2022年9月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-10-20 17:15:41 热度：1647
10/20/2022，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，袁杰，左仁杰，刘栓凡，李彦霖，陈鹏，李冲，陈超，柳海楠，
杨林婕，胡文光，李文臣。
2022年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空间光通信，波形发生器，水下光通信，亚太赫兹通信，网格编码调制技术以及自零差传输系统等。笔者将逐一评析。
1.自由空间光通信
台北科技大学的Hayle等研究人员设计了应用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的强度型波分复用-自由空间光通信（IWDM-FSO）混合系统，如图1所示。他们设计了基于神经网络（NN）轮廓法的叠加门控递归单元（SGRU）算法，以提升FBG传感器的测量精度，从而解决系统中的频谱混叠问题。研究人员在自由空间链路中对该系统的传输性能进行了研究，结果表明：该方案可实现光和FBG传感器信号在自由空间光链路中的混合传输，并获得了清晰的眼图[1]。不难发现，该系统能够兼顾光信号和传感器信号在FSO系统中的传输，从而实现波分复用系统中通信资源的共享和信号处理功能的集成。
2.波形发生器
电子科技大学的Zhiqiang Fan等研究人员设计了采用光外差检测方式的可调谐双啁啾微波波形发生器，如图2所示。他们使用光纤激光器（OFL）和马赫-曾德尔调制器（MZM）生成了双边带载波抑制（DSB-SC）信号，并通过光耦合器（OC）与三电极分布式布拉格反射激光二极管（DBR-LD）所产生的宽带频率啁啾光脉冲耦合成一路光信号，以在光电探测器（PD）处产生双啁啾微波波形。他们对该器件的工作性能进行了研究，结果表明：啁啾波形的中心频率、带宽和持续时间的调谐范围分别为7-13 GHz、13-17 GHz和500ns-50μs；啁啾率高达26 GHz/μs[2]。因此，该类高性能双啁啾微波波形发生器在具备更高多普勒分辨率的现代雷达系统中具有一定的应用前景。
3.水下光通信
浙江大学的Xingqi Yang等研究人员设计了采用单色LED构建的串联阵列水下光通信（UWOC）系统，如图3所示。该系统采用绿色LED阵列作为发射机来增强发射光功率，采用红色LED阵列作为探测器以提升接收机带宽，采用支持均匀聚焦光斑的透镜组以提高信噪比（SNR）。研究人员在室内照明环境下对LED-to-LED UWOC系统的性能进行了研究，结果表明：与单个红色LED应用相比，采用3个红色LED串联的阵列探测器其信号传输速率可提升22.2%。当二进制开关键控（OOK）调制信号经7m水下信道传输后，可实现130Mbps的数据传输速率，且误码率低于3.8 × 10-3的前向误差纠错(FEC)阈值[3]。因此，该系统在未来水下宽带光通信领域具有潜在应用价值。
4.亚太赫兹通信
马德里卡洛斯三世大学的Luis Gonzalez-Guerrero 等研究人员在亚太赫兹通信系统中对单载波调制（S-C）与双载波调制（D-C）信号的传输特性进行了比较，如图4所示；并研究了三种不同归一化因子（平均光电流、亚太赫兹能量和激光输出功率））及信号调制顺序制约上述两种传输方案的信号收发性能。他们对二进制脉冲幅度调制（2-PAM）信号的应用进行了理论分析，结果表明：D-C调制比S-C调制具有3dB增益提升效果可以用以恢复信号峰值电压，但S-C调制相较于D-C调制具有更高的激光输出效率；同时他们还分析了PAM4/8等高阶强度调制（IM）信号在马赫-曾德尔调制器（MZM）中的非线性传输函数曲线，指出随着调制阶数的增加，在光电流趋于归一化的情况下采用S-C调制方案时光信号衰减逐渐降低，且考虑信号间拍频影响时，S-C调制能取得更好的信号收发效果[4]。上述系统方案为未来亚太赫兹高速光通信系统的发展提供了潜在可靠技术支持。
5．网格编码调制技术
湖南大学的Jing He等研究人员设计了四维网格编码调制正交幅度调制-正交频分复用（4D-TCM-16QAM-OFDM）信号的预编码过程，并在W波段光载无线通信（RoF）系统中进行了实验研究，如图5所示。在RoF系统中，频率选择性衰落会导致4D-TCM-16QAM-OFDM信号子载波信噪比分布不平衡，而采用正交循环矩阵变换(OCT)预编码、离散傅里叶变换(DFT)预编码和恒幅零自相关序列(CAZAC)预编码过程可有效解决该问题。研究人员对比分析了CAZAC预编码的4D-TCM-16QAM-OFDM信号及采用CAZAC预编码的8QAM-OFDM信号在经过50km单模光纤（SMF）和5m自由空间传输后的接收性能。结果表明：在误码率为3.8×10-3时，前者的接收机灵敏度相较于后者提升了约1.1dB。[5]该方案的设计及验证为未来光纤无线通信系统频谱效率的提升提供了参考选择方案。
6．自零差传输系统
华中科技大学光电子信息学院的Li Wang等研究人员设计了双向自零差相干检测（SHCD）传输系统，如图6所示。该系统利用双向操作的自适应极化控制器，在保持传统相干系统全频谱效率（SE）的同时，实现了无多输入多输出（MIMO）、频率偏移补偿（FOC）、载波相位恢复（CPR）和专用CDC算法的相干光DSP过程。该系统应用波特率相干技术在不进行采样率转换时就可以实现低波特率间隔均衡过程，在降低数模转换（ADC）功率的同时均衡功率也得到进一步降低。结果表明：在系统中采用23GBaud双极化32位正交振幅调制（DP-32QAM）信号收发时，传输速率可达230Gbit/s；在FEC阈值为2x10-2时，极化旋转容差可达850rad/s[6]。该方案的提出为未来高速光信号传输系统的应用发展提供了备选。
[1]S. T. Hayle, Y. C. Manie, C. -K. Yao, T. -Y. Yeh, C. -H. Yu and P. -C. Peng, "Hybrid of Free Space Optics Communication and Sensor System Using IWDM Technique," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 17, pp. 5862-5869, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3186895.
[2]Z.Fan etal,"Photonic Generation of a Tunable Dual-Chirp Microwave Waveform," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no.17,pp. 5876-5883, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3184332.
[3]Gonzalez-Guerrero L , Ali M , Guzman R , et al. Photonic Sub-Terahertz IM Links: Comparison Between Double and Single Carrier Modulation[J]. Journal of Lightwave Technology, 40.
[4]X.Yang,etal,7-M/130-Mbps LED-to-LED Underwater Wireless Optical Communication Based on Arrays of Series-Connected LEDs and a Coaxial Lens Group[J]. Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 17, pp. 5901-5909.
[5]J. He, L. Xu and Z. Zhou, "Performance Enhancement of W-Band RoF System Using 4D Trellis Coded Modulation OFDM With Precoding," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 18, pp. 6151-6157, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3193047.
[6]L. Wang et al., "Bi-Directional Self-Homodyne Transmission With MIMO-Free DSP for Next-Generation Data Center Interconnects," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 18, pp. 6179-6189, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3192904.
杨林婕，胡文光，李文臣。
2022年9月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空间光通信，波形发生器，水下光通信，亚太赫兹通信，网格编码调制技术以及自零差传输系统等。笔者将逐一评析。
1.自由空间光通信
台北科技大学的Hayle等研究人员设计了应用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的强度型波分复用-自由空间光通信（IWDM-FSO）混合系统，如图1所示。他们设计了基于神经网络（NN）轮廓法的叠加门控递归单元（SGRU）算法，以提升FBG传感器的测量精度，从而解决系统中的频谱混叠问题。研究人员在自由空间链路中对该系统的传输性能进行了研究，结果表明：该方案可实现光和FBG传感器信号在自由空间光链路中的混合传输，并获得了清晰的眼图[1]。不难发现，该系统能够兼顾光信号和传感器信号在FSO系统中的传输，从而实现波分复用系统中通信资源的共享和信号处理功能的集成。
2.波形发生器
电子科技大学的Zhiqiang Fan等研究人员设计了采用光外差检测方式的可调谐双啁啾微波波形发生器，如图2所示。他们使用光纤激光器（OFL）和马赫-曾德尔调制器（MZM）生成了双边带载波抑制（DSB-SC）信号，并通过光耦合器（OC）与三电极分布式布拉格反射激光二极管（DBR-LD）所产生的宽带频率啁啾光脉冲耦合成一路光信号，以在光电探测器（PD）处产生双啁啾微波波形。他们对该器件的工作性能进行了研究，结果表明：啁啾波形的中心频率、带宽和持续时间的调谐范围分别为7-13 GHz、13-17 GHz和500ns-50μs；啁啾率高达26 GHz/μs[2]。因此，该类高性能双啁啾微波波形发生器在具备更高多普勒分辨率的现代雷达系统中具有一定的应用前景。
3.水下光通信
浙江大学的Xingqi Yang等研究人员设计了采用单色LED构建的串联阵列水下光通信（UWOC）系统，如图3所示。该系统采用绿色LED阵列作为发射机来增强发射光功率，采用红色LED阵列作为探测器以提升接收机带宽，采用支持均匀聚焦光斑的透镜组以提高信噪比（SNR）。研究人员在室内照明环境下对LED-to-LED UWOC系统的性能进行了研究，结果表明：与单个红色LED应用相比，采用3个红色LED串联的阵列探测器其信号传输速率可提升22.2%。当二进制开关键控（OOK）调制信号经7m水下信道传输后，可实现130Mbps的数据传输速率，且误码率低于3.8 × 10-3的前向误差纠错(FEC)阈值[3]。因此，该系统在未来水下宽带光通信领域具有潜在应用价值。
4.亚太赫兹通信
马德里卡洛斯三世大学的Luis Gonzalez-Guerrero 等研究人员在亚太赫兹通信系统中对单载波调制（S-C）与双载波调制（D-C）信号的传输特性进行了比较，如图4所示；并研究了三种不同归一化因子（平均光电流、亚太赫兹能量和激光输出功率））及信号调制顺序制约上述两种传输方案的信号收发性能。他们对二进制脉冲幅度调制（2-PAM）信号的应用进行了理论分析，结果表明：D-C调制比S-C调制具有3dB增益提升效果可以用以恢复信号峰值电压，但S-C调制相较于D-C调制具有更高的激光输出效率；同时他们还分析了PAM4/8等高阶强度调制（IM）信号在马赫-曾德尔调制器（MZM）中的非线性传输函数曲线，指出随着调制阶数的增加，在光电流趋于归一化的情况下采用S-C调制方案时光信号衰减逐渐降低，且考虑信号间拍频影响时，S-C调制能取得更好的信号收发效果[4]。上述系统方案为未来亚太赫兹高速光通信系统的发展提供了潜在可靠技术支持。
5．网格编码调制技术
湖南大学的Jing He等研究人员设计了四维网格编码调制正交幅度调制-正交频分复用（4D-TCM-16QAM-OFDM）信号的预编码过程，并在W波段光载无线通信（RoF）系统中进行了实验研究，如图5所示。在RoF系统中，频率选择性衰落会导致4D-TCM-16QAM-OFDM信号子载波信噪比分布不平衡，而采用正交循环矩阵变换(OCT)预编码、离散傅里叶变换(DFT)预编码和恒幅零自相关序列(CAZAC)预编码过程可有效解决该问题。研究人员对比分析了CAZAC预编码的4D-TCM-16QAM-OFDM信号及采用CAZAC预编码的8QAM-OFDM信号在经过50km单模光纤（SMF）和5m自由空间传输后的接收性能。结果表明：在误码率为3.8×10-3时，前者的接收机灵敏度相较于后者提升了约1.1dB。[5]该方案的设计及验证为未来光纤无线通信系统频谱效率的提升提供了参考选择方案。
6．自零差传输系统
华中科技大学光电子信息学院的Li Wang等研究人员设计了双向自零差相干检测（SHCD）传输系统，如图6所示。该系统利用双向操作的自适应极化控制器，在保持传统相干系统全频谱效率（SE）的同时，实现了无多输入多输出（MIMO）、频率偏移补偿（FOC）、载波相位恢复（CPR）和专用CDC算法的相干光DSP过程。该系统应用波特率相干技术在不进行采样率转换时就可以实现低波特率间隔均衡过程，在降低数模转换（ADC）功率的同时均衡功率也得到进一步降低。结果表明：在系统中采用23GBaud双极化32位正交振幅调制（DP-32QAM）信号收发时，传输速率可达230Gbit/s；在FEC阈值为2x10-2时，极化旋转容差可达850rad/s[6]。该方案的提出为未来高速光信号传输系统的应用发展提供了备选。
[1]S. T. Hayle, Y. C. Manie, C. -K. Yao, T. -Y. Yeh, C. -H. Yu and P. -C. Peng, "Hybrid of Free Space Optics Communication and Sensor System Using IWDM Technique," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 17, pp. 5862-5869, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3186895.
[2]Z.Fan etal,"Photonic Generation of a Tunable Dual-Chirp Microwave Waveform," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no.17,pp. 5876-5883, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3184332.
[3]Gonzalez-Guerrero L , Ali M , Guzman R , et al. Photonic Sub-Terahertz IM Links: Comparison Between Double and Single Carrier Modulation[J]. Journal of Lightwave Technology, 40.
[4]X.Yang,etal,7-M/130-Mbps LED-to-LED Underwater Wireless Optical Communication Based on Arrays of Series-Connected LEDs and a Coaxial Lens Group[J]. Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 17, pp. 5901-5909.
[5]J. He, L. Xu and Z. Zhou, "Performance Enhancement of W-Band RoF System Using 4D Trellis Coded Modulation OFDM With Precoding," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 18, pp. 6151-6157, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3193047.
[6]L. Wang et al., "Bi-Directional Self-Homodyne Transmission With MIMO-Free DSP for Next-Generation Data Center Interconnects," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 18, pp. 6179-6189, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3192904.
