2019年5月PTL光通信论文评析
发布时间：2019-07-10 17:58:20 热度：2125
邵宇丰，龙颖，胡钦政
2019年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源器件和光波导、有源光子器件、光纤网络与传输系统、传感器等，笔者将逐一评析。
1. 无源器件和波导
上海交通大学电子工程系先进光通信系统与网络国家重点实验室的Qihang Shang等研究人员设计并通过实验验证了一种基于可调谐硅光子交织器的微波光子移相器（IBPS）（原理如图1所示）。该器件由微环谐振器（MRR）、可调谐交织器和21多模干涉仪（MMI）组成（其中，输入的射频（RF）光子信号的两个音调由MRR分开，并通过一个MMI进行组合）；在线性度为0.08且射频功率变化小于1dB的情况下，可以实现40GHz射频光子信号的360°全相移，而线性相移为188°。该器件是在绝缘体硅（SOI）平台上制作的，可以与光子和电子电路集成，可调IBPS系统的实验装置如图2所示[1]。
图1 IBPS的原理图
图2 可调IBPS系统的实验装置；EA：电放大器；OSA：光谱分析仪
2. 有源光子器件
南京大学的Shengping Liu等研究人员设计了基于采样莫尔光栅（SMG）的1550nm高功率单纵模（SLM）分布反馈（DFB）式半导体激光器（如图3所示）。通过设计微米尺度的取样结构，可以等效组建沿激光腔的莫尔光栅（MG）；通过减小激光面耦合系数，提高输出功率。该激光器的腔长和脊宽分别为1.0mm和3.0μm；在25℃的散热器温度下，测量的阈值电流和斜率效率分别为30.0mA和0.36 mW/mA。当注入电流为800.0mA时，最大输出功率约为183.0mW。与在同一晶圆上制作的均匀取样光栅（USG）相比，该激光器的饱和功率有了显著提高。此外，他们还在同一晶圆上制备了一种基于SMG的四通道DFB激光器阵列，该阵列显示出了良好的波长均匀性；该激光器/阵列可能在针对光散射损失进行探索硅光子学的领域得到应用[2]。
图3（a）基于SMG结构的大功率DFB激光器；（b）光栅的俯视图、采样结构及相应的SMG
3. 光纤网络与传输系统
瑞士苏黎世联邦理工大学的Arne Josten等研究人员设计了一种采用盲相干接收技术的DSP算法（如图4所示）；即在频域内来实现色散（CD）、载波频率偏移（CFO）、偏振状态和定时误差（TE）的校正。频域误差估计是基于改进的戈达尔算法实现（该算法计算每个符号少于两个样本和小时间抖动的偏移量）；频域同步过程独立于调制格式实现（基于高基数矩形QAM格式的概率型（PS）信号同步的方法）。他们在频域内实现了符号率为42.7Gbd极化分复用（PDM）64QAM信号的同步，计算了快速傅立叶变换尺寸和用于误差估计的快速傅立叶变换块数的仿真结果，测量了背靠背和传输超过300 km情况下，四种不同概率事件的实验结果[3]。
[center]
图4 频域同步的接收机中DSP流程；Tx：发射机；ADC：模数转换器；DFT：离散傅里叶变换；IQ：同相正交；CD：色散；Rx：接收机；CFO：载频偏移。
韩国大田科研院的Sunghyun Bae等研究人员设计了利用数字光学相位共轭（D-OPC）技术补偿了模分复用（MDM）传输系统中的模式串扰（如图5所示）。他们利用发送端的波前传感器（WFS）来测量经由多模光纤（MMF）链路发送的空间模式的波前；然后利用该信息和空间光调制器（SLM）产生相位共轭信号；相位共轭信号再通过相同的MMF链路发送给接收器。该技术可以在不改变系统配置的情况下，通过增加额外的收发器来逐渐增加MDM的系统容量；并且无论调制格式如何选择，都可以使用非迭代方法快速估计信道矩阵。研究人员在100米长的单模光纤链路上了传输四种LP模式，每种模式都携带10 GB/s的开关键控信号。这些信号是通过使用无电均衡器的直接接收器来检测信号。结果表明，采用上述D-OPC技术，四种模式的误码率（BER）均优于10-3[4]。
图5 （a）基于D-OPC的MDM传输系统；（b）调度过程
4. 传感器
美国洛厄尔大学的Xu Guo等研究人员介绍了基于隔膜的全硅纤维尖端压力传感器的设计，制造和测试过程（实验装置如图6所示）。该传感器通过微机电系统（MEMS）技术制备1.2μm厚的二氧化硅隔膜，并与纤维尖端上105μm直径的FP腔热粘合，以形成法布里-珀罗（FP）干涉仪。蚀刻的FP腔直径为105μm，使得感测区域变大；因此无需任何后抛光或蚀刻即可实现12.4nm / kPa（85.3nm / psi）的静压灵敏度。由于该传感器具有全硅结构，在测试期间它还显示出低温交叉敏感性。与其他全硅纤维尖端压力传感器相比较，该传感器制造方法简单，更适合批量生产且具有很大的应用潜力[5]。
图6 实验装置
参考文献
[1] Qihang Shang, Yanping Yu, Yong Zhang, Yu He; et al. A Silicon Photonic RF Phase Shifter With Linear Phase Response and Low RF Power Variation[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9):713-716.
[2] Shengping Liu, Hao Wu, Yuechun Shi, Bocang Qiu; et al. High-Power Single-Longitudinal-Mode DFB Semiconductor Laser Based on Sampled Moiré Grating [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(10): 751-754.
[3] Arne Josten; Benedikt Baeuerle; Bertold Ian Bitachon; Gabriel Stalder; et al. 400G Probabilistic Shaped PDM-64QAM Synchronization in the Frequency Domain [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9): 697-700.
[4] Sunghyun Bae; Youngho Jung; Byung Gon Kim; Yun C. Chung. Compensation of Mode Crosstalk in MDM System Using Digital Optical Phase Conjugation [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(10): 739-742.
[5] Xu Guo ; Jingcheng Zhou ; Cong Du ; Xingwei Wang. Highly Sensitive Miniature All-Silica Fiber Tip Fabry–Perot Pressure Sensor [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9): 689- 692.
2019年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源器件和光波导、有源光子器件、光纤网络与传输系统、传感器等，笔者将逐一评析。
1. 无源器件和波导
上海交通大学电子工程系先进光通信系统与网络国家重点实验室的Qihang Shang等研究人员设计并通过实验验证了一种基于可调谐硅光子交织器的微波光子移相器（IBPS）（原理如图1所示）。该器件由微环谐振器（MRR）、可调谐交织器和21多模干涉仪（MMI）组成（其中，输入的射频（RF）光子信号的两个音调由MRR分开，并通过一个MMI进行组合）；在线性度为0.08且射频功率变化小于1dB的情况下，可以实现40GHz射频光子信号的360°全相移，而线性相移为188°。该器件是在绝缘体硅（SOI）平台上制作的，可以与光子和电子电路集成，可调IBPS系统的实验装置如图2所示[1]。
图1 IBPS的原理图
图2 可调IBPS系统的实验装置；EA：电放大器；OSA：光谱分析仪
2. 有源光子器件
南京大学的Shengping Liu等研究人员设计了基于采样莫尔光栅（SMG）的1550nm高功率单纵模（SLM）分布反馈（DFB）式半导体激光器（如图3所示）。通过设计微米尺度的取样结构，可以等效组建沿激光腔的莫尔光栅（MG）；通过减小激光面耦合系数，提高输出功率。该激光器的腔长和脊宽分别为1.0mm和3.0μm；在25℃的散热器温度下，测量的阈值电流和斜率效率分别为30.0mA和0.36 mW/mA。当注入电流为800.0mA时，最大输出功率约为183.0mW。与在同一晶圆上制作的均匀取样光栅（USG）相比，该激光器的饱和功率有了显著提高。此外，他们还在同一晶圆上制备了一种基于SMG的四通道DFB激光器阵列，该阵列显示出了良好的波长均匀性；该激光器/阵列可能在针对光散射损失进行探索硅光子学的领域得到应用[2]。
图3（a）基于SMG结构的大功率DFB激光器；（b）光栅的俯视图、采样结构及相应的SMG
3. 光纤网络与传输系统
瑞士苏黎世联邦理工大学的Arne Josten等研究人员设计了一种采用盲相干接收技术的DSP算法（如图4所示）；即在频域内来实现色散（CD）、载波频率偏移（CFO）、偏振状态和定时误差（TE）的校正。频域误差估计是基于改进的戈达尔算法实现（该算法计算每个符号少于两个样本和小时间抖动的偏移量）；频域同步过程独立于调制格式实现（基于高基数矩形QAM格式的概率型（PS）信号同步的方法）。他们在频域内实现了符号率为42.7Gbd极化分复用（PDM）64QAM信号的同步，计算了快速傅立叶变换尺寸和用于误差估计的快速傅立叶变换块数的仿真结果，测量了背靠背和传输超过300 km情况下，四种不同概率事件的实验结果[3]。
[center]
图4 频域同步的接收机中DSP流程；Tx：发射机；ADC：模数转换器；DFT：离散傅里叶变换；IQ：同相正交；CD：色散；Rx：接收机；CFO：载频偏移。
韩国大田科研院的Sunghyun Bae等研究人员设计了利用数字光学相位共轭（D-OPC）技术补偿了模分复用（MDM）传输系统中的模式串扰（如图5所示）。他们利用发送端的波前传感器（WFS）来测量经由多模光纤（MMF）链路发送的空间模式的波前；然后利用该信息和空间光调制器（SLM）产生相位共轭信号；相位共轭信号再通过相同的MMF链路发送给接收器。该技术可以在不改变系统配置的情况下，通过增加额外的收发器来逐渐增加MDM的系统容量；并且无论调制格式如何选择，都可以使用非迭代方法快速估计信道矩阵。研究人员在100米长的单模光纤链路上了传输四种LP模式，每种模式都携带10 GB/s的开关键控信号。这些信号是通过使用无电均衡器的直接接收器来检测信号。结果表明，采用上述D-OPC技术，四种模式的误码率（BER）均优于10-3[4]。
图5 （a）基于D-OPC的MDM传输系统；（b）调度过程
4. 传感器
美国洛厄尔大学的Xu Guo等研究人员介绍了基于隔膜的全硅纤维尖端压力传感器的设计，制造和测试过程（实验装置如图6所示）。该传感器通过微机电系统（MEMS）技术制备1.2μm厚的二氧化硅隔膜，并与纤维尖端上105μm直径的FP腔热粘合，以形成法布里-珀罗（FP）干涉仪。蚀刻的FP腔直径为105μm，使得感测区域变大；因此无需任何后抛光或蚀刻即可实现12.4nm / kPa（85.3nm / psi）的静压灵敏度。由于该传感器具有全硅结构，在测试期间它还显示出低温交叉敏感性。与其他全硅纤维尖端压力传感器相比较，该传感器制造方法简单，更适合批量生产且具有很大的应用潜力[5]。
图6 实验装置
参考文献
[1] Qihang Shang, Yanping Yu, Yong Zhang, Yu He; et al. A Silicon Photonic RF Phase Shifter With Linear Phase Response and Low RF Power Variation[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9):713-716.
[2] Shengping Liu, Hao Wu, Yuechun Shi, Bocang Qiu; et al. High-Power Single-Longitudinal-Mode DFB Semiconductor Laser Based on Sampled Moiré Grating [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(10): 751-754.
[3] Arne Josten; Benedikt Baeuerle; Bertold Ian Bitachon; Gabriel Stalder; et al. 400G Probabilistic Shaped PDM-64QAM Synchronization in the Frequency Domain [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9): 697-700.
[4] Sunghyun Bae; Youngho Jung; Byung Gon Kim; Yun C. Chung. Compensation of Mode Crosstalk in MDM System Using Digital Optical Phase Conjugation [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(10): 739-742.
[5] Xu Guo ; Jingcheng Zhou ; Cong Du ; Xingwei Wang. Highly Sensitive Miniature All-Silica Fiber Tip Fabry–Perot Pressure Sensor [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(9): 689- 692.
