2019年9月JLT光通信论文评析
发布时间：2019-10-14 08:40:37 热度：1966
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
2019年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信系统，光纤链路，光接收机，光纤传感技术以及光纤陀螺仪等，笔者将逐一评析。
1. 光纤无线通信系统
南京航空航天大学Xin Jiang等科研人员设计了一种新型多天线全球导航卫星系统（GNSS），可利用光纤将信号从多个远程天线传输到本地站。GNSS还具有实时光纤长度监控功能，可用于高精度三维（3D）基线测量。其原理是：利用实时光纤长度监测获取不同GNSS信号之间的延时差，然后使用载波相位单差（SD）算法来计算3D基线。与载波相位双差（DD）算法相比，使用该算法可以提高3D基线测量的垂直精度。实验结果表明，相比于DD算法，使用SD算法的3D基线测量精度可至2 mm以内，垂直定位精度可提高三倍以上[1]。
图1 基于GNSS变形监测系统的应用
2. 光纤链路
斯图加特大学的Christian Röhrer等科研人员分析了光纤长度、纤芯直径对发射光束质量的影响以及对一种多模阶跃折射率光纤（数值孔径为0.22）。研究结果表明，在100m多模光纤中，光束质量可几乎保持在衍射极限（M2 ≈ 1.3）；而在纤芯直径为60 μm、长度为380 m的光纤中也可以传输M2值为2.1的光束。为验证该多模阶跃折射率光纤的高功率适用性，科研人员在长度为100 m、纤芯直径为6 μm 的光纤中传输功率为1 kw的光束。实验结果表明，在该光纤中光束不会发生受激拉曼散射，且光束质量可保持在近衍射极限范围内[2]。
图2 拉曼光纤激光器腔匹配方案的实验配置
3. 光接收机
德国卡尔斯鲁厄技术学院的Christoph Füllner等科研人员设计了一种低复杂度的Kramers-Kronig 接收机方案，并对该方案的性能和复杂度进行了研究。研究结果表明，使用较少的滤波器抽头能实现极高精度相位恢复和复杂场的重建过程。此外，科研人员证明，该Kramers-Kronig接收机的性能很大程度取决于系统设计的细节。比如，不必要的宽带滤波器会降低信号接收质量，因为额外的噪声将可能破坏最小相位条件；而窄带滤波器虽然会提高本地振荡器激光器的工作稳定性，但同时会降低接收机结构的灵活性。科研人员采用Kramers-Kronig接收机对在经300公里标准单模光纤传输后的16QAM号进行探测，实现了267 Gbit/s的净数据传输速率[3]。
图3 相关数字信号处理流程
4. 光纤传感技术
上海交通大学Dian Chen等科研人员设计了一种基于时控数字光频域反射仪的长距离、高灵敏度分布式声传感器（DAS）系统；该系统采用双向分布式拉曼放大技术，可实现长距离测量。首先，将光脉冲输入标准汉宁窗（理论峰值旁瓣比为46 dB），以抑制串扰；然后，采用相位解调方法抑制干扰衰落和极化衰落；最后，在光纤长度为108 km、空间分辨率为5 m的条件下，使用该系统在98 km处准确地定位了峰值-峰值振幅为14.7 nε的弱振动（信噪比值为30dB）。该系统在100公里级光纤上实现了220-ppε/√Hz的应变灵敏度，并支持在没有谐波的情况下获取振动波形[4]。
图4 分布式声传感器（DAS）系统示意图
5. 光纤陀螺仪
北京航天航空大学的Yuanhong Yang 等科研人员设计了一种由两个宽带源同时驱动的低噪声闭环光纤陀螺仪（FOG），并对基于两个工作波长集成超发光二极管（SLD）的组合式超宽带光源（SBLS）的基本特性进行了研究。科研人员分析了多功能集成电路（MIOC）在半波电压下的色散特性，证明该类定制MIOC可以在较大的频率范围内工作；另外，采用实心偏振光子晶体光纤线圈构建FOG也可以较好支持闭环工作过程。经过对该FOG的偏置漂移和比例因子进行测试，得到的结果表明，：上述方案的性能优于基于单SLD源FOG的方案 [5]。
图5 SBLS示意图
参考文献：
[1]. Xin Jiang, Xiangchuan Wang. “A Multi-Antenna GNSS-Over-Fiber System for High Accuracy
Three-Dimensional Baseline Measurement”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 17, pp. 4201–4209,
September 1, 2019.
[2]. Christian Röhrer, Christophe A. Codemard, “Preserving Nearly Diffraction-Limited Beam Quality Over
Several Hundred Meters of Transmission Through Highly Multimode Fibers”[J], IEEE J. Lightw. Technol.,
vol. 37, no. 17, pp. 4260–4267, September 1, 2019.
[3]. Christoph Füllner, Md Mosaddek Hossain Adib, “Complexity Analysis of the Kramers–Kronig Receiver”
[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 17, pp. 4295–4307, September 1, 2019.
[4]. Dian Chen, Qingwen Liu, “108-km Distributed Acoustic Sensor With 220-pε/√Hz Strain Resolution
and5-m Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 4462–4468, September 15, 2019.
[5]. Yuanhong Yang, Shuai Li, “Low-Noise Closed-Loop FOG Driven by Two Broadband Sources”[J], IEEE J.
Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 4555–4559, September 15, 2019.
2019年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信系统，光纤链路，光接收机，光纤传感技术以及光纤陀螺仪等，笔者将逐一评析。
1. 光纤无线通信系统
南京航空航天大学Xin Jiang等科研人员设计了一种新型多天线全球导航卫星系统（GNSS），可利用光纤将信号从多个远程天线传输到本地站。GNSS还具有实时光纤长度监控功能，可用于高精度三维（3D）基线测量。其原理是：利用实时光纤长度监测获取不同GNSS信号之间的延时差，然后使用载波相位单差（SD）算法来计算3D基线。与载波相位双差（DD）算法相比，使用该算法可以提高3D基线测量的垂直精度。实验结果表明，相比于DD算法，使用SD算法的3D基线测量精度可至2 mm以内，垂直定位精度可提高三倍以上[1]。
图1 基于GNSS变形监测系统的应用
2. 光纤链路
斯图加特大学的Christian Röhrer等科研人员分析了光纤长度、纤芯直径对发射光束质量的影响以及对一种多模阶跃折射率光纤（数值孔径为0.22）。研究结果表明，在100m多模光纤中，光束质量可几乎保持在衍射极限（M2 ≈ 1.3）；而在纤芯直径为60 μm、长度为380 m的光纤中也可以传输M2值为2.1的光束。为验证该多模阶跃折射率光纤的高功率适用性，科研人员在长度为100 m、纤芯直径为6 μm 的光纤中传输功率为1 kw的光束。实验结果表明，在该光纤中光束不会发生受激拉曼散射，且光束质量可保持在近衍射极限范围内[2]。
图2 拉曼光纤激光器腔匹配方案的实验配置
3. 光接收机
德国卡尔斯鲁厄技术学院的Christoph Füllner等科研人员设计了一种低复杂度的Kramers-Kronig 接收机方案，并对该方案的性能和复杂度进行了研究。研究结果表明，使用较少的滤波器抽头能实现极高精度相位恢复和复杂场的重建过程。此外，科研人员证明，该Kramers-Kronig接收机的性能很大程度取决于系统设计的细节。比如，不必要的宽带滤波器会降低信号接收质量，因为额外的噪声将可能破坏最小相位条件；而窄带滤波器虽然会提高本地振荡器激光器的工作稳定性，但同时会降低接收机结构的灵活性。科研人员采用Kramers-Kronig接收机对在经300公里标准单模光纤传输后的16QAM号进行探测，实现了267 Gbit/s的净数据传输速率[3]。
图3 相关数字信号处理流程
4. 光纤传感技术
上海交通大学Dian Chen等科研人员设计了一种基于时控数字光频域反射仪的长距离、高灵敏度分布式声传感器（DAS）系统；该系统采用双向分布式拉曼放大技术，可实现长距离测量。首先，将光脉冲输入标准汉宁窗（理论峰值旁瓣比为46 dB），以抑制串扰；然后，采用相位解调方法抑制干扰衰落和极化衰落；最后，在光纤长度为108 km、空间分辨率为5 m的条件下，使用该系统在98 km处准确地定位了峰值-峰值振幅为14.7 nε的弱振动（信噪比值为30dB）。该系统在100公里级光纤上实现了220-ppε/√Hz的应变灵敏度，并支持在没有谐波的情况下获取振动波形[4]。
图4 分布式声传感器（DAS）系统示意图
5. 光纤陀螺仪
北京航天航空大学的Yuanhong Yang 等科研人员设计了一种由两个宽带源同时驱动的低噪声闭环光纤陀螺仪（FOG），并对基于两个工作波长集成超发光二极管（SLD）的组合式超宽带光源（SBLS）的基本特性进行了研究。科研人员分析了多功能集成电路（MIOC）在半波电压下的色散特性，证明该类定制MIOC可以在较大的频率范围内工作；另外，采用实心偏振光子晶体光纤线圈构建FOG也可以较好支持闭环工作过程。经过对该FOG的偏置漂移和比例因子进行测试，得到的结果表明，：上述方案的性能优于基于单SLD源FOG的方案 [5]。
图5 SBLS示意图
参考文献：
[1]. Xin Jiang, Xiangchuan Wang. “A Multi-Antenna GNSS-Over-Fiber System for High Accuracy
Three-Dimensional Baseline Measurement”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 17, pp. 4201–4209,
September 1, 2019.
[2]. Christian Röhrer, Christophe A. Codemard, “Preserving Nearly Diffraction-Limited Beam Quality Over
Several Hundred Meters of Transmission Through Highly Multimode Fibers”[J], IEEE J. Lightw. Technol.,
vol. 37, no. 17, pp. 4260–4267, September 1, 2019.
[3]. Christoph Füllner, Md Mosaddek Hossain Adib, “Complexity Analysis of the Kramers–Kronig Receiver”
[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 17, pp. 4295–4307, September 1, 2019.
[4]. Dian Chen, Qingwen Liu, “108-km Distributed Acoustic Sensor With 220-pε/√Hz Strain Resolution
and5-m Spatial Resolution”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 4462–4468, September 15, 2019.
[5]. Yuanhong Yang, Shuai Li, “Low-Noise Closed-Loop FOG Driven by Two Broadband Sources”[J], IEEE J.
Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 4555–4559, September 15, 2019.
