北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
波分复用（WDM）光网络具有波长和节点数目众多、传输路径动态重构、业务/资源动态调度等特点，亟须发展低成本、高可靠的在线监测技术，以保障光网络的安全稳定运行。本文提出了一种基于四进制脉冲幅度调制（PAM4）数字光标签的低成本、高可靠、高效率监测方案，并创新设计了PAM4光标签加载、探测和处理等整套机制与方法，配合所提出的基于PAM4光标签序列特征的光功率监测误差修正方法以及基于频谱峰值的功率计算方法，所提方案可以准确高效地监测波长通道光功率、估计光信噪比（OSNR）并恢复数字标签信息等。搭建了16 GBaud偏振复用QPSK/16QAM WDM光传输仿真系统和离线实验平台，验证结果表明所提方案在25跨段长距离传输后的通道光功率监测误差不超过0.65 dB，OSNR估计误差不超过0.6 dB，性能略优于传统的基于差分相移键控（DPSK）低阶调制格式的光标签监测方案。
光通信 波分复用 光标签 光功率 光信噪比 监测
精密光谱科学与技术国家重点实验室 华东师范大学 上海 200241
光功率的测量是光学研究领域最重要、最常用的计量技术之一, 尤其在光通信、激光测绘等领域, 同时具有优于皮瓦量级灵敏度和大动态范围的光功率测量是用于系统测试和标定的极为关键的技术, 然而目前商售的光功率计测量灵敏度通常仅能达到纳瓦量级。本文发展了一种极限灵敏度可达稀疏光子水平的光功率测量装置, 测量系统采用硅雪崩光电二极管单光子探测器, 使用散射片和电控光阑精密控制待测信号光强度, 实现了在20fW～300W范围内的光功率测量, 功率测量的响应波长范围可以覆盖530～860nm, 测量误差小于3.7%, 重复性测量相对标准偏差小于1.9%, 能够满足微弱信号光功率测量需求。这种兼具高灵敏度和大动态范围的光功率测量方法有望解决强度微弱至稀疏光子水平的光信号计量难题。
光功率测量 稀疏光子 单光子探测 雪崩光电二极管 optical power measurement sparse photon large dynamic range avalanche photodiode 量子光学学报
2023, 29(3): 030201
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Beijing100083, China
2 Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing100083, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Sharing the advantages of high optical power, high efficiency and design flexibility in a compact size, quantum cascade lasers (QCLs) are excellent mid-to-far infrared laser sources for gas sensing, infrared spectroscopic, medical diagnosis, and defense applications. Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) is an important technology for growing high quality semiconductor materials, and has achieved great success in the semiconductor industry due to its advantages of high efficiency, short maintenance cycles, and high stability and repeatability. The utilization of MOCVD for the growth of QCL materials holds a significant meaning for promoting the large batch production and industrial application of QCL devices. This review summarizes the recent progress of QCLs grown by MOCVD. Material quality and the structure design together determine the device performance. Research progress on the performance improvement of MOCVD-grown QCLs based on the optimization of material quality and active region structure are mainly reviewed.
quantum cascade lasers continuous wave high optical power metal organic chemical vapor deposition broad gain Journal of Semiconductors
2023, 44(12): 121901
1 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学半导体与物理学院，山西 太原 030051
3 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
光功率分配器作为光子集成电路中分束并束的关键器件，要求结构紧凑、宽带、低损耗。基于亚波长光栅（SWG）结构，提出一种分束区域长5 µm、分光比为50∶50的超大带宽低损耗3 dB光功率分配器。仿真结果表明，该光功率分配器在±15 nm的大工艺容差下，TE模式在1.26~2.02 μm波段内（即760 nm带宽）损耗低于0.54 dB。通过电子束曝光、干法刻蚀等工艺在绝缘体上硅（SOI）晶圆上加工制备该光功率分配器，在扫描电子显微镜（SEM）下观察SWG结构的加工误差不超过±10 nm。此外，搭建垂直耦合测试平台，利用可调谐激光器在1496.8~1600 nm波段，对TE模式的损耗与分光比进行测试。结果表明，该波段损耗约为0.3 dB，与仿真结果吻合，分光比误差在5%以内。该功率分配器适用于高速、大容量通信、波分复用（WDM）系统等互联应用场合。
紧凑 宽带 低损耗 光功率分配器 光学学报
2023, 43(22): 2223001
广西大学 计算机与电子信息学院, 广西 南宁530004
传统的解析理论设计方案存在计算复杂度高、有限解析解、耗时长等问题。为了解决以上问题，在传统的光器件设计基础上，提出一种依据逆向设计方法的分光比可调的光功率分束器方案。在1.92 μm×1.92 μm的紧凑区域内，引入Ge2Sb2Se4Te1(GSST)相变材料改变器件的折射率分布。利用直接二进制搜索算法搜索GSST晶态和非晶态的最优状态分布。设计实现同一种器件结构，分光比可调的T型光功率分束器。仿真分析了器件的初始结构、分光比、相变材料区域状态分布、制造容差以及光场分布。结果表明：分光比分别为1∶1、1.5∶1、2∶1的3种光功率分束器在波长1530 nm−1560 nm之间的最小相对误差分别为0.004%、0.14%和0.22%，在制造容差范围内传输曲线最大波动分别是0.95 dB、1.21 dB、1.18 dB。该分光器结构紧凑，在光通信和信息处理领域有着较大的应用潜力。
纳米光子系统 光功率分束器 逆向设计 直接二进制搜索 nanophotonic system optical power splitter reverse design direct binary search
1 西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
2 中国船舶重工集团705研究所水下信息与控制重点实验室，陕西 西安 710077
为改善室内可见光通信中传统光源布局方式造成的接收光功率不均匀从而导致通信盲区的问题，本文提出了一种局部非均匀的对称型布局方式，并结合自适应机制及模拟退火算法对遗传算法中的选择、交叉和变异算子进行改进，在考虑墙面一次反射的情况下利用改进遗传算法对LED芯片位置、芯片上的灯珠数目及半功率角进行同步优化。仿真结果表明：在5 m×5 m×5 m的房间模型中，采用改进遗传算法对灯源布局进行优化后，接收光功率均匀度达到了97.7%，平均光功率为1029 μW，光照均匀度达到了0.84。此外，利用改进的遗传算法针对不同尺寸房间模型中的灯源布局进行了优化，结果表明，接收光功率均匀度均得到了提高。
光通信 可见光通信 遗传算法 光源布局 接收光功率 中国激光
2023, 50(13): 1306001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
受激拉曼散射是相干拉曼散射中的一种, 其产生的信号在三阶非线性效应下得到了显著地增强, 且没有非共振背景的干扰, 光谱与自发拉曼光谱几乎完全一致。 因此, 基于受激拉曼散射的显微成像技术具有无标记、 高特异性、 非侵入等优点, 已成功运用在生物细胞成像中并取得了许多重大的成就。 受激拉曼信号与激发光的波长相同, 易受到激发光背景噪声的干扰, 为解决该难题, 常采用光学调制与相敏检测相结合的方法对其进行检测。 检测过程中, 调制深度对受激拉曼信号强度和信噪比有重要影响。 针对此, 基于相关理论深入分析了调制深度对受激拉曼信号强度及信噪比的影响。 同时考虑到在生物光谱成像等应用中, 细胞光损伤阈值对两束激发光功率之和的限制, 分析了不同调制深度下, 获取最大信号强度及最佳信噪比的激发光功率配置方法。 通过搭建受激拉曼实验系统, 以二甲基亚砜为研究对象, 进行实验验证。 研究结果表明, 在光损伤阈值的限制条件下进行受激拉曼损耗检测时, 同一调制深度下, 当泵浦光与斯托克斯光光功率比为1: 1时信号强度达到最强, 比值为1∶2时信号的信噪比达到最佳。 在泵浦光与斯托克斯光光功率比相同的条件下, 受激拉曼信号强度和信噪比均随调制深度的降低而降低且近似呈线性相关。 实验得到的二甲基亚砜受激拉曼光谱图也验证了在实际样品的光谱检测中, 调制深度越高得到的光谱信号越强, 信噪比越佳, 整体的光谱质量也越好。 该研究结果是对受激拉曼显微技术在信号调制与检测方面的完善, 可为受激拉曼光谱检测和细胞成像实验做出参考性指导。
相敏检测 受激拉曼散射 调制深度 信号强度 信噪比 最佳光功率比 Phase sensitive detection Stimulated Raman scattering Modulation depth Signal Intensity Signal-to-Noise ratio Optimum optical power ratio 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1068
空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077
量子纠缠信号独特的空间关联特性可以突破经典成像所面临的距离、精度等技术壁垒。由此总结纠缠信号“鬼成像”的原理，将之引入导航领域，提出一种基于腔电光力转换器制备的杂化纠缠量子信号的成像方案。通过理论分析和仿真，相比于传统成像方式，其充分利用纠缠微波信号空间关联特性，以“非局域”的方式生成了用经典方法无法看到的图像。在弱信号探测时，信噪比高于经典方案，即成像质量优于经典方案，且具有经典方案不具备的极强的抗大气湍流扰动能力。
量子微波 无线电导航 腔电光力 空间关联 成像 抗大气湍流扰动 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0627001
1 山西大学物理电子工程学院，山西 太原 030006
2 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
3 山西大学光电研究所，山西 太原 030006
4 太原理工大学信息化管理与建设中心，山西 太原 030024
实验搭建了高阶模光学小位移测量系统。利用高阶模作为本底光的平衡零拍系统进行测量，在600 kHz~3 MHz频率段，以200 kHz为间隔，分别测量了13个频率处的小位移，并给出了相应的最小可测位移量。在不同2 MHz信号光功率条件下，研究了压电陶瓷驱动电压、噪声功率谱、信噪比以及最小可测位移量之间的关系，并利用90 的信号光获得了1.76×10-10 m的最小可测位移量。该结果为基于光束横向位移测量系统进一步减小测量范围的下限提供了理论与实验依据。
量子光学 小位移测量 高阶横模 信号光功率 信噪比
