2022年1月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-02-25 10:48:26 热度：1503
2/25/2022，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，李冲，刘栓凡，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏。
2022年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤通信，信号星座整形，光载无线通信，发光器件，室内光无线通信以及滤波器等；笔者将逐一评析。
1.光纤通信
西班牙物理与复杂系统研究所的Irene Estébanez等研究人员采用极限学习机器（ELM）算法对光纤传输系统进行了接收数据恢复，如图1所示；并在100km光纤传输系统（采用56GBand四电平脉冲振幅调制（PAM-4）和直接检测）中进行了实验研究。研究人员引入延时储备算法（TDRC）作为比较方案，证明采用ELM算法能进一步简化系统配置，消除时间延迟引起的计算速度受限影响，同时具有采用TDRC方案近乎相同的收发性能[1]。该方案支持光信噪比（OSNR）大于31dB时进行无差错解码，且相较于采用离线数字信号处理（DSP）实现的KK接收方案具有更优的误码性能表现。
2.信号星座整形
电子科技大学通信与信息工程学院的Zhi Zhang等研究人员设计了统计分布可控的星座整形混沌加密（CSCEn）方案，如图2所示；首先将正交幅度调制（QAM）符号序列分成若干个子序列，依据统计信息（SI）进行概率整形（PS）（通过星座区域替换），然后利用密钥分配算法将序列SI编码及加密成混沌信号相位；在接收端提取SI恢复出原始信号[2]。研究人员在25km的标准单模光纤（SSMF）上成功进行了加密PS-16-QAM信号的传输。因为该方案不但能以较低复杂度实现灵活部署且提高了信号收发性能，而且能提供足够的安全性以抵抗来自非法光网络单元（ONU）的攻击，毫无疑问在未来将具有良好的应用前景。
3.光载无线通信
为减轻宽带全双工（IBFD）多输入多输出（MIMO）光载无线通信（RoF）传输系统接收端的多径自干扰负面影响，西南交通大学的Xiao Yu等研究人员提出了一种光学辅助方法，如图3所示。研究人员设计了可调容量大、调节精度高的多径可调延迟线（MOTDL）模块，将本地参考信号调制到多个波长上，然后通过密集波分复用器（DWDM）输入MOTDL模块中；调整MOTDL模块中各路径的时延和衰减，可消除MIMO-RoF传输系统中其他本地发射天线的自干扰信号，并恢复所需的射频信号[3]。研究人员通过实验对该方法进行了验证，结果表明，在带宽为100MHz、500MHz、1GHz和2GHz时，3×3 MIMO-RoF传输系统中多径自干扰对消深度分别为30.18dB、24.9dB、22.7dB和20.88dB。毫无疑问，该方案可作为下一代宽带无线通信系统升级的可行备选方案。
4.发光器件
复旦大学的Xinyi Shan等研究人员采用AlGaN基多量子阱（MQWs）设计了一种具有单片集成光电探测功能的多功能器件，如图4所示。他们采用40μm短波紫外微型发光二极管（UVC-Micro-LED）和300μm UVC-LED相结合的方法，实现了光发射强度的精确监测，并在高速UVC通信中形成相互备用光源。研究人员在采用预均衡和16进制正交幅度调制正交频分复用（16-QAM-OFDM）调制系统中进行了研究；结果表明，40μm LED和300μm LED可实现1m的链路上的数据传输速率分别为1.6Gbps和1.21Gbps；40μm LED在15mA工作电流下的调制带宽为497.58 MHz，300μm LED在22mA工作电流下的调制带宽为467.38 MHz[4]。因为该器件无需外部光电探测器（PD）来监测发光波动，因此该设计将为无线光通信系统的应用提供高稳定工作性能。
5.室内光无线通信
皇家墨尔本理工大学的Ke Wang等研究人员在室内光无线通信系统中设计了滤波增强型多用户接入方案（采用发射天线分组（TAG）和空间调制（SM）技术），如图5所示。该方案在空间发射机中采用波形整形滤波器，能同时服务多个用户，还能缓解多用户干扰（MUI）影响，实现高速率数据传输。为满足不同传输速率要求，他们在空间域（不同用户发射机数量）或符号域（不同调制格式）进行自适应用户数据速率分配的方法，实现了在两用户系统中单用户数据传输速率达到7.5 Gbit/s；在强、中及弱 MUI情况下获得了几乎相同的误码率（BER）性能，证明了MUI对BER性能的影响较小[5]。不难发现，与传统的TAG方法相比，该多用户接入方案使系统接收机灵敏度提高了两个数量级。
6.滤波器
伦敦大学皇家霍洛威学院的Mian Ali等研究人员设计了基于受激布里渊散射（SBS）的可调谐微波光子滤波器（TMWPF）（带宽范围为20Mhz~40Mhz），如图6所示。他们采用砷化镓（GaAs）I-Q双并联马赫-曾德尔调制器（DPMZM）实现了相位和强度调制；通过控制调制器的偏置点，实现了6dBm的增益控制；同时，他们采用掺铒光纤放大器（EDFA）实现了完整的SBS增益控制。研究人员分别对I-Q DPMZM、相位调制器（PM）和强度调制器（IM）的滤波器性能进行了分析；结果表明，在TMWPF中采用射频放大器（RFA）时，I-Q DPMZM、PM和IM的系统增益分别为62dBm、69dBm和52dBm；在无RFA放大时，I-Q DPMZM、PM和IM分别获得了44dBm、57Bm和44dBm的SBS增益。他们所提出的TMWPF在射频域实现了32GHz的带宽可调谐，在光域实现了高达40GHz的带宽可调谐性[6]；因此该滤波器具有较强的实用价值。
参考文献：
[1] I. Estebanez, S. Li, J. Schwind, I. Fischer, S. Pachnicke, and A. Argyris, “56 GBaud PAM-4 100 Km Transmission System with Photonic Processing Schemes,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 55–62, Jan. 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3117921.
[2] Z. Zhang, Y. Luo, C. Zhang, X. Liang, M. Cui, and K. Qiu, “Constellation Shaping Chaotic Encryption Scheme with Controllable Statistical Distribution for OFDM-PON,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 14–23, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3119013.
[3] X. Yu, J. Ye, L. Yan, T. Zhou, X. Zou, and W. Pan, “Photonic-Assisted Multipath Self-Interference Cancellation for Wideband MIMO Radio-Over-Fiber Transmission,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 462–469, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3080833.
[4] X. Shan et al., “Multifunctional Ultraviolet-C Micro-LED With Monolithically Integrated Photodetector for Optical Wireless Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 490–498, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3115167.
[5] K. Wang, S. Kandeepan, and K. Alameh, “Filter-Enhanced Multi-User Scheme for Spatial Modulation Based Optical Wireless Communication Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 74–84, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3118669.
[6] M. Ali, S. Haxha, and I. Flint, “Tuneable Microwave Photonics Filter Based on Stimulated Brillouin Scattering with Enhanced Gain and Bandwidth Control,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 423–431, Jan. 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3118315.
2022年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤通信，信号星座整形，光载无线通信，发光器件，室内光无线通信以及滤波器等；笔者将逐一评析。
1.光纤通信
西班牙物理与复杂系统研究所的Irene Estébanez等研究人员采用极限学习机器（ELM）算法对光纤传输系统进行了接收数据恢复，如图1所示；并在100km光纤传输系统（采用56GBand四电平脉冲振幅调制（PAM-4）和直接检测）中进行了实验研究。研究人员引入延时储备算法（TDRC）作为比较方案，证明采用ELM算法能进一步简化系统配置，消除时间延迟引起的计算速度受限影响，同时具有采用TDRC方案近乎相同的收发性能[1]。该方案支持光信噪比（OSNR）大于31dB时进行无差错解码，且相较于采用离线数字信号处理（DSP）实现的KK接收方案具有更优的误码性能表现。
2.信号星座整形
电子科技大学通信与信息工程学院的Zhi Zhang等研究人员设计了统计分布可控的星座整形混沌加密（CSCEn）方案，如图2所示；首先将正交幅度调制（QAM）符号序列分成若干个子序列，依据统计信息（SI）进行概率整形（PS）（通过星座区域替换），然后利用密钥分配算法将序列SI编码及加密成混沌信号相位；在接收端提取SI恢复出原始信号[2]。研究人员在25km的标准单模光纤（SSMF）上成功进行了加密PS-16-QAM信号的传输。因为该方案不但能以较低复杂度实现灵活部署且提高了信号收发性能，而且能提供足够的安全性以抵抗来自非法光网络单元（ONU）的攻击，毫无疑问在未来将具有良好的应用前景。
3.光载无线通信
为减轻宽带全双工（IBFD）多输入多输出（MIMO）光载无线通信（RoF）传输系统接收端的多径自干扰负面影响，西南交通大学的Xiao Yu等研究人员提出了一种光学辅助方法，如图3所示。研究人员设计了可调容量大、调节精度高的多径可调延迟线（MOTDL）模块，将本地参考信号调制到多个波长上，然后通过密集波分复用器（DWDM）输入MOTDL模块中；调整MOTDL模块中各路径的时延和衰减，可消除MIMO-RoF传输系统中其他本地发射天线的自干扰信号，并恢复所需的射频信号[3]。研究人员通过实验对该方法进行了验证，结果表明，在带宽为100MHz、500MHz、1GHz和2GHz时，3×3 MIMO-RoF传输系统中多径自干扰对消深度分别为30.18dB、24.9dB、22.7dB和20.88dB。毫无疑问，该方案可作为下一代宽带无线通信系统升级的可行备选方案。
4.发光器件
复旦大学的Xinyi Shan等研究人员采用AlGaN基多量子阱（MQWs）设计了一种具有单片集成光电探测功能的多功能器件，如图4所示。他们采用40μm短波紫外微型发光二极管（UVC-Micro-LED）和300μm UVC-LED相结合的方法，实现了光发射强度的精确监测，并在高速UVC通信中形成相互备用光源。研究人员在采用预均衡和16进制正交幅度调制正交频分复用（16-QAM-OFDM）调制系统中进行了研究；结果表明，40μm LED和300μm LED可实现1m的链路上的数据传输速率分别为1.6Gbps和1.21Gbps；40μm LED在15mA工作电流下的调制带宽为497.58 MHz，300μm LED在22mA工作电流下的调制带宽为467.38 MHz[4]。因为该器件无需外部光电探测器（PD）来监测发光波动，因此该设计将为无线光通信系统的应用提供高稳定工作性能。
5.室内光无线通信
皇家墨尔本理工大学的Ke Wang等研究人员在室内光无线通信系统中设计了滤波增强型多用户接入方案（采用发射天线分组（TAG）和空间调制（SM）技术），如图5所示。该方案在空间发射机中采用波形整形滤波器，能同时服务多个用户，还能缓解多用户干扰（MUI）影响，实现高速率数据传输。为满足不同传输速率要求，他们在空间域（不同用户发射机数量）或符号域（不同调制格式）进行自适应用户数据速率分配的方法，实现了在两用户系统中单用户数据传输速率达到7.5 Gbit/s；在强、中及弱 MUI情况下获得了几乎相同的误码率（BER）性能，证明了MUI对BER性能的影响较小[5]。不难发现，与传统的TAG方法相比，该多用户接入方案使系统接收机灵敏度提高了两个数量级。
6.滤波器
伦敦大学皇家霍洛威学院的Mian Ali等研究人员设计了基于受激布里渊散射（SBS）的可调谐微波光子滤波器（TMWPF）（带宽范围为20Mhz~40Mhz），如图6所示。他们采用砷化镓（GaAs）I-Q双并联马赫-曾德尔调制器（DPMZM）实现了相位和强度调制；通过控制调制器的偏置点，实现了6dBm的增益控制；同时，他们采用掺铒光纤放大器（EDFA）实现了完整的SBS增益控制。研究人员分别对I-Q DPMZM、相位调制器（PM）和强度调制器（IM）的滤波器性能进行了分析；结果表明，在TMWPF中采用射频放大器（RFA）时，I-Q DPMZM、PM和IM的系统增益分别为62dBm、69dBm和52dBm；在无RFA放大时，I-Q DPMZM、PM和IM分别获得了44dBm、57Bm和44dBm的SBS增益。他们所提出的TMWPF在射频域实现了32GHz的带宽可调谐，在光域实现了高达40GHz的带宽可调谐性[6]；因此该滤波器具有较强的实用价值。
参考文献：
[1] I. Estebanez, S. Li, J. Schwind, I. Fischer, S. Pachnicke, and A. Argyris, “56 GBaud PAM-4 100 Km Transmission System with Photonic Processing Schemes,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 55–62, Jan. 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3117921.
[2] Z. Zhang, Y. Luo, C. Zhang, X. Liang, M. Cui, and K. Qiu, “Constellation Shaping Chaotic Encryption Scheme with Controllable Statistical Distribution for OFDM-PON,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 14–23, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3119013.
[3] X. Yu, J. Ye, L. Yan, T. Zhou, X. Zou, and W. Pan, “Photonic-Assisted Multipath Self-Interference Cancellation for Wideband MIMO Radio-Over-Fiber Transmission,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 462–469, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3080833.
[4] X. Shan et al., “Multifunctional Ultraviolet-C Micro-LED With Monolithically Integrated Photodetector for Optical Wireless Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 490–498, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3115167.
[5] K. Wang, S. Kandeepan, and K. Alameh, “Filter-Enhanced Multi-User Scheme for Spatial Modulation Based Optical Wireless Communication Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 1, pp. 74–84, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3118669.
[6] M. Ali, S. Haxha, and I. Flint, “Tuneable Microwave Photonics Filter Based on Stimulated Brillouin Scattering with Enhanced Gain and Bandwidth Control,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 2, pp. 423–431, Jan. 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3118315.
