相干光通信由于具有高頻譜效率和高靈敏度等優(yōu)勢(shì)，極大地增加了光纖骨干網(wǎng)絡(luò)的容量和傳輸距離。得益于近年來(lái)相關(guān)電光集成器件的發(fā)展，相干光通信系統(tǒng)的功耗和成本都得到了極大的降低，相干光通信已經(jīng)將觸角從長(zhǎng)距離大容量的骨干網(wǎng)系統(tǒng)，延伸至了城域網(wǎng)、甚至短距傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射端，信息可以通過(guò)I/Q調(diào)制編碼在光載波的復(fù)數(shù)域，并利用各個(gè)維度的復(fù)用技術(shù)增加容量；在接收端，強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)能夠完全恢復(fù)諸如色散等效應(yīng)導(dǎo)致的線性傳輸損傷，提升傳輸信號(hào)質(zhì)量。在傳統(tǒng)意義上，由于關(guān)鍵光電器件僅針對(duì)常規(guī)的C和L波段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，相干探測(cè)只在上述波段得到應(yīng)用。時(shí)至今日，傳統(tǒng)波段（C+L）的相干光通信系統(tǒng)正在迅速接近理論容量極限（非線性香農(nóng)極限）。如何實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)傳輸容量的可持續(xù)增長(zhǎng)，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前迅速增長(zhǎng)的帶寬需求，成為了炙手可熱的研究方向。諸如空分復(fù)用系統(tǒng)、新型光纖、光電集成器件等研究領(lǐng)域均圍繞這一核心問(wèn)題展開(kāi)。近來(lái)，開(kāi)啟新的傳輸波段正在吸引大量的研究關(guān)注。近期研究將相干探測(cè)的應(yīng)用拓展到了S波段，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)100納米的波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。將相干光通信系統(tǒng)擴(kuò)展到C和L之外的新波段通常十分困難。原因顯而易見(jiàn)，任何新波段，包括與C和L波段鄰近的普通單模光纖中的O, E, S和U波段，都缺少電信級(jí)的相干通信關(guān)鍵器件，例如窄線寬激光器、I/Q調(diào)制器、以及相干接收機(jī)（90°光混頻器+平衡探測(cè)器）。開(kāi)發(fā)這些關(guān)鍵器件耗時(shí)耗力。正由于此，開(kāi)啟新傳輸波段的努力正面臨阻礙。片上頻譜變換（Spectral Translation）可以成為現(xiàn)有電信波段和任意目標(biāo)新波段之間的一座橋梁。利用這一技術(shù)，配合當(dāng)前電信波段成熟可靠的相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，可以等效實(shí)現(xiàn)任意新波段的相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，從而解決開(kāi)啟新波段的主要障礙，即不需要為新波段開(kāi)發(fā)新的相干光通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件。該技術(shù)可以加速新波段應(yīng)用，并保留相干光通信系統(tǒng)的頻譜效率和探測(cè)靈敏度優(yōu)勢(shì)。頻譜變換可以通過(guò)四波混頻效應(yīng)（Four-wave Mixing）實(shí)現(xiàn)。我們注意到基于硅納米波導(dǎo)的頻譜變換可以實(shí)現(xiàn)電信波段和2微米波段之間的相互轉(zhuǎn)換。然而，受限于硅波導(dǎo)固有的材料特性和雙光子吸收（Two-photon absorption）效應(yīng)帶來(lái)的非線性損耗，這類波帶變換通常轉(zhuǎn)換效率很低。一般來(lái)說(shuō)，需要使用高峰值功率的皮秒脈沖激光器作為泵浦。除了帶來(lái)額外的復(fù)雜度和高成本，這極大限制了信號(hào)光的速率，并改變了信號(hào)光的時(shí)間連續(xù)特性。另一方面，微環(huán)結(jié)構(gòu)能夠顯著增強(qiáng)非線性效應(yīng)。近期，一種使用直流光（Continuous Wave）泵浦氮化硅（Silicon Nitride, Si3N4）材料的集成微環(huán)實(shí)現(xiàn)了650納米波長(zhǎng)間隔的波帶變換。然而，其腔結(jié)構(gòu)造成了頻域不連續(xù)性并限制了信號(hào)光的帶寬。實(shí)用的片上頻譜變換必須同時(shí)滿足信號(hào)光對(duì)時(shí)域和頻域連續(xù)性的要求。這就需要一種非諧振腔結(jié)構(gòu)的片上設(shè)計(jì)，并且需要連續(xù)光進(jìn)行泵浦。如何在滿足上述要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大的轉(zhuǎn)換帶寬和足夠高的轉(zhuǎn)換效率，成為了頻譜變換技術(shù)的難點(diǎn)。2022年7月16日，丹麥技術(shù)大學(xué)電子與光子學(xué)院（DTU Electro，前身光子學(xué)院DTU Fotonik）高級(jí)研究員胡浩團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了利用AlGaAsOI納米波導(dǎo)的片上頻譜變換，實(shí)現(xiàn)了時(shí)域和頻域連續(xù)的頻譜變換。其片上連續(xù)頻譜變換可以提供超過(guò)一個(gè)倍頻程（Octave）的變換帶寬。利用該核心技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)與英國(guó)南安普頓大學(xué)David J Richardson教授團(tuán)隊(duì)合作，首次實(shí)現(xiàn)了2微米波段的相干光傳輸，速率高達(dá)318.25 Gbit/s。該片上頻譜變換技術(shù)展現(xiàn)出的高效率和大帶寬，除了助力開(kāi)啟新傳輸波段外，還有望為發(fā)射、探測(cè)和處理超出當(dāng)前器件設(shè)備波段的信號(hào)提供一種普適方法。
第一作者：孔德明；通訊作者：孔德明、胡浩
AlGaAs納米波導(dǎo)和二氧化硅襯底具有高折射率對(duì)比，對(duì)光波的束縛很強(qiáng)，容易設(shè)計(jì)控制波導(dǎo)色散。相比于其他非線性材料，能夠?qū)崿F(xiàn)很大的轉(zhuǎn)換帶寬。此外，AlGaAs的能量帶隙可以通過(guò)鋁金屬的占比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得納米波導(dǎo)在特定波段泵浦時(shí)不受雙光子吸收效應(yīng)的束縛，進(jìn)而增加頻帶轉(zhuǎn)換效率。因此，AlGaAsOI納米波導(dǎo)非常適合頻譜變換技術(shù)。圖1. 通過(guò)片上連續(xù)頻譜變換開(kāi)啟新的相干光通信波段。1. 基于AlGaAsOI納米波導(dǎo)的頻譜變換通過(guò)設(shè)計(jì)AlGaAsOI納米波導(dǎo)的色散，利用高階相位匹配（High-order Phase Matching）技術(shù)，制備并實(shí)現(xiàn)了具有>1400 nm的倍頻程（233.27 THz – 111.37 THz）頻譜變換帶寬的AlGaAsOI納米波導(dǎo)。首次實(shí)現(xiàn)了在2微米波段的相干光傳輸系統(tǒng)。利用C波段的相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，以及上述AlGaAsOI納米波導(dǎo)頻譜變換器，打造了2微米波段的相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。四路奈奎斯特波分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)1.15公里空芯光子帶隙光纖的低延時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)了318.25 Gbit/s凈速率以及2.4 bit/s/Hz頻譜效率。1. 片上大帶寬連續(xù)頻譜變換為開(kāi)啟光傳輸新波段提供了絕佳的平臺(tái)基于直流光泵浦和非腔結(jié)構(gòu)的片上大帶寬連續(xù)頻譜變換，不改變信號(hào)光時(shí)域和頻域特性，發(fā)射端和接收端不需要進(jìn)行任何額外信號(hào)處理。使用當(dāng)前成熟波段的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，即可直接實(shí)現(xiàn)新波段的發(fā)射和接收。2. 提供了一種超越現(xiàn)有器件和設(shè)備波段的信號(hào)處理能力需要強(qiáng)調(diào)的是，AlGaAsOI具有很寬的透光范圍（500納米-10微米），該片上頻譜變換可為其他潛在波段服務(wù)。展望短期應(yīng)用，該方案可以直接用于普通單模光纖中的O-, E-, S-, 或U-波段，從而極大擴(kuò)展當(dāng)前電信基礎(chǔ)設(shè)施的容量。該片上頻譜變換亦可用于自由空間光通信，以利用其更廣的傳輸帶寬窗口。為C波段到2微米波段的頻譜變換設(shè)計(jì)的AlGaAsOI納米波導(dǎo)橫截面尺寸寬910納米高350納米，長(zhǎng)度5毫米。其零色散波長(zhǎng)（Zero-dispersion Wavelength, ZDW）在1747.7納米。利用高階相位匹配，最優(yōu)泵浦波長(zhǎng)需要工作在1739.8納米附近。從歸一化相位失配圖可以看出，將泵浦波長(zhǎng)平移至1739.8納米時(shí)，主相位匹配帶和兩個(gè)高階相位匹配帶能夠共同提供超過(guò)1400納米的轉(zhuǎn)換帶寬（>1000納米平坦轉(zhuǎn)換帶寬，1 dB平坦度）。頻譜變換可以支持信號(hào)工作范圍從233.27 THz到111.37 THz的倍頻程范圍。
圖2. AlGaAsOI納米波導(dǎo)仿真結(jié)果：a. 群速度色散; b. 歸一化的相位失配; c. 歸一化轉(zhuǎn)換效率與波導(dǎo)長(zhǎng)度的關(guān)系; d. 頻譜變換帶寬。圖3. 應(yīng)用該AlGaAsOI納米波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的將覆蓋整個(gè)C波段的光頻梳轉(zhuǎn)換到2微米波段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
- 2. 1.74微米連續(xù)光強(qiáng)泵浦
為了支持上述頻譜變換，還必須有一個(gè)足夠強(qiáng)的工作在1.74微米波段的直流光泵浦。在本工作中，作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)短波長(zhǎng)（1650納米-1800納米）的摻銩光纖放大器（Thulium-doped fibre amplifier, TDFA），將一個(gè)工作在1.74微米的DFB激光器的輸出功率放大到0.5瓦。該放大器可以提供高達(dá)30 dB的增益和大于200納米的放大窗口。最終1.74微米泵浦的信噪比高于40 dB。
圖4. 空芯光子帶隙光纖，以及~1.15公里該光纖的延時(shí)與同長(zhǎng)度的普通單模光纖延時(shí)對(duì)比。
2微米波段信號(hào)在普通單模光纖中傳輸損耗過(guò)大，因此需要有新的傳輸光纖或自由空間光通信來(lái)支持。在本工作中，南安普頓大學(xué)提供了一個(gè)長(zhǎng)約1.15公里的19-cell空芯光子帶隙光纖。其損耗為2.8 dB/km（1993納米），并且具有一個(gè)連續(xù)的傳輸窗口，3 dB帶寬為86納米（1959納米-2045納米）。值得注意的是，近年來(lái)空芯光子帶隙光纖得到了長(zhǎng)足發(fā)展，損耗已經(jīng)降低到0.2 dB/km級(jí)別。由于光波絕大部分被束縛在空芯而非介質(zhì)中，空心光子帶隙光纖具有低延時(shí)的特性，十分適合應(yīng)用在延時(shí)敏感的光互連中。
圖 5. 基于AlGaAsOI納米波導(dǎo)頻譜變換器的2微米相干光傳輸系統(tǒng)。b和c給出了2微發(fā)射機(jī)端的C波段到2微米波段的頻譜變換光譜圖，以及2微米接收機(jī)端的2微米波段到C波段的頻譜變換光譜圖。基于上述關(guān)鍵技術(shù)和器件，該工作搭建了一個(gè)2微米相干光傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射端，C波段相干發(fā)射機(jī)產(chǎn)生4路32 Gbaud N-WDM 16 QAM信號(hào)并和1.74微米泵浦光一同輸入第一個(gè)AlGaAsOI納米波導(dǎo)頻譜變換器。產(chǎn)生的2微米信號(hào)經(jīng)過(guò)TDFA放大并濾除原信號(hào)光和泵浦光后，經(jīng)過(guò)空芯光子帶隙光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端。2微米相干接收機(jī)由第二個(gè)AlGaAsOI納米波導(dǎo)頻譜變換器以及C波段相干接收機(jī)構(gòu)成。接收到的2微米信號(hào)與泵浦光混合后輸入第二個(gè)波帶變換器，將信號(hào)轉(zhuǎn)換回C波段并進(jìn)行相干探測(cè)。C波段相干接收機(jī)的預(yù)放大器（EDFA 2）可以濾除2微米信號(hào)光和1.74微米泵浦光。兩次波帶變換轉(zhuǎn)換效率分別為?35.4 dB與?24.5 dB。轉(zhuǎn)換效率的區(qū)別是由于2微米信號(hào)在AlGaAsOI納米波導(dǎo)上的耦合和插入損耗較大。四路N-WDM信號(hào)的線路速率為512 Gbit/s（32 Gbaud × 4 (WDM)× 4 (16 QAM)）。其中內(nèi)糾錯(cuò)碼采用軟判決LDPC編解碼，開(kāi)銷33%。外糾錯(cuò)碼采用0.8%開(kāi)銷硬判決前向糾錯(cuò)碼，用以克服LDPC解碼的誤碼平臺(tái)效應(yīng)。由于1.74微米泵浦激光器線寬為2 MHz左右，在數(shù)字信號(hào)處理中采用了20%的導(dǎo)頻開(kāi)銷。因此凈速率為318.25 Gbit/s。對(duì)N-WDM信號(hào)，對(duì)比背靠背和傳輸后的性能，可見(jiàn)傳輸損傷在4.5 dB左右。這主要是由于空芯光子帶隙光纖和普通單模光纖熔接過(guò)程帶來(lái)的額外損耗和高階模式損耗。圖 6. 2微米信號(hào)傳輸誤碼率。a, b: 單波長(zhǎng)信號(hào)在不同糾錯(cuò)碼開(kāi)銷下的性能表現(xiàn); c, d: 四路N-WDM信號(hào)在背靠背和傳輸后的性能表現(xiàn)。本工作基于AlGaAsOI的連續(xù)頻譜變換，提供了一種絕佳的開(kāi)啟新波段的途徑。利用這種頻譜變換器，可以在不開(kāi)發(fā)新的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的情況下，等效地構(gòu)造新波段的相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)并實(shí)現(xiàn)相干傳輸。這對(duì)加速新波段的高效應(yīng)用，為光通信解決capacity crunch，提供可持續(xù)增長(zhǎng)的容量擁有積極意義。此外，AlGaAsOI的大頻譜變換帶寬還有望應(yīng)用在當(dāng)前器件和設(shè)備能夠支持的工作波段之外的信號(hào)產(chǎn)生、處理和探測(cè)過(guò)程中，諸如無(wú)雙光子吸收波段的大規(guī)模光集成、高精度多波段光譜分析，以及高靈敏度紅外天文學(xué)等。
參考文獻(xiàn)：
Kong, D., Liu, Y., Ren, Z. et al. Super-broadband on-chip continuous spectral translation unlocking coherent optical communications beyond conventional telecom bands. Nat Commun 13, 4139 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31884-2
