2020年9月JLT光通信论文评析
发布时间：2020-11-09 20:34:52 热度：3573
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，胡钦政，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨琪铭，于妮
2020年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括硅光子学、自由空间光通信技术、光纤通信技术、可见光通信技术、光源器件等。笔者将逐一评析。
硅光子学
美国弗吉尼亚大学的Yuan Yuan等研究人员设计了一种新型Si-Ge波导雪崩光电二极管（Si-Ge-APD），如图1所示；并在30℃～90℃温度条件研究了Si-Ge-APD的特性。该Si-Ge-APD具有较薄的倍增层和耗尽区，可以保持较低击穿电压（～10v），同时还具备极低的击穿电压温度系数和内部高量子效率。温度升高过程中，击穿电压增加值为～4.2mV/°C，带宽降低值为～0.09%/°C，增益带宽积（GBP）降低值为～0.24%/°C。研究结果表明：在30℃下，可获得大于15的高倍增益，～26.0 GHz的高带宽，～282.4 GHz的高GBP，～414.5GHz的增强GBP以及～60%的内部高量子效率。在90℃下，可获得大于15的高增益，24.6GHz的高带宽，241.1GHz的高GBP，甚至内部更高的量子效率。在30°C到90°C之间进行调制的32-Gbps-NRZ和64-Gbps-PAM4信号，经过Si-Ge-APD接收后得到清晰眼图。Si-Ge-APD在室温和高温下都具有优异的性能，有望成为未来高温光互连应用过程中的备选光接收器[1]。
图1（a）结构示意图, (b)能带图
自由空间光通信技术
伊朗沙希德贝赫什迪大学的Hossein Safi等研究人员设计了一种应用于高空平台（HAPs）的自由空间光通信（FSO）系统，如图2所示。在对数正态（LN）和伽玛-伽玛（GG）两种大气湍流条件下，研究人员提出了一种简单易行的信道模型，在综合考虑了接收机位置振动、光束漂移引起的方向抖动变化、探测器孔径大小、接收光束半径、接收机视场、大气衰减和湍流以及接收光束的波动等综合影响后，推导了不同湍流状态下链路中断概率的闭合表达式。研究结果表明：链路的性能在很大程度上取决于接收机和接收光束的相关参数[2]。
图2系统链路模型
光纤通信技术
暨南大学的Haide Wang等研究人员设计了一种新型强度调制和直接检测（IM/DD）开关键控（OOK）光纤通信系统，如图3所示。研究人员使用自适应信道匹配检测（ACMD）算法，以补偿系统的链路失真；该算法运行流程中包含了多项式非线性均衡器（PNLE），判决反馈均衡器（DFE）和最大似然序列估计（MLSE）。补偿过程如下：首先，基于信道特性PNLE补偿了线性失真和非线性失真，随后的DFE补偿了色散引起的频谱零点生成；最后，依据信号噪声特性，采用后置滤器波对噪声进行白化处理，实现MLSE信号的最优检测。研究结果表明：研究人员设计的C波段64Gbit/s IM/DD-OOK系统，在100km无色散补偿链路上传输信号，仅在接收端使用ACMD算法，即可实现误码率（BER）低于7%硬判决前向纠错阈值效果[3]。
图3系统实验装置
可见光通信技术
河北经济贸易大学的Xiaoshuang Liu等研究人员设计了新型分层非对称限幅光正交频分复用（LACO-OFDM）系统，如图4所示。传统的LACO-OFDM需要使用快速傅立叶变换（FFT）和快速傅立叶逆变换（IFFT）过程进行信号迭代检测，带来了接收信号计算复杂度增加的问题。通过研究LACO-OFDM系统单FFT接收机的性能，研究人员发现使用单FFT接收机，ACO-OFDM信号的各层不需要FFT/IFFT过程就可以在时域上进行区分，同时还可以实现O（〖Nlog〗_2 N）的计算复杂度，使得LACO-OFDM系统中恢复原始信号的计算复杂度大大降低。研究结果表明：与传统LACO-OFDM系统相比，在加性高斯白噪声（AWGN）信道下，该系统的信噪比（SNR）损失为1dB～3dB；在使用发光二极管（LED）非线性信道中的接收信号性能优于传统的LACO-OFDM系统方案[4]。
[center]
图4基于LACO-OFDM的VLC系统
光源器件
德国弗朗霍夫海因里希赫兹研究所的Magnus Happach等研究人员设计了可调谐分布的布拉格反射镜（DBR）激光器，并研究了光反馈对可调谐激光器的影响，如图5所示。研究人员建立了一个可调谐分布布拉格反射镜（DBR）激光器理论模型，并阐述了有恒定反射面距离的光反馈对波长调谐的影响，理论计算和实验结果具有良好一致性；其次，还阐明了在有光反馈的情况下进行波长调谐所必需的激光器设计参数，以减少光反馈对调谐的影响；最后引入了一个新的参数：模式损失差（MLD），作为衡量调谐过程的反馈容忍度指标。研究结果表明：随着光栅半高全宽（FWHM）的减小和反射率的增加，激光器的调谐具有更高容限；较高的MLD表明激光器对腔体变化的容忍度更高[5]。
图5激光器模型
参考文献
[1] Y. Yuan et al., "64 Gbps PAM4 Si-Ge Waveguide Avalanche Photodiodes With Excellent Temperature Stability,"
in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 17, pp. 4857-4866, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2996561.
[2] H. Safi, A. Dargahi, J. Cheng and M. Safari, "Analytical Channel Model and Link Design Optimization for Ground-to-HAP
Free-Space Optical Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 18, pp. 5036-5047, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2997806.
[3] H. Wang et al., "Adaptive Channel-Matched Detection for C-Band 64-Gbit/s Optical OOK System Over 100-km
Dispersion-Uncompensated Link," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 18, pp. 5048-5055, 15 Sept.15, 2020, doi:
10.1109/JLT.2020.2998636.
[4] X. Liu, J. Li, J. Li and Z. Huang, "Analysis of the Single-FFT Receiver for Layered ACO-OFDM in Visible Light Communications,"
in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 17, pp. 4757-4764, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2994633.
[5] M. Happach et al., "Effect of Optical Feedback on the Wavelength Tuning in DBR Lasers," in Journal of Lightwave Technology,
vol. 38, no. 17, pp. 4824-4833, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2996131.
2020年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括硅光子学、自由空间光通信技术、光纤通信技术、可见光通信技术、光源器件等。笔者将逐一评析。
硅光子学
美国弗吉尼亚大学的Yuan Yuan等研究人员设计了一种新型Si-Ge波导雪崩光电二极管（Si-Ge-APD），如图1所示；并在30℃～90℃温度条件研究了Si-Ge-APD的特性。该Si-Ge-APD具有较薄的倍增层和耗尽区，可以保持较低击穿电压（～10v），同时还具备极低的击穿电压温度系数和内部高量子效率。温度升高过程中，击穿电压增加值为～4.2mV/°C，带宽降低值为～0.09%/°C，增益带宽积（GBP）降低值为～0.24%/°C。研究结果表明：在30℃下，可获得大于15的高倍增益，～26.0 GHz的高带宽，～282.4 GHz的高GBP，～414.5GHz的增强GBP以及～60%的内部高量子效率。在90℃下，可获得大于15的高增益，24.6GHz的高带宽，241.1GHz的高GBP，甚至内部更高的量子效率。在30°C到90°C之间进行调制的32-Gbps-NRZ和64-Gbps-PAM4信号，经过Si-Ge-APD接收后得到清晰眼图。Si-Ge-APD在室温和高温下都具有优异的性能，有望成为未来高温光互连应用过程中的备选光接收器[1]。
图1（a）结构示意图, (b)能带图
自由空间光通信技术
伊朗沙希德贝赫什迪大学的Hossein Safi等研究人员设计了一种应用于高空平台（HAPs）的自由空间光通信（FSO）系统，如图2所示。在对数正态（LN）和伽玛-伽玛（GG）两种大气湍流条件下，研究人员提出了一种简单易行的信道模型，在综合考虑了接收机位置振动、光束漂移引起的方向抖动变化、探测器孔径大小、接收光束半径、接收机视场、大气衰减和湍流以及接收光束的波动等综合影响后，推导了不同湍流状态下链路中断概率的闭合表达式。研究结果表明：链路的性能在很大程度上取决于接收机和接收光束的相关参数[2]。
图2系统链路模型
光纤通信技术
暨南大学的Haide Wang等研究人员设计了一种新型强度调制和直接检测（IM/DD）开关键控（OOK）光纤通信系统，如图3所示。研究人员使用自适应信道匹配检测（ACMD）算法，以补偿系统的链路失真；该算法运行流程中包含了多项式非线性均衡器（PNLE），判决反馈均衡器（DFE）和最大似然序列估计（MLSE）。补偿过程如下：首先，基于信道特性PNLE补偿了线性失真和非线性失真，随后的DFE补偿了色散引起的频谱零点生成；最后，依据信号噪声特性，采用后置滤器波对噪声进行白化处理，实现MLSE信号的最优检测。研究结果表明：研究人员设计的C波段64Gbit/s IM/DD-OOK系统，在100km无色散补偿链路上传输信号，仅在接收端使用ACMD算法，即可实现误码率（BER）低于7%硬判决前向纠错阈值效果[3]。
图3系统实验装置
可见光通信技术
河北经济贸易大学的Xiaoshuang Liu等研究人员设计了新型分层非对称限幅光正交频分复用（LACO-OFDM）系统，如图4所示。传统的LACO-OFDM需要使用快速傅立叶变换（FFT）和快速傅立叶逆变换（IFFT）过程进行信号迭代检测，带来了接收信号计算复杂度增加的问题。通过研究LACO-OFDM系统单FFT接收机的性能，研究人员发现使用单FFT接收机，ACO-OFDM信号的各层不需要FFT/IFFT过程就可以在时域上进行区分，同时还可以实现O（〖Nlog〗_2 N）的计算复杂度，使得LACO-OFDM系统中恢复原始信号的计算复杂度大大降低。研究结果表明：与传统LACO-OFDM系统相比，在加性高斯白噪声（AWGN）信道下，该系统的信噪比（SNR）损失为1dB～3dB；在使用发光二极管（LED）非线性信道中的接收信号性能优于传统的LACO-OFDM系统方案[4]。
[center]
图4基于LACO-OFDM的VLC系统
光源器件
德国弗朗霍夫海因里希赫兹研究所的Magnus Happach等研究人员设计了可调谐分布的布拉格反射镜（DBR）激光器，并研究了光反馈对可调谐激光器的影响，如图5所示。研究人员建立了一个可调谐分布布拉格反射镜（DBR）激光器理论模型，并阐述了有恒定反射面距离的光反馈对波长调谐的影响，理论计算和实验结果具有良好一致性；其次，还阐明了在有光反馈的情况下进行波长调谐所必需的激光器设计参数，以减少光反馈对调谐的影响；最后引入了一个新的参数：模式损失差（MLD），作为衡量调谐过程的反馈容忍度指标。研究结果表明：随着光栅半高全宽（FWHM）的减小和反射率的增加，激光器的调谐具有更高容限；较高的MLD表明激光器对腔体变化的容忍度更高[5]。
图5激光器模型
参考文献
[1] Y. Yuan et al., "64 Gbps PAM4 Si-Ge Waveguide Avalanche Photodiodes With Excellent Temperature Stability,"
in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 17, pp. 4857-4866, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2996561.
[2] H. Safi, A. Dargahi, J. Cheng and M. Safari, "Analytical Channel Model and Link Design Optimization for Ground-to-HAP
Free-Space Optical Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 18, pp. 5036-5047, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2997806.
[3] H. Wang et al., "Adaptive Channel-Matched Detection for C-Band 64-Gbit/s Optical OOK System Over 100-km
Dispersion-Uncompensated Link," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 18, pp. 5048-5055, 15 Sept.15, 2020, doi:
10.1109/JLT.2020.2998636.
[4] X. Liu, J. Li, J. Li and Z. Huang, "Analysis of the Single-FFT Receiver for Layered ACO-OFDM in Visible Light Communications,"
in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 17, pp. 4757-4764, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2994633.
[5] M. Happach et al., "Effect of Optical Feedback on the Wavelength Tuning in DBR Lasers," in Journal of Lightwave Technology,
vol. 38, no. 17, pp. 4824-4833, 1 Sept.1, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2996131.
