2022年2月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-03-21 12:45:53 热度：1276
3/21/2022，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，田青，于妮，杨骐铭，伊林芳，陈鹏，刘栓凡，李彦霖，袁杰，李冲，左仁杰。
2022年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：微波分频器、光学自相关器、波分复用技术、硅光子接收机、FSO和RF-MIMO系统、DWDM技术等，笔者将逐一评析。
1、微波分频器
澳大利亚查尔斯·达尔文大学的Hao Chen等研究人员基于光注入半导体激光器设计了一种微波分频器，如图1所示。他们将射频调制光信号注入分布式反馈（DFB）激光器，通过调节正向偏置电流，使激光器工作在P2状态振荡，并在两个相邻射频调制边带的中点出生成一光频率分量，经光电探测器产生半频分量[1]。研究结果表明，该分频器支持对不同输入射频信号频率实现分频操作。由于研究人员设计的微波分频器不含电子元器件，支持12~20GHz射频输入信号工作，所有在微波分频领域具有一定的应用前景。
2、光学自相关器
浙江大学的Jianbin Zhang等研究人员演示了一个具有飞秒脉冲特性的光学自相关器（2μm波长），该相关器采用单条碲化镉（CdTe）微丝产生横向二次谐波，如图2所示。该器件以220fs的激光脉冲（38pJ/pulse）作为输入光，去除光纤和光纤锥度引起的脉冲展宽后，测量的脉宽为236fs[2]，上述结果表明该自相关器具有良好的精度。由于CdTe在中红外（MIR）区域的低损耗传输窗口和高非线性，因此该器件在MIR应用领域中可能将显示出巨大的应用潜力。
3、波分复用技术
法国光通信技术实验室的Abel Lorences-Riesgo等研究人员在38nm的10跨度链路上进行了波分复用（WDM）系统传输实验，研究了在62.5、75、87.5、100和112.5Gbaud符号率下相应信道间距分别为75、87.5、100、112.5、125GHz时的信号传输特性，如图3所示。结果表明，符号率为112.5Gbaud时，每波长可实现最大比特率传输；符号率为75、87.5、100Gbaud时，光纤传输信号的总比特率可实现最大化；符号率为62.5Gbaud时，广义互信息（GMI）最高，但会导致更低的光谱效率，需要插入一定间隔来缓解波长选择开关（WSS）的滤波影响[3]。因此，在实际网络应用中，为最大限度地提高传输光谱效率不仅需要考虑收发器的损伤，还需考虑WSS滤波和灵活栅格的选型。
4、硅光子接收机
日本光电子技术研究协会的Daisuke Okamoto等研究人员采用倒装芯片封装技术设计了集成SiGe-BiCMOS线性跨阻放大器（TIA）的硅光子接收机，一定程度上克服了芯片间数据通信的I/O瓶颈问题，如图1所示。研究人员通过锥形模斑转换器（SSC）将112Gb/s PAM-4（56Gbaud）光信号输入到硅波导（Si-WG）中，并采用波导型（锗）光电探测器（Ge-PD）将其转换为电信号后在硅光平台（由3mm×2.1mm的硅晶片和40nm节点的互补金属氧化物半导体（CMOS）组成）上传输，经TIA对PAM-4电信号进行线性放大后输出[4]。因为该器件在高达450的输入电流下能保持线性响应，因此它有望在密集硅光子学领域发挥实际作用。
5、FSO和RF-MIMO系统
美国罗文大学的Taichu Shi等研究人员设计了消除干扰型混合自由空间光（FSO）通信和射频（RF）多输入多输出（MIMO）系统。研究人员将FSO和RF模式的混合信号通过盲源分离（BSS）器进行信号处理，并采用MIMO接收器将信号从带内干扰中分离出来以消除干扰。当FSO信道被阻断或视距链线（LOS）传输不理想时，系统将自动切换到RF MIMIO模式工作[5]。研究结果表明，该系统不仅实现了高信干噪比（SINR=33dB），而且支持以较低比特率传输高阶调制信号。该FSO和RF MIMO系统支持实现与光子信号处理系统无缝集成，因此有望实现宽带内实时干扰消除过程。
6、DWDM技术
德国华为科技杜塞尔多夫公司的Fabio Pittalla等研究人员采用密集波分复用（DWDM）技术在96.5km的标准单模光纤（SSMF）上成功传输了130GBaud采用概率星座整形后的双偏振正交幅度调制（DP-PCS256QAM和DP-PCS400QAM）信号[6]，如图3所示。研究结果表明，在单信道传输中，DP-PCS256QAM比DP-PCS400QAM具有更高的净比特率（最高净比特率为1.71Tb/s）；在34路信道的DWDM系统中，DP-PCS256QAM（15%或16.34%的前向纠错（FEC）码开销）的净比特率≥1.66Tb/s，DP-PCS400QAM的净比特率≥1.62Tb/s（22%、23.47%或25%的FEC开销），其在C波段的总容量高达56.51Tb/s，频谱效率为11.08bit/s/Hz。毫无疑问，该技术在大容量数据中心互连（DCI）的光纤网络中具有潜在的应用价值。
参考文献：
[1]H. Chen and E. H. W. Chan, "Ultra-Simple All-Optical Microwave Frequency Divider," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 4, pp. 219-222, 15 Feb.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3148239.
[2]J. Zhang et al., "Single Microwire Optical Autocorrelator at 2-μm Wavelength," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 4, pp. 207-210, 15 Feb.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3146878.
[3]A. Lorences-Riesgo et al., "Maximizing Fiber Capacity in Flex-Grid Coherent Systems Through Symbol Rate Optimization," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 161-164, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3142934.
[4]D. Okamoto, Y. Suzuki, K. Takemura, J. Fujikata and T. Nakamura, "112 Gb/s PAM-4 Silicon Photonics Receiver Integrated With SiGe-BiCMOS Linear TIA," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 189-192, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3144985.
[5]T. Shi, Y. Qi and B. Wu, "Hybrid Free Space Optical Communication and Radio Frequency MIMO System for Photonic Interference Separation," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 149-152, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3140364.
[6]F. Pittalà et al., "1.71 Tb/s Single-Channel and 56.51 Tb/s DWDM Transmission Over 96.5 km Field-Deployed SSMF," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 157-160, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3142538.
2022年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：微波分频器、光学自相关器、波分复用技术、硅光子接收机、FSO和RF-MIMO系统、DWDM技术等，笔者将逐一评析。
1、微波分频器
澳大利亚查尔斯·达尔文大学的Hao Chen等研究人员基于光注入半导体激光器设计了一种微波分频器，如图1所示。他们将射频调制光信号注入分布式反馈（DFB）激光器，通过调节正向偏置电流，使激光器工作在P2状态振荡，并在两个相邻射频调制边带的中点出生成一光频率分量，经光电探测器产生半频分量[1]。研究结果表明，该分频器支持对不同输入射频信号频率实现分频操作。由于研究人员设计的微波分频器不含电子元器件，支持12~20GHz射频输入信号工作，所有在微波分频领域具有一定的应用前景。
2、光学自相关器
浙江大学的Jianbin Zhang等研究人员演示了一个具有飞秒脉冲特性的光学自相关器（2μm波长），该相关器采用单条碲化镉（CdTe）微丝产生横向二次谐波，如图2所示。该器件以220fs的激光脉冲（38pJ/pulse）作为输入光，去除光纤和光纤锥度引起的脉冲展宽后，测量的脉宽为236fs[2]，上述结果表明该自相关器具有良好的精度。由于CdTe在中红外（MIR）区域的低损耗传输窗口和高非线性，因此该器件在MIR应用领域中可能将显示出巨大的应用潜力。
3、波分复用技术
法国光通信技术实验室的Abel Lorences-Riesgo等研究人员在38nm的10跨度链路上进行了波分复用（WDM）系统传输实验，研究了在62.5、75、87.5、100和112.5Gbaud符号率下相应信道间距分别为75、87.5、100、112.5、125GHz时的信号传输特性，如图3所示。结果表明，符号率为112.5Gbaud时，每波长可实现最大比特率传输；符号率为75、87.5、100Gbaud时，光纤传输信号的总比特率可实现最大化；符号率为62.5Gbaud时，广义互信息（GMI）最高，但会导致更低的光谱效率，需要插入一定间隔来缓解波长选择开关（WSS）的滤波影响[3]。因此，在实际网络应用中，为最大限度地提高传输光谱效率不仅需要考虑收发器的损伤，还需考虑WSS滤波和灵活栅格的选型。
4、硅光子接收机
日本光电子技术研究协会的Daisuke Okamoto等研究人员采用倒装芯片封装技术设计了集成SiGe-BiCMOS线性跨阻放大器（TIA）的硅光子接收机，一定程度上克服了芯片间数据通信的I/O瓶颈问题，如图1所示。研究人员通过锥形模斑转换器（SSC）将112Gb/s PAM-4（56Gbaud）光信号输入到硅波导（Si-WG）中，并采用波导型（锗）光电探测器（Ge-PD）将其转换为电信号后在硅光平台（由3mm×2.1mm的硅晶片和40nm节点的互补金属氧化物半导体（CMOS）组成）上传输，经TIA对PAM-4电信号进行线性放大后输出[4]。因为该器件在高达450的输入电流下能保持线性响应，因此它有望在密集硅光子学领域发挥实际作用。
5、FSO和RF-MIMO系统
美国罗文大学的Taichu Shi等研究人员设计了消除干扰型混合自由空间光（FSO）通信和射频（RF）多输入多输出（MIMO）系统。研究人员将FSO和RF模式的混合信号通过盲源分离（BSS）器进行信号处理，并采用MIMO接收器将信号从带内干扰中分离出来以消除干扰。当FSO信道被阻断或视距链线（LOS）传输不理想时，系统将自动切换到RF MIMIO模式工作[5]。研究结果表明，该系统不仅实现了高信干噪比（SINR=33dB），而且支持以较低比特率传输高阶调制信号。该FSO和RF MIMO系统支持实现与光子信号处理系统无缝集成，因此有望实现宽带内实时干扰消除过程。
6、DWDM技术
德国华为科技杜塞尔多夫公司的Fabio Pittalla等研究人员采用密集波分复用（DWDM）技术在96.5km的标准单模光纤（SSMF）上成功传输了130GBaud采用概率星座整形后的双偏振正交幅度调制（DP-PCS256QAM和DP-PCS400QAM）信号[6]，如图3所示。研究结果表明，在单信道传输中，DP-PCS256QAM比DP-PCS400QAM具有更高的净比特率（最高净比特率为1.71Tb/s）；在34路信道的DWDM系统中，DP-PCS256QAM（15%或16.34%的前向纠错（FEC）码开销）的净比特率≥1.66Tb/s，DP-PCS400QAM的净比特率≥1.62Tb/s（22%、23.47%或25%的FEC开销），其在C波段的总容量高达56.51Tb/s，频谱效率为11.08bit/s/Hz。毫无疑问，该技术在大容量数据中心互连（DCI）的光纤网络中具有潜在的应用价值。
参考文献：
[1]H. Chen and E. H. W. Chan, "Ultra-Simple All-Optical Microwave Frequency Divider," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 4, pp. 219-222, 15 Feb.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3148239.
[2]J. Zhang et al., "Single Microwire Optical Autocorrelator at 2-μm Wavelength," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 4, pp. 207-210, 15 Feb.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3146878.
[3]A. Lorences-Riesgo et al., "Maximizing Fiber Capacity in Flex-Grid Coherent Systems Through Symbol Rate Optimization," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 161-164, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3142934.
[4]D. Okamoto, Y. Suzuki, K. Takemura, J. Fujikata and T. Nakamura, "112 Gb/s PAM-4 Silicon Photonics Receiver Integrated With SiGe-BiCMOS Linear TIA," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 189-192, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3144985.
[5]T. Shi, Y. Qi and B. Wu, "Hybrid Free Space Optical Communication and Radio Frequency MIMO System for Photonic Interference Separation," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 149-152, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3140364.
[6]F. Pittalà et al., "1.71 Tb/s Single-Channel and 56.51 Tb/s DWDM Transmission Over 96.5 km Field-Deployed SSMF," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 3, pp. 157-160, 1 Feb.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3142538.
