2022年6月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-07-20 13:51:00 热度：1201
7/20/2022，光纤在线讯，作者 邵宇丰，王安蓉，伊林芳，杨骐铭，田青，于妮，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡，2022年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤链路安全检测、混合激光LED发射器、可见光通信系统、软件定义的光收发架构、超连续谱激光系统以及阵列波导光栅等；笔者将逐一评析。
1. 光纤链路安全检测
东南大学光传感通信综合网络工程研究中心的Xiaokai Ye等研究人员设计了一种适用于下一代无源光网络（NG-PON2）系统的安全检测方案，如图1所示。当光纤弯曲引起链路传输过程发生变化时，泄漏的光能会转化为热能，从而改变NG-PON2 光网络单元（ONU）上光纤端面的终端热分布（TTD）状态。研究人员采用光纤弯曲损耗公式和热力学耦合理论在双圆柱坐标系下建立了光纤端面弯曲时芯层和包层的TTD模型，并在不同输入功率、弯曲半径及检测点距光纤端面中心距离时对TTD模型进行了仿真分析。他们采用中心波长为1550nm的发光二极管和热显微镜（Telops-FAST-IR）进行了实验测试，结果表明：在输入功率为1dBm且弯曲半径为5mm~10mm时，光纤（G.652D）端面处芯层的TTD变化为72.5%，与仿真分析结果一致[1]。因此，该方案为未来光纤传输链路的安全性保障提供了参考借鉴。
图1采用TTD的安全检测方案
2. 混合激光LED发射器
印度班加罗尔科学研究所的Faheem Ahmad等研究人员设计了实现室内光无线通信的混合激光发光二级管（LED）发射器模块，如图2所示。该模块由中心波长785nm的近红外激光二极管（LD）和具有光束闭环控制能力的白光LED阵列组成，并使用两个偏心透镜实现激光束的水平/垂直转向调节功能。研究人员对发射器的性能进行测试后的结果表明：将接收器放置在距发射器1.5米处，发射光束水平（垂直）转向的角度范围为-7.6o~7.6o（-1.7o~2.6o），此时接收器处光束位移的水平（垂直）范围为-200mm~200mm（-44mm~67mm）；采用M阶正交幅度调制（MQAM）/正交频分复用（OFDM）信号（具有自适应比特功率加载功能）传输数据时，数据吞吐量可至5.15 Gbps[2]。因此，上述方案综合发挥了LD与LED的应用优势，为下一代智能室内光无线通信系统的发展提供了可参考的技术支持。
图2采用混合激光LED发射器模块的室内光无线通信系统
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3. 可见光通信系统
土耳其奥兹耶金大学的Rifat Kısacık等研究人员设计了一种采用130nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制成的可见光通信（VLC）接收机方案，如图3所示。由于采用了连续时间线性均衡器（CTLE），该接收机适用于多种不同带宽的VLC系统。研究人员在采用三种不同带宽的磷光白光发光二极管（LED）时，实验测试了接收机的性能（通信距离为2m），研究结果表明：当误码率为10-2时，采用带宽为1.6MHz、1.3MHz和900kHz的LED发射信号，传输速率可达32Mbps、22Mbps和18Mbps；若加入蓝色滤光片，传输速率可进一步提升到50Mbps、49Mbps和24Mbps [3]。因此，该接收机方案在支持多种不同带宽的可见光通信领域具有较大的发展潜力。
图3采用130 nm CMOS工艺的VLC系统
4. 软件定义的光收发架构
西班牙加泰罗尼亚电信技术中心的Laia Nadal等研究人员设计了采用多波段（MB）技术的可切片带宽光收发机（S-BVTs）架构，如图4所示。该架构采用了软件定义网络（SDN）的方法，具备数据转控分离以及可编程能力，并对其进行了性能评估。研究结果表明：在无滤波和放大的情况下，当背对背系统的接收功率为-2.7dBm时，每个波段的最大容量约为70Gb/s；经过50.47km标准单模光纤（SSMF）传输后，系统的最大容量为26.2 Gb/s（C波段）和21Gb/s（L和S波段）；当采用合适的MB聚合器/分配器时，工作在三个波段信号传输的最大总容量为67.7Gb/s[4]。毫无疑问，该架构的设计有利于多波段通信网络资源的有效利用。
图4 MB S-BVTs架构图
5. 超连续谱激光系统
韩国电子通信研究院的Minje Song等研究人员设计了一种采用光频梳整形和频谱整形的超宽带平顶超连续谱激光光源，如图5所示。他们采用脉冲整形器对光疏线的幅度和相位进行整形，从而得到同相准超高斯脉冲序列；该器件可实现的关键技术指标参数是：20 dB带宽为125 nm、重复频率为50 GHz。研究结果表明：该光源在3小时时间窗口内具有极高的稳定性（最大标准差小于0.622 dB）以及空间相干性；当分辨率为0.01nm时，每1min即可获得一次超连续谱[5]。因为该方案的应用范围覆盖了S+C+L波段的大部分区域，因此在一定程度上可满足未来现代光通信系统的发展需求。
图5超宽带平顶超连续光发生器的实验装置
6. 阵列波导光栅
荷兰埃因霍芬理工大学的Yu Wang等研究人员在3μm绝缘体上硅（SOI）平台上设计了一种超宽带（UWB）偏振不敏感（PI）的阵列波导光栅（AWG）（含12个信道，信道间距为100GHz）。该器件可实现的关键技术指标包括：-0.82 ~ -1.52dB的插入损耗、平均串扰小于-35dB、偏振相关损耗（PDL）为0.18dB~1.27dB、偏振相关波长偏移（PDWS）为0.006 nm~0.041nm。研究人员在非归零码-开关键控（NRZ-OOK）调制系统中对该器件的性能进行了研究，如图6所示；结果表明：当误码率为10-9时，10Gb/s、20Gb/s和35Gb/s NRZ-OOK信号的功率代价分别< 0.1dB、< 0.2dB和< 0.8dB[6]。因此，阵列波导光栅具有低损耗及低串扰的优良特性，可在未来作为（解）复用器装置应用于多频带光子集成电路（PICs）中。
图6阵列波导光栅实验装置
参考文献：
[1] X. Ye et al., "A Security Detection Scheme Based on TTD for NG-PON2 Fiber Links," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3633-3639, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3150362.
[2] F. Ahmad, R. N. Sathisha, K. M. Jyothsna and V. Raghunathan, "Hybrid Laser-LED Transmitter With Closed-Loop Beam-Steering Control for Indoor Optical Wireless Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3557-3566, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3154540.
[3] R. Kısacık et al., "A 130 nm CMOS Receiver for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3681-3687, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3150250.
[4] L. Nadal, M. S. Moreolo, J. M. Fàbrega and F. J. Vílchez, "SDN-Enabled Multi-Band S-BVT Within Disaggregated Optical Networks," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3479-3485, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3158388.
[5] M. Song et al., "Multi-Band Operation of Flat-Top Supercontinuum Laser Sources With Programmable Repetition Rate up to 50 GHz," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3425-3431, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3169486.
[6] Y. Wang et al., "Ultrawide-band Low Polarization Sensitivity 3-μm SOI Arrayed Waveguide Gratings," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3432-3441, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3167829.
1. 光纤链路安全检测
东南大学光传感通信综合网络工程研究中心的Xiaokai Ye等研究人员设计了一种适用于下一代无源光网络（NG-PON2）系统的安全检测方案，如图1所示。当光纤弯曲引起链路传输过程发生变化时，泄漏的光能会转化为热能，从而改变NG-PON2 光网络单元（ONU）上光纤端面的终端热分布（TTD）状态。研究人员采用光纤弯曲损耗公式和热力学耦合理论在双圆柱坐标系下建立了光纤端面弯曲时芯层和包层的TTD模型，并在不同输入功率、弯曲半径及检测点距光纤端面中心距离时对TTD模型进行了仿真分析。他们采用中心波长为1550nm的发光二极管和热显微镜（Telops-FAST-IR）进行了实验测试，结果表明：在输入功率为1dBm且弯曲半径为5mm~10mm时，光纤（G.652D）端面处芯层的TTD变化为72.5%，与仿真分析结果一致[1]。因此，该方案为未来光纤传输链路的安全性保障提供了参考借鉴。
图1采用TTD的安全检测方案
2. 混合激光LED发射器
印度班加罗尔科学研究所的Faheem Ahmad等研究人员设计了实现室内光无线通信的混合激光发光二级管（LED）发射器模块，如图2所示。该模块由中心波长785nm的近红外激光二极管（LD）和具有光束闭环控制能力的白光LED阵列组成，并使用两个偏心透镜实现激光束的水平/垂直转向调节功能。研究人员对发射器的性能进行测试后的结果表明：将接收器放置在距发射器1.5米处，发射光束水平（垂直）转向的角度范围为-7.6o~7.6o（-1.7o~2.6o），此时接收器处光束位移的水平（垂直）范围为-200mm~200mm（-44mm~67mm）；采用M阶正交幅度调制（MQAM）/正交频分复用（OFDM）信号（具有自适应比特功率加载功能）传输数据时，数据吞吐量可至5.15 Gbps[2]。因此，上述方案综合发挥了LD与LED的应用优势，为下一代智能室内光无线通信系统的发展提供了可参考的技术支持。
图2采用混合激光LED发射器模块的室内光无线通信系统
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3. 可见光通信系统
土耳其奥兹耶金大学的Rifat Kısacık等研究人员设计了一种采用130nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制成的可见光通信（VLC）接收机方案，如图3所示。由于采用了连续时间线性均衡器（CTLE），该接收机适用于多种不同带宽的VLC系统。研究人员在采用三种不同带宽的磷光白光发光二极管（LED）时，实验测试了接收机的性能（通信距离为2m），研究结果表明：当误码率为10-2时，采用带宽为1.6MHz、1.3MHz和900kHz的LED发射信号，传输速率可达32Mbps、22Mbps和18Mbps；若加入蓝色滤光片，传输速率可进一步提升到50Mbps、49Mbps和24Mbps [3]。因此，该接收机方案在支持多种不同带宽的可见光通信领域具有较大的发展潜力。
图3采用130 nm CMOS工艺的VLC系统
4. 软件定义的光收发架构
西班牙加泰罗尼亚电信技术中心的Laia Nadal等研究人员设计了采用多波段（MB）技术的可切片带宽光收发机（S-BVTs）架构，如图4所示。该架构采用了软件定义网络（SDN）的方法，具备数据转控分离以及可编程能力，并对其进行了性能评估。研究结果表明：在无滤波和放大的情况下，当背对背系统的接收功率为-2.7dBm时，每个波段的最大容量约为70Gb/s；经过50.47km标准单模光纤（SSMF）传输后，系统的最大容量为26.2 Gb/s（C波段）和21Gb/s（L和S波段）；当采用合适的MB聚合器/分配器时，工作在三个波段信号传输的最大总容量为67.7Gb/s[4]。毫无疑问，该架构的设计有利于多波段通信网络资源的有效利用。
图4 MB S-BVTs架构图
5. 超连续谱激光系统
韩国电子通信研究院的Minje Song等研究人员设计了一种采用光频梳整形和频谱整形的超宽带平顶超连续谱激光光源，如图5所示。他们采用脉冲整形器对光疏线的幅度和相位进行整形，从而得到同相准超高斯脉冲序列；该器件可实现的关键技术指标参数是：20 dB带宽为125 nm、重复频率为50 GHz。研究结果表明：该光源在3小时时间窗口内具有极高的稳定性（最大标准差小于0.622 dB）以及空间相干性；当分辨率为0.01nm时，每1min即可获得一次超连续谱[5]。因为该方案的应用范围覆盖了S+C+L波段的大部分区域，因此在一定程度上可满足未来现代光通信系统的发展需求。
图5超宽带平顶超连续光发生器的实验装置
6. 阵列波导光栅
荷兰埃因霍芬理工大学的Yu Wang等研究人员在3μm绝缘体上硅（SOI）平台上设计了一种超宽带（UWB）偏振不敏感（PI）的阵列波导光栅（AWG）（含12个信道，信道间距为100GHz）。该器件可实现的关键技术指标包括：-0.82 ~ -1.52dB的插入损耗、平均串扰小于-35dB、偏振相关损耗（PDL）为0.18dB~1.27dB、偏振相关波长偏移（PDWS）为0.006 nm~0.041nm。研究人员在非归零码-开关键控（NRZ-OOK）调制系统中对该器件的性能进行了研究，如图6所示；结果表明：当误码率为10-9时，10Gb/s、20Gb/s和35Gb/s NRZ-OOK信号的功率代价分别< 0.1dB、< 0.2dB和< 0.8dB[6]。因此，阵列波导光栅具有低损耗及低串扰的优良特性，可在未来作为（解）复用器装置应用于多频带光子集成电路（PICs）中。
图6阵列波导光栅实验装置
参考文献：
[1] X. Ye et al., "A Security Detection Scheme Based on TTD for NG-PON2 Fiber Links," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3633-3639, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3150362.
[2] F. Ahmad, R. N. Sathisha, K. M. Jyothsna and V. Raghunathan, "Hybrid Laser-LED Transmitter With Closed-Loop Beam-Steering Control for Indoor Optical Wireless Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3557-3566, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3154540.
[3] R. Kısacık et al., "A 130 nm CMOS Receiver for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 12, pp. 3681-3687, 15 June15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3150250.
[4] L. Nadal, M. S. Moreolo, J. M. Fàbrega and F. J. Vílchez, "SDN-Enabled Multi-Band S-BVT Within Disaggregated Optical Networks," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3479-3485, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3158388.
[5] M. Song et al., "Multi-Band Operation of Flat-Top Supercontinuum Laser Sources With Programmable Repetition Rate up to 50 GHz," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3425-3431, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3169486.
[6] Y. Wang et al., "Ultrawide-band Low Polarization Sensitivity 3-μm SOI Arrayed Waveguide Gratings," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 11, pp. 3432-3441, 1 June1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3167829.
