相干光通信由于具有高频谱效率和高灵敏度等优势，极大地增加了光纤骨干网络的容量和传输距离。得益于近年来相关电光集成器件的发展，相干光通信系统的功耗和成本都得到了极大的降低，相干光通信已经将触角从长距离大容量的骨干网系统，延伸至了城域网、甚至短距传输系统。在发射端，信息可以通过I/Q调制编码在光载波的复数域，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够完全恢复诸如色散等效应导致的线性传输损伤，提升传输信号质量。在传统意义上，由于关键光电器件仅针对常规的C和L波段设计实现，相干探测只在上述波段得到应用。时至今日，传统波段（C+L）的相干光通信系统正在迅速接近理论容量极限（非线性香农极限）。如何实现光通信系统传输容量的可持续增长，以应对当前迅速增长的带宽需求，成为了炙手可热的研究方向。诸如空分复用系统、新型光纤、光电集成器件等研究领域均围绕这一核心问题展开。近来，开启新的传输波段正在吸引大量的研究关注。近期研究将相干探测的应用拓展到了S波段，并实现了连续100纳米的波分复用传输系统。将相干光通信系统扩展到C和L之外的新波段通常十分困难。原因显而易见，任何新波段，包括与C和L波段邻近的普通单模光纤中的O, E, S和U波段，都缺少电信级的相干通信关键器件，例如窄线宽激光器、I/Q调制器、以及相干接收机（90°光混频器+平衡探测器）。开发这些关键器件耗时耗力。正由于此，开启新传输波段的努力正面临阻碍。片上频谱变换（Spectral Translation）可以成为现有电信波段和任意目标新波段之间的一座桥梁。利用这一技术，配合当前电信波段成熟可靠的相干发射机和接收机，可以等效实现任意新波段的相干发射机和接收机，从而解决开启新波段的主要障碍，即不需要为新波段开发新的相干光通信系统关键器件。该技术可以加速新波段应用，并保留相干光通信系统的频谱效率和探测灵敏度优势。频谱变换可以通过四波混频效应（Four-wave Mixing）实现。我们注意到基于硅纳米波导的频谱变换可以实现电信波段和2微米波段之间的相互转换。然而，受限于硅波导固有的材料特性和双光子吸收（Two-photon absorption）效应带来的非线性损耗，这类波带变换通常转换效率很低。一般来说，需要使用高峰值功率的皮秒脉冲激光器作为泵浦。除了带来额外的复杂度和高成本，这极大限制了信号光的速率，并改变了信号光的时间连续特性。另一方面，微环结构能够显著增强非线性效应。近期，一种使用直流光（Continuous Wave）泵浦氮化硅（Silicon Nitride, Si3N4）材料的集成微环实现了650纳米波长间隔的波带变换。然而，其腔结构造成了频域不连续性并限制了信号光的带宽。实用的片上频谱变换必须同时满足信号光对时域和频域连续性的要求。这就需要一种非谐振腔结构的片上设计，并且需要连续光进行泵浦。如何在满足上述要求的同时，实现大的转换带宽和足够高的转换效率，成为了频谱变换技术的难点。2022年7月16日，丹麦技术大学电子与光子学院（DTU Electro，前身光子学院DTU Fotonik）高级研究员胡浩团队提出并实现了利用AlGaAsOI纳米波导的片上频谱变换，实现了时域和频域连续的频谱变换。其片上连续频谱变换可以提供超过一个倍频程（Octave）的变换带宽。利用该核心技术，该团队与英国南安普顿大学David J Richardson教授团队合作，首次实现了2微米波段的相干光传输，速率高达318.25 Gbit/s。该片上频谱变换技术展现出的高效率和大带宽，除了助力开启新传输波段外，还有望为发射、探测和处理超出当前器件设备波段的信号提供一种普适方法。
第一作者：孔德明；通讯作者：孔德明、胡浩
AlGaAs纳米波导和二氧化硅衬底具有高折射率对比，对光波的束缚很强，容易设计控制波导色散。相比于其他非线性材料，能够实现很大的转换带宽。此外，AlGaAs的能量带隙可以通过铝金属的占比进行调节，从而使得纳米波导在特定波段泵浦时不受双光子吸收效应的束缚，进而增加频带转换效率。因此，AlGaAsOI纳米波导非常适合频谱变换技术。图1. 通过片上连续频谱变换开启新的相干光通信波段。通过设计AlGaAsOI纳米波导的色散，利用高阶相位匹配（High-order Phase Matching）技术，制备并实现了具有>1400 nm的倍频程（233.27 THz – 111.37 THz）频谱变换带宽的AlGaAsOI纳米波导。首次实现了在2微米波段的相干光传输系统。利用C波段的相干发射机和接收机，以及上述AlGaAsOI纳米波导频谱变换器，打造了2微米波段的相干发射机和接收机。四路奈奎斯特波分复用信号经过1.15公里空芯光子带隙光纤的低延时传输，实现了318.25 Gbit/s净速率以及2.4 bit/s/Hz频谱效率。1. 片上大带宽连续频谱变换为开启光传输新波段提供了绝佳的平台基于直流光泵浦和非腔结构的片上大带宽连续频谱变换，不改变信号光时域和频域特性，发射端和接收端不需要进行任何额外信号处理。使用当前成熟波段的发射机和接收机，即可直接实现新波段的发射和接收。2. 提供了一种超越现有器件和设备波段的信号处理能力需要强调的是，AlGaAsOI具有很宽的透光范围（500纳米-10微米），该片上频谱变换可为其他潜在波段服务。展望短期应用，该方案可以直接用于普通单模光纤中的O-, E-, S-, 或U-波段，从而极大扩展当前电信基础设施的容量。该片上频谱变换亦可用于自由空间光通信，以利用其更广的传输带宽窗口。为C波段到2微米波段的频谱变换设计的AlGaAsOI纳米波导横截面尺寸宽910纳米高350纳米，长度5毫米。其零色散波长（Zero-dispersion Wavelength, ZDW）在1747.7纳米。利用高阶相位匹配，最优泵浦波长需要工作在1739.8纳米附近。从归一化相位失配图可以看出，将泵浦波长平移至1739.8纳米时，主相位匹配带和两个高阶相位匹配带能够共同提供超过1400纳米的转换带宽（>1000纳米平坦转换带宽，1 dB平坦度）。频谱变换可以支持信号工作范围从233.27 THz到111.37 THz的倍频程范围。
图2. AlGaAsOI纳米波导仿真结果：a. 群速度色散; b. 归一化的相位失配; c. 归一化转换效率与波导长度的关系; d. 频谱变换带宽。图3. 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。
为了支持上述频谱变换，还必须有一个足够强的工作在1.74微米波段的直流光泵浦。在本工作中，作者开发了一个短波长（1650纳米-1800纳米）的掺铥光纤放大器（Thulium-doped fibre amplifier, TDFA），将一个工作在1.74微米的DFB激光器的输出功率放大到0.5瓦。该放大器可以提供高达30 dB的增益和大于200纳米的放大窗口。最终1.74微米泵浦的信噪比高于40 dB。
图4. 空芯光子带隙光纤，以及~1.15公里该光纤的延时与同长度的普通单模光纤延时对比。
2微米波段信号在普通单模光纤中传输损耗过大，因此需要有新的传输光纤或自由空间光通信来支持。在本工作中，南安普顿大学提供了一个长约1.15公里的19-cell空芯光子带隙光纤。其损耗为2.8 dB/km（1993纳米），并且具有一个连续的传输窗口，3 dB带宽为86纳米（1959纳米-2045纳米）。值得注意的是，近年来空芯光子带隙光纤得到了长足发展，损耗已经降低到0.2 dB/km级别。由于光波绝大部分被束缚在空芯而非介质中，空心光子带隙光纤具有低延时的特性，十分适合应用在延时敏感的光互连中。
图 5. 基于AlGaAsOI纳米波导频谱变换器的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微米波段的频谱变换光谱图，以及2微米接收机端的2微米波段到C波段的频谱变换光谱图。基于上述关键技术和器件，该工作搭建了一个2微米相干光传输系统。在发射端，C波段相干发射机产生4路32 Gbaud N-WDM 16 QAM信号并和1.74微米泵浦光一同输入第一个AlGaAsOI纳米波导频谱变换器。产生的2微米信号经过TDFA放大并滤除原信号光和泵浦光后，经过空芯光子带隙光纤传输到达接收端。2微米相干接收机由第二个AlGaAsOI纳米波导频谱变换器以及C波段相干接收机构成。接收到的2微米信号与泵浦光混合后输入第二个波带变换器，将信号转换回C波段并进行相干探测。C波段相干接收机的预放大器（EDFA 2）可以滤除2微米信号光和1.74微米泵浦光。两次波带变换转换效率分别为−35.4 dB与−24.5 dB。转换效率的区别是由于2微米信号在AlGaAsOI纳米波导上的耦合和插入损耗较大。四路N-WDM信号的线路速率为512 Gbit/s（32 Gbaud × 4 (WDM)× 4 (16 QAM)）。其中内纠错码采用软判决LDPC编解码，开销33%。外纠错码采用0.8%开销硬判决前向纠错码，用以克服LDPC解码的误码平台效应。由于1.74微米泵浦激光器线宽为2 MHz左右，在数字信号处理中采用了20%的导频开销。因此净速率为318.25 Gbit/s。对N-WDM信号，对比背靠背和传输后的性能，可见传输损伤在4.5 dB左右。这主要是由于空芯光子带隙光纤和普通单模光纤熔接过程带来的额外损耗和高阶模式损耗。图 6. 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。本工作基于AlGaAsOI的连续频谱变换，提供了一种绝佳的开启新波段的途径。利用这种频谱变换器，可以在不开发新的发射机和接收机的情况下，等效地构造新波段的相干发射机和接收机并实现相干传输。这对加速新波段的高效应用，为光通信解决capacity crunch，提供可持续增长的容量拥有积极意义。此外，AlGaAsOI的大频谱变换带宽还有望应用在当前器件和设备能够支持的工作波段之外的信号产生、处理和探测过程中，诸如无双光子吸收波段的大规模光集成、高精度多波段光谱分析，以及高灵敏度红外天文学等。
参考文献：
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
