2019年6月PTL光通信论文评析
发布时间：2019-07-17 10:20:46 热度：1944
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，龙颖，胡钦政
2019年6月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：有源光子器件、光纤网络与传输系统、无源器件和光波导、自由空间光传输系统、光子学系统等，笔者将逐一评析。
1. 有源光子器件
哈佛大学的Tianhao Ren等研究人员设计了一种基于薄膜锂铌酸盐（LNOI）平台的集成相位调制器（如图1所示）。它同时具有片上损耗小（~1dB）和在大光谱范围内半波电压低（5-40GHz时为3.5-4.5V）的应用优势，所测量的射频V_π值在较宽频率范围内保持相对稳定；研究结果表明，该器件在半波电压、光传输损耗、尺寸和EO带宽等方面优于传统的体调制器，并且在超100GHz的频率下也能很好工作，显示出了在毫米波和太赫兹方面的应用潜力，它的高电光性能和高射频功率处理能力（3.1W）对未来的光子学和微波系统发展应用至关重要[1]。
图1 相位调制器结构图
2. 光纤网络和传输系统
比利时根特大学的Gertjan Coudyzer等研究人员设计了一种能够接收50Gbit/s 脉冲幅度调制（PAM-4）信号的线性突发模式互阻抗放大器（LBMTIA）（如图2所示），可用于高速时分复用无源光网络（TDM PONS）中的上行传输过程。该方案使用数字控制的高速数据通路，通过片上存储设置的快速查找过程对偏移量和增益进行校正;接收器可保证当测量稳定时间为48ns时，在25 Gb/s速率下输入动态范围至少为17.7dB，50 Gb/s时的输入动态范围至少为10.9 dB（当采用低密度奇偶校验（LDPC）正向误差控制（FEC）阈值为110-2时）。该放大器可以用作突发模式接收器的前端放大装置，预计将在未来25G和50G的TDM PON中得到应用[2]。
图2 线性突发模式互阻抗放大器（LBMTIA）的内部结构
3. 无源器件和光波导
吉林大学的Yang Gao等研究人员设计了一种基于非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的热光波导开关，如图3所示。由于MZI两个臂之间的路径长度差异会产生 相位差，他们在MZI的单臂上配置了一个金属加热器用于改变聚合物的折射率和两个臂之间相应的相位差，以实现LP01和LP11a模式的切换。该器件采用了聚合物/SiO2复合波导结构，能够有效降低功耗和开关时间。它在1550nm工作波长时的模式消光比为10.5dB，功耗为15.4mW，带宽范围从1525nm覆盖到1615nm，进行模式切换时上升时间和下降时间分别为71.5和140.3μs。该开关在模式分频多路复用（MDM）系统传输中具有良好的应用前景[3]。
图3 （a）非对称MZI模式开关结图，（b）SU-8/SiO2混合波导截面
4. 自由空间光传输系统
英国考文垂大学的Sujan Rajbhandari等研究人员设计了一种新型基于人工神经网络（ANN）的MIMO-VLC系统空间和时间联合均衡方法，如图4所示。他们基于一个光学MIMO链路，实验研究了三种MIMO解码技术。研究结果表明，基于人工神经网络的联合均衡方案优于基于传统决策反馈的联合均衡或单独补偿时间和空间串扰的方案，并且上述方法为2-PAM和4-PAM信号提供了最佳通信性能；尤其是当信道条件变恶劣时，基于人工神经网络的联合均衡方案对系统性能的改善程度更高。该方法所应用的MIMO-VLC系统如图5所示[4]。
图4 （a) MIMO-VLC系统联合ANN解码的过程图，（b）ANN架构
图5 MIMO-VLC系统
5. 光子学系统
印度理工学院的Aneesh Sobhanan等研究人员在半导体光放大器（SOA）中通过利用反向传播和交叉极化简并泵浦来产生偏振不敏感的相位共轭，实现了信号仅在输入端口进行馈送的过程。通过采用布拉格散射四波混频（FWM）技术，他们还实现了SOA两个端口偏振不敏感的操作；该过程要求选择信号的频率大于泵的频率，以实现极化不敏感共轭生成信号无需补偿的性能。研究人员在SOA的输入和输出端口同时演示了10 Gbaud PM-QPSK信号的相位共轭生成（损失值<1.5 dB）。上述系统实验装置如图6所示[5]。
图6 相关实验装置
参考文献
[1] Ren T, Zhang M, Wang C, et al. An Integrated Low-voltage Broadband Lithium Niobate Phase Modulator[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019:1-1.
[2] Gertjan Coudyzer; Peter Ossieur; Laurens Breyne; Marion Matters; et al. A 50Gbit/s PAM-4 linear burst-mode transimpedance amplifier [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(12): 951- 954.
[3] Yang Gao, Yan Xu, Lanting Ji, Xiaoqiang Sun, et al. Thermo-Optic Mode Switch Based on an Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(11):861-864.
[4] Rajbhandari S, Chun H, Faulkner G, et al. Neural Network Based Joint Spatial and Temporal Equalization for MIMO-VLC System[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019:1-1.
[5] Aneesh Sobhanan, Member, OSA, Lakshmi Narayanan V, et al. Polarization-Insensitive Phase Conjugation of QPSK signal using Bragg-Scattering FWM in SOA[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(12): 919-922.
2019年6月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：有源光子器件、光纤网络与传输系统、无源器件和光波导、自由空间光传输系统、光子学系统等，笔者将逐一评析。
1. 有源光子器件
哈佛大学的Tianhao Ren等研究人员设计了一种基于薄膜锂铌酸盐（LNOI）平台的集成相位调制器（如图1所示）。它同时具有片上损耗小（~1dB）和在大光谱范围内半波电压低（5-40GHz时为3.5-4.5V）的应用优势，所测量的射频V_π值在较宽频率范围内保持相对稳定；研究结果表明，该器件在半波电压、光传输损耗、尺寸和EO带宽等方面优于传统的体调制器，并且在超100GHz的频率下也能很好工作，显示出了在毫米波和太赫兹方面的应用潜力，它的高电光性能和高射频功率处理能力（3.1W）对未来的光子学和微波系统发展应用至关重要[1]。
图1 相位调制器结构图
2. 光纤网络和传输系统
比利时根特大学的Gertjan Coudyzer等研究人员设计了一种能够接收50Gbit/s 脉冲幅度调制（PAM-4）信号的线性突发模式互阻抗放大器（LBMTIA）（如图2所示），可用于高速时分复用无源光网络（TDM PONS）中的上行传输过程。该方案使用数字控制的高速数据通路，通过片上存储设置的快速查找过程对偏移量和增益进行校正;接收器可保证当测量稳定时间为48ns时，在25 Gb/s速率下输入动态范围至少为17.7dB，50 Gb/s时的输入动态范围至少为10.9 dB（当采用低密度奇偶校验（LDPC）正向误差控制（FEC）阈值为110-2时）。该放大器可以用作突发模式接收器的前端放大装置，预计将在未来25G和50G的TDM PON中得到应用[2]。
图2 线性突发模式互阻抗放大器（LBMTIA）的内部结构
3. 无源器件和光波导
吉林大学的Yang Gao等研究人员设计了一种基于非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的热光波导开关，如图3所示。由于MZI两个臂之间的路径长度差异会产生 相位差，他们在MZI的单臂上配置了一个金属加热器用于改变聚合物的折射率和两个臂之间相应的相位差，以实现LP01和LP11a模式的切换。该器件采用了聚合物/SiO2复合波导结构，能够有效降低功耗和开关时间。它在1550nm工作波长时的模式消光比为10.5dB，功耗为15.4mW，带宽范围从1525nm覆盖到1615nm，进行模式切换时上升时间和下降时间分别为71.5和140.3μs。该开关在模式分频多路复用（MDM）系统传输中具有良好的应用前景[3]。
图3 （a）非对称MZI模式开关结图，（b）SU-8/SiO2混合波导截面
4. 自由空间光传输系统
英国考文垂大学的Sujan Rajbhandari等研究人员设计了一种新型基于人工神经网络（ANN）的MIMO-VLC系统空间和时间联合均衡方法，如图4所示。他们基于一个光学MIMO链路，实验研究了三种MIMO解码技术。研究结果表明，基于人工神经网络的联合均衡方案优于基于传统决策反馈的联合均衡或单独补偿时间和空间串扰的方案，并且上述方法为2-PAM和4-PAM信号提供了最佳通信性能；尤其是当信道条件变恶劣时，基于人工神经网络的联合均衡方案对系统性能的改善程度更高。该方法所应用的MIMO-VLC系统如图5所示[4]。
图4 （a) MIMO-VLC系统联合ANN解码的过程图，（b）ANN架构
图5 MIMO-VLC系统
5. 光子学系统
印度理工学院的Aneesh Sobhanan等研究人员在半导体光放大器（SOA）中通过利用反向传播和交叉极化简并泵浦来产生偏振不敏感的相位共轭，实现了信号仅在输入端口进行馈送的过程。通过采用布拉格散射四波混频（FWM）技术，他们还实现了SOA两个端口偏振不敏感的操作；该过程要求选择信号的频率大于泵的频率，以实现极化不敏感共轭生成信号无需补偿的性能。研究人员在SOA的输入和输出端口同时演示了10 Gbaud PM-QPSK信号的相位共轭生成（损失值<1.5 dB）。上述系统实验装置如图6所示[5]。
图6 相关实验装置
参考文献
[1] Ren T, Zhang M, Wang C, et al. An Integrated Low-voltage Broadband Lithium Niobate Phase Modulator[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019:1-1.
[2] Gertjan Coudyzer; Peter Ossieur; Laurens Breyne; Marion Matters; et al. A 50Gbit/s PAM-4 linear burst-mode transimpedance amplifier [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(12): 951- 954.
[3] Yang Gao, Yan Xu, Lanting Ji, Xiaoqiang Sun, et al. Thermo-Optic Mode Switch Based on an Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(11):861-864.
[4] Rajbhandari S, Chun H, Faulkner G, et al. Neural Network Based Joint Spatial and Temporal Equalization for MIMO-VLC System[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019:1-1.
[5] Aneesh Sobhanan, Member, OSA, Lakshmi Narayanan V, et al. Polarization-Insensitive Phase Conjugation of QPSK signal using Bragg-Scattering FWM in SOA[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(12): 919-922.
