2022年1月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-02-25 11:01:21 热度：1592
2/25/2022，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，左仁杰，李冲，袁杰，李彦霖，刘栓凡，陈鹏。
2022年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：波束跟踪技术、5G前传系统、光子技术、光纤环衰减系统、光纤激光器、微波光子学等，笔者将逐一评析。
1、波束跟踪技术
香港中文大学的Yujie Di等研究人员设计了一种用于减缓湍流引起的水-空光无线通信（W2A-OWC）信道性能下降的波束跟踪技术，并采用电子控制反射式空间光调制器（SLM）建立了UOWC链路，如图1所示。研究人员通过控制光束落在雪崩光电二极管（APD）接收器、角锥棱镜（CCR）、微机电系统（MEMS）反射镜和PD阵列的中心后，分析了湍流引起的激光束偏转对OOK、PAM4和PAM6调制格式的影响。研究结果表明，该系统中OOK、PAM4和PAM6信号的最大吞吐量可达到920Mb/s、1248Mb/s和990Mb/s（分别提高了130%、350%和486%）[1]。该技术可在全球气候监测、军事应用和海洋生物学等相关研究领域具备潜在应用价值。
2、5G前传系统
布拉格捷克技术大学的J.Bohata等研究人员采用光纤融合自由空间光通信（FSO）技术设计了一种毫米波频段5G前传系统（采用10km的标准单模光纤（SMF）、50m的室外FSO和1m的室内射频（RF）链路），如图2所示。研究人员在RF/光前传系统中成功传输了QPSK/400MHz、64-QAM/400MHz和256-QAM/90MHz信号，并评估了误差向量幅度（EVM）和信噪比（SNR）之间的关系。研究结果表明，EVM值为4.5、9和18.5%时，256-QAM、64-QAM和QPSK的最小SBR分别为29、23.5和17.5dB，光插入损耗（IL）裕度分别为10、11和17dB[2]。研究结果表明：采用较高EVM限（即低信噪比）的低阶调制信号可以有效提高系统的传输性能。因此，该方案在未来的小型蜂窝网络（微微波或毫微波）室内通信系统中具有一定的应用价值。
3、光子技术
中国科学院大学Xu Hua Cao等研究人员设计了一种测量微波信号的多普勒频移（DFS）及到达角（AOA）的光子学解决方案，如图3所示。他们在发射端采用激光二极管（LD）驱动双偏振马赫-曾德尔调制器（DPol-MZM）（由两个正交偏振态单驱动MZM、90°偏振旋转器（PR）和偏振合束器（PBC）组成），并将两个天线接收到的回波信号与参考信号合并，加载到两个子MZM（x-MZM和y-MZM）射频端口以产生4路载波抑制双边带（CS-DSB）调制光信号；同时在接收端采用偏振控制器（PC）和偏振器（Pol）将光信号组合成线性偏振态。其中，微波信号的DFS通过低速光电探测器（PD）拍频生成的低频电信号进行测算，AOA则由下变频电信号的峰值功率测定。实验结果表明，频偏为±100kHz的15GHz回波信号其DFS误差在±0.5Hz以内（同时可观察到正、负DFS）；AOA测量误差在±1°以内（16°-82°）[3]。毫无疑问，该方案将在智能驾驶、雷达探测等工业应用领域具有潜在的发展价值。
4、光纤环衰减系统
南京师范大学的Xiaoyan Wu等研究人员分析了微波光子技术辅助的光纤环衰荡（FLRD）多功能传感系统，并研究了该系统的温度和曲率传感特性，如图4所示。他们对微波光子滤波器（MPF）的频率响应实施傅里叶逆变换（IFFT）获得了时域衰荡曲线，依据衰荡曲线评估温度和曲率信息[4]。研究结果表明，在30~70°C感应范围内，温度灵敏度为0.425μs/℃；在0.8696~1.0526cm-1感应范围内，曲率灵敏度为0.1553μs/cm-1；与传统时域测量技术相比，该系统采用频域微波光子测量技术不但降低了光源配置要求，而且具有响应速度快、组网方便等应用特点。
5、光纤激光器
中国科学院上海光学精密机械研究所的Jiaqi Zhou等研究人员设计了一种新型锁模掺铒光纤激光器，如图5所示。该器件在121.3MHz的重复频率下，可实现0.30nJ脉冲能量、128fs脉冲宽度的自启动、稳定的锁模工作；支持的重复频率锁定在20小时以上，波动标准偏差值为192.5μHz[5]。该器件的结构紧凑且高度可靠，因此能在实验室之外为下述实际应用提供技术支持（包括双梳光谱、测距和频率校准等）。
6、微波光子学
浙江大学的Chongyin Yi等研究人员采用双驱动马赫-曾德尔调制器（DDMZM），设计了具有抗色散的可切换多格式啁啾波形的微波光子系统方案，如图6所示；通过控制调制器中的偏置电压来实现上、下或双啁啾波形之间的切换。在背对背条件下，以4.5GHz和4.8GHz为中心，实现了带宽率为0.4GHz/μs啁啾波形的产生和切换，并提高了输出信号的切换速度；研究人员对生成的4.8GHz信号经色散光纤传输进行了实验研究，证明了色散引起的功率衰落可以被有效消除[6]。由于商用继电器可以使信号的切换速度达到毫秒量级，因此，方案在采用光纤传输信号的分布式多功能雷达网络中具有潜在的应用前景。
参考文献：
[1]Y. Di, Y. Shao and L. -K. Chen, "Real-Time Wave Mitigation for Water-Air OWC Systems via Beam Tracking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 47-50, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3135419.
[2]J. Bohata et al., "Performance Evaluation of Seamless 5G Outdoor RoFSO Transmission at 39 GHz," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 7-10, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3134559.
[3]X. H. Cao, X. J. Fan, G. Y. Li, M. Li, N. H. Zhu and W. Li, "A Filterless Photonic Approach for DFS and AOA Measurement Using a Push-Pull DPol-MZM," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 19-22, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3132423.
[4]Y. Di, Y. Shao and L. -K. Chen, "Real-Time Wave Mitigation for Water-Air OWC Systems via Beam Tracking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 47-50, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3135419.
[5]X. Wu, Y. Wang, J. Shi and D. Zhu, "A Microwave Photonic-Assisted Fiber Loop Ring Down System with Multi-Sensing Function," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 2, pp. 117-120, 15 Jan.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3140757.
2022年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：波束跟踪技术、5G前传系统、光子技术、光纤环衰减系统、光纤激光器、微波光子学等，笔者将逐一评析。
1、波束跟踪技术
香港中文大学的Yujie Di等研究人员设计了一种用于减缓湍流引起的水-空光无线通信（W2A-OWC）信道性能下降的波束跟踪技术，并采用电子控制反射式空间光调制器（SLM）建立了UOWC链路，如图1所示。研究人员通过控制光束落在雪崩光电二极管（APD）接收器、角锥棱镜（CCR）、微机电系统（MEMS）反射镜和PD阵列的中心后，分析了湍流引起的激光束偏转对OOK、PAM4和PAM6调制格式的影响。研究结果表明，该系统中OOK、PAM4和PAM6信号的最大吞吐量可达到920Mb/s、1248Mb/s和990Mb/s（分别提高了130%、350%和486%）[1]。该技术可在全球气候监测、军事应用和海洋生物学等相关研究领域具备潜在应用价值。
2、5G前传系统
布拉格捷克技术大学的J.Bohata等研究人员采用光纤融合自由空间光通信（FSO）技术设计了一种毫米波频段5G前传系统（采用10km的标准单模光纤（SMF）、50m的室外FSO和1m的室内射频（RF）链路），如图2所示。研究人员在RF/光前传系统中成功传输了QPSK/400MHz、64-QAM/400MHz和256-QAM/90MHz信号，并评估了误差向量幅度（EVM）和信噪比（SNR）之间的关系。研究结果表明，EVM值为4.5、9和18.5%时，256-QAM、64-QAM和QPSK的最小SBR分别为29、23.5和17.5dB，光插入损耗（IL）裕度分别为10、11和17dB[2]。研究结果表明：采用较高EVM限（即低信噪比）的低阶调制信号可以有效提高系统的传输性能。因此，该方案在未来的小型蜂窝网络（微微波或毫微波）室内通信系统中具有一定的应用价值。
3、光子技术
中国科学院大学Xu Hua Cao等研究人员设计了一种测量微波信号的多普勒频移（DFS）及到达角（AOA）的光子学解决方案，如图3所示。他们在发射端采用激光二极管（LD）驱动双偏振马赫-曾德尔调制器（DPol-MZM）（由两个正交偏振态单驱动MZM、90°偏振旋转器（PR）和偏振合束器（PBC）组成），并将两个天线接收到的回波信号与参考信号合并，加载到两个子MZM（x-MZM和y-MZM）射频端口以产生4路载波抑制双边带（CS-DSB）调制光信号；同时在接收端采用偏振控制器（PC）和偏振器（Pol）将光信号组合成线性偏振态。其中，微波信号的DFS通过低速光电探测器（PD）拍频生成的低频电信号进行测算，AOA则由下变频电信号的峰值功率测定。实验结果表明，频偏为±100kHz的15GHz回波信号其DFS误差在±0.5Hz以内（同时可观察到正、负DFS）；AOA测量误差在±1°以内（16°-82°）[3]。毫无疑问，该方案将在智能驾驶、雷达探测等工业应用领域具有潜在的发展价值。
4、光纤环衰减系统
南京师范大学的Xiaoyan Wu等研究人员分析了微波光子技术辅助的光纤环衰荡（FLRD）多功能传感系统，并研究了该系统的温度和曲率传感特性，如图4所示。他们对微波光子滤波器（MPF）的频率响应实施傅里叶逆变换（IFFT）获得了时域衰荡曲线，依据衰荡曲线评估温度和曲率信息[4]。研究结果表明，在30~70°C感应范围内，温度灵敏度为0.425μs/℃；在0.8696~1.0526cm-1感应范围内，曲率灵敏度为0.1553μs/cm-1；与传统时域测量技术相比，该系统采用频域微波光子测量技术不但降低了光源配置要求，而且具有响应速度快、组网方便等应用特点。
5、光纤激光器
中国科学院上海光学精密机械研究所的Jiaqi Zhou等研究人员设计了一种新型锁模掺铒光纤激光器，如图5所示。该器件在121.3MHz的重复频率下，可实现0.30nJ脉冲能量、128fs脉冲宽度的自启动、稳定的锁模工作；支持的重复频率锁定在20小时以上，波动标准偏差值为192.5μHz[5]。该器件的结构紧凑且高度可靠，因此能在实验室之外为下述实际应用提供技术支持（包括双梳光谱、测距和频率校准等）。
6、微波光子学
浙江大学的Chongyin Yi等研究人员采用双驱动马赫-曾德尔调制器（DDMZM），设计了具有抗色散的可切换多格式啁啾波形的微波光子系统方案，如图6所示；通过控制调制器中的偏置电压来实现上、下或双啁啾波形之间的切换。在背对背条件下，以4.5GHz和4.8GHz为中心，实现了带宽率为0.4GHz/μs啁啾波形的产生和切换，并提高了输出信号的切换速度；研究人员对生成的4.8GHz信号经色散光纤传输进行了实验研究，证明了色散引起的功率衰落可以被有效消除[6]。由于商用继电器可以使信号的切换速度达到毫秒量级，因此，方案在采用光纤传输信号的分布式多功能雷达网络中具有潜在的应用前景。
参考文献：
[1]Y. Di, Y. Shao and L. -K. Chen, "Real-Time Wave Mitigation for Water-Air OWC Systems via Beam Tracking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 47-50, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3135419.
[2]J. Bohata et al., "Performance Evaluation of Seamless 5G Outdoor RoFSO Transmission at 39 GHz," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 7-10, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3134559.
[3]X. H. Cao, X. J. Fan, G. Y. Li, M. Li, N. H. Zhu and W. Li, "A Filterless Photonic Approach for DFS and AOA Measurement Using a Push-Pull DPol-MZM," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 19-22, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3132423.
[4]Y. Di, Y. Shao and L. -K. Chen, "Real-Time Wave Mitigation for Water-Air OWC Systems via Beam Tracking," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 1, pp. 47-50, 1 Jan.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2021.3135419.
[5]X. Wu, Y. Wang, J. Shi and D. Zhu, "A Microwave Photonic-Assisted Fiber Loop Ring Down System with Multi-Sensing Function," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 2, pp. 117-120, 15 Jan.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3140757.
