2022年11月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-12-13 15:40:28 热度：1640
12/13/2022，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，刘栓凡，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，胡文光，李文臣，陈超，柳海楠，杨林婕。
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：多普勒激光雷达，超宽带链路，自由空间光通信、偏振复用、光频域反射，可见光通信等。笔者将逐一评析。
1.多普勒激光雷达
中国科学技术大学的Zhang等研究人员结合相移键控（PSK）调制的差分校正（DCP）技术设计了一种新型相干多普勒测风激光雷达(CDWL)，如图1所示。他们使用相位差为的探测脉冲器产生成对脉冲，成对脉冲的相同强度包络可以减小放大器增益分布的影响，使系统对环境干扰具有更强的鲁棒性。实验利用具有实时偏置监控功能的马赫曾德尔调制器（MZM）实现二进制PSK调制和脉冲整形[1]。实验结果表明：在激光峰值功率为400W时，800m以上的连续径向风廓线在空间和时间的分辨率是3m和0.1s；在距离为420m和618m时，该方法实现了空间分辨率的同时避免了光谱展宽，能有效的区分信号峰值与噪声。因此，该雷达在未来风能开发和空气污染分析等实际应用中具有参考价值。
2.超宽带链路
诺基亚贝尔实验室研究人员A. Ghazisaeidi等研究人员利用半导体光放大器（SOA）和分布式拉曼放大器(DRA)实现超宽带（UWB）无重复传输，如图2所示。他们利用S波段+C波段+L波段实现WDM无缝隙传输，先进的数字信号处理（DSP）、波长自适应调制和软判决前向纠错（SD-FEC）方案来提升重复链路的容量[2]。研究结果表明：该方案可在257.5km的超低损耗、大有效面积光纤跨度上实现100 nm超宽带无重复传输,当使用SOA与反向拉曼放大器时网络吞吐量达到81.2 Tb/s、当加上前向拉曼放大器时网络吞吐量达到99.35Tb/s，两种不同方案的信号容量×距离值达到20.9和25.6 Pb/s·km，比类似距离的记录提高了140%和197%。因此，该方案在提高未来超宽带通信网络吞吐量具有潜在应用价值。
3.自由空间光通信
阿米尔卡比尔理工大学的Agheli等研究人员提出了一种适用于高速列车（HST）的可重构智能表面（RIS）辅助自由空间光（FSO）通信系统，如图3所示。研究人员在弱湍流和中强湍流情况下，对概率分布函数、平均信噪比和中断概率进行理论分析，并根据分析结果对RIS面向固定的反射（FOR）和面向动态的反射（DOR）两种方案进行仿真研究[3]。结果表明：该系统在弱（中强）湍流条件下与中继辅助FSO系统相比，每一个FSO基站都提供了高约45%（63%）的数据速率和352%（446%）的更广覆盖区域，覆盖范围的增加可使100km的铁路中所需的FSO基站数量减少了71%（98%）；且在所有的方案中，DOR方案是最佳的选择，但却需要额外的追踪程序。由于该系统的高性能和低成本，未来在高速列车接入网络中有广阔的应用前景。
4.偏振复用
上海交通大学的Wu等研究人员设计了一种双偏振载波辅助相位恢复（DP-CAPR）方案。在给定每个偏振上两个载波的先验相位信息时，该方案可以检测到光场的相位，且不需要任何保护频带。研究人员将30G波特的32阶正交幅度调制（32-QAM）信号通过80km单模光纤（SMF）传输，从偏振旋转角度（PRA）、偏振模色散(PMD)和电噪声方面对该方案进行可行性验证，实验系统装置如图2所示[4]。研究结果表明：载波信号功率比（CSPR）在一定范围内，偏振旋转角度从0到45°时，接收信号的误码率逐渐降低；在达到硬判决前向纠错条件下，PMD影响将导致光信噪比（OSNR）下降，但使用更多抽头数的MIMO均衡器能削减PMD负面效应。综上所述，上述系统方案将对融合偏振复用的自相干传输系统性能优化提供参考借鉴。
5.光频域反射
天津大学的Haohan Guo等研究人员设计了采用维纳（Wiener）反卷积滤波器消除光频域反射仪（OFDR）中旁瓣Ghost峰的系统方案，如图5所示。Ghost峰是指在光网络测试过程中，用反射仪测得后向散射迹线上出现类似菲涅耳反射峰的情况，将导致误判接收信号。该系统中，可调谐激光源（TLS）光谱中的多峰和辅助干涉仪的反射过程会产生旁瓣，将导致FUT测试迹线上生成Ghost峰。研究人员对辅助干涉进行Wiener反卷积滤波，得到点扩散函数（PSF）, 将PSF作为卷积核对主干涉仪的FUT测试迹线实施二次Wiener反卷积滤波，并进行空间信号进行反卷积滤波前后的比较，以消除振幅减小值大于阈值的Ghost峰[5]。研究结果表明：在测试长度为26米、空间分辨率为毫米级的实验条件下，仅用低成本的分布反馈可调谐激光源（DFB-TLS）的OFDR就能获得较纯的FUT迹线。综上所述，上述方案有望在频域光学相干断层扫描成像(FD-OCT)与调频连续波激光雷达（FMCW）领域得以广泛应用。
6.可见光通信
牛津大学的Thai-Chien Bui等人针对可见光通信（VLC）应用中设计了一种基于星座优化的多基色调制（MPM）技术，如图6所示。他们在多维颜色空间中，对基色光采用不同的功率电平调制以获得相同颜色，并通过最大化数据符号之间的最小欧式距离来优化星座分布以获得最佳M值（或频谱效率）增益。他们在视距链路（LOS）和混合VLC信道中对编码优化后的和未优化的MPM方案的误码性能进行了比较分析[6]。研究结果表明，在LOS信道中优化后的MPM方案具有更高的谱效率，且在相同谱效率下，优化后的电信噪比增益（SNRe）可达3.5dB；在LOS与NLOS混合信道中使用ZF均衡器能使误码率更低，与未均衡情形相比，当使用5原色时均衡后的系统在10-3的误码率下有17 dB的SNRe增益。综上所述，该方案的设计为未来多色光源可见光通信系统的鲁棒性提升提供了参考思路。
[1]Y. Zhang, Y. Wu and H. Xia, "High Resolution Coherent Doppler Wind Lidar Incorporating Phase-Shift Keying," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7471-7478, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202836.
[2]Ghazisaeidi etal., "99.35 Tb/s Ultra-wideband Unrepeated Transmission Over 257 km Using Semiconductor Optical Amplifiers and Distributed Raman Amplification," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7014-7019, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3198518.
[3]P. Agheli, H. Beyranvand and M. J. Emadi, "High-Speed Trains Access Connectivity Through RIS-Assisted FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7084-7094, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199608.
[4]Q. Wu, Y. Zhu, Q. Zhuge and W. Hu, "Dual-Carrier-Assisted Phase Retrieval for Polarization Division Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7297-7306, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202570.
[5]H. Guo et al., "Elimination of Side Lobe Ghost Peak Using Wiener Deconvolution Filter in OFDR," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7208-7218, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199729.
[6]T. -C. Bui, R. Singh, T. O'Farrell, G. Scarano, J. P. R. David and M. Biagi, "Optimized Multi-Primary Modulation for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7254-7264, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3201279.
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：多普勒激光雷达，超宽带链路，自由空间光通信、偏振复用、光频域反射，可见光通信等。笔者将逐一评析。
1.多普勒激光雷达
中国科学技术大学的Zhang等研究人员结合相移键控（PSK）调制的差分校正（DCP）技术设计了一种新型相干多普勒测风激光雷达(CDWL)，如图1所示。他们使用相位差为的探测脉冲器产生成对脉冲，成对脉冲的相同强度包络可以减小放大器增益分布的影响，使系统对环境干扰具有更强的鲁棒性。实验利用具有实时偏置监控功能的马赫曾德尔调制器（MZM）实现二进制PSK调制和脉冲整形[1]。实验结果表明：在激光峰值功率为400W时，800m以上的连续径向风廓线在空间和时间的分辨率是3m和0.1s；在距离为420m和618m时，该方法实现了空间分辨率的同时避免了光谱展宽，能有效的区分信号峰值与噪声。因此，该雷达在未来风能开发和空气污染分析等实际应用中具有参考价值。
2.超宽带链路
诺基亚贝尔实验室研究人员A. Ghazisaeidi等研究人员利用半导体光放大器（SOA）和分布式拉曼放大器(DRA)实现超宽带（UWB）无重复传输，如图2所示。他们利用S波段+C波段+L波段实现WDM无缝隙传输，先进的数字信号处理（DSP）、波长自适应调制和软判决前向纠错（SD-FEC）方案来提升重复链路的容量[2]。研究结果表明：该方案可在257.5km的超低损耗、大有效面积光纤跨度上实现100 nm超宽带无重复传输,当使用SOA与反向拉曼放大器时网络吞吐量达到81.2 Tb/s、当加上前向拉曼放大器时网络吞吐量达到99.35Tb/s，两种不同方案的信号容量×距离值达到20.9和25.6 Pb/s·km，比类似距离的记录提高了140%和197%。因此，该方案在提高未来超宽带通信网络吞吐量具有潜在应用价值。
3.自由空间光通信
阿米尔卡比尔理工大学的Agheli等研究人员提出了一种适用于高速列车（HST）的可重构智能表面（RIS）辅助自由空间光（FSO）通信系统，如图3所示。研究人员在弱湍流和中强湍流情况下，对概率分布函数、平均信噪比和中断概率进行理论分析，并根据分析结果对RIS面向固定的反射（FOR）和面向动态的反射（DOR）两种方案进行仿真研究[3]。结果表明：该系统在弱（中强）湍流条件下与中继辅助FSO系统相比，每一个FSO基站都提供了高约45%（63%）的数据速率和352%（446%）的更广覆盖区域，覆盖范围的增加可使100km的铁路中所需的FSO基站数量减少了71%（98%）；且在所有的方案中，DOR方案是最佳的选择，但却需要额外的追踪程序。由于该系统的高性能和低成本，未来在高速列车接入网络中有广阔的应用前景。
4.偏振复用
上海交通大学的Wu等研究人员设计了一种双偏振载波辅助相位恢复（DP-CAPR）方案。在给定每个偏振上两个载波的先验相位信息时，该方案可以检测到光场的相位，且不需要任何保护频带。研究人员将30G波特的32阶正交幅度调制（32-QAM）信号通过80km单模光纤（SMF）传输，从偏振旋转角度（PRA）、偏振模色散(PMD)和电噪声方面对该方案进行可行性验证，实验系统装置如图2所示[4]。研究结果表明：载波信号功率比（CSPR）在一定范围内，偏振旋转角度从0到45°时，接收信号的误码率逐渐降低；在达到硬判决前向纠错条件下，PMD影响将导致光信噪比（OSNR）下降，但使用更多抽头数的MIMO均衡器能削减PMD负面效应。综上所述，上述系统方案将对融合偏振复用的自相干传输系统性能优化提供参考借鉴。
5.光频域反射
天津大学的Haohan Guo等研究人员设计了采用维纳（Wiener）反卷积滤波器消除光频域反射仪（OFDR）中旁瓣Ghost峰的系统方案，如图5所示。Ghost峰是指在光网络测试过程中，用反射仪测得后向散射迹线上出现类似菲涅耳反射峰的情况，将导致误判接收信号。该系统中，可调谐激光源（TLS）光谱中的多峰和辅助干涉仪的反射过程会产生旁瓣，将导致FUT测试迹线上生成Ghost峰。研究人员对辅助干涉进行Wiener反卷积滤波，得到点扩散函数（PSF）, 将PSF作为卷积核对主干涉仪的FUT测试迹线实施二次Wiener反卷积滤波，并进行空间信号进行反卷积滤波前后的比较，以消除振幅减小值大于阈值的Ghost峰[5]。研究结果表明：在测试长度为26米、空间分辨率为毫米级的实验条件下，仅用低成本的分布反馈可调谐激光源（DFB-TLS）的OFDR就能获得较纯的FUT迹线。综上所述，上述方案有望在频域光学相干断层扫描成像(FD-OCT)与调频连续波激光雷达（FMCW）领域得以广泛应用。
6.可见光通信
牛津大学的Thai-Chien Bui等人针对可见光通信（VLC）应用中设计了一种基于星座优化的多基色调制（MPM）技术，如图6所示。他们在多维颜色空间中，对基色光采用不同的功率电平调制以获得相同颜色，并通过最大化数据符号之间的最小欧式距离来优化星座分布以获得最佳M值（或频谱效率）增益。他们在视距链路（LOS）和混合VLC信道中对编码优化后的和未优化的MPM方案的误码性能进行了比较分析[6]。研究结果表明，在LOS信道中优化后的MPM方案具有更高的谱效率，且在相同谱效率下，优化后的电信噪比增益（SNRe）可达3.5dB；在LOS与NLOS混合信道中使用ZF均衡器能使误码率更低，与未均衡情形相比，当使用5原色时均衡后的系统在10-3的误码率下有17 dB的SNRe增益。综上所述，该方案的设计为未来多色光源可见光通信系统的鲁棒性提升提供了参考思路。
[1]Y. Zhang, Y. Wu and H. Xia, "High Resolution Coherent Doppler Wind Lidar Incorporating Phase-Shift Keying," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7471-7478, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202836.
[2]Ghazisaeidi etal., "99.35 Tb/s Ultra-wideband Unrepeated Transmission Over 257 km Using Semiconductor Optical Amplifiers and Distributed Raman Amplification," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7014-7019, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3198518.
[3]P. Agheli, H. Beyranvand and M. J. Emadi, "High-Speed Trains Access Connectivity Through RIS-Assisted FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7084-7094, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199608.
[4]Q. Wu, Y. Zhu, Q. Zhuge and W. Hu, "Dual-Carrier-Assisted Phase Retrieval for Polarization Division Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7297-7306, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202570.
[5]H. Guo et al., "Elimination of Side Lobe Ghost Peak Using Wiener Deconvolution Filter in OFDR," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7208-7218, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199729.
[6]T. -C. Bui, R. Singh, T. O'Farrell, G. Scarano, J. P. R. David and M. Biagi, "Optimized Multi-Primary Modulation for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7254-7264, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3201279.
