2022年12月JLT光通信论文评析
发布时间：2023-01-19 13:53:59 热度：1708
1/19/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，左仁杰，刘栓凡，袁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，杨林婕，胡文光，李文臣，陈超，柳海楠。
2022年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：室内光无线通信，雪崩光电二极管，光纤无线通信，量子投影，集成光子学，微环调制器等；笔者将逐一评析。
1.室内光无线通信
墨尔本大学的Jianghao Li等研究人员设计了应用轨道角动量（OAM）波束整形的室内光无线通信（OWC）系统，如图1所示。基于OAM模式的波束整形原理是将零阶OAM波束（）与不同波长和不同功率比的高阶OAM波束叠加，以形成不同形状与功率分布的传输波束。研究人员对系统误码率（BER）性能进行了仿真分析和实验验证[1]，研究结果表明：与传统无波束整形OWC系统相比，采用OAM波束整形技术能提升系统接收灵敏度、扩大有效覆盖范围（在BER<3.8×10-3时；）当/和/的功率比分别为0.3和0.33时，在10Gbaud符号速率下可获得最大无差错信号收发覆盖范围；在相同功率比下，针对和的波束整形比采用和的波束整形在不同方向时接收信号的BER性能更优。因为上述系统能最大限度减少室内信息传输中的多径负面效应，所以该设计方案为未来高速室内光无线通信系统的设计提供了参考借鉴。
2.雪崩光电二极管
台湾国立中央大学的Naseem等研究人员设计一种新型雪崩光电二极管（APD），如图2所示。该器件P面朝上并具备特殊的复合电荷层面结构，可以有效限制M层的中心电场，极大抑制了边缘击穿现象的产生，从而使暗电流大大降低；具有最高电场区的第2 M层被掩埋在靠近InP衬底的底部，该结构能更好的散热从而提高功率性能；研究人员通过优化部分掺杂P的吸收体和额外InP集电层的耗尽宽度，以平衡RC延迟时间和内部渡越时间，保证APDS获得了24μm的有效直径，实现了更大的光学对准容忍度和更好的器件散热性能[2]。研究结果表明：在0.9时，该器件具有大光电带宽（30GHz）、高响应度（2.23A/W）、大增益带宽积（270GHz）、低暗电流（约200nA）和11mA的饱和电流。综上所述，该器件的优异性能为提升相干光通信系统或PAM-4光传输系统中接收信号灵敏度提供了有力支撑。
3.光纤无线通信
马来西亚莫纳什大学的G. H. Thng等研究人员提出采用深度学习（机器学习的一种）技术来优化光纤无线通信（ROF）系统的接收机架构，如图3所示。他们在非锁定外差光纤无线链路上进行了测试，并在接收端对正交相移键控（QPSK）调制的ROF信号进行了检测，其中集中深度学习功能的接收机在相位噪声受限ROF系统中的应用性能也得到了验证；同时，研究人员还将该检测方案与传统延时零拍法（SH）接收和采用本地振荡器的检测方案进行了比较 [3] 。研究结果表明：该类接收机能提升相位噪声容限，且适合带宽受限的ROF系统应用；采用的长短期记忆网络（LSTM）算法性能优于多层感知（MLP）和卷积神经网络（CNN）算法。因此，上述方案的应用未来在ROF系统中（尤其是其中的接收机设计中）具有一定的借鉴价值。
4.量子投影
西班牙圣地亚哥大学的X. Prieto-Blanco等研究人员采用离子交换玻璃作为量子光子学工作平台，并通过使用定向耦合器完成了X（对角）基和Y（圆形）基状态的量子投影过程（其中应用的定向耦合器通过K+/Na+离子交换和掩埋工艺制造的单模信道波导构成）。他们采用端射耦合技术将光耦合到输入信道波导传播，在通过基本光学元件（BIOE）之后，观察光信号输出特征，如图4所示。该系统包含一个发光二极管（LED）、两个分束器（BS）和一个目镜子系统；允许观察BIOE输入面上的后向反射光束 [4]。研究人员通过衍射光栅在单光子量子态中实现了相对相位获取，并对耦合器和投影仪进行了验证测试，证明投影效率接近1。因为上述方案可用于制备含量子光学处理过程的集成光学投影仪，因此将为未来量子密码学和量子信息领域的研究工作提供支撑。
5.集成光子学
丹麦技术大学的Xiaodong Shi等研究人员设计了在碳化硅集成（SiCOI）平台中研究高性能偏振无关1×2和2×2 多模干涉（MMI）分束器和马赫曾德尔干涉仪（MZI）方案，实验装置如图5所示。研究人员将可调谐连续波（CW）激光器产生的光波通过可调谐衰减器（ATT）将功率衰减到量子级，再经偏振分束器（PC）将光束偏振调制为准TE或准TM模式后输入SiCOI集成平台后，采用光谱分析仪（OSA）和单光子探测器（SPD）测量并分析透过率和光子数[5]。研究结果表明：上述相关器件在280nm工作波长范围（1360 nm ~ 1640 nm）和70 nm工作波长范围（1510 nm ~ 1580 nm）内偏振损耗均小于1dB；1×2和2×2分束器的平均损耗值分别为1dB和1.5dB，带宽分别为>100nm和>70nm；MZI中支持传播的TE波和TM波在高功率区域的可见度分别为98.3%和97.6%，在超低功率区域的可见度分别为99.0±0.4%和98.7±0.6%。因此，上述高性能SiC光子组件既可以应用于常规光信号处理过程，也适用于含未知偏振态的SiC单光子源的集成制备。
6.微环调制器
香港中文大学的D. W. U. Chan等研究人员在波分复用（WDM） 强度调制-直接检测（IM-DD）系统中设计了4THz（32纳米）超宽自由频谱范围（FSR）的超紧凑硅微环调制器（MRM），实验装置如图6所示。研究人员将经过数字信号处理（DSP）后的4阶脉冲幅度调制（PAM4）信号与可调谐激光源（TL）产生的光束通过偏振分束器（PC）后在MRM中进行调制，然后光信号在2km标准单模光纤（SSMF）中传输后经掺铒光纤放大器（EDFA） 放大，再被光电二极管（PD）接收[6] 。研究结果表明：在频谱范围为1540nm~1570nm时，170Gb/s的PAM4信号在4通道WDM系统中传输2km后，误码率低于硬判决前向纠错（HD-FFC）的阈值3×10-3。综上所述，该类高性能且与CMOS兼容的MRM在未来可用于制备高速率、低成本和紧凑型的WDM收发器以实现短距离宽带互联应用。
[1]J. Li, Q. Yang, X. Dai, C. Lim and A. Nirmalathas, "Investigation on Orbital Angular Momentum Mode-Based Beam Shaping for Indoor Optical Wireless Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7738-7745, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3206426.
[2]Naseem et al., "Top-Illuminated Avalanche Photodiodes with Cascaded Multiplication Layers for High-Speed and Wide Dynamic Range Performance," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7893-7900, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3204743.
[3]G. H. Thng, M. H. Jaward and M. Bakaul, "Deep Learning Based Phase Noise Tolerant Radio-Over-Fiber Receiver," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7727-7737, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3205779.
[4]X. Prieto-Blanco, C. Montero-Orille, J. Liñares, H. González-Núñez and D. Balado, "Quantum Projectors Implemented with Optical Directional Couplers in Ion-Exchanged Glasses," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 23, pp. 7676-7684, 1 Dec.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3189206.
[5]X. Shi, Y. Lu, N. Peng, K. Rottwitt and H. Ou, "High-Performance Polarization-Independent Beam Splitters and MZI in Silicon Carbide Integrated Platforms for Single-Photon Manipulation," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 23, pp. 7626-7633, 1 Dec.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3169661.
[6]D. W. U. Chan, X. Wu, Z. Zhang, C. Lu, A. P. T. Lau and H. K. Tsang, "Ultra-Wide Free-Spectral-Range Silicon Microring Modulator for High Capacity WDM," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7848-7855, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3208745.
2022年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：室内光无线通信，雪崩光电二极管，光纤无线通信，量子投影，集成光子学，微环调制器等；笔者将逐一评析。
1.室内光无线通信
墨尔本大学的Jianghao Li等研究人员设计了应用轨道角动量（OAM）波束整形的室内光无线通信（OWC）系统，如图1所示。基于OAM模式的波束整形原理是将零阶OAM波束（）与不同波长和不同功率比的高阶OAM波束叠加，以形成不同形状与功率分布的传输波束。研究人员对系统误码率（BER）性能进行了仿真分析和实验验证[1]，研究结果表明：与传统无波束整形OWC系统相比，采用OAM波束整形技术能提升系统接收灵敏度、扩大有效覆盖范围（在BER<3.8×10-3时；）当/和/的功率比分别为0.3和0.33时，在10Gbaud符号速率下可获得最大无差错信号收发覆盖范围；在相同功率比下，针对和的波束整形比采用和的波束整形在不同方向时接收信号的BER性能更优。因为上述系统能最大限度减少室内信息传输中的多径负面效应，所以该设计方案为未来高速室内光无线通信系统的设计提供了参考借鉴。
2.雪崩光电二极管
台湾国立中央大学的Naseem等研究人员设计一种新型雪崩光电二极管（APD），如图2所示。该器件P面朝上并具备特殊的复合电荷层面结构，可以有效限制M层的中心电场，极大抑制了边缘击穿现象的产生，从而使暗电流大大降低；具有最高电场区的第2 M层被掩埋在靠近InP衬底的底部，该结构能更好的散热从而提高功率性能；研究人员通过优化部分掺杂P的吸收体和额外InP集电层的耗尽宽度，以平衡RC延迟时间和内部渡越时间，保证APDS获得了24μm的有效直径，实现了更大的光学对准容忍度和更好的器件散热性能[2]。研究结果表明：在0.9时，该器件具有大光电带宽（30GHz）、高响应度（2.23A/W）、大增益带宽积（270GHz）、低暗电流（约200nA）和11mA的饱和电流。综上所述，该器件的优异性能为提升相干光通信系统或PAM-4光传输系统中接收信号灵敏度提供了有力支撑。
3.光纤无线通信
马来西亚莫纳什大学的G. H. Thng等研究人员提出采用深度学习（机器学习的一种）技术来优化光纤无线通信（ROF）系统的接收机架构，如图3所示。他们在非锁定外差光纤无线链路上进行了测试，并在接收端对正交相移键控（QPSK）调制的ROF信号进行了检测，其中集中深度学习功能的接收机在相位噪声受限ROF系统中的应用性能也得到了验证；同时，研究人员还将该检测方案与传统延时零拍法（SH）接收和采用本地振荡器的检测方案进行了比较 [3] 。研究结果表明：该类接收机能提升相位噪声容限，且适合带宽受限的ROF系统应用；采用的长短期记忆网络（LSTM）算法性能优于多层感知（MLP）和卷积神经网络（CNN）算法。因此，上述方案的应用未来在ROF系统中（尤其是其中的接收机设计中）具有一定的借鉴价值。
4.量子投影
西班牙圣地亚哥大学的X. Prieto-Blanco等研究人员采用离子交换玻璃作为量子光子学工作平台，并通过使用定向耦合器完成了X（对角）基和Y（圆形）基状态的量子投影过程（其中应用的定向耦合器通过K+/Na+离子交换和掩埋工艺制造的单模信道波导构成）。他们采用端射耦合技术将光耦合到输入信道波导传播，在通过基本光学元件（BIOE）之后，观察光信号输出特征，如图4所示。该系统包含一个发光二极管（LED）、两个分束器（BS）和一个目镜子系统；允许观察BIOE输入面上的后向反射光束 [4]。研究人员通过衍射光栅在单光子量子态中实现了相对相位获取，并对耦合器和投影仪进行了验证测试，证明投影效率接近1。因为上述方案可用于制备含量子光学处理过程的集成光学投影仪，因此将为未来量子密码学和量子信息领域的研究工作提供支撑。
5.集成光子学
丹麦技术大学的Xiaodong Shi等研究人员设计了在碳化硅集成（SiCOI）平台中研究高性能偏振无关1×2和2×2 多模干涉（MMI）分束器和马赫曾德尔干涉仪（MZI）方案，实验装置如图5所示。研究人员将可调谐连续波（CW）激光器产生的光波通过可调谐衰减器（ATT）将功率衰减到量子级，再经偏振分束器（PC）将光束偏振调制为准TE或准TM模式后输入SiCOI集成平台后，采用光谱分析仪（OSA）和单光子探测器（SPD）测量并分析透过率和光子数[5]。研究结果表明：上述相关器件在280nm工作波长范围（1360 nm ~ 1640 nm）和70 nm工作波长范围（1510 nm ~ 1580 nm）内偏振损耗均小于1dB；1×2和2×2分束器的平均损耗值分别为1dB和1.5dB，带宽分别为>100nm和>70nm；MZI中支持传播的TE波和TM波在高功率区域的可见度分别为98.3%和97.6%，在超低功率区域的可见度分别为99.0±0.4%和98.7±0.6%。因此，上述高性能SiC光子组件既可以应用于常规光信号处理过程，也适用于含未知偏振态的SiC单光子源的集成制备。
6.微环调制器
香港中文大学的D. W. U. Chan等研究人员在波分复用（WDM） 强度调制-直接检测（IM-DD）系统中设计了4THz（32纳米）超宽自由频谱范围（FSR）的超紧凑硅微环调制器（MRM），实验装置如图6所示。研究人员将经过数字信号处理（DSP）后的4阶脉冲幅度调制（PAM4）信号与可调谐激光源（TL）产生的光束通过偏振分束器（PC）后在MRM中进行调制，然后光信号在2km标准单模光纤（SSMF）中传输后经掺铒光纤放大器（EDFA） 放大，再被光电二极管（PD）接收[6] 。研究结果表明：在频谱范围为1540nm~1570nm时，170Gb/s的PAM4信号在4通道WDM系统中传输2km后，误码率低于硬判决前向纠错（HD-FFC）的阈值3×10-3。综上所述，该类高性能且与CMOS兼容的MRM在未来可用于制备高速率、低成本和紧凑型的WDM收发器以实现短距离宽带互联应用。
[1]J. Li, Q. Yang, X. Dai, C. Lim and A. Nirmalathas, "Investigation on Orbital Angular Momentum Mode-Based Beam Shaping for Indoor Optical Wireless Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7738-7745, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3206426.
[2]Naseem et al., "Top-Illuminated Avalanche Photodiodes with Cascaded Multiplication Layers for High-Speed and Wide Dynamic Range Performance," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7893-7900, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3204743.
[3]G. H. Thng, M. H. Jaward and M. Bakaul, "Deep Learning Based Phase Noise Tolerant Radio-Over-Fiber Receiver," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7727-7737, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3205779.
[4]X. Prieto-Blanco, C. Montero-Orille, J. Liñares, H. González-Núñez and D. Balado, "Quantum Projectors Implemented with Optical Directional Couplers in Ion-Exchanged Glasses," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 23, pp. 7676-7684, 1 Dec.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3189206.
[5]X. Shi, Y. Lu, N. Peng, K. Rottwitt and H. Ou, "High-Performance Polarization-Independent Beam Splitters and MZI in Silicon Carbide Integrated Platforms for Single-Photon Manipulation," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 23, pp. 7626-7633, 1 Dec.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3169661.
[6]D. W. U. Chan, X. Wu, Z. Zhang, C. Lu, A. P. T. Lau and H. K. Tsang, "Ultra-Wide Free-Spectral-Range Silicon Microring Modulator for High Capacity WDM," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 24, pp. 7848-7855, 15 Dec.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3208745.
