2020年8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

    2020年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光源、有源器件、无源器件、滤波器件、光纤无线系统等，笔者将逐一评析。

1、  光源

华中科技大学的Enmao Song等研究人员设计了基于1050nm Yb:YAG薄盘激光器的1030nm多通道泵浦稳定最小热负荷激光工作模式；该设计中的薄盘状结构采用了多通道泵浦方案，不仅可以克服1030nm波长低吸收系数的应用劣势，还能稳定激光模式，提高光束质量和发射效率。研究人员分析了修正热负荷模型，使得增益介质产生的最大总分数热负荷为1.05％，并通过增加泵浦次数和泵浦光斑大小来提高输出功率，实验装置如图1所示。实验研究表明，60次抽运泵浦在基本模式下提供的最大输出功率为6.32 W，光学效率为18.1％。



图1多通道抽运薄圆盘激光器的实验验证

2、  有源器件

    香港大学eyu Tong等研究人员设计了一种可直接耦合到7通道多芯光纤（MCF）的超紧凑型高容量硅光子发射器。该发射器包含七个与垂直光栅耦合器（PVGC）阵列连接的GeSi电吸收调制器（EAM），采用平面外耦合支持实现高端口密度的空分复用（SDM），且无需对MCF进行倾斜抛光。研究人员1.12 Tbit/s SDM-PAM-4系统中使用了硅光子发射器进行了实验，信号收发装置及数字信号处理过程如图2所示。研究表明，硅光子发射器面积仅为1.8 mm×0.45 mm，支持1.12 Tbit /s的数据传输速率；基于高速数字信号处理过程，每个EAM在背对背系统中支持160 Gbit /s的数据传输速率，且误码率（BER）低于7％硬判决前向纠错（HD-FEC）的编码极限[2]。



图2 高速信号收发实验装置及数字信号处理过程

3、  无源器件

    德国德累斯顿技术大学Guido Belfiore等研究人员设计了采用0.25μm SiGe半导体（BiCMOS）电光技术制备的超紧凑型；该接收器集成了直连互阻抗放大器（TIA）的片上锗光电二极管；其中，TIA反馈电阻可通过MOSFET进行调谐，运行速度达20 Gb / s，灵敏度为13 dBm。单片集成光子接收器包括片上光栅耦合器、波导和光探测器等部分，相关电路结构如图3所示。研究表明，单片集成光子接收器中电路最大带宽为35.6 GHz，可实现增益为59.2 dB，噪声为12.34 pA/√Hz，功耗仅为80 mW；当与20GHz的1550nm电光发射机结合使用时，在误码率小于1012时，支持最大数据信号接收速率为50 Gb /s；该接收器的功率效率为1.6 mW/(Gb/s)，差动输出摆幅为400 mVpp，芯片面积仅为0.4mm2[3]。



图3 单片集成光子接收器的电路结构

4、  滤波器件

中国地质大学Li Liu等研究人员基于硅级联光子晶体（PC）腔设计了可调中心频率与带宽的全光学微波滤波器（MPF）；该滤波器在PC纳米腔中（小模式体积）增强了光与物质的相互作用过程，从而有效调整了透射光谱，并通过注入超低泵浦功率来控制两个级联PC腔的传输以实现同时调整其中心频率和带宽。研究人员使用激光二极管（LD），偏振控制器（PC），马赫曾德尔调制器（MZM）和掺饵光纤放大器（EDFA）等器件对MPF进行了分析，实验装置如图4所示。结果表明，级联PC纳米腔的面积200μm2，使用级联PC腔MPF的频率和带宽调谐效率分别达到110.2 GHz/mW和92.4GHz/mW，MPF具有全光控制和超高调谐效率等应用优势[4]。


图4 微波光子滤波的实验过程

5、  光纤无线系统

上海电磁波信息科学研究所Miao Kong等研究人员使用双极化马赫曾德尔调制器（DP-MZM）在30 GHz毫米波带光纤无线系统中同时生成了10Gbit/s有线开关键控（OOK）信号和20 Gbit/s无线正交相移键控（QPSK）信号；上述两信号的偏振方向正交，避免了光电二极管（PD）中两个偏振模式信号间跳动干扰（SSBI）的负面效应。研究人员设计的混合双极化DP-MZM和QPSK调制格式的新方案如图5所示。研究表明，在光纤无线系统中使用100/200GH交织器能避免由两个边带引起的色散离散效应，无线QPSK信号经过15公里光纤传输后的功率损失仅为1.9 dB，有线OOK信号经过15公里光纤传输后几乎没有功率损失[5]。



图5 同时收发无线QPSK和有线OOK信号的过程

参考文献

[1] E. Song et al., "Minimizing Thermal Load and Stabilizing Mode in Yb:YAG Thin Disk Laser by 1030 nm Multi-Pass Pumping," 
in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 16, pp. 1011-1014, 15 Aug.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3008410.

[2] Y. Tong et al., "1.12-Tbit/s PAM-4 Enabled by a Silicon Photonic Transmitter Bridged With a 7-Channel MCF," in IEEE
 Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 16, pp. 987-990, 15 Aug.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3007665.

[3] G. Belfiore et al., "A 50–20 Gb/s, 80 mW Photonic Receiver With 59–70 dBΩ Gain and 12.3–8.2 pA/√Hz Input-Referred Noise,"
 in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 15, pp. 921-924, 1 Aug.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3003168.

[4] L. Liu and S. Liao, "Low-Power Active Tunable Microwave Photonic Filter Using Photonic Crystal Nanocavities," in IEEE
 Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 16, pp. 999-1002, 15 Aug.15, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3008865.

[5] M. Kong, W. Zhou, J. Ding, W. Li and J. Yu, "Simultaneous Generation of Wired and Wireless Signals Using a DP-MZM 
in a RoF System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 15, pp. 905-908, 1 Aug.1, 2020, doi: 10.1109/LPT.2020.3004381.