2024年11月JLT光通信论文评析

12/30/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，张颜鹭，张旭，许占夺，向泓劲，匡富豪，贾岚斯，隆茜，闽哲浩，崔梦琦。

        2024年11月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：多芯光纤、调制器、光栅传感器、光电二极管、光子辅助模拟前传、非线性合成器等，笔者将逐一评析。

1、多芯光纤
        西班牙瓦伦西亚理工大学电信与多媒体应用研究所的Sergi García和Ivana Gasull设计了利用色散分集异质多芯光纤实现微波信号光子时间算子的新方案[1]；其中，信号样本在同的光纤芯层产生，并经过色散适配实现可调样本差分延迟，实验装置如图1所示。研究人员使用的光纤长5千米（由7个独特沟槽辅助阶跃型异质纤芯组成（具有不同的折射率））；由于该类型光纤提供了色散增量值，因此可被设计为可调的样本化TTDL。研究人员演示了高达第四阶时域微分以及具有从348至730ps集成窗口的7样本时域积分过程，显示了不同时间算子下该方案的可扩展性和并行工作潜力。因此，该方案为未来高速光学计算和信号处理技术的发展开辟了新型应用途径。



2、调制器
        日本横滨国立大学工程科学研究院的Ryotaro Nakazawa等研究人员设计了1550 nm圆形贴片天线耦合型量子阱光调制器[2]结构，其核心层由多个五层非对称耦合量子阱结构组成。他们制作了外半径为 330μm、间隙半径为310μm的圆形天线光相位调制器，并对该器件在60Ghz毫米波段的调制特性进行了分析和比较。研究结果表明：该器件支持与入射毫米波偏振角无关的相位调制；工作在60 GHz 毫米波频段时，其相移率为55.0 dB（相移3.56 mrad）；在入射功率密度为4.4 W/m2时，无线电波的任何偏振角都能产生3.0至3.6 mrad的相移。因为该研究方案中的调制器不仅具备易于集成半导体激光器的优点，还具备物半导体量子阱的高调制特性，因此有助于调制器小型化，低成本化的演进。



3、光栅传感器
        中国计量大学的Yi Chen等人设计了一种新型不均匀光栅超表面[3]结构，并通过调整相邻硅柱的宽度和间隙，研究了具有不对称轮廓介电光栅的谐振特性；通过比较分析传统均匀光栅证明了该类型非均匀光栅的应用优势。他们将设计的无基底非均匀光栅超表面应用于传感响应过程，通过微流控技术实现了物质检测。通过在光栅超表面传感器中填充分析物，评估了光栅超表面传感器对分析物变化的响应（可使品质因数值达到114.86，灵敏度值达到189GHz/RIU）。研究人员采用光刻技术制造了光栅样品，完成了均匀光栅超表面高深度蚀刻过程，并将其封装到了微流体传感器中；并采用不同浓度的BSA溶液（牛奶、无水乙醇与油醚）进行了实验，验证了该微流体传感器用于生物分子检测的可行性。综上所述，该方案有望在生物分子检测发挥关键作用。



4、光电二极管
        上海理工大学的Linze Li等研究人员设计了基于lnP倏逝耦合波导改性单行载波光电二极管（MUTC-PD）[4]；通过设计掺杂度增强了电子传输效率并补偿了高光功率注入下的空间电荷效应；通过调整波导层的折射率和厚度，优化了光耦合与载流子的传输过程；通过在共面波导（CPW）电极下引入苯并环丁烯（BCB），有效降低了寄生电容，能获得更适合的RC限制带宽。实验证明：如使用2×7μm2与2×10μm2大小的器件可实现超过220GHz的3dB带宽（外部响应度分别为0.161 A/W和0.237 A/W）。综上所述，该器件能支持高带宽以及良好响应度工作，未来有望在InP光子集成电路领域发挥作用。



5、光子辅助模拟前传
        瑞典皇家理工学院的Rafael Puerta等研究人员构建了模拟无线光纤（ARoF）和模拟自由空间光通信（ARoFSO）技术在6G网络中的应用系统，如图5所示[5]。他们依据5G/NR标准对该方案进行了误差矢量幅度（EVM）和邻道泄露比（ACLR）的合规性测试，研究结果表明：接收到的100MHz带宽C波段NR信号中其EVM值低于9%，ACLR值大于45dB，满足第三代合作伙伴计划（3GPP）的要求；在采用分布式（D-MIMO）信道的相干联合传输（CJT）实验中， ARoF前传链路实现了5.35dB的MIMO增益，ARoFSO前传链路则达到了5.11dB；在4X4 MIMO系统中，ARoF前传链路的MIMO增益高达9.4dB。综上所述，该方案为6G网络中多信道传输信号收发质量的提升提供了借鉴参考。



6、非线性合成器
        华中科技大学的Wenkai Zhang等研究人员设计了基于矢量空间维展开的光子非线性合成器（PNS），如图6所示[6]。他们研制了含八个非线性通道的集成型PNS，并实验验证了其具备的各种离散非线性功能，包括逻辑门（AND, OR, XOR）、二进制转换器等状态转换机制。研究结果表明：PNS在实现基本逻辑门功能时输出值与理论值吻合，且在不同输入状态下相同输出逻辑电平的强度能保持相对一致，显示出较好的非线性转换性能；该器件还支持对连续非线性Sigmoid和Sine函数曲线的拟合，其实际响应与目标非线性曲线表现相似。综上所述，因为该器件在复杂非线性功能实现方面具备一段的应用潜力和灵活性，因此上述方案中采用的光子计算技术未来有望在高速数据处理和宽带通信系统领域发挥作用。



参考文献
[1] GARC?A S, GASULLA I. Photonic Temporal Operators for Microwave Signals Enabled by Multicore Fibers[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(21): 7596-7603. DOI:10.1109/JLT.2024.3431247.
[2] NAKAZAWA R, SEKIGUCHI G, OTAGAKI Y, et al. Quantum Well Optical Modulator With Circular Patch Antenna for Millimeter-Wave Radio Over Fiber System[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(21): 7468-7475. DOI:10.1109/JLT.2024.3445632.
[3] CHEN Y, HUANG X, YAO G, et al. Microfluidic Sensor Based on Substrate-Free Non-Uniform Metagrating[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(21): 7498-7506. DOI:10.1109/JLT.2024.3405198.
[4] LI L, WANG L, LONG T, et al. Ultra-Fast Waveguide MUTC Photodiodes Over 220 GHz[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(21): 7451-7457. DOI:10.1109/JLT.2024.3379188.
[5] PUERTA R, JIANG T, JOHARIFAR M, et al. Analog Mobile Fronthaul for 6G and Beyond[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(21): 7458-7467. DOI:10.1109/JLT.2024.3435770.
[6] ZHANG W, WU B, LI J, et al. Photonic Nonlinear Synthesis by Vector-Spatial Dimension Expansion[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(22): 7888-7893. DOI:10.1109/JLT.2024.3443918.