2023年11月PTL光通信论文评析
发布时间：2023-12-25 09:22:45 热度：910
12/25/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，陈超，胡文光，杨林婕，柳海楠，李文臣，靳清清，岳京歌，张颜鹭。
2023年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光电探测器、光纤同轴电缆，温度传感器，激光器，自由空间光通信，频率测量等，笔者将逐一评析。
1、光电探测器
中国科学院大学的Yupeng Zhu等研究人员设计了一种行波光电探测器（TWPD），以满足毫米波通信中高功率和高速率的需求；并且分析了大功率模式下PD结电容的电流依赖现象及对TWPD性能的影响，如图1所示。他们将8个相同双馈锗探测器（Ge PD）周期性加载在行波电极（TWE）上，采用级联的1×2多模干涉仪（MMI）将输入光功率均分成16份并馈入Ge PD。其中，光链路中添加了不同长度的光波导延时线，使得每个光生射频信号能同时到达负载；并且为TWE的终端添加与特性阻抗相匹配的终端电阻，以抑制信号形成反射波[1]。研究结果表明：8-PD TWPD输出的光电流超过127.5mA；在40 mA光电流和50Gb/s传输速率下，可获得了清晰眼图。综上所述，该方案能够为行波放大器的设计和制备提供了参考。
2、光纤同轴电缆
针对电信网络中的光缆管理，北京邮电大学Wen Zou 等研究人员设计了采用声学传感器和数字相干接收机相结合的新型光纤同轴电缆识别方案，如图2所示。与现有应用相位敏感光时域反射仪（φOTDR）方案不同的是，他们输入了超声波产生振动信号，并利用了前向传输信号（比反向散射信号具有更高的信噪比）进行测试。他们在数字相干接收机中利用载波相位估计算法（CPE）跟踪和提取振动特征以检测相位变化，并利用多段拟合频偏估计（FOE）算法进行连续相位补偿[2]。研究结果表明：在使用100kHz激光器和30kHz超声波时，相位灵敏度为0.09rad，能够有效识别光纤同轴电缆。综上所述，该方案可以集成到光传输网络中的可插拔光模块内，从而有效提升光纤同轴电缆的监测水平。
3、温度传感器
哈尔滨工程大学Ziyang Xiang 等研究人员设计了采用侧面抛光双芯光纤迈克尔逊干涉仪（SPTCF-MI）的温度传感器，并利用抛光芯有效折射率随温度变化的特性来实现测量温度，如图3所示。该传感器由标准单模光纤（SMF）、锥形双芯光纤（TCF）、涂有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的SPTCF组成。由于TCF结构不对称，所以抛光后具有更好的机械性能；研究人员利用用PDMS覆盖抛光区域以提升传感器灵敏度。值得注意的是：SMF纤芯与TCF纤芯熔接后在熔接点附近可让TCF变细形成耦合器；来自SMF的光束分离后通过锥形区和TCF纤芯，能在端面反射回锥形区并发生干涉；当干涉光谱达到最大对比度时，停止锥形区锥化过程，拉直光纤后固定在载玻片上[3]。研究结果表明：该温度传感器在25-75℃范围内灵敏度高达694.3pm/℃，且受外部环境湿度影响极小。综上所述，该传感器在化工和制药等工业领域具有较大的应用潜力。
4、激光器
国防科技大学的Xin Tian等研究人员设计了抑制高功率窄线宽光纤放大器受激拉曼散射效应（SRS）影响的新型结构件，如图4所示。与含光纤布拉格光栅（FBG）振荡器的主振功率放大器（MOPA）结构件相比，该结构件在振荡器后采用端部呈平角的无源光纤将外反馈引入腔内可优化振荡器的时间特性；上述过程有效降低了激光腔内纵向相干性，实现了光纤放大器的高SRS阈值[4]。研究结果表明：在信噪比为40dB的3.5kW窄线宽光纤激光器（NLFL）中，采用反向泵浦结构放大器，可减轻SRS和展宽频谱。在放大过程中，激光的中心波长几乎保持不变。与综上所述，上述方案为在NLFL激光器实施拉曼抑制提供了一种简单且低成本的应用新思路。
5、自由空间光通信
英国牛津大学的Guanxiong Zhang等研究人员设计了适用于自由空间光通信的二维非机械光束偏转系统，如图5所示。他们采用了偏振光束转向器，并通过转向器件与相匹配的全息扩散器相结合实现了连续的角度覆盖；在接收器中也进行波束控制，支持使用相对狭窄视场的大区域收集型接收器[5]。研究结果表明：与单独使用发射机波束转向方案相比，该方案提供了大幅增加的视场和链路裕度。研究人员设计了一种传输50 Mbit/s PRBS信号的超过1米的传输链路（用于点对点场景），此时接收信号误码率低于10-3。综上所述，该方案使用了低成本紧凑型组件，而这些组件可以集成到一个轻量级高性能转向子系统中，因此在自由空间光通信领域具有一定的应用潜力。
6、频率测量
河北大学的Chongjia Huang等研究人员采用载波相位扫描设计了一种新型射频信号测频系统，如图6所示。该系统主要由激光器、制器和光电探测器组成。研究人员在两个射频信号调制边带内引入了频率相关相移，并对光载波进行了相位扫描后，输入的射频信号频率可由输出的射频信号消除光载波相位后确定[6]。研究结果表明：在2~20GHz频率范围内，该系统支持以0.1GHz的分辨率测量射频信号频率，且不同输入射频信号的测频误差值小于±0.1GHz。综上所述，该方案在未来有望用于光子辅助型射频信号频率测量系统中。
参考文献
[1]Y. Zhu et al., "Design and Demonstration of High-Speed and High-Power Traveling-Wave Germanium Photodetector," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1179-1182, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3308341.
[2]W. Zuo, H. Zhou, Y. Qiao, Y. Zhao and B. Ye, "Investigation of Co-Cable Identification Based on Ultrasonic Sensing in Coherent Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1155-1158, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3307452.
[3]Z. Xiong et al., "Temperature Sensor Based on Side-Polished Two-Core Fiber Michelson Interferometer," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1143-1146, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3306430.
[4]X. Tian et al., "A Novel Structure for Raman Suppression in Narrow Linewidth Fiber Amplifier," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1175-1178, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3307657.
[5]G. Zhang et al., "Free-Space Optical Communication Link With Liquid Crystal Beam-Steering," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 22, pp. 1199-1202, 15 Nov.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3308774.
[6]C. Huang, E. H. W. Chan, P. Hao and X. Wang, "Optical Carrier Phase Sweeping Based RF Signal Frequency Measurement System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 22, pp. 1243-1246, 15 Nov.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3313629.
2023年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光电探测器、光纤同轴电缆，温度传感器，激光器，自由空间光通信，频率测量等，笔者将逐一评析。
1、光电探测器
中国科学院大学的Yupeng Zhu等研究人员设计了一种行波光电探测器（TWPD），以满足毫米波通信中高功率和高速率的需求；并且分析了大功率模式下PD结电容的电流依赖现象及对TWPD性能的影响，如图1所示。他们将8个相同双馈锗探测器（Ge PD）周期性加载在行波电极（TWE）上，采用级联的1×2多模干涉仪（MMI）将输入光功率均分成16份并馈入Ge PD。其中，光链路中添加了不同长度的光波导延时线，使得每个光生射频信号能同时到达负载；并且为TWE的终端添加与特性阻抗相匹配的终端电阻，以抑制信号形成反射波[1]。研究结果表明：8-PD TWPD输出的光电流超过127.5mA；在40 mA光电流和50Gb/s传输速率下，可获得了清晰眼图。综上所述，该方案能够为行波放大器的设计和制备提供了参考。
2、光纤同轴电缆
针对电信网络中的光缆管理，北京邮电大学Wen Zou 等研究人员设计了采用声学传感器和数字相干接收机相结合的新型光纤同轴电缆识别方案，如图2所示。与现有应用相位敏感光时域反射仪（φOTDR）方案不同的是，他们输入了超声波产生振动信号，并利用了前向传输信号（比反向散射信号具有更高的信噪比）进行测试。他们在数字相干接收机中利用载波相位估计算法（CPE）跟踪和提取振动特征以检测相位变化，并利用多段拟合频偏估计（FOE）算法进行连续相位补偿[2]。研究结果表明：在使用100kHz激光器和30kHz超声波时，相位灵敏度为0.09rad，能够有效识别光纤同轴电缆。综上所述，该方案可以集成到光传输网络中的可插拔光模块内，从而有效提升光纤同轴电缆的监测水平。
3、温度传感器
哈尔滨工程大学Ziyang Xiang 等研究人员设计了采用侧面抛光双芯光纤迈克尔逊干涉仪（SPTCF-MI）的温度传感器，并利用抛光芯有效折射率随温度变化的特性来实现测量温度，如图3所示。该传感器由标准单模光纤（SMF）、锥形双芯光纤（TCF）、涂有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的SPTCF组成。由于TCF结构不对称，所以抛光后具有更好的机械性能；研究人员利用用PDMS覆盖抛光区域以提升传感器灵敏度。值得注意的是：SMF纤芯与TCF纤芯熔接后在熔接点附近可让TCF变细形成耦合器；来自SMF的光束分离后通过锥形区和TCF纤芯，能在端面反射回锥形区并发生干涉；当干涉光谱达到最大对比度时，停止锥形区锥化过程，拉直光纤后固定在载玻片上[3]。研究结果表明：该温度传感器在25-75℃范围内灵敏度高达694.3pm/℃，且受外部环境湿度影响极小。综上所述，该传感器在化工和制药等工业领域具有较大的应用潜力。
4、激光器
国防科技大学的Xin Tian等研究人员设计了抑制高功率窄线宽光纤放大器受激拉曼散射效应（SRS）影响的新型结构件，如图4所示。与含光纤布拉格光栅（FBG）振荡器的主振功率放大器（MOPA）结构件相比，该结构件在振荡器后采用端部呈平角的无源光纤将外反馈引入腔内可优化振荡器的时间特性；上述过程有效降低了激光腔内纵向相干性，实现了光纤放大器的高SRS阈值[4]。研究结果表明：在信噪比为40dB的3.5kW窄线宽光纤激光器（NLFL）中，采用反向泵浦结构放大器，可减轻SRS和展宽频谱。在放大过程中，激光的中心波长几乎保持不变。与综上所述，上述方案为在NLFL激光器实施拉曼抑制提供了一种简单且低成本的应用新思路。
5、自由空间光通信
英国牛津大学的Guanxiong Zhang等研究人员设计了适用于自由空间光通信的二维非机械光束偏转系统，如图5所示。他们采用了偏振光束转向器，并通过转向器件与相匹配的全息扩散器相结合实现了连续的角度覆盖；在接收器中也进行波束控制，支持使用相对狭窄视场的大区域收集型接收器[5]。研究结果表明：与单独使用发射机波束转向方案相比，该方案提供了大幅增加的视场和链路裕度。研究人员设计了一种传输50 Mbit/s PRBS信号的超过1米的传输链路（用于点对点场景），此时接收信号误码率低于10-3。综上所述，该方案使用了低成本紧凑型组件，而这些组件可以集成到一个轻量级高性能转向子系统中，因此在自由空间光通信领域具有一定的应用潜力。
6、频率测量
河北大学的Chongjia Huang等研究人员采用载波相位扫描设计了一种新型射频信号测频系统，如图6所示。该系统主要由激光器、制器和光电探测器组成。研究人员在两个射频信号调制边带内引入了频率相关相移，并对光载波进行了相位扫描后，输入的射频信号频率可由输出的射频信号消除光载波相位后确定[6]。研究结果表明：在2~20GHz频率范围内，该系统支持以0.1GHz的分辨率测量射频信号频率，且不同输入射频信号的测频误差值小于±0.1GHz。综上所述，该方案在未来有望用于光子辅助型射频信号频率测量系统中。
参考文献
[1]Y. Zhu et al., "Design and Demonstration of High-Speed and High-Power Traveling-Wave Germanium Photodetector," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1179-1182, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3308341.
[2]W. Zuo, H. Zhou, Y. Qiao, Y. Zhao and B. Ye, "Investigation of Co-Cable Identification Based on Ultrasonic Sensing in Coherent Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1155-1158, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3307452.
[3]Z. Xiong et al., "Temperature Sensor Based on Side-Polished Two-Core Fiber Michelson Interferometer," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1143-1146, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3306430.
[4]X. Tian et al., "A Novel Structure for Raman Suppression in Narrow Linewidth Fiber Amplifier," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 21, pp. 1175-1178, 1 Nov.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3307657.
[5]G. Zhang et al., "Free-Space Optical Communication Link With Liquid Crystal Beam-Steering," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 22, pp. 1199-1202, 15 Nov.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3308774.
[6]C. Huang, E. H. W. Chan, P. Hao and X. Wang, "Optical Carrier Phase Sweeping Based RF Signal Frequency Measurement System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 22, pp. 1243-1246, 15 Nov.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3313629.
