2024年11月PTL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PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：传感器、振荡器、像素前端装置、锥形单模光纤、激光器、光衰减器等，笔者将逐一评析。

1、传感器
        西安石油大学理学院的Min Shao等研究人员设计了一种结合单模光纤（SMF）、无芯光纤（NCF）、七芯光纤（SCF）制备的高灵敏度湿度传感器[2]，如图1所示。该器件使用NCF作为耦合器，激发并耦合SCF中的高阶模和基模产生多模干涉效应，多模干涉后的反射光谱可反映周围环境中的湿度变化。研究结果证明：针对人的呼吸情况，该器件的响应和恢复时间分别为0.82秒和0.86秒；在36-74.9% RH的土壤水分范围内，该器件可实现-0.439 dB/%RH的高灵敏度。该类传感器具有快速响应能力、高稳定性、高灵敏度且制造过程简便的应用优点，因此在实际应用中适用于类型湿度变化的监测。



2、振荡器
        厦门大学的Tongtong Xie等研究人员设计了新型双光环锁模光振荡器（OEO）[3]，该装置能产生微波频率梳（MEC），且无需外部信号注入；该装置由主回路和辅助反馈回路构成，如图2所示。振荡器工作过程如下：首先，激光二极管（LD）输出功率值为12dBm的连续光，通过马赫-曾德尔调制器（MZM）将生成的光信号输入单模光纤（SMF）；然后输出光信号经过50:50的光耦合器（OC）分别传输到两个光电探测器（PD1和PD2），经光电转换生成的电信号经电放大器放大，并输入电滤波器；最后，将电信号的一路输入示波器和电频谱分析仪以供观察，另一路与辅助反馈回路生成的电信号合并并反馈至MZM，实现OEO闭环工作。研究结果证明：该器件可生成带宽为60MHz、脉冲宽度为114.5ns（此时环路长度200m）的离散微波信号（MFC）。综上所述，该方案提升了锁模OEO生成MFC的鲁棒性，为克服中外部微波信号失谐和光电OEO环路自由频谱范围（FSR）内的失真问题提供了有益的参考借鉴。



3、像素前端装置
        英国爱丁堡大学工程学院的Maciej Wojtkiewicz等研究人员设计了紧凑型像素前端装置[1]，如图3所示。该装置由薄氧化层晶体管和单光子雪崩光电二极管（SPAD）组成，并经RC耦合连接采用3D堆叠技术制造；其前端装置可在接近阈值电压的情况下工作，并提升高光照条件下检测低幅度SPAD输出脉冲的灵敏度。研究人员通过调整输入反相器偏置电压（VPULLUP）调控了前端工作带宽和SPAD输出脉冲形状。研究结果表明：该装置在高光照条件下的工作动态范围可达126dB，最大计数率值达117Mcps。综上所述，该器件大幅提升了低幅度SPAD输出脉冲的检测性能，扩大了其动态工作范围，未来有望在汽车激光雷达（LiDAR）和其他存在高背景辐照度的技术领域应用。



4、锥形单模光纤
        墨西哥国家技术大学的J. Castrellon等研究人员设计了锥形单模光纤包覆有聚酯聚合物（T-SMF-CPP）的光纤曲率传感器[4]，如图4所示；该光纤通过火焰加热和拉伸方法制备，其表面用喷枪涂覆CPP（其制备原理是利用倏逝波与沉积在锥形光纤表面CPP的相互作用）。研究人员将波长范围在200-2000nm内的DH2000 BAL光源生成的光信号输入涂覆有CPP的T-SMF末端，并将另一端连接至光谱仪的末端；他们将传感器铺设在柔性丙烯酸板上（该板置于两个线性平移平台上，初始距离（L0）为200 mm），并通过千分尺螺钉调节将传感光纤弯曲至不同曲率。研究结果表明：通过增加CPP覆盖锥形纤维的长度可有效提升曲率传感器的灵敏度和测量范围。综上所述，上述该类传感器的制备方案具有成本低、效率高且易制备的优势，未来有望在多类场景传感器领域应用。



5、激光器
        南京大学的Liyun Hao等研究人员设计了一种自注入锁定型MOPA激光器[5]，可实现外部高质量非线性光纤谐振器（NFR）的高泵浦功率工作，如图5所示。该激光器由种子源和两级随机偏振掺铒光纤放大器（EDFA）构成。研究人员在EDFA之后放置光耦合器（OC-1）将输出功率分成两部分，其中1%用于延迟自外差干涉仪（DSHI）测量其线宽，其余部分直接输入NFR系统以生成非线性光谱；通过NFR的光被OC-2收集，其中90%的输出功率作为NFR的输出，剩下部分通过CIR端口1重新输入种子源中以形成光学反馈环路。研究结果表明：自注入锁定型MOPA激光器在其最大输出功率4.78W时具备3.9kHz的光谱线宽，比其自由运行状态时减少了约5.5×102的线宽值，并可生成50nm带宽的四波混频光谱。综上所述，应用该方案有利于以更简单、高效的方式生成高性能非线性光谱。



6、光衰减器
        中国科学院半导体研究所的Xin Xu等研究人员设计了集成马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的双模可变光衰减器（DM-VOA）[6]，该装置保证了TE0和TE1模式的同步衰减，如图6所示。该器件由平衡双模功率分配器（BDM-PS）和两组平行模式不敏感移相器（MI-PS）组成，但要实现两个模式的同步衰减则需满足以下条件：分配系数和相位差对模式不敏感，初始相位差是的整数倍。研究结果表明：应用该器件时，TE0和TE1模式的最大衰减深度值分别为31.33dB和20.81dB，所对应的驱动功率值为23.4mW和22.1mW；在0mW到22mW的驱动功率范围内，衰减曲线高度一致。综上所述，应用该器件时两个模式的同步衰减率高、响应速度快，可广泛应用于模式不敏感光功率衰减或光交换系统中，并为模式不敏感型光信号互联应用提供了有价值的参考借鉴。



参考文献
[1]M. Shao, Y. Yu, H. Gao, Y. Song and X. Qiao, "Reflective High-Sensitivity Humidity Sensor Based on Single Mode-No Core-Seven Core Fiber Structure," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 21, pp. 1273-1276, 1 Nov.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3462417.
[2]T. Xie, Y. Wang, X. Cai, W. Dai, H. Chen and H. Fu, "Mode-Locked Optoelectronic Oscillator Based on a Dual-Optical-Electrical-Loop," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 22, pp. 1309-1312, 15 Nov.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3469277.
[3]M. Wojtkiewicz, B. Rae and R. K. Henderson, "126 dB High Dynamic Range SPAD Frontend for Time of Flight Applications," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 21, pp. 1293-1296, 1 Nov.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3465224.
[4]J. Castrellon-Uribe, J. J. Medina-Cabrera, M. C. Soto-Robles, J. A. Sandoval-Espino and R. E. Nu?ez-Gómez, "Tapered Optical Fiber Coated With a Polyester Polymer as a Curvature Sensor," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 21, pp. 1281-1284, 1 Nov.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3466120.
[5]L. Hao, S. Li, Y. Li, J. Zhao, Z. Xie and J. Chang, "A Self-Injection Locking MOPA Laser for High Power External Cavity Enhancing Optics," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 21, pp. 1253-1256, 1 Nov.1, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3460378.
[6]X. Xu, S. Liu, X. Fu, J. Niu and L. Yang, "Dual-Mode Variable Optical Attenuator Based on Balanced Multimode Power Splitters on SOI Platform," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 22, pp. 1313-1316, 15 Nov.15, 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3427699.