2023年4月PTL光通信论文评析
发布时间：2023-05-23 11:05:41 热度：1190
5/23/2023，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，刘栓凡，左仁杰，袁杰，柳海楠，杨林婕，陈超，胡文光，李文臣。
2023年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：折射透镜、温度传感器、微波相位光子检测器、电光调制器、光纤激光器、相干光正交频分复用系统等，笔者将逐一评析。
1、折射透镜
哈尔滨工程大学的Xu Lu等研究人员采用光线循迹法分析了光线经过待测样品（SUT）关联径向梯度折射（GRIN）透镜的光路，并建立了分析模型来反映测量中的光路轨迹，如图1所示；他们还对实际GRIN透镜的参数进行了白光干涉法（WLI）仿真，并通过建立光线循迹模型来揭示使用GRIN透镜时SUT角度倾斜和轴向偏移的影响[1]。研究结果表明：被测光路随角度倾斜发生了明显波动（光路波动曲线取决于轴向位置）；GRIN透镜引入的附加光路变化在SUT中的±0.1°角倾斜和±2000微米轴向偏移范围内达到0.99微米。因此，该模型有助于提升GRIN透镜白光干涉的测量精度，并可应用于厚度测量系统、光学相干断层扫描（OCT）等实际应用领域。
2、温度传感器
上海大学的Yong Yang等研究人员设计了采用荧光强度比（FIR）的紧凑型温度传感器，并封装在嵌入式光纤微透镜的毛细管中，如图2所示。该器件采用锥形内壁毛细管耦合荧光微球作为发射器端口，采用梯度折射率光纤（GIF）微透镜作为探测器端口。研究人员通过高斯光束的光线矩阵模型分析了微透镜的聚焦效果（有效长度范围为249.5-295.2微米）。他们通过实验验证了其对荧光收集的增强作用，并对基于FIR的器件温度传感特性进行了验证[2]。研究结果表明，该器件可在303.15-383.15K范围内实现线性灵敏度为1.11×10-2K-1的应用。因为该器件具备结构坚固、成本低廉等应用优点，因此未来在温度传感领域中具有较大的应用潜力。
3、微波光子相位检测器
南京航空航天大学的Kunlin Shao等研究人员设计了采用双偏振双驱动马赫曾德尔调制器（DP-DMZM）的全偏振微波光子相位检测器（MPPD），用于检测微波信号和光脉冲串之间的相位差，如图3所示[3]。研究结果表明，使用全偏振结构可以显著提升MPPD的鲁棒性；并且工作频率为8.032GHz的介质谐振振荡器可通过该MPPD锁定光脉冲串，相位噪声值在偏移频率为10kHz时从-109.68dBc/Hz降低到-135.41dBc/Hz； MPPD本底噪声最小值约为-154dBc/Hz，从100Hz到100kHz、1MHz和3MHz的积分残余定时抖动分别为276as、696as和2.50fs。综上所述，MPPD对外部振动和应力表现出较好的稳定性，因此上述方案在雷达系统、采样系统、定时同步和分配系统等领域有较大的应用价值。
4、电光调制器
美国新泽西州诺基亚贝尔实验室的Stefano Grillanda等研究人员设计了集成表面法向电吸收调制器（SNEAM）的4通道阵列和低输出电压（~1.25-1.45Vpp）驱动4通道数组形成电光引擎的方案，如图4所示。其中的电光引擎由集成4通道驱动器阵列的SNEAM阵列芯片组成；驱动阵列通过表面贴片封装并将其连接至定制印刷电路板上，并采用射频线将G3PO连接器和驱动器阵列的射频输入端连接 [4]。研究结果表明，采用该电光引擎可在2公里标准单模光纤内实现宽波长范围（约26nm）内的信号传输（在7%硬判决前向纠错阈值下可实现4×53Gbit/s非归零开关键控（NRZ-OOK）信号的传输）。因此，上述方案在支持高性能计算和带宽密集型封装光学器件的互连领域具有一定的应用价值。
5、光纤激光器
华南理工大学的Kaile Wang等研究人员设计了采用含准直器和反射器的反射镜构建了超窄带宽掺镱自扫频光纤激光器，如图5所示。他们采用2m长光纤可饱和吸收体实现了自扫频过程，并通过检测脉冲强度验证了结果；该激光器的中心波长值为1065.382 nm，自扫频范围在2 pm以内[5]。研究人员通过检测脉冲频率间隔（或脉冲平均重复频率）揭示了非线性饱和吸收效应，并对弛豫振荡峰进行了归纳拟合。综上所述，该光纤激光器可应用于激光测距和可调谐微波信号生成等领域。
6、相干光正交频分复用系统
天津工业大学的Tianhao Zhang等研究人员设计了联合传统算法及机器学习的相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统，该系统中采用了迭代部分传输序列（IPTS）和迭代μ-law压扩滤波（IMCF）算法训练的前馈神经网络（FNN），如图6所示。研究人员采用上述方案大大降低了采用部分传输序列的数字信号处理复杂度，且可实现峰均比（PAPR）抑制和误码率（BER）性能改善[6]。研究结果表明，与原始OFDM信号相比对应10-4互补累计分布函数（CCDF）降低了5.03dB 的PAPR值，并实现了信号经200km 单模光纤的有效传输。与IPTS级联IMCF（IPTS-IMCF）方案相比，计算复杂度降低了32.4 %。因此，上述方案在长距离光纤通信系统中具有一定的应用价值。
参考文献
1、X. Lu, Y. Zhu, Y. Yuan, F. Dang, Z. Yu and J. Yang, "Additional Error of Optical Path Measurement Caused by Radial GRIN Lens With Mispositioned Sample," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 353-356, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246125.
2、Y. Yang et al., "Packaged Temperature Sensor Based on Fluorescent Microsphere With an Embedded Fiber Microlens," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 398-401, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3250271.
3、K. Shao et al., "All-Polarization-Maintained Microwave Photonic Phase Detector Based on a DP-DMZM," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 385-388, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246721.
4、S. Grillanda et al., "4 × 53 Gbit/s Electro-Optic Engine With a Surface-Normal Electroabsorption Modulator Array," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 426-429, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3254479.
5、K. Wang, Z. Wen and P. Wang, "Ultra-Narrow-Bandwidth Single-Frequency Self-Sweeping Ytterbium-Doped Fiber Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 357-360, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246055.
6、T. Zhang, Z. Tong, W. Zhang, H. Wang and P. Li, "A Novel PAPR Reduction Scheme Based on Joint Traditional Algorithm and Machine Learning for CO-OFDM Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 418-421, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2022.3233076.
2023年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：折射透镜、温度传感器、微波相位光子检测器、电光调制器、光纤激光器、相干光正交频分复用系统等，笔者将逐一评析。
1、折射透镜
哈尔滨工程大学的Xu Lu等研究人员采用光线循迹法分析了光线经过待测样品（SUT）关联径向梯度折射（GRIN）透镜的光路，并建立了分析模型来反映测量中的光路轨迹，如图1所示；他们还对实际GRIN透镜的参数进行了白光干涉法（WLI）仿真，并通过建立光线循迹模型来揭示使用GRIN透镜时SUT角度倾斜和轴向偏移的影响[1]。研究结果表明：被测光路随角度倾斜发生了明显波动（光路波动曲线取决于轴向位置）；GRIN透镜引入的附加光路变化在SUT中的±0.1°角倾斜和±2000微米轴向偏移范围内达到0.99微米。因此，该模型有助于提升GRIN透镜白光干涉的测量精度，并可应用于厚度测量系统、光学相干断层扫描（OCT）等实际应用领域。
2、温度传感器
上海大学的Yong Yang等研究人员设计了采用荧光强度比（FIR）的紧凑型温度传感器，并封装在嵌入式光纤微透镜的毛细管中，如图2所示。该器件采用锥形内壁毛细管耦合荧光微球作为发射器端口，采用梯度折射率光纤（GIF）微透镜作为探测器端口。研究人员通过高斯光束的光线矩阵模型分析了微透镜的聚焦效果（有效长度范围为249.5-295.2微米）。他们通过实验验证了其对荧光收集的增强作用，并对基于FIR的器件温度传感特性进行了验证[2]。研究结果表明，该器件可在303.15-383.15K范围内实现线性灵敏度为1.11×10-2K-1的应用。因为该器件具备结构坚固、成本低廉等应用优点，因此未来在温度传感领域中具有较大的应用潜力。
3、微波光子相位检测器
南京航空航天大学的Kunlin Shao等研究人员设计了采用双偏振双驱动马赫曾德尔调制器（DP-DMZM）的全偏振微波光子相位检测器（MPPD），用于检测微波信号和光脉冲串之间的相位差，如图3所示[3]。研究结果表明，使用全偏振结构可以显著提升MPPD的鲁棒性；并且工作频率为8.032GHz的介质谐振振荡器可通过该MPPD锁定光脉冲串，相位噪声值在偏移频率为10kHz时从-109.68dBc/Hz降低到-135.41dBc/Hz； MPPD本底噪声最小值约为-154dBc/Hz，从100Hz到100kHz、1MHz和3MHz的积分残余定时抖动分别为276as、696as和2.50fs。综上所述，MPPD对外部振动和应力表现出较好的稳定性，因此上述方案在雷达系统、采样系统、定时同步和分配系统等领域有较大的应用价值。
4、电光调制器
美国新泽西州诺基亚贝尔实验室的Stefano Grillanda等研究人员设计了集成表面法向电吸收调制器（SNEAM）的4通道阵列和低输出电压（~1.25-1.45Vpp）驱动4通道数组形成电光引擎的方案，如图4所示。其中的电光引擎由集成4通道驱动器阵列的SNEAM阵列芯片组成；驱动阵列通过表面贴片封装并将其连接至定制印刷电路板上，并采用射频线将G3PO连接器和驱动器阵列的射频输入端连接 [4]。研究结果表明，采用该电光引擎可在2公里标准单模光纤内实现宽波长范围（约26nm）内的信号传输（在7%硬判决前向纠错阈值下可实现4×53Gbit/s非归零开关键控（NRZ-OOK）信号的传输）。因此，上述方案在支持高性能计算和带宽密集型封装光学器件的互连领域具有一定的应用价值。
5、光纤激光器
华南理工大学的Kaile Wang等研究人员设计了采用含准直器和反射器的反射镜构建了超窄带宽掺镱自扫频光纤激光器，如图5所示。他们采用2m长光纤可饱和吸收体实现了自扫频过程，并通过检测脉冲强度验证了结果；该激光器的中心波长值为1065.382 nm，自扫频范围在2 pm以内[5]。研究人员通过检测脉冲频率间隔（或脉冲平均重复频率）揭示了非线性饱和吸收效应，并对弛豫振荡峰进行了归纳拟合。综上所述，该光纤激光器可应用于激光测距和可调谐微波信号生成等领域。
6、相干光正交频分复用系统
天津工业大学的Tianhao Zhang等研究人员设计了联合传统算法及机器学习的相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统，该系统中采用了迭代部分传输序列（IPTS）和迭代μ-law压扩滤波（IMCF）算法训练的前馈神经网络（FNN），如图6所示。研究人员采用上述方案大大降低了采用部分传输序列的数字信号处理复杂度，且可实现峰均比（PAPR）抑制和误码率（BER）性能改善[6]。研究结果表明，与原始OFDM信号相比对应10-4互补累计分布函数（CCDF）降低了5.03dB 的PAPR值，并实现了信号经200km 单模光纤的有效传输。与IPTS级联IMCF（IPTS-IMCF）方案相比，计算复杂度降低了32.4 %。因此，上述方案在长距离光纤通信系统中具有一定的应用价值。
参考文献
1、X. Lu, Y. Zhu, Y. Yuan, F. Dang, Z. Yu and J. Yang, "Additional Error of Optical Path Measurement Caused by Radial GRIN Lens With Mispositioned Sample," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 353-356, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246125.
2、Y. Yang et al., "Packaged Temperature Sensor Based on Fluorescent Microsphere With an Embedded Fiber Microlens," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 398-401, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3250271.
3、K. Shao et al., "All-Polarization-Maintained Microwave Photonic Phase Detector Based on a DP-DMZM," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 385-388, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246721.
4、S. Grillanda et al., "4 × 53 Gbit/s Electro-Optic Engine With a Surface-Normal Electroabsorption Modulator Array," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 426-429, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3254479.
5、K. Wang, Z. Wen and P. Wang, "Ultra-Narrow-Bandwidth Single-Frequency Self-Sweeping Ytterbium-Doped Fiber Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 7, pp. 357-360, 1 April1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3246055.
6、T. Zhang, Z. Tong, W. Zhang, H. Wang and P. Li, "A Novel PAPR Reduction Scheme Based on Joint Traditional Algorithm and Machine Learning for CO-OFDM Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 8, pp. 418-421, 15 April15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2022.3233076.
