中国科学家突破2微米波段的相干光传输技术开启超大带宽集成频谱变换新波段或让电信基础设施容量再次飞跃

近日,丹麦技术大学光子工程系胡浩团队,制备出一种绝缘衬底铝镓砷(AlGaAsOI)纳米波导,绝缘衬底铝镓砷(AlGaAsOI),基于这一器件和频谱变换技术,再加上利用 C 波段的成熟相干收发机,其首次实现了 2 微米波段的相干光传输系统。

据介绍,基于 AlGaAsOI 的连续频谱变换,可提供一种绝佳的开启新波段的途径。利用这种频谱变换器,可在不开发新的发射机和接收机的情况下,构造新波段的相干发射机和接收机,并实现相干传输、即目标波段的高效频谱利用。

短期来看,该技术能拓展当前普通单模光纤的传输频段,开启诸如 O、E、S、U 等波段,直接用以提升当前电信基础设施的容量。

▲图 通过片上连续波带变换开启新的相干光通信波段(来源:Nature Communications)

长期来看,该技术可用于不同的光传输媒介中,例如自由空间光通信、深空光通信、以及基于新型光纤的光通信,从而高效利用、并匹配不同传输媒介的目标波段。

基于 AlGaAsOI 的时频连续频谱变换,还有望给信号处理设备和器件,提供工作波段之外的信号产生、探测以及处理的方法。

借此能构造出可实现当前光谱分析仪能力之外的光谱分析,实现无双光子吸收波段的大规模光集成,以及高灵敏度的红外天文信号处理等。

对于相关论文审稿人表示,该工作对光通信具有重大意义,比如可利用成熟光通信收发机实现当前传输光纤不同波段,甚至实现基于不同传输媒介比如无线光通信的传输系统。

长期以来,光通信被外界认为是一种可以提供无限带宽的理想通信系统,然而当前的光通信系统却正面临着严峻挑战。

20 世纪 70 年代以来,光通信先后历经数次重大技术突破和系统迭代,包括传输光纤的进步、掺铒光纤放大器的发明、波分复用技术的应用、以及相干光通信等。

过去几十年,这些技术进步和突破让光通信系统的容量均保持了较高的增速,大概是每四年翻十倍。其中,相干光通信由于具有高频谱效率和高灵敏度等优势,极大增加了光纤骨干网络的容量和传输距离。

近年来,相关电光集成器件的发展,使其功耗和成本都得到了极大降低。相干光通信已从长距离大容量的骨干网系统,应用到城域网、甚至短距传输系统。

在发射端,信息可以调制在光载波的复数域,并利用各个维度的复用技术增加容量;在接收端,强大的数字信号处理技术能完全恢复、诸如色散等效应导致的线性传输损伤,从而提升传输信号质量。

但是,当前基于单模光纤和相干光通信的通信系统容量正在逼近理论极限,即非线性香农极限。如何实现光通信系统容量的可持续增长,以满足不断增长的带宽需求,成为当前光通信研究的核心问题和研究热点。

近年来,基于多芯光纤或少模光纤的空分复用系统、光子带隙光纤、光电集成器件等,都在围绕这一核心问题开展。

最近,关于如何开启新的传输波段,得到了光通信研究者们的大量关注。当前的相干光通信系统,主要利用普通单模光纤中常规的 C 波段和 L 波段。

比如,2017 年欧洲光通信会议上,来自诺基亚-贝尔实验室等机构的研究者,首次报道了结合 S、C、L 三个波段的超宽带光通信,在 100 纳米的连续波段上实现了 115 Tbit/s、100 km 的相干光传输。

然而胡浩注意到,从通常意义来讲,新波段的开启十分困难。原因在于,当前相干光通信系统的关键器件,均是针对 C 或 L 波段设计的。其他波段则缺少电信级的关键器件,比如窄线宽激光器、I/Q 调制器,以及相干接收机包括 90° 光混频器和平衡探测器等。这也让关键器件的研发费时费力,严重影响了新波段的启动。

另一方面,胡浩和团队认为开启新波段的努力,不应只局限于普通单模光纤里的潜在波段,比如 O、E、S、U 等波段。还应为包括未来新型光纤通信、或无线光通信中更广阔的波段考虑,例如 2 微米波段(这也是当前的研究热点)。

因此,其希望开发一种具有普适性方法的集成器件,利用当前成熟的电信 C 波段的相干发射机和接收机,打造工作在新波段的相干发射机和接收机。这样一来,无需耗时耗力即可为每个新波段开发新的关键器件。

要想实现上述目标,则需要对当前 C 波段发射机和接收机的信号进行频谱变换,而频谱变换可由四波混频效应实现。

课题组注意到,此前基于硅纳米波导的研究,验证了电信波段和 2 微米波段之间的相互转换。然而,硅波导固有的材料特性和双光子吸收效应带来的非线性损耗,使得这类频谱变换效率很低,所以必须使用具有很高峰值功率的皮秒脉冲激光器作为泵浦。

这样一来,不仅拉高了复杂度和成本,还极大限制了信号光的速率,改变了信号光的时间连续特性。

最近,一种使用直流光泵浦氮化硅微环的方法,实现了 650 纳米波长间隔的频谱变换。然而,这类基于腔结构的方案不可避会免造成频谱变换的频域不连续性,并限制了信号光的带宽。

因此,该团队设计并实现了一种基于绝缘衬底铝镓砷(AlGaAsOI)纳米波导的、时频连续的片上频谱变换。

利用高阶相位匹配,AlGaAsOI 纳米波导的频谱变换连续带宽超过一个倍频程,从 111.37 THz 到 233.27 THz(1400 纳米)。基于此,课题组制备出了上述 AlGaAsOI 纳米波导。

▲图 基于 AlGaAsOI 纳米波导波带变换器的 2 微米相干光传输系统。b 和 c 给出了 2 微发射机端的 C 波段到 2 微米波段的波带变换光谱图,以及 2 微米接收机端的 2 微米波段到 C 波段的波带变换光谱图(来源:Nature Communications)

投稿中,审稿人点赞了该技术的其他应用前景,比如在光纤传感、多波段高精频谱分析、红外高灵敏度天文学上的潜在用途等,也对论文中的概念和方案予以积极评价。

该研究从 2017 年立项。开局第一步是得找到一种能进行大范围频谱变换的非线性光子集成平台,以便同时实现时域和频域的连续性。

因此,该光子集成平台需要提供很高的变换效率。为此,课题组在实验中使用了绝缘衬底铝镓砷(AlGaAsOI)纳米波导。

接下来是在 1.74 微米的波长上,实现大功率的窄线宽泵浦光源,从而辅助完成光子频谱变换。在实验中,该团队使用 1.74 微米半导体激光器,并用自制的同尺寸掺铥光纤放大器实现了大功率的光输出。

最后一个阶段是利用传统 1.5 微米波段的相干收发装置和频谱变换技术。期间,在 2 微米的新波段上,课题组首次实现了相干光通信。在传输光纤上,则使用低损耗的 2 微米空芯光子带隙光纤。

▲图 应用该 AlGaAsOI 纳米波导实现的将覆盖整个 C 波段的光频梳转换到 2 微米波段的实验结果(来源:Nature Communications)

另据悉,他们还在 2 微米的新波段上,传输了四路 32 G 波特的 16 QAM 奈奎斯特波分复用信号,净速率达 318.25 Gbit/s、频谱效率 2.4 bit/s/Hz、传输距离 1.15 km,这意味着 2 微米波段的光通信高效频谱的利用得以开启。

胡浩说:该工作是我们与英国南安普顿大学光电子研究中心教授大卫·理查森(David J. Richardson)团队密切合作完成的,他们制作提供了传输用的 2 微米空芯光子带隙光纤,以及用于泵浦的 1.74 微米掺铥光纤放大器。

整体来看,该工作提供了一种开启新波段的普适方案,无需开发新波段的电信级关键器件和收发机,利用成熟 C 波段的收发机,即可开启新波段的光通信。

同时,AlGaAsOI 纳米波导器件的超宽带性能,可支持开启众多新波段。此外,AlGaAsOI 本身透光波长范围很宽,即从 500 纳米到 10 微米,因此通过不同的波导结构设计,该频谱变换方案也能扩展到更宽的频谱范围。

▲图 2 微米信号传输误码率。a, b: 单波长信号在不同纠错码开销下的性能表现; c, d: 四路 N-WDM 信号在背靠背和传输后的性能表现(来源:Nature Communications)

据悉,在实验中使用的绝缘衬底铝镓砷(AlGaAsOI)纳米波导,是胡浩联合蒲敏皓团队在丹麦技术大学设计并制作的,不过为实现大范围频谱变换,还需要 1.74 微米的大功率窄线宽泵浦光源,这让他们有些犯难。

因为 1.74 微米并不是常用的波段,故在该波段内同时实现大功率和窄线宽并非易事,实验工作也一度因此陷入停滞。

一个偶然的机会,胡浩理查森教授在交流中,提到他正在进行的研究缺少这样的一个泵浦光源,后者马上表示可以想办法实现这样的泵浦光源,这让胡浩瞬间感到柳暗花明。

后来,理查森教授不仅给胡浩提供了用于实现泵浦的 1.74 微米掺铥光纤放大器,还提供了可用于 2 微米新波段传输的低损耗空芯光子带隙光纤。

说到双方的合作,要回溯到 2016 年。当时,他们的合作还获得了欧盟的一个科研奖项,以表彰其对于光传输瓶颈的突破。

时隔几年,我们再次合作实现了新波段的相干光通信。可以说,研究人员通常是专注在某一个领域,通过和其他领域的专家合作,更容易实现技术突破。胡浩说。

其还表示,在和审稿人的通信中,对于新波段的描述和定义的完善还挺有意思的。在论文的初稿中,胡浩把新波段描述为 unconventional wavelength bands,但是审稿人对此有异议。

其认为,这样的词组给人第一反应是普通单模光纤里面的非常用波段,也就是前面说过的 O、E、S、U 等波段。实际上,论文中已经对这个词组做出限定和说明,并非单指某些特定波段。

但是,审稿人建议论文的题目应该修改成 beyond S+C+L。最后,胡浩把这一部分的表述在题目里改成 beyond conventional telecom bands,即使用和原版近乎于反义词组的方式解决了这一问题。

总体来说,该研究为胡浩课题组开启了在新波段进行先进的信号处理的能力。未来,其研究领域将扩展到自由空间光通信,包括星地光通信、探索未来 6G 无线通信在新波段传输的可能性。

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