2022年2月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-03-21 13:10:16 热度：1527
3/21/2022，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，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡，袁杰，左仁杰。
2022年2月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：相干接收机，变频与自干扰消除，电光调制，光纤放大器，光载无线通信以及强度调制直接检测系统等。笔者将逐一评析。
1.相干接收机
日本NTT接入网服务系统实验室的Ryo Koma等研究人员设计了时分复用无源光网络（TDM-PON）系统中的突发模式相干接收机（BMCR）配置方案，如图1所示。该方案支持自动控制半导体光放大器（SOA）和跨阻抗放大器（TIA）在相干接收机中的工作增益，以拓宽BMCR的动态范围和减小模数转换（ADC）中的量化误差。研究人员对10Gbit/s单极化正交相移键控（SP-QPSK）信号进行了误码率计算；结果表明，在使用垂直分辨率5位的ADC且偏振状态（SOP）不理想情况下，依然可以获得-44dBm的接收机灵敏度以及30dB的动态范围[1]。综上所述，该方案能为10Gbit/s长距离高分光比的PON系统提供技术支持，并可在不改变接收机配置的情况下，支持40km PON系统的应用。
2.变频与自干扰消除
北京科技大学的Dayong Wang等研究人员设计了适用于带内全双工（IBFD）通信的光子辅助变频和自干扰消除方法，如图2所示。通过双极化双平行马赫曾德尔（DP-DPMZM）调制器中的X-DPMZM，实现对中频（IF）信号和本振（LO）信号的载波抑制单边带（CS-SSB）调制以生成发射信号，同时为后续下变频提供共享的LO光边带；通过Y-DPMZM实现对感应预期信号（SOI）的载波抑制双边带(CS-DSB)调制，并使用光学带通滤波器（OBPF）实现下变频，同时调节主MZM的偏置电压达到抑制自干扰的效果。研究结果表明，上变频无杂散动态范围（SFDR3）可达到102.6dB/Hz2/3，单频自干扰消除（SIC）的对消深度大于50dB，宽带SIC的对消深度大于22dB[2]。毫无疑问，该方案为B5G和6G通信中的自干扰对消收发器结构提供了一个有价值的可行备选方案。
3.电光调制
加拿大拉瓦尔大学的Xun Guan等研究人员提出了一个偏振不敏感单边带调制器设计方案，如图3所示。该器件由一个硅光子偏振分束旋转器（PSR）和两个硅基微环调制器（MRM）组成，利用硅光子PSR对输入激光器的两个正交偏振态进行分束和调制，从而克服偏振依赖性。调制器的IQ配置支持实现单边带调制，以提升被调信号的抗色散能力，延伸信号传输距离。研究人员在不同长度光纤传输系统中，对该调制器的性能进行了实验研究；结果表明，系统中单边带调制性能始终优于双边带调制，且利用单边带调制信号可有效缓解色散导致的功率衰落[3]效应。综上所述，该方案可应用于配置复杂度和成本低的发射机系统中，并支持无源光接入网的载波分配和复用过程。
4.光纤放大器
俄罗斯科学院物理研究所的Aleksandr Khegai等研究人员对在工作O波段和E波段的两种掺铋光纤放大方案（双波双向泵浦以及单波长增益钳制泵浦方案）进行了研究，如图4所示。上述两种方案分别采用了不同的掺铋光纤材料（Bi:P2O5- SiO2和Bi:GeO2-SiO2），均可提供高达150 nm的增益带宽（6dB带宽）。研究人员对波长为1180 nm和1270 nm双泵浦方案以及工作波长为1180 nm的泵浦增益钳制方案（钳制光波长为1280nm）进行了比较研究。结果表明，当泵浦功率相同时，双波长泵浦光纤放大器的增益谱无变化，而增益钳制泵浦方案将增益峰值（光纤单波长泵浦增益系数）从0.23dB/m增加到0.2 dB/m，3 dB带宽从58nm增加到67nm[4]。
5.光载无线通信
NTT接入网系统实验室的Kota Ito等研究人员针对采用单模光纤（SMF）的光载无线通信（RoF）系统，设计了固定波长分配的远程波束成形控制方案，如图5所示。他们将相等窄距的波长固定分配给每个天线元件，以均衡由色散引起的相邻波长间时延差；再通过中心站（CS）的相位对基站（BS）进行波束方向控制。研究结果表明，光束分布取决于光强调制频率；当波长越长或调制频率越高时，获取理想波束图所需的波长间距越窄。为评估方案的可行性，研究人员在10 GHz强度调制频率、10 km SMF和四阵元天线条件下进行了实验，发现当波长间隔为50-400 GHz时，相关电平下降在0.04 dB以内[5]。综上所述，该方案可应用于高载频长光纤系统中，并具备高波长利用率和远程光束控制（无需考虑光纤长度）能力。
6.强度调制直接检测系统
广东工业大学的Meng Xiang等研究人员在带宽受限的强度调制直接检测（IM-DD）系统中对不同类数字信号处理（DSP）方案进行了分析（如图6所示）；包括接收端前馈均衡（FFE）、接收端Volterra滤波器均衡（VFE）、发射端汤姆林森-哈拉希玛预编码（THP）与接收端FFE、发射端THP与接收端VFE、信道缩短滤波器（CSF）与线性分支度量实现的最大似然序列估计（MLSE-LI-BM）以及CSF与非线性分支度量实现的MLSE（MLSE-NL-BM）。研究人员将上述方案在10 dB带宽为17 GHz的系统（采用四阶脉冲幅度调制（PAM-4）技术）中进行比较研究；结果表明：与其他方案相比，CSF与MLSE-NL-BM方案在不同比特率（70 ~ 128 Gbit/s）下具有较好的接收机灵敏度；当信号（速率为112 Gbit/s）在5 km单模光纤（SSMF）传输后，仅该方案可达到KP4前向纠错（KP4-FEC）阈值[6] 要求。
参考文献：
[1] R. Koma, M. Fujiwara, J. I. Kani, and T. Yoshida, “Fast Feed-Forward Optical and Electrical Gain Control to Extend the Dynamic Range of the Burst-Mode Digital Coherent Receiver for High-Speed TDM-PON Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 647–654, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3120805.
[2] D. Wang et al., “Photonics-Assisted Frequency Conversion and Self-Interference Cancellation for In-Band Full-Duplex Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 607–614, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124581.
[3] X. Guan, M. Lyu, W. Shi, and L. A. Rusch, “Polarization-Insensitive Silicon Microring Modulator for Single Sideband Modulation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 744–750, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124467.
[4] A. Khegai et al., “Gain Clamped Bi-Doped Fiber Amplifier With 150 nm Bandwidth for O- and E-Bands,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 1161–1166, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127945.
[5] K. Ito, M. Suga, Y. Shirato, N. Kita, and T. Onizawa, “Remote Beamforming Scheme With Fixed Wavelength Allocation for Radio-Over-Fiber Systems Employing Single-Mode Fiber,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 997–1006, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127529.
[6] M. Xiang et al., “Advanced DSP Enabled C-Band 112 Gbit/s/λ PAM-4 Transmissions With Severe Bandwidth-Constraint,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 987–996, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3125336.
2022年2月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：相干接收机，变频与自干扰消除，电光调制，光纤放大器，光载无线通信以及强度调制直接检测系统等。笔者将逐一评析。
1.相干接收机
日本NTT接入网服务系统实验室的Ryo Koma等研究人员设计了时分复用无源光网络（TDM-PON）系统中的突发模式相干接收机（BMCR）配置方案，如图1所示。该方案支持自动控制半导体光放大器（SOA）和跨阻抗放大器（TIA）在相干接收机中的工作增益，以拓宽BMCR的动态范围和减小模数转换（ADC）中的量化误差。研究人员对10Gbit/s单极化正交相移键控（SP-QPSK）信号进行了误码率计算；结果表明，在使用垂直分辨率5位的ADC且偏振状态（SOP）不理想情况下，依然可以获得-44dBm的接收机灵敏度以及30dB的动态范围[1]。综上所述，该方案能为10Gbit/s长距离高分光比的PON系统提供技术支持，并可在不改变接收机配置的情况下，支持40km PON系统的应用。
2.变频与自干扰消除
北京科技大学的Dayong Wang等研究人员设计了适用于带内全双工（IBFD）通信的光子辅助变频和自干扰消除方法，如图2所示。通过双极化双平行马赫曾德尔（DP-DPMZM）调制器中的X-DPMZM，实现对中频（IF）信号和本振（LO）信号的载波抑制单边带（CS-SSB）调制以生成发射信号，同时为后续下变频提供共享的LO光边带；通过Y-DPMZM实现对感应预期信号（SOI）的载波抑制双边带(CS-DSB)调制，并使用光学带通滤波器（OBPF）实现下变频，同时调节主MZM的偏置电压达到抑制自干扰的效果。研究结果表明，上变频无杂散动态范围（SFDR3）可达到102.6dB/Hz2/3，单频自干扰消除（SIC）的对消深度大于50dB，宽带SIC的对消深度大于22dB[2]。毫无疑问，该方案为B5G和6G通信中的自干扰对消收发器结构提供了一个有价值的可行备选方案。
3.电光调制
加拿大拉瓦尔大学的Xun Guan等研究人员提出了一个偏振不敏感单边带调制器设计方案，如图3所示。该器件由一个硅光子偏振分束旋转器（PSR）和两个硅基微环调制器（MRM）组成，利用硅光子PSR对输入激光器的两个正交偏振态进行分束和调制，从而克服偏振依赖性。调制器的IQ配置支持实现单边带调制，以提升被调信号的抗色散能力，延伸信号传输距离。研究人员在不同长度光纤传输系统中，对该调制器的性能进行了实验研究；结果表明，系统中单边带调制性能始终优于双边带调制，且利用单边带调制信号可有效缓解色散导致的功率衰落[3]效应。综上所述，该方案可应用于配置复杂度和成本低的发射机系统中，并支持无源光接入网的载波分配和复用过程。
4.光纤放大器
俄罗斯科学院物理研究所的Aleksandr Khegai等研究人员对在工作O波段和E波段的两种掺铋光纤放大方案（双波双向泵浦以及单波长增益钳制泵浦方案）进行了研究，如图4所示。上述两种方案分别采用了不同的掺铋光纤材料（Bi:P2O5- SiO2和Bi:GeO2-SiO2），均可提供高达150 nm的增益带宽（6dB带宽）。研究人员对波长为1180 nm和1270 nm双泵浦方案以及工作波长为1180 nm的泵浦增益钳制方案（钳制光波长为1280nm）进行了比较研究。结果表明，当泵浦功率相同时，双波长泵浦光纤放大器的增益谱无变化，而增益钳制泵浦方案将增益峰值（光纤单波长泵浦增益系数）从0.23dB/m增加到0.2 dB/m，3 dB带宽从58nm增加到67nm[4]。
5.光载无线通信
NTT接入网系统实验室的Kota Ito等研究人员针对采用单模光纤（SMF）的光载无线通信（RoF）系统，设计了固定波长分配的远程波束成形控制方案，如图5所示。他们将相等窄距的波长固定分配给每个天线元件，以均衡由色散引起的相邻波长间时延差；再通过中心站（CS）的相位对基站（BS）进行波束方向控制。研究结果表明，光束分布取决于光强调制频率；当波长越长或调制频率越高时，获取理想波束图所需的波长间距越窄。为评估方案的可行性，研究人员在10 GHz强度调制频率、10 km SMF和四阵元天线条件下进行了实验，发现当波长间隔为50-400 GHz时，相关电平下降在0.04 dB以内[5]。综上所述，该方案可应用于高载频长光纤系统中，并具备高波长利用率和远程光束控制（无需考虑光纤长度）能力。
6.强度调制直接检测系统
广东工业大学的Meng Xiang等研究人员在带宽受限的强度调制直接检测（IM-DD）系统中对不同类数字信号处理（DSP）方案进行了分析（如图6所示）；包括接收端前馈均衡（FFE）、接收端Volterra滤波器均衡（VFE）、发射端汤姆林森-哈拉希玛预编码（THP）与接收端FFE、发射端THP与接收端VFE、信道缩短滤波器（CSF）与线性分支度量实现的最大似然序列估计（MLSE-LI-BM）以及CSF与非线性分支度量实现的MLSE（MLSE-NL-BM）。研究人员将上述方案在10 dB带宽为17 GHz的系统（采用四阶脉冲幅度调制（PAM-4）技术）中进行比较研究；结果表明：与其他方案相比，CSF与MLSE-NL-BM方案在不同比特率（70 ~ 128 Gbit/s）下具有较好的接收机灵敏度；当信号（速率为112 Gbit/s）在5 km单模光纤（SSMF）传输后，仅该方案可达到KP4前向纠错（KP4-FEC）阈值[6] 要求。
参考文献：
[1] R. Koma, M. Fujiwara, J. I. Kani, and T. Yoshida, “Fast Feed-Forward Optical and Electrical Gain Control to Extend the Dynamic Range of the Burst-Mode Digital Coherent Receiver for High-Speed TDM-PON Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 647–654, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3120805.
[2] D. Wang et al., “Photonics-Assisted Frequency Conversion and Self-Interference Cancellation for In-Band Full-Duplex Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 607–614, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124581.
[3] X. Guan, M. Lyu, W. Shi, and L. A. Rusch, “Polarization-Insensitive Silicon Microring Modulator for Single Sideband Modulation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 3, pp. 744–750, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124467.
[4] A. Khegai et al., “Gain Clamped Bi-Doped Fiber Amplifier With 150 nm Bandwidth for O- and E-Bands,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 1161–1166, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127945.
[5] K. Ito, M. Suga, Y. Shirato, N. Kita, and T. Onizawa, “Remote Beamforming Scheme With Fixed Wavelength Allocation for Radio-Over-Fiber Systems Employing Single-Mode Fiber,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 997–1006, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127529.
[6] M. Xiang et al., “Advanced DSP Enabled C-Band 112 Gbit/s/λ PAM-4 Transmissions With Severe Bandwidth-Constraint,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 4, pp. 987–996, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3125336.
