2024年10月PTL光通信论文评析
发布时间：2024-12-04 11:03:38 热度：334
12/04/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，张颜鹭，张旭，许占夺，向泓劲，匡富豪，贾岚斯，2024年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤熔接、水听器、振荡器、神经网络均衡、半导体激光器、偏振器等，笔者将逐一评析。
1、光纤熔接
美国麻省大学的Aaron Hutchins等研究人员设计了一种低损耗且可靠性高的光纤与PIC芯片接口的熔接工艺[1]，如图1所示；他们利用CO2激光器加热光纤，并将其融合到氮化硅芯片上；还将芯片固定在Newport三轴真空平台上，并在垂直于激光器的光学平台方向上精确调整其位置，以确保波导芯片与CO2激光束的对准；同时，他们在熔接过程中加入了力传感器，以便对光纤熔接条件进行定量分析。研究结果表明：光纤-空气-芯片界面的损耗显著降低；光功率传输平均提高了0.5 dB/facet；熔接过程中施加的力对于增强熔接效果至关重要。此外，该研究还验证了熔接工艺在温度循环下的鲁棒性，对硅光子学领域中低温环境下光纤熔接技术的应用具有一定的参考价值。
2、水听器
深圳鹏城实验室的Liushu Pan等研究人员设计了一种基于氮化镓（GaN）的光学水听器[2]，该器件能在低频及低声压条件下有效检测水下振动信号，如图2所示；该器件采用了嵌入二氧化钛（TiO?）纳米颗粒（NPs）的可变形聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，可实现声学信号向光学信号的高效转换。研究人员设计的集成策略有效避免了外部光学元件使用，从而简化了水听器的结构配置。在实验研究中，研究人员对GaN器件的发射与检测特性进行了全面测试，并分析了腔体参数对声波信号检测性能的影响。研究结果表明：该器件工作在48Hz时有2.3×10?? A/μm·Pa的灵敏度，并具备0.1至250Hz的宽频工作范围，最小可检测压力约为4Pa；它还能区分频率差异仅为0.2Hz的微弱信号。综上所述，该水听器凭借其高性价比、芯片级尺寸及其可靠性设计，未来有望在识别水下低频声波信号的多种应用中展现出较大应用潜力。
3、振荡器
中国教育部基础物理量测量重点实验室的Mingyang Xu等研究人员设计了一种基于激光频率梳的低噪声传输振荡器[3]，该器件能产生与稳定激光器相干的时钟信号，如图3所示。该装置主要由传输振荡器和臂锁定模块组成。研究人员通过传输振荡器生成与激光源同源的高保真微波信号，并采用两个相同的传输振荡器来差异化评估传输噪声；他们通过电延迟单元实现了单臂锁定和改进型双臂锁定技术，并将两个数据流组合（无需校正系数）后进行时延干涉测量。研究结果表明：该器件能满足引力波检测需求，无需进一步降低时钟噪声。研究结果表明：时钟噪声得到了有效抑制，臂锁定性能有所提升。综上所述，该研究为未来星载引力波探测中基于频梳的臂锁定和延时干涉测量提供了有价值的参考方案。
4、神经网络均衡
湖南大学的Jing He等研究人员设计了基于分组人工神经网络（G-ANN）的均衡方案[4]，如图4所示。该均衡器为W波段光纤无线电（ROF）系统设计，并结合了旋转和概率整形64阶正交幅度调制（RPS 64QAM）以及正交频分复用（OFDM）技术；其实现过程首先是选择训练集，其次提取训练数据特征作为输入要素，包括I/Q分量、相位和范数。数据特征被整合为输入矩阵[Ix, Qx, Px, Dx]，并经过重新缩放和归一化处理，以确保输入和输出数据的振幅均被限制在0至1的范围内。在W波段ROF系统的实验中，他们所应用的G-ANN均衡器相较于其他神经网络（NN）均衡器表现出更优的传输性能和更低的训练开销。研究结果表明：经过20km标准单模光纤（SSMF）和1m无线信道传输后，G-ANN均衡器的性能优于传统均衡器和人工神经网络（ANN）。由于G-ANN均衡器在学习系统综合失真方面表现出较强能力，且能有效缩减和测试时间，因此该方案可在高频大容量通信系统为克服信号失真的影响提供有益借鉴。
5、半导体激光器
陕西科技大学的Bocang Qiu等研究人员设计了一种波长为1064nm的横向耦合型分布式反馈（DFB）半导体激光器[5]，如图5所示。该激光器的波纹脊波导由非对称相移的向耦合光栅构成，相移位置被定义为相移位置与涂层面之间长度与腔长之比。窄波导宽度及其两侧的光栅沟槽保持为3.8?m，通过改变窄波导宽度能形成具有不同耦合系数的横向耦合光栅。研究结果表明：环境温度为20?C注入电流为1A时，连续被输出功率值可达362.3mW（斜率效率约为0.4W/A）；在0.2A至1A电流范围内，可实现侧模抑制比大于40dB，满足单模工作要求。综上所述，该研究工作为研制含高阶光栅制造工艺的大功率LC-DFB提供了参考借鉴。
6、偏振器
湖北工业大学的Li Liu等研究人员设计了一种超紧凑型硅横向电场透射型（TE-pass）偏振器[6]（采用逆向设计方法），如图6所示。该器件由宽度为0.5?m的输入波导和优化后的横向工作矩形区域组成；其中的矩形区域总尺寸为5.23?m×1.83?m，被划分为15×45个像素单元，每个像素单元是一个120nm×120nm的立方体，其中心设有直径为90nm的圆形孔洞。该器件构建在硅基绝缘体（SOI）平台上，其中硅波导厚度为220nm，衬底氧化层厚度为2?m（采用了非定向耦合器样式）；为了实现所需的耦合强度，直波导与矩形区域之间的耦合间隙设定为0.12?m。研究结果证明：当最小插入损耗降至0.17dB时，工作带宽可达100nm（从1500nm至1600nm），消光比最大值可达32.2dB；因此该偏振器未来在光信号处理系统中具有潜在的应用价值。
参考文献
[1] A. Hutchins et al., "Fiber-to-Chip Packaging With Robust Fiber Fusion Splicing for Low-Temperature Applications," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1209-1212, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3452039.
[2] L. Pan et al., "Miniaturized GaN-Based Optical Hydrophones for Underwater Low-Frequency Acoustic Detection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1237-1240, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3454151.
[3] M. Xu, J. Ke, J. Luo, H. Wu and C. Shao, "Arm Locking Using a Transfer Oscillator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1225-1228, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3457549.
[4] J. He and J. He, "A Grouped-ANN Equalizer for the Rotated PS 64QAM OFDM in W-Band ROF System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1165-1168, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3449922.
[5] N. Zhang et al., "Design and Fabrication of 1064-nm High Power Laterally-Coupled DFB Semiconductor Lasers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1217-1220, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3406683.
[6] L. Liu, B. Liao, P. Zhao, W. Xue and C. Hu, "Ultra-Compact and Ultra-Low Insertion Loss Silicon Optical Polarizer Based on Inverse Design," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1173-1176, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3451615.
1、光纤熔接
美国麻省大学的Aaron Hutchins等研究人员设计了一种低损耗且可靠性高的光纤与PIC芯片接口的熔接工艺[1]，如图1所示；他们利用CO2激光器加热光纤，并将其融合到氮化硅芯片上；还将芯片固定在Newport三轴真空平台上，并在垂直于激光器的光学平台方向上精确调整其位置，以确保波导芯片与CO2激光束的对准；同时，他们在熔接过程中加入了力传感器，以便对光纤熔接条件进行定量分析。研究结果表明：光纤-空气-芯片界面的损耗显著降低；光功率传输平均提高了0.5 dB/facet；熔接过程中施加的力对于增强熔接效果至关重要。此外，该研究还验证了熔接工艺在温度循环下的鲁棒性，对硅光子学领域中低温环境下光纤熔接技术的应用具有一定的参考价值。
2、水听器
深圳鹏城实验室的Liushu Pan等研究人员设计了一种基于氮化镓（GaN）的光学水听器[2]，该器件能在低频及低声压条件下有效检测水下振动信号，如图2所示；该器件采用了嵌入二氧化钛（TiO?）纳米颗粒（NPs）的可变形聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，可实现声学信号向光学信号的高效转换。研究人员设计的集成策略有效避免了外部光学元件使用，从而简化了水听器的结构配置。在实验研究中，研究人员对GaN器件的发射与检测特性进行了全面测试，并分析了腔体参数对声波信号检测性能的影响。研究结果表明：该器件工作在48Hz时有2.3×10?? A/μm·Pa的灵敏度，并具备0.1至250Hz的宽频工作范围，最小可检测压力约为4Pa；它还能区分频率差异仅为0.2Hz的微弱信号。综上所述，该水听器凭借其高性价比、芯片级尺寸及其可靠性设计，未来有望在识别水下低频声波信号的多种应用中展现出较大应用潜力。
3、振荡器
中国教育部基础物理量测量重点实验室的Mingyang Xu等研究人员设计了一种基于激光频率梳的低噪声传输振荡器[3]，该器件能产生与稳定激光器相干的时钟信号，如图3所示。该装置主要由传输振荡器和臂锁定模块组成。研究人员通过传输振荡器生成与激光源同源的高保真微波信号，并采用两个相同的传输振荡器来差异化评估传输噪声；他们通过电延迟单元实现了单臂锁定和改进型双臂锁定技术，并将两个数据流组合（无需校正系数）后进行时延干涉测量。研究结果表明：该器件能满足引力波检测需求，无需进一步降低时钟噪声。研究结果表明：时钟噪声得到了有效抑制，臂锁定性能有所提升。综上所述，该研究为未来星载引力波探测中基于频梳的臂锁定和延时干涉测量提供了有价值的参考方案。
4、神经网络均衡
湖南大学的Jing He等研究人员设计了基于分组人工神经网络（G-ANN）的均衡方案[4]，如图4所示。该均衡器为W波段光纤无线电（ROF）系统设计，并结合了旋转和概率整形64阶正交幅度调制（RPS 64QAM）以及正交频分复用（OFDM）技术；其实现过程首先是选择训练集，其次提取训练数据特征作为输入要素，包括I/Q分量、相位和范数。数据特征被整合为输入矩阵[Ix, Qx, Px, Dx]，并经过重新缩放和归一化处理，以确保输入和输出数据的振幅均被限制在0至1的范围内。在W波段ROF系统的实验中，他们所应用的G-ANN均衡器相较于其他神经网络（NN）均衡器表现出更优的传输性能和更低的训练开销。研究结果表明：经过20km标准单模光纤（SSMF）和1m无线信道传输后，G-ANN均衡器的性能优于传统均衡器和人工神经网络（ANN）。由于G-ANN均衡器在学习系统综合失真方面表现出较强能力，且能有效缩减和测试时间，因此该方案可在高频大容量通信系统为克服信号失真的影响提供有益借鉴。
5、半导体激光器
陕西科技大学的Bocang Qiu等研究人员设计了一种波长为1064nm的横向耦合型分布式反馈（DFB）半导体激光器[5]，如图5所示。该激光器的波纹脊波导由非对称相移的向耦合光栅构成，相移位置被定义为相移位置与涂层面之间长度与腔长之比。窄波导宽度及其两侧的光栅沟槽保持为3.8?m，通过改变窄波导宽度能形成具有不同耦合系数的横向耦合光栅。研究结果表明：环境温度为20?C注入电流为1A时，连续被输出功率值可达362.3mW（斜率效率约为0.4W/A）；在0.2A至1A电流范围内，可实现侧模抑制比大于40dB，满足单模工作要求。综上所述，该研究工作为研制含高阶光栅制造工艺的大功率LC-DFB提供了参考借鉴。
6、偏振器
湖北工业大学的Li Liu等研究人员设计了一种超紧凑型硅横向电场透射型（TE-pass）偏振器[6]（采用逆向设计方法），如图6所示。该器件由宽度为0.5?m的输入波导和优化后的横向工作矩形区域组成；其中的矩形区域总尺寸为5.23?m×1.83?m，被划分为15×45个像素单元，每个像素单元是一个120nm×120nm的立方体，其中心设有直径为90nm的圆形孔洞。该器件构建在硅基绝缘体（SOI）平台上，其中硅波导厚度为220nm，衬底氧化层厚度为2?m（采用了非定向耦合器样式）；为了实现所需的耦合强度，直波导与矩形区域之间的耦合间隙设定为0.12?m。研究结果证明：当最小插入损耗降至0.17dB时，工作带宽可达100nm（从1500nm至1600nm），消光比最大值可达32.2dB；因此该偏振器未来在光信号处理系统中具有潜在的应用价值。
参考文献
[1] A. Hutchins et al., "Fiber-to-Chip Packaging With Robust Fiber Fusion Splicing for Low-Temperature Applications," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1209-1212, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3452039.
[2] L. Pan et al., "Miniaturized GaN-Based Optical Hydrophones for Underwater Low-Frequency Acoustic Detection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1237-1240, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3454151.
[3] M. Xu, J. Ke, J. Luo, H. Wu and C. Shao, "Arm Locking Using a Transfer Oscillator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1225-1228, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3457549.
[4] J. He and J. He, "A Grouped-ANN Equalizer for the Rotated PS 64QAM OFDM in W-Band ROF System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1165-1168, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3449922.
[5] N. Zhang et al., "Design and Fabrication of 1064-nm High Power Laterally-Coupled DFB Semiconductor Lasers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 20, pp. 1217-1220, 15 Oct.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3406683.
[6] L. Liu, B. Liao, P. Zhao, W. Xue and C. Hu, "Ultra-Compact and Ultra-Low Insertion Loss Silicon Optical Polarizer Based on Inverse Design," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1173-1176, 1 Oct.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3451615.
