光学 精密工程
2023, 31(15): 2161
强激光与粒子束
2023, 35(6): 062003
1 河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心,河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心,河北 保定 071002
因磁光开关的开关速度快、可靠性高、串扰小等特点,提出一种基于光纤磁光开关的时分复用全固态激光雷达。分析了基于光纤磁光开关的时分复用全固态激光雷达的成像原理,实验测试影响激光雷达性能的磁光开关相关性能参数,包括延迟时间、开关上升沿时间、插入损耗、回波损耗。随后,基于1×8光纤磁光开关搭建了时分复用全固态激光雷达实验系统,通过磁光开关将光路切换到二维光束阵列不同位置的光纤通道中,基于飞行时间(ToF)测距技术实现了激光雷达的快速三维成像。最终,通过对空间目标构建三维点云图,验证了该雷达系统的全固态三维成像能力,实现了510.3 Hz的扫描频率和0.36°的角度分辨率,并通过微平移台可将角度分辨率提高到0.18°。与micro-electro-mechanical system(MEMS)和光学相控阵的光束成像技术相比,所设计的技术方案具有成本低、能量利用率高和光束质量高等优点。
激光雷达 时分复用 磁光开关 光纤阵列 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1228012
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院,江苏 南京 210023
针对波分复用?光纤无线通信(WDM?ROF)系统中采用的激光器阵列成本高、可扩展性与重构性差、生成的毫米波信号单一不可调、每个基站业务传输相同且可应用场合受限等问题,提出了基于光学频率梳(OFC)的可选频毫米波生成多业务分层WDM?ROF系统。在该方案中,采用光学频率梳作为系统的多载波光源,有利于系统的扩展与重构;在中心站(CS)预留部分光载波作为基站(BS)上行链路的光源,实现了基站上行传输的无光源化;在次级中心站(SCS)引入基于微机电系统(MEMS)的光开关矩阵,由MEMS光开关矩阵的不同种控制状态实现毫米波信号的可选频;构建具有分层结构的基站组(BSG),为每个基站提供多个业务的接入。建立了基于光学频率梳的WDM?ROF系统的理论模型,并进行了仿真研究。在仿真中获得了平坦度为0.58 dB、频率间隔为20 GHz的15线光学频率梳。在下行链路中,利用其中一种控制状态的MEMS光开关矩阵与光电探测器将两个不同的10 Gbit/s下行数据上变频,得到频率为35、45、65、95 GHz的4个毫米波信号,并根据不同应用场合分配给基站组中的两个基站(分层BSG),进行多个业务传输。经40 km 单模光纤传输后,下行和上行传输的接收灵敏度分别不低于-10.086 dBm和-17.922 dBm,对应的功率代价均小于1 dB,业务数据接收眼图均保持睁开状态。该WDM?ROF系统可以实现可选频毫米波信号产生、多个业务传输、低功率代价的高效传输。
光通信 光学频率梳 可选频毫米波 MEMS光开关矩阵 分层基站组 中国激光
2023, 50(10): 1006002
南京邮电大学,电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210046
通常一种光开关只适用于一个特定的较窄领域。文章提出了一种基于介质上电润湿驱动技术的微流控矩阵光开关,可较广泛地应用于光通信和光电子系统中,并且结构简单、操作方便、偏振无关,易集成大型矩阵开关。文章给出了矩阵光开关的结构和工作原理,并设计了矩阵驱动电路。光开关的工作电压为58 V。研究结果表明:此矩阵光开关从“开”到“关”和从“关”到“开”的响应时间分别为120和100 ms;其插入损耗为0.26 dB,远比一般矩阵光开关低;消光比大,为139.7 dB。此外,文章给出了两种应用方案:光电显示器和多光束阵列开关。该课题的工作可为大型可集成矩阵光开关提供新的思路,并可促进微流控光学在光电子系统中的应用。
微流控光学 介质上电润湿效应 矩阵光开关 optofluidics electrowetting-on-dielectric matrix optical switch
Author Affiliations
Abstract
The basic indexes of all-optical integrated photonic circuits include high-density integration, ultrafast response and ultra-low energy consumption. Traditional methods mainly adopt conventional micro/nano-structures. The overall size of the circuit is large, usually reaches hundreds of microns. Besides, it is difficult to balance the ultrafast response and ultra-low energy consumption problem, and the crosstalk between two traditional devices is difficult to overcome. Here, we propose and experimentally demonstrate an approach based on inverse design method to realize a high-density, ultrafast and ultra-low energy consumption integrated photonic circuit with two all-optical switches controlling the input states of an all-optical XOR logic gate. The feature size of the whole circuit is only 2.5 μm × 7 μm, and that of a single device is 2 μm × 2 μm. The distance between two adjacent devices is as small as 1.5 μm, within wavelength magnitude scale. Theoretical response time of the circuit is 150 fs, and the threshold energy is within 10 fJ/bit. We have also considered the crosstalk problem. The circuit also realizes a function of identifying two-digit logic signal results. Our work provides a new idea for the design of ultrafast, ultra-low energy consumption all-optical devices and the implementation of high-density photonic integrated circuits.The basic indexes of all-optical integrated photonic circuits include high-density integration, ultrafast response and ultra-low energy consumption. Traditional methods mainly adopt conventional micro/nano-structures. The overall size of the circuit is large, usually reaches hundreds of microns. Besides, it is difficult to balance the ultrafast response and ultra-low energy consumption problem, and the crosstalk between two traditional devices is difficult to overcome. Here, we propose and experimentally demonstrate an approach based on inverse design method to realize a high-density, ultrafast and ultra-low energy consumption integrated photonic circuit with two all-optical switches controlling the input states of an all-optical XOR logic gate. The feature size of the whole circuit is only 2.5 μm × 7 μm, and that of a single device is 2 μm × 2 μm. The distance between two adjacent devices is as small as 1.5 μm, within wavelength magnitude scale. Theoretical response time of the circuit is 150 fs, and the threshold energy is within 10 fJ/bit. We have also considered the crosstalk problem. The circuit also realizes a function of identifying two-digit logic signal results. Our work provides a new idea for the design of ultrafast, ultra-low energy consumption all-optical devices and the implementation of high-density photonic integrated circuits.
all-optical integrated photonic circuit inverse design all-optical switch all-optical XOR logic gate Opto-Electronic Advances
2022, 5(10): 210061
1 西南交通大学信息科学与技术学院,四川 成都 611756
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海 200240
提出并实验验证了一种基于硅基片上光路由的大规模光载一体化接收机多天线全球导航卫星信号(GNSS)差分定位系统。该系统基于光载无线(RoF)分布式天线架构实现远端多点GNSS信号采集,并利用低损耗、大带宽、抗电磁干扰的RoF传输链路实现远端采集GNSS信号的本地端集中式接收。在本地端处,利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的高速硅基光开关芯片实现不同监测节点光载GNSS信号的定时切换与差分解算,构建基于片上光路由的时分复用型一体化接收机多天线GNSS定位系统。在实验中,利用自主研制的1×8马赫-曾德尔干涉型热光硅基光开关芯片构建了具有5个远端监测节点的多天线GNSS定位实验系统,GNSS信号的RoF传输距离为10 km。实验结果表明,该光开关芯片模块的实时响应时间小于200 μs,可在无需额外光放大的条件下稳定支撑10 km外5个远端监测节点的高精度定位,其在东(E)、北(N)、高(U)方向的定位精度均达到毫米量级。
光电子学 微波光子学 硅基光开关芯片 全球导航卫星系统 一体化接收机多天线 高精度定位 光学学报
2022, 42(24): 2425001
南京邮电大学电子与光学工程学院,江苏 南京 210023
提出以一种2×2微流控光开关为单元的N×N光开关阵列,采用波导结构,利用微流控气压驱动技术和压电陶瓷阀来控制各个微流道内气体和液体的相对位置,实现开关阵列的光路选择和开关功能。同时给出N×N光开关阵列的部分阻塞型和完全无阻塞型两种拓扑结构,研究和讨论了N×N光开关阵列的最优路径和光传输特性,并进行结构优化。研究结果表明N×N光开关阵列的插入损耗和串扰远小于一般光开关阵列。对于1550 nm波长,其中4×4光开关阵列的插入损耗为0.28 dB~0.54 dB,最大串扰为-43.5 dB~-23.2 dB。该研究实现了微流控光开关阵列,解决了一般光开关阵列中普遍存在的插入损耗和串扰大的问题,具有阵列可控性好、偏振相关性损耗可忽略、宽波带(从可见光到近红外波段)的优点。
集成光学 微流控光学 光开关阵列 气压驱动 压电陶瓷阀 光学学报
2022, 42(22): 2213001