2021年10月PTL光通信论文评析
发布时间：2021-11-29 10:21:36 热度：1928
11/29/2021，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，于妮，田青，伊林芳，杨骐铭。
2021年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：可见光通信系统、光子集成技术、调制器、光纤传感器、无源光网络、光纤无线系统等，笔者将逐一评析。
1、可见光通信系统
重庆大学的Chen Chen等研究人员设计了一种面向可见光通信（VLC）系统的分布式数字预均衡（DPE）方案；该方案融合了集中式数字预均衡（DPE）和自适应比特功率加载技术，有效缓解了发光二极管（LED）非线性对系统带来的负面影响，如图1所示。研究人员在DPE VLC系统（带宽-3dB、频率86MHz）中，将OFDM信号的子载波分成带宽和功率可灵活调节的两个频段，实现了高达976.6Mbit/s的数据传输速率，相比集中式DPE提高了25%[1]。研究表明，分布式DPE技术支持依据VLC系统的频率响应对系统进行优化，可最大化系统的数据传输速率。
2、光子集成技术
印度理工学院的Ritesh Kumar等研究人员设计了基于光子集成技术产生奇次谐波的信号调制系统；该系统包含级联的两个马赫-曾德尔调制器（MZM）、超结构光纤布拉格光栅（FBG）和一个相干外差检测功率合成器，原理如图2所示。研究人员通过改变调谐激光光源波长和射频（RF）信号功率，使得调制后的光信号进入超结构光纤布拉格光栅（SFBG）产生的一个反射光谱波段内，实现了10GHz RF的三倍频和五倍频[2]。研究证明，该系统支持的波长可调谐性具有一定的潜在应用价值。
3、调制器
中国科学院大学的Xingrui Huang等研究人员采用富硅氮化物和薄膜铌酸锂（SRN-TFLN）设计了慢光马赫-曾德尔调制器（MZM），如图3所示。研究人员采用两个3dB多模干扰（MMI）器件（宽度和长度分别为8μm和45.5μm）作为分路器和合路器；采用两个800μm长的布拉格光栅作为移相器。研究表明：该器件支持实现60Gbps的数据传输速率且只存在1.9dB的插入损耗。在小信号调制下，线宽的增强因子可达5.47；在大信号调制下，调制效率可提升到0.67V.cm，这是目前铌酸锂绝缘体（LNOI）MZM中可达到的最高调制效率[3]。该类慢光调制MZM具有集成度高、传输功耗低等应用优势，将为光学生物传感领域提供相关技术支持。
4、光纤传感器
东莞理工大学的Boyao Li等研究人员设计了新型三芯微结构光纤（TMOF）与单模光纤（SMFs）的拼接方案，并对其弯曲和温度特性进行了研究，如图4（a）所示；TMOF的扫描电镜图如图4（b）所示。研究表明，TMOF中三芯间串扰较小且有效折射率不同，可实现多光束干涉；TMOF的透射谱支持记录弯曲响应，且干涉信噪比高于其他多模干涉器件；TMOF能有效地抑制温度负面影响[4]。上述优良传感特性表明，TMOF与SMFs的拼接方案在弯曲和应变传感器、集成马赫-曾德尔设备（Mach-Zehnder）器件和不同温度下多参数传感测量领域具有广阔的应用前景。
5、无源光网络
香港中文大学的Zhouyi Hu等研究人员设计了一种新型加密方案，该方案采用非正交矩阵预编码（NOM-p）来提升正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）的安全性。与传统的数据掩蔽技术，该方案未采用正交性原则，而采用混沌非正交矩阵（CNOM）动态扰乱正交频分复用（OFDM）信号中的子载波数，同时保持相同带宽以欺骗可能潜在的窃听装置。基于CNOM加密的安全PON结构如图5所示。研究人员采用比Nyquist（FTN）更快的信令和冗余预编码增加密钥空间并控制总体数据传输速率；通过对CNOM的加密进行可行性验证。研究表明，该方案在保证数据安全传输的同时，产生了额外编码增益[5]。毫无疑问，CNOM加密技术在未来高安全性、高速率PON应用中具有巨大的发展潜力。
6、光纤无线系统
日本东京国立信息通信技术研究所的Pham Tien Dat等研究人员设计了一种W波段的新型光纤无线系统，其实验装置以及不同测试位置的光谱如图6所示。该系统采用相位调制器和自零差检测器（SHD）作为发射机和接收机，以避免偏置漂移的负面影响，并支持将接收到的信号转换到微波波段。研究人员采用新型的高输出光电（O/R）转换器产生无线电信号，有助于简化天线场并减少其占地空间；他们成功传输了带宽高达4GHz的QAM-OFDM信号，并在无线接收机中使用包络检测器（ED）评估和比较了收发信号性能[6]。研究表明，SHD可以提供比ED更好的检测性能。综上所述，该系统在未来移动网络中能为部署高频段无缝接入业务提供便利。
[1]Chen C, Nie Y, Liu M, et al. Digital pre-equalization for OFDM-based VLC systems: Centralized or distributed[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1081-1084.
[2]Kumar R, Raghuwanshi S K. Wavelength Dependent Odd Frequency Multiplication Based on a Superstructure FBG[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1101-1104.
[3]Huang X, Liu Y, Guan H, et al. High-Efficiency, Slow-Light Modulator on Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Platform[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1093-1096.
[4]B. Li, J. Gu, G. Zhou and J. Sun, "Novel Microstructured Optical Fiber Sensor Based on Multi-Beam Interference," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1115-1118, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3108153.
[5]Z. Hu, P. Song and C. -K. Chan, "Chaotic Non-Orthogonal Matrix-Based Encryption for Secure OFDM-PONs," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1127-1130, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3109029.
[6]P. T. Dat, T. Umezawa, A. Kanno, N. Yamamoto and T. Kawanishi, "Seamless Fiber–Wireless System in W-Band Using Optical Phase Modulation and Self-Homodyne Receiver," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1159-1162, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3110258.
2021年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：可见光通信系统、光子集成技术、调制器、光纤传感器、无源光网络、光纤无线系统等，笔者将逐一评析。
1、可见光通信系统
重庆大学的Chen Chen等研究人员设计了一种面向可见光通信（VLC）系统的分布式数字预均衡（DPE）方案；该方案融合了集中式数字预均衡（DPE）和自适应比特功率加载技术，有效缓解了发光二极管（LED）非线性对系统带来的负面影响，如图1所示。研究人员在DPE VLC系统（带宽-3dB、频率86MHz）中，将OFDM信号的子载波分成带宽和功率可灵活调节的两个频段，实现了高达976.6Mbit/s的数据传输速率，相比集中式DPE提高了25%[1]。研究表明，分布式DPE技术支持依据VLC系统的频率响应对系统进行优化，可最大化系统的数据传输速率。
2、光子集成技术
印度理工学院的Ritesh Kumar等研究人员设计了基于光子集成技术产生奇次谐波的信号调制系统；该系统包含级联的两个马赫-曾德尔调制器（MZM）、超结构光纤布拉格光栅（FBG）和一个相干外差检测功率合成器，原理如图2所示。研究人员通过改变调谐激光光源波长和射频（RF）信号功率，使得调制后的光信号进入超结构光纤布拉格光栅（SFBG）产生的一个反射光谱波段内，实现了10GHz RF的三倍频和五倍频[2]。研究证明，该系统支持的波长可调谐性具有一定的潜在应用价值。
3、调制器
中国科学院大学的Xingrui Huang等研究人员采用富硅氮化物和薄膜铌酸锂（SRN-TFLN）设计了慢光马赫-曾德尔调制器（MZM），如图3所示。研究人员采用两个3dB多模干扰（MMI）器件（宽度和长度分别为8μm和45.5μm）作为分路器和合路器；采用两个800μm长的布拉格光栅作为移相器。研究表明：该器件支持实现60Gbps的数据传输速率且只存在1.9dB的插入损耗。在小信号调制下，线宽的增强因子可达5.47；在大信号调制下，调制效率可提升到0.67V.cm，这是目前铌酸锂绝缘体（LNOI）MZM中可达到的最高调制效率[3]。该类慢光调制MZM具有集成度高、传输功耗低等应用优势，将为光学生物传感领域提供相关技术支持。
4、光纤传感器
东莞理工大学的Boyao Li等研究人员设计了新型三芯微结构光纤（TMOF）与单模光纤（SMFs）的拼接方案，并对其弯曲和温度特性进行了研究，如图4（a）所示；TMOF的扫描电镜图如图4（b）所示。研究表明，TMOF中三芯间串扰较小且有效折射率不同，可实现多光束干涉；TMOF的透射谱支持记录弯曲响应，且干涉信噪比高于其他多模干涉器件；TMOF能有效地抑制温度负面影响[4]。上述优良传感特性表明，TMOF与SMFs的拼接方案在弯曲和应变传感器、集成马赫-曾德尔设备（Mach-Zehnder）器件和不同温度下多参数传感测量领域具有广阔的应用前景。
5、无源光网络
香港中文大学的Zhouyi Hu等研究人员设计了一种新型加密方案，该方案采用非正交矩阵预编码（NOM-p）来提升正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）的安全性。与传统的数据掩蔽技术，该方案未采用正交性原则，而采用混沌非正交矩阵（CNOM）动态扰乱正交频分复用（OFDM）信号中的子载波数，同时保持相同带宽以欺骗可能潜在的窃听装置。基于CNOM加密的安全PON结构如图5所示。研究人员采用比Nyquist（FTN）更快的信令和冗余预编码增加密钥空间并控制总体数据传输速率；通过对CNOM的加密进行可行性验证。研究表明，该方案在保证数据安全传输的同时，产生了额外编码增益[5]。毫无疑问，CNOM加密技术在未来高安全性、高速率PON应用中具有巨大的发展潜力。
6、光纤无线系统
日本东京国立信息通信技术研究所的Pham Tien Dat等研究人员设计了一种W波段的新型光纤无线系统，其实验装置以及不同测试位置的光谱如图6所示。该系统采用相位调制器和自零差检测器（SHD）作为发射机和接收机，以避免偏置漂移的负面影响，并支持将接收到的信号转换到微波波段。研究人员采用新型的高输出光电（O/R）转换器产生无线电信号，有助于简化天线场并减少其占地空间；他们成功传输了带宽高达4GHz的QAM-OFDM信号，并在无线接收机中使用包络检测器（ED）评估和比较了收发信号性能[6]。研究表明，SHD可以提供比ED更好的检测性能。综上所述，该系统在未来移动网络中能为部署高频段无缝接入业务提供便利。
[1]Chen C, Nie Y, Liu M, et al. Digital pre-equalization for OFDM-based VLC systems: Centralized or distributed[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1081-1084.
[2]Kumar R, Raghuwanshi S K. Wavelength Dependent Odd Frequency Multiplication Based on a Superstructure FBG[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1101-1104.
[3]Huang X, Liu Y, Guan H, et al. High-Efficiency, Slow-Light Modulator on Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Platform[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2021, 33(19): 1093-1096.
[4]B. Li, J. Gu, G. Zhou and J. Sun, "Novel Microstructured Optical Fiber Sensor Based on Multi-Beam Interference," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1115-1118, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3108153.
[5]Z. Hu, P. Song and C. -K. Chan, "Chaotic Non-Orthogonal Matrix-Based Encryption for Secure OFDM-PONs," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1127-1130, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3109029.
[6]P. T. Dat, T. Umezawa, A. Kanno, N. Yamamoto and T. Kawanishi, "Seamless Fiber–Wireless System in W-Band Using Optical Phase Modulation and Self-Homodyne Receiver," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 33, no. 20, pp. 1159-1162, 15 Oct.15, 2021, doi: 10.1109/LPT.2021.3110258.
