2020年7月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，胡钦政，王壮，杨杰

    8/19/2020，光纤在线讯，2020年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括硅光子学、集成光电子学、调制技术、光纤通信技术、光纤激光器等。笔者将逐一评析。

硅光子学
中国西北大学的Bokun Zhou等研究人员设计了一种高速电光调制器，该器件采用了铟锡氧化物（ITO），氧化铟（In2O3）等透明导电氧化物（TCO）材料。TCO具有较高等离子体分散特性和ε-接近零（ENZ）效应，可以在较宽的光学带宽上产生光强电吸收（EA）现象；基于以上特性能设计出小尺寸及高速率的电光调制器。研究人员表征了由Au / ITO /氧化物/ p-Si电容器组成的电光调制结构，并验证了ITO性能受工艺条件的影响特性，演示了由ITO驱动的混合等离子体硅光调制器，如图1所示。通过优化器件布局并调整栅极层厚度，电容可减小至100fF，串联电阻保持在500Ω。8μm长的EA调制器的消光比（ER）达到3.2dB，电压摆幅仅为2V，能量效率为100fJ。研究结果表明，使用迁移率更高的TCO材料代替ITO，3μm长器件就能实现40 GHz调制带宽和0.4 fJ/bit的能量效率[1]。

图1调制器示意图

集成光子学
美国麻省理工学院的Shaoliang Yu等研究人员设计了一种采用微细加工自由曲面的光学反射器耦合方案，如图2所示；该方案不同于通过两器件的直接对接耦合或优化衍射光栅进行耦合，而是使用自由曲面反射器同时实现了光束重定向和整形(用于模式匹配)的功能，并可以广泛地适用于光子芯片、光纤和自由空间表面入射器件之间的耦合。研究结果表明，该方案满足了光学接口的关键性能要求，具有极低的耦合损耗(每个耦合器0.2-0.3dB)、超大带宽(超过半倍频程)、高密度和可调整的对准误差。实验结果表明，波导到光纤的耦合过程中只存在0.9dB的低插入损耗(IL)[2]。

图2 光学反射器的耦合方案
调制技术
中国中山大学的Zibin Li等研究人员设计了一种新型频分复用(DFT-S SEFDM)系统，如图3所示。研究人员在光强度调制直接检测(IM-DD)系统中采用DFT-S技术降低了信号的峰均功率比(PAPR)；同时采用对数最大后验(log-MAP)维特比(Viterbi)算法和级联二进制相移键控迭代检测(CBID)算法，改进了DFT-S SEFDM系统。实验结果表明，DFT-S SEFDM比传统方案有更低的峰均比性能；在2 km标准单模光纤(SSMF)传输后，可以获得超过10 Gb/s的净数据速率，并且DFT-S SEFDM对带宽限制有较高容忍度。研究结果表明：DFT-S SEFDM在C波段系统中有应用优势，且能减轻色散引起的功率衰落[3]效应。

图3 SSMF传输DFT-S SEFDM信号的实验装置

光纤通信技术
英国伯明翰阿斯顿大学的Morteza Kamalian-Kopae等研究人员设计了一种基于全频谱周期非线性傅立叶变换(NFT)的光纤通信系统，如图4所示。研究人员通过控制非线性频谱，并对两个定性不同的分量进行操作（频谱和相位），设计了适合信道传输特性的时域信号。设计核心思路是基于RHP进行信号处理，从调制非线性频谱生成时域信号考虑完成并行信号样本的处理。研究人员还提出了一种使用RHP公式获得精确周期信号的方法，还阐明了如何调制单周期非线性模态相位。通过数值模拟仿真，研究人员从误码率和Q因子对传输系统的性能进行了评估，证明了该系统有潜在应用前景[4]。 

图4 于全频谱周期非线性傅立叶变换(NFT)的光纤通信系统

光纤激光器
中国国防科技大学的Jun Ye等研究人员对磷硅酸盐随机光纤激光器的极值频移过程进行了研究，分析了泵浦波长和带宽对磷硅酸盐RFL激光性能的影响，并测量了相关拉曼增益峰的极大频移。他们使用修正的功率平衡模型，定性模拟了泵浦光谱和边界条件对光输出的影响；数值模拟结果与实验结果吻合较好，也解释了磷硅酸盐射频激光器中的寄生振荡现象。研究结果表明，磷硅酸盐射频激光器的极大频移值为～1THz，如图5所示；通过优化泵浦波长和泵浦带宽，可在1237nm处以33.1W输出功率获得99.24％的高光谱纯度随机激光[5]。

图5实验装置以及拉曼增益分布
参考文献
[1] B. Zhou, E. Li, Y. Bo and A. X. Wang, "High-Speed Plasmonic-Silicon 
Modulator Driven by Epsilon-Near-zero Conductive Oxide," in Journal 
of Lightwave Technology, vol. 38, no. 13, pp. 3338-3345, 1 July1, 2020, 
doi: 10.1109/JLT.2020.2979192.
[2] S. Yu, H. Zuo, X. Sun, J. Liu, T. Gu and J. Hu, "Optical Free-Form Couplers for
 High-density Integrated Photonics (OFFCHIP): A Universal Optical Interface," in 
Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 13, pp. 3358-3365, 1 July1, 2020, 
doi: 10.1109/JLT.2020.2971724.
[3] Z. Li et al., "DFT Spread Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing for 
IM-DD Transmission in C-Band," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 
13, pp. 3526-3532, 1 July1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2019.2950040.
[4] M. Kamalian-Kopae, A. Vasylchenkova, D. Shepelsky, J. E. Prilepsky and S. K. 
Turitsyn, "Full-Spectrum Periodic Nonlinear Fourier Transform Optical 
Communication Through Solving the Riemann-Hilbert Problem," in Journal of 
Lightwave Technology, vol. 38, no. 14, pp. 3602-3615, 15 July15, 2020, doi: 
10.1109/JLT.2020.2979322.
[5] J. Ye et al., "Investigations on the Extreme Frequency Shift of Phosphosilicate 
Random Fiber Laser," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 14, pp. 
3737-3744, 15 July15, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2977389.