2022年7月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-08-31 15:41:47 热度：1331
8/31/2022，光纤在线讯，光线在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，于妮，田青，伊林芳，杨骐铭，左仁杰，陈鹏，刘栓凡，李彦霖，袁杰，李冲。
2022年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光学传感器、频谱分析系统、激光器、光载无线通信、水下无线光通信等，笔者将逐一评析。
1、光学传感器
武汉理工大学Jiadong Hou等研究人员设计了一种采用聚酰亚胺（PI）掺杂石墨烯量子点（GQDs）的新型光纤布拉格光栅（FBG）湿度传感器，如图1所示。研究人员研究了该器件的灵敏度、线性度和稳定性等关键指标；同时分析了GQDs掺杂量对传感器性能的影响[1]。研究结果表明，在25℃、相对湿度（RH）为10~90%、掺杂0、0.1、0.2和0.3wt.%GQDs时传感器具有良好的线性度，灵敏度分别为1.65、2.68、3.24、3.26pm/%；当GQDs的掺杂量为0.2%时，FBG湿度传感器灵敏度可提高96.36%。毫无疑问，该方案显著提高了特种湿度传感器的灵敏度，将在诸多工业领域具有广阔的应用前景。
2、频谱分析系统
杭州电子科技大学Bo Yang等研究人员设计了一种基于实时傅里叶变换和反变换时域Talbot效应（ RTFT/ITTE ）的动态波形频谱分析系统，如图2所示。研究人员将射频信号的光谱信息映射到时域，通过ITTE放大输出脉冲的周期以提高光谱分辨率，并在每组采样脉冲序列中实施二次相位调制，采用可调谐光延迟线（TODL）实现脉冲串与相位调制信号的同步性[2]。仿真结果表明，该系统能有效提高频谱分辨率，可为实时捕获带宽在GHz和纳秒级的连续频谱的动态射频信号提供技术支持。
3、激光器
中山大学Qiurun He等研究人员设计了一种脉冲宽度小于200ps的Nd：YAG/Cr：YAG微芯片激光器（MCLs）（主要采用短光学长度（lopt）、低反射率输出耦合镜 （Roc）、低初始透过率（T0）和速率方程的数值模型进行设计），如图3所示。研究人员对抽头为4.55mm、Roc和T0均为30%的1mm Nd：YAG和 1.5 mm Cr：YAG组成的MCLs进行了研究[3]；结果表明，该器件支持生成持续时间为153ps、脉冲宽度为150ps、能量为18μJ、频率为4.5kHz的1064nm激光脉冲，且当M2=1.15时光束质量良好。综上所述，该器件设计简单、性能优良，将在微机械加工、医学手术等诸多应用领域具有潜在的应用价值。
费迪南德布劳恩研究所的Christoph Pyrlik等研究人设计了一种发射波长为689.449nm的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器，如图4所示，以优化原子束和锶晶格钟的相关工作性能。研究结果表明，该设备实现了高达88mW的光输出功率，在100μs的测量时间内将半峰全宽（FWHM）线宽值降低到了0.4MHz[4]。由此可得，DBRs有望应用于锶钟制备，而DBR半导体激光器具有高效率、占用空间小以及可调谐性等优点，未来还可能用于量子技术新应用领域。
4、光载无线通信
法国布列斯特国立工业大学Romildo H. Souza等研究人员设计了一种具有光纤电能传输（PoF）功能的双向光载无线（RoF）通信系统，用于光学馈入远程传感器传输来自远程天线的射频信号，如图5所示。研究人员采用拉曼激光器产生光波，在2~8GHz的频率范围内针对不同的泵浦功率，从射频增益、噪声系数（NF）和无杂散动态范围（SFDR）三个方面进行了研究[5]；结果表明：当泵浦功率为33dBm时，射频增益、NF增益和SFDR增益分别提高了9.3dB、12dB和10dB。因此，该方案能够在传输和处理射频信号的同时提供远程传感器，在提供足够的能量给远程设备供电的同时还能显著提高链路的传输性能。
5、水下无线光通信
日本东京大学的Yang Weng等研究人员结合水下视距（LOS）链路的对准方案设计了一种将移动平台与指向、捕获和跟踪（PAT）系统相结合的实验方案，如图6所示。他们采用传感器套件（包括压力传感器、超短基线（SSBL）声学系统、多普勒速度测井（DVL）和光纤陀螺（FOG））在移动平台的运动模型中识别指向误差，并将该方法应用于自主水下航行器（AUV）Tri-TON和自主水面飞行器（ASV）BUTTORI上进行海洋实验[6]。研究结果表明，该方法可以有效测量由环境因素引起的指向误差，并支持通过移动平台的机动性来限制误差增量。综上可知，该方案的估计结果可与PAT系统和平台控制单元共享，提高相关链路的工作稳定性，具有较好的应用潜力。
参考文献
[1]J. Hou, J. Dai, F. Zhang and M. Yang, "Advanced Fiber-Optic Relative Humidity Sensor Based on Graphene Quantum Dots Doped Polyimide Coating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 725-728, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181756.
[2]B. Yang, F. Wu, S. Yang, Y. Zhai and J. Ou, "Resolution-Enhanced Dynamic Waveform Spectral Analysis Based on the Inverse Temporal Talbot Effect," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 749-752, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3185635.
[3]Q. He, B. Zhang and Z. Jiao, "Short-Pulse Nd:YAG/Cr:YAG Microchip Laser With Pulse Duration of < 200 ps," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 717-720, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3183024.
[4]C. Pyrlik et al., "High Power Distributed Bragg Reflector Lasers at 689.45 nm for Quantum Technology Applications," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 679-682, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3139433.
[5]R. H. Souza et al., "Performance of an Optically Powered Radio-Over-Fiber System Exploiting Raman Amplification," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 667-670, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181899.
[6]Y. Weng, T. Matsuda, Y. Sekimori, J. Pajarinen, J. Peters and T. Maki, "Pointing Error Control of Underwater Wireless Optical Communication on Mobile Platform," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 699-702, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181336.
2022年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光学传感器、频谱分析系统、激光器、光载无线通信、水下无线光通信等，笔者将逐一评析。
1、光学传感器
武汉理工大学Jiadong Hou等研究人员设计了一种采用聚酰亚胺（PI）掺杂石墨烯量子点（GQDs）的新型光纤布拉格光栅（FBG）湿度传感器，如图1所示。研究人员研究了该器件的灵敏度、线性度和稳定性等关键指标；同时分析了GQDs掺杂量对传感器性能的影响[1]。研究结果表明，在25℃、相对湿度（RH）为10~90%、掺杂0、0.1、0.2和0.3wt.%GQDs时传感器具有良好的线性度，灵敏度分别为1.65、2.68、3.24、3.26pm/%；当GQDs的掺杂量为0.2%时，FBG湿度传感器灵敏度可提高96.36%。毫无疑问，该方案显著提高了特种湿度传感器的灵敏度，将在诸多工业领域具有广阔的应用前景。
2、频谱分析系统
杭州电子科技大学Bo Yang等研究人员设计了一种基于实时傅里叶变换和反变换时域Talbot效应（ RTFT/ITTE ）的动态波形频谱分析系统，如图2所示。研究人员将射频信号的光谱信息映射到时域，通过ITTE放大输出脉冲的周期以提高光谱分辨率，并在每组采样脉冲序列中实施二次相位调制，采用可调谐光延迟线（TODL）实现脉冲串与相位调制信号的同步性[2]。仿真结果表明，该系统能有效提高频谱分辨率，可为实时捕获带宽在GHz和纳秒级的连续频谱的动态射频信号提供技术支持。
3、激光器
中山大学Qiurun He等研究人员设计了一种脉冲宽度小于200ps的Nd：YAG/Cr：YAG微芯片激光器（MCLs）（主要采用短光学长度（lopt）、低反射率输出耦合镜 （Roc）、低初始透过率（T0）和速率方程的数值模型进行设计），如图3所示。研究人员对抽头为4.55mm、Roc和T0均为30%的1mm Nd：YAG和 1.5 mm Cr：YAG组成的MCLs进行了研究[3]；结果表明，该器件支持生成持续时间为153ps、脉冲宽度为150ps、能量为18μJ、频率为4.5kHz的1064nm激光脉冲，且当M2=1.15时光束质量良好。综上所述，该器件设计简单、性能优良，将在微机械加工、医学手术等诸多应用领域具有潜在的应用价值。
费迪南德布劳恩研究所的Christoph Pyrlik等研究人设计了一种发射波长为689.449nm的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器，如图4所示，以优化原子束和锶晶格钟的相关工作性能。研究结果表明，该设备实现了高达88mW的光输出功率，在100μs的测量时间内将半峰全宽（FWHM）线宽值降低到了0.4MHz[4]。由此可得，DBRs有望应用于锶钟制备，而DBR半导体激光器具有高效率、占用空间小以及可调谐性等优点，未来还可能用于量子技术新应用领域。
4、光载无线通信
法国布列斯特国立工业大学Romildo H. Souza等研究人员设计了一种具有光纤电能传输（PoF）功能的双向光载无线（RoF）通信系统，用于光学馈入远程传感器传输来自远程天线的射频信号，如图5所示。研究人员采用拉曼激光器产生光波，在2~8GHz的频率范围内针对不同的泵浦功率，从射频增益、噪声系数（NF）和无杂散动态范围（SFDR）三个方面进行了研究[5]；结果表明：当泵浦功率为33dBm时，射频增益、NF增益和SFDR增益分别提高了9.3dB、12dB和10dB。因此，该方案能够在传输和处理射频信号的同时提供远程传感器，在提供足够的能量给远程设备供电的同时还能显著提高链路的传输性能。
5、水下无线光通信
日本东京大学的Yang Weng等研究人员结合水下视距（LOS）链路的对准方案设计了一种将移动平台与指向、捕获和跟踪（PAT）系统相结合的实验方案，如图6所示。他们采用传感器套件（包括压力传感器、超短基线（SSBL）声学系统、多普勒速度测井（DVL）和光纤陀螺（FOG））在移动平台的运动模型中识别指向误差，并将该方法应用于自主水下航行器（AUV）Tri-TON和自主水面飞行器（ASV）BUTTORI上进行海洋实验[6]。研究结果表明，该方法可以有效测量由环境因素引起的指向误差，并支持通过移动平台的机动性来限制误差增量。综上可知，该方案的估计结果可与PAT系统和平台控制单元共享，提高相关链路的工作稳定性，具有较好的应用潜力。
参考文献
[1]J. Hou, J. Dai, F. Zhang and M. Yang, "Advanced Fiber-Optic Relative Humidity Sensor Based on Graphene Quantum Dots Doped Polyimide Coating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 725-728, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181756.
[2]B. Yang, F. Wu, S. Yang, Y. Zhai and J. Ou, "Resolution-Enhanced Dynamic Waveform Spectral Analysis Based on the Inverse Temporal Talbot Effect," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 749-752, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3185635.
[3]Q. He, B. Zhang and Z. Jiao, "Short-Pulse Nd:YAG/Cr:YAG Microchip Laser With Pulse Duration of < 200 ps," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 14, pp. 717-720, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3183024.
[4]C. Pyrlik et al., "High Power Distributed Bragg Reflector Lasers at 689.45 nm for Quantum Technology Applications," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 679-682, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3139433.
[5]R. H. Souza et al., "Performance of an Optically Powered Radio-Over-Fiber System Exploiting Raman Amplification," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 667-670, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181899.
[6]Y. Weng, T. Matsuda, Y. Sekimori, J. Pajarinen, J. Peters and T. Maki, "Pointing Error Control of Underwater Wireless Optical Communication on Mobile Platform," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 13, pp. 699-702, 1 July1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3181336.
