2022年6月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-07-20 13:54:43 热度：1255
7/20/2022，光纤在线讯，作者 邵宇丰，王安蓉，田青，于妮，杨骐铭，伊林芳，李冲，左仁杰，陈鹏，刘栓凡，李彦霖，袁杰，2022年6月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光载无线通信系统、单模光纤、激光器、传感器、光波导等，笔者将逐一评析。
光载无线通信系统
复旦大学的Chen Wang等研究人员设计了一种采用二维卷积（Conv2D）神经网络（NN）的时频域均衡（TFDE）方案，以抵抗光载无线通信（RoF）正交频分复用（OFDM）系统的线性和非线性损伤负面效应，如图1所示。研究人员采用复卷积对复杂信道响应进行补偿，在54.6m的无线链路和20km标准单模光纤上传输16Gbaud 16阶正交幅度调制（16QAM）信号，并详细研究了复值Conv2D NN TFDE的性能改进和模型级别。研究结果表明，该系统的传输速率可达53.5Gbit/s，与混合最小均方（LMS）TFDE相比，Conv2D NN TFDE提高了接收机灵敏度1.9dB[1]。在太赫兹（THz）频段，RoF-OFDM系统在面向高容量和高灵活性需求方面有很好的发展前景。
图1 采用Conv2D NN的混合TFDE方案
单模光纤
西北工业大学的Chi Liu等研究人员采用低强度飞秒激光和相位掩模技术，将具有强包层模的高域光纤布拉格光栅（HLFBGs）嵌入到氢负载单模光纤（SMF）中，如图2所示。他们研究了包层模谐振对高局域化RI分布的依赖性；研究结果表明：更高的局域化导致了更强的包层模谐振，即使SMF经过加氢处理，HLFBGs仍可承受高达800℃的高温，并能够实现1.3330~1.4583大范围的RI响应，灵敏度为527.43nm/RIU[2]；HLFBGs易于制造且具有良好的高温稳定性，适合在恶劣环境中进行化学检测和多参数检验。
图2 HLFBGs的显微图
激光器
中国科学院理化技术研究所的Qi Bian等研究人员设计了一种1338nm波长的高功率声光调Q Nd∶YAG激光器，该激光器采用两个脉冲激光模块和两个调Q调制器的对称线性腔来产生能量更高的脉冲，如图3所示。他们通过使用8mm厚的双折射滤波器在1319nm增加腔内损耗，实现了1338nm单波长运转，光谱宽度为0.31nm。研究结果表明：在390W泵浦功率下，调Q激光器平均输出功率为28.7W，转换效率为7.4%，脉冲宽度为124ns，重复频率为400Hz，对应的峰值功率为0.58MW[3]。由此可见，该激光器能够广泛应用于激光治疗和非线性频率转换等领域。
图3 1338nm调Q Nd∶YAG激光器
华南理工大学Linhuan Huang等研究人员设计了一种高精度1.5μm可调谐单频光纤激光器（T-SFFL），其单纵模（SLM）特性采用自注入锁定技术和短线腔啁啾光纤布拉格光栅、高反射啁啾光纤布拉格光栅（HR-CFBG）、保偏低反射啁啾光纤布拉格光栅（PM-LR-CFBG）和6cm长的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤（EYPF）（小信号增益系数和传播损耗分别为5.2dB/cm和0.04dB/cm）实现，如图4所示。研究人员在自注入回路中通过拉伸均匀光纤布拉格光栅（UFBG）（中心波长、反射率和3dB带宽分别为1550.2nm、97%和0.13nm）实现：调谐范围为1550.28~1560.40nm、调谐精度小于54pm、输出功率和光信噪比（OSNR）约为5mW和71dB[4]。研究结果表明，该激光器在0.4~7.5MHz的宽频段内激光线宽、相对强度噪声（RIN）和功率稳定性均小于630Hz、-149dB/Hz和1.4%。因此，该器件可以工作在稳定单纵模输出状态，有望成为未来光通信系统和多普勒激光雷达中的高功率光纤激光种子源。
图4 1.5 μ m T – SFFL实验装置
传感器
武汉工业学院的Panting Niu等研究人员设计了一种法布里-珀罗（FP）干涉型光纤微腔水压和温度传感器（外部加强件采用金属套、紧固方式为螺丝扣、接头的对接方式为平面FC/FC型光纤连接器和铝箔组成），如图5所示。研究人员利用干涉谱中的两个倾角分析FP传感器对水压和温度的响应，采用灵敏度系数矩阵法实现水压和温度的双参量同步测量[5]。研究结果表明：在0~9.9kPa范围内，水压传感的最大灵敏度为-2.948nm/kPa；在33~45℃范围内，温度传感的最大灵敏度为1.119nm/℃。综上所述，该传感器具有结构紧凑、稳定可靠、易于制备、成本低、体积小、精度及灵敏度高等优点，将在实际工业应用中多点水压和高温测量领域提供相关技术支持。
图5 水压和温度传感器实验装置
光波导
上海大学Wei Wei等研究人员采用光刻工艺中预曝光和紫外光刻技术设计了一种全氟丙烯酸酯聚合物的类高斯反脊型光波导，具有相对光滑的侧壁和多模特性，如图6所示。研究人员通过将下包层放置在充满氮气的弱紫外光固化设备（λ=365nm）中进行预曝光，以便在其上表面形成固化高粘度薄层，用于减少紫外光刻时氧抑制对聚合反应的影响；同时，他们对采用含不同紫外光刻能量和线宽的光掩模制备波导的光学性质进行了研究[6]。研究结果表明，当芯距为250μm、波长为1310nm和1550nm时的传输损耗和归一化接收功率分别小于0.25dB/cm、0.45dB/cm、-40dB和-49dB。因此，该器件具有低损耗、制备简单和高灵敏度等特性，在光互连通信领域具有潜在的应用价值。
图6 类高斯反脊型光波导的测试装置
参考文献
Wang C, Wang K, Tan Y, et al. High-Speed Terahertz Band Radio-Over-Fiber System Using Hybrid Time-Frequency Domain Equalization[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(11): 559-562.
Liu C, Jiang Y, Yang H, et al. Highly localized fiber Bragg gratings with strong cladding mode inscribed by femtosecond laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022.
Bian Q, Bo Y, Zuo J W, et al. 1338-nm Single Wavelength Operation of Acousto-Optic Q-Switched Nd: YAG Laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(11): 567-570.
L. Huang et al., "High-Precision Tunable Single-Frequency Fiber Laser at 1.5 μm Based on Self-Injection Locking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 633-636, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3090947.
P. Niu, S. Wang, S. Zhang and R. -B. Jin, "Simultaneous Measurement of Water Pressure and Temperature Based on a Simple Fabry-Pérot Sensor," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 629-632, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3177221.
W. Wei, X. Lu, F. Pang, H. Wei, L. Zhang and T. Wang, "Fabrication and Characterization of Low-Loss Gaussian-Like Reversed Ridge Optical Waveguides," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 649-652, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3179657.
光载无线通信系统
复旦大学的Chen Wang等研究人员设计了一种采用二维卷积（Conv2D）神经网络（NN）的时频域均衡（TFDE）方案，以抵抗光载无线通信（RoF）正交频分复用（OFDM）系统的线性和非线性损伤负面效应，如图1所示。研究人员采用复卷积对复杂信道响应进行补偿，在54.6m的无线链路和20km标准单模光纤上传输16Gbaud 16阶正交幅度调制（16QAM）信号，并详细研究了复值Conv2D NN TFDE的性能改进和模型级别。研究结果表明，该系统的传输速率可达53.5Gbit/s，与混合最小均方（LMS）TFDE相比，Conv2D NN TFDE提高了接收机灵敏度1.9dB[1]。在太赫兹（THz）频段，RoF-OFDM系统在面向高容量和高灵活性需求方面有很好的发展前景。
图1 采用Conv2D NN的混合TFDE方案
单模光纤
西北工业大学的Chi Liu等研究人员采用低强度飞秒激光和相位掩模技术，将具有强包层模的高域光纤布拉格光栅（HLFBGs）嵌入到氢负载单模光纤（SMF）中，如图2所示。他们研究了包层模谐振对高局域化RI分布的依赖性；研究结果表明：更高的局域化导致了更强的包层模谐振，即使SMF经过加氢处理，HLFBGs仍可承受高达800℃的高温，并能够实现1.3330~1.4583大范围的RI响应，灵敏度为527.43nm/RIU[2]；HLFBGs易于制造且具有良好的高温稳定性，适合在恶劣环境中进行化学检测和多参数检验。
图2 HLFBGs的显微图
激光器
中国科学院理化技术研究所的Qi Bian等研究人员设计了一种1338nm波长的高功率声光调Q Nd∶YAG激光器，该激光器采用两个脉冲激光模块和两个调Q调制器的对称线性腔来产生能量更高的脉冲，如图3所示。他们通过使用8mm厚的双折射滤波器在1319nm增加腔内损耗，实现了1338nm单波长运转，光谱宽度为0.31nm。研究结果表明：在390W泵浦功率下，调Q激光器平均输出功率为28.7W，转换效率为7.4%，脉冲宽度为124ns，重复频率为400Hz，对应的峰值功率为0.58MW[3]。由此可见，该激光器能够广泛应用于激光治疗和非线性频率转换等领域。
图3 1338nm调Q Nd∶YAG激光器
华南理工大学Linhuan Huang等研究人员设计了一种高精度1.5μm可调谐单频光纤激光器（T-SFFL），其单纵模（SLM）特性采用自注入锁定技术和短线腔啁啾光纤布拉格光栅、高反射啁啾光纤布拉格光栅（HR-CFBG）、保偏低反射啁啾光纤布拉格光栅（PM-LR-CFBG）和6cm长的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤（EYPF）（小信号增益系数和传播损耗分别为5.2dB/cm和0.04dB/cm）实现，如图4所示。研究人员在自注入回路中通过拉伸均匀光纤布拉格光栅（UFBG）（中心波长、反射率和3dB带宽分别为1550.2nm、97%和0.13nm）实现：调谐范围为1550.28~1560.40nm、调谐精度小于54pm、输出功率和光信噪比（OSNR）约为5mW和71dB[4]。研究结果表明，该激光器在0.4~7.5MHz的宽频段内激光线宽、相对强度噪声（RIN）和功率稳定性均小于630Hz、-149dB/Hz和1.4%。因此，该器件可以工作在稳定单纵模输出状态，有望成为未来光通信系统和多普勒激光雷达中的高功率光纤激光种子源。
图4 1.5 μ m T – SFFL实验装置
传感器
武汉工业学院的Panting Niu等研究人员设计了一种法布里-珀罗（FP）干涉型光纤微腔水压和温度传感器（外部加强件采用金属套、紧固方式为螺丝扣、接头的对接方式为平面FC/FC型光纤连接器和铝箔组成），如图5所示。研究人员利用干涉谱中的两个倾角分析FP传感器对水压和温度的响应，采用灵敏度系数矩阵法实现水压和温度的双参量同步测量[5]。研究结果表明：在0~9.9kPa范围内，水压传感的最大灵敏度为-2.948nm/kPa；在33~45℃范围内，温度传感的最大灵敏度为1.119nm/℃。综上所述，该传感器具有结构紧凑、稳定可靠、易于制备、成本低、体积小、精度及灵敏度高等优点，将在实际工业应用中多点水压和高温测量领域提供相关技术支持。
图5 水压和温度传感器实验装置
光波导
上海大学Wei Wei等研究人员采用光刻工艺中预曝光和紫外光刻技术设计了一种全氟丙烯酸酯聚合物的类高斯反脊型光波导，具有相对光滑的侧壁和多模特性，如图6所示。研究人员通过将下包层放置在充满氮气的弱紫外光固化设备（λ=365nm）中进行预曝光，以便在其上表面形成固化高粘度薄层，用于减少紫外光刻时氧抑制对聚合反应的影响；同时，他们对采用含不同紫外光刻能量和线宽的光掩模制备波导的光学性质进行了研究[6]。研究结果表明，当芯距为250μm、波长为1310nm和1550nm时的传输损耗和归一化接收功率分别小于0.25dB/cm、0.45dB/cm、-40dB和-49dB。因此，该器件具有低损耗、制备简单和高灵敏度等特性，在光互连通信领域具有潜在的应用价值。
图6 类高斯反脊型光波导的测试装置
参考文献
Wang C, Wang K, Tan Y, et al. High-Speed Terahertz Band Radio-Over-Fiber System Using Hybrid Time-Frequency Domain Equalization[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(11): 559-562.
Liu C, Jiang Y, Yang H, et al. Highly localized fiber Bragg gratings with strong cladding mode inscribed by femtosecond laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022.
Bian Q, Bo Y, Zuo J W, et al. 1338-nm Single Wavelength Operation of Acousto-Optic Q-Switched Nd: YAG Laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(11): 567-570.
L. Huang et al., "High-Precision Tunable Single-Frequency Fiber Laser at 1.5 μm Based on Self-Injection Locking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 633-636, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3090947.
P. Niu, S. Wang, S. Zhang and R. -B. Jin, "Simultaneous Measurement of Water Pressure and Temperature Based on a Simple Fabry-Pérot Sensor," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 629-632, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3177221.
W. Wei, X. Lu, F. Pang, H. Wei, L. Zhang and T. Wang, "Fabrication and Characterization of Low-Loss Gaussian-Like Reversed Ridge Optical Waveguides," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 12, pp. 649-652, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3179657.
