【盘点】2013年光通信领域科学前沿技术

2013-12-11 00:02

　　荷法科学家研发新型光开关速率提高350倍

　　当前，普通电子开关的工作频率为4 GHz，荷兰特温特大学和法国纳米科学与低温工程研究所的科学家开发出了一种半导体平面微腔开关，实现了1.4 THz的重复率开启和关闭操作，速率提高了350倍，相关成果发表在Opt. Lett. 38, 374。

　　研究人员在砷化镓和砷化铝层中构造了空腔，并使用1284.1 nm的探测光测量其谐振频率。

　　实验中，研究小组使用两个由近红外钛宝石激光抽运的光参量放大器，将探测光束和触发光束射入微腔中。触发光束产生电克尔效应，在亚皮秒时间尺度上，改变了空腔材料的折射率。研究人员将触发光束的波长延长到2400 nm，以减少空腔内的双光子吸收。据估计，空腔只吸收了百万分之一的入射光。

　　据作者所言，空腔存储时间大约为300 fs，决定了开关速率的基本“速率限制”，这种现象不依赖于微腔的几何结构。

　　除了超快片上光子调制，这种新型开关可能会应用于空腔量子电动力学的基础研究，并且，有可能大大提高未来通信系统甚至量子计算机的运行速率。【更多内容】

美科学家突破光通信中的标准量子极限

　　由于固有噪声的存在，人们很难或者完全不可能从微弱信号（例如，光网络中的微弱信号）中提取有意义的信息。现在，美国联合量子研究所（JQI）的科学家们发明了一种新方法，可将量子系统的误码率降低到标准量子极限以下，从而实现更高效的通信。

　　JQI博士后研究员Francisco Elohim Becerra指出，一台理想的、效率为100%的接收器可以识别那些低于标准量子极限（一个特定的最低限度的误差率）的非正交相干态。通过在光的多个相位中对数据进行编码，科学家们能够将更多的信息编码成一个信号，但是，态或者相位的数目越多，接收器越难于识别，特别是对低强度信号而言。

　　为了“突破”标准量子极限，JQI研究小组设计了一个自适应反馈系统，对输入信号的相位进行多次测量。

　　实验装置包含：波长为633 nm的脉冲He-Ne激光器，用于提供输入信号；波长为780 nm的连续激光器，用于提供参考信号；配有分束器的马赫曾特干涉仪；单模光纤；单光子探测器以及现场可编程门阵列。实验中，研究人员测量了正交移相键控的格式中区分4个态时出现的实验误码率。对于理想接收器而言，误码率为6 dB，低于标准量子极限；而对于效率为72%的实际探测器来说，误码率为13 dB，同样也低于量子极限。

　　Becerra说，该技术在应用于通信网络之前，还有很多工作需要去做。他和同事们将研究如何在4个以上的态中实现该技术，以及如何实现该技术与其他数据运载方案（如，正交幅度调制）的整合。【更多内容】

提高”时间斗篷“数据隐形时长让光纤通讯更安全

　　美国研究人员表示，他们已经研制出一种制造光纤通讯中的”时间斗篷“的方法，其可以防止偷听，因此有望改进光纤通讯的安全性，也可用于军事、国土安全或者执法等领域。

　　早在2012年就有其他科学家发明了这种”时间斗篷“，但其隐藏的时间仅为光纤通讯中用于发送数据的时间的千万分之一。现在，普渡大学的研究人员将其提高到千万分之四十六，使其有望用于商业领域。另外，在以前的”时间斗篷“研究中，科学家们需要用到复杂的、能超快速发射脉冲的”飞秒“激光器，但最新研究只需要用到商业光纤通讯中常用的调相器。

　　在最新研究中，研究人员通过操控光脉冲的相位实现了”时间斗篷“。他们解释道，如果一种正在上升的光波与其他正在下降的光波相遇，它们会相互抵消，使得光强为零。光波的相位决定了这些波之间的干涉程度。

　　该研究的领导者、普渡大学的研究生约瑟夫·卢肯斯说：“通过让这些光波相互干涉，我们可以让它们等于1或者0，位于信号为零的地方的任何数据都会被'隐形'。控制光波的相位使我们可以用传输信号0和1来通过光纤发送数据。”研究中用到的关键零件——调相器一般被用来在光纤通讯中修改信号。科学家们首先使用两个调相器制造出了一些洞，再用另外两个调相器来掩盖这些洞，如此一来，信号看起来似乎没有经过任何处理。

　　卢肯斯强调说，他们可以对这一技术进行改进，以增加其操作带宽并提高隐形时长。这种效应之所以被命名为“时间斗篷”，是因为它会让被传送的数据不时“隐形”，其与科学家们最近利用“超材料”实现的隐藏实际物体的空间“隐形斗篷”技术并不一样。在这项研究应用于实践之前，还需要进行很多研究工作，但这项技术确实可以很好地同现有的电信基础设施结合。【更多内容】