2019年7月PTL光通信论文评析
发布时间：2019-09-17 10:52:39 热度：1803
光纤在线特约编辑：邵宇丰，龙颖，胡钦政
2019年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：有源器件、无源器件和光波导、光子系统、自由空间光传输系统、光电探测器等，笔者将逐一评析。
1. 有源器件
麦吉尔大学的Fatemeh Soltani等研究人员设计了一种可以实现差分相移键控（DPSK）的新型环路镜调制器（LMM），如图1所示。LMM由一个马赫-增德尔调制器（MZM）组成，两个输出端位于MZM的一侧，并由一个波导环进行连接。环形镜输入端的光被被分成两部分，每一部分都沿着环形镜反向移动。在非线性应用中，初始信号之间的相对相位由仅在一个方向上传播的信号功率控制（取决于初始信号每个部分的相对相位，可以反射到输入端或传输到输出端）。他们选择使用马赫-增德尔干涉仪（MZI）来控制功率分配器中的耦合比，并将环形镜设计成集成光学调制器。他们使用TW-LMM生成了10Gbit/s的DPSK信号，并实现了无差错传输；并通过分析得到了该器件实现任意相位和振幅调制所需的两驱动电压之间的关系，实验装置如图2所示。但是，该器件中的射频调制信号只能驱动LMM中的一个臂，从而导致光信号显示出相位调制和振幅调制，无法满足生成DPSK信号仅需调制相位的条件[1]。
图1 环路镜调制器（LMM）结构
图2 评估LMM DPSK性能的实验装置
2. 无源器件和光波导
香港城市大学的Quandong Huang等研究人员设计了一种基于相移长周期光栅（LPG）结构的超宽带模式滤波器，如图3所示。该滤波器将长周期光栅滤出的少模波导（FWM）模式转换为高阶模式，然后通过集成波导锥抑制该模式；其中采用了能提供100nm带宽的相移LPG，以满足超宽带工作条件。研究人员设计了制备模式滤波器的步骤，并通过实验演示了模式滤波器抑制三模波导（支持E11，E21和E12模式）基模的工作过程（实验中采用了长度为26mm的聚合物材料）。实验结果表明，该滤波器对带宽分别为190nm和140nm的两个高阶模式实现了偏振不敏感的10dB基模抑制过程[2]。
图3 超宽带模式滤波器结构
3. 光子系统
韩国先进科学技术研究院的Xiao-Zhou Li等研究人员基于谐波注入锁定和半导体光放大器（SOA）的增益饱和放大实验研究了锁模光纤激光器中重复倍率倍增的过程，原理如图4所示。实验结果表明，注入光功率越高，重复率越低，相位噪声水平越低；但对于高注入功率，侧模抑制比（SMSR）也会降低。为了保证低相位噪声和高信噪比的重复倍率优化，他们在实验中使用强光注入，使得相乘脉冲具有良好的相位噪声特性，然后使用一个增益饱和半导体光放大器，以有效增加SMSR和降低倍增脉冲的调制深度。研究人员使用250MHz锁模激光器，演示了1GHz重复率、3%调制深度和33dB SMSR的倍增脉冲产生过程；当实现从10 kHz到10MHz偏移频率集成时，测得应用该方案后绝对均方根集成定时抖动值仅为14fs[3]。
图4 锁模激光器重复速率倍增原理
4. 自由空间光传输系统
为了提高激光雷达三维成像的精度，解决干涉条纹对电光晶体偏振调制的负面影响，中科院的Shengjie Wang等研究人员设计了一种基于偏振调制技术的三维图像深度信息校正算法。他们在偏振调制三维成像激光雷达系统中进行了实验（如图5所示），将系统接收到的目标反射光经电光晶体调制后，通过偏振分束器（PBS）分成两个互补光束，分别由两个EMCDS接收，可以同时通过添加两个调制图像来重建深度图像和强度图像。然而，电光晶体的锥形干涉效应会影响偏振光的调制过程，从而导致距离误差。研究人员通过拟合两个EMCCD来获得每个像素的光强度比曲线与电压变化的关系，并通过与精确的偏振调制范围相对应的光强来计算实际电压。实验结果表明，该算法在高精度成像过程中表现出优异性能，在0.9mrad的宽视场范围内误差值小于0.1m[4]。
图5 偏振调制三维成像得激光雷达系统
5. 光电探测器
印度理工学院的Rishibrind Kumar Upadhyay等研究人员以掺氟氧化锡（FTO）为基底，制备了异质结构的高性能光电探测器（制备步骤如图6所示）。他们使用溶胶-凝胶法合成了钙钛矿CH3NH3PbI3和金属氧化物氧化锌（ZnO）薄膜，所合成的复合钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜具有四方结构，晶体尺寸为39.01nm；而ZnO薄膜具有纤锌矿六方结构，晶体尺寸为26.47nm。在这两种薄膜中，颗粒分布均匀，平均粒径分别为50nm和30nm。研究人员测量确定了CH3NH3PbI3和ZnO之间形成的势垒，并对异质结构进行了表征；并测量了该光电探测器在黑暗情况和太阳光和单色光照射时的光电性能。研究结果表明：在−1 V外加偏压下的蓝光光谱附近可获得21.8 A/W的最大光响应值，证明该器件具有良好的光响应性能，是一种可应用于宽范围高光响应的光电检测器件[5]。
图6 光电探测器制备步骤
参考文献
[1] Fatemeh Soltani; David Patel; Michaël Ménard; et al. DPSK Modulation With a Dual-Drive Silicon Photonic Loop-Mirror Modulator [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13):1037 - 1040.
[2] Quandong Huang; Wen Wang; Wei Jin; et al. Ultra-Broadband Mode Filter Based on Phase-Shifted Long-Period Grating [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13):1052 - 1055.
[3] Xiaozhou Li; Changi Jeon; Shilong Pan; Jungwon Kim. Low-Noise Repetition-Rate Multiplication by Injection Locking and Gain-Saturated Amplification [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13): 997-1000.
[4] Shengjie Wang; Bo Liu; Zhen Chen; Heping Li. Chung. High Precision Calibration Algorithm for Large Field-of-View Polarization-modulated 3D imaging [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13): 1064-1067.
[5] Rishibrind Kumar Upadhyay; Abhinay Pratap Singh; et al. High-Performance Photodetector Based on Organic–Inorganic Perovskite CH3NH3PbI3/ZnO Heterostructure [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(14): 1151- 1154.
2019年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：有源器件、无源器件和光波导、光子系统、自由空间光传输系统、光电探测器等，笔者将逐一评析。
1. 有源器件
麦吉尔大学的Fatemeh Soltani等研究人员设计了一种可以实现差分相移键控（DPSK）的新型环路镜调制器（LMM），如图1所示。LMM由一个马赫-增德尔调制器（MZM）组成，两个输出端位于MZM的一侧，并由一个波导环进行连接。环形镜输入端的光被被分成两部分，每一部分都沿着环形镜反向移动。在非线性应用中，初始信号之间的相对相位由仅在一个方向上传播的信号功率控制（取决于初始信号每个部分的相对相位，可以反射到输入端或传输到输出端）。他们选择使用马赫-增德尔干涉仪（MZI）来控制功率分配器中的耦合比，并将环形镜设计成集成光学调制器。他们使用TW-LMM生成了10Gbit/s的DPSK信号，并实现了无差错传输；并通过分析得到了该器件实现任意相位和振幅调制所需的两驱动电压之间的关系，实验装置如图2所示。但是，该器件中的射频调制信号只能驱动LMM中的一个臂，从而导致光信号显示出相位调制和振幅调制，无法满足生成DPSK信号仅需调制相位的条件[1]。
图1 环路镜调制器（LMM）结构
图2 评估LMM DPSK性能的实验装置
2. 无源器件和光波导
香港城市大学的Quandong Huang等研究人员设计了一种基于相移长周期光栅（LPG）结构的超宽带模式滤波器，如图3所示。该滤波器将长周期光栅滤出的少模波导（FWM）模式转换为高阶模式，然后通过集成波导锥抑制该模式；其中采用了能提供100nm带宽的相移LPG，以满足超宽带工作条件。研究人员设计了制备模式滤波器的步骤，并通过实验演示了模式滤波器抑制三模波导（支持E11，E21和E12模式）基模的工作过程（实验中采用了长度为26mm的聚合物材料）。实验结果表明，该滤波器对带宽分别为190nm和140nm的两个高阶模式实现了偏振不敏感的10dB基模抑制过程[2]。
图3 超宽带模式滤波器结构
3. 光子系统
韩国先进科学技术研究院的Xiao-Zhou Li等研究人员基于谐波注入锁定和半导体光放大器（SOA）的增益饱和放大实验研究了锁模光纤激光器中重复倍率倍增的过程，原理如图4所示。实验结果表明，注入光功率越高，重复率越低，相位噪声水平越低；但对于高注入功率，侧模抑制比（SMSR）也会降低。为了保证低相位噪声和高信噪比的重复倍率优化，他们在实验中使用强光注入，使得相乘脉冲具有良好的相位噪声特性，然后使用一个增益饱和半导体光放大器，以有效增加SMSR和降低倍增脉冲的调制深度。研究人员使用250MHz锁模激光器，演示了1GHz重复率、3%调制深度和33dB SMSR的倍增脉冲产生过程；当实现从10 kHz到10MHz偏移频率集成时，测得应用该方案后绝对均方根集成定时抖动值仅为14fs[3]。
图4 锁模激光器重复速率倍增原理
4. 自由空间光传输系统
为了提高激光雷达三维成像的精度，解决干涉条纹对电光晶体偏振调制的负面影响，中科院的Shengjie Wang等研究人员设计了一种基于偏振调制技术的三维图像深度信息校正算法。他们在偏振调制三维成像激光雷达系统中进行了实验（如图5所示），将系统接收到的目标反射光经电光晶体调制后，通过偏振分束器（PBS）分成两个互补光束，分别由两个EMCDS接收，可以同时通过添加两个调制图像来重建深度图像和强度图像。然而，电光晶体的锥形干涉效应会影响偏振光的调制过程，从而导致距离误差。研究人员通过拟合两个EMCCD来获得每个像素的光强度比曲线与电压变化的关系，并通过与精确的偏振调制范围相对应的光强来计算实际电压。实验结果表明，该算法在高精度成像过程中表现出优异性能，在0.9mrad的宽视场范围内误差值小于0.1m[4]。
图5 偏振调制三维成像得激光雷达系统
5. 光电探测器
印度理工学院的Rishibrind Kumar Upadhyay等研究人员以掺氟氧化锡（FTO）为基底，制备了异质结构的高性能光电探测器（制备步骤如图6所示）。他们使用溶胶-凝胶法合成了钙钛矿CH3NH3PbI3和金属氧化物氧化锌（ZnO）薄膜，所合成的复合钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜具有四方结构，晶体尺寸为39.01nm；而ZnO薄膜具有纤锌矿六方结构，晶体尺寸为26.47nm。在这两种薄膜中，颗粒分布均匀，平均粒径分别为50nm和30nm。研究人员测量确定了CH3NH3PbI3和ZnO之间形成的势垒，并对异质结构进行了表征；并测量了该光电探测器在黑暗情况和太阳光和单色光照射时的光电性能。研究结果表明：在−1 V外加偏压下的蓝光光谱附近可获得21.8 A/W的最大光响应值，证明该器件具有良好的光响应性能，是一种可应用于宽范围高光响应的光电检测器件[5]。
图6 光电探测器制备步骤
参考文献
[1] Fatemeh Soltani; David Patel; Michaël Ménard; et al. DPSK Modulation With a Dual-Drive Silicon Photonic Loop-Mirror Modulator [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13):1037 - 1040.
[2] Quandong Huang; Wen Wang; Wei Jin; et al. Ultra-Broadband Mode Filter Based on Phase-Shifted Long-Period Grating [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13):1052 - 1055.
[3] Xiaozhou Li; Changi Jeon; Shilong Pan; Jungwon Kim. Low-Noise Repetition-Rate Multiplication by Injection Locking and Gain-Saturated Amplification [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13): 997-1000.
[4] Shengjie Wang; Bo Liu; Zhen Chen; Heping Li. Chung. High Precision Calibration Algorithm for Large Field-of-View Polarization-modulated 3D imaging [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(13): 1064-1067.
[5] Rishibrind Kumar Upadhyay; Abhinay Pratap Singh; et al. High-Performance Photodetector Based on Organic–Inorganic Perovskite CH3NH3PbI3/ZnO Heterostructure [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(14): 1151- 1154.
