2022年4月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-05-16 09:02:16 热度：1847
5/16/2022，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，伊林芳，杨骐铭，田青，于妮，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡，袁杰，左仁杰。
2022年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：子载波调制、自相干检测、射频自干扰消除、可见光通信系统、水下光通信系统以及中红外自由空间光通信系统等；笔者将逐一评析。
1.子载波调制
暨南大学的Haide Wang等研究人员设计了一种多速率奈奎斯特子载波调制（SCM）方案，如图1所示。正如我们所知，色散（CD）效应的存在会导致在双边带光信号上存在光谱零点现象，这将极大降低强度调制—直接探测光通信系统的收发性能，该方案的引入能够避免该现象的产生；其中每路子载波信号可通过自适应信道匹配检测（ACMD）算法单独进行恢复，结合概率类星座整形（PCS）技术，能使传输容量达到理论上的最大值。研究人员在50km无色散补偿光纤通信系统中对100Gbit/s多速率奈奎斯特SCM信号（C波段）的传输性能进行了实验研究，结果表明：在接收光功率为-4dBm、光信噪比为47.67dB时，接收到信号满足7%硬判决前向纠错门限的限制性要求，平均归一化广义互信息为0.967[1]。上述方案在高速传输系统中用来克服色散引起的信号失真方面具有较大的应用潜力。
2.自相干检测
加拿大麦吉尔大学的Xueyang Li等研究人员设计了采用Mach-Zehnder干涉仪（MZI）实现非对称自相干检测（ASCD）的方案，如图2所示。该方案采用直接检测（DD）接收机（包含两个光电二极管（PD）和两个数模转换器）实现了零差相干检测，具备较高的电谱效率（ESE）。方案中传入接收端的自相干双边带（SC-DSB）信号被分为两路；其中一路经过延迟后与另一路在MZI输出端拍频，实现自相干复双频信号的场重构。此外，他们还设计一种改进型MZI-ASCD方案（AUX-ASCD），通过引入一个辅助DD分支以提高被检测信号的信噪比。研究人员将上述两种方案与Kramers-Kronig方案进行了对比研究，结果表明：上述两种ASCD方案能实现更高光信噪比（OSNR）检测灵敏度，其中AUX-ASCD的OSNR检测灵敏度略优于MZI-ASCD[2]。上述研究工作为未来高速短距离光通信系统中检测技术的发展提供了潜在备选方案。
3.射频自干扰消除
清华大学信息科学与技术国家实验室的Yunlu Xing等研究人员设计了一种光子辅助射频自干扰消除方案，以缓解带内全双工（IBFD）无线通信系统中发射机产生的射频（RF）自干扰（IS），如图3所示。该方案采用两个马赫-曾德尔调制器将参考信号和接收信号转换为光信号，利用光谱处理（OSP）精确补偿上述两信号间的相位及幅值误差，同时微调可调谐光延迟线（TODL）改变时延，使接收信号中的宽带干扰信号在光域被消除。研究结果表明，在10GHz带宽下可实现大于30dB的对消深度。他们还研究了IBFD无线通信系统中16阶正交幅度调制（16-QAM）信号在不同码元速率和不同信干比（SIR）下的信号传输性能；当采用该方案时，无杂散动态范围（SFDR）可至92.6 dB•Hz2/3[3]。综上所述，该类器件在未来IBFD系统实现射频自干扰消除过程中具有一定的潜在应用价值。
4.可见光通信系统
清华大学深圳研究院的Zixian Wei等研究人员设计了一组不同尺寸的并行次毫米/微米-发光二极管（mini/micro-LEDs）（如图4所示），分析了该器件在可见光通信（VLC）系统中的应用特性。研究表明，在50mA驱动电流下，波长分别为75μm、100μm、125μm、150μm和175μm的发射器，可为两个独立用户（在3m链路上）提供278MHz、190MHz、133MHz、104MHz和85MHz的接入带宽；且调制带宽随注入电流和输入信号强度的增大而增大，随LED尺寸的增大而减小。他们在VLC系统中采用Volterra均衡器对4阶脉冲幅度调制（4PAM）信号的收发性能进行了实验研究，结果表明：当采用75μm micro-LED时可实现2.6Gbps的传输速率，误码率为2.2510-3；当采用175μm mini-LED时可实现1.1Gbps的传输速率，误码率为3.44 10-3[4]。综上所述，该器件为未来面向多用户VLC系统的接入应用发展提供了新思路。
5.水下光通信系统
复旦大学的Wenqing Niu等研究人员在带限水下可见光通信（UVLC）系统中对基于神经网络（NN）的汤姆林森-哈拉希玛（THP）预编码方案进行了研究，如图5所示。该方案在发送端采用无误差传播的反馈神经网络（FBN）来缓解部分码间干扰（ISI）和非线性负面效应；在接收端采用自适应前馈神经网络（FFN）对FBN的信道状态信息（CSI）失配进行补偿，以进一步减轻ISI和非线性效应对系统性能的影响。研究人员在采用无载波幅度和相位（CAP）调制的UVLC系统中对NN-THP、线性最小均方误差（LMS）THP以及Volterra级数非线性THP预编码技术进行了比较研究。结果表明，与基于LMS的线性后均衡技术相比，在2.2Gbps的数据速率下，LMS-THP、Volterra-THP及NN-THP均采用前馈均衡器（FFE）时， Q值分别提高了2.36dB、2.68dB和3.39dB；且NN-THP/FFE技术在7%硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值下实现了630MBd 16-CAP信号的传输，传输速率比仅采用线性后均衡技术时提高了90MBd[5]。因为NN-THP方案可缓解多输入多输出（MIMO）系统中的ISI和信道干扰（ICI）问题，所以该方案在未来带限水下可见光通信领域具有潜在的应用价值。
6.中红外自由空间光通信系统
瑞典皇家理工学院的Xiaodan Pang等研究人员设计了4.5um直接调制量子级联激光器（QCL）（室温工作情况下）的中红外自由空间光（MIR—FSO）通信系统，如图6所示。系统中的光束准直透镜用于校准QCL发出的高发散度光束，他们采用碲镉汞（MCT）光伏MIR探测器代替红外功率计测量了传输性能，并分别对NRZ-OOK、PAM4和PAM8信号的传输性能进行了研究。结果表明，未采用后均衡技术时，在KP4前向纠错和6.7%开销硬判决FEC（OH HD-FEC）阈值下，NRZ-OOK信号分别实现了1.3Gbps和1.6Gbps的传输速率；当采用数字后均衡器时，在KP4和HD-FEC阈值下，2Gbaud和2.5Gbaud PAM4信号通过0.5m链路时可实现4Gbps和5Gbps的传输速率，1.5Gbaud和2Gbaud PAM8信号的传输速率可达4.5Gbps和6Gbps [6]。综上所述，QCL的应用有可能在未来全频段无线光通信领域体现出其潜在价值。
参考文献：
[1] H. Wang et al., “Multi-Rate Nyquist-SCM for C-Band 100 Gbit / s Signal Over 50 km Dispersion-Uncompensated Link,” vol. 40, no. 7, pp. 1930–1936, 2022.
[2] X. Li, M. O’Sullivan, Z. Xing, M. E. Mousa-Pasandi, and D. V. Plant, “Asymmetric Self-Coherent Detection Based on Mach-Zehnder Interferometers,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 7, pp. 2023–2032, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3135000.
[3] Y. Xing, S. Li, X. Xue, and X. Zheng, “Photonic-Assisted RF Self-Interference Cancellation,” vol. 40, no. 7, pp. 2015–2022, 2022.
[4] S. Effect et al., “Parallel Mini / Micro-LEDs Transmitter : Light Communication,” vol. 40, no. 8, pp. 2329–2340, 2022.
[5] W. Niu et al., “Neural-Network-based Nonlinear Tomlinson-Harashima Precoding for Bandwidth-Limited Underwater Visible Light Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 8, pp. 2296–2306, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3138998.
[6] X. Pang et al., “Direct Modulation and Free-space Transmissions of Up to 6 Gbps Multilevel Signals with A 4.65-m Quantum Cascade Laser at Room Temperature,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 8, pp. 2370–2377, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3137963.
2022年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：子载波调制、自相干检测、射频自干扰消除、可见光通信系统、水下光通信系统以及中红外自由空间光通信系统等；笔者将逐一评析。
1.子载波调制
暨南大学的Haide Wang等研究人员设计了一种多速率奈奎斯特子载波调制（SCM）方案，如图1所示。正如我们所知，色散（CD）效应的存在会导致在双边带光信号上存在光谱零点现象，这将极大降低强度调制—直接探测光通信系统的收发性能，该方案的引入能够避免该现象的产生；其中每路子载波信号可通过自适应信道匹配检测（ACMD）算法单独进行恢复，结合概率类星座整形（PCS）技术，能使传输容量达到理论上的最大值。研究人员在50km无色散补偿光纤通信系统中对100Gbit/s多速率奈奎斯特SCM信号（C波段）的传输性能进行了实验研究，结果表明：在接收光功率为-4dBm、光信噪比为47.67dB时，接收到信号满足7%硬判决前向纠错门限的限制性要求，平均归一化广义互信息为0.967[1]。上述方案在高速传输系统中用来克服色散引起的信号失真方面具有较大的应用潜力。
2.自相干检测
加拿大麦吉尔大学的Xueyang Li等研究人员设计了采用Mach-Zehnder干涉仪（MZI）实现非对称自相干检测（ASCD）的方案，如图2所示。该方案采用直接检测（DD）接收机（包含两个光电二极管（PD）和两个数模转换器）实现了零差相干检测，具备较高的电谱效率（ESE）。方案中传入接收端的自相干双边带（SC-DSB）信号被分为两路；其中一路经过延迟后与另一路在MZI输出端拍频，实现自相干复双频信号的场重构。此外，他们还设计一种改进型MZI-ASCD方案（AUX-ASCD），通过引入一个辅助DD分支以提高被检测信号的信噪比。研究人员将上述两种方案与Kramers-Kronig方案进行了对比研究，结果表明：上述两种ASCD方案能实现更高光信噪比（OSNR）检测灵敏度，其中AUX-ASCD的OSNR检测灵敏度略优于MZI-ASCD[2]。上述研究工作为未来高速短距离光通信系统中检测技术的发展提供了潜在备选方案。
3.射频自干扰消除
清华大学信息科学与技术国家实验室的Yunlu Xing等研究人员设计了一种光子辅助射频自干扰消除方案，以缓解带内全双工（IBFD）无线通信系统中发射机产生的射频（RF）自干扰（IS），如图3所示。该方案采用两个马赫-曾德尔调制器将参考信号和接收信号转换为光信号，利用光谱处理（OSP）精确补偿上述两信号间的相位及幅值误差，同时微调可调谐光延迟线（TODL）改变时延，使接收信号中的宽带干扰信号在光域被消除。研究结果表明，在10GHz带宽下可实现大于30dB的对消深度。他们还研究了IBFD无线通信系统中16阶正交幅度调制（16-QAM）信号在不同码元速率和不同信干比（SIR）下的信号传输性能；当采用该方案时，无杂散动态范围（SFDR）可至92.6 dB•Hz2/3[3]。综上所述，该类器件在未来IBFD系统实现射频自干扰消除过程中具有一定的潜在应用价值。
4.可见光通信系统
清华大学深圳研究院的Zixian Wei等研究人员设计了一组不同尺寸的并行次毫米/微米-发光二极管（mini/micro-LEDs）（如图4所示），分析了该器件在可见光通信（VLC）系统中的应用特性。研究表明，在50mA驱动电流下，波长分别为75μm、100μm、125μm、150μm和175μm的发射器，可为两个独立用户（在3m链路上）提供278MHz、190MHz、133MHz、104MHz和85MHz的接入带宽；且调制带宽随注入电流和输入信号强度的增大而增大，随LED尺寸的增大而减小。他们在VLC系统中采用Volterra均衡器对4阶脉冲幅度调制（4PAM）信号的收发性能进行了实验研究，结果表明：当采用75μm micro-LED时可实现2.6Gbps的传输速率，误码率为2.2510-3；当采用175μm mini-LED时可实现1.1Gbps的传输速率，误码率为3.44 10-3[4]。综上所述，该器件为未来面向多用户VLC系统的接入应用发展提供了新思路。
5.水下光通信系统
复旦大学的Wenqing Niu等研究人员在带限水下可见光通信（UVLC）系统中对基于神经网络（NN）的汤姆林森-哈拉希玛（THP）预编码方案进行了研究，如图5所示。该方案在发送端采用无误差传播的反馈神经网络（FBN）来缓解部分码间干扰（ISI）和非线性负面效应；在接收端采用自适应前馈神经网络（FFN）对FBN的信道状态信息（CSI）失配进行补偿，以进一步减轻ISI和非线性效应对系统性能的影响。研究人员在采用无载波幅度和相位（CAP）调制的UVLC系统中对NN-THP、线性最小均方误差（LMS）THP以及Volterra级数非线性THP预编码技术进行了比较研究。结果表明，与基于LMS的线性后均衡技术相比，在2.2Gbps的数据速率下，LMS-THP、Volterra-THP及NN-THP均采用前馈均衡器（FFE）时， Q值分别提高了2.36dB、2.68dB和3.39dB；且NN-THP/FFE技术在7%硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值下实现了630MBd 16-CAP信号的传输，传输速率比仅采用线性后均衡技术时提高了90MBd[5]。因为NN-THP方案可缓解多输入多输出（MIMO）系统中的ISI和信道干扰（ICI）问题，所以该方案在未来带限水下可见光通信领域具有潜在的应用价值。
6.中红外自由空间光通信系统
瑞典皇家理工学院的Xiaodan Pang等研究人员设计了4.5um直接调制量子级联激光器（QCL）（室温工作情况下）的中红外自由空间光（MIR—FSO）通信系统，如图6所示。系统中的光束准直透镜用于校准QCL发出的高发散度光束，他们采用碲镉汞（MCT）光伏MIR探测器代替红外功率计测量了传输性能，并分别对NRZ-OOK、PAM4和PAM8信号的传输性能进行了研究。结果表明，未采用后均衡技术时，在KP4前向纠错和6.7%开销硬判决FEC（OH HD-FEC）阈值下，NRZ-OOK信号分别实现了1.3Gbps和1.6Gbps的传输速率；当采用数字后均衡器时，在KP4和HD-FEC阈值下，2Gbaud和2.5Gbaud PAM4信号通过0.5m链路时可实现4Gbps和5Gbps的传输速率，1.5Gbaud和2Gbaud PAM8信号的传输速率可达4.5Gbps和6Gbps [6]。综上所述，QCL的应用有可能在未来全频段无线光通信领域体现出其潜在价值。
参考文献：
[1] H. Wang et al., “Multi-Rate Nyquist-SCM for C-Band 100 Gbit / s Signal Over 50 km Dispersion-Uncompensated Link,” vol. 40, no. 7, pp. 1930–1936, 2022.
[2] X. Li, M. O’Sullivan, Z. Xing, M. E. Mousa-Pasandi, and D. V. Plant, “Asymmetric Self-Coherent Detection Based on Mach-Zehnder Interferometers,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 7, pp. 2023–2032, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3135000.
[3] Y. Xing, S. Li, X. Xue, and X. Zheng, “Photonic-Assisted RF Self-Interference Cancellation,” vol. 40, no. 7, pp. 2015–2022, 2022.
[4] S. Effect et al., “Parallel Mini / Micro-LEDs Transmitter : Light Communication,” vol. 40, no. 8, pp. 2329–2340, 2022.
[5] W. Niu et al., “Neural-Network-based Nonlinear Tomlinson-Harashima Precoding for Bandwidth-Limited Underwater Visible Light Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 8, pp. 2296–2306, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3138998.
[6] X. Pang et al., “Direct Modulation and Free-space Transmissions of Up to 6 Gbps Multilevel Signals with A 4.65-m Quantum Cascade Laser at Room Temperature,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 8, pp. 2370–2377, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3137963.
