2022年5月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-06-13 10:43:01 热度：1384
6/13/2022，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，于妮，田青，伊林芳，杨骐铭，袁杰，李冲，左仁杰，陈鹏，刘栓凡，李彦霖。
2022年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤布拉格光栅、调制器、量子密钥分发系统、室内无线光通信、光纤无线系统、调制器等，笔者将逐一评析。
1、光纤布拉格光栅
日本北里大学Keil Kuroda研究人员设计了一种采用光纤布拉格光栅（FBG）的波分复用（WDM）装置，集成了函数发生器（FG）、激光二极管（LD）、半导体光放大器（SOA）、分布式反馈（DFB）激光阵列和FBG等器件；采用具有直接调制特性的DFB激光阵列实现了多波长频率扫描和脉冲光源的生成；并应用外差探测技术提高了系统信噪比（S/N），如图1所示。研究人员采用三个峰值波长值分别为1531.0 ± 0.1 nm、1540.5 ± 0.1 nm和1550.1 ± 0.1 nm的FBG，通过100ns脉冲对光纤光栅（反射率为1%）灵敏度进行了实验研究[1]。研究结果表明，该装置在间隔约1.5 m的三个FBG中测量到S/N约为20dB的反射光谱。由于该装置采用的DFB激光阵列支持发射11个间隔为3nm 的光波，因此在构建多通道脉冲发生器、无源时分复用（TDM）和WDM混合系统、FBG密集传感及大规模监测系统等领域具有潜在的应用价值。
2、调制器
加拿大不列颠哥伦比亚大学的Alexander C. MacGillivray等研究人员设计了一种支持自由空间光（FSO）通信链路连接的半球形反向调制器（包含用于反射的高折射率玻璃（S-LAH79）半球、实施电吸收调制的半绝缘磷化铟（SI-InP）层），如图2所示。研究人员采用Franz-Keldysh效应（场致变化）和爱因斯坦模型（带边特性）来解释电吸收效应过程[6]。研究结果表明，采用600米厚度SI-InP层设计的半球形反射调制器性能最优，且在34%的调制深度下产生了较强的反射效果。该模型可用于SI-InP层的优化，提高无源FSO通信链路的性能，能够为未来实现无线光通信系统的真正商用提供参考思路。
华中科技大学Hongjun Cai等研究人员设计了一种工作在C和O波段的侧向交趾型PN结硅基调制器。研究人员将PN结嵌入长为220nm的硅波导中，在厚度2的埋氧层上形成微环调制器（3dB带宽为42GHz、电阻电容（RC）带宽为174GHz）；并通过调节电光相互作用区域，提升调制效率和降低功耗，如图3所示。研究人员对50Gb/s的非归零（NRZ）信号和100 Gb/s四进制脉冲幅度调制（PAM4）信号的眼图进行了测量分析[2]。研究结果表明，在C波段光放大器噪声较低时测得的眼图质量优于O波段，且调制功耗与驱动电压峰值Vpp的平方成正比（低Vpp可显著降低调制功耗和提升调制效率）。当Vpp = 2.5 V时，100 Gb/s PAM4信号调制功耗为14fj/bit，且传输后的眼图清晰，张开度较好。毫无疑问，该调制器具有带宽大、调制效率高，易于制作等优点，为未来新型高速电光调制器制备提供了一种可用新选择。
3、量子密钥分发系统
中国科学院Jin You等研究人员设计了一种采用二氧化硅光子集成电路（PLC）的量子密钥分发（QAD）系统，主要由可变光分路器（VOS）、非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）和定向耦合器（DC）组成，如图4所示。研究人员在40℃~ 85℃、55~65℃范围内分别以1℃和0.1℃为步长（偏振度（DOP）稳定在96%）研究光子数随温度变化而改变的特性，并采用自干扰技术在每个温度点（以0.1和0.5V的步长）调节相位调制器（TOPM）的端口电压以控制输出脉冲对间的相位差。此外，研究人员在40℃~85℃内，采用线性偏振模（LP）实现了高干扰能见度（在55~65℃和75~85℃范围内分别引入了具有同相位（）的横电模/横磁模（TE/TM））[3]。研究结果表明，在55~65℃温度范围内，光子数和温度的包络线表征出了最高消光比；且在61.4℃时，干扰能见度可达到最高值96.7 %；该系统在外界温度剧烈变化的情况下干扰能见度和温度在6小时内保持稳定。因此，该系统具有集成度高、低损耗、高鲁棒性和低成本等特点，有望在未来建立高速自主电信网时提供技术支持。
4、室内无线光通信
澳大利亚皇家墨尔本理工大学Ke Wang等研究人员设计了一种支持波束控制的室内光无线通信（OWC）系统，如图5所示，实现了大规模OWC接入间接远程供电方案；即无需光束转向，就可将光泵转换的能量存储在接入点，支持更大范围的波束控制[4]。研究结果表明，远程供电对信号波束的影响可以忽略不计。该系统因为不需本地电源远程供电，且具有低功耗、可无源接入和低成本的应用优点，在实现高速率和宽覆盖方面具有广泛应用前景。
5、光纤无线系统
爱尔兰都柏林城市大学的Prajwal D. Lakshmijayasimha等研究人员采用双级有源解复用器和光频梳（OFC）设计了一种容忍线宽变化的毫米波（mmW）生成方案，如图6所示。研究人员分析了光程差和线宽对毫米波信号纯度的影响，验证了该方案对光线宽的容忍范围；同时研究了工作在37.5GHz频段的光纤模拟无线电（A-RoF）分发系统的性能[5]。研究结果表明：当OFC线宽为30kHz和3.1MHz时，64QAM DMT信号经25公里光纤传输后均实现了低于硬判决前向纠错（HD-FEC）限值的误码率；随着OFC线宽增加并没有发现明显性能劣化，系统线宽容差范围明显提升。综上所述，该方案能降低系统成本、复杂性、和能源消耗，将为未来光载毫米波信号无线接入系统提供新型部署方式。
参考文献
[1]K. Kuroda, "Wavelength-Division Multiplexed Interrogation of FBGs Using a Distributed-Feedback Laser Array," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 509-512, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3168853.
[2]H. Cai, S. Fu, Y. Yu and X. Zhang, "Lateral-Zigzag PN Junction Enabled High-Efficiency Silicon Micro-Ring Modulator Working at 100Gb/s," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 525-528, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3170554.
[3]J. You et al., "Practical Quantum Key Distribution Module Based on Planar Lightwave Circuit," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 529-532, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3170925.
[4]Wang K. Remote-Powered Infrared Indoor Optical Wireless Communication Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 455-458.
[5]Lakshmijayasimha P D, Kaszubowska-Anandarajah A, Martin E P, et al. Optical linewidth tolerant mmW generation employing a dual-stage active demultiplexer[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 451-454.
[6]MacGillivray A C, Gorgani S, Hristovski I R, et al. A Novel Hemispherical Retro-Modulator for Free-Space Optical Communication Links[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 494-497.
2022年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤布拉格光栅、调制器、量子密钥分发系统、室内无线光通信、光纤无线系统、调制器等，笔者将逐一评析。
1、光纤布拉格光栅
日本北里大学Keil Kuroda研究人员设计了一种采用光纤布拉格光栅（FBG）的波分复用（WDM）装置，集成了函数发生器（FG）、激光二极管（LD）、半导体光放大器（SOA）、分布式反馈（DFB）激光阵列和FBG等器件；采用具有直接调制特性的DFB激光阵列实现了多波长频率扫描和脉冲光源的生成；并应用外差探测技术提高了系统信噪比（S/N），如图1所示。研究人员采用三个峰值波长值分别为1531.0 ± 0.1 nm、1540.5 ± 0.1 nm和1550.1 ± 0.1 nm的FBG，通过100ns脉冲对光纤光栅（反射率为1%）灵敏度进行了实验研究[1]。研究结果表明，该装置在间隔约1.5 m的三个FBG中测量到S/N约为20dB的反射光谱。由于该装置采用的DFB激光阵列支持发射11个间隔为3nm 的光波，因此在构建多通道脉冲发生器、无源时分复用（TDM）和WDM混合系统、FBG密集传感及大规模监测系统等领域具有潜在的应用价值。
2、调制器
加拿大不列颠哥伦比亚大学的Alexander C. MacGillivray等研究人员设计了一种支持自由空间光（FSO）通信链路连接的半球形反向调制器（包含用于反射的高折射率玻璃（S-LAH79）半球、实施电吸收调制的半绝缘磷化铟（SI-InP）层），如图2所示。研究人员采用Franz-Keldysh效应（场致变化）和爱因斯坦模型（带边特性）来解释电吸收效应过程[6]。研究结果表明，采用600米厚度SI-InP层设计的半球形反射调制器性能最优，且在34%的调制深度下产生了较强的反射效果。该模型可用于SI-InP层的优化，提高无源FSO通信链路的性能，能够为未来实现无线光通信系统的真正商用提供参考思路。
华中科技大学Hongjun Cai等研究人员设计了一种工作在C和O波段的侧向交趾型PN结硅基调制器。研究人员将PN结嵌入长为220nm的硅波导中，在厚度2的埋氧层上形成微环调制器（3dB带宽为42GHz、电阻电容（RC）带宽为174GHz）；并通过调节电光相互作用区域，提升调制效率和降低功耗，如图3所示。研究人员对50Gb/s的非归零（NRZ）信号和100 Gb/s四进制脉冲幅度调制（PAM4）信号的眼图进行了测量分析[2]。研究结果表明，在C波段光放大器噪声较低时测得的眼图质量优于O波段，且调制功耗与驱动电压峰值Vpp的平方成正比（低Vpp可显著降低调制功耗和提升调制效率）。当Vpp = 2.5 V时，100 Gb/s PAM4信号调制功耗为14fj/bit，且传输后的眼图清晰，张开度较好。毫无疑问，该调制器具有带宽大、调制效率高，易于制作等优点，为未来新型高速电光调制器制备提供了一种可用新选择。
3、量子密钥分发系统
中国科学院Jin You等研究人员设计了一种采用二氧化硅光子集成电路（PLC）的量子密钥分发（QAD）系统，主要由可变光分路器（VOS）、非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）和定向耦合器（DC）组成，如图4所示。研究人员在40℃~ 85℃、55~65℃范围内分别以1℃和0.1℃为步长（偏振度（DOP）稳定在96%）研究光子数随温度变化而改变的特性，并采用自干扰技术在每个温度点（以0.1和0.5V的步长）调节相位调制器（TOPM）的端口电压以控制输出脉冲对间的相位差。此外，研究人员在40℃~85℃内，采用线性偏振模（LP）实现了高干扰能见度（在55~65℃和75~85℃范围内分别引入了具有同相位（）的横电模/横磁模（TE/TM））[3]。研究结果表明，在55~65℃温度范围内，光子数和温度的包络线表征出了最高消光比；且在61.4℃时，干扰能见度可达到最高值96.7 %；该系统在外界温度剧烈变化的情况下干扰能见度和温度在6小时内保持稳定。因此，该系统具有集成度高、低损耗、高鲁棒性和低成本等特点，有望在未来建立高速自主电信网时提供技术支持。
4、室内无线光通信
澳大利亚皇家墨尔本理工大学Ke Wang等研究人员设计了一种支持波束控制的室内光无线通信（OWC）系统，如图5所示，实现了大规模OWC接入间接远程供电方案；即无需光束转向，就可将光泵转换的能量存储在接入点，支持更大范围的波束控制[4]。研究结果表明，远程供电对信号波束的影响可以忽略不计。该系统因为不需本地电源远程供电，且具有低功耗、可无源接入和低成本的应用优点，在实现高速率和宽覆盖方面具有广泛应用前景。
5、光纤无线系统
爱尔兰都柏林城市大学的Prajwal D. Lakshmijayasimha等研究人员采用双级有源解复用器和光频梳（OFC）设计了一种容忍线宽变化的毫米波（mmW）生成方案，如图6所示。研究人员分析了光程差和线宽对毫米波信号纯度的影响，验证了该方案对光线宽的容忍范围；同时研究了工作在37.5GHz频段的光纤模拟无线电（A-RoF）分发系统的性能[5]。研究结果表明：当OFC线宽为30kHz和3.1MHz时，64QAM DMT信号经25公里光纤传输后均实现了低于硬判决前向纠错（HD-FEC）限值的误码率；随着OFC线宽增加并没有发现明显性能劣化，系统线宽容差范围明显提升。综上所述，该方案能降低系统成本、复杂性、和能源消耗，将为未来光载毫米波信号无线接入系统提供新型部署方式。
参考文献
[1]K. Kuroda, "Wavelength-Division Multiplexed Interrogation of FBGs Using a Distributed-Feedback Laser Array," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 509-512, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3168853.
[2]H. Cai, S. Fu, Y. Yu and X. Zhang, "Lateral-Zigzag PN Junction Enabled High-Efficiency Silicon Micro-Ring Modulator Working at 100Gb/s," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 525-528, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3170554.
[3]J. You et al., "Practical Quantum Key Distribution Module Based on Planar Lightwave Circuit," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 10, pp. 529-532, 15 May15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3170925.
[4]Wang K. Remote-Powered Infrared Indoor Optical Wireless Communication Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 455-458.
[5]Lakshmijayasimha P D, Kaszubowska-Anandarajah A, Martin E P, et al. Optical linewidth tolerant mmW generation employing a dual-stage active demultiplexer[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 451-454.
[6]MacGillivray A C, Gorgani S, Hristovski I R, et al. A Novel Hemispherical Retro-Modulator for Free-Space Optical Communication Links[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(9): 494-497.
