2024年1月PTL光通信论文评析

2/29/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，陈超，胡文光，李文臣，杨林婕，柳海楠，张颜鹭，靳清清，岳京歌。

2024年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：表面等离子体激元，光纤传感器、全介质超表面结构，象限探测器，电光调制器，光子雷达等，笔者将逐一评析。

1、表面等离子体激元
印度帕特纳国家理工学院的Sajjan Kumar Jha等研究人员采用Fano共振表面等离子体激元（SPP）设计了一种能同时检测多样本的方案，如图1所示。实验装置基于二氧化硅衬底实现，其中高度h1部分提供机械支撑；用银蚀刻出窄宽度通道w（形成光波导）和高度h2部分，产生垂直短截线和矩形空腔；上述垂直短截线和矩形空腔可以独立限制不同波长的SPP，最终产生生成Fano谐振峰。研究人员将多样本填充进独立的SPP限制区域，并记录相应的Fano光谱变化，验证数值计算得到的多个Fano共振透射光谱特征值。研究结果表明：在450-1150nm波长范围内，该方案能同时测量两种样本，折射率灵敏度为1057.142nm/RIU，半高全宽为3.16nm，品质因数（FOM）为334.53RIU-1，Q因子为337.16。综上所述，上述共振操作和传感属性适用于单传感器进行不同样品的检测。



2、光纤传感器
上海大学的Qi Zhang等研究人员设计了一种新型共光路法布里-珀罗干涉仪（FPI），利用锥形腔和光纤准直器（分离光束）实现了大范围位移传感器温度补偿，如图2所示。该器件由单模光纤（SMF）、梯度折射率光纤（GIF）、空心光纤（HCF）等组成。当光束传播到GIF与HCF之间端面时，一部分光被反射，剩余光束继续传播并分散至锥型光纤侧壁和内部的空气区域；分散光束在HCF端面和外反射器端面处发生反射，三束反射光相互发生干涉。外部法布里-珀罗干涉仪（EFPI）用于测量位移，内部法布里-珀罗干涉仪（IFPI）用于测量温度。研究结果表明：在50-600℃范围内，位移传感范围可达45.3mm，温度响应为1.8nm/℃，该器件具有较好的耐高温特性。综上所述，该器件具有大范围位移监控能力以及一定的恶劣环境适应性，未来有望在结构健康监测领域展现出较大应用潜力。



3、全介质超表面结构
江西师范大学Junjie Li等研究人员设计了一种通过控制纳米孔位置同时激发连续体束缚态（BIC）和极化模式的全介质超表面结构，有效抑制了辐射损耗，如图3所示。他们将含矩形纳米孔的规则八边形硅阵列构建于超表面并放置在二氧化硅上，并将超表面浸入折射率为1.3的液体中；通过破坏单位元的对称性，环形偶极子（TD）和磁四极矩（MQ）控制的两个准BIC被激发出高值Q因子。研究结果表明：该超表面表现出明显的极化不敏感性和准BIC极化依赖性；在1200-1400nm工作波长范围内，可测得210、191和241.7nm/RIU的高灵敏度以及3500、1910和69 RIU -1的高品质因数，实现了较好的多模式和低损耗折射率传感性能。综上所述，这种全介质超表面结构在强耦合、偏振调制、高灵敏度折射率传感等方面将具有良好的应用前景。 



4、象限探测器
埃及日本联合科技大学的Micah Baleya等研究人员设计了一种集成神经网络的象限探测器（QD）以精确定位激光光斑。象限检测器是一种光敏表面传感器，可用于位置确定、对准和跟踪系统（由四个对称pn结光电二极管组成）。输出信号的偏移量与激光光斑在量子点上的精确位置之间一般存在非线性关系，可能影响位置检测精度。为了降低该影响，研究人员采用了神经网络集成解决方案，如图4所示；其原因是该方案可结合多个人工神经网络（ANN）模型的预测能力，与单神经网络相比具有更好的泛化和预测稳定性。研究结果表明：相比径向基函数神经网络（RBFNN）方案，如果针对半径为0.75 mm的激光束，该模型实现的均方根误差（RMSE）值能降低26.36%；相比前馈神经网络（FFNN）方案则能降低43.32%；相比同等计算复杂度的人工神经网络方案，集成的RMSE比FFNN低33.53%，比RBFNN低25.59%。综上所述，应用该方案增强了点位置预测的稳定性并提高了准确性，较易扩展到任何位置的检测系统中。



5、电光调制器
日本电报电话公司设备创新中心的Josuke Ozaki等研究人员设计了一种大带宽相干驱动电光调制器（HB-CDM），如图5所示；其中包括一个基于InP的异质结构双IQ调制器芯片（含差分电容负载行波电极（CL-TWE）和4通道线性SiGe BiCMOS驱动芯片）。通过调节封装内驱动器与盖子间的垂直空间距离（该距离决定了腔谐振频率），研究人员实现了平滑电光（EO）响应，并可确保共振频率在100 GHz以上。研究结果表明：该器件实现了超过90 GHz的3dB带宽，没有任何振荡效应；应用该器件可有效实现高达168Gbaud的双偏振16-QAM调制过程（这是迄今为止使用HB-CDM报道的最快的工作波特率）。综上所述，该器件满足了光传输系统发展过程中急需的高波特率工作要求，增加了每个波长的传输容量，未来有望在长距离光通信系统中应用。



6、光子雷达
浙江大学Qingshui Guo等研究人员设计了一种有实时探测能力且提供多波段敏捷性操作的光子雷达，如图6所示。该方案采用双偏振马赫-曾德尔调制器（DP-MZM）调制的光信号与锁模激光（MLL）光脉冲耦合，在正交偏振方向实现了基带信号采样和回波信号接收。从DP-MZM的部分输出信号中研究人员提取光采样下的基带信号后将其变换为微波信号，再通过带通滤波器选择特定谐波混频信号，以获得预期频段内的换雷达发射信号。同时，DP-MZM的另一部分光信号经偏振解复用为参考信号和接收信号；再利用平衡光电探测器对参考光信号和接收光信号进行检测，可完成雷达回波信号的去啁啾过程。研究结果表明：应用 K波段带宽为6 GHz （18-24 GHz）的光子雷达可获得的距离分辨率为2.22厘米。综上所述，该方案在未来多波段雷达探测领域具有一定的应用潜力。



参考文献
[1]Q. Zhang et al., "Wide-Range Displacement Sensor Based on Common-Path FPI for High Temperature Application," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 87-90, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3336635.
[2]S. K. Jha, G. Varshney and R. Kumar, "Generation of Multiple Plasmonic Fano Resonances and Detection of Distinct Analytes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 103-106, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3332816.
[3]J. Li, Y. Cheng, D. Zeng, Z. Liu, W. Liu and G. Liu, "Polarization Modulation and Optical Sensing Enabled by Nonradiative Modes in Dielectric Metasurfaces," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 135-138, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3338773.
[4]M. Baleya, H. Shalaby, K. Kato and M. Elsabrouty, "Neural Network Ensemble for Precise Laser Spot Position Determination on a Quadrant Detector," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 115-118, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3337722.
[5]J. Ozaki, Y. Ogiso, H. Yamazaki, Y. Hashizume, M. Ishikawa and N. Nunoya, "Oscillation Suppression of EO Response in Coherent Driver Modulator for Over 160 Gbaud Operation," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 119-122, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3339960.
[6]Q. Guo, S. Liu, T. Chai, H. Chen, K. Yin and C. Ji, "Real-Time Photonic Radar With Multi-Band Agility Based on Mode Locked Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 2, pp. 71-74, 15 Jan.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2023.3338613.