2021年9月JLT光通信论文评析
发布时间：2021-10-25 15:38:17 热度：1812
10/25/2021，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，王壮，杨杰，杨骐铭，伊林芳，田青，于妮，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡，袁杰，左仁杰
2021年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括： 6G通信，非线性补偿，光纤通信，灵活以太网，光耦合器以及无源光网络等。笔者将逐一评析。
1、6G通信
浙江大学的Hongqi Zhang等研究人员设计了一种光纤无线通信的太赫兹传输系统，如图1所示。该系统充分利用了光波长和空间域的复用增益，通过光学频率梳（OFC）、低芯间串扰（IC-XT）多芯光纤以及数字信号处理（DSP）过程实现了16阶正交幅度调制信号（16-QAM）的高速传输。研究结果表明，该系统在1 km光纤信道和10 m无线信道上支持1176 Gbit/s的数据传输速率（350 GHz频段），无需任何太赫兹放大器，净数据速率可达1059 Gbit/s[1]。这是首次在300 GHz以上的太赫兹区域实现超过Tbit/s的无线数据传输，为Tbit/s无线通信的发展提供了可行方案，为推动6G通信网络的发展和实施提供了参考依据。
图1 （a）多维复用太赫兹光纤无线通信系统的概念图；（b）Tbit/s多维复用光子无线传输链路的实验配置方案
2.非线性补偿技术
针对偏振复用（Pol-Mux）光纤通信系统中的克尔非线性问题，加拿大纪念大学的Sunish Kumar Orappanpara Soman等研究人员设计了一种采用二阶微扰理论的非线性补偿（SO-PB-NLC）方案，如图2所示。研究人员对偏振复用光传输系统的二阶微扰场进行了理论分析，并通过一些简化假设的分析，进一步降低了SO-PB-NLC技术实现的复杂度[2]。基于单信道系统的数值模拟分析过程表明，与FO-PB-NLC技术相比较而言，SO-PB-NLC技术具有更好的误码性能和更大的传输范围；与采用数字反向传播算法技术相比，所提出的SO-PB-NLC技术具有更低的计算复杂度。
3.光纤通信
英国伦敦大学的Hubert Dzieciol等研究人员设计了在部分相干加性高斯白噪声（PCAWGN）信道中对二维（2D）信号调制/解调的新方案，如图3所示；该方案使用一个低复杂度解映射器，对PCAWGN信道中8到64阶调制格式进行几何整形（GS）。研究人员应用理论最优化模型、欧几里德模型和低复杂度PCAWGN模型对星座图中每一比特位的可达信息速率（AIRs）和前向纠错后（FEC）的误码率（BER）进行评估。结果表明，该方案不仅适用于宽线宽激光器（>500kHz）或低符号率的相干光通信系统，而且生成的星座图对残余相位噪声（RPN）也有较高的容忍度；还满足对线宽（LW）以及载波相位估计（CPE）的应用要求[3]。当低密度奇偶校验码（LDPC）率为9/10时（依据数字视频广播标准（DVBS）），与AWGN信道中64阶正交振幅调制（64-QAM）信号相比，该方案纠错后（采用post-FEC）的整形增益就高达2 dB以上。
4. 灵活以太网
北京邮电大学的Pengfei Zhu等研究人员在波分复用（WDM）端到端灵活以太网（FlexE）中设计了一种跨层安全传输策略。该策略在系统中利用全域哈希（Universal Hashing）映射进行FlexE 数据块置换，让数据经历多并行光纤传输，以获取最优的防信息截获能力。方案如图4所示，研究人员首先构建整数线性规划（ILP）模型，评估了不同级别攻击能力下资源利用率和传输安全性能；然后针对大规模数据输入时ILP模型的计算复杂度问题，设计了面向安全性和资源效率的蚁群优化算法（SEAC），确定了最优路线选择方式和物理层分配策略；最后依据物理层分配结果，输入端的数据块通过Universal Hashing映射随机分布在FlexE上[4]。结果表明，该策略能有效对抗不同攻击水平下的入侵过程，与传统首次适应（first-fit）算法相比，SEAC算法使ILP模型接近最优可靠效果，支持进一步提升系统的安全传输性能以及资源利用率。
5. 光耦合器
圣地亚哥大学的Liliana M.Sousa等研究人员设计一种采用长周期光纤光栅（LPG）的光耦合方案，支持将光信号从单模光纤（SMF）耦合到多芯光纤（MCF）的所有纤芯中，如图5所示。SMF上刻有LPG使得发射到SMF纤芯中的光束能耦合到SMF包层上，通过减小SMF包层半径可使光束在光纤包层之间的传输功率得到进一步增强；MCF纤芯内有相同的LPG，因此包层中的光信号功率能在MCF所有纤芯中进行合理分布。研究表明，在15.1 cm （包含1.9 cm SMF纤芯、3.4 cm MCF纤芯的LPGs和9.8 cm的偏移距离）总长度上，支持约90%（−0.6dB）的最大功率转移，平均单MCF纤芯的功率转移可达到22.6%（−6.5dB）[5]。结果表明，该耦合器可有效提高整个放大子系统的泵浦效率。
6. 无源光网络
西班牙萨拉戈萨大学的Miguel Barrio等研究人员针对下一代无源光网络（PON）接入系统中大容量数据接入的需求，设计了基于光单边带（OSSB）技术的多频带无载波幅度相位（Multi CAP）调制方案，如图6所示。发射端采用四路2.5 GBd的OSSB- Multi CAP信号进行传输，接收端采用对外差偏振不敏感的相干接收机来接收信号，使系统的复杂度进一步降低。结果表明，当信号以40 Gbit/s速率在50公里标准单模光纤（SMF）上传输时，接收机灵敏度为-27.5 dBm；以50 Gbit/s速率进行传输时，接收机灵敏度为-23.2 dBm[6]。研究证明，当系统中引入掺铒光纤放大器（EDFA）放大光功率时，与16阶正交振幅调制（16-QAM）相比，应用更高阶的32-QAM调制信号将使系统噪声容忍度进一步降低。
参考文献：
[1] H. Zhang et al., “Tbit/s Multi-Dimensional Multiplexing THz-Over-Fiber for 6G Wireless Communication,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5783–5790, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3093628.
[2] S. K. Orappanpara Soman, A. Amari, O. A. Dobre, and R. Venkatesan, “Second-order perturbation theory-based digital predistortion for fiber nonlinearity compensation,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 17, pp. 5474–5485, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3089872.
[3] H. Dzieciol, E. Sillekens, G. Liga, P. Bayvel, R. Killey, and D. Lavery, “The partially-coherent AWGN channel: Transceiver strategies for low-complexity fibre links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 17, pp. 5423–5431, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3085600.
[4] P. Zhu, J. Cui, and Y. Ji, “Universal Hash Based Built-In Secure Transport in FlexE over WDM Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5680–5690, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3094265.
[5] L. M. Sousa, J. Vieira, M. Facao, G. M. Fernandes, R. Nogueira, and A. M. Rocha, “Long-Period Grating Based Coupler for Multi-Core Fiber Systems,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5947–5953, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3094298.
[6] M. Barrio, D. Izquierdo, J. A. Altabas, and I. Garces, “50 Gb/s Transmission using OSSB-MultiCAP Modulation and a Polarization Independent Coherent Receiver for Next-Generation Passive Optical Access Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5722–5729, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3092951.
2021年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括： 6G通信，非线性补偿，光纤通信，灵活以太网，光耦合器以及无源光网络等。笔者将逐一评析。
1、6G通信
浙江大学的Hongqi Zhang等研究人员设计了一种光纤无线通信的太赫兹传输系统，如图1所示。该系统充分利用了光波长和空间域的复用增益，通过光学频率梳（OFC）、低芯间串扰（IC-XT）多芯光纤以及数字信号处理（DSP）过程实现了16阶正交幅度调制信号（16-QAM）的高速传输。研究结果表明，该系统在1 km光纤信道和10 m无线信道上支持1176 Gbit/s的数据传输速率（350 GHz频段），无需任何太赫兹放大器，净数据速率可达1059 Gbit/s[1]。这是首次在300 GHz以上的太赫兹区域实现超过Tbit/s的无线数据传输，为Tbit/s无线通信的发展提供了可行方案，为推动6G通信网络的发展和实施提供了参考依据。
图1 （a）多维复用太赫兹光纤无线通信系统的概念图；（b）Tbit/s多维复用光子无线传输链路的实验配置方案
2.非线性补偿技术
针对偏振复用（Pol-Mux）光纤通信系统中的克尔非线性问题，加拿大纪念大学的Sunish Kumar Orappanpara Soman等研究人员设计了一种采用二阶微扰理论的非线性补偿（SO-PB-NLC）方案，如图2所示。研究人员对偏振复用光传输系统的二阶微扰场进行了理论分析，并通过一些简化假设的分析，进一步降低了SO-PB-NLC技术实现的复杂度[2]。基于单信道系统的数值模拟分析过程表明，与FO-PB-NLC技术相比较而言，SO-PB-NLC技术具有更好的误码性能和更大的传输范围；与采用数字反向传播算法技术相比，所提出的SO-PB-NLC技术具有更低的计算复杂度。
3.光纤通信
英国伦敦大学的Hubert Dzieciol等研究人员设计了在部分相干加性高斯白噪声（PCAWGN）信道中对二维（2D）信号调制/解调的新方案，如图3所示；该方案使用一个低复杂度解映射器，对PCAWGN信道中8到64阶调制格式进行几何整形（GS）。研究人员应用理论最优化模型、欧几里德模型和低复杂度PCAWGN模型对星座图中每一比特位的可达信息速率（AIRs）和前向纠错后（FEC）的误码率（BER）进行评估。结果表明，该方案不仅适用于宽线宽激光器（>500kHz）或低符号率的相干光通信系统，而且生成的星座图对残余相位噪声（RPN）也有较高的容忍度；还满足对线宽（LW）以及载波相位估计（CPE）的应用要求[3]。当低密度奇偶校验码（LDPC）率为9/10时（依据数字视频广播标准（DVBS）），与AWGN信道中64阶正交振幅调制（64-QAM）信号相比，该方案纠错后（采用post-FEC）的整形增益就高达2 dB以上。
4. 灵活以太网
北京邮电大学的Pengfei Zhu等研究人员在波分复用（WDM）端到端灵活以太网（FlexE）中设计了一种跨层安全传输策略。该策略在系统中利用全域哈希（Universal Hashing）映射进行FlexE 数据块置换，让数据经历多并行光纤传输，以获取最优的防信息截获能力。方案如图4所示，研究人员首先构建整数线性规划（ILP）模型，评估了不同级别攻击能力下资源利用率和传输安全性能；然后针对大规模数据输入时ILP模型的计算复杂度问题，设计了面向安全性和资源效率的蚁群优化算法（SEAC），确定了最优路线选择方式和物理层分配策略；最后依据物理层分配结果，输入端的数据块通过Universal Hashing映射随机分布在FlexE上[4]。结果表明，该策略能有效对抗不同攻击水平下的入侵过程，与传统首次适应（first-fit）算法相比，SEAC算法使ILP模型接近最优可靠效果，支持进一步提升系统的安全传输性能以及资源利用率。
5. 光耦合器
圣地亚哥大学的Liliana M.Sousa等研究人员设计一种采用长周期光纤光栅（LPG）的光耦合方案，支持将光信号从单模光纤（SMF）耦合到多芯光纤（MCF）的所有纤芯中，如图5所示。SMF上刻有LPG使得发射到SMF纤芯中的光束能耦合到SMF包层上，通过减小SMF包层半径可使光束在光纤包层之间的传输功率得到进一步增强；MCF纤芯内有相同的LPG，因此包层中的光信号功率能在MCF所有纤芯中进行合理分布。研究表明，在15.1 cm （包含1.9 cm SMF纤芯、3.4 cm MCF纤芯的LPGs和9.8 cm的偏移距离）总长度上，支持约90%（−0.6dB）的最大功率转移，平均单MCF纤芯的功率转移可达到22.6%（−6.5dB）[5]。结果表明，该耦合器可有效提高整个放大子系统的泵浦效率。
6. 无源光网络
西班牙萨拉戈萨大学的Miguel Barrio等研究人员针对下一代无源光网络（PON）接入系统中大容量数据接入的需求，设计了基于光单边带（OSSB）技术的多频带无载波幅度相位（Multi CAP）调制方案，如图6所示。发射端采用四路2.5 GBd的OSSB- Multi CAP信号进行传输，接收端采用对外差偏振不敏感的相干接收机来接收信号，使系统的复杂度进一步降低。结果表明，当信号以40 Gbit/s速率在50公里标准单模光纤（SMF）上传输时，接收机灵敏度为-27.5 dBm；以50 Gbit/s速率进行传输时，接收机灵敏度为-23.2 dBm[6]。研究证明，当系统中引入掺铒光纤放大器（EDFA）放大光功率时，与16阶正交振幅调制（16-QAM）相比，应用更高阶的32-QAM调制信号将使系统噪声容忍度进一步降低。
参考文献：
[1] H. Zhang et al., “Tbit/s Multi-Dimensional Multiplexing THz-Over-Fiber for 6G Wireless Communication,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5783–5790, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3093628.
[2] S. K. Orappanpara Soman, A. Amari, O. A. Dobre, and R. Venkatesan, “Second-order perturbation theory-based digital predistortion for fiber nonlinearity compensation,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 17, pp. 5474–5485, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3089872.
[3] H. Dzieciol, E. Sillekens, G. Liga, P. Bayvel, R. Killey, and D. Lavery, “The partially-coherent AWGN channel: Transceiver strategies for low-complexity fibre links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 17, pp. 5423–5431, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3085600.
[4] P. Zhu, J. Cui, and Y. Ji, “Universal Hash Based Built-In Secure Transport in FlexE over WDM Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5680–5690, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3094265.
[5] L. M. Sousa, J. Vieira, M. Facao, G. M. Fernandes, R. Nogueira, and A. M. Rocha, “Long-Period Grating Based Coupler for Multi-Core Fiber Systems,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5947–5953, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3094298.
[6] M. Barrio, D. Izquierdo, J. A. Altabas, and I. Garces, “50 Gb/s Transmission using OSSB-MultiCAP Modulation and a Polarization Independent Coherent Receiver for Next-Generation Passive Optical Access Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 18, pp. 5722–5729, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3092951.
