2020年8月PTL光通信論文評析

光纖在線特邀編輯：邵宇豐，王安蓉，胡欽政，王壯，楊傑

    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、無源器件、濾波器件、光纖無線系統等，筆者將逐一評析。

1、  光源

華中科技大學的Enmao Song等研究人員設計了基於1050nm Yb:YAG薄盤雷射器的1030nm多通道泵浦穩定最小熱負荷雷射工作模式；該設計中的薄盤狀結構採用了多通道泵浦方案，不僅可以克服1030nm波長低吸收係數的應用劣勢，還能穩定雷射模式，提高光束質量和發射效率。研究人員分析了修正熱負荷模型，使得增益介質產生的最大總分數熱負荷為1.05％，並通過增加泵浦次數和泵浦光斑大小來提高輸出功率，實驗裝置如圖1所示。實驗研究表明，60次抽運泵浦在基本模式下提供的最大輸出功率為6.32 W，光學效率為18.1％。

圖1多通道抽運薄圓盤雷射器的實驗驗證

2、  有源器件

    香港大學eyu Tong等研究人員設計了一種可直接耦合到7通道多芯光纖（MCF）的超緊湊型高容量矽光子發射器。該發射器包含七個與垂直光柵耦合器（PVGC）陣列連接的GeSi電吸收調製器（EAM），採用平面外耦合支持實現高埠密度的空分復用（SDM），且無需對MCF進行傾斜拋光。研究人員1.12 Tbit/s SDM-PAM-4系統中使用了矽光子發射器進行了實驗，信號收發裝置及數位訊號處理過程如圖2所示。研究表明，矽光子發射器面積僅為1.8 mm×0.45 mm，支持1.12 Tbit /s的數據傳輸速率；基於高速數位訊號處理過程，每個EAM在背對背系統中支持160 Gbit /s的數據傳輸速率，且誤碼率（BER）低於7％硬判決前向糾錯（HD-FEC）的編碼極限[2]。

圖2 高速信號收發實驗裝置及數位訊號處理過程

3、  無源器件

    德國德勒斯登技術大學Guido Belfiore等研究人員設計了採用0.25μm SiGe半導體（BiCMOS）電光技術製備的超緊湊型；該接收器集成了直連互阻抗放大器（TIA）的片上鍺光電二極體；其中，TIA反饋電阻可通過MOSFET進行調諧，運行速度達20 Gb / s，靈敏度為13 dBm。單片集成光子接收器包括片上光柵耦合器、波導和光探測器等部分，相關電路結構如圖3所示。研究表明，單片集成光子接收器中電路最大帶寬為35.6 GHz，可實現增益為59.2 dB，噪聲為12.34 pA/√Hz，功耗僅為80 mW；當與20GHz的1550nm電光發射機結合使用時，在誤碼率小於1012時，支持最大數據信號接收速率為50 Gb /s；該接收器的功率效率為1.6 mW/(Gb/s)，差動輸出擺幅為400 mVpp，晶片面積僅為0.4mm2[3]。

圖3 單片集成光子接收器的電路結構

4、  濾波器件

中國地質大學Li Liu等研究人員基於矽級聯光子晶體（PC）腔設計了可調中心頻率與帶寬的全光學微波濾波器（MPF）；該濾波器在PC納米腔中（小模式體積）增強了光與物質的相互作用過程，從而有效調整了透射光譜，並通過注入超低泵浦功率來控制兩個級聯PC腔的傳輸以實現同時調整其中心頻率和帶寬。研究人員使用雷射二極體（LD），偏振控制器（PC），馬赫曾德爾調製器（MZM）和摻餌光纖放大器（EDFA）等器件對MPF進行了分析，實驗裝置如圖4所示。結果表明，級聯PC納米腔的面積200μm2，使用級聯PC腔MPF的頻率和帶寬調諧效率分別達到110.2 GHz/mW和92.4GHz/mW，MPF具有全光控制和超高調諧效率等應用優勢[4]。

圖4 微波光子濾波的實驗過程

5、  光纖無線系統

上海電磁波信息科學研究所Miao Kong等研究人員使用雙極化馬赫曾德爾調製器（DP-MZM）在30 GHz毫米波帶光纖無線系統中同時生成了10Gbit/s有線開關鍵控（OOK）信號和20 Gbit/s無線正交相移鍵控（QPSK）信號；上述兩信號的偏振方向正交，避免了光電二極體（PD）中兩個偏振模式信號間跳動幹擾（SSBI）的負面效應。研究人員設計的混合雙極化DP-MZM和QPSK調製格式的新方案如圖5所示。研究表明，在光纖無線系統中使用100/200GH交織器能避免由兩個邊帶引起的色散離散效應，無線QPSK信號經過15公裡光纖傳輸後的功率損失僅為1.9 dB，有線OOK信號經過15公裡光纖傳輸後幾乎沒有功率損失[5]。

圖5 同時收發無線QPSK和有線OOK信號的過程

參考文獻

[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.