2022年3月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-04-14 09:24:50 热度：1382
4/14/2022，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，刘栓凡，李彦霖，袁杰，李冲，左仁杰，陈鹏。
2022年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括： 无源光网络、光电探测器、可见光成像通信、强度调制/直接检测、光纤无线通信、带内全双工通信等，笔者将逐一评析。
1、无源光网络
德国华为技术公司Ricardo Rosales等研究人员设计了一种新型50G无源光网络（PON）下行传输链路，并在光纤线路终端（OLT）融合了电吸收调制激光器和半导体光放大器（EML+SOA），实现了6dB消光比、55dB/0.1nm的光信噪比（OSNR）和13dBm的输出功率，如图1所示。他们在发射端采用位模式发生器（BPG）生成了非归零码（NRZ）信号，并经EML控制调制速率和输出功率，通过SOA实现增益放大并利用非线性特性来降低啁啾影响提高信号的传输距离，还利用无源光隔离器（OL）对实现回波反射隔离以提高传输效率。在接收端，他们采用均衡技术（EQ）补偿具有增益饱和效应的SOA来降低光通道代价（OPP）。研究结果表明，在硬判决低密度奇偶校验前向纠错误码率为10-2的阈值下，采用离线数字信号处理（DSP）时背对背和经过20公里、30公里传输后接收机灵敏度分别为-26.0、-25.0和-24.0dBm[1]。毫无疑问，单片集成EML+SOA的新方案有望在未来高速无源光接入网中发挥实际作用。
2、光电探测器
美国惠普实验室Yuan Yuan等研究人员设计了一种波导集成型硅锗雪崩光电探测器（Si-Ge APD），如图2所示。研究人员在非理想状态下研究了32Gb/s NRZ信号在系统中存在散粒噪声、相对强度噪声（RIN）、自发辐射噪声（ASE）时不同光信噪比（OSNR）下的接受机灵敏度。研究结果表明，在高OSNR区域（OSNR>36dB），Si-Ge APD中的散粒噪声和RIN噪声使得误码率（BER）与OSNR呈现出弱相关性；在低OSNR区域（OSNR<36dB），ASE噪声使得BER随OSNR的减小而迅速增大[2]。因此，该类器件的设计及其研究结果将为未来高密度互连光通信系统的应用提供技术参考。
3、可见光成像通信
湖南大学Jing He等研究人员采用人工智能神经网络（ANN）技术设计了一4阶脉宽调制可见光成像通信（4-PWM OCC）系统，一定程度上克服了因曝光时间重叠引起的码间干扰（ISI）效应，如图3所示。研究人员采用逻辑回归（LR）、向量机（SVM）支持及ANN调制方式，在不同符号分辨率、光照强度和数据速率条件下研究系统误码率（BER）性能。实验结果表明，当数据速率为15.84kb/s、符号分辨率为6像素/符号及照度为2440lux时，BER值为1.78×10-5[3]。综上所述，上述技术在可见光室内通信领域具有一定的应用价值。
4、强度调制/直接检测系统
加拿大麦吉尔大学Essam Berikaa等研究人员在带宽受限的强度调制/直接检测（IM-DD）系统中设计了一种无乘法数字信号处理方法，即通过时间交织方式接收到的符号和扭曲二维（2D）星座来降低噪声相关性，如图4所示。研究人员结合线性前馈均衡器和Volterra非线性均衡器的作用，对所设计的2D星座畸变进行了分析[4]。研究结果表明，针对135Gbaud PAM4和110Gbaud PAM6信号进行2D星座畸变处理，能使误码率降低40%；如果使用47GHz硅光子（SiP）调制器、采用线性均衡和2D失真，在O波段超过2km的标准单模光纤（SSMF）上传输PAM4和PAM6信号时，净负荷速率为250Gbps/λ，误码率为3.8×10-3。
5、光纤无线通信
巴西伯南布哥大学的Luiz A. M. Pereira等研究人员设计了在光纤无线通信（RoF）系统中采用机器学习（ML）实施预失真和后失真的应用方案，即采用多层感知器（MLP）的人工神经网络（ANN）线性化正交频分复用（OFDM）信号的方案，如图5所示。研究结果表明，预失真和后失真在均方根误差矢量幅度（EVMRMS），归一化均方误差（NMSE）和邻道泄漏功率比（ACLR）测试指标上都体现出较高的优越性；该系统中，由于EVMRMS被控制在低于3%的水平，在输入功率为23dBm时NMSE和ACLR分别低于30dB和35dB[5]。不难发现：该线性化方案允许在不产生显著信号失真的情况下提升射频发射功率，有利于在空白电视信号频段（TVWS）与传统RoF系统应用融合，还能支持移动通信运营商在不同偏远地区提升动态分配射频功率的灵活性。
6、带内全双工通信
华东师范大学的Moxuan Han等研究人员采用马赫曾德尔调制器（MZM ）和递推最小二乘（RLS）算法，设计了数字辅助光子模拟宽带射频多径自干扰抵消（SIC）和下变频方案（如图6所示），用于带内全双工通信。该方案使用两个参考信号实现多径模拟SIC（包含直通自干扰（SI）参考信号和弱反射路径SI信号的参考信号），在一定程度上克服了在直通SI信号远大于反射路径SI信号时，数模转换器（DAC）的动态范围（DR）有限导致SIC性能较差的问题[6]。研究结果表明，当多径SI信号载波频率为10GHz时在0.5和1Gbaud速率下SI实现了约26.7和26.1dB的对消深度；当直通SI信号和次弱多径SI信号的功率更接近时，对消深度分别为24.7dB和20.8dB。
参考文献
[1]R. Rosales, I. N. Cano, D. Nesset, R. Brenot and G. Talli, "50G-PON Downstream Link up to 40 km With a 1342 nm Integrated EML+SOA," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 306-308, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3152608.
[2]Y. Yuan et al., "OSNR Sensitivity Analysis for Si-Ge Avalanche Photodiodes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 321-324, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3153892.
[3]J. He, Y. Yang and J. He, "Artificial Neural Network-Based Scheme for 4-PWM OCC System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 333-336, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3153692.
[4]Berikaa E, Alam M S, Jacques M, et al. 2D Constellation Distortion for Subduing Equalization Noise in Bandwidth-Limited IMDD Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(5): 267-270.
[5]Pereira L A M, Mendes L L, Bastos-Filho C J A, et al. Linearization Schemes for Radio Over Fiber Systems Based on Machine Learning Algorithms[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(5): 279-282.
[6]Han M, Shi T, Chen Y. Digital-assisted photonic analog wideband multipath self-interference cancellation[J]. arXiv preprint arXiv:2111.06594, 2021.
2022年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括： 无源光网络、光电探测器、可见光成像通信、强度调制/直接检测、光纤无线通信、带内全双工通信等，笔者将逐一评析。
1、无源光网络
德国华为技术公司Ricardo Rosales等研究人员设计了一种新型50G无源光网络（PON）下行传输链路，并在光纤线路终端（OLT）融合了电吸收调制激光器和半导体光放大器（EML+SOA），实现了6dB消光比、55dB/0.1nm的光信噪比（OSNR）和13dBm的输出功率，如图1所示。他们在发射端采用位模式发生器（BPG）生成了非归零码（NRZ）信号，并经EML控制调制速率和输出功率，通过SOA实现增益放大并利用非线性特性来降低啁啾影响提高信号的传输距离，还利用无源光隔离器（OL）对实现回波反射隔离以提高传输效率。在接收端，他们采用均衡技术（EQ）补偿具有增益饱和效应的SOA来降低光通道代价（OPP）。研究结果表明，在硬判决低密度奇偶校验前向纠错误码率为10-2的阈值下，采用离线数字信号处理（DSP）时背对背和经过20公里、30公里传输后接收机灵敏度分别为-26.0、-25.0和-24.0dBm[1]。毫无疑问，单片集成EML+SOA的新方案有望在未来高速无源光接入网中发挥实际作用。
2、光电探测器
美国惠普实验室Yuan Yuan等研究人员设计了一种波导集成型硅锗雪崩光电探测器（Si-Ge APD），如图2所示。研究人员在非理想状态下研究了32Gb/s NRZ信号在系统中存在散粒噪声、相对强度噪声（RIN）、自发辐射噪声（ASE）时不同光信噪比（OSNR）下的接受机灵敏度。研究结果表明，在高OSNR区域（OSNR>36dB），Si-Ge APD中的散粒噪声和RIN噪声使得误码率（BER）与OSNR呈现出弱相关性；在低OSNR区域（OSNR<36dB），ASE噪声使得BER随OSNR的减小而迅速增大[2]。因此，该类器件的设计及其研究结果将为未来高密度互连光通信系统的应用提供技术参考。
3、可见光成像通信
湖南大学Jing He等研究人员采用人工智能神经网络（ANN）技术设计了一4阶脉宽调制可见光成像通信（4-PWM OCC）系统，一定程度上克服了因曝光时间重叠引起的码间干扰（ISI）效应，如图3所示。研究人员采用逻辑回归（LR）、向量机（SVM）支持及ANN调制方式，在不同符号分辨率、光照强度和数据速率条件下研究系统误码率（BER）性能。实验结果表明，当数据速率为15.84kb/s、符号分辨率为6像素/符号及照度为2440lux时，BER值为1.78×10-5[3]。综上所述，上述技术在可见光室内通信领域具有一定的应用价值。
4、强度调制/直接检测系统
加拿大麦吉尔大学Essam Berikaa等研究人员在带宽受限的强度调制/直接检测（IM-DD）系统中设计了一种无乘法数字信号处理方法，即通过时间交织方式接收到的符号和扭曲二维（2D）星座来降低噪声相关性，如图4所示。研究人员结合线性前馈均衡器和Volterra非线性均衡器的作用，对所设计的2D星座畸变进行了分析[4]。研究结果表明，针对135Gbaud PAM4和110Gbaud PAM6信号进行2D星座畸变处理，能使误码率降低40%；如果使用47GHz硅光子（SiP）调制器、采用线性均衡和2D失真，在O波段超过2km的标准单模光纤（SSMF）上传输PAM4和PAM6信号时，净负荷速率为250Gbps/λ，误码率为3.8×10-3。
5、光纤无线通信
巴西伯南布哥大学的Luiz A. M. Pereira等研究人员设计了在光纤无线通信（RoF）系统中采用机器学习（ML）实施预失真和后失真的应用方案，即采用多层感知器（MLP）的人工神经网络（ANN）线性化正交频分复用（OFDM）信号的方案，如图5所示。研究结果表明，预失真和后失真在均方根误差矢量幅度（EVMRMS），归一化均方误差（NMSE）和邻道泄漏功率比（ACLR）测试指标上都体现出较高的优越性；该系统中，由于EVMRMS被控制在低于3%的水平，在输入功率为23dBm时NMSE和ACLR分别低于30dB和35dB[5]。不难发现：该线性化方案允许在不产生显著信号失真的情况下提升射频发射功率，有利于在空白电视信号频段（TVWS）与传统RoF系统应用融合，还能支持移动通信运营商在不同偏远地区提升动态分配射频功率的灵活性。
6、带内全双工通信
华东师范大学的Moxuan Han等研究人员采用马赫曾德尔调制器（MZM ）和递推最小二乘（RLS）算法，设计了数字辅助光子模拟宽带射频多径自干扰抵消（SIC）和下变频方案（如图6所示），用于带内全双工通信。该方案使用两个参考信号实现多径模拟SIC（包含直通自干扰（SI）参考信号和弱反射路径SI信号的参考信号），在一定程度上克服了在直通SI信号远大于反射路径SI信号时，数模转换器（DAC）的动态范围（DR）有限导致SIC性能较差的问题[6]。研究结果表明，当多径SI信号载波频率为10GHz时在0.5和1Gbaud速率下SI实现了约26.7和26.1dB的对消深度；当直通SI信号和次弱多径SI信号的功率更接近时，对消深度分别为24.7dB和20.8dB。
参考文献
[1]R. Rosales, I. N. Cano, D. Nesset, R. Brenot and G. Talli, "50G-PON Downstream Link up to 40 km With a 1342 nm Integrated EML+SOA," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 306-308, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3152608.
[2]Y. Yuan et al., "OSNR Sensitivity Analysis for Si-Ge Avalanche Photodiodes," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 321-324, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3153892.
[3]J. He, Y. Yang and J. He, "Artificial Neural Network-Based Scheme for 4-PWM OCC System," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 6, pp. 333-336, 15 March15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3153692.
[4]Berikaa E, Alam M S, Jacques M, et al. 2D Constellation Distortion for Subduing Equalization Noise in Bandwidth-Limited IMDD Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(5): 267-270.
[5]Pereira L A M, Mendes L L, Bastos-Filho C J A, et al. Linearization Schemes for Radio Over Fiber Systems Based on Machine Learning Algorithms[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022, 34(5): 279-282.
[6]Han M, Shi T, Chen Y. Digital-assisted photonic analog wideband multipath self-interference cancellation[J]. arXiv preprint arXiv:2111.06594, 2021.
