2021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，胡钦政，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨骐铭，于妮
    8/09/2021，光纤在线讯，2021年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光栅耦合器、光纤传感器、开关器件、光源和可见光通信系统等，笔者将逐一评析。

1、光栅耦合器
 
    清华大学的Lirong Cheng等研究人员设计了一种支持耦合光纤上下游信号的三端口光栅耦合器（TPGC）。该器件通过在偏振分离光栅耦合器上添加输出端口来将上游波长耦合至下游波长实现双波长工作。研究人员将TPGC的端口1和端口2用于耦合极化分集的下游S波段信号，端口3用将上游O波段信号耦合到单模光纤中，结构如图1所示。研究表明，TPGC既能用作波分复用无源光网络收发器芯片的输入输出（I / O）端口，也可用作分光器；与现有的双波长光栅耦合器相比， TPGC具备更高的耦合效率，且在O波段和S波段的峰值耦合效率值分别为2.93 dB（1266 nm处）和3.50 dB（1481 nm处）[1]。


图1 三端口光栅耦合器结构

2、光纤传感器

    武汉理工大学的Shun Wang等研究人员将反共振（AR）效应与多模干涉（MMI）理论相结合设计了一种可以同时测量曲率和温度的内联式光纤传感器。该器件通过将多模光纤（MMF）和玻璃毛细管嵌入单模光纤（SMF）构造了单模多模反谐振（SMAR）波导，结构如图2所示；并通过AR引起的损耗谷底强度和MMI引起的衰减波长计算曲率和温度。研究表明，该传感器在AR损耗谷处进行强度解调可以获得-9.25 dB/m-1的曲率灵敏度，在MMI倾角处进行波长解调可以获得30 pm /°C的温度灵敏度和-0.079 dB /°C的微强度灵敏度[2]。


图2 内联式光纤传感器结构

3、开关器件

吉林大学的Yang Gao等研究人员设计了一种由两个级联多模干涉（MMI）耦合器组成的聚合物波导模式选择开关（MSS）。该器件由两个级联MMI耦合器和一个热移相器组成，支持通过选择E00和E10模式切换不同的数据通道，结构如图3所示。研究人员采用光束传播法对聚合物波导尺寸进行优化，并通过实验测试了MSS的可行性，证明MSS在1530nm至1585 nm的波长范围内具有良好性能。研究表明，MSS在两个输出通道之间的模式切换功率低至4.5mW和12.3mW，最低插入损耗（IL）值为5.5 dB，消光比和串扰比分别低于19.7 dB和19.6 dB，并且在1550 nm处的模式串扰值小于-19.6 dB[3]。


图3 MSS的结构

4、光源

    武汉大学的Jie Liu等研究人员设计了一种激光控制发光二极管（LED）内荧光粉颗粒快速固化和沉降的新方案。该方案采用高密度激光辐照引起荧光粉凝胶快速固化和重力效应，实现通过颗粒沉降控制LED内荧光粉颗粒的空间分布，方案如图4所示。研究人员在分配涂覆过程中优化了高空间颜色均匀性（ACU）的磷光体颗粒分布模式；研究表明，该方案的选择性固化涂层将角平均相关色温（CCT）差异减小了74％以上，并且在-70°至70°的视角范围内实现了184K的较小CCT差异，选择性固化涂层的光强度分布与其他类固化光强度分布之间的皮尔逊相关系数大于0.999[4]。


图4 固化和沉降方案示意图

5、可见光通信系统

华南理工大学的Geyang Wang等研究人员提出了一种用于正交频分复用非正交多址可见光通信（OFDM-NOMA VLC）系统的新型子载波和功率分配方案。该方案采用对数效用函数，使得单个子载波上的复用用户数不等于总用户数，提高了OFDM-NOMA VLC系统中的吞吐量和用户公平性，系统模型如图5所示。研究人员在该方案中考虑了实际VLC系统中的各种约束条件，并采用遗传算法解决了非凸优化问题。研究表明，当信噪比为2.5dB时，与传统的增强型功率分配、固定型功率分配和增益比型功率分配方案相比，该方案的吞吐量分别提高了11％，22％和125％，用户公平性分别提高了23％，30％和49％[5]。


图5 OFDM-NOMA VLC系统模型

参考文献
[1]      L. Cheng, S. Mao, C. Zhao, X. Tu, Q. Li and H. Y. Fu, "Three-Port Dual-Wavelength-Band Grating Coupler for WDM-PON Applications," 
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 3, pp. 159-162, 1 Feb.1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3049270.

[2]      S. Wang et al., "Curvature and Temperature Sensor Based on Anti-Resonant Effect Combined With Multimode Interference," 
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 3, pp. 127-130, 1 Feb.1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2020.3048988.

[3]      Y. Gao, X. Sun, P. Li and D. Zhang, "Polymer Mode Selecting Switch Based on Cascaded MMI Couplers," in IEEE Photonics
 Technology Letters, vol. 33, no. 3, pp. 147-150, 1 Feb.1, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3049414.

[4]      J. Liu et al., "Tailoring Particle Distribution for White LEDs With High Color-Uniformity by Selective Curing," in IEEE Photonics 
Technology Letters, vol. 33, no. 4, pp. 193-196, 15 Feb.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2020.3046740.

[5]      G. Wang, Y. Shao, L. -K. Chen and J. Zhao, "Subcarrier and Power Allocation in OFDM-NOMA VLC Systems," in IEEE 
Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 4, pp. 189-192, 15 Feb.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3051020.