2022年4月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-05-16 09:13:29 热度：1557
5/16/2022，光纤在线讯，光线在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，田青，于妮，杨骐铭，伊林芳，李彦霖，袁杰，李冲，左仁杰，陈鹏，刘栓凡。
2022年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：深度学习、带通滤波器、微波光子学、自由空间光通信系统、长周期光纤光栅、多光谱显微成像系统等，笔者将逐一评析。
1、深度学习
瑞士苏黎世联邦理工学院Bertold Ian Bitachon等研究人员针对基于深度学习的数字反向传播（DL-DBP）算法，设计了一种减少训练时间的方法，如图1所示。该方法将光纤链路划分为较短区段，并用DL-DBP算法对较其进行补偿，再将训练好的模型重新应用到后续学习部分。结果表明，在2400km距长离5通道的波分复用（WDM）链路中成功传输32GBd的16QAM信号后，相较于线性补偿方式，该方案提供了0.41dB的信号增益；训练DL-DBP的第二部分（假设第一部分的模型已经提前获得）实现了0.48dB的信号增益；训练DL-DBP的整个堆栈实现了0.56dB增益，但总训练时间增加了203%[1]。该方案的设计将为在长距离光通信中引入深度学习算法提供参考模型。
2、带通滤波器
中国矿业大学Shizhuang Yan等研究人员设计了一种基于共面波导和人工表面等离极化激元（SSPPs）的太赫兹（THz）超宽带带通滤波器，太赫兹SSPP波导俯视图如图2所示；采用叉结构对低频波进行滤波，用SSPPs产生较高的截止频率，通过改变参数独立控制滤波器的上下截止频率。研究表明，测试结果与仿真结果吻合，滤波器的回波损耗值高于11dB，在通带内插入损耗小于2dB[2]。该滤波器可在0.65~2.02THz频率范围内工作，具有高效率、频率调节方便、结构简单、体积小等应用优势，有望广泛应用于毫米波和太赫兹等信息处理领域。
3、微波光子学
中国科学院半导体研究所Xiaoyu Chen等研究人员采用马赫-曾德尔调制器（MZM）和可调谐光学延迟块（TODL），设计了一种新型微波光子学信号处理方案，如图3所示。研究人员在两个偏振方向上进行了功率分割和延时调谐，通过叠加跳动信号获取了三角形或矩形波形（占空比可调）；他们还对所提出的方案进行了理论分析和实验验证，成功生成了重复频率为4GHz和5GHz的三角波和矩波形[3]；其中，因为射频（RF）调制指数不固定，在一定程度上增加了系统应用的灵活性；因此该方案未来有望在微波光子学信号处理领域得以应用。
4、自由空间光通信系统
韩国先进科学技术研究院Mat T. Nguyen等研究人员设计了一种传输速率为1.25Gb/s的自由空间光通信（FSOC）系统，并在接收端融合了7孔径直接探测（DD）接收机，如图4所示。研究人员采用脉冲模式发生器生成NRZ信号，并通过电吸收调制激光器（EML）实现电光转换，经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后由一个直径和焦距分别为2.54cm和37.13mm的透镜将其发射到52m长的自由空间信道（采用电风扇和加热器模拟大气湍流）中。当光信号经后向反射器（直径为127mm）反射至接收端7个透镜处后，将其耦合到单模光纤连接的光电探测器中，再通过采用7通道实时示波器（带宽2GHz，采样率10Gsample/s）接收并进行数字信号处理，以最大比率合并（MRC）方式实现信号组合[4]。研究结果表明，在弱湍流（SI=0.0089）和强湍流（SI=0.2615）条件下，当误码率（BER）为10-3时，发射功率分别为2.6dBm和7dBm。综上所述，该系统具有成本低、可靠性高，易扩展升级等优点，并能有效提升大气湍流环境下FSO系统的光信号收发性能，在未来的宽带无线光通信领域具有潜在的应用价值。
5、长周期光纤光栅
哈尔滨工程大学Xiren Jin等研究人员利用椭圆双折射（IMEB）的相互作用机制设计了间歇式扭转螺旋型长周期光纤光栅（IS-LPFG）传感器，并采用CO2激光器对预扭曲单模光纤（SMF）的4个相互正交表面进行抛光加工，使其每个面呈现断续式螺旋状结构分布，如图5所示。研究人员通过对IS-LPFG实施不同方向（顺时针旋转、逆时针旋转和无旋转）的扭转引入了不同的IMEB，并分析其对扭转灵敏度的影响[5]。研究结果表明，叠加和抵消IMEB时，扭转灵敏度值分别为0.115 nm/(rad/m)和0.08nm/(rad/m)。此外，该器件在一定程度上能提升扭转传感器、光纤偏振控制器和轨道角动量控制器等的工作性能，将来有望在光纤通信和光纤传感领域发挥其应用价值。
6、多光谱显微成像系统
南京师范大学Fangjian Xing等研究人员采用数字微镜器件（DMD）研制了一种二维（2D）多光谱显微成像系统（SRHMI），如图6所示。他们将该系统分为两个模块进行设计；其中一模块采用超连续谱激光源和编码装置（由消色差透镜（L1）、闪耀光栅（DG1）和DMD组成）生成多波长光束；另一模块实现成像，即采用聚焦透镜（FL，=50mm）和圆柱透镜（CL，=50mm）控制多波长光束照射样本的二维表面实现光谱透过率编码，再由光栅衍射并经成像透镜L2（f2=150mm）实现各波长光分离投射至2D成像传感器上[6]。研究结果表明，当光谱线宽和波长间隔分别为0.16nm和6.4nm时，成像分辨率达到2.46m；在700~810nm波段范围内可实现12和18波长的2D成像。因为该系统具备波长可选择性和高分辨率成像的特点，未来有望在医疗、农业等领域发挥其成像应用价值。
参考文献
[1]Bitachon B I, Eppenberger M, Baeuerle B, et al. Reducing Training Time of Deep Learning Based Digital Backpropagation by Stacking[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022.
[2]S. Yan et al., "A Terahertz Band-Pass Filter Based on Coplanar-Waveguide and Spoof Surface Plasmon Polaritons," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 7, pp. 375-378, 1 April1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3159964.
[3]X. Chen et al., "Photonic Generation of Rectangular and Triangular Microwave Waveforms With Tunable Duty Cycle," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 7, pp. 371-374, 1 April1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3159555.
[4]M. T. Nguyen, V. Mai and H. Kim, "Multiple-Aperture Direct-Detection Receiver Based on Maximal Ratio Combining for FSO Communication," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 405-408, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3164342.
[5]X. Jin et al., "Analysis and Comparative Study of Intermittent-Spiral Long Period Fiber Grating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 440-443, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3144997.
[6]F. Xing et al., "Simultaneously Reconfigurable Multispectral Microscopic Imaging Based on a Digital Micromirror Device," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 417-419, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3164722.
2022年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：深度学习、带通滤波器、微波光子学、自由空间光通信系统、长周期光纤光栅、多光谱显微成像系统等，笔者将逐一评析。
1、深度学习
瑞士苏黎世联邦理工学院Bertold Ian Bitachon等研究人员针对基于深度学习的数字反向传播（DL-DBP）算法，设计了一种减少训练时间的方法，如图1所示。该方法将光纤链路划分为较短区段，并用DL-DBP算法对较其进行补偿，再将训练好的模型重新应用到后续学习部分。结果表明，在2400km距长离5通道的波分复用（WDM）链路中成功传输32GBd的16QAM信号后，相较于线性补偿方式，该方案提供了0.41dB的信号增益；训练DL-DBP的第二部分（假设第一部分的模型已经提前获得）实现了0.48dB的信号增益；训练DL-DBP的整个堆栈实现了0.56dB增益，但总训练时间增加了203%[1]。该方案的设计将为在长距离光通信中引入深度学习算法提供参考模型。
2、带通滤波器
中国矿业大学Shizhuang Yan等研究人员设计了一种基于共面波导和人工表面等离极化激元（SSPPs）的太赫兹（THz）超宽带带通滤波器，太赫兹SSPP波导俯视图如图2所示；采用叉结构对低频波进行滤波，用SSPPs产生较高的截止频率，通过改变参数独立控制滤波器的上下截止频率。研究表明，测试结果与仿真结果吻合，滤波器的回波损耗值高于11dB，在通带内插入损耗小于2dB[2]。该滤波器可在0.65~2.02THz频率范围内工作，具有高效率、频率调节方便、结构简单、体积小等应用优势，有望广泛应用于毫米波和太赫兹等信息处理领域。
3、微波光子学
中国科学院半导体研究所Xiaoyu Chen等研究人员采用马赫-曾德尔调制器（MZM）和可调谐光学延迟块（TODL），设计了一种新型微波光子学信号处理方案，如图3所示。研究人员在两个偏振方向上进行了功率分割和延时调谐，通过叠加跳动信号获取了三角形或矩形波形（占空比可调）；他们还对所提出的方案进行了理论分析和实验验证，成功生成了重复频率为4GHz和5GHz的三角波和矩波形[3]；其中，因为射频（RF）调制指数不固定，在一定程度上增加了系统应用的灵活性；因此该方案未来有望在微波光子学信号处理领域得以应用。
4、自由空间光通信系统
韩国先进科学技术研究院Mat T. Nguyen等研究人员设计了一种传输速率为1.25Gb/s的自由空间光通信（FSOC）系统，并在接收端融合了7孔径直接探测（DD）接收机，如图4所示。研究人员采用脉冲模式发生器生成NRZ信号，并通过电吸收调制激光器（EML）实现电光转换，经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后由一个直径和焦距分别为2.54cm和37.13mm的透镜将其发射到52m长的自由空间信道（采用电风扇和加热器模拟大气湍流）中。当光信号经后向反射器（直径为127mm）反射至接收端7个透镜处后，将其耦合到单模光纤连接的光电探测器中，再通过采用7通道实时示波器（带宽2GHz，采样率10Gsample/s）接收并进行数字信号处理，以最大比率合并（MRC）方式实现信号组合[4]。研究结果表明，在弱湍流（SI=0.0089）和强湍流（SI=0.2615）条件下，当误码率（BER）为10-3时，发射功率分别为2.6dBm和7dBm。综上所述，该系统具有成本低、可靠性高，易扩展升级等优点，并能有效提升大气湍流环境下FSO系统的光信号收发性能，在未来的宽带无线光通信领域具有潜在的应用价值。
5、长周期光纤光栅
哈尔滨工程大学Xiren Jin等研究人员利用椭圆双折射（IMEB）的相互作用机制设计了间歇式扭转螺旋型长周期光纤光栅（IS-LPFG）传感器，并采用CO2激光器对预扭曲单模光纤（SMF）的4个相互正交表面进行抛光加工，使其每个面呈现断续式螺旋状结构分布，如图5所示。研究人员通过对IS-LPFG实施不同方向（顺时针旋转、逆时针旋转和无旋转）的扭转引入了不同的IMEB，并分析其对扭转灵敏度的影响[5]。研究结果表明，叠加和抵消IMEB时，扭转灵敏度值分别为0.115 nm/(rad/m)和0.08nm/(rad/m)。此外，该器件在一定程度上能提升扭转传感器、光纤偏振控制器和轨道角动量控制器等的工作性能，将来有望在光纤通信和光纤传感领域发挥其应用价值。
6、多光谱显微成像系统
南京师范大学Fangjian Xing等研究人员采用数字微镜器件（DMD）研制了一种二维（2D）多光谱显微成像系统（SRHMI），如图6所示。他们将该系统分为两个模块进行设计；其中一模块采用超连续谱激光源和编码装置（由消色差透镜（L1）、闪耀光栅（DG1）和DMD组成）生成多波长光束；另一模块实现成像，即采用聚焦透镜（FL，=50mm）和圆柱透镜（CL，=50mm）控制多波长光束照射样本的二维表面实现光谱透过率编码，再由光栅衍射并经成像透镜L2（f2=150mm）实现各波长光分离投射至2D成像传感器上[6]。研究结果表明，当光谱线宽和波长间隔分别为0.16nm和6.4nm时，成像分辨率达到2.46m；在700~810nm波段范围内可实现12和18波长的2D成像。因为该系统具备波长可选择性和高分辨率成像的特点，未来有望在医疗、农业等领域发挥其成像应用价值。
参考文献
[1]Bitachon B I, Eppenberger M, Baeuerle B, et al. Reducing Training Time of Deep Learning Based Digital Backpropagation by Stacking[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2022.
[2]S. Yan et al., "A Terahertz Band-Pass Filter Based on Coplanar-Waveguide and Spoof Surface Plasmon Polaritons," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 7, pp. 375-378, 1 April1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3159964.
[3]X. Chen et al., "Photonic Generation of Rectangular and Triangular Microwave Waveforms With Tunable Duty Cycle," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 7, pp. 371-374, 1 April1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3159555.
[4]M. T. Nguyen, V. Mai and H. Kim, "Multiple-Aperture Direct-Detection Receiver Based on Maximal Ratio Combining for FSO Communication," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 405-408, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3164342.
[5]X. Jin et al., "Analysis and Comparative Study of Intermittent-Spiral Long Period Fiber Grating," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 440-443, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3144997.
[6]F. Xing et al., "Simultaneously Reconfigurable Multispectral Microscopic Imaging Based on a Digital Micromirror Device," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 8, pp. 417-419, 15 April15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3164722.
