2019年11月PTL光通信论文评析
发布时间：2019-12-20 10:09:47 热度：1948
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
2019年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络、调制格式、激光器、偏振分束器、光学相控阵列等，笔者将逐一评析。
1. 光网络
湖南师范大学物理与电子学院的Ming Chen等研究人员使用80GSa/s数模转换器（DAC）产生了净数据速率为121Gb/s、时钟泄漏为20GHz的预均衡16/32 QAM-DMT信号，并采用两种简单的DAC时钟泄漏补偿（CLC）方法对光学离散多音（DMT）接收机进行了研究。一种是基于DMT信号高斯幅度分布的时域CLC（TD-CLC）方法，该方法已在OMC实时DMT接收机中得到实验验证；另一种方法是用于偏移失配补偿（OMC）的频域CLC（FD-CLC）方法。他们在低成本强度调制和直接检测（IM / DD）系统中实验验证了2km标准单模光纤（SSMF）上的单波长100 Gbit / s DMT信号传输过程，实验装置如图1所示。结果表明，两种CLC方法具有相似性能，采用这两种方法的16QAM-DMT信号经过SSMF传输2km后，它们的误码率（BER）性能可提高约一个数量级，且低于3.8e-3；在32QAM应用误码率为2e-2的情况下，接收机灵敏度可以提高2dB。此外，使用这两种CLC方法的BER性能在测量期间具有良好的稳定性[1]。
图1 QAM-DMT信号收发实验装置
2. 调制格式
合肥工业大学计算机与信息工程学院的Bin Chen等研究人员设计了两种频谱效率为5.5 bit/4D-sym的8维（8D）新型信号调制格式（8D-2048PRS-T1和8D-2048PRS-T2），如图2所示。这两种调制格式通过在两个时隙中选择具有不同偏振状态（SOPs）的符号来提供更高的非线性容忍度。他们利用有效信噪比（SNR）和归一化广义互信息对这些新型8D调制格式的性能进行评估。结果表明，8D-2048PRS-T1更适合于高SNR的情形，而8D-2048PRS-T2则对非线性的耐受性更强；通过最大化归一化广义互信息（NGMI）过程证明了该调制格式至少有0.25 dB的接收灵敏度改善；对于一个长距离非线性光纤传输系统而言，它具有减小非线性负面效应影响的优势，与时域混合四维二幅八相移键控（TDH-4D-2A8PSK）调制格式相比，有效接收范围提高了6.7%（560km）[2]。
图2 连续时隙8D调制格式的Stokes图
3. 激光器
中国科学院大学的Dong-Bo Wang等研究人员设计了基于磷化铟（InP）的埋入式光栅耦合表面发射分布式反馈（DFB）激光器（如图3所示），工作波长为2004nm。该激光器由三个具有5μm双通道脊形波导的InGaAsSb/InGaAs 量子阱（QWs）组成，并通过二阶半导体/半导体光栅进行平面内反馈和垂直外耦合制备。它的单纵模发射波长可以在2002.7~2006nm范围内调节，且无任何跳模现象。在所有注入电流和温度条件下，该激光器均能达到至少35dB的高侧模抑制比（SMSR），并且在10℃连续波（CW）模式下测量时，它的边缘输出功率为19mw，表面发射的输出功率为8mw[3]。
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图3 （a）二阶光栅的扫描电镜图像；（b）劈裂腔面的光学显微镜图像；（c）衬底发射窗口；（d）激光器的三维示意图
4. 偏振分束器
北京邮电大学的Zhuo Cheng等研究人员设计了一种基于氮化硅辅助三波导耦合器的紧凑型宽带偏振分束器，如图4所示。他们通过在硅波导上覆盖一层氮化硅，实现了满足TM模式但不满足TE模式的相位匹配过程。该偏振分束器的设备长度仅为7μm，并且它在1.5μm~1.6μm的波长范围内具有高消光比（对于TE模式而言大于30 dB，对于TM模式而言大于20 dB），而插入损耗分别小于0.06dB和0.35dB。实验测量结果表明，该偏振分束器具有良好的性能[4]。
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图4 基于氮化硅辅助三波导耦合器的偏振分束器原理
5. 光学相控阵列
韩国大田大学的Geumbong Kang等研究人员设计了一种基于电光移相器的116硅光学相控阵列（OPA）（如图5所示），用以实现低功耗的高速运行。他们使用p-i-n结构造移相器，在i-区的两侧分别形成p-和n-掺杂区，并通过优化移相器的i区域宽度来减弱移相器的功耗和移相器中的传播损耗；该p-i-n移相器可达到20MHz的快速工作速度和1.7mW/π的低相位调谐功率。他们集成2μm间距光栅辐射器的一维光学相控阵列天线，在1.55μm波长上实现了45°宽的横向光束控制范围，且测量得到1×16 OPA波束形成操作的平均功耗为39.6 mW，转向光束的平均过渡时间为24 ns。因而，该电光OPA具有低功耗、高速光束转向和宽光束转向范围的优势，适用于激光雷达（LiDAR）系统[5]的装配应用。
图5 （a）光学相控阵列；（b）电光p-i-n移相器结构图
参考文献
[1] Ming Chen; Long Zhang; Ke Bai; Fan Li; et al. 100-Gb/s DMT Transmission for Short-Reach Optical Interconnect with DAC Clock Leakage Compensation [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(22): 1791-1794.
[2] Bin Chen; Chigo Okonkwo; Hartmut Hafermann; et al. Eight-Dimensional Polarization-Ring-Switching Modulation Formats [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1717-1720.
[3] Dong-Bo Wang; Jin-Chuan Zhang; Sen-Sen Li; et al. InP-Based Surface-Emitting Distributed Feedback Lasers Operating at 2004 nm [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1701-1704.
[4] Zhuo Cheng; Jun Wang; Yongqing Huang; et al. Realization of a Compact Broadband Polarization Beam Splitter Using the Three-Waveguide Coupler [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(22): 1807-1810.
[5] Geumbong Kang; Seong-Hwan Kim; Jong-Bum You; et al. Silicon-Based Optical Phased Array Using Electro-Optic p-i-n Phase Shifters [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1685-1688.
2019年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络、调制格式、激光器、偏振分束器、光学相控阵列等，笔者将逐一评析。
1. 光网络
湖南师范大学物理与电子学院的Ming Chen等研究人员使用80GSa/s数模转换器（DAC）产生了净数据速率为121Gb/s、时钟泄漏为20GHz的预均衡16/32 QAM-DMT信号，并采用两种简单的DAC时钟泄漏补偿（CLC）方法对光学离散多音（DMT）接收机进行了研究。一种是基于DMT信号高斯幅度分布的时域CLC（TD-CLC）方法，该方法已在OMC实时DMT接收机中得到实验验证；另一种方法是用于偏移失配补偿（OMC）的频域CLC（FD-CLC）方法。他们在低成本强度调制和直接检测（IM / DD）系统中实验验证了2km标准单模光纤（SSMF）上的单波长100 Gbit / s DMT信号传输过程，实验装置如图1所示。结果表明，两种CLC方法具有相似性能，采用这两种方法的16QAM-DMT信号经过SSMF传输2km后，它们的误码率（BER）性能可提高约一个数量级，且低于3.8e-3；在32QAM应用误码率为2e-2的情况下，接收机灵敏度可以提高2dB。此外，使用这两种CLC方法的BER性能在测量期间具有良好的稳定性[1]。
图1 QAM-DMT信号收发实验装置
2. 调制格式
合肥工业大学计算机与信息工程学院的Bin Chen等研究人员设计了两种频谱效率为5.5 bit/4D-sym的8维（8D）新型信号调制格式（8D-2048PRS-T1和8D-2048PRS-T2），如图2所示。这两种调制格式通过在两个时隙中选择具有不同偏振状态（SOPs）的符号来提供更高的非线性容忍度。他们利用有效信噪比（SNR）和归一化广义互信息对这些新型8D调制格式的性能进行评估。结果表明，8D-2048PRS-T1更适合于高SNR的情形，而8D-2048PRS-T2则对非线性的耐受性更强；通过最大化归一化广义互信息（NGMI）过程证明了该调制格式至少有0.25 dB的接收灵敏度改善；对于一个长距离非线性光纤传输系统而言，它具有减小非线性负面效应影响的优势，与时域混合四维二幅八相移键控（TDH-4D-2A8PSK）调制格式相比，有效接收范围提高了6.7%（560km）[2]。
图2 连续时隙8D调制格式的Stokes图
3. 激光器
中国科学院大学的Dong-Bo Wang等研究人员设计了基于磷化铟（InP）的埋入式光栅耦合表面发射分布式反馈（DFB）激光器（如图3所示），工作波长为2004nm。该激光器由三个具有5μm双通道脊形波导的InGaAsSb/InGaAs 量子阱（QWs）组成，并通过二阶半导体/半导体光栅进行平面内反馈和垂直外耦合制备。它的单纵模发射波长可以在2002.7~2006nm范围内调节，且无任何跳模现象。在所有注入电流和温度条件下，该激光器均能达到至少35dB的高侧模抑制比（SMSR），并且在10℃连续波（CW）模式下测量时，它的边缘输出功率为19mw，表面发射的输出功率为8mw[3]。
图3 （a）二阶光栅的扫描电镜图像；（b）劈裂腔面的光学显微镜图像；（c）衬底发射窗口；（d）激光器的三维示意图
4. 偏振分束器
北京邮电大学的Zhuo Cheng等研究人员设计了一种基于氮化硅辅助三波导耦合器的紧凑型宽带偏振分束器，如图4所示。他们通过在硅波导上覆盖一层氮化硅，实现了满足TM模式但不满足TE模式的相位匹配过程。该偏振分束器的设备长度仅为7μm，并且它在1.5μm~1.6μm的波长范围内具有高消光比（对于TE模式而言大于30 dB，对于TM模式而言大于20 dB），而插入损耗分别小于0.06dB和0.35dB。实验测量结果表明，该偏振分束器具有良好的性能[4]。
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图4 基于氮化硅辅助三波导耦合器的偏振分束器原理
5. 光学相控阵列
韩国大田大学的Geumbong Kang等研究人员设计了一种基于电光移相器的116硅光学相控阵列（OPA）（如图5所示），用以实现低功耗的高速运行。他们使用p-i-n结构造移相器，在i-区的两侧分别形成p-和n-掺杂区，并通过优化移相器的i区域宽度来减弱移相器的功耗和移相器中的传播损耗；该p-i-n移相器可达到20MHz的快速工作速度和1.7mW/π的低相位调谐功率。他们集成2μm间距光栅辐射器的一维光学相控阵列天线，在1.55μm波长上实现了45°宽的横向光束控制范围，且测量得到1×16 OPA波束形成操作的平均功耗为39.6 mW，转向光束的平均过渡时间为24 ns。因而，该电光OPA具有低功耗、高速光束转向和宽光束转向范围的优势，适用于激光雷达（LiDAR）系统[5]的装配应用。
图5 （a）光学相控阵列；（b）电光p-i-n移相器结构图
参考文献
[1] Ming Chen; Long Zhang; Ke Bai; Fan Li; et al. 100-Gb/s DMT Transmission for Short-Reach Optical Interconnect with DAC Clock Leakage Compensation [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(22): 1791-1794.
[2] Bin Chen; Chigo Okonkwo; Hartmut Hafermann; et al. Eight-Dimensional Polarization-Ring-Switching Modulation Formats [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1717-1720.
[3] Dong-Bo Wang; Jin-Chuan Zhang; Sen-Sen Li; et al. InP-Based Surface-Emitting Distributed Feedback Lasers Operating at 2004 nm [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1701-1704.
[4] Zhuo Cheng; Jun Wang; Yongqing Huang; et al. Realization of a Compact Broadband Polarization Beam Splitter Using the Three-Waveguide Coupler [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(22): 1807-1810.
[5] Geumbong Kang; Seong-Hwan Kim; Jong-Bum You; et al. Silicon-Based Optical Phased Array Using Electro-Optic p-i-n Phase Shifters [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(21): 1685-1688.
