2018年11月PTL光通信论文评析
发布时间：2019-01-15 18:14:43 热度：3181
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖，胡钦政
2018年11月出版的PTL主要刊登了以下方向的文章，包括：激光器、光通信系统、有源光子器件、光学滤波等，笔者将逐一评析。
1. 激光器
来自美国帕萨迪纳OEwaves公司的Wei Liang等研究人员使用搭建了一个微型半导体激光系统，其特点是具有优异的光谱纯度和低强度噪声。他们制备了一种高光谱纯度自注入锁定的分布反馈（DFB）式半导体激光器，相对强度噪声（RIN）在1kHz时接近-143dB/Hz，在100kHz时频率偏移值接近-160dB/Hz。激光器的频率噪声在1kHz时为2Hz/Hz1/2。上述激光器的输出功率超过70mW（自由空间光束输出为110 mW），可在几百kHz范围内调频，也可在几十GHz范围内进行调谐。由于利用馈送激光器芯片的低噪声电流源和饱和SOA降低了激光器的振幅噪声，因此实现了低强度噪声性能。相关实验装置如图1所示。
图1 相关实验装置
2. 光通信系统
具有接近香农极限性能的LDPC码已被广泛用于光纤通信和5G移动通信系统。东南大学国家移动通信研究实验室的Yuan He等科研人员研究了固定信号功率下LDPC编码DCO-OFDM系统的直流偏置优化过程。他们证明在给定光功率的约束下，通过改进的外部信息传递（PEXIT）过程可以分析和优化信号功率及DC偏置。他们还修改基于原型的PEXIT过程，利用搜索最低迭代阈值来找到直流偏置和信号功率之间的优化比率，来解决联合优化问题。他们提供了对PEXIT分析和SNDR策略之间不匹配的解码度量的新见解，并设计了近似方法来简化在容忍DC偏置下比率优化的搜索过程。研究结果表明：通过改进编码调制方案，可以更有效解决DCO-OFDM系统中的相关优化问题。其系统框图如图2所示。
图2 LDPC编码DCO-OFDM系统的框图及其在路灯调光控制中的应用
可见光通信(VLC)被认为是一种可实现高速接入的室内通信技术。为基于调制带宽超过800 MHz的GaN LED来实现VLC的高速传输过程，利用高阶调制格式和正交频分复用（OFDM）的技术被研究。Kaiquan Wu等研究人员设计了基于OCT预编码的比特交织极性编码调制（BIPCM）方案，并在256QAM OFDM-VLC系统中进行了实验验证。结果表明，通过使用带宽75MHz的蓝光LED，基于OCT的方案可以实现80cm自由空间传输的低延迟传输，数据速率为343 Mb/s，误码率低于1×10-3。实验系统框图如图3所示。
图3 基于OCT预编码的OFDM-VLC系统框图
3.有源光子器件
表面浮雕光栅和薄膜波导构成的导模谐振滤波器(GMRF)是一种很有应用前景的光子元件，原因是其具有超强的波长选择能力。前期的研究中可调谐GMRF虽然具有独特的光谱特性和应用前景，但是仍然存在峰值效率低、线宽大和边带高等缺点，这将影响共振光谱的单色性。哈尔滨理工大学航天学院的Zhibin Ren等研究人员设计了基于TN-LC偏振旋转器的多原色可调GMRF，其结构如图4所示。他们从理论上研究了由横向电（TE）和磁（TM）偏振入射光照射下GMRF的特性，并控制了可调谐滤波器的TN-LC上施加的电压，并显示了从GMRF反射的六种原色，实时获得了3~6个高饱和原色。在电压关闭状态下，他们实验测得三原色的中心波长在蓝色区域为423.8nm，绿色区域为520.2nm，红色区域为601.4nm。在电压接通状态下，测量的三原色的中心波长位于451.0nm处为蓝色，553.6nm为绿色，636.5nm为红色。与先前报道的可调谐CF相比，其窄线宽和低边带得到改善。上述可调谐GMRF的特殊功能可能在彩色显示器、图像传感器和光学开关等制备方面有潜在应用。其工作原理如图5所示。
图4 三层可调GMRF的结构图
图5 可调谐滤波器的工作原理
4. 光学滤波
伊朗沙赫德贝赫什蒂大学电气工程系的Masoud Kamran等研究人员基于光MZI架构，设计了新颖的PC滤波器设计方案。他们介绍了单级和多级PC-MZI滤波器，并分析了它们的工作波长，并通过改变单级PC-MZI结构来产生周期频率响应。他们分析了基于MZI结构的单级（SS）滤波器的设计过程（结构如图6所示），并提出了基于SS滤波器的多级滤波器架构（如图7所示）。从概念设计的角度，他们仿真了具有周期输出谱的新型对称和非对称单级和多级PC-MZI，并对SS滤波器和MS滤波器进行了比较，将其分类为宽带滤波器和窄带滤波器。上述工作为多级MZI器件设计奠定了基础，并指出PC-MZ滤波器在光滤波器、波长多路复用器和交织器制备方面具有广阔的应用前景。
图6 单级光学滤波器结构
图7 四种原型多级架构
参考文献
[1] Wei Liang; Danny Eliyahu ; Anatoliy Savchenkov; Andrey Matsko. A Low-RIN Spectrally Pure Whispering-Gallery-Mode Resonator-Based Semiconductor Laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018, Page(s):1933 – 1936.
[2] Yuan He; Ming Jiang; Xintong Ling; Chunming Zhao. Protograph-Based EXIT Analysis and Optimization of LDPC Coded CO-OFDM in VLC Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018, Page(s): 1898 – 1901.
[3] Zhibin Ren; Yahui Sun; Zihao Lin; Chunyu Wang; et al. Tunable Guided-Mode Resonance Filters for Multi-Primary Colors Based on Polarization Rotation[J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2018, Page(s):1858-1861.
[4] Masoud Kamran; Kambiz Abedi; Mohammad Javad Sharifi. Novel Multi-Stage Photonic Crystal Mach-Zehnder Optical Filters[J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2018, Page(s): 1874 – 1877.
[5] Kaiquan Wu; Jing He; Jie Ma ; Yiran Wei. A BIPCM Scheme Based on OCT Precoding for a 256-QAM OFDM-VLC System[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018,Page(s):1866-1869.
2018年11月出版的PTL主要刊登了以下方向的文章，包括：激光器、光通信系统、有源光子器件、光学滤波等，笔者将逐一评析。
1. 激光器
来自美国帕萨迪纳OEwaves公司的Wei Liang等研究人员使用搭建了一个微型半导体激光系统，其特点是具有优异的光谱纯度和低强度噪声。他们制备了一种高光谱纯度自注入锁定的分布反馈（DFB）式半导体激光器，相对强度噪声（RIN）在1kHz时接近-143dB/Hz，在100kHz时频率偏移值接近-160dB/Hz。激光器的频率噪声在1kHz时为2Hz/Hz1/2。上述激光器的输出功率超过70mW（自由空间光束输出为110 mW），可在几百kHz范围内调频，也可在几十GHz范围内进行调谐。由于利用馈送激光器芯片的低噪声电流源和饱和SOA降低了激光器的振幅噪声，因此实现了低强度噪声性能。相关实验装置如图1所示。
2. 光通信系统
具有接近香农极限性能的LDPC码已被广泛用于光纤通信和5G移动通信系统。东南大学国家移动通信研究实验室的Yuan He等科研人员研究了固定信号功率下LDPC编码DCO-OFDM系统的直流偏置优化过程。他们证明在给定光功率的约束下，通过改进的外部信息传递（PEXIT）过程可以分析和优化信号功率及DC偏置。他们还修改基于原型的PEXIT过程，利用搜索最低迭代阈值来找到直流偏置和信号功率之间的优化比率，来解决联合优化问题。他们提供了对PEXIT分析和SNDR策略之间不匹配的解码度量的新见解，并设计了近似方法来简化在容忍DC偏置下比率优化的搜索过程。研究结果表明：通过改进编码调制方案，可以更有效解决DCO-OFDM系统中的相关优化问题。其系统框图如图2所示。
可见光通信(VLC)被认为是一种可实现高速接入的室内通信技术。为基于调制带宽超过800 MHz的GaN LED来实现VLC的高速传输过程，利用高阶调制格式和正交频分复用（OFDM）的技术被研究。Kaiquan Wu等研究人员设计了基于OCT预编码的比特交织极性编码调制（BIPCM）方案，并在256QAM OFDM-VLC系统中进行了实验验证。结果表明，通过使用带宽75MHz的蓝光LED，基于OCT的方案可以实现80cm自由空间传输的低延迟传输，数据速率为343 Mb/s，误码率低于1×10-3。实验系统框图如图3所示。
3.有源光子器件
表面浮雕光栅和薄膜波导构成的导模谐振滤波器(GMRF)是一种很有应用前景的光子元件，原因是其具有超强的波长选择能力。前期的研究中可调谐GMRF虽然具有独特的光谱特性和应用前景，但是仍然存在峰值效率低、线宽大和边带高等缺点，这将影响共振光谱的单色性。哈尔滨理工大学航天学院的Zhibin Ren等研究人员设计了基于TN-LC偏振旋转器的多原色可调GMRF，其结构如图4所示。他们从理论上研究了由横向电（TE）和磁（TM）偏振入射光照射下GMRF的特性，并控制了可调谐滤波器的TN-LC上施加的电压，并显示了从GMRF反射的六种原色，实时获得了3~6个高饱和原色。在电压关闭状态下，他们实验测得三原色的中心波长在蓝色区域为423.8nm，绿色区域为520.2nm，红色区域为601.4nm。在电压接通状态下，测量的三原色的中心波长位于451.0nm处为蓝色，553.6nm为绿色，636.5nm为红色。与先前报道的可调谐CF相比，其窄线宽和低边带得到改善。上述可调谐GMRF的特殊功能可能在彩色显示器、图像传感器和光学开关等制备方面有潜在应用。其工作原理如图5所示。
图5 可调谐滤波器的工作原理
4. 光学滤波
伊朗沙赫德贝赫什蒂大学电气工程系的Masoud Kamran等研究人员基于光MZI架构，设计了新颖的PC滤波器设计方案。他们介绍了单级和多级PC-MZI滤波器，并分析了它们的工作波长，并通过改变单级PC-MZI结构来产生周期频率响应。他们分析了基于MZI结构的单级（SS）滤波器的设计过程（结构如图6所示），并提出了基于SS滤波器的多级滤波器架构（如图7所示）。从概念设计的角度，他们仿真了具有周期输出谱的新型对称和非对称单级和多级PC-MZI，并对SS滤波器和MS滤波器进行了比较，将其分类为宽带滤波器和窄带滤波器。上述工作为多级MZI器件设计奠定了基础，并指出PC-MZ滤波器在光滤波器、波长多路复用器和交织器制备方面具有广阔的应用前景。
图7 四种原型多级架构
参考文献
[1] Wei Liang; Danny Eliyahu ; Anatoliy Savchenkov; Andrey Matsko. A Low-RIN Spectrally Pure Whispering-Gallery-Mode Resonator-Based Semiconductor Laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018, Page(s):1933 – 1936.
[2] Yuan He; Ming Jiang; Xintong Ling; Chunming Zhao. Protograph-Based EXIT Analysis and Optimization of LDPC Coded CO-OFDM in VLC Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018, Page(s): 1898 – 1901.
[3] Zhibin Ren; Yahui Sun; Zihao Lin; Chunyu Wang; et al. Tunable Guided-Mode Resonance Filters for Multi-Primary Colors Based on Polarization Rotation[J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2018, Page(s):1858-1861.
[4] Masoud Kamran; Kambiz Abedi; Mohammad Javad Sharifi. Novel Multi-Stage Photonic Crystal Mach-Zehnder Optical Filters[J]. IEEE Photonics Technology Letters , 2018, Page(s): 1874 – 1877.
[5] Kaiquan Wu; Jing He; Jie Ma ; Yiran Wei. A BIPCM Scheme Based on OCT Precoding for a 256-QAM OFDM-VLC System[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2018,Page(s):1866-1869.
