2020年2月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
3/23/2020，光纤在线讯，2020年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：有源器件、无源器件、光纤传输系统、光子系统、光学传感器和测量系统等，笔者将逐一评析。

1. 有源器件

    南京信息工程大学的Wen-Jian Kuang等研究人员采用溶液法制备了ZnS/碳量子点（QD）垂直异质结场效应光电晶体管，如图1所示。他们使用为2.2nm、带隙为4.5eV的ZnS QD沉积光吸收QD层，在波长约为290nm处产生了截止效果。该光电晶体管的光响应率为137mA/W，外量子效率（EQE）为66.6%，由于垂直异质结在耗尽模式下的有效载流子会产生分离，响应时间为0.2s。研究结果表明，垂直异质结结构是一种较有应用前途的溶液处理紫外光电探测器设计方案[1]。

图1（a）ZnS/碳量子点光电晶体管，（b）QD光电晶体管的光学显微镜图像，（c）ZnS/碳QD异质结的能带排列

2. 无源器件

    中国计量大学的X. Q. Bai等研究人员设计了一种用于微腔谐振器回音壁模（WGM）激励的集成光纤耦合器，如图2所示。该器件通过一个开放的微通道将微球嵌入光纤内腔中来制备，并通过倏逝场耦合来激发各种WGM；另外，在透射光谱中观察到斜率为-13.88 dB/nm及Q因子为1.81×103的非对称Fano共振线形和对称洛伦兹线形。该光纤谐振腔耦合结构具有结构紧凑、成本低、鲁棒性好等特点[2]。


图2 光纤耦合WGM微球谐振腔光路

3. 光纤传输系统

    加拿大麦吉尔大学的Md. Ghulam Saber等研究人员在100G PON下游应用中，使用20G硅基发射机和25G光放大PIN+TIA基接收机在O波段中通过50 km标准单模光纤（SMF）进行了100 Gb/s/λ双二进制PAM-4（DB-PAM-4）传输，实验装置如图3所示。在误码率（BER）低于低密度奇偶校验前向纠错（LDPC-FEC）阈值（即1×10-2）时，经过背靠背（B2B）、20km和50km单模光纤传输后的接收机灵敏度分别为-15dBm、-14.5dBm和-12dBm，在接收机中使用了131抽头线性前馈均衡器（FFE）。结果表明，在通过20 km传输时可以实现20 dB的功率预算。此外，他们还测试研究了99Gb/s（33Gbaud）PAM-8信号的传输性能，结果表明，在LDPC-FEC阈值下，DB-PAM-4信号比PAM-8信号的灵敏度高5.3dB[3]。


图3 实验装置

4. 光子系统

    上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室的Min Ding等研究人员设计了一种基于光采样的微波器件宽带光子网络分析仪（PNA），不仅能实现宽带测量过程，还避免了传统电网分析仪（ENA）中繁琐的混频过程，相关原理如图4所示。研究人员采用频域方法来测量散射参数（S参数），被测设备（DUT）在具有扫频连续波正弦信号的激励下产生相应响应信号，通过光采样脉冲串捕获响应信号，并进行光电检测和量化分析；S参数幅度是基于DSP的量化结果来计算的。PNA带宽是由单个光脉冲的时间形状和调制器频率响应决定，它在商用应用中能达到100GHz以上的带宽。研究人员在可测频率跨度高达35GHz的PNA中进行了实验验证，测量了25GHz低通滤波器在1～35GHz范围内的S参数幅度，实验结果与商用ENA的测试结果吻合。



图4 基于模拟光采样链路的光子网络分析仪工作原理

5. 光学传感器和测量系统[/b]

    上海大学现代光学系统上海重点实验室的Weiyan Kang等研究人员设计了一种基于全偏振保持（PM）光纤激光同步系统的高性能光子上变频探测器，如图5所示；其中采用的符合抽运技术能够将脉冲红外光子光谱转换为可见光，转换效率为72%。在低噪声等效功率为3×10-17w/Hz1/2的情况下，上变频探测器的探测效率达到30%。上述上变频检测系统基于保持全偏振的光纤结构实现，有利于提高系统的紧凑性和鲁棒性。该器件的长期稳定性表现在至少十小时的运行中，计数率相对波动值小于0.26％。由于该上变频探测器具有很强的鲁棒性和高效性，可以应用于远程光谱检测和超灵敏红外成像过程[5]。


图5 （a）掺Yb和掺Er光纤激光器（YDFL和EDFL）的全PM同步系统；（b）泵浦源工作过程；（c）被动同步泵浦的单光子上转换探测过程

参考文献

[1]Wen-Jian Kuang; Zhen-Peng Wang; Hao Liu, et al. ZnS/Carbon Quantum Dot Heterojunction Phototransistors for 
Solar-Blind Ultraviolet Detection[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2020,32(4): 204-207.

[2]X. Q. Bai; D. N. Wang. An In-Fiber Coupler for Whispering-Gallery-Mode Excitation in a Microsphere Resonator[J]. 
IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(4): 188-191.

[3]Md. Ghulam Saber; Ramón Gutiérrez-Castrejón; Md. Samiul Alam, et al. 100 Gb/s/λ Duo-Binary PAM-4 
Transmission Using 25G Components Achieving 50 km Reach[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(3): 138-141. 

[4]Min Ding; Zhengtao Jin; Jianping Chen, et al. Photonic Network Analyzer Based on Optical Sampling[J]. 
IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(4): 212-215.

[5]Weiyan Kang; Bowen Li; Yan Liang;et al. Coincidence-Pumping Upconversion Detector Based on 
Passively Synchronized Fiber Laser System[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(4): 184-187.