光纖在線特邀編輯：邵宇豐，王安蓉，胡欽政，王壯，楊杰

    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、無源器件、濾波器件、光纖無線系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1、  光源

華中科技大學(xué)的Enmao Song等研究人員設(shè)計了基于1050nm Yb:YAG薄盤激光器的1030nm多通道泵浦穩(wěn)定最小熱負(fù)荷激光工作模式；該設(shè)計中的薄盤狀結(jié)構(gòu)采用了多通道泵浦方案，不僅可以克服1030nm波長低吸收系數(shù)的應(yīng)用劣勢，還能穩(wěn)定激光模式，提高光束質(zhì)量和發(fā)射效率。研究人員分析了修正熱負(fù)荷模型，使得增益介質(zhì)產(chǎn)生的最大總分?jǐn)?shù)熱負(fù)荷為1.05％，并通過增加泵浦次數(shù)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(xué)效率為18.1％。



圖1多通道抽運薄圓盤激光器的實驗驗證

2、  有源器件

    香港大學(xué)eyu Tong等研究人員設(shè)計了一種可直接耦合到7通道多芯光纖（MCF）的超緊湊型高容量硅光子發(fā)射器。該發(fā)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(diào)制器（EAM），采用平面外耦合支持實現(xiàn)高端口密度的空分復(fù)用（SDM），且無需對MCF進(jìn)行傾斜拋光。研究人員1.12 Tbit/s SDM-PAM-4系統(tǒng)中使用了硅光子發(fā)射器進(jìn)行了實驗，信號收發(fā)裝置及數(shù)字信號處理過程如圖2所示。研究表明，硅光子發(fā)射器面積僅為1.8 mm×0.45 mm，支持1.12 Tbit /s的數(shù)據(jù)傳輸速率；基于高速數(shù)字信號處理過程，每個EAM在背對背系統(tǒng)中支持160 Gbit /s的數(shù)據(jù)傳輸速率，且誤碼率（BER）低于7％硬判決前向糾錯（HD-FEC）的編碼極限[2]。



圖2 高速信號收發(fā)實驗裝置及數(shù)字信號處理過程

3、  無源器件

    德國德累斯頓技術(shù)大學(xué)Guido Belfiore等研究人員設(shè)計了采用0.25μm SiGe半導(dǎo)體（BiCMOS）電光技術(shù)制備的超緊湊型；該接收器集成了直連互阻抗放大器（TIA）的片上鍺光電二極管；其中，TIA反饋電阻可通過MOSFET進(jìn)行調(diào)諧，運行速度達(dá)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(dǎo)和光探測器等部分，相關(guān)電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)增益為59.2 dB，噪聲為12.34 pA/√Hz，功耗僅為80 mW；當(dāng)與20GHz的1550nm電光發(fā)射機(jī)結(jié)合使用時，在誤碼率小于1012時，支持最大數(shù)據(jù)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，芯片面積僅為0.4mm2[3]。



圖3 單片集成光子接收器的電路結(jié)構(gòu)

4、  濾波器件

中國地質(zhì)大學(xué)Li Liu等研究人員基于硅級聯(lián)光子晶體（PC）腔設(shè)計了可調(diào)中心頻率與帶寬的全光學(xué)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(zhì)的相互作用過程，從而有效調(diào)整了透射光譜，并通過注入超低泵浦功率來控制兩個級聯(lián)PC腔的傳輸以實現(xiàn)同時調(diào)整其中心頻率和帶寬。研究人員使用激光二極管（LD），偏振控制器（PC），馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）和摻餌光纖放大器（EDFA）等器件對MPF進(jìn)行了分析，實驗裝置如圖4所示。結(jié)果表明，級聯(lián)PC納米腔的面積200μm2，使用級聯(lián)PC腔MPF的頻率和帶寬調(diào)諧效率分別達(dá)到110.2 GHz/mW和92.4GHz/mW，MPF具有全光控制和超高調(diào)諧效率等應(yīng)用優(yōu)勢[4]。


圖4 微波光子濾波的實驗過程

5、  光纖無線系統(tǒng)

上海電磁波信息科學(xué)研究所Miao Kong等研究人員使用雙極化馬赫曾德爾調(diào)制器（DP-MZM）在30 GHz毫米波帶光纖無線系統(tǒng)中同時生成了10Gbit/s有線開關(guān)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，避免了光電二極管（PD）中兩個偏振模式信號間跳動干擾（SSBI）的負(fù)面效應(yīng)。研究人員設(shè)計的混合雙極化DP-MZM和QPSK調(diào)制格式的新方案如圖5所示。研究表明，在光纖無線系統(tǒng)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(yīng)，無線QPSK信號經(jīng)過15公里光纖傳輸后的功率損失僅為1.9 dB，有線OOK信號經(jīng)過15公里光纖傳輸后幾乎沒有功率損失[5]。



圖5 同時收發(fā)無線QPSK和有線OOK信號的過程

參考文獻(xiàn)

[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.