2023年12月PTL光通信论文评析
发布时间：2024-01-30 09:31:08 热度：1184
1/30/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，胡文光，陈超，柳海楠，杨林婕，李文臣，岳京歌，靳清清，张颜鹭。
2023年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感器、可见光通信，光电振荡器，激光器，温度传感器等，笔者将逐一评析。
1、光纤传感器
天津理工大学的Xinliang Gao等研究人员针对微结构光纤（MOF）传感器外部干扰（含噪声和振动等）设计了一种采用深度学习模型辅助提取斑点特征的MOF方案，支持有效识别光谱信号，如图1所示。当激光从单模光纤（SMF）传播到功能化MOF和多模光纤（MMF）区域时被分解成多种模式；MMF输出光发生模式干涉形成了复杂散斑图，可使用CCD相机记录经过物镜（OBJ）放大后的图案，能利用训练好的神经网络实现对不同温度下散斑图案的高精度识别[1]。研究结果表明：在有和无外部干扰情况下，斑点图案识别的准确率分别达到了98.64%和100%。综上所述，应用上述方案具有识别精度高、抗干扰能力强的优点，可扩展到MOF传感其他相关领域；且该方案有望未来在医疗、工业和环境工程等领域的智能监控应用显示巨大潜力。
2、可见光通信
华南理工大学的Yapeng Tang等研究人员设计了一种应用于可见光通信（VLC）的正交偏振复用荧光天线（PMFA），支持满足接收机大视场角（FOV）和实现高传输容量的需求，如图2所示。PMFA是夹层结构，由偏振器、蓝色滤光片、荧光层和反射器组成；其中，携带不同偏振态光信号会聚集在PMFA中，只有与偏振器具有相同偏振态的光信号才能被吸收。由于红光信号不能透过蓝色滤光片，且反射器具备约100%的反射率，红光信号被限制在夹层中。此外，应用雪崩光电二极管（APD）会尽可能吸收通过全反射传输的红光信号，能增大工作带宽[2]。研究结果表明：与无PMFA配置的接收机相比，应用上述方案在40°到80°FOV范围内的噪比性能提高了191%，通信速率提高了80%；在水下VLC应用中，两种偏振态的PMFA也能保持83.1%和82.6%的平均字符传输精度。综上所述，荧光天线与偏振器可在VLC系统应用中保持良好兼容性，能够有效解决视场不足和系统传输容量较小的问题。
3、光电振荡器
南京邮电大学的Yang Li等研究人员采用可变光衰减器（VOA）设计了一种新型布里渊散射倍频光电振荡器（OEO），支持通过调节VOA损耗控制微波光子滤波器（MPF）全开和半开腔工作状态切换，从而实现信号倍频，如图3所示。研究人员将可调谐激光器（TLS）输出信号依次通过偏振控制器（PC）和相位调制器，其中一部分调制信号由光谱分析仪（OSA）测量；另一部分进入谐振腔，被掺铒光纤放大器（EDFA）放大后通过光隔离器（消除反向传播光）和光环形器（Cir）。其中，色散补偿光纤（DCF）作为布里渊散射增益介质和延迟线，光信号在DCF中引发激布里渊散射过程[3]。研究结果表明：当VOA处于低损耗状态时，可生产10.434GHz的基带微波信号；当VOA处于高损耗状态时，可产生20.869GHz的倍频微波信号。综上所述，上述方案避免了使用昂贵的载波抑制调制器和传统光纤布拉格光栅，在雷达系统和微波信号处理等领域将具有一定的应用前景。
4、激光器
北京工业大学的Bihui Zhuang等研究人员设计了一种重复率可调的自锁模泵浦半导体盘激光器（OPSDL），如图4所示。其中，谐振腔主要由4mm×4mm的增益芯片和波长为980nm的高反射率涂层平凹端镜组成（平凹端镜也作为输出镜使用）。研究人员采用芯径为200?m、工作波长为808nm的光纤耦合输出功率为50W的激光器作为泵浦源。研究结果表明：当输出镜曲率半径为300mm时，调谐范围为3.75GHz；当调整曲率半径为50mm时，调谐范围变为3GHz。因为上述调节过程连续，OPSDL始终处于稳定锁模工作状态。综上所述，该激光器在时间分辨、实时成像和太赫兹光谱分析等计量应用中具有应用潜力。
华中科技大学的Yu Han等研究人员设计了一种实用性较强的电吸收调制激光（EML）载波芯片（COC）子模块等效电路模型。其中，EML COC子模块结构如图5所示；因为其等效电路模型复杂，使得直接表征EML参数具有挑战性。研究人员将传统EML COC等效电路模型与芯片载波的射频响应特性相结合，设计了一种更有效的理论分析模型，如图6所示。研究结果表明：采用该模型可精确提取相关参数将EML COC子模块的3dB带宽从43.5GHz提升到53.4GHz，并可获得53Gbaud PAM4信号的清晰传输眼图。综上所述，上述方案能较准确地预测键合线长度对调制带宽的影响，有助于减少高速EML芯片子模块封装优化和评估过程中的工作量。
5、温度传感器
河南省电力科学研究院的Zhongfei Ye等研究人员设计了一种采用文丘里管的快速响应光纤温度传感器，如图7所示。该器件主要由文丘里管、光纤光栅和支撑杆组成；空气通过文丘里管入口进入，利用其内部结构增加流体流速，从而提高导热系数，缩短温度响应时间。研究结果表明：与传统型布拉格光栅温度传感器（BFBGT）相比，采用文丘里管的布拉格光栅温度传感器（VFBGT）能有效缩短温度响应时间。当流速为1m/s时，VFBGT传感器的工作响应时间从420ms减少到210ms；当流速为8.3m/s时，其工作响应时间从130ms减少到96ms。综上所述，该器件的高速响应时间特性为高精度系统的动态温度测量和实时快速温度补偿提供了新的设计参考。
参考文献
[1]X. Gao et al., "Deep Learning for Temperature Sensing With Microstructure Fiber in Noise Perturbation Environment," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1247-1250, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3313584.
[2]Y. Tang, X. Ding, Z. Li, C. Shao, Z. Huang and S. Liang, "Crosstalk-Free MIMO VLC Using Two Orthogonal Polarizations Multiplexed Large FOV Fluorescent Antennas," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1271-1274, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3312327.
[3]Y. Li, R. Zhu, E. Xu and Z. Zhang, "Frequency-Doubling Brillouin Optoelectronic Oscillator With Variable Optical Attenuator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1307-1310, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3319949.
[4]B. Zhuang et al., "6 GHz Repetition Rate and Tunable Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1351-1354, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3321937.
[5]Y. Han et al., "Bandwidth Extension of EML Chip-on-Carrier Submodule Using Precise Parameters Extraction," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1251-1254, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3314637.
[6]Z. Ye et al., "Fast Response Fiber Optic Temperature Sensors Based on Venturi Tube," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1347-1350, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3326653.
2023年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感器、可见光通信，光电振荡器，激光器，温度传感器等，笔者将逐一评析。
1、光纤传感器
天津理工大学的Xinliang Gao等研究人员针对微结构光纤（MOF）传感器外部干扰（含噪声和振动等）设计了一种采用深度学习模型辅助提取斑点特征的MOF方案，支持有效识别光谱信号，如图1所示。当激光从单模光纤（SMF）传播到功能化MOF和多模光纤（MMF）区域时被分解成多种模式；MMF输出光发生模式干涉形成了复杂散斑图，可使用CCD相机记录经过物镜（OBJ）放大后的图案，能利用训练好的神经网络实现对不同温度下散斑图案的高精度识别[1]。研究结果表明：在有和无外部干扰情况下，斑点图案识别的准确率分别达到了98.64%和100%。综上所述，应用上述方案具有识别精度高、抗干扰能力强的优点，可扩展到MOF传感其他相关领域；且该方案有望未来在医疗、工业和环境工程等领域的智能监控应用显示巨大潜力。
2、可见光通信
华南理工大学的Yapeng Tang等研究人员设计了一种应用于可见光通信（VLC）的正交偏振复用荧光天线（PMFA），支持满足接收机大视场角（FOV）和实现高传输容量的需求，如图2所示。PMFA是夹层结构，由偏振器、蓝色滤光片、荧光层和反射器组成；其中，携带不同偏振态光信号会聚集在PMFA中，只有与偏振器具有相同偏振态的光信号才能被吸收。由于红光信号不能透过蓝色滤光片，且反射器具备约100%的反射率，红光信号被限制在夹层中。此外，应用雪崩光电二极管（APD）会尽可能吸收通过全反射传输的红光信号，能增大工作带宽[2]。研究结果表明：与无PMFA配置的接收机相比，应用上述方案在40°到80°FOV范围内的噪比性能提高了191%，通信速率提高了80%；在水下VLC应用中，两种偏振态的PMFA也能保持83.1%和82.6%的平均字符传输精度。综上所述，荧光天线与偏振器可在VLC系统应用中保持良好兼容性，能够有效解决视场不足和系统传输容量较小的问题。
3、光电振荡器
南京邮电大学的Yang Li等研究人员采用可变光衰减器（VOA）设计了一种新型布里渊散射倍频光电振荡器（OEO），支持通过调节VOA损耗控制微波光子滤波器（MPF）全开和半开腔工作状态切换，从而实现信号倍频，如图3所示。研究人员将可调谐激光器（TLS）输出信号依次通过偏振控制器（PC）和相位调制器，其中一部分调制信号由光谱分析仪（OSA）测量；另一部分进入谐振腔，被掺铒光纤放大器（EDFA）放大后通过光隔离器（消除反向传播光）和光环形器（Cir）。其中，色散补偿光纤（DCF）作为布里渊散射增益介质和延迟线，光信号在DCF中引发激布里渊散射过程[3]。研究结果表明：当VOA处于低损耗状态时，可生产10.434GHz的基带微波信号；当VOA处于高损耗状态时，可产生20.869GHz的倍频微波信号。综上所述，上述方案避免了使用昂贵的载波抑制调制器和传统光纤布拉格光栅，在雷达系统和微波信号处理等领域将具有一定的应用前景。
4、激光器
北京工业大学的Bihui Zhuang等研究人员设计了一种重复率可调的自锁模泵浦半导体盘激光器（OPSDL），如图4所示。其中，谐振腔主要由4mm×4mm的增益芯片和波长为980nm的高反射率涂层平凹端镜组成（平凹端镜也作为输出镜使用）。研究人员采用芯径为200?m、工作波长为808nm的光纤耦合输出功率为50W的激光器作为泵浦源。研究结果表明：当输出镜曲率半径为300mm时，调谐范围为3.75GHz；当调整曲率半径为50mm时，调谐范围变为3GHz。因为上述调节过程连续，OPSDL始终处于稳定锁模工作状态。综上所述，该激光器在时间分辨、实时成像和太赫兹光谱分析等计量应用中具有应用潜力。
华中科技大学的Yu Han等研究人员设计了一种实用性较强的电吸收调制激光（EML）载波芯片（COC）子模块等效电路模型。其中，EML COC子模块结构如图5所示；因为其等效电路模型复杂，使得直接表征EML参数具有挑战性。研究人员将传统EML COC等效电路模型与芯片载波的射频响应特性相结合，设计了一种更有效的理论分析模型，如图6所示。研究结果表明：采用该模型可精确提取相关参数将EML COC子模块的3dB带宽从43.5GHz提升到53.4GHz，并可获得53Gbaud PAM4信号的清晰传输眼图。综上所述，上述方案能较准确地预测键合线长度对调制带宽的影响，有助于减少高速EML芯片子模块封装优化和评估过程中的工作量。
5、温度传感器
河南省电力科学研究院的Zhongfei Ye等研究人员设计了一种采用文丘里管的快速响应光纤温度传感器，如图7所示。该器件主要由文丘里管、光纤光栅和支撑杆组成；空气通过文丘里管入口进入，利用其内部结构增加流体流速，从而提高导热系数，缩短温度响应时间。研究结果表明：与传统型布拉格光栅温度传感器（BFBGT）相比，采用文丘里管的布拉格光栅温度传感器（VFBGT）能有效缩短温度响应时间。当流速为1m/s时，VFBGT传感器的工作响应时间从420ms减少到210ms；当流速为8.3m/s时，其工作响应时间从130ms减少到96ms。综上所述，该器件的高速响应时间特性为高精度系统的动态温度测量和实时快速温度补偿提供了新的设计参考。
参考文献
[1]X. Gao et al., "Deep Learning for Temperature Sensing With Microstructure Fiber in Noise Perturbation Environment," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1247-1250, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3313584.
[2]Y. Tang, X. Ding, Z. Li, C. Shao, Z. Huang and S. Liang, "Crosstalk-Free MIMO VLC Using Two Orthogonal Polarizations Multiplexed Large FOV Fluorescent Antennas," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1271-1274, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3312327.
[3]Y. Li, R. Zhu, E. Xu and Z. Zhang, "Frequency-Doubling Brillouin Optoelectronic Oscillator With Variable Optical Attenuator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1307-1310, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3319949.
[4]B. Zhuang et al., "6 GHz Repetition Rate and Tunable Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1351-1354, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3321937.
[5]Y. Han et al., "Bandwidth Extension of EML Chip-on-Carrier Submodule Using Precise Parameters Extraction," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 23, pp. 1251-1254, 1 Dec.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3314637.
[6]Z. Ye et al., "Fast Response Fiber Optic Temperature Sensors Based on Venturi Tube," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 24, pp. 1347-1350, 15 Dec.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3326653.
