2018年8月JLT光通信论文评析
发布时间：2018-10-17 09:18:01 热度：2482
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖，胡政钦
2018年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：电光调制技术，光网络及其子系统，光互连系统，笔者将逐一评析。
1.电光调制技术
随着通信业务的带宽需求越来越高，越来越多的移动终端通过使用短程通信系统以突破带宽瓶颈，如采用近程光传接入系统。尽管相干检测技术取得了相当大的进展，但是基于强度调制（IM）和直接检测（DD）的方案因为成本耗费低成为短程光接入系统的优选方案；同时互联网对传输速度无止境的需求正推动高速IM/DD系统调制带宽的进一步发展。增加调制带宽会带来两个严重问题：1）传输组件的费用高，如电光调制器，驱动器和TIA的购置成本高; 2）严重的色散引起的符号间干扰（ISI将极大地影响传输距离。基于上述考虑，研究人员对结合正交幅度调制（QAM）生成的正交频分复用（OFDM）IM/DD系统产生了较大的研究兴趣，该系统具有高谱效率且对ISI具有影响具有一定的鲁棒性。电吸收调制激光器（EML）和直接调制DFB激光器（DML）是常见IM / DD系统的光源，但DML的输出功率高于EMLs；此外EML和DML的调制会诱发频率啁啾效应，其中基于DML的调制会诱发两类啁啾：瞬态啁啾和非瞬态啁啾，与EML仅诱发瞬态啁啾。研究人员演示了基于100Gbps 调制DML的OFDM数模转换器的工作过程；然而，生成的光信号在C波段上的传输被限制在约10公里内，其原因是传输距离受到色散引起的功率衰落效应限制，这往往会减少可用传输带宽。较强的正瞬态啁啾会导致信号功率严重衰落，传输距离也会受到非线性失真的限制，这是色散影响信号传输的必然结果。随着啁啾的增加，非线性负面影响变得越来越严重。OFDM信号传输过程中的非线性失真已被研究人员建模为子载波-子载波混合干扰（SSII）模型。考虑到非瞬态啁啾的影响，研究人员提出了SSII补偿方案用以消除基于DML的系统中的非线性失真。研究人员还设计了非线性沃尔泰拉滤波算法补偿系统中的非线性失真。对于二阶非线性失真，SSII补偿与非线性沃尔泰拉滤波算法的补偿效果相当；相比之下，SSII补偿的计算复杂性与色散无关。中国台湾高雄大学光学系的研究人员对基于DML的OFDM光信号传输进行了研究。实验设置的传输距离为0-150 km，同时改变激光器的偏置电流以分析有无SSII补偿的两种情况下非瞬态啁啾对传输性能的影响。实验结果表明非瞬态啁啾是导致非线性失真产生的主要原因；此外，色散和瞬态啁啾之间的相互作用会导致功率衰减。在上述情况下，非瞬态啁啾会加剧非线性失真但也可能提供相关功率增益。当SSII补偿过程减弱导致非线性失真时，控制特定的非瞬态啁啾可改善系统的传输性能。实验结果显示，在SSII补偿之后，当功率增益的影响超过非线性失真的影响，一定的非瞬态啁啾量可以带来更好的传输性能。另一方面，对于单载波调制（如多级脉冲幅度调制（PAM）），基于DML的信号传输也会遇到类似的非线性失真问题，所以非线性补偿过程是必要的，例如可应用沃尔泰拉滤波方案。由于缺乏独立调制每个频率分量的能力，在单载波传输过程中，仍需对影响非瞬态啁啾相关增益的因素和相关参数的取值进行进一步研究。实验结果证明：在进行50-100公里的传输 时，SSII补偿可以改善OFDM光信号传输的最大数据速率可达11Gbps，其补偿原理如图1所示。
图1.SSII补偿原理图
2.光网络及其子系统
支持无线数据接入的可见光载无线通信（Li-Fi）技术被视为新兴宽带接入技术之一，正日益受到人们的重视。在Li-Fi系统中，待传输数据通常对发光二极管（LED）发出的可见光进行强度调制，产生的可见光信号通过视距传播并由光电二极管（PD）检测。研究人员已经通过相关实验确定了可见光无线信道模型，在模型中LED接入点通常被设计为规则的几何形状排列以形成有效的Li-Fi 网络，其中，LED同时发出不同色度或光波长的可调制光。值得注意的是，如果LED发射相同的光波长可产生同频干扰，在下行链路中同频干扰是导致下行链路信息吞吐量降低的限制因素，当然接收光信号受到的干扰还有用户室内的干扰源和视场（FOV）的相对位置。当FOV相对角度小于π/2弧度， LED和PD在FOV范围内可建立视距链接；但是当FOV相对角度等于π/2弧度时，视距传播受到限制并显著影响可见光信号收发。因此，对于FOV的两种相对位置，信号干扰特性和表征噪声比（SINR）对于系统的设计至关重要，其中覆盖概率和区域频谱效率是必须考虑的因素。印度研究人员基于泊松求和定理提出了一种解析过程来分析近似于一维和二维Li-Fi 网络中的同频干扰过程。这种分析方法的优点是能够以准确计算给定长度可见光链路的存在的干扰功率，同时分析计算如覆盖率，面积光谱效率，最佳LED间距等重要指标，研究人员分析的可见光传输方案如图2所示。
图2. 自由空间视线（LOS）可见光传播过程（LED源处于高度h和距离d的天花板）。
3. 光互连系统
随着各类型信息业务的迅速增加导致数据通信带宽的需求日益提升，光互连技术对数据中心和高性能计算机的新应用起着越来越重要的重要。由于光互连过程需要对信号进行大容量传输和低功耗收发，因此采用先进的调制格式和改进已有的数字信号处理（DSP）方案变得更加迫切。我们了解，硅光子（SiP）技术的应用有望以低成本实现大规模光子器件的集成且功耗低，该技术一直被认为是未来光互连有希望的候选技术。其中，硅基微环调制器（Si-MRM）具有优异的特性（如体积小，调制速度高和能耗低）而受到人们的重视。但是，由于自由载流子分散效应和硅基微环调制器具备的洛伦兹光谱形状会引起调制非线性效应，这会对于多阶调制格式信号的应用带来负面影响此外，Si-MRM的高Q因子使其对共振漂移过程具有较强敏感性，这意味着调制过程容易受到外界温度变化和激光波长漂移的影响。科研人员已经进行了许多尝试来解决调制非线性失真的问题，其中预失真是一种可行的方法；还有一些研究人员已经证明了几种均衡方法解决接收机的调制非线性失真问题。最近，有研究人员展示了一种机器学习方法，以减在光互连链路中的PAM-4和PAM-8信号的非线性失真问题。该类基于支持向量（SVM）机器学习的方法选择在接收器中执行是因为它可以适应不同发射机性能带来的调制非线性问题；针对Si-MRM，该技术可以自适应对抗调制失真过程，从而解决共振和漂移对信号调制的影响。研究人员通过机器学习过程来改善接收信号灵敏度并降低调制非线性失 真，并研究自适应处理技术支持稳定的MRM光学互连过程。
上海交通大学电子与信息工程系的研究人员设计了基于CBT-SVM的机器学习方法用于减轻在Si-MRM上进行PAM-4调制的非线性失真影响。研究人员根据PAM信号电平分布定义相关参数，并分析LD在100Gbps下波长漂移对PAM-4信号的影响。采用该方案后，实现了高达2.7 dB的接收信号灵敏度增益，并且克服了较大的非线性调制失真。实验结果表明，当光信号以50 Gbps的传输速率在2公里单模光纤上传输后，调制非线性负面影响得到缓解，接收灵敏度提高3.63 dB，Si-MRM的调制非线性响应曲线如图3所示。
图3.基于Si-MRM的调制非线性响应曲线图
2018年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：电光调制技术，光网络及其子系统，光互连系统，笔者将逐一评析。
1.电光调制技术
随着通信业务的带宽需求越来越高，越来越多的移动终端通过使用短程通信系统以突破带宽瓶颈，如采用近程光传接入系统。尽管相干检测技术取得了相当大的进展，但是基于强度调制（IM）和直接检测（DD）的方案因为成本耗费低成为短程光接入系统的优选方案；同时互联网对传输速度无止境的需求正推动高速IM/DD系统调制带宽的进一步发展。增加调制带宽会带来两个严重问题：1）传输组件的费用高，如电光调制器，驱动器和TIA的购置成本高; 2）严重的色散引起的符号间干扰（ISI将极大地影响传输距离。基于上述考虑，研究人员对结合正交幅度调制（QAM）生成的正交频分复用（OFDM）IM/DD系统产生了较大的研究兴趣，该系统具有高谱效率且对ISI具有影响具有一定的鲁棒性。电吸收调制激光器（EML）和直接调制DFB激光器（DML）是常见IM / DD系统的光源，但DML的输出功率高于EMLs；此外EML和DML的调制会诱发频率啁啾效应，其中基于DML的调制会诱发两类啁啾：瞬态啁啾和非瞬态啁啾，与EML仅诱发瞬态啁啾。研究人员演示了基于100Gbps 调制DML的OFDM数模转换器的工作过程；然而，生成的光信号在C波段上的传输被限制在约10公里内，其原因是传输距离受到色散引起的功率衰落效应限制，这往往会减少可用传输带宽。较强的正瞬态啁啾会导致信号功率严重衰落，传输距离也会受到非线性失真的限制，这是色散影响信号传输的必然结果。随着啁啾的增加，非线性负面影响变得越来越严重。OFDM信号传输过程中的非线性失真已被研究人员建模为子载波-子载波混合干扰（SSII）模型。考虑到非瞬态啁啾的影响，研究人员提出了SSII补偿方案用以消除基于DML的系统中的非线性失真。研究人员还设计了非线性沃尔泰拉滤波算法补偿系统中的非线性失真。对于二阶非线性失真，SSII补偿与非线性沃尔泰拉滤波算法的补偿效果相当；相比之下，SSII补偿的计算复杂性与色散无关。中国台湾高雄大学光学系的研究人员对基于DML的OFDM光信号传输进行了研究。实验设置的传输距离为0-150 km，同时改变激光器的偏置电流以分析有无SSII补偿的两种情况下非瞬态啁啾对传输性能的影响。实验结果表明非瞬态啁啾是导致非线性失真产生的主要原因；此外，色散和瞬态啁啾之间的相互作用会导致功率衰减。在上述情况下，非瞬态啁啾会加剧非线性失真但也可能提供相关功率增益。当SSII补偿过程减弱导致非线性失真时，控制特定的非瞬态啁啾可改善系统的传输性能。实验结果显示，在SSII补偿之后，当功率增益的影响超过非线性失真的影响，一定的非瞬态啁啾量可以带来更好的传输性能。另一方面，对于单载波调制（如多级脉冲幅度调制（PAM）），基于DML的信号传输也会遇到类似的非线性失真问题，所以非线性补偿过程是必要的，例如可应用沃尔泰拉滤波方案。由于缺乏独立调制每个频率分量的能力，在单载波传输过程中，仍需对影响非瞬态啁啾相关增益的因素和相关参数的取值进行进一步研究。实验结果证明：在进行50-100公里的传输 时，SSII补偿可以改善OFDM光信号传输的最大数据速率可达11Gbps，其补偿原理如图1所示。
图1.SSII补偿原理图
2.光网络及其子系统
支持无线数据接入的可见光载无线通信（Li-Fi）技术被视为新兴宽带接入技术之一，正日益受到人们的重视。在Li-Fi系统中，待传输数据通常对发光二极管（LED）发出的可见光进行强度调制，产生的可见光信号通过视距传播并由光电二极管（PD）检测。研究人员已经通过相关实验确定了可见光无线信道模型，在模型中LED接入点通常被设计为规则的几何形状排列以形成有效的Li-Fi 网络，其中，LED同时发出不同色度或光波长的可调制光。值得注意的是，如果LED发射相同的光波长可产生同频干扰，在下行链路中同频干扰是导致下行链路信息吞吐量降低的限制因素，当然接收光信号受到的干扰还有用户室内的干扰源和视场（FOV）的相对位置。当FOV相对角度小于π/2弧度， LED和PD在FOV范围内可建立视距链接；但是当FOV相对角度等于π/2弧度时，视距传播受到限制并显著影响可见光信号收发。因此，对于FOV的两种相对位置，信号干扰特性和表征噪声比（SINR）对于系统的设计至关重要，其中覆盖概率和区域频谱效率是必须考虑的因素。印度研究人员基于泊松求和定理提出了一种解析过程来分析近似于一维和二维Li-Fi 网络中的同频干扰过程。这种分析方法的优点是能够以准确计算给定长度可见光链路的存在的干扰功率，同时分析计算如覆盖率，面积光谱效率，最佳LED间距等重要指标，研究人员分析的可见光传输方案如图2所示。
图2. 自由空间视线（LOS）可见光传播过程（LED源处于高度h和距离d的天花板）。
3. 光互连系统
随着各类型信息业务的迅速增加导致数据通信带宽的需求日益提升，光互连技术对数据中心和高性能计算机的新应用起着越来越重要的重要。由于光互连过程需要对信号进行大容量传输和低功耗收发，因此采用先进的调制格式和改进已有的数字信号处理（DSP）方案变得更加迫切。我们了解，硅光子（SiP）技术的应用有望以低成本实现大规模光子器件的集成且功耗低，该技术一直被认为是未来光互连有希望的候选技术。其中，硅基微环调制器（Si-MRM）具有优异的特性（如体积小，调制速度高和能耗低）而受到人们的重视。但是，由于自由载流子分散效应和硅基微环调制器具备的洛伦兹光谱形状会引起调制非线性效应，这会对于多阶调制格式信号的应用带来负面影响此外，Si-MRM的高Q因子使其对共振漂移过程具有较强敏感性，这意味着调制过程容易受到外界温度变化和激光波长漂移的影响。科研人员已经进行了许多尝试来解决调制非线性失真的问题，其中预失真是一种可行的方法；还有一些研究人员已经证明了几种均衡方法解决接收机的调制非线性失真问题。最近，有研究人员展示了一种机器学习方法，以减在光互连链路中的PAM-4和PAM-8信号的非线性失真问题。该类基于支持向量（SVM）机器学习的方法选择在接收器中执行是因为它可以适应不同发射机性能带来的调制非线性问题；针对Si-MRM，该技术可以自适应对抗调制失真过程，从而解决共振和漂移对信号调制的影响。研究人员通过机器学习过程来改善接收信号灵敏度并降低调制非线性失 真，并研究自适应处理技术支持稳定的MRM光学互连过程。
上海交通大学电子与信息工程系的研究人员设计了基于CBT-SVM的机器学习方法用于减轻在Si-MRM上进行PAM-4调制的非线性失真影响。研究人员根据PAM信号电平分布定义相关参数，并分析LD在100Gbps下波长漂移对PAM-4信号的影响。采用该方案后，实现了高达2.7 dB的接收信号灵敏度增益，并且克服了较大的非线性调制失真。实验结果表明，当光信号以50 Gbps的传输速率在2公里单模光纤上传输后，调制非线性负面影响得到缓解，接收灵敏度提高3.63 dB，Si-MRM的调制非线性响应曲线如图3所示。
图3.基于Si-MRM的调制非线性响应曲线图
