2023年8月PTL光通信论文评析
发布时间：2023-09-25 22:19:33 热度：1050
9/25/2023，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，杨林婕，陈超，柳海楠，胡文光， 李文臣。
2023年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：太赫兹通信、可调谐超表面设计、应变传感器、分布式声学传感、光纤无线通信、测距传感器等，笔者将逐一评析。
1、太赫兹通信
东南大学的Yuancheng Cai等研究人员设计了一种高谱效率偏振复用（PDM）双单边带（Twin-SSB）传输方案，用于直接检测太赫兹通信系统，如图1所示。由于在光学太赫兹转换侧添加了载波，因此无论接收到信号的偏振状态如何，传输信号的每个分支都能通过太赫兹肖特基势垒二极管（SBD）直接检测[1]。研究结果表明：与有源偏振控制的CAOT方案相比，该方案不仅提升了系统的可操作性和鲁棒性，而且接收机灵敏度提升了约4dB。研究人员还通过Kramers–Kronig算法实现了SSB场恢复以有效消除信号间差拍干扰，并有助于偏振解复用过程。综上所述，上述方案可以为高谱效率太赫兹通信系统的设计提供借鉴参考。
2、可调谐超表面设计
印度理工学院的Tanmay Bhowmik等研究人员设计了一种采用间隙等离子体共振的偏振不敏感电可调谐超表面结构，如图2所示。他们设计的超表面通过氧化铟锡（ITO）的电光特性来调节反射光强度,并将沉积在二氧化硅衬底上的ITO-Al2O3-Au顶部放置了Au纳米光栅的2D阵列[2]。研究结果表明：三阶间隙等离子体共振在1.72μm波长下被激发（通过等效RLC电路模型进行了验证）；通过施加外部偏置电压来调节谐振波长，可在ITO-Al2O3界面积累自由电子；在具备随机偏振角入射光的作用下，在1.55µm工作波长下可实现25 dB调制深度；该器件支持在x和y偏振光的宽范围入射角（高达50度）下工作，并具备303 fJ/bit的低能耗和900Mbps的调制速度。因此，上述器件的设计和应用在未来集成纳米光子系统的小型化应用领域具有一定的实用价值。
3、应变传感器
南京师范大学的Yunhao Xiao等研究人员设计了一种基于Vernier效应的温度不敏感光纤光栅（FBG）应变传感器，如图3所示。研究人员将两个不同环长的光纤环共振器（FRR）并联，且利用Vernier效应来提高测量灵敏度；并使用参考FBG和FRR补偿温度影响，以实现温度不敏感[3]。研究结果表明：相对于相同条件下单个FRR应变传感器，该方案提升了应变灵敏度约23倍（从-1.456 kHz/µε增加到-33.878 kHz/µε），应变分辨率为2.953×10-5µε，温度敏感性降低到1.031 kHz/℃。由于上述器件具备高灵敏度、高分辨率且抗随机干扰，因此在复杂环境中的传感领域有较大的应用潜力。
4、分布式声学传感
意大利帕多瓦大学的Daniele Orsuti等研究人员结合多模光纤（MMF）上对分布式声学传感（DAS）进行了研究，并设计了减少回波轨迹中信号衰落的相干平均方法，如图4所示。在实验中，研究人员将三模光子光纤器件（PhL）作为模式解复用器，通过空间多样性来改善测量可靠性，并研究采用异频相敏光时域反射计（φ-OTDR）的MMF-DAS的性能。他们还将相干平均方法扩展到纵向多样性研究过程，并通过牺牲空间分辨率来提高相位检测精度[4]。研究结果表明：上述方法与传统方法相比可将噪声水平降低三倍。因此，上述方案未来有望应用在石油和天然气厂等已安装用于温度监测的场景中。
5、光纤无线通信
复旦大学的Mingxu Wang等研究人员设计了一种数字脉冲编码调制型光纤无线（DP-RoF）通信方案（如图5所示），将20Gbaud DP-RoF信号经由10公里标准单模光纤（SSMF）传输，并在相干检测系统中进行了实验分析（其中公共无线电接口等效数据速率（CPRI-EDR）为112 Gb/s）[5]。研究结果表明：应用上述方案后，无线信号恢复后的信噪比为50.14 dB，比应用模拟光纤无线（A-RoF）、数字模拟光纤无线（DA-RoF）和数字光纤无线（D-RoF）方案分别提升26.62dB、20.01dB和13.28dB；该方案满足65536正交振幅调制（QAM）的误差向量幅度（EVM）阈值，而A-RoF和DA-RoF方案无法达到1024 QAM的EVM阈值。因此，该方案为未来6G移动前传中实现超高阶QAM信号的传输提供了有价值的参考。
6、测距传感器
德国弗莱堡大学的Sergio Vilches等研究人员设计了具备亚毫米直径的多点内窥镜传感器，可同时测量传感器尖端与平坦组织表面之间的最小距离和方向，如图6所示。研究人员采用了基于频率调制型连续波（FMCW）激光雷达的不受杂散光干扰的相干测量方法，并使用850nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）进行波长调制，在10kHz重复频率下实现了4.1nm可调谐范围，且使用马赫曾德尔（Mach-Zender）干涉仪在k空间中对干涉图样进行了校准，实现了多个测量光束通过3D纳米打印的微棱镜阵列在传感器尖端分离的过程。研究结果表明：与衍射元件相比，微棱镜阵列通过折射实现了更高收集效率和更大测量范围[6]。因此，上述方案对未来超小型精确距离传感器的研制具有一定的参考价值。
参考文献
[1]Y. Cai et al., "Spectrally Efficient PDM-Twin-SSB Direct-Detection THz System Without Active Polarization Control," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 838-841, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3275921.
[2]T. Bhowmik, A. K. Chowdhary and D. Sikdar, Polarization- and Angle-Insensitive Tunable Metasurface for Electro-Optic Modulation, in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 879-882, 15 Aug.15, 2023, doi 10.1109LPT.2023.3256584.
[3]Y. Xiao, Y. Wang, J. Shi, D. Zhu and Q. Liu, "Temperature-Insensitive and Sensitivity-Enhanced FBG Strain Sensor by Using Parallel MPF," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 809-812, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3281472.
[4]D. Orsuti et al., "DAS Over Multimode Fibers With Reduced Fading by Coherent Averaging of Spatial Modes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 866-869, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3285625.
[5]M. Wang, X. Zhao, C. Wang and J. Yu, "SNR Improved Digital-PCM Radio-Over-Fiber Scheme Supporting 65536 QAM for Mobile Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 825-828, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3284456.
[6]S. Vilches, H. Zappe and Ç. Ataman, "Multi-Point Fiber-Optic Distance Sensor for Endoscopic Surgery Monitoring," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 883-886, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3270628.
2023年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：太赫兹通信、可调谐超表面设计、应变传感器、分布式声学传感、光纤无线通信、测距传感器等，笔者将逐一评析。
1、太赫兹通信
东南大学的Yuancheng Cai等研究人员设计了一种高谱效率偏振复用（PDM）双单边带（Twin-SSB）传输方案，用于直接检测太赫兹通信系统，如图1所示。由于在光学太赫兹转换侧添加了载波，因此无论接收到信号的偏振状态如何，传输信号的每个分支都能通过太赫兹肖特基势垒二极管（SBD）直接检测[1]。研究结果表明：与有源偏振控制的CAOT方案相比，该方案不仅提升了系统的可操作性和鲁棒性，而且接收机灵敏度提升了约4dB。研究人员还通过Kramers–Kronig算法实现了SSB场恢复以有效消除信号间差拍干扰，并有助于偏振解复用过程。综上所述，上述方案可以为高谱效率太赫兹通信系统的设计提供借鉴参考。
2、可调谐超表面设计
印度理工学院的Tanmay Bhowmik等研究人员设计了一种采用间隙等离子体共振的偏振不敏感电可调谐超表面结构，如图2所示。他们设计的超表面通过氧化铟锡（ITO）的电光特性来调节反射光强度,并将沉积在二氧化硅衬底上的ITO-Al2O3-Au顶部放置了Au纳米光栅的2D阵列[2]。研究结果表明：三阶间隙等离子体共振在1.72μm波长下被激发（通过等效RLC电路模型进行了验证）；通过施加外部偏置电压来调节谐振波长，可在ITO-Al2O3界面积累自由电子；在具备随机偏振角入射光的作用下，在1.55µm工作波长下可实现25 dB调制深度；该器件支持在x和y偏振光的宽范围入射角（高达50度）下工作，并具备303 fJ/bit的低能耗和900Mbps的调制速度。因此，上述器件的设计和应用在未来集成纳米光子系统的小型化应用领域具有一定的实用价值。
3、应变传感器
南京师范大学的Yunhao Xiao等研究人员设计了一种基于Vernier效应的温度不敏感光纤光栅（FBG）应变传感器，如图3所示。研究人员将两个不同环长的光纤环共振器（FRR）并联，且利用Vernier效应来提高测量灵敏度；并使用参考FBG和FRR补偿温度影响，以实现温度不敏感[3]。研究结果表明：相对于相同条件下单个FRR应变传感器，该方案提升了应变灵敏度约23倍（从-1.456 kHz/µε增加到-33.878 kHz/µε），应变分辨率为2.953×10-5µε，温度敏感性降低到1.031 kHz/℃。由于上述器件具备高灵敏度、高分辨率且抗随机干扰，因此在复杂环境中的传感领域有较大的应用潜力。
4、分布式声学传感
意大利帕多瓦大学的Daniele Orsuti等研究人员结合多模光纤（MMF）上对分布式声学传感（DAS）进行了研究，并设计了减少回波轨迹中信号衰落的相干平均方法，如图4所示。在实验中，研究人员将三模光子光纤器件（PhL）作为模式解复用器，通过空间多样性来改善测量可靠性，并研究采用异频相敏光时域反射计（φ-OTDR）的MMF-DAS的性能。他们还将相干平均方法扩展到纵向多样性研究过程，并通过牺牲空间分辨率来提高相位检测精度[4]。研究结果表明：上述方法与传统方法相比可将噪声水平降低三倍。因此，上述方案未来有望应用在石油和天然气厂等已安装用于温度监测的场景中。
5、光纤无线通信
复旦大学的Mingxu Wang等研究人员设计了一种数字脉冲编码调制型光纤无线（DP-RoF）通信方案（如图5所示），将20Gbaud DP-RoF信号经由10公里标准单模光纤（SSMF）传输，并在相干检测系统中进行了实验分析（其中公共无线电接口等效数据速率（CPRI-EDR）为112 Gb/s）[5]。研究结果表明：应用上述方案后，无线信号恢复后的信噪比为50.14 dB，比应用模拟光纤无线（A-RoF）、数字模拟光纤无线（DA-RoF）和数字光纤无线（D-RoF）方案分别提升26.62dB、20.01dB和13.28dB；该方案满足65536正交振幅调制（QAM）的误差向量幅度（EVM）阈值，而A-RoF和DA-RoF方案无法达到1024 QAM的EVM阈值。因此，该方案为未来6G移动前传中实现超高阶QAM信号的传输提供了有价值的参考。
6、测距传感器
德国弗莱堡大学的Sergio Vilches等研究人员设计了具备亚毫米直径的多点内窥镜传感器，可同时测量传感器尖端与平坦组织表面之间的最小距离和方向，如图6所示。研究人员采用了基于频率调制型连续波（FMCW）激光雷达的不受杂散光干扰的相干测量方法，并使用850nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）进行波长调制，在10kHz重复频率下实现了4.1nm可调谐范围，且使用马赫曾德尔（Mach-Zender）干涉仪在k空间中对干涉图样进行了校准，实现了多个测量光束通过3D纳米打印的微棱镜阵列在传感器尖端分离的过程。研究结果表明：与衍射元件相比，微棱镜阵列通过折射实现了更高收集效率和更大测量范围[6]。因此，上述方案对未来超小型精确距离传感器的研制具有一定的参考价值。
参考文献
[1]Y. Cai et al., "Spectrally Efficient PDM-Twin-SSB Direct-Detection THz System Without Active Polarization Control," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 838-841, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3275921.
[2]T. Bhowmik, A. K. Chowdhary and D. Sikdar, Polarization- and Angle-Insensitive Tunable Metasurface for Electro-Optic Modulation, in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 879-882, 15 Aug.15, 2023, doi 10.1109LPT.2023.3256584.
[3]Y. Xiao, Y. Wang, J. Shi, D. Zhu and Q. Liu, "Temperature-Insensitive and Sensitivity-Enhanced FBG Strain Sensor by Using Parallel MPF," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 809-812, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3281472.
[4]D. Orsuti et al., "DAS Over Multimode Fibers With Reduced Fading by Coherent Averaging of Spatial Modes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 866-869, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3285625.
[5]M. Wang, X. Zhao, C. Wang and J. Yu, "SNR Improved Digital-PCM Radio-Over-Fiber Scheme Supporting 65536 QAM for Mobile Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 825-828, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3284456.
[6]S. Vilches, H. Zappe and Ç. Ataman, "Multi-Point Fiber-Optic Distance Sensor for Endoscopic Surgery Monitoring," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 883-886, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3270628.
