2023年5月PTL光通信论文评析
发布时间：2023-06-27 09:54:31 热度：1156
6/27/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，李冲，陈鹏，李彦霖，左仁杰，刘栓凡，袁杰，柳海楠，杨林婕，李文臣，陈超，胡文光。
2023年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光斑尺寸变换器、垂直腔发射激光器、光电测距传感器、光纤激光器、二次谐波发射、强度调制直接检测系统等，笔者将逐一评析。
1、光斑尺寸变换器
中国科学技术大学的Danyang Luo等研究人员设计了一种长度为1000μm、高度为1μm的垂直锥形光斑尺寸变换器（SSC），他们使用铟镓砷化物/磷化铟（InGaAs/InP）半导体材料制作SSC，如图1所示[1]。研究人员采用了一种可行的接触式光刻技术制作SSC，并依据曝光剂量和残留光刻胶厚度之间的关系来选择适当的曝光剂量多次叠加以形成光刻胶上的阶梯形状（使其通过热重流形成斜坡）。实验结果表明，该垂直锥形SSC提高了1dB的对准容差；且水平对准公差从±0.4μm提高到±3.0μm，垂直对准公差从±0.4μm提高到±2.5μm；插入损耗从1.8dB降至了1.0dB。因为上述方法可应用于制作各种大小的SSC，因此可广泛应用于光通信、物联传感、生物医学等领域。
2、垂直腔发射激光器
中国科学院半导体研究所的Fansheng Meng等研究人员设计了808nm双结和三结垂直腔发射激光器（VCSELs），如图2所示；为改善808nm多结VCSELs的限流效果他们采用了多氧化物层设计，并比较了808nm单结、双结和三结VCSELs的光电流-电压特性[2]。研究结果表明，含两个氧化物孔的双结VCSELs在25℃工作时表现出高斜率效率（SE）值（2.32 W/ A），在10℃工作时SE峰值可达2.51W/A，双结单个VCSEL发射极的功率转换效率（PCE）为53.14%；三结VCSEL的SE峰值达到3.40W/A，单个VCSEL发射极的PCE为53.02%；在窄脉冲测试条件（400Hz，60ns脉宽）注入电流80A时，双结和三结VCSEL阵列的峰值输出功率分别为216.11W和325.77W。因为上述特点，改类高性能多结808nm VCSELs在固体激光器和医美光学领域有一定的应用前景。
3、光电测距传感器
复旦大学的Hengwei Yu等研究人员设计了一种新型光电测距传感器，该传器件采用单光子雪崩二极管（SPADs）阵列集成dToF片上系统芯片制备，如图3所示，其中包含可配置的16×16 SPAD阵列、940nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）、VCSEL驱动器和嵌入式数字信号处理核心模块。研究人员采用可调电压电路来精确调节SPAD偏置电压，以缓解SPAD抖动对长距校准（Xtalk bins）宽度的影响，使该测距传感器能进行精确测距 [3] 。研究结果表明，该器件支持实现9.6m的最大动态工作范围，在目标反射率为80 %的6m范围内工作精度优于5mm，在目标反射率为18 %的4m范围内工作精度优于8mm。因此，上述器件的应用支持实现更远距离及更高精度的激光测距。
4、光纤激光器
国防科技大学的Mo Chen等研究人员设计了超窄线宽布里渊/铒镱共掺光纤环形激光器（BEYFL），如图4所示；该器件使用长度为80cm的铒镱共掺光纤（EYDF）作为布里渊增益和线性增益介质。研究人员实验测量了BEYFL的光谱、输出功率、激光线宽和相位噪声特性[4]。研究结果表明，当布里渊抽运（BP）功率为20mW时，该激光器的输出功率可达到200mW左右（BEYFL具有140Hz超窄线宽，相对强度噪声为-145dB/Hz（1kHz处的相位噪声低至-107dB re rad/Hz1/2）。由于该光纤激光器工作线宽极窄，因此其在相干光通信、光纤传感等高相干需求领域有一定的潜在应用价值。
5、二次谐波发射
意大利巴勒莫大学的Andrea Tognazzi等研究人员分析了电介质中二次谐波的生成随入射场波长和几何尺寸的变化过程，其实验装置如图5所示。研究结果表明：二次谐波生成效率并没有随着复介电折射率虚部的增大而减小，在基频波长处高阶多极子的存在可以显著增强生成的二次谐波信号，即使在介电吸收谱区也能实现与无损情况相同数量级的非线性工作效率。研究人员通过在无损区域利用基波处的四极磁共振，在可见光范围内生成了二次谐波，其转换效率与在近红外区域使用磁偶极共振提供的转换效率相同[5]。综上所述，上述研究为利用更高阶模式在超出材料透明窗口之外产生非线性信号提供了参考借鉴。
6、强度调制直接检测系统
韩国高等科学技术研究院的Jongwoo Park等研究人员设计了基于集成硅光子学（SiP）的两通道光时分复用（OTDM）的发射机，并成功将其应用于生成支持500m SSMF传输的300Gbit/s 的PAM8光信号，如图6所示。实验研究中的信号发射部分由两个马赫曾德尔调制器（MZM）、两个多模干涉仪（MMI）耦合器、一根时间延迟线（TDL）和一个热光移相器（TOPS）组成[6]。研究结果表明，该发射机的插入损耗为11dB， SiP OTDM发射芯片的工作功率≤130mW（单个MZM的功耗为62mW，TOPS的功耗为2mW）；在背对背情形下，接收灵敏度为-1dBm（BER=2.7×10-2）；经过500m SSMF传输后，接收功率代价值为1dB。由于上述系统未采用复杂的非线性均衡技术，因此该类发射机在未来有望在高性价比强度调制和直接检测系统中得以应用。
参考文献
[1]D.Luo, W.He, Z.Jiang, K.Xu, Y.Liu and L.Wang, "A Feasible Method for Fabricating Vertical Taper Applied to Spot Size Converter," in IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.35,no.9,pp.481-484,1May1,2023,doi: 10.1109/LPT.2023.3255886.
[2]F. Meng et al., "High Slope Efficiency Double and Triple Junction 808 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 533-536, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3261550.
[3]H. Yu et al., "All-in-One SPAD Ranging Sensor With Real-Time Xtalk Calibration and Integrated Biasing," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 9, pp. 477-480, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3257043.
[4]M. Chen, Z. Meng, H. Liu, Y. Lu, X. Hu and J. Wang, "140-Hz Narrow-Linewidth Brillouin/Erbium- Ytterbium Fiber Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 521-524, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3261283.
[5]A. Tognazzi et al., "Second Harmonic Emission From Dielectric Nanoresonators in the Absorption Regime," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 9, pp. 505-508, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3260878.
[6]J. Park, S. Han, Y. C. Chung and K. Yu, "300-Gb/s/λ IM/DD Transmission Using Integrated SiP OTDM Transmitter," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 529-532, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3262244.
2023年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光斑尺寸变换器、垂直腔发射激光器、光电测距传感器、光纤激光器、二次谐波发射、强度调制直接检测系统等，笔者将逐一评析。
1、光斑尺寸变换器
中国科学技术大学的Danyang Luo等研究人员设计了一种长度为1000μm、高度为1μm的垂直锥形光斑尺寸变换器（SSC），他们使用铟镓砷化物/磷化铟（InGaAs/InP）半导体材料制作SSC，如图1所示[1]。研究人员采用了一种可行的接触式光刻技术制作SSC，并依据曝光剂量和残留光刻胶厚度之间的关系来选择适当的曝光剂量多次叠加以形成光刻胶上的阶梯形状（使其通过热重流形成斜坡）。实验结果表明，该垂直锥形SSC提高了1dB的对准容差；且水平对准公差从±0.4μm提高到±3.0μm，垂直对准公差从±0.4μm提高到±2.5μm；插入损耗从1.8dB降至了1.0dB。因为上述方法可应用于制作各种大小的SSC，因此可广泛应用于光通信、物联传感、生物医学等领域。
2、垂直腔发射激光器
中国科学院半导体研究所的Fansheng Meng等研究人员设计了808nm双结和三结垂直腔发射激光器（VCSELs），如图2所示；为改善808nm多结VCSELs的限流效果他们采用了多氧化物层设计，并比较了808nm单结、双结和三结VCSELs的光电流-电压特性[2]。研究结果表明，含两个氧化物孔的双结VCSELs在25℃工作时表现出高斜率效率（SE）值（2.32 W/ A），在10℃工作时SE峰值可达2.51W/A，双结单个VCSEL发射极的功率转换效率（PCE）为53.14%；三结VCSEL的SE峰值达到3.40W/A，单个VCSEL发射极的PCE为53.02%；在窄脉冲测试条件（400Hz，60ns脉宽）注入电流80A时，双结和三结VCSEL阵列的峰值输出功率分别为216.11W和325.77W。因为上述特点，改类高性能多结808nm VCSELs在固体激光器和医美光学领域有一定的应用前景。
3、光电测距传感器
复旦大学的Hengwei Yu等研究人员设计了一种新型光电测距传感器，该传器件采用单光子雪崩二极管（SPADs）阵列集成dToF片上系统芯片制备，如图3所示，其中包含可配置的16×16 SPAD阵列、940nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）、VCSEL驱动器和嵌入式数字信号处理核心模块。研究人员采用可调电压电路来精确调节SPAD偏置电压，以缓解SPAD抖动对长距校准（Xtalk bins）宽度的影响，使该测距传感器能进行精确测距 [3] 。研究结果表明，该器件支持实现9.6m的最大动态工作范围，在目标反射率为80 %的6m范围内工作精度优于5mm，在目标反射率为18 %的4m范围内工作精度优于8mm。因此，上述器件的应用支持实现更远距离及更高精度的激光测距。
4、光纤激光器
国防科技大学的Mo Chen等研究人员设计了超窄线宽布里渊/铒镱共掺光纤环形激光器（BEYFL），如图4所示；该器件使用长度为80cm的铒镱共掺光纤（EYDF）作为布里渊增益和线性增益介质。研究人员实验测量了BEYFL的光谱、输出功率、激光线宽和相位噪声特性[4]。研究结果表明，当布里渊抽运（BP）功率为20mW时，该激光器的输出功率可达到200mW左右（BEYFL具有140Hz超窄线宽，相对强度噪声为-145dB/Hz（1kHz处的相位噪声低至-107dB re rad/Hz1/2）。由于该光纤激光器工作线宽极窄，因此其在相干光通信、光纤传感等高相干需求领域有一定的潜在应用价值。
5、二次谐波发射
意大利巴勒莫大学的Andrea Tognazzi等研究人员分析了电介质中二次谐波的生成随入射场波长和几何尺寸的变化过程，其实验装置如图5所示。研究结果表明：二次谐波生成效率并没有随着复介电折射率虚部的增大而减小，在基频波长处高阶多极子的存在可以显著增强生成的二次谐波信号，即使在介电吸收谱区也能实现与无损情况相同数量级的非线性工作效率。研究人员通过在无损区域利用基波处的四极磁共振，在可见光范围内生成了二次谐波，其转换效率与在近红外区域使用磁偶极共振提供的转换效率相同[5]。综上所述，上述研究为利用更高阶模式在超出材料透明窗口之外产生非线性信号提供了参考借鉴。
6、强度调制直接检测系统
韩国高等科学技术研究院的Jongwoo Park等研究人员设计了基于集成硅光子学（SiP）的两通道光时分复用（OTDM）的发射机，并成功将其应用于生成支持500m SSMF传输的300Gbit/s 的PAM8光信号，如图6所示。实验研究中的信号发射部分由两个马赫曾德尔调制器（MZM）、两个多模干涉仪（MMI）耦合器、一根时间延迟线（TDL）和一个热光移相器（TOPS）组成[6]。研究结果表明，该发射机的插入损耗为11dB， SiP OTDM发射芯片的工作功率≤130mW（单个MZM的功耗为62mW，TOPS的功耗为2mW）；在背对背情形下，接收灵敏度为-1dBm（BER=2.7×10-2）；经过500m SSMF传输后，接收功率代价值为1dB。由于上述系统未采用复杂的非线性均衡技术，因此该类发射机在未来有望在高性价比强度调制和直接检测系统中得以应用。
参考文献
[1]D.Luo, W.He, Z.Jiang, K.Xu, Y.Liu and L.Wang, "A Feasible Method for Fabricating Vertical Taper Applied to Spot Size Converter," in IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.35,no.9,pp.481-484,1May1,2023,doi: 10.1109/LPT.2023.3255886.
[2]F. Meng et al., "High Slope Efficiency Double and Triple Junction 808 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 533-536, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3261550.
[3]H. Yu et al., "All-in-One SPAD Ranging Sensor With Real-Time Xtalk Calibration and Integrated Biasing," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 9, pp. 477-480, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3257043.
[4]M. Chen, Z. Meng, H. Liu, Y. Lu, X. Hu and J. Wang, "140-Hz Narrow-Linewidth Brillouin/Erbium- Ytterbium Fiber Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 521-524, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3261283.
[5]A. Tognazzi et al., "Second Harmonic Emission From Dielectric Nanoresonators in the Absorption Regime," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 9, pp. 505-508, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3260878.
[6]J. Park, S. Han, Y. C. Chung and K. Yu, "300-Gb/s/λ IM/DD Transmission Using Integrated SiP OTDM Transmitter," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 10, pp. 529-532, 15 May15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3262244.
