2021年5月PTL光通信论文评析
发布时间：2021-08-09 12:05:12 热度：1515
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，杨骐铭，于妮
8/09/2021，光纤在线讯，2021年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：直接检测传输系统、光子辅助微波信号生成技术、光纤激光器、双模开关和功率分配器等，笔者将逐一评析。
1、直接检测系统
澳大利亚墨尔本大学的Zhaopeng Xu等研究人员设计了一种用于处理短距离直接检测（DD）光链路中线性和非线性损伤的新型数字信号处理（DSP）方案；该方案由级联前馈神经网络（FNN）/级联循环神经网络（RNN）的均衡器、前馈均衡器（FFE）和传统非级联FNN/RNN均衡器组合而成。研究人员采用50 Gb/s 4电平脉冲幅度调制（PAM4）信号直接调制激光器（DML）并进行了实验研究，比较了采用的不同DSP 算法后的误码率（BER）性能，实验装置如图1所示。结果表明，与传统非级联 FNN/RNN方案相比，应用级联FNN/RNN和FNN/RNN-FFE方案都有助于降低误码率，并且级联FNN/RNN的方案效果最优（接收器灵敏度提高了约1 dB[1]）。
图1 50 Gb/s PAM4 DML光传输实验装置
2、光子辅助微波信号生成技术
中国科学院半导体研究所的Yana Li等研究人员设计了一种采用相位编码的光子辅助微波信号生成方案。该方案基于傅立叶域锁模（FDML）光电振荡器（OEO）的两个级联相位调制器（PM）生了成二进制相位编码微波信号，第一个PM依据电编码信号调制光载波的相位，第二个PM级联相移光纤布拉格光栅实现相位调制到强度调制的转换，原理如图2所示。当电编码信号的周期或其倍数与OEO的往返工作时间相匹配时，能产生基于相位编码的微波信号。研究人员对该系统进行了理论分析和实验验证，生成了比特率为420Mb/s且中心频率为9.3GHz、比特率为2Gb/s且中心频率为12.7GHz的两类相位编码微波信号[2]。
[center][b]
图2 光子辅助微波信号生成的系统
3、光纤激光器
四川大学的Liqiang Zhou等研究人员采用Ti3C2Tx MXene作为可饱和吸收体 （SA）在3μm波段设计了一种高重复频率波长可调的被动调Q氟化物光纤激光器。其中，Ti3C2Tx MXene由选择性蚀刻Ti3AlC2中的铝层合成，并通过在镜片上浸涂纳米片来制备Ti3C2Tx SA。研究人员通过将Ti3C2Tx SA引入掺Ho3+/Pr3+氟化物的光纤中，实现了连续调谐范围为30.8nm（2868.4 nm-2899.2 nm）的稳定调Q脉冲，装置如图3所示。研究表明，该激光器重复频率高达215.3kHz，脉冲宽度为1.27 μs，在2879.0 nm波长下输出功率为142mW；在2866nm处，Ti3C2Tx SA的调制深度为43.10%，非饱和损耗为25.16%，饱和通量为0.50mJ/cm2；Ti3C2Tx SA作为一种出色的中红外脉冲光调制器具有巨大的应用潜力[3]。
图3 稳定调Q脉冲实验装置
4、双模开关
上海交通大学的Weihong Shen等研究人员采用三波导耦合器和两个热移相器设计了一种双模开关。该开关由双模波导Y结和两个三波导耦合器（TWC0和 TWC1）构成，双模波导Y结将TE0/TE1模式分离为两个强度相等的单模部分，TWC由三个间距相等的平行波导构成，结构原理如图4所示。研究人员建立了一个2μm的高速传输系统，使用两个热光移相器来切换工作模式，在1960nm处改善了36.9dB的非期望模式串扰，实现了2×60Gbps信号的高速传输。研究表明，该双模开关响应时间匹配信号上升沿和下降沿时间分别为9.2μs和13.2μs，在1960nm处插入损耗小于2.6dB，模间串扰小于20dB，工作宽带超过了100nm[4]。
图4 双模开关结构原理
5、功率分配器
浙江大学的Shi Zhao等研究人员设计了一种实现任意功率分配比可调的1×2功率分配器（PS）。该分配器由两个耦合部分和一个梯形结构组成，可以在大于80nm的带宽上获得任意功率分配比，结构原理如图5所示。研究人员采用三维时域有限差分法（3D-FDTD）对该器件进行了仿真和优化，通过在两个内侧壁中使用亚波长纳米齿（SNT）和在一个外侧壁中间使用梯形结构，实现了紧凑面积和大带宽应用。研究表明，该功率分配器具分光比稳定性较好，在50:50到100:0范围内可以获得任意所需功率分配比，并且在1500 nm到1620 nm的带宽内，其过量损耗（EL）值小于0.13dB[5]。
图5 新型功率分配器的结构原理
参考文献
[1] Z. Xu, C. Sun, J. H. Manton and W. Shieh, "Joint Equalization of Linear and Nonlinear Impairments for PAM4 Short-Reach Direct
Detection Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 9, pp. 425-428, 1 May1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3067666.
[2] Y. Li et al., "Photonic Generation of Phase-Coded Microwave Signals Based on Fourier Domain Mode Locking," in IEEE
Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 9, pp. 433-436, 1 May1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3068013.
[3] L. Zhou et al., "Ti3C2Tx Nanosheets for High-Repetition-Rate Wideband-Tunable Q-Switched Fiber Laser Around 3 μm," in
IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 515-518, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3072651.
[4] W. Shen, J. Du, K. Xu and Z. He, "On-Chip Selective Dual-Mode Switch for 2-μm Wavelength High-Speed Optical Interconnection,"
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 483-486, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3069450.
[5] S. Zhao, W. Liu, J. Chen, Z. Ding and Y. Shi, "Broadband Arbitrary Ratio Power Splitters Based on Directional Couplers With
Subwavelength Structure," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 479-482, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3070464.
8/09/2021，光纤在线讯，2021年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：直接检测传输系统、光子辅助微波信号生成技术、光纤激光器、双模开关和功率分配器等，笔者将逐一评析。
1、直接检测系统
澳大利亚墨尔本大学的Zhaopeng Xu等研究人员设计了一种用于处理短距离直接检测（DD）光链路中线性和非线性损伤的新型数字信号处理（DSP）方案；该方案由级联前馈神经网络（FNN）/级联循环神经网络（RNN）的均衡器、前馈均衡器（FFE）和传统非级联FNN/RNN均衡器组合而成。研究人员采用50 Gb/s 4电平脉冲幅度调制（PAM4）信号直接调制激光器（DML）并进行了实验研究，比较了采用的不同DSP 算法后的误码率（BER）性能，实验装置如图1所示。结果表明，与传统非级联 FNN/RNN方案相比，应用级联FNN/RNN和FNN/RNN-FFE方案都有助于降低误码率，并且级联FNN/RNN的方案效果最优（接收器灵敏度提高了约1 dB[1]）。
图1 50 Gb/s PAM4 DML光传输实验装置
2、光子辅助微波信号生成技术
中国科学院半导体研究所的Yana Li等研究人员设计了一种采用相位编码的光子辅助微波信号生成方案。该方案基于傅立叶域锁模（FDML）光电振荡器（OEO）的两个级联相位调制器（PM）生了成二进制相位编码微波信号，第一个PM依据电编码信号调制光载波的相位，第二个PM级联相移光纤布拉格光栅实现相位调制到强度调制的转换，原理如图2所示。当电编码信号的周期或其倍数与OEO的往返工作时间相匹配时，能产生基于相位编码的微波信号。研究人员对该系统进行了理论分析和实验验证，生成了比特率为420Mb/s且中心频率为9.3GHz、比特率为2Gb/s且中心频率为12.7GHz的两类相位编码微波信号[2]。
[center][b]
图2 光子辅助微波信号生成的系统
3、光纤激光器
四川大学的Liqiang Zhou等研究人员采用Ti3C2Tx MXene作为可饱和吸收体 （SA）在3μm波段设计了一种高重复频率波长可调的被动调Q氟化物光纤激光器。其中，Ti3C2Tx MXene由选择性蚀刻Ti3AlC2中的铝层合成，并通过在镜片上浸涂纳米片来制备Ti3C2Tx SA。研究人员通过将Ti3C2Tx SA引入掺Ho3+/Pr3+氟化物的光纤中，实现了连续调谐范围为30.8nm（2868.4 nm-2899.2 nm）的稳定调Q脉冲，装置如图3所示。研究表明，该激光器重复频率高达215.3kHz，脉冲宽度为1.27 μs，在2879.0 nm波长下输出功率为142mW；在2866nm处，Ti3C2Tx SA的调制深度为43.10%，非饱和损耗为25.16%，饱和通量为0.50mJ/cm2；Ti3C2Tx SA作为一种出色的中红外脉冲光调制器具有巨大的应用潜力[3]。
图3 稳定调Q脉冲实验装置
4、双模开关
上海交通大学的Weihong Shen等研究人员采用三波导耦合器和两个热移相器设计了一种双模开关。该开关由双模波导Y结和两个三波导耦合器（TWC0和 TWC1）构成，双模波导Y结将TE0/TE1模式分离为两个强度相等的单模部分，TWC由三个间距相等的平行波导构成，结构原理如图4所示。研究人员建立了一个2μm的高速传输系统，使用两个热光移相器来切换工作模式，在1960nm处改善了36.9dB的非期望模式串扰，实现了2×60Gbps信号的高速传输。研究表明，该双模开关响应时间匹配信号上升沿和下降沿时间分别为9.2μs和13.2μs，在1960nm处插入损耗小于2.6dB，模间串扰小于20dB，工作宽带超过了100nm[4]。
图4 双模开关结构原理
5、功率分配器
浙江大学的Shi Zhao等研究人员设计了一种实现任意功率分配比可调的1×2功率分配器（PS）。该分配器由两个耦合部分和一个梯形结构组成，可以在大于80nm的带宽上获得任意功率分配比，结构原理如图5所示。研究人员采用三维时域有限差分法（3D-FDTD）对该器件进行了仿真和优化，通过在两个内侧壁中使用亚波长纳米齿（SNT）和在一个外侧壁中间使用梯形结构，实现了紧凑面积和大带宽应用。研究表明，该功率分配器具分光比稳定性较好，在50:50到100:0范围内可以获得任意所需功率分配比，并且在1500 nm到1620 nm的带宽内，其过量损耗（EL）值小于0.13dB[5]。
图5 新型功率分配器的结构原理
参考文献
[1] Z. Xu, C. Sun, J. H. Manton and W. Shieh, "Joint Equalization of Linear and Nonlinear Impairments for PAM4 Short-Reach Direct
Detection Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 9, pp. 425-428, 1 May1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3067666.
[2] Y. Li et al., "Photonic Generation of Phase-Coded Microwave Signals Based on Fourier Domain Mode Locking," in IEEE
Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 9, pp. 433-436, 1 May1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3068013.
[3] L. Zhou et al., "Ti3C2Tx Nanosheets for High-Repetition-Rate Wideband-Tunable Q-Switched Fiber Laser Around 3 μm," in
IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 515-518, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3072651.
[4] W. Shen, J. Du, K. Xu and Z. He, "On-Chip Selective Dual-Mode Switch for 2-μm Wavelength High-Speed Optical Interconnection,"
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 483-486, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3069450.
[5] S. Zhao, W. Liu, J. Chen, Z. Ding and Y. Shi, "Broadband Arbitrary Ratio Power Splitters Based on Directional Couplers With
Subwavelength Structure," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 10, pp. 479-482, 15 May15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3070464.
