2023年8月PTL光通信論文評析

9/25/2023，光纖在線訊，光纖在線特約編輯：邵宇豐，王安蓉，李沖，陳鵬，李彥霖，左仁杰，劉栓凡，袁杰，楊林婕，陳超，柳海楠，胡文光， 李文臣。

2023年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：太赫茲通信、可調諧超表面設計、應變傳感器、分布式聲學傳感、光纖無線通信、測距傳感器等，筆者將逐一評析。

1、太赫茲通信
東南大學的Yuancheng Cai等研究人員設計了一種高譜效率偏振復用（PDM）雙單邊帶（Twin-SSB）傳輸方案，用于直接檢測太赫茲通信系統，如圖1所示。由于在光學太赫茲轉換側添加了載波，因此無論接收到信號的偏振狀態如何，傳輸信號的每個分支都能通過太赫茲肖特基勢壘二極管（SBD）直接檢測[1]。研究結果表明：與有源偏振控制的CAOT方案相比，該方案不僅提升了系統的可操作性和魯棒性，而且接收機靈敏度提升了約4dB。研究人員還通過Kramers–Kronig算法實現了SSB場恢復以有效消除信號間差拍干擾，并有助于偏振解復用過程。綜上所述，上述方案可以為高譜效率太赫茲通信系統的設計提供借鑒參考。



2、可調諧超表面設計
印度理工學院的Tanmay Bhowmik等研究人員設計了一種采用間隙等離子體共振的偏振不敏感電可調諧超表面結構，如圖2所示。他們設計的超表面通過氧化銦錫（ITO）的電光特性來調節反射光強度,并將沉積在二氧化硅襯底上的ITO-Al2O3-Au頂部放置了Au納米光柵的2D陣列[2]。研究結果表明：三階間隙等離子體共振在1.72μm波長下被激發（通過等效RLC電路模型進行了驗證）；通過施加外部偏置電壓來調節諧振波長，可在ITO-Al2O3界面積累自由電子；在具備隨機偏振角入射光的作用下，在1.55µm工作波長下可實現25 dB調制深度；該器件支持在x和y偏振光的寬范圍入射角（高達50度）下工作，并具備303 fJ/bit的低能耗和900Mbps的調制速度。因此，上述器件的設計和應用在未來集成納米光子系統的小型化應用領域具有一定的實用價值。



3、應變傳感器
南京師范大學的Yunhao Xiao等研究人員設計了一種基于Vernier效應的溫度不敏感光纖光柵（FBG）應變傳感器，如圖3所示。研究人員將兩個不同環長的光纖環共振器（FRR）并聯，且利用Vernier效應來提高測量靈敏度；并使用參考FBG和FRR補償溫度影響，以實現溫度不敏感[3]。研究結果表明：相對于相同條件下單個FRR應變傳感器，該方案提升了應變靈敏度約23倍（從-1.456 kHz/µε增加到-33.878 kHz/µε），應變分辨率為2.953×10-5µε，溫度敏感性降低到1.031 kHz/℃。由于上述器件具備高靈敏度、高分辨率且抗隨機干擾，因此在復雜環境中的傳感領域有較大的應用潛力。



4、分布式聲學傳感
意大利帕多瓦大學的Daniele Orsuti等研究人員結合多模光纖（MMF）上對分布式聲學傳感（DAS）進行了研究，并設計了減少回波軌跡中信號衰落的相干平均方法，如圖4所示。在實驗中，研究人員將三模光子光纖器件（PhL）作為模式解復用器，通過空間多樣性來改善測量可靠性，并研究采用異頻相敏光時域反射計（φ-OTDR）的MMF-DAS的性能。他們還將相干平均方法擴展到縱向多樣性研究過程，并通過犧牲空間分辨率來提高相位檢測精度[4]。研究結果表明：上述方法與傳統方法相比可將噪聲水平降低三倍。因此，上述方案未來有望應用在石油和天然氣廠等已安裝用于溫度監測的場景中。



5、光纖無線通信
復旦大學的Mingxu Wang等研究人員設計了一種數字脈沖編碼調制型光纖無線（DP-RoF）通信方案（如圖5所示），將20Gbaud DP-RoF信號經由10公里標準單模光纖（SSMF）傳輸，并在相干檢測系統中進行了實驗分析（其中公共無線電接口等效數據速率（CPRI-EDR）為112 Gb/s）[5]。研究結果表明：應用上述方案后，無線信號恢復后的信噪比為50.14 dB，比應用模擬光纖無線（A-RoF）、數字模擬光纖無線（DA-RoF）和數字光纖無線（D-RoF）方案分別提升26.62dB、20.01dB和13.28dB；該方案滿足65536正交振幅調制（QAM）的誤差向量幅度（EVM）閾值，而A-RoF和DA-RoF方案無法達到1024 QAM的EVM閾值。因此，該方案為未來6G移動前傳中實現超高階QAM信號的傳輸提供了有價值的參考。



6、測距傳感器
      德國弗萊堡大學的Sergio Vilches等研究人員設計了具備亞毫米直徑的多點內窺鏡傳感器，可同時測量傳感器尖端與平坦組織表面之間的最小距離和方向，如圖6所示。研究人員采用了基于頻率調制型連續波（FMCW）激光雷達的不受雜散光干擾的相干測量方法，并使用850nm 垂直腔面發射激光器（VCSEL）進行波長調制，在10kHz重復頻率下實現了4.1nm可調諧范圍，且使用馬赫曾德爾（Mach-Zender）干涉儀在k空間中對干涉圖樣進行了校準，實現了多個測量光束通過3D納米打印的微棱鏡陣列在傳感器尖端分離的過程。研究結果表明：與衍射元件相比，微棱鏡陣列通過折射實現了更高收集效率和更大測量范圍[6]。因此，上述方案對未來超小型精確距離傳感器的研制具有一定的參考價值。



參考文獻
[1]Y. Cai et al., "Spectrally Efficient PDM-Twin-SSB Direct-Detection THz System Without Active Polarization Control," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 838-841, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3275921.
[2]T. Bhowmik, A. K. Chowdhary and D. Sikdar, Polarization- and Angle-Insensitive Tunable Metasurface for Electro-Optic Modulation, in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 879-882, 15 Aug.15, 2023, doi 10.1109LPT.2023.3256584.
[3]Y. Xiao, Y. Wang, J. Shi, D. Zhu and Q. Liu, "Temperature-Insensitive and Sensitivity-Enhanced FBG Strain Sensor by Using Parallel MPF," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 809-812, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3281472.
[4]D. Orsuti et al., "DAS Over Multimode Fibers With Reduced Fading by Coherent Averaging of Spatial Modes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 866-869, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3285625.
[5]M. Wang, X. Zhao, C. Wang and J. Yu, "SNR Improved Digital-PCM Radio-Over-Fiber Scheme Supporting 65536 QAM for Mobile Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 15, pp. 825-828, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3284456.
[6]S. Vilches, H. Zappe and Ç. Ataman, "Multi-Point Fiber-Optic Distance Sensor for Endoscopic Surgery Monitoring," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 16, pp. 883-886, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3270628.