許多有意思的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在高速并行數(shù)據(jù)傳輸、光互連和高功率光泵浦等方面的應(yīng)用。與此同時，考慮到密集封裝的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列具有非常高的輸出光功率，這將在垂直腔表面發(fā)射激光器陣列中增加每個元器件的耦合熱量，并且這種限制將導(dǎo)致對垂直腔表面發(fā)射激光器陣列的研究進(jìn)展變得更加緩慢。垂直腔表面發(fā)射激光器陣列的出射激光表現(xiàn)可以出一些典型的熱光效應(yīng)，例如由熱透鏡和增益壓縮產(chǎn)生的自聚焦效應(yīng)，以及由垂直腔表面發(fā)射激光器陣列中的熱耦合產(chǎn)生的光串?dāng)_現(xiàn)象。來自美國南哈德利麻薩諸塞州曼荷蓮女子學(xué)院物理系的研究人員提出并報道了一種新型采用不接觸的方法在垂直腔表面發(fā)射激光器陣列中進(jìn)行成像熱量的擴(kuò)散技術(shù)。采用基于熱反射比的完全耦合設(shè)備（CCD）實(shí)現(xiàn)二維垂直腔表面發(fā)射激光器陣列熱成型的方法被研究人員解決了。研究人員提出的這一技術(shù)提供了高空間分辨率（250nm）和熱量比（10mK），而且這一技術(shù)能在單個垂直腔表面發(fā)射激光器內(nèi)部和垂直腔表面發(fā)射激光器陣列的熱耦合中有效測量其中的溫度分布。研究人員在運(yùn)行的垂直腔表面發(fā)射激光器中對陣列的熱導(dǎo)率和熱成像及其光模式和分布中的偏移進(jìn)行了量化研究。圖1.1所示為研究人員獲得的在垂直腔表面發(fā)射激光器陣列中單個垂直腔表面發(fā)射激光器孔徑的光場分布模式（左圖）和熱點(diǎn)（右圖）的偏移圖像。
 
圖1.1單個垂直腔表面發(fā)射激光器孔徑的光場分布模式（左圖）和熱點(diǎn)（右圖）的偏移圖像
近年來，無極鎵氮材料由于消除了內(nèi)在的電域關(guān)系（主要體現(xiàn)在它能在極性鎵氮材料中強(qiáng)烈影響到應(yīng)變量子阱（QW）的結(jié)構(gòu)），因此在相關(guān)研究領(lǐng)域引起了研究人員的廣泛關(guān)注。我們知道，在極化域空間分離電子和空穴的過程將縮減光子躍遷發(fā)生的可能概率。來自韓國電子技術(shù)研究所光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員報道和分析了基于電子各向異性的基底堆積缺陷（BSF）和基于藍(lán)寶石襯底的非極性無極鎵氮材料發(fā)光二極管（LED）的器件特性。圖1.2所示為研究人員測量得到的基于藍(lán)寶石襯底非極性無極鎵氮材料切片平面的電子顯微圖像的平面圖。
 
圖1.2基于藍(lán)寶石襯底非極性無極鎵氮材料切片平面的電子顯微圖像的平面圖
在銦鎵氮量子阱（QW）發(fā)光二極管（LED）中提高出光效率在業(yè)界已經(jīng)成為研究人員極其關(guān)注的一個重要研究課題，其原因是這種方法能夠提高外部量子效應(yīng)。目前，許多不同的方法被研究人員提出來以增加發(fā)光二極管的輸出能量。我們知道，提高出光效率的基本方法是在發(fā)光二極管的內(nèi)部和外側(cè)增強(qiáng)光的散射效應(yīng)。因此，在發(fā)光二極管表面進(jìn)行粗糙化加工的處理方法被研究人員廣泛采納以增強(qiáng)發(fā)光二極管的出光效率。與此同時，研究人員還提出在材料的表面和內(nèi)部進(jìn)行光子晶體（PHCs）的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高發(fā)光二極管的出光效率。來自中國臺北臺灣國立大學(xué)電子工程系和光學(xué)與光電子研究所的研究人員提出并報道了基于聯(lián)合光電化學(xué)（PEC）濕刻蝕過程和相位模板干涉技術(shù)在一個發(fā)光二極管平頂周圍表面形成一維（1-D）光柵結(jié)構(gòu)的方法。研究人員完成的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了將出光效率提升至43%以上。在光電化學(xué)刻蝕過程中，一塊半導(dǎo)體被浸入到一個傳導(dǎo)電解液的容器中，該容器包含一個允許紫外光照射抽樣的光學(xué)窗口。圖1.3所示為研究人員提出并實(shí)現(xiàn)的一種光柵型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。
 
圖1.3研究人員提出的光柵型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)
與常規(guī)邊緣發(fā)光器不同的是，光泵浦半導(dǎo)體激光器（OPSLs）有能力產(chǎn)生高質(zhì)量高功率的激光束。實(shí)現(xiàn)光泵浦半導(dǎo)體激光器的最優(yōu)高功率輸出也是精確的晶片設(shè)計和晶片生長工藝所必須要求的。為了在一塊光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片的增益上利用共振增強(qiáng)效應(yīng)，量子阱必須準(zhǔn)確地生長在來自分布布拉格反射鏡（DBR）反射形成的駐波波谷。來自美國圖森市亞利桑那州州立大學(xué)光科學(xué)研究院的研究人員致力于研究和發(fā)展1040納米的高功率光泵浦半導(dǎo)體激光器的光源以響應(yīng)一個大氣空間的光信號傳輸窗口。研究人員演示和實(shí)現(xiàn)了工作波長在1040納米近衍射極限輸出高達(dá)23.8w、光到光轉(zhuǎn)換效率為27%、斜效率為32.4%和多模輸出功率達(dá)到40.7w的光泵浦半導(dǎo)體激光器。研究人員提出的溫度獨(dú)立的光激發(fā)光測試方法能依照增強(qiáng)有效增益的設(shè)計技術(shù)確保精確的晶體外延生長過程。圖1.4是研究人員得到的溫度獨(dú)立表面光激發(fā)光的光譜分布示意圖。
 
圖1.4研究人員得到的溫度獨(dú)立表面光激發(fā)光的光譜分布示意圖
薄片激光器自從1992它年首次問世以來已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。尤其值得一提的是，如果采用銦鎵氮材料進(jìn)行制備，光泵浦薄片激光器具有一系列的應(yīng)用優(yōu)勢。但由于在銦鎵氮材料中摻磷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)本身就是一個艱巨的任務(wù)，采用電來驅(qū)動發(fā)光設(shè)備則會經(jīng)受高的阻抗從而產(chǎn)生高熱量。來自德國柏林大學(xué)固態(tài)物理研究所的研究人員提出并實(shí)現(xiàn)了一種銦鎵氮-鎵氮薄片激光器的一步實(shí)現(xiàn)工藝流程。在對設(shè)備的制備過程進(jìn)行描述后，研究人員對銦鎵氮-鎵氮薄片激光器的特性進(jìn)行了研究，尤其是對銦鎵氮薄片激光器的斜效率進(jìn)行了首次報道。此外，研究人員還進(jìn)一步分析和討論了改善銦鎵氮薄片激光器性能的設(shè)計過程和一些存在于其中的概念性問題。圖1.5是研究人員提出的垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSELs）的設(shè)計方案圖。
  
圖1.5垂直外腔表面發(fā)射激光器（VECSELs）的設(shè)計方案圖

2、 傳輸和光波導(dǎo)
我們知道，光子晶體（PhCs）具有周期性的結(jié)構(gòu)因此有能力控制通過介質(zhì)的光傳輸。光子晶體目前已經(jīng)成為最有可能實(shí)現(xiàn)光子集成回路（PICs）的襯底，從而可以縮減光學(xué)元件的尺寸和功率需求，其主要作用是在單個芯片上實(shí)現(xiàn)單片集成。基于高系數(shù)對比材料的光子線（PhWs）就像基于絕緣體的硅材料（SOI）一樣也能提供高的光局限效應(yīng)。二維（2-D）光子晶體設(shè)備已經(jīng)被證明在光分離器、光耦合器、光透鏡和光功率分配器上有諸多的應(yīng)用。當(dāng)然，一維（1-D）光子晶體或光子線結(jié)構(gòu)也能為具有小尺寸高Q值的設(shè)備在制造工藝上提供便利。通過對微腔細(xì)節(jié)的仔細(xì)設(shè)計高的Q值也是可以實(shí)現(xiàn)的，但是對于有較長間隔部分的器件設(shè)計，例如對于延伸腔體和多個微腔的設(shè)計則是較為困難的。來自英國布里斯托爾大學(xué)電子工程和電器系通信研究中心（CCR）光子學(xué)研發(fā)組的研究人員已經(jīng)成功地實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于絕緣體硅材料的高質(zhì)量一維光子晶體或光子線外延腔的制作和測量。研究人員研制了腔體范圍長度從3微米到8微米的器件。圖2.1是研究人員采用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描獲得的一維光子晶體或光子線外延腔的照片。

圖2.1采用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描獲得的一維光子晶體或光子線外延腔的照片
目前，液體核心光波導(dǎo)（LCW）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)新型光流體設(shè)備的關(guān)鍵器件，并已經(jīng)受到許多研究人員的高度重視。液體核心光波導(dǎo)在高靈敏度光傳感和光發(fā)送等應(yīng)用領(lǐng)域扮演了不可或缺的角色，正因?yàn)檫@個原因，研究人員致力于進(jìn)一步改進(jìn)液體核心光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)以求促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。我們知道，實(shí)際上把光局限在低折射率芯中還有一系列材料可以利用，例如光子晶體、布拉格光波導(dǎo)和共振反射型光波導(dǎo)（ARROW）。眾所周知，共振反射型光波導(dǎo)是一種漏隙波導(dǎo)，它有能力把光限制在芯中是因?yàn)樗�的折射率低于任何一種外涂覆層的折射率。因此，利用這一特點(diǎn)可以采用直接作用的方法在液體核心光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)非常少量液體的注入。來自意大利那不勒斯的研究人員報道了采用原子層沉積（ALD）技術(shù)構(gòu)造液體核心共振反射型光波導(dǎo)的方法。結(jié)果顯示低損耗的液體核心光波導(dǎo)有非常寬的輸出傳輸光譜。研究人員不僅僅報道了來自液體核心光波導(dǎo)這種新結(jié)構(gòu)材料的輸出光譜，而且測量到其衰減損耗和理論計算的預(yù)期值基本一致。圖2.2是研究人員提出并設(shè)計的共振反射型光波導(dǎo)的橫斷面示意圖。
 
圖2.2設(shè)計的共振反射型光波導(dǎo)的橫斷面示意圖
近年來，空芯光子晶體光纖（HC-PCFs）由于其相比較傳統(tǒng)的全反射型光纖而言具有某些特殊的性質(zhì)引起了研究人員的廣泛關(guān)注，而且空芯光子晶體光纖在高功率光孤子傳送、低非線性和氣相非線性光學(xué)領(lǐng)域具有很多的潛在應(yīng)用優(yōu)勢。在空芯光子晶體光纖中，光波被局限在光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)中傳播。然而，目前所有的研究都集中于周期性的結(jié)構(gòu)研究，其表現(xiàn)在由不同形狀的三角形、方形、蜂巢型和Kagome 格子形孔洞形成的光子帶隙結(jié)構(gòu)。來自中國北京中國遙感研究所光電子研究中心的研究人員研究并報道了一種新型局部具有12重對稱類似光子晶體結(jié)構(gòu)（PQs）的空芯類光子晶體光纖（HC-PQF）。研究人員報道的類光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種具有大范圍但缺乏周期性分布的特殊結(jié)構(gòu)。目前的研究已經(jīng)證明了類光子晶體結(jié)構(gòu)具有非常多有趣的光學(xué)特性，例如類光子晶體結(jié)構(gòu)可以提供更高的旋轉(zhuǎn)對稱性和更多各向同性的布里淵分布，因此在更低級的絕緣體上具有更多的一致性。圖2.3是研究人員提出并設(shè)計的6重光子晶體光纖的橫斷面示意圖。
 
圖2.3重光子晶體光纖的橫斷面示意圖

3、 無源器件
為了更進(jìn)一步有效提高在光子集成回路（PICs）上承載的復(fù)雜信號處理任務(wù)的能力，基于芯片開發(fā)來各種光器件是一件不可或缺的事情。相比較有源器件而言，例如激光器、放大器和調(diào)制器，無源器件通常更有可能實(shí)現(xiàn)高級別的集成，其原因是它們通常是采用二氧化硅進(jìn)行集成的。來自加拿大金斯頓女王大學(xué)電子和計算機(jī)工程系的研究人員提出和實(shí)驗(yàn)證明了一種在1550nm波長帶內(nèi)準(zhǔn)光環(huán)形器的集成技術(shù)。這種準(zhǔn)光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)中包含兩個光功率耦合器，兩個光放大器和一對光衰減器。其中，光功率分支器被背靠背地連接起來其分光比為98:2。光放大器在準(zhǔn)光環(huán)形器中被使用作為定向器件來阻擋發(fā)至端口二送到端口一的光波，同時也阻擋發(fā)至端口三送到端口二的光波。光衰減器則被使用來對整個系統(tǒng)進(jìn)行增益控制。測量結(jié)果顯示從端口一到端口二和從端口二到端口三的前向光傳輸?shù)牟迦霌p耗值接近到0dB。圖3.1是研究人員提出并設(shè)計的準(zhǔn)光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)示意圖。
  
圖3.1 研究人員設(shè)計的準(zhǔn)光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)示意圖
    表面等離子體光學(xué)是在金屬和絕緣體接口利用表面等離子體激元(SPPs)的技術(shù)，在過去的十年里表面等離子體光學(xué)在全世界引起了研究人員的廣泛關(guān)注。表面等離子體激元是由外部電磁場（如光波）誘導(dǎo)金屬表面自由電子的集體振蕩產(chǎn)生的，具有表面電磁場的傳播性能，即電場強(qiáng)度在金屬與介質(zhì)的界面上具有最大值，隨著垂直于金屬表面的距離增大，場強(qiáng)呈指數(shù)衰減。表面等離子體激元的顯著特點(diǎn)之一是巨大的局部場增強(qiáng)效應(yīng)。這種局部增強(qiáng)效應(yīng)已經(jīng)在高靈敏生物化學(xué)傳感、新型光源、高效光學(xué)元器件等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。表面等離子體激元的另一方面還具有將電磁場能量聚集在很小的空間范圍的特性，因而在納米光子學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，被稱作目前最有希望的納米集成光子器件的信息載體，并在納米光學(xué)成像、納米光刻等廣泛領(lǐng)域獲得了巨大成功。當(dāng)然，尤其值得關(guān)注的是在高度集成的光子集成回路（ICs）中，當(dāng)光最終進(jìn)入電集成回路時，它比目前成熟的半導(dǎo)體技術(shù)表現(xiàn)出更少的衍射限制。來自中國臺灣桃園縣國立中央大學(xué)光學(xué)和光子系的研究人員設(shè)計并研究了一種基于金屬-多絕緣體-金屬配置的窄帶波導(dǎo)表面等離子體的布拉格光柵，并基于設(shè)計原則和操作方法在每個禁帶附近的色散關(guān)系被研究人員分析和推導(dǎo)出來。研究人員還采用數(shù)值仿真的方法研究了在1310nm波段光柵長度小于6.8微米和半高全寬帶寬值約為9納米的窄帶設(shè)計方法。研究人員發(fā)現(xiàn)時間平均能量渦流存在于每一個禁帶單元，并被最小耦合到每一個布拉格波長上。圖3.2所示是研究人員提出并設(shè)計的銀-多絕緣體-銀波導(dǎo)表面等離子體布拉格光柵一個單元的示意圖。
 
圖3.2研究人員提出并設(shè)計的銀-多絕緣體-銀波導(dǎo)表面等離子體布拉格光柵一個單元的示意圖

4、 波長轉(zhuǎn)換
利用瞬態(tài)交叉相位調(diào)制和失諧濾波器進(jìn)行的波長轉(zhuǎn)換（WC）已經(jīng)成功地被應(yīng)用在緊湊的半導(dǎo)體設(shè)備中，例如半導(dǎo)體光放大器（SOA）和硅納米線波導(dǎo)設(shè)備上。對于特殊的半導(dǎo)體光放大器而言，它有可能實(shí)現(xiàn)比其增益恢復(fù)時間快30倍的交換速度。然而，當(dāng)半導(dǎo)體光放大器被廣泛使用于信號增益的實(shí)驗(yàn)中時，我們也要注意到它比常規(guī)的無源光波導(dǎo)更難制造和封裝，其原因是半導(dǎo)體光放大器是有源器件，它要求實(shí)現(xiàn)的插入電流和溫度控制很難集成到無源光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。無源非線性光波導(dǎo)，例如硅納米線、鋁鎵砷納米線和硫族玻璃波導(dǎo)能夠提供更簡化的方案并且不需要外圍控制電路。但是，其缺陷是納米尺寸的光波導(dǎo)在制造上面臨巨大的挑戰(zhàn)，原因是它需要采用高分辨率的平版印刷技術(shù)并且需要完整的模場適配過程來促使光信號耦合進(jìn)光纖。來自美國馬里蘭州巴爾的摩先進(jìn)光子學(xué)研究中心（CASPR）的研究人員提出并實(shí)現(xiàn)了采用無源鎵砷-鋁鎵砷光波導(dǎo)和失諧濾波器進(jìn)行瞬態(tài)交叉相位調(diào)制的過程，并基于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了10Gbit/s歸零碼開光鍵控信號（RZ-OOK）的波長轉(zhuǎn)換過程。相比較原始的歸零碼開光鍵控信號而言，轉(zhuǎn)換后的歸零碼開光鍵控信號在10e-9誤碼率時功率代價值小于1dB。圖4.1所示是研究人員提出并設(shè)計的無源鎵砷-鋁鎵砷光波導(dǎo)橫截面的示意圖。
  
圖4.1研究人員提出并設(shè)計的無源鎵砷-鋁鎵砷光波導(dǎo)橫截面的示意圖
近年來，在微結(jié)構(gòu)光纖（MOFs）的制備工藝中，混合玻璃的使用可以限制色散并在構(gòu)造緊湊非線性設(shè)備的過程中具有一些新的特性。在不同的非線性處理過程中，四波混頻（FWM）技術(shù)在不同光器件中的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用，尤其是用于制造全光波長轉(zhuǎn)換器。通常，實(shí)現(xiàn)高效和寬帶四波混頻的過程需要關(guān)注的光纖參數(shù)主要包括：高的非線性系數(shù)，低且平坦的色散特性和短光纖的長度。此外，軟玻璃空芯光纖（HF）也被研究人員證明可以實(shí)現(xiàn)四波混頻的過程。值得關(guān)注的是，零色散波長（ZDW）值為1582納米和非線性系數(shù)值為164We-1KMe-1的硅酸鹽軟玻璃空芯光纖實(shí)現(xiàn)四波混頻這一過程的帶寬值為30納米，零色散波長值為1550納米和非線性系數(shù)值為580We-1KMe-1的硅酸鹽軟玻璃空芯光纖實(shí)現(xiàn)四波混頻這一過程的帶寬值為35納米。然而，其缺陷是硅酸鹽軟玻璃空芯光纖的光纖參數(shù)是極其敏感的，尤其反映在其制備過程中很難控制。解決該問題的一種方法是在應(yīng)用前進(jìn)行精確加工工藝處理得到全固態(tài)的微結(jié)構(gòu)光纖。來自英國南安普頓大學(xué)光電子研究中心的研究人員曾經(jīng)報道過在波長轉(zhuǎn)換過程中使用全固態(tài)微結(jié)構(gòu)光纖的方法，但在其過程中光纖的色散系數(shù)并沒有最優(yōu)化。為了最優(yōu)化這一結(jié)構(gòu)，英國南安普頓大學(xué)光電子研究中心的研究人員在本期文章中實(shí)驗(yàn)提出并實(shí)現(xiàn)了在1.55微米波長上使用1.1米長度高非線性W型色散拖尾硅酸鹽光纖進(jìn)行四波混頻的波長轉(zhuǎn)換過程。圖4.2所示是研究人員提出并設(shè)計的基于四波混頻的波長轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置和方案示意圖。
  
圖4.2研究人員提出并設(shè)計的基于四波混頻的波長轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置和方案示意圖

2010年05月01日PTL光通信論文(二)