2021年12月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-01-18 09:46:00 热度：1743
1/18/2022，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，杨骐铭，伊林芳，田青，于妮，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡。
2021年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源光网络，鉴频滤波器，光线无线通信，可见光通信，模数转换以及毫米波通信等；笔者将逐一评析。
1.无源光网络
英国班戈大学的Z. Q. Zhong等研究人员设计了支持光网络单元（ONU）之间并发通信的无源光网络（PON）方案，如图1所示。方案中采用强度调制直接检测（IMDD）混合单边带调制（SSB）的正交频分复用数字滤波器多址接入（OFDM-DFMA）技术，在25km标准单模光纤（SSMFs）上传输101.6Gbit/s的信号进行了实验验证。在ONU发射机中，通过数字正交滤波将多个SSB信号聚合；在光线路终端（OLT）/ONU的接收机中，采用快速傅里叶变换（FFT）完成信号的解复用和解调[1]。实验结果表明，在上行传输时，数字滤波器的相关长度值为32时效果最佳，光纤传输和ONU间信道干扰造成的系统功率损失分别小于1dB和2dB；在ONU间进行通信时，自适应射频频谱分配过程能有效缓解瑞利和布里渊后向散射及上行信道衰落效应，从而使系统传输容量提高至少30%。
2.鉴频滤波器
塞浦路斯大学的Georgios Charalambous等研究人员设计了绝缘体上硅平台的无源线性鉴频（FD）滤波方案，如图2所示。该滤波器采用硅电子光子集成电路工艺设计套件（SiEPIC PDK）进行设计，仅需两个马赫曾德尔干涉仪（MZI）即可工作；在80GHz带宽范围内，该鉴频滤波器传递函数的线性度非常理想[2]。研究人员使用该器件在采用相位调制的光纤传输系统中进行了仿真测试，并与典型的强度调制-直接检测（IM-DD）方案进行比较，结果表明其收发性能略好于IM-DD方案；当采用平衡探测解调方案时，调制频率可达50 GHz，此时可获得8 dB载波间调制性能增益。
3.光纤无线通信
日本信息通信技术研究院的Pham Tien Dat等研究人员在W波段设计了3×3多输入多输出（MIMO）光纤无线通信系统（RoF），如图3所示。通过将两个稳定性极高的RoF系统与偏振复用（PDM）技术相结合，实现端到端的3 × 3 MIMO信号传输。研究人员在相同极化和交替不同极化天线系统中，对3×3 MIMO偏移正交幅度调制多载波信号进行了实验研究；结果表明，当传输系统总容量为110Gbit/s和132 Gbit/s时，频谱效率约为8.5bits/s/Hz和10.2bits/s/Hz，收发性能良好[3]。因此，该系统可作为未来支持移动信号传输和实现高频段无线网络接入的一个潜在备选方案。
4.可见光通信
加拿大湖首大学的Maysa Yaseen等研究人员分析了信号相关散粒噪声（SDSN）对单输入单输出（SISO）可见光通信（VLC）系统的影响，如图4所示。他们采用了最小二乘法和最大似然估计法，将信道估计误差的克拉美罗下界（CRLB）作为评估无偏估计器效率的基准；并推导了采用开关键控调制（OOK）和多阶脉冲幅度调制（M-PAM）情况下次优接收机误码率的闭环表达式和最优接收机（采用OOK调制）误码率的近似表达式，还对最优和次优接收机方案进行了比较研究[4]。结果表明，CRLB的性能与SDSN、热噪声或衰落信道无线性关系，且SDSN对系统误码率和信道估计误差有极大负面影响。
5.模数转换
上海交通大学的Cheng Wang等研究人员设计了时间波长交织光模数转换器（TWIPADC），并对其中的马赫曾德尔调制器-波分复用器（MZM-WDM）结构引起的非线性效应进行了分析，如图5所示。他们在MZM器件后级联WDM模块，发现当MZM偏置处在正交点时，采样结果中可能存在偶次谐波；随着采样信号频率的增加和WDM通带宽度的减小，偶次谐波的幅度逐步增大，无杂散动态范围（SFDR）由二次谐波的幅度决定。结果表明，当WDM的通带宽度小于100GHz时，SFDR在0~25GHz频率范围内的变化高达6dB；当WDM通带宽度大于150GHz时，SFDR在0~25GHz频率范围内的变化由三次谐波决定；当通带宽度为50GHz时，对于10GHz以上的射频频率，SFDR主要由二次谐波决定[5]。不难发现，依据采样信号的频率范围能确定WDM系统的通带宽度范围，还可以避免偶次谐波的出现。
6.毫米波通信
复旦大学的Yanyi Wang等研究人员设计了采用光正交偏振单边带（SSB）调制技术生成正交幅度调制（QAM）矢量毫米波信号的方案，如图6所示。他们采用单偏振复用-马赫曾德尔调制器（PDM-MZM），通过交织器生成两个偏振方向上的单边带光信号（下边带（LSB）和上边带（USB）信号）；并在28 GHz频率范围内依次对正交相移键控 (QPSK)、16QAM和64QAM矢量信号进行了分析。结果表明，12Gbaud QPSK和6Gbaud 16-QAM信号经65km单模光纤（SMF）传输和1Gbaud 64-QAM信号经10 km SMF传输后，误码率（BER）均可达到2.4×10-2（在20%前向纠错（FEC）软判决阈值下）[6]。因此，该方案对光纤色散具有较强的鲁棒性，能有效缓解带间串扰和信号拍频干扰（SSBI）的负面影响。
参考文献：
[1] Z. Q. Zhong et al., “Concurrent Inter-ONU Communications for Next Generation Mobile Fronthauls Based on IMDD Hybrid SSB OFDM-DFMA PONs,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7360–7369, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3115573.
[2] G. Charalambous, N. Madamopoulos, B. B. Dingel, and S. Iezekiel, “Integrated Photonic Linear Frequency Discriminator Filter for 5G Phase-Modulated Microwave Photonic Links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 24, pp. 7563–7572, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3105242.
[3] W. Wdm, P. D. M. Rof, T. Capability, P. T. Dat, F. Rottenberg, and A. Kanno, “3 × 3 MIMO Fiber – Wireless System in W-Band,” vol. 39, no. 24, pp. 7794–7803, 2021.
[4] M. Yaseen, M. Alsmadi, A. E. Canbilen, and S. S. Ikki, “Visible Light Communication with Input-Dependent Noise: Channel Estimation, Optimal Receiver Design and Performance Analysis,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7406–7416, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3116074.
[5] C. Wang, Y. Sun, G. Wu, and J. Chen, “Effects of the Nonlinearity Caused by the ‘MZM-WDM’ Structure in Time-Wavelength Interleaved Photonic Analog-to-Digital Converters,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7447–7454, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3115940.
[6] Y. Wang et al., “QAM vector mm-wave signal generation based on optical orthogonal polarization SSB scheme by a single modulator,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 24, pp. 7628–7635, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3068742.
2021年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源光网络，鉴频滤波器，光线无线通信，可见光通信，模数转换以及毫米波通信等；笔者将逐一评析。
1.无源光网络
英国班戈大学的Z. Q. Zhong等研究人员设计了支持光网络单元（ONU）之间并发通信的无源光网络（PON）方案，如图1所示。方案中采用强度调制直接检测（IMDD）混合单边带调制（SSB）的正交频分复用数字滤波器多址接入（OFDM-DFMA）技术，在25km标准单模光纤（SSMFs）上传输101.6Gbit/s的信号进行了实验验证。在ONU发射机中，通过数字正交滤波将多个SSB信号聚合；在光线路终端（OLT）/ONU的接收机中，采用快速傅里叶变换（FFT）完成信号的解复用和解调[1]。实验结果表明，在上行传输时，数字滤波器的相关长度值为32时效果最佳，光纤传输和ONU间信道干扰造成的系统功率损失分别小于1dB和2dB；在ONU间进行通信时，自适应射频频谱分配过程能有效缓解瑞利和布里渊后向散射及上行信道衰落效应，从而使系统传输容量提高至少30%。
2.鉴频滤波器
塞浦路斯大学的Georgios Charalambous等研究人员设计了绝缘体上硅平台的无源线性鉴频（FD）滤波方案，如图2所示。该滤波器采用硅电子光子集成电路工艺设计套件（SiEPIC PDK）进行设计，仅需两个马赫曾德尔干涉仪（MZI）即可工作；在80GHz带宽范围内，该鉴频滤波器传递函数的线性度非常理想[2]。研究人员使用该器件在采用相位调制的光纤传输系统中进行了仿真测试，并与典型的强度调制-直接检测（IM-DD）方案进行比较，结果表明其收发性能略好于IM-DD方案；当采用平衡探测解调方案时，调制频率可达50 GHz，此时可获得8 dB载波间调制性能增益。
3.光纤无线通信
日本信息通信技术研究院的Pham Tien Dat等研究人员在W波段设计了3×3多输入多输出（MIMO）光纤无线通信系统（RoF），如图3所示。通过将两个稳定性极高的RoF系统与偏振复用（PDM）技术相结合，实现端到端的3 × 3 MIMO信号传输。研究人员在相同极化和交替不同极化天线系统中，对3×3 MIMO偏移正交幅度调制多载波信号进行了实验研究；结果表明，当传输系统总容量为110Gbit/s和132 Gbit/s时，频谱效率约为8.5bits/s/Hz和10.2bits/s/Hz，收发性能良好[3]。因此，该系统可作为未来支持移动信号传输和实现高频段无线网络接入的一个潜在备选方案。
4.可见光通信
加拿大湖首大学的Maysa Yaseen等研究人员分析了信号相关散粒噪声（SDSN）对单输入单输出（SISO）可见光通信（VLC）系统的影响，如图4所示。他们采用了最小二乘法和最大似然估计法，将信道估计误差的克拉美罗下界（CRLB）作为评估无偏估计器效率的基准；并推导了采用开关键控调制（OOK）和多阶脉冲幅度调制（M-PAM）情况下次优接收机误码率的闭环表达式和最优接收机（采用OOK调制）误码率的近似表达式，还对最优和次优接收机方案进行了比较研究[4]。结果表明，CRLB的性能与SDSN、热噪声或衰落信道无线性关系，且SDSN对系统误码率和信道估计误差有极大负面影响。
5.模数转换
上海交通大学的Cheng Wang等研究人员设计了时间波长交织光模数转换器（TWIPADC），并对其中的马赫曾德尔调制器-波分复用器（MZM-WDM）结构引起的非线性效应进行了分析，如图5所示。他们在MZM器件后级联WDM模块，发现当MZM偏置处在正交点时，采样结果中可能存在偶次谐波；随着采样信号频率的增加和WDM通带宽度的减小，偶次谐波的幅度逐步增大，无杂散动态范围（SFDR）由二次谐波的幅度决定。结果表明，当WDM的通带宽度小于100GHz时，SFDR在0~25GHz频率范围内的变化高达6dB；当WDM通带宽度大于150GHz时，SFDR在0~25GHz频率范围内的变化由三次谐波决定；当通带宽度为50GHz时，对于10GHz以上的射频频率，SFDR主要由二次谐波决定[5]。不难发现，依据采样信号的频率范围能确定WDM系统的通带宽度范围，还可以避免偶次谐波的出现。
6.毫米波通信
复旦大学的Yanyi Wang等研究人员设计了采用光正交偏振单边带（SSB）调制技术生成正交幅度调制（QAM）矢量毫米波信号的方案，如图6所示。他们采用单偏振复用-马赫曾德尔调制器（PDM-MZM），通过交织器生成两个偏振方向上的单边带光信号（下边带（LSB）和上边带（USB）信号）；并在28 GHz频率范围内依次对正交相移键控 (QPSK)、16QAM和64QAM矢量信号进行了分析。结果表明，12Gbaud QPSK和6Gbaud 16-QAM信号经65km单模光纤（SMF）传输和1Gbaud 64-QAM信号经10 km SMF传输后，误码率（BER）均可达到2.4×10-2（在20%前向纠错（FEC）软判决阈值下）[6]。因此，该方案对光纤色散具有较强的鲁棒性，能有效缓解带间串扰和信号拍频干扰（SSBI）的负面影响。
参考文献：
[1] Z. Q. Zhong et al., “Concurrent Inter-ONU Communications for Next Generation Mobile Fronthauls Based on IMDD Hybrid SSB OFDM-DFMA PONs,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7360–7369, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3115573.
[2] G. Charalambous, N. Madamopoulos, B. B. Dingel, and S. Iezekiel, “Integrated Photonic Linear Frequency Discriminator Filter for 5G Phase-Modulated Microwave Photonic Links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 24, pp. 7563–7572, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3105242.
[3] W. Wdm, P. D. M. Rof, T. Capability, P. T. Dat, F. Rottenberg, and A. Kanno, “3 × 3 MIMO Fiber – Wireless System in W-Band,” vol. 39, no. 24, pp. 7794–7803, 2021.
[4] M. Yaseen, M. Alsmadi, A. E. Canbilen, and S. S. Ikki, “Visible Light Communication with Input-Dependent Noise: Channel Estimation, Optimal Receiver Design and Performance Analysis,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7406–7416, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3116074.
[5] C. Wang, Y. Sun, G. Wu, and J. Chen, “Effects of the Nonlinearity Caused by the ‘MZM-WDM’ Structure in Time-Wavelength Interleaved Photonic Analog-to-Digital Converters,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 23, pp. 7447–7454, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3115940.
[6] Y. Wang et al., “QAM vector mm-wave signal generation based on optical orthogonal polarization SSB scheme by a single modulator,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 24, pp. 7628–7635, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3068742.
