2022年10月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-11-21 10:34:41 热度：1477
11/21/2022，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，陈鹏，李彦霖，李冲，左仁杰，刘栓凡，袁杰，柳海楠，杨林婕，陈超，胡文光，李文臣。
2022年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光生毫米波系统、电光调制器、干涉仪、光子集成电路、自由空间光通信等，笔者将逐一评析。
1、光生毫米波系统
希腊雅典国家技术大学的Efstathios Andrianopoulos等研究人员设计了一种集成光频梳（OFC）和可调谐双分布式布拉格反射型（DBR）激光器来生成毫米波信号的新型系统，其中通过光束整形网络（OBFN）对该信号进行了进一步处理，如图1所示。该系统应用正交相移键控（QPSK）和16阶正交振幅调制（16QAM）调制方式中产生了中心频率39 GHz、60 GHz附近的毫米波信号，并比较了背靠背（B2B）情形下和信号经25公里标准单模光纤（SSMF）传输后的误差向量幅度（EVM）值[1]。实验结果表明：在较高的接收光功率（ROP）下，16QAM信号比QPSK信号表现出更高的EVM值；但随着ROP值的降低，EVM值的斜率变小，且最终收敛到较小值。该系统中，所有QPSK信号都可以进行无差错传输；而对于16QAM信号，在39 GHz和60 GHz情况下测量到的最高EVM值分别为8.1 %和11.8 %。上述研究方案在一定程度上为5G时代中毫米波信号的产生和传输应用发展提供了新思路。
2、电光调制器
加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的Md Samiul Alam等研究人员设计了在强度调制直接检测（IMDD）系统中采用薄膜铌酸锂调制器（TFLN）使实现超高速信号调制的系统，如图2所示。研究人员采用该器件（6dB带宽值为95GHz、半波电压值为1.5V）在背对背系统和500米标准单模光纤中传输308Gbps速率的 PAM6信号时，可实现在硬判决纠错编解码（HD-FEC）开销低于6.7%（误码率容限值为3.8x10-3）；传输360Gbps的 PAM-8信号时，可实现标准化通用互信息（NGMI）0.8798的阈值和软判决纠错编解码（SD-FEC）19.02%的开销 [2]。上述结果表明高带宽、低损耗和低半波电压的该器件未来有望在实现300G+短距离高速信息互连中应用。
3、干涉仪
中国计量大学的J. W. Gao等研究人员基于一对多列衍射光栅设计了一种用于应变和折射率传感的光纤同轴马赫曾德尔干涉仪，如图3所示。其应用原理是纤芯中传播的部分光通过第一组多列衍射光栅衍射到包层，然后在包层-空气界面反射后由第二组多列光栅引导回纤芯，剩余光继续沿纤芯传输，最后两部分光在纤芯中重新形成干涉[3]。研究结果表明，通过控制两组多列衍射光栅分离能获得不同自由光谱范围的透射光，应变灵敏度和折射率灵敏度分别可达-1.43pm/με和363.41nm/RIU。因为该器件尺寸小，结构坚固，操作方便，因此在未来光子学相关应用领域中极具发展潜力。
浙江大学的Siwei Tao等研究人员设计了应用毛细管半透镜的X射线光栅干涉仪，以实现X射线相衬成像（XPCI），如图4所示（选用40kV，60mA 钼靶X射线管作为X射线源且在射线源的斑点后90mm处放置一个毛细管半透镜）。研究人员使用毛细管半透镜的目的是减少成像时间和提升重建图像质量。他们在相同的曝光时间下对样本测试并比较该干涉仪与传统X射线光栅干涉仪的对比度噪声比（CNR）[4]。结果表明：毛细管半透镜可以极大程度提升重建图像在感兴趣区域（ROI）的CNR。因为在XPCI中引入毛细管半透镜有利于减少X射线相衬计算机断层成像（CT）时间，并提高重建图像的CNR和避免非ROI中的额外辐射， 因此该方案有可能在XPCI中得以实际应用。
4、光子集成电路
浙江大学的Qi Chen等研究人员采用支持C波段工作的单片集成V腔激光器和行波MZ调制器设计了一种宽调谐光发射方案[5]，如图5所示。他们采用量子阱混合（QWI）方式将V腔激光器、MZ调制器、半导体光放大器（SOA）和无源器件集成在单个外延晶片上，并研究了相关特性。结果表明：长度600 μm的 MZ调制器在量子限制斯塔克效应（QCSE）下，可以实现5.5 V的低半波电压和大于14dB的静态消光比，3dB带宽值为14.2 GHz；如果进一步优化半绝缘衬底晶圆上的器件结构和本征区厚度，理论上可实现超过40GHz的3dB带宽；该器件在边模抑制比（SMSR）45dB时可支持波长从1513nm到1565nm的可调谐范围。综上所述，由于该器件尺寸紧凑、制备简单并具备一定的性能优势，因此在5G移动通信系统和宽带接入网络等成本敏感的通信领域中具有应用前景。
5、自由空间光通信
日本NTT接入网实验室的Rintaro Harada等研究人员设计了一种自适应光束发散控制方法，用于提高FSO系统中的信号传输距离[6]，如图6所示。因为在较短传输距离处光束半径未大幅扩展，随着FSO链路中信号传输距离的缩减，信号接收性能渐趋劣化；为分析自适应波束控制过程，研究人员分析FSO系统中的节点移动速度来评估所需的波束发散角。结果表明：当节点以高于100 km/h速度移动时， 与采用固定波束发散传统方法相比，FSO链路最小有效距离为5 m。上述方法还可以应用在光束发散角可行范围为0.4-6 mrad内实现光束发散角的可行控制间隔时间为7ms，因此该方法在未来自由空间光通信高速信号传输领域将有潜在的应用价值。
参考文献
[1]E. Andrianopoulos et al., "Optical Generation and Transmission of mmWave Signals in 5G ERA: Experimental Evaluation Paradigm," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 19, pp.1011-1014, 1 Oct.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3196632.
[2]Alam M S, Berikaa E, Plant D V. Net 350 Gbps/λ IMDD transmission enabled by high bandwidth thin-film lithium niobate MZM[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(19): 1003-1006.
[3]Gao J W, Xia Q K, Wang D N. Fiber In-Line Mach-Zehnder Interferometer Based on a Pair of Optical Fiber Diffraction Gratings[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(20): 1096-1099.
[4]S. Tao et al., "Grating-Based X-Ray Phase Contrast Imaging With a Polycapillary Semilens," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 20, pp. 1104-1107, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3203012.
[5]Q. Chen, Z. Wang, J. Zhao, J. Meng, G. Song and J. -J. He, "Tunable V-Cavity Laser Monolithically Integrated With Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 19,pp.1046-1049,1Oct.1,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3198520.
[6]R. Harada, N. Shibata, S. Kaneko, T. Imai, J. -I. Kani and T. Yoshida, "Adaptive Beam Divergence for Expanding Range of Link Distance in FSO With Moving Nodes Toward 6G," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 20, pp. 1061-1064, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3199789.
2022年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光生毫米波系统、电光调制器、干涉仪、光子集成电路、自由空间光通信等，笔者将逐一评析。
1、光生毫米波系统
希腊雅典国家技术大学的Efstathios Andrianopoulos等研究人员设计了一种集成光频梳（OFC）和可调谐双分布式布拉格反射型（DBR）激光器来生成毫米波信号的新型系统，其中通过光束整形网络（OBFN）对该信号进行了进一步处理，如图1所示。该系统应用正交相移键控（QPSK）和16阶正交振幅调制（16QAM）调制方式中产生了中心频率39 GHz、60 GHz附近的毫米波信号，并比较了背靠背（B2B）情形下和信号经25公里标准单模光纤（SSMF）传输后的误差向量幅度（EVM）值[1]。实验结果表明：在较高的接收光功率（ROP）下，16QAM信号比QPSK信号表现出更高的EVM值；但随着ROP值的降低，EVM值的斜率变小，且最终收敛到较小值。该系统中，所有QPSK信号都可以进行无差错传输；而对于16QAM信号，在39 GHz和60 GHz情况下测量到的最高EVM值分别为8.1 %和11.8 %。上述研究方案在一定程度上为5G时代中毫米波信号的产生和传输应用发展提供了新思路。
2、电光调制器
加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的Md Samiul Alam等研究人员设计了在强度调制直接检测（IMDD）系统中采用薄膜铌酸锂调制器（TFLN）使实现超高速信号调制的系统，如图2所示。研究人员采用该器件（6dB带宽值为95GHz、半波电压值为1.5V）在背对背系统和500米标准单模光纤中传输308Gbps速率的 PAM6信号时，可实现在硬判决纠错编解码（HD-FEC）开销低于6.7%（误码率容限值为3.8x10-3）；传输360Gbps的 PAM-8信号时，可实现标准化通用互信息（NGMI）0.8798的阈值和软判决纠错编解码（SD-FEC）19.02%的开销 [2]。上述结果表明高带宽、低损耗和低半波电压的该器件未来有望在实现300G+短距离高速信息互连中应用。
3、干涉仪
中国计量大学的J. W. Gao等研究人员基于一对多列衍射光栅设计了一种用于应变和折射率传感的光纤同轴马赫曾德尔干涉仪，如图3所示。其应用原理是纤芯中传播的部分光通过第一组多列衍射光栅衍射到包层，然后在包层-空气界面反射后由第二组多列光栅引导回纤芯，剩余光继续沿纤芯传输，最后两部分光在纤芯中重新形成干涉[3]。研究结果表明，通过控制两组多列衍射光栅分离能获得不同自由光谱范围的透射光，应变灵敏度和折射率灵敏度分别可达-1.43pm/με和363.41nm/RIU。因为该器件尺寸小，结构坚固，操作方便，因此在未来光子学相关应用领域中极具发展潜力。
浙江大学的Siwei Tao等研究人员设计了应用毛细管半透镜的X射线光栅干涉仪，以实现X射线相衬成像（XPCI），如图4所示（选用40kV，60mA 钼靶X射线管作为X射线源且在射线源的斑点后90mm处放置一个毛细管半透镜）。研究人员使用毛细管半透镜的目的是减少成像时间和提升重建图像质量。他们在相同的曝光时间下对样本测试并比较该干涉仪与传统X射线光栅干涉仪的对比度噪声比（CNR）[4]。结果表明：毛细管半透镜可以极大程度提升重建图像在感兴趣区域（ROI）的CNR。因为在XPCI中引入毛细管半透镜有利于减少X射线相衬计算机断层成像（CT）时间，并提高重建图像的CNR和避免非ROI中的额外辐射， 因此该方案有可能在XPCI中得以实际应用。
4、光子集成电路
浙江大学的Qi Chen等研究人员采用支持C波段工作的单片集成V腔激光器和行波MZ调制器设计了一种宽调谐光发射方案[5]，如图5所示。他们采用量子阱混合（QWI）方式将V腔激光器、MZ调制器、半导体光放大器（SOA）和无源器件集成在单个外延晶片上，并研究了相关特性。结果表明：长度600 μm的 MZ调制器在量子限制斯塔克效应（QCSE）下，可以实现5.5 V的低半波电压和大于14dB的静态消光比，3dB带宽值为14.2 GHz；如果进一步优化半绝缘衬底晶圆上的器件结构和本征区厚度，理论上可实现超过40GHz的3dB带宽；该器件在边模抑制比（SMSR）45dB时可支持波长从1513nm到1565nm的可调谐范围。综上所述，由于该器件尺寸紧凑、制备简单并具备一定的性能优势，因此在5G移动通信系统和宽带接入网络等成本敏感的通信领域中具有应用前景。
5、自由空间光通信
日本NTT接入网实验室的Rintaro Harada等研究人员设计了一种自适应光束发散控制方法，用于提高FSO系统中的信号传输距离[6]，如图6所示。因为在较短传输距离处光束半径未大幅扩展，随着FSO链路中信号传输距离的缩减，信号接收性能渐趋劣化；为分析自适应波束控制过程，研究人员分析FSO系统中的节点移动速度来评估所需的波束发散角。结果表明：当节点以高于100 km/h速度移动时， 与采用固定波束发散传统方法相比，FSO链路最小有效距离为5 m。上述方法还可以应用在光束发散角可行范围为0.4-6 mrad内实现光束发散角的可行控制间隔时间为7ms，因此该方法在未来自由空间光通信高速信号传输领域将有潜在的应用价值。
参考文献
[1]E. Andrianopoulos et al., "Optical Generation and Transmission of mmWave Signals in 5G ERA: Experimental Evaluation Paradigm," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 19, pp.1011-1014, 1 Oct.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3196632.
[2]Alam M S, Berikaa E, Plant D V. Net 350 Gbps/λ IMDD transmission enabled by high bandwidth thin-film lithium niobate MZM[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(19): 1003-1006.
[3]Gao J W, Xia Q K, Wang D N. Fiber In-Line Mach-Zehnder Interferometer Based on a Pair of Optical Fiber Diffraction Gratings[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(20): 1096-1099.
[4]S. Tao et al., "Grating-Based X-Ray Phase Contrast Imaging With a Polycapillary Semilens," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 20, pp. 1104-1107, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3203012.
[5]Q. Chen, Z. Wang, J. Zhao, J. Meng, G. Song and J. -J. He, "Tunable V-Cavity Laser Monolithically Integrated With Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 19,pp.1046-1049,1Oct.1,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3198520.
[6]R. Harada, N. Shibata, S. Kaneko, T. Imai, J. -I. Kani and T. Yoshida, "Adaptive Beam Divergence for Expanding Range of Link Distance in FSO With Moving Nodes Toward 6G," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 20, pp. 1061-1064, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3199789.
