2022年9月PTL光通信论文评析
发布时间：2022-10-20 17:26:57 热度：1427
10/20/2022，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，李彦霖，李冲，陈鹏，袁杰，左仁杰，刘栓凡，杨林婕，柳海楠，李文臣，陈超，胡文光。
2022年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：雪崩光电二极管、光子下变频系统、卷积神经网络、光学传感器、光纤接入网络、强度调制和直接检测系统等，笔者将逐一评析。
1、雪崩光电二极管
奥地利维也纳理工大学的S.S.Kohneh Poushi等研究人员采用场线拥挤的概念设计了一种新型线性模式雪崩光电二极管（APD）；如图1所示，器件中心设计了小型球形雪崩n阱/p外延层，其中使用体积较厚、电场较低的区域作为吸收区，可采用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制备。研究结果表明，该APD在5nW光功率下的最大响应度为3.05×103A/W，在200nW光功率下使用675nm激光源时，最大带宽为1.6GHz，响应度为32 A/W[1]。因为该器件具有高雪崩增益、大带宽和CMOS兼容性等应用优势，有望未来在光通信系统、飞行时间传感和生物医学成像等多领域中应用。
2、光子下变频系统
日本东京国家信息与通信技术研究所的Pham Tien Dat等研究人员设计了一种使用宽带相位调制器的光子下变频系统，如图2所示。他们基于光子上转换和下转换技术实现了52 GHz的宽带正交频分复用（OFDM）信号的调制和解调，并将43 GHz的高阶正交幅度调制QAM—OFDM信号下变频到微波频段，并对采用单波长和双波长调制构建的光子下变频系统性能（转换增益、相位噪声和无杂散动态范围）进行了研究[2]。结果表明：两种方案的转换增益相当；但双波长调制中的相位噪声相对较低，且在较低发射功率区域提供了较好工作性能；而单波长方案在较高发射功率区域工作性能更佳。综上所述，双波长调制系统的总体性能更优，未来可用作上行链路移动前端以简化天线站点和接收机配置。
3、卷积神经网络
复旦大学的Yinaer Ha等研究人员为了提高基于下一代前传接口（NGFI）在移动通信网络中应用的频谱效率，设计了采用卷积神经网络（CNN）的非正交多波段无载波振幅和相位（NO-m-CAP）带间干扰消除系统，如图3所示。研究人员采用基于CNN的子带间干扰（IBI）对消方法成功实现了25km的100Gb/s/λ NGFI-II数据传输，并验证了IBI提取模块的必要性[3]。实验结果表明，在硬判决纠错编解码（HD-FEC）阈值为7%的前提下，光谱效率（SE）提高了15%。因为与传统基于独立成分分析的方法相比，此系统方案中应用的光电器件简单实用，复杂度更低，支持提供更多的功耗预算和更大的信号压缩比，因此该系统有望在未来移动通信高速传输领域应用。
4、光学传感器
印度卡纳塔克邦国立理工学院的Santosh Kumar Sahu等研究人员采用硅-二氧化钛-二氧化硅-金（Si-TiO2-SiO2-Au）材料，设计了采用V型纳米级三维混合等离子体波导（HPWG）的折射率-温度传感器，如图4所示。研究人员设计了检测苯（C6H6）的波长解调方法，监测了传输损失共振峰的波长偏移；并采用有限元方法研究了二氧化硅、二氧化钛厚度对HPWG传感器性能的影响[4]。结果表明，该传感器可检测水溶液折射率在1.45-1.5范围内的变化；当Si、TiO2、SiO2、Au等材料厚度值分别为220nm、5nm、25nm、50nm以及V型传感器的单臂宽度为300nm时，该器件的工作灵敏度为1022.75nm/RIU，温度灵敏度为2.95nm/℃。因为该传感器方案相比于直型HPWG设计，具有更小的有效模式面积并支持更远的传播距离，因此将在适用于红外区域的化学和生化传感检查方面有较好的应用前景。
5、光纤接入网络
法国布列塔尼雷恩大学的Jérémy Potet等研究人员设计了采用外调制激光器（EML）及直接检测方案的实时无数字信号处理（DSP）光纤接入系统，如图5所示。研究人员使用集成式外部调制激光器、模拟预均衡器、光学放大器和非滤波前置放大器，在无任何数字信号处理（实时或离线）的情况下对传输信号进行了直接检测。他们成功在光纤接入链路（O波段）上使用单一波长实时传输了100Gbit/s/λ的PAM-4信号，并针对光功率预算（OB）研究了采用半导体光放大器（SOA）的不同配置带来的影响 [5]。研究结果表明：无论采用SOA的哪种配置，在点对点（PtP）情况下都可以进行光功率预算；之所以在实际应用中从未真正考虑在光接入网中使用光纤放大器，主要是由于器件成本和集成度问题。该方案的研究结果从一定程度上反映了双向PtP标准的发展方向[5]，并为100Gbit/s速率PON可能实现的应用发展提供了新方向。
6、强度调制和直接检测系统
湖南师范大学的Gang Chen等研究人员设计了采用低复杂度射频（RF）数模转换器（DAC）生成了含保护带的正交频分复用（GB-OFDM）信号，以应用于强度调制和直接检测（IMDD）系统，如图6所示；同时采用了模数转换（ADC）欠采样技术在接收机中恢复了基带OFDM信号。他们在实时短距离IMDD系统中对该方案进行了实验研究[6]。研究结果表明，经50km标准单模光纤传输信号且误码率为3.8e-3时，与基带OFDM信号传输系统相比，16QAM/64 QAM-GB-OFDM系统的接收机灵敏度提升了7.5/3.5dB。该方案可以有效降低数据转换过程的采样率、系统成本和预算功耗，因此在IMDD高速光传输系统方中具有潜在的应用价值。
参考文献
[1]S. S. Kohneh Poushi, B. Goll, K. Schneider-Hornstein, M. Hofbauer and H. Zimmermann, "CMOS Integrated 32 A/W and 1.6 GHz Avalanche Photodiode Based on Electric Field-Line Crowding," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 18, pp. 945-948, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3195191.
[2]P. T. Dat, Y. Yamaguchi and A. Kanno, "Performance Comparison of Photonic Downconversion for Uplink Mobile Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol.34,no.17,pp. 923-926, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3193467.
[3]Y. Ha et al., "CNN-Based Inter-Band Interference Cancellation for 100Gbit/s/λ Non-Orthogonal m-CAP in Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 17, pp. 907-910, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3193310.
[4]S.K.Sahu,S.K.Reddy,M.Singh and E.Avrutin,"Hybrid Plasmonic Waveguide Based Platform for Refractive Index and Temperature Sensing,"in IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.34,no.18,pp.953-956,15Sept.15,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3195666.
[5]J. Potet et al., "Real-Time DSP-Free 100 Gbit/s/λ PAM-4 Fiber Access Link Using EML and Direct Detection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 17, pp. 895-898, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3191460.
[6]G. Chen et al., "Real-Time GB-OFDM Signal Generation/ Reception Using Image Spectra and Undersampling for IMDD System," in IEEE Photonics Technology Letters,vol.34,no.18,pp.997-1000,15Sept.15,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3197828.
2022年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：雪崩光电二极管、光子下变频系统、卷积神经网络、光学传感器、光纤接入网络、强度调制和直接检测系统等，笔者将逐一评析。
1、雪崩光电二极管
奥地利维也纳理工大学的S.S.Kohneh Poushi等研究人员采用场线拥挤的概念设计了一种新型线性模式雪崩光电二极管（APD）；如图1所示，器件中心设计了小型球形雪崩n阱/p外延层，其中使用体积较厚、电场较低的区域作为吸收区，可采用标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制备。研究结果表明，该APD在5nW光功率下的最大响应度为3.05×103A/W，在200nW光功率下使用675nm激光源时，最大带宽为1.6GHz，响应度为32 A/W[1]。因为该器件具有高雪崩增益、大带宽和CMOS兼容性等应用优势，有望未来在光通信系统、飞行时间传感和生物医学成像等多领域中应用。
2、光子下变频系统
日本东京国家信息与通信技术研究所的Pham Tien Dat等研究人员设计了一种使用宽带相位调制器的光子下变频系统，如图2所示。他们基于光子上转换和下转换技术实现了52 GHz的宽带正交频分复用（OFDM）信号的调制和解调，并将43 GHz的高阶正交幅度调制QAM—OFDM信号下变频到微波频段，并对采用单波长和双波长调制构建的光子下变频系统性能（转换增益、相位噪声和无杂散动态范围）进行了研究[2]。结果表明：两种方案的转换增益相当；但双波长调制中的相位噪声相对较低，且在较低发射功率区域提供了较好工作性能；而单波长方案在较高发射功率区域工作性能更佳。综上所述，双波长调制系统的总体性能更优，未来可用作上行链路移动前端以简化天线站点和接收机配置。
3、卷积神经网络
复旦大学的Yinaer Ha等研究人员为了提高基于下一代前传接口（NGFI）在移动通信网络中应用的频谱效率，设计了采用卷积神经网络（CNN）的非正交多波段无载波振幅和相位（NO-m-CAP）带间干扰消除系统，如图3所示。研究人员采用基于CNN的子带间干扰（IBI）对消方法成功实现了25km的100Gb/s/λ NGFI-II数据传输，并验证了IBI提取模块的必要性[3]。实验结果表明，在硬判决纠错编解码（HD-FEC）阈值为7%的前提下，光谱效率（SE）提高了15%。因为与传统基于独立成分分析的方法相比，此系统方案中应用的光电器件简单实用，复杂度更低，支持提供更多的功耗预算和更大的信号压缩比，因此该系统有望在未来移动通信高速传输领域应用。
4、光学传感器
印度卡纳塔克邦国立理工学院的Santosh Kumar Sahu等研究人员采用硅-二氧化钛-二氧化硅-金（Si-TiO2-SiO2-Au）材料，设计了采用V型纳米级三维混合等离子体波导（HPWG）的折射率-温度传感器，如图4所示。研究人员设计了检测苯（C6H6）的波长解调方法，监测了传输损失共振峰的波长偏移；并采用有限元方法研究了二氧化硅、二氧化钛厚度对HPWG传感器性能的影响[4]。结果表明，该传感器可检测水溶液折射率在1.45-1.5范围内的变化；当Si、TiO2、SiO2、Au等材料厚度值分别为220nm、5nm、25nm、50nm以及V型传感器的单臂宽度为300nm时，该器件的工作灵敏度为1022.75nm/RIU，温度灵敏度为2.95nm/℃。因为该传感器方案相比于直型HPWG设计，具有更小的有效模式面积并支持更远的传播距离，因此将在适用于红外区域的化学和生化传感检查方面有较好的应用前景。
5、光纤接入网络
法国布列塔尼雷恩大学的Jérémy Potet等研究人员设计了采用外调制激光器（EML）及直接检测方案的实时无数字信号处理（DSP）光纤接入系统，如图5所示。研究人员使用集成式外部调制激光器、模拟预均衡器、光学放大器和非滤波前置放大器，在无任何数字信号处理（实时或离线）的情况下对传输信号进行了直接检测。他们成功在光纤接入链路（O波段）上使用单一波长实时传输了100Gbit/s/λ的PAM-4信号，并针对光功率预算（OB）研究了采用半导体光放大器（SOA）的不同配置带来的影响 [5]。研究结果表明：无论采用SOA的哪种配置，在点对点（PtP）情况下都可以进行光功率预算；之所以在实际应用中从未真正考虑在光接入网中使用光纤放大器，主要是由于器件成本和集成度问题。该方案的研究结果从一定程度上反映了双向PtP标准的发展方向[5]，并为100Gbit/s速率PON可能实现的应用发展提供了新方向。
6、强度调制和直接检测系统
湖南师范大学的Gang Chen等研究人员设计了采用低复杂度射频（RF）数模转换器（DAC）生成了含保护带的正交频分复用（GB-OFDM）信号，以应用于强度调制和直接检测（IMDD）系统，如图6所示；同时采用了模数转换（ADC）欠采样技术在接收机中恢复了基带OFDM信号。他们在实时短距离IMDD系统中对该方案进行了实验研究[6]。研究结果表明，经50km标准单模光纤传输信号且误码率为3.8e-3时，与基带OFDM信号传输系统相比，16QAM/64 QAM-GB-OFDM系统的接收机灵敏度提升了7.5/3.5dB。该方案可以有效降低数据转换过程的采样率、系统成本和预算功耗，因此在IMDD高速光传输系统方中具有潜在的应用价值。
参考文献
[1]S. S. Kohneh Poushi, B. Goll, K. Schneider-Hornstein, M. Hofbauer and H. Zimmermann, "CMOS Integrated 32 A/W and 1.6 GHz Avalanche Photodiode Based on Electric Field-Line Crowding," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 18, pp. 945-948, 15 Sept.15, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3195191.
[2]P. T. Dat, Y. Yamaguchi and A. Kanno, "Performance Comparison of Photonic Downconversion for Uplink Mobile Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol.34,no.17,pp. 923-926, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3193467.
[3]Y. Ha et al., "CNN-Based Inter-Band Interference Cancellation for 100Gbit/s/λ Non-Orthogonal m-CAP in Fronthaul," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 17, pp. 907-910, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3193310.
[4]S.K.Sahu,S.K.Reddy,M.Singh and E.Avrutin,"Hybrid Plasmonic Waveguide Based Platform for Refractive Index and Temperature Sensing,"in IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.34,no.18,pp.953-956,15Sept.15,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3195666.
[5]J. Potet et al., "Real-Time DSP-Free 100 Gbit/s/λ PAM-4 Fiber Access Link Using EML and Direct Detection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 34, no. 17, pp. 895-898, 1 Sept.1, 2022, doi: 10.1109/LPT.2022.3191460.
[6]G. Chen et al., "Real-Time GB-OFDM Signal Generation/ Reception Using Image Spectra and Undersampling for IMDD System," in IEEE Photonics Technology Letters,vol.34,no.18,pp.997-1000,15Sept.15,2022,doi: 10.1109/LPT.2022.3197828.
