2020年10月PTL光通信论文评析
发布时间：2020-11-17 12:52:13 热度：1797
光纤在线特邀编辑：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10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源光子器件、光纤光栅、光开关、光纤激光器和噪声补偿方案等，笔者将逐一评析。
1、 无源光子器件
希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学的K. Fotiadis等研究人员设计了一种用于密集波分复用（DWDM）O波段工作的硅光子循环16×16阵列波导光栅路由器（AWGR）。该AWGR由输入波导、输出波导、两个自由空间传播模块(FPRs)和一个阵列波导组成，具有1.06 nm（189 GHz）的信道间隔，17.80 nm（3.16 THz）的自由光谱范围和0.65 nm（116 GHz）的3 dB信道带宽，设计原理如图1所示。研究人员实验验证了在信道峰值插损范围3.90 dB至8.37 dB内，所有阵列波导通道中AWGR能以正常频率工作。研究表明，当通道插入损耗在3.9 dB至8.37 dB之间时，所有端口信道损耗非均匀值为4.47 dB，与大多数集成式循环AWGR相比，该器件的串扰值低至21.56 dB[1]。
图1 AWGR设计原理
2、 光纤光栅
武汉理工大学的Quan Liu等研究人员设计了一种基于傅里叶域锁模（FDML）激光器的超高速光纤光栅（FBG）。该器件通过预制马赫曾德尔干涉仪（MZI）克服非线性效应，并引入单峰滤波器（SPF）用于解决波长漂移问题，原理如图2所示。研究人员设计了一种信号采集和峰值搜索方法， 实现了实时多通道查询过程。研究表明，使用MZI能让系统精度提高92％，使用SPF能让FDML激光器的输出光谱稳定。该方案可以实现40 kHz四通道同时工作，振动频率相对误差小于0.3％，解调稳定性为0.006 nm，线性度为0.9994[2]。
图2 峰值搜索原理
3、 光开关
暨南大学的Xinyue Zhang等研究人员设计了一种新型电光波导光开关。该光开关尺寸小，消光比高，开关速度快，通过X方向切割铌酸锂(LN)交换（APE）波导实现模式切换，通过改变施加到电极的电压来控制偏转过程。研究人员采用具有微结构的等腰三角形阵列电极LN波导、喇叭形输入波导和两个锥形输出波导共同组成了电光波导光开关，结构如图3所示。研究表明，该双模开关能够以40 V的开关电压在1530 nm处实现两个输出端口之间切换，消光比（ER）为17.39 dB，速度为22 ns。当电压从0 V增加到40 V时，ER会以0.43 dB/V的速率增加；在0到-40V的负电压范围内，ER以0.32 dB / V增加[3]。
图3 电光波导光开关结构
4、 光纤激光器
电子科技大学的Jian Yang等研究人员设计了使用平面直纹光栅在3.5μm波段内进行宽波长可调增益切换的掺Er3 + ZrF4光纤激光器。该光纤激光器采用了双波长泵浦(DWP)方案，包括一个976nm的连续波(CW) 发光二极管和两个国产Tm3+掺杂光纤激光器(TDFLs)。研究人员使用976nm和1981nm连续波激光器，并将1981nm脉冲激光器用作触发信号源，实验装置如图4所示。研究表明，当泵浦重复频率为50 kHz时，光纤激光器在293 nm的调谐范围内（3397.1-3690.2 nm）使用平面直纹光栅可以获得稳定增益切换脉冲。在3450.5nm波长时，光纤激光器的最大平均功率值为264.5mW，脉冲能量为5.29μJ，宽度为1.02μs[4]。
图4 光纤激光器实验装置
5、 噪声补偿方案
美国加州大学圣地亚哥分校的Huan Hu等研究人员设计了用于辅助正交频分复用（OFDM）接收机的低复杂度联合相位噪声补偿方案。该方案不依赖导频，其有效性仅取决于相位与阶次之间的线性关系。研究人员采用双梳OFDM接收机对具有60个子载波的4QAM OFDM信号进行解调，实现复杂度低，原理如图5所示。研究人员基于相位噪声特性采用两阶方案通过Viterbi-Viterbi算法估计每个通道的相位噪声，并在所有通道上进行相位估计，通过恢复符号平均误差矢量幅度（EVM）来实现与导频辅助信道相当的相位噪声补偿性能。研究表明，该方案性能优于以前的盲相位估计算法，无需导频信道即可有效地抑制高阶相位噪声，并在可变SNR水平下显示出鲁棒性[5]。
图5 噪声补偿方案
参考文献
[1] K. Fotiadis et al., "Silicon Photonic 16 × 16 Cyclic AWGR for DWDM O-Band Interconnects," in IEEE Photonics Technology Letters,
vol. 32, no. 19, pp. 1233-1236, 1 Oct.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3018410.
[2] Q. Liu, Y. Wang, Z. Li, Y. Hou, Z. Xu and X. Gui, "An Integrated Design of Ultra-High-Speed FBG Interrogation System-Based on
FDML Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 19, pp. 1245-1248, 1 Oct.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3019409.
[3] X. Zhang et al., "An Optical Switch Based on Electro-Optic Mode Deflection in Lithium Niobate Waveguide," in IEEE Photonics
Technology Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1295-1298, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3019962.
[4] J. Yang, H. Luo, F. Liu, J. Li and Y. Liu, "Widely Tunable Gain-Switched Er3⁺-Doped ZrF₄ Fiber Laser From 3.4 to 3.7 μm," in
IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1335-1338, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3022428.
[5] H. Hu and S. Radic, "Joint Phase Noise Compensation in Dual-Comb Assisted OFDM Receiver," in IEEE Photonics Technology
Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1323-1326, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3022972.
2020年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源光子器件、光纤光栅、光开关、光纤激光器和噪声补偿方案等，笔者将逐一评析。
1、 无源光子器件
希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学的K. Fotiadis等研究人员设计了一种用于密集波分复用（DWDM）O波段工作的硅光子循环16×16阵列波导光栅路由器（AWGR）。该AWGR由输入波导、输出波导、两个自由空间传播模块(FPRs)和一个阵列波导组成，具有1.06 nm（189 GHz）的信道间隔，17.80 nm（3.16 THz）的自由光谱范围和0.65 nm（116 GHz）的3 dB信道带宽，设计原理如图1所示。研究人员实验验证了在信道峰值插损范围3.90 dB至8.37 dB内，所有阵列波导通道中AWGR能以正常频率工作。研究表明，当通道插入损耗在3.9 dB至8.37 dB之间时，所有端口信道损耗非均匀值为4.47 dB，与大多数集成式循环AWGR相比，该器件的串扰值低至21.56 dB[1]。
图1 AWGR设计原理
2、 光纤光栅
武汉理工大学的Quan Liu等研究人员设计了一种基于傅里叶域锁模（FDML）激光器的超高速光纤光栅（FBG）。该器件通过预制马赫曾德尔干涉仪（MZI）克服非线性效应，并引入单峰滤波器（SPF）用于解决波长漂移问题，原理如图2所示。研究人员设计了一种信号采集和峰值搜索方法， 实现了实时多通道查询过程。研究表明，使用MZI能让系统精度提高92％，使用SPF能让FDML激光器的输出光谱稳定。该方案可以实现40 kHz四通道同时工作，振动频率相对误差小于0.3％，解调稳定性为0.006 nm，线性度为0.9994[2]。
图2 峰值搜索原理
3、 光开关
暨南大学的Xinyue Zhang等研究人员设计了一种新型电光波导光开关。该光开关尺寸小，消光比高，开关速度快，通过X方向切割铌酸锂(LN)交换（APE）波导实现模式切换，通过改变施加到电极的电压来控制偏转过程。研究人员采用具有微结构的等腰三角形阵列电极LN波导、喇叭形输入波导和两个锥形输出波导共同组成了电光波导光开关，结构如图3所示。研究表明，该双模开关能够以40 V的开关电压在1530 nm处实现两个输出端口之间切换，消光比（ER）为17.39 dB，速度为22 ns。当电压从0 V增加到40 V时，ER会以0.43 dB/V的速率增加；在0到-40V的负电压范围内，ER以0.32 dB / V增加[3]。
图3 电光波导光开关结构
4、 光纤激光器
电子科技大学的Jian Yang等研究人员设计了使用平面直纹光栅在3.5μm波段内进行宽波长可调增益切换的掺Er3 + ZrF4光纤激光器。该光纤激光器采用了双波长泵浦(DWP)方案，包括一个976nm的连续波(CW) 发光二极管和两个国产Tm3+掺杂光纤激光器(TDFLs)。研究人员使用976nm和1981nm连续波激光器，并将1981nm脉冲激光器用作触发信号源，实验装置如图4所示。研究表明，当泵浦重复频率为50 kHz时，光纤激光器在293 nm的调谐范围内（3397.1-3690.2 nm）使用平面直纹光栅可以获得稳定增益切换脉冲。在3450.5nm波长时，光纤激光器的最大平均功率值为264.5mW，脉冲能量为5.29μJ，宽度为1.02μs[4]。
图4 光纤激光器实验装置
5、 噪声补偿方案
美国加州大学圣地亚哥分校的Huan Hu等研究人员设计了用于辅助正交频分复用（OFDM）接收机的低复杂度联合相位噪声补偿方案。该方案不依赖导频，其有效性仅取决于相位与阶次之间的线性关系。研究人员采用双梳OFDM接收机对具有60个子载波的4QAM OFDM信号进行解调，实现复杂度低，原理如图5所示。研究人员基于相位噪声特性采用两阶方案通过Viterbi-Viterbi算法估计每个通道的相位噪声，并在所有通道上进行相位估计，通过恢复符号平均误差矢量幅度（EVM）来实现与导频辅助信道相当的相位噪声补偿性能。研究表明，该方案性能优于以前的盲相位估计算法，无需导频信道即可有效地抑制高阶相位噪声，并在可变SNR水平下显示出鲁棒性[5]。
图5 噪声补偿方案
参考文献
[1] K. Fotiadis et al., "Silicon Photonic 16 × 16 Cyclic AWGR for DWDM O-Band Interconnects," in IEEE Photonics Technology Letters,
vol. 32, no. 19, pp. 1233-1236, 1 Oct.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3018410.
[2] Q. Liu, Y. Wang, Z. Li, Y. Hou, Z. Xu and X. Gui, "An Integrated Design of Ultra-High-Speed FBG Interrogation System-Based on
FDML Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 19, pp. 1245-1248, 1 Oct.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3019409.
[3] X. Zhang et al., "An Optical Switch Based on Electro-Optic Mode Deflection in Lithium Niobate Waveguide," in IEEE Photonics
Technology Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1295-1298, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3019962.
[4] J. Yang, H. Luo, F. Liu, J. Li and Y. Liu, "Widely Tunable Gain-Switched Er3⁺-Doped ZrF₄ Fiber Laser From 3.4 to 3.7 μm," in
IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1335-1338, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3022428.
[5] H. Hu and S. Radic, "Joint Phase Noise Compensation in Dual-Comb Assisted OFDM Receiver," in IEEE Photonics Technology
Letters, vol. 32, no. 20, pp. 1323-1326, 15 Oct.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3022972.
