2025年2月PTL光通信论文评析

4/15/2025，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，崔梦琦。

        2025年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：掺杂光纤、光学辅助无线前传、随机数生成器、自由空间光通信、光电探测器、光子滤波器等，笔者将逐一评析。

1、掺杂光纤
        上海大学光纤研究所的Dandan Liu等研究人员设计了具有凹陷结构的环形纤芯镱掺杂光纤（RCYDF）[1]，如图1所示；它支持以高效率、高模式纯度生成圆柱向量光束（CVB）。研究人员提出用重叠因子比（OFR）来表征高阶纤芯模式（LP11）的工作特性，当OFR>1时，表明激光腔内可能实现LP11模式振荡。研究结果证明：该光纤支持在LP11模式下工作，并能有效抑制衰减基模（LP01）；CVB激光器1062.36 nm中心波长下输出3dB带宽为0.08nm的激光，在阈值为168.76mW时实现了高转换效率（63.35%），其中径向偏振（TM01）和角向偏振（TE01）模式纯度分别为94.7%和93.2%。综上所述，该设计方案为精密光学加工和微操控提供了高纯度矢量光源解决方案。



2、光学辅助无线前传
        复旦大学ASIC与系统国家重点实验室的Mingxu Wang等研究人员设计了基于数字差分脉冲编码调制（DDP-FH）的光子辅助D波段无线前传方案[2]，并进行了长度为1.2公里的无线传输实验，如图2所示。他们使用保偏光耦合器 （PM-OC）将可调谐100kHz线宽外腔激光器生成的两路光载波耦合，并采用强度调制器（IM）中进行电信号调制，再应用可变光衰减器（VOA）调整光电二极管（UTC-PD）的接收光功率；在UTC-PD中生成125GHz毫米波信号后通过标准喇叭天线（HA）发送到自由空间，经1.2公里的无线传输后采用数字存储示波器（DSO）进行离线 DSP处理。研究结果表明：采用该方案在相同信噪比（SNR）下比采用传统数字脉冲编码调制（DP-FH）方案节省了约1.3倍带宽，且每增加一个单位带宽，SNR增益平均提升了5 dB。因为该方案将DPCM应用于光学辅助无线前传系统，能提升了带宽效率和传输性能，因此为未来5G/6G无线网络的高效前传提供了新的参考方案。



3、随机数生成器
        日本德岛大学LED光子学研究所的Omnia Nawwar等研究人员设计了基于混沌光频梳的高速随机数生成（RBG）技术，并通过数值模拟研究了射频带宽、光学带宽和采样率对随机数生成速率的影响[3]，如图3所示。研究人员使让来自每个梳状模式的混沌时间波形以波分复用（WDM）的形式组合，通过对每个时间波形的强度采样以获得随机值流，然后基于Lugiato-Lefever方程（LLE）分析了泵浦功率、微腔线宽和采样率等参数对混沌光频梳特性的影响，并设计了优化随机数生成速率的有效方案。研究结果表明：随着射频带宽的增加，随机数生成速率逐渐饱和，且高采样率需要更大射频带宽支持。综上所述，该研究揭示了混沌光频梳参数与随机数生成速率之间的关系，为高速随机数生成器的设计提供了借鉴方案，尤其在加密通信和计算模拟领域具有潜在应用价值。



4、自由空间光通信
        深圳职业技术学院电子与通信工程学院的Jiashun Hu等研究人员在受Tikhonov分布相位误差影响的双跳自由空间光（FSO）通信系统中研究了采用多进制相移键控（MPSK）调制时平均符号错误率（SER）性能[4]。在信道模型中，研究人员在分析Malaga湍流衰落与指向误差的基础上研究了强度调制-直接检测（IM/DD）和外差检测（HD）两种工作方式，推导了端到端信噪比（SNR）的概率密度函数（PDF）和SER闭合表达式，通过蒙特卡洛仿真验证了理论结果的准确性。研究结果表明：相位误差明显降低了双跳FSO系统的平均SER性能，尤其是在高信噪比（SNR）区域，出现了不可恢复的SER下限，如图4所示；虽然高阶PSK方案在频谱效率上表现良好，但对系统相位噪声敏感。因此，未来在FSO系统设计过程中，我们必须折衷考虑频谱效率、鲁棒性和复杂性的综合影响。



5、光电探测器
        印度理工学院的Pritika Singh等研究人员设计了采用溶胶-凝胶法制备高质量氧化锌（ZnO）薄膜的UV-A选择性光电探测器[5]，如图5所示。该器件为金属-半导体-金属（MSM）结构，由银电极和氧化锌薄膜构成。研究人员采用溶胶-凝胶法在玻璃基底上形成沉积ZnO薄膜，然后采用热蒸发法在薄膜上涂覆厚度约为80nm的两个横向银(Ag)电极，应用源表（Keithley 2612A）进行电流-电压测量。研究结果表明，接收信号的最大响应为43A/W、半峰全宽（FWHM）为38nm、检出率为7.4×10-13Jones、外量子效率（EQE）为15444%。综上所述，上述设计方法为制备高可靠的光电探测器提供了一种降本增效的解决方案。



6、光子滤波器
        格拉斯哥大学的Simeng Zhu等研究人员设计了基于啁啾采样光栅的双波段可调谐光子滤波器[6]，如图6所示。该装置由一个等效啁啾采样光栅（CSG）和两个π等效相移（π-EPSs）组成；研究人员通过改变π-EPSs的相移量来调整通带中心波长，基于等效啁啾技术设计了线性啁啾采样布拉格光栅，并在光栅腔内1/3和2/3处引入两个等效相移，从而在+1阶通道中形成两个通带。该装置利用了硅基热光效应，通过在芯片表面集成微加热器实现了两个波段的高效调谐。研究结果表明：在无注入电流时，传输光谱在阻带范围内含出两个通带，中心频率间隔为109.2GHz，消光比为17dB，并在间隔范围（60GHz~180GHz）内具有良好滤波能力。综上所述，该器件在宽带通信领域具有广阔的应用前景。



参考文献：
[1]D. Liu et al., "High-Efficiency High-Mode-Purity Cylindrical Vector Beam Based on Ring-Core Yb-Doped Fiber," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 4, pp. 187-190, 15 Feb.15, 2025, doi: 10.1109/LPT.2025.3528345.
[2]M. Wang et al., "Demonstration of 1.2-km D-Band Wireless Fronthaul Using Digital-Differential-PCM Scheme," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 4, pp. 183-186, 15 Feb.15, 2025, doi: 10.1109/LPT.2025.3528329.
[3]O. Nawwar, K. Minoshima and N. Kuse, "Parametric Study of Chaotic Combs for High-Rate Random Number Generation," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 3, pp. 153-156, 1 Feb.1, 2025, doi: 10.1109/LPT.2024.3522239.
[4]J. Hu, W. Wu, S. Wang, Y. Wu and Z. Zhang, "Error Probability of MPSK With Phase Errors in Dual-Hop FSO Communication Systems," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 4, pp. 231-234, 15 Feb.15, 2025, doi: 10.1109/LPT.2025.3531792.
[5]P. Singh, T. Dixit and V. Singh, "UV-A Selective ZnO Thin-Film Based Photosensor With Enhanced Detectivity and Linear Dynamic Range," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 4, pp. 203-206, 15 Feb.15, 2025, doi: 10.1109/LPT.2025.3529767.
[6]S. Zhu et al., "Dual-Band Photonic Filters With Wide Tunable Range Using Chirped Sampled Gratings," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 37, no. 3, pp. 169-172, 1 Feb.1, 2025, doi: 10.1109/LPT.2025.3525549.