2024年10月JLT光通信论文评析
发布时间：2024-12-04 11:15:15 热度：452
12/04/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，张颜鹭，张旭，许占夺，向泓劲，匡富豪，贾岚斯，2024年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：相干光束合成、非线性均衡器、ARC光纤、光子辅助射频消除器、通感一体化系统、局部数据中心互联等，笔者将逐一评析。
1、相干光束合成
以色列内盖夫本古里安大学的Ohad Balasiano等研究人员设计了一种采用光学相控阵发射端相干光束合成技术的自由空间光（FSO）通信方案，以实现对大气湍流的自适应补偿。该方案中，发射器使用了1550nm连续波（CW）可调谐光源作为种子光，通过铟磷（InP）相干驱动调制器（CDM）进行调制，以生成可携带信息的光信号。光信号经过多个掺铒光纤放大器（EDFA）和一个32分支光纤分支树进行放大和分裂，然后输入到32个相位调制器中；相位调制器由FPGA控制器控制，以实时调整单路光相位，从而实现相干光束合成并通过光学相控阵（OPA）发射到大气中。研究人员在1公里和5公里处分别使用了由8个反射器组成的钻石形二维阵列来增强反射回接收器的光功率；接收器中使用望远镜收集反射回来的光束，并通过分束器将一部分光输入到集成相干接收器（ICR）中进行检测，另一部分光则通过强度检测以提供CBC反馈信号[1]，如图1所示。研究人员采用了两种反馈方案：操作接收反馈和辅助内部反馈；其中，内部反馈用于测试和评价，而接收反馈用于实际大气湍流补偿。研究结果表明：在2公里和10公里大气自由空间光通信系统中，可实现接收信号强度平均增加12.5dB和5dB以上，且能保证64Gbit/s和100Gbit/s传输速率下通信链路基本可用。因为该方案对提升接收信号强度、传输速率及链路可用性具有显著作用，未来在宽带无线光通信系统中有一定的潜在应用价值。
2、非线性均衡器
法国布雷斯特伊鲁瓦兹技术学院的Abraham Sotomayor等研究人员设计了在神经网络非线性均衡后引入软阈值（STH）函数处理信号的新方案（NN+STH），以避免在训练过程中出现信号星座散点图效应。他们采用了DP-64QAM传输系统进行研究，通过14×50km的标准单模光纤传输信号，对比了不同输入功率下的系统性能[2]，如图2所示。研究结果表明：尽管采用神经网络（NN）方法后的误码性能不如采用数字反向传播（DBP）方法，但采用NN+STH方法后的误码性能略微优于只采用NN的方法；尤其是在线性传输区域误码性能更好。研究结果证明：NN方法虽能在一定程度上缓解MMSE-scatterplot效应，但存在参数调优困难、计算复杂度高等问题；相比之下， NN+STH方法更加直接和有效。因此，上述研究成果不仅有助于提升光通信系统的传输性能，还为神经网络在高速信号处理领域的改进型应用提供了新的研究思路。
3、ARC光纤
印度理工学院的Soorej Thekkeyil等研究人员在分析具备弯曲补偿、抛物线芯、低折射率对比度等特征倾斜型包层光纤服务高功率激光器应用的基础上，设计一种新型“ARC”光纤[3]，如图3所示；并分析了不同类型参数对基模（FM）和高阶模（HOMs）在1?m波长附近（不同弯曲直径下）的损耗影响。研究人员采用全矢量有限元方法（FEM）进行了模拟测试，结果表明：在弯曲直径为27 cm ~ 35 cm时，其有效面积为900 ~ 1200?m2，同时确保FM的损耗低于0.01dB/m，HOMs的损耗为100 dB/m至250 dB/m；b）在弯曲直径小于50cm时，其有效面积约为2500?m2，同时保持FM的损耗低于0.1dB/m，HOMs的损耗高于20dB/m；c）在弯曲直径为100cm时，其有效面积为5000?m2，FM的损耗低于0.1dB/m，HOMs的损耗高于10dB/m。研究结果表明：较小弯曲直径的“ARC”光纤对HOMs有较强的抑制能力，而较大的弯曲直径则在保持低损耗的同时，提供了更大的有效面积。综上所述，该研究为未来高功率激光器中可弯曲“ARC”光纤的设计和应用提供参考借鉴。
4、光子辅助射频消除
中国清华大学信息科学技术国家实验室的Guangyuan Li等研究人员设计了一种新型光子辅助射频消除方案[4]，用于带内全双工（IBFD）通信系统中的自干扰消除和IQ解调，如图4所示。他们采用双极化马赫-曾德尔调制器（DP-DPMZM）技术，通过调整偏置电压和参考信号的延迟及幅度，实现了自干扰信号的消除；并利用极化光束分离器（PBS）和平衡光电探测器（BPD）实现了IQ解调。研究结果表明：在10GHz至30GHz的频率范围内，该系统中自干扰消除深度超过-30dB，无杂散动态范围（SFDR）达到了100.7dB·Hz2/3；在信号干扰比（SIR）为0dB、-5dB、-10dB时，信号的自干扰消除平均深度均超过-20dB，且误差向量幅度（EVM）均满足3GPP对16-QAM信号的EVM限制要求。综上所述，该方案为设计更高效且可靠的光子辅助射频型系统提供了借鉴参考。
5、通感一体化系统（ISAC）
法国萨克莱大学的Lina Shi等研究人员设计了一款基于光无线通信技术的通信感知一体化系统（ISAC）[5]，如图5所示，其中使用了多频带无载波幅度相位调制（m-ACP）技术实现信号的传输，且利用接收信号强度（RSS）实现了同一信号的定位。研究人员将该系统布置在一个空间大小为1.2×1.2×2.16m3房间内进行测试（将四个接入点安装在天花板上）。研究结果表明，该系统能为12Mbps的数据速率提供通信链路，且误码率小于3.8×10?3，在离地面20cm距离接收数据时，90%的情况下其位置估计误差小于5.9cm。
6、局部数据中心互联（DCI）
中国科学技术大学的Xiaochuan Yu等研究人员研究了如何优化局部数据中心互联（DCI）的扩展，从而降低其部署应用成本[6]。他们比较了电分组交换（EPS）与光路交换（OCS）的应用特性，并设计了两种整数线性规划模型来处理和比较基于EPS与基于OCS的扩展方案。基于如图6所示的小规模仿真的物理层拓扑结构，他们利用辅助图的迭代方法应用了两种启发式方案，并在各种场景下模拟比较了基于EPS与基于OCS扩展方案的优劣。研究结果表明，基于OCS的互联扩展更具降本增效的作用。综上所述，该方案对未来数据中心的互联扩展方案设计和实施具有一定的参考价值。
参考文献
[1] BALASIANO O, WOHLGEMUTH E, ATTIA I, et al. Demonstration of Coherent Beam Combining for Atmospheric Free Space Optical Communication Over 10 km[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7085-7094. DOI:10.1109/JLT.2024.3419124.
[2] SOTOMAYOR A, CHOQUEUSE V, PINCEMIN E, et al. MMSE-Driven Signal Constellation Scatterplot Using Neural Networks-Based Nonlinear Equalizers[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7104-7115. DOI:10.1109/JLT.2024.3421927.
[3] THEKKEYIL S, DHAR A, JAIN D. Optimizing Bendable “ARC” Optical Fibers for Comparable Performance to Rod-Type Fibers in Ultra-High-Power Lasers[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7342-7349. DOI:10.1109/JLT.2024.3420729.
[4] LI G, LI S, XUE X, et al. Photonics-Assisted Simultaneous Self-Interference Cancellation and IQ Demodulator[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(19): 6701-6711. DOI:10.1109/JLT.2024.3410349.
[5] SHI L, LIU Z, B?CHADERGUE B, et al. Experimental Demonstration of Integrated Optical Wireless Sensing and Communication[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7070-7084. DOI:10.1109/JLT.2024.3415417.
[6] YU X, LV Q, LI R, et al. Network Expansion of Regional DCIs: Optical Circuit Switching Versus Electrical Packet Switching[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7044-7055. DOI:10.1109/JLT.2024.3419926.
1、相干光束合成
以色列内盖夫本古里安大学的Ohad Balasiano等研究人员设计了一种采用光学相控阵发射端相干光束合成技术的自由空间光（FSO）通信方案，以实现对大气湍流的自适应补偿。该方案中，发射器使用了1550nm连续波（CW）可调谐光源作为种子光，通过铟磷（InP）相干驱动调制器（CDM）进行调制，以生成可携带信息的光信号。光信号经过多个掺铒光纤放大器（EDFA）和一个32分支光纤分支树进行放大和分裂，然后输入到32个相位调制器中；相位调制器由FPGA控制器控制，以实时调整单路光相位，从而实现相干光束合成并通过光学相控阵（OPA）发射到大气中。研究人员在1公里和5公里处分别使用了由8个反射器组成的钻石形二维阵列来增强反射回接收器的光功率；接收器中使用望远镜收集反射回来的光束，并通过分束器将一部分光输入到集成相干接收器（ICR）中进行检测，另一部分光则通过强度检测以提供CBC反馈信号[1]，如图1所示。研究人员采用了两种反馈方案：操作接收反馈和辅助内部反馈；其中，内部反馈用于测试和评价，而接收反馈用于实际大气湍流补偿。研究结果表明：在2公里和10公里大气自由空间光通信系统中，可实现接收信号强度平均增加12.5dB和5dB以上，且能保证64Gbit/s和100Gbit/s传输速率下通信链路基本可用。因为该方案对提升接收信号强度、传输速率及链路可用性具有显著作用，未来在宽带无线光通信系统中有一定的潜在应用价值。
2、非线性均衡器
法国布雷斯特伊鲁瓦兹技术学院的Abraham Sotomayor等研究人员设计了在神经网络非线性均衡后引入软阈值（STH）函数处理信号的新方案（NN+STH），以避免在训练过程中出现信号星座散点图效应。他们采用了DP-64QAM传输系统进行研究，通过14×50km的标准单模光纤传输信号，对比了不同输入功率下的系统性能[2]，如图2所示。研究结果表明：尽管采用神经网络（NN）方法后的误码性能不如采用数字反向传播（DBP）方法，但采用NN+STH方法后的误码性能略微优于只采用NN的方法；尤其是在线性传输区域误码性能更好。研究结果证明：NN方法虽能在一定程度上缓解MMSE-scatterplot效应，但存在参数调优困难、计算复杂度高等问题；相比之下， NN+STH方法更加直接和有效。因此，上述研究成果不仅有助于提升光通信系统的传输性能，还为神经网络在高速信号处理领域的改进型应用提供了新的研究思路。
3、ARC光纤
印度理工学院的Soorej Thekkeyil等研究人员在分析具备弯曲补偿、抛物线芯、低折射率对比度等特征倾斜型包层光纤服务高功率激光器应用的基础上，设计一种新型“ARC”光纤[3]，如图3所示；并分析了不同类型参数对基模（FM）和高阶模（HOMs）在1?m波长附近（不同弯曲直径下）的损耗影响。研究人员采用全矢量有限元方法（FEM）进行了模拟测试，结果表明：在弯曲直径为27 cm ~ 35 cm时，其有效面积为900 ~ 1200?m2，同时确保FM的损耗低于0.01dB/m，HOMs的损耗为100 dB/m至250 dB/m；b）在弯曲直径小于50cm时，其有效面积约为2500?m2，同时保持FM的损耗低于0.1dB/m，HOMs的损耗高于20dB/m；c）在弯曲直径为100cm时，其有效面积为5000?m2，FM的损耗低于0.1dB/m，HOMs的损耗高于10dB/m。研究结果表明：较小弯曲直径的“ARC”光纤对HOMs有较强的抑制能力，而较大的弯曲直径则在保持低损耗的同时，提供了更大的有效面积。综上所述，该研究为未来高功率激光器中可弯曲“ARC”光纤的设计和应用提供参考借鉴。
4、光子辅助射频消除
中国清华大学信息科学技术国家实验室的Guangyuan Li等研究人员设计了一种新型光子辅助射频消除方案[4]，用于带内全双工（IBFD）通信系统中的自干扰消除和IQ解调，如图4所示。他们采用双极化马赫-曾德尔调制器（DP-DPMZM）技术，通过调整偏置电压和参考信号的延迟及幅度，实现了自干扰信号的消除；并利用极化光束分离器（PBS）和平衡光电探测器（BPD）实现了IQ解调。研究结果表明：在10GHz至30GHz的频率范围内，该系统中自干扰消除深度超过-30dB，无杂散动态范围（SFDR）达到了100.7dB·Hz2/3；在信号干扰比（SIR）为0dB、-5dB、-10dB时，信号的自干扰消除平均深度均超过-20dB，且误差向量幅度（EVM）均满足3GPP对16-QAM信号的EVM限制要求。综上所述，该方案为设计更高效且可靠的光子辅助射频型系统提供了借鉴参考。
5、通感一体化系统（ISAC）
法国萨克莱大学的Lina Shi等研究人员设计了一款基于光无线通信技术的通信感知一体化系统（ISAC）[5]，如图5所示，其中使用了多频带无载波幅度相位调制（m-ACP）技术实现信号的传输，且利用接收信号强度（RSS）实现了同一信号的定位。研究人员将该系统布置在一个空间大小为1.2×1.2×2.16m3房间内进行测试（将四个接入点安装在天花板上）。研究结果表明，该系统能为12Mbps的数据速率提供通信链路，且误码率小于3.8×10?3，在离地面20cm距离接收数据时，90%的情况下其位置估计误差小于5.9cm。
6、局部数据中心互联（DCI）
中国科学技术大学的Xiaochuan Yu等研究人员研究了如何优化局部数据中心互联（DCI）的扩展，从而降低其部署应用成本[6]。他们比较了电分组交换（EPS）与光路交换（OCS）的应用特性，并设计了两种整数线性规划模型来处理和比较基于EPS与基于OCS的扩展方案。基于如图6所示的小规模仿真的物理层拓扑结构，他们利用辅助图的迭代方法应用了两种启发式方案，并在各种场景下模拟比较了基于EPS与基于OCS扩展方案的优劣。研究结果表明，基于OCS的互联扩展更具降本增效的作用。综上所述，该方案对未来数据中心的互联扩展方案设计和实施具有一定的参考价值。
参考文献
[1] BALASIANO O, WOHLGEMUTH E, ATTIA I, et al. Demonstration of Coherent Beam Combining for Atmospheric Free Space Optical Communication Over 10 km[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7085-7094. DOI:10.1109/JLT.2024.3419124.
[2] SOTOMAYOR A, CHOQUEUSE V, PINCEMIN E, et al. MMSE-Driven Signal Constellation Scatterplot Using Neural Networks-Based Nonlinear Equalizers[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7104-7115. DOI:10.1109/JLT.2024.3421927.
[3] THEKKEYIL S, DHAR A, JAIN D. Optimizing Bendable “ARC” Optical Fibers for Comparable Performance to Rod-Type Fibers in Ultra-High-Power Lasers[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7342-7349. DOI:10.1109/JLT.2024.3420729.
[4] LI G, LI S, XUE X, et al. Photonics-Assisted Simultaneous Self-Interference Cancellation and IQ Demodulator[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(19): 6701-6711. DOI:10.1109/JLT.2024.3410349.
[5] SHI L, LIU Z, B?CHADERGUE B, et al. Experimental Demonstration of Integrated Optical Wireless Sensing and Communication[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7070-7084. DOI:10.1109/JLT.2024.3415417.
[6] YU X, LV Q, LI R, et al. Network Expansion of Regional DCIs: Optical Circuit Switching Versus Electrical Packet Switching[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(20): 7044-7055. DOI:10.1109/JLT.2024.3419926.
