2020年9月PTL光通信论文评析
发布时间：2020-11-09 20:42:22 热度：2770
光纤在线特邀嘉宾：邵宇丰，王安蓉，胡钦政，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨琪铭，于妮
2020年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光源、调制器、光载无线通信系统、光纤通信系统和无源光子器件等，笔者将逐一评析。
光源
西安交通大学的Fengqin Huang等研究人员集成飞秒激光器的光纤布拉格光栅（FBG）作为波长选择元件设计了一种宽带可调谐无源锁模光纤激光器。该光纤激光器的峰值波长为1547.9 nm，在室温下光谱最大半波全宽（FWHM）值为0.90 nm。研究人员采用非线性光学环形镜（NOLM）作为饱和吸收（SA）环形光纤腔进行锁模操作，原理如图1所示。研究表明，FBG温度为1000。C时，光纤激光器的波长可调谐范围达14.2 nm，脉冲持续时间约为2.94 ps，具有接近2.80 ps的傅立叶极限脉冲持续时间，重复频率为860.5 kHz，脉冲峰值功率为56.2W[1]。
图1 光纤激光器设计原理
1、 调制器
中国科学院的Lifei Tian等研究人员设计了使用多晶硅（poly-Si）作为共振薄膜空间光调制器（SLM）的单元构件，其光学结构由传统法布里-珀罗（F-P）谐振腔改进形成，并采用多晶硅薄膜作为内腔功能材料，通过热光效应和多晶硅薄膜的热弹性变形效应来提高了C波段消光比，结构原理如图2所示。研究人员通过实验测试了SLM单元在OFF和ON两种电压状态下相对波长反射率曲线，研究了电压对C波段空间光调制器单元构件反射率的影响。研究表明，SLM单元在C波段具有高消光比，通过调节电压来改变反射率具有良好的可重复性，并测得在1547.5 nm处最大消光比值为42.2 dB[2]。
图2 空间光调制器单元构件
2、 光载无线通信系统
意大利费拉拉大学的Jacopo Nanni等研究人员使用点对点互连链路分析了基于绝缘体上硅（SOI）的片上光学无线链路中不连续性所造成的影响。研究人员在距离不超过200μm的点对点链路上进行了数值模拟和实验验证，实验装置如图3所示。研究表明，在多层环境中传播是导致多径现象产生的主要原因，由于天线和传播路径中多层结构所触发的多径现象会严重影响链路预算；同时衰落效应也会降低链路信号传输性能，但信号经由天线周围的同质区域可减少传播路径局部破坏性干扰所引起的衰落量；在保证天线均匀介质区域条件满足的情况下，经无界面自由空间传播后的信号实际接收功率高于理论接收功率[3]。
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图3 点对点链路实验装置
3、 光纤通信系统
丹麦技术大学的Lars Grüner-Nielsen等研究人员提出了一种10Gbit/s 非归零码（NRZ）调制和25Gbit/s脉冲幅度调制（PAM4）双模式系统的模分复用（MDM）系统传输模型；该模型可用于计算系统中模式多路复用和接口串扰需求，以及分析通道间波长分离、检测器带宽和组件串扰所造成的负面影响，模型结构如图4所示。研究人员通过比较模拟系统与实际测量结果，验证了该模型的有效性。研究表明，对于10Gbit/s NRZ调制模式，为确保误码率（BER）小于3E10-5，模式复用器、解复用器和接口的串扰需低于15dB；对于25 Gbit/s的PAM4调制模式，为确保符号错误率（SER）小于2E10-5，串扰需低于20 dB[4]。
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图4 模分复用系统模型
4、 无源光子器件
日本国家信息和通信技术研究所的Georg Rademacher等研究人员研究了梯度折射率多模光纤应用在684公里循环回路传输中的模态非线性信号失真效应。研究人员传输了24.5GBaud的16正交幅度调制（QAM）信号，并添加了扫频超过20nm的C波段干扰信道频带，并以相同功率发射所有波长或空间信道进行了实验，实验装置如图5所示。研究人员在干扰信道与被测信道间距为17 nm时传输了24.5GBaud 16QAM信号，在LP01模式下测得Q因子损失为1 dB，且导致交叉相位调制（XPM）的波长间隔与传输距离无关，仅取决于光纤的传播特性[5]。
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图5 研究多模态非线性信号失真效应的实验装置
参考文献
[1] F. Huang, J. Si, T. Chen, L. Hou and X. Hou, "Wide-Range Wavelength-Tunable Mode-Locked Fiber Laser Based on Fiber Bragg Grating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1025-1028, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3009381.
[2] YL. Tian et al., "A Silicon Spatial Light Modulator Unit With High Extinction Ratios in C Band," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1093-1096, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3012972.
[3] J. Nanni et al., "Multi-Path Propagation in On-Chip Optical Wireless Links," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1101-1104, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3012877.
[4] L. Grüner-Nielsen, N. M. Mathew, M. Lillieholm, M. Galili and K. Rottwitt, "Modeling of MIMO Less Mode Division Multiplexed Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 18, pp. 1191-1194, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3016719.
[5] G. Rademacher et al., "Intermodal Nonlinear Signal Distortions in Multi-Span Transmission With Few-Mode Fibers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 18, pp. 1175-1178, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3016348.
2020年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光源、调制器、光载无线通信系统、光纤通信系统和无源光子器件等，笔者将逐一评析。
光源
西安交通大学的Fengqin Huang等研究人员集成飞秒激光器的光纤布拉格光栅（FBG）作为波长选择元件设计了一种宽带可调谐无源锁模光纤激光器。该光纤激光器的峰值波长为1547.9 nm，在室温下光谱最大半波全宽（FWHM）值为0.90 nm。研究人员采用非线性光学环形镜（NOLM）作为饱和吸收（SA）环形光纤腔进行锁模操作，原理如图1所示。研究表明，FBG温度为1000。C时，光纤激光器的波长可调谐范围达14.2 nm，脉冲持续时间约为2.94 ps，具有接近2.80 ps的傅立叶极限脉冲持续时间，重复频率为860.5 kHz，脉冲峰值功率为56.2W[1]。
图1 光纤激光器设计原理
1、 调制器
中国科学院的Lifei Tian等研究人员设计了使用多晶硅（poly-Si）作为共振薄膜空间光调制器（SLM）的单元构件，其光学结构由传统法布里-珀罗（F-P）谐振腔改进形成，并采用多晶硅薄膜作为内腔功能材料，通过热光效应和多晶硅薄膜的热弹性变形效应来提高了C波段消光比，结构原理如图2所示。研究人员通过实验测试了SLM单元在OFF和ON两种电压状态下相对波长反射率曲线，研究了电压对C波段空间光调制器单元构件反射率的影响。研究表明，SLM单元在C波段具有高消光比，通过调节电压来改变反射率具有良好的可重复性，并测得在1547.5 nm处最大消光比值为42.2 dB[2]。
图2 空间光调制器单元构件
2、 光载无线通信系统
意大利费拉拉大学的Jacopo Nanni等研究人员使用点对点互连链路分析了基于绝缘体上硅（SOI）的片上光学无线链路中不连续性所造成的影响。研究人员在距离不超过200μm的点对点链路上进行了数值模拟和实验验证，实验装置如图3所示。研究表明，在多层环境中传播是导致多径现象产生的主要原因，由于天线和传播路径中多层结构所触发的多径现象会严重影响链路预算；同时衰落效应也会降低链路信号传输性能，但信号经由天线周围的同质区域可减少传播路径局部破坏性干扰所引起的衰落量；在保证天线均匀介质区域条件满足的情况下，经无界面自由空间传播后的信号实际接收功率高于理论接收功率[3]。
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图3 点对点链路实验装置
3、 光纤通信系统
丹麦技术大学的Lars Grüner-Nielsen等研究人员提出了一种10Gbit/s 非归零码（NRZ）调制和25Gbit/s脉冲幅度调制（PAM4）双模式系统的模分复用（MDM）系统传输模型；该模型可用于计算系统中模式多路复用和接口串扰需求，以及分析通道间波长分离、检测器带宽和组件串扰所造成的负面影响，模型结构如图4所示。研究人员通过比较模拟系统与实际测量结果，验证了该模型的有效性。研究表明，对于10Gbit/s NRZ调制模式，为确保误码率（BER）小于3E10-5，模式复用器、解复用器和接口的串扰需低于15dB；对于25 Gbit/s的PAM4调制模式，为确保符号错误率（SER）小于2E10-5，串扰需低于20 dB[4]。
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图4 模分复用系统模型
4、 无源光子器件
日本国家信息和通信技术研究所的Georg Rademacher等研究人员研究了梯度折射率多模光纤应用在684公里循环回路传输中的模态非线性信号失真效应。研究人员传输了24.5GBaud的16正交幅度调制（QAM）信号，并添加了扫频超过20nm的C波段干扰信道频带，并以相同功率发射所有波长或空间信道进行了实验，实验装置如图5所示。研究人员在干扰信道与被测信道间距为17 nm时传输了24.5GBaud 16QAM信号，在LP01模式下测得Q因子损失为1 dB，且导致交叉相位调制（XPM）的波长间隔与传输距离无关，仅取决于光纤的传播特性[5]。
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图5 研究多模态非线性信号失真效应的实验装置
参考文献
[1] F. Huang, J. Si, T. Chen, L. Hou and X. Hou, "Wide-Range Wavelength-Tunable Mode-Locked Fiber Laser Based on Fiber Bragg Grating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1025-1028, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3009381.
[2] YL. Tian et al., "A Silicon Spatial Light Modulator Unit With High Extinction Ratios in C Band," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1093-1096, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3012972.
[3] J. Nanni et al., "Multi-Path Propagation in On-Chip Optical Wireless Links," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 17, pp. 1101-1104, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3012877.
[4] L. Grüner-Nielsen, N. M. Mathew, M. Lillieholm, M. Galili and K. Rottwitt, "Modeling of MIMO Less Mode Division Multiplexed Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 18, pp. 1191-1194, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3016719.
[5] G. Rademacher et al., "Intermodal Nonlinear Signal Distortions in Multi-Span Transmission With Few-Mode Fibers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 18, pp. 1175-1178, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3016348.
