2023年8月JLT光通信论文评析
发布时间：2023-09-25 22:31:20 热度：1481
9/25/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，袁杰，刘栓凡，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，李文臣，陈超，柳海楠 杨林婕，胡文光。
2023年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：概率整形IM/DD系统，无线光通信，掺铥光纤激光器，无源光网络，水下光通信，激光器等；笔者将逐一评析。
1.概率整形IM/DD系统
德国基尔大学的M. S. -B. Hossain等研究人员在强度调制/直接检测（IM/DD）系统中对均匀八电平脉冲幅度调制（PAM8）信号和概率整形（PS）PAM8信号进行了比较研究，其实验装置如图1所示。研究人员采用了O波段电吸收调制激光器（EML），且在PS过程中应用了不同高斯阶帽形与杯形麦克斯韦-玻尔兹曼（MB）分布处理。研究人员对系统进行了性能评估[1]，结果表明：帽形PS以增加符号率为代价获得了非线性增益；在线性均衡时，帽形PS PAM8系统性能比均匀PAM8和杯形PS PAM8系统更优；在非线性均衡时，PS PAM8系统性能相对均匀PAM8系统性能的增益会降低，但都能实现约318Gb/s的相似峰值可实现信息率（AIR）。综上所述，上述方案对PS技术在IM/DD系统中的应用具有一定参考价值。
2.无线光通信
吉林大学的Yingzhi Li等研究人员使用大孔径集成氮化硅光学相控阵（OPA）芯片设计了一种高速长距离的无线光通信（OWC）系统，其实验装置如图2所示。研究人员在高速和宽天线相位调谐的OWC系统中通过传输非归零码（NRZ）信号和四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号对OPA芯片性能进行了验证[2]，研究结果表明：采用OPA芯片的OWC系统可在54m自由空间距离上实现32Gb/s NRZ信号的低误码率（BER）传输，且最高可实现100°的无失真视场角（FOV）；在超过10m距离的水平方向0°和50°下可实现50 Gbit/s的PAM4信号传输；OPA的灵活波束控制能实现多目标通信中的快速信道切换， FOV中两个任意目标的切换时间为27μs。因此，上述系统在无线光网络应用领域具有实用价值。
3.掺铥光纤激光器
俄罗斯莫斯科国立鲍曼技术大学的Vasilii Voropaev等研究人员应用中心波长为1.9的掺铥光纤飞秒激光器和泵浦放大器，在硫化砷（As2S3）-硅基混合纳米尖波导中产生了跨八度超连续谱（SC），其实验装置如图3所示。他们采用全光纤超快速主振荡器功率放大器作为泵浦源生成了中心波长为1.9的脉冲（具备23.84MHz的重复率和600mw的平均输出功率）；泵浦光利用90°的双轴抛物镜准直光束，并使用4mm聚焦透镜将泵浦光耦合至As2S3-硅波导中；将生成的SC由芯径为200的多模氟化光纤收集并传输到光谱仪中进行分析[3]。研究结果表明：在纤芯直径为1.7的波导中，在1.1到2.5波长范围内能获得最宽SC，此时可以观察到显著的色散波以及三次谐波分量。
4.无源光网络
美国佐治亚理工大学Shuang Yao等研究人员基于人工神经网络（ANN）对50Gbaud强度调制/直接检测（IM/DD）无源光网络（PON）中的信号实现了对称概率整形（PS）和几何整形（GS）过程优化，其实验装置如图4所示。研究人员采用PS+GS的脉冲幅度调制（PAM4）来实现信号的灵活高速调制，并利用ANN学习各种信道条件下的调制特性；在发射端，采用了外部调制激光器（EML），其最低和最高的输出光功率为1mw和4mw，消光比（ER）为6dB；在接收端，采用噪声系数为7dB的半导体光放大器（SOA）对EML的输出光信号增强，通过雪崩光电二极管（APD）将光信号转换为电信号，使用跨阻放大器（TIA）将输出电流转换为电压[4]。研究结果表明：ANN可应用于具备不同接收光功率（ROP）和光纤长度的PON系统中；与均匀PAM4信号相比，在经过10km单模光纤后依然有0.1bit/symbol的广义互信息（GMI）改善；ANN可在-30dBm到-18dBm接收光功率范围内学习调制过程，并提供了0.133bit/symbol的GMI改进。因此，上述方案对无源光网络中的信号调制优化过程具有参考借鉴价值。
5. 水下光通信
华中科技大学的Xiao Li等研究人员设计了应用现场可编程门阵列（FPGA）的实时水下无线光通信（UWOC）系统，其实验装置如图5所示。他们将三级级联T桥均衡器（TCBE）与数字波形整形滤波器（DWSF）结合，实现了系统3dB带宽由2.5MHz扩展到了44MHz，以适应不同的应用场景；采用FPGA进行数字信号处理，实现了UWOC系统的实时通信。为验证该方案的可行性，研究人员在强度调制/直接检测系统中设计了非归零开关键控（IM/DD NRZ-OOK）调制信号的实时单LED UWOC系统[5]，研究结果表明：上述方案支持在1m水下信道中实现50Mbps的信号传输，且在无需前向纠错（FEC）时误码率达到了8×10−5。他们利用TCBE设计了50MHz频率范围内的预均衡电路，并通过TCBE电路使系统3dB带宽得到了有效扩展；在应用DWSF后，信号传输速率为10Mbps、20Mbps、30Mbps、40Mbps、45Mbps和50Mbps时，误码率值分别降低了15%、22%、26%、28%、95%和98%。综上所述，当传输速率大于40Mbps时，该方案能显著提高UWOC系统性能，为未来实时水下光通信系统设计提供了新思路。
6. 激光器
重庆大学的Laiyang Dang等研究人员设计了一种基于弱分布反馈效应的分布式布拉格反射（DBR）型全光纤激光器，以实现光谱净化，实验装置如图6所示。该激光器通过精确控制分布反馈信号的强度，以实现对激光频域参数的调节。研究人员搭建了激光系统，并对该方案的有效性和合理性进行了验证[6]，研究结果表明：该方案可以实现超高光谱纯度激光器的制备，输出光谱信噪比为64dB，侧模抑制比（SMSR）从53dB增加到83dB，输出洛伦兹线宽从8.2kHz压缩到115Hz，相对强度噪声小于−122dB/Hz，高频白噪声平坦区域的噪声极限值为4.8Hz2/Hz，且SMSR和洛伦兹线宽在53~83dB和115Hz~8.2kHz范围内可连续调节。他们还研究了不同泵浦结构对DBR光纤激光器性能的影响，证明了微弱分布反馈信号在正向泵浦激光体系结构的光谱净化中起着决定性的作用。综上所述，上述光谱调控机制对其他激光参数的极端调控具有一定参考价值。
参考文献：
[1].M. S. -B. Hossain et al., "Probabilistic Shaping for High-Speed Unamplified IM/DD Systems With an O-Band EML," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5373-5382, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3263039.
[2].Y. Li et al., "High-Data-Rate and Wide-Steering-Range Optical Wireless Communication via Nonuniform-Space Optical Phased Array," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4933-4940, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3252166.
[3].V. Voropaev et al., "Octave-Spanning Supercontinuum Generation in As2S3-Silica Hybrid Waveguides Pumped by Thulium-Doped Fiber Laser," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 5116-5122, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253889.
[4].S. Yao, A. Mahadevan, Y. Lefevre, N. Kaneda, V. Houtsma and D. van Veen, "Artificial Neural Network Assisted Probabilistic and Geometric Shaping for Flexible Rate High-Speed PONs," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5217-5225, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3259929.
[5].X. Li, L. Gui, Y. Xia and L. Lang, "Demonstration of a Real-Time UWOC System Using a Bandwidth Limited LED Based on Hardware and Software Equalization," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4979-4988, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253810.
[6].L. Dang et al., "Spectrum Extreme Purification and Modulation of DBR Fiber Laser With Weak Distributed Feedback," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5437-5444, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3256795.
2023年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：概率整形IM/DD系统，无线光通信，掺铥光纤激光器，无源光网络，水下光通信，激光器等；笔者将逐一评析。
1.概率整形IM/DD系统
德国基尔大学的M. S. -B. Hossain等研究人员在强度调制/直接检测（IM/DD）系统中对均匀八电平脉冲幅度调制（PAM8）信号和概率整形（PS）PAM8信号进行了比较研究，其实验装置如图1所示。研究人员采用了O波段电吸收调制激光器（EML），且在PS过程中应用了不同高斯阶帽形与杯形麦克斯韦-玻尔兹曼（MB）分布处理。研究人员对系统进行了性能评估[1]，结果表明：帽形PS以增加符号率为代价获得了非线性增益；在线性均衡时，帽形PS PAM8系统性能比均匀PAM8和杯形PS PAM8系统更优；在非线性均衡时，PS PAM8系统性能相对均匀PAM8系统性能的增益会降低，但都能实现约318Gb/s的相似峰值可实现信息率（AIR）。综上所述，上述方案对PS技术在IM/DD系统中的应用具有一定参考价值。
2.无线光通信
吉林大学的Yingzhi Li等研究人员使用大孔径集成氮化硅光学相控阵（OPA）芯片设计了一种高速长距离的无线光通信（OWC）系统，其实验装置如图2所示。研究人员在高速和宽天线相位调谐的OWC系统中通过传输非归零码（NRZ）信号和四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号对OPA芯片性能进行了验证[2]，研究结果表明：采用OPA芯片的OWC系统可在54m自由空间距离上实现32Gb/s NRZ信号的低误码率（BER）传输，且最高可实现100°的无失真视场角（FOV）；在超过10m距离的水平方向0°和50°下可实现50 Gbit/s的PAM4信号传输；OPA的灵活波束控制能实现多目标通信中的快速信道切换， FOV中两个任意目标的切换时间为27μs。因此，上述系统在无线光网络应用领域具有实用价值。
3.掺铥光纤激光器
俄罗斯莫斯科国立鲍曼技术大学的Vasilii Voropaev等研究人员应用中心波长为1.9的掺铥光纤飞秒激光器和泵浦放大器，在硫化砷（As2S3）-硅基混合纳米尖波导中产生了跨八度超连续谱（SC），其实验装置如图3所示。他们采用全光纤超快速主振荡器功率放大器作为泵浦源生成了中心波长为1.9的脉冲（具备23.84MHz的重复率和600mw的平均输出功率）；泵浦光利用90°的双轴抛物镜准直光束，并使用4mm聚焦透镜将泵浦光耦合至As2S3-硅波导中；将生成的SC由芯径为200的多模氟化光纤收集并传输到光谱仪中进行分析[3]。研究结果表明：在纤芯直径为1.7的波导中，在1.1到2.5波长范围内能获得最宽SC，此时可以观察到显著的色散波以及三次谐波分量。
4.无源光网络
美国佐治亚理工大学Shuang Yao等研究人员基于人工神经网络（ANN）对50Gbaud强度调制/直接检测（IM/DD）无源光网络（PON）中的信号实现了对称概率整形（PS）和几何整形（GS）过程优化，其实验装置如图4所示。研究人员采用PS+GS的脉冲幅度调制（PAM4）来实现信号的灵活高速调制，并利用ANN学习各种信道条件下的调制特性；在发射端，采用了外部调制激光器（EML），其最低和最高的输出光功率为1mw和4mw，消光比（ER）为6dB；在接收端，采用噪声系数为7dB的半导体光放大器（SOA）对EML的输出光信号增强，通过雪崩光电二极管（APD）将光信号转换为电信号，使用跨阻放大器（TIA）将输出电流转换为电压[4]。研究结果表明：ANN可应用于具备不同接收光功率（ROP）和光纤长度的PON系统中；与均匀PAM4信号相比，在经过10km单模光纤后依然有0.1bit/symbol的广义互信息（GMI）改善；ANN可在-30dBm到-18dBm接收光功率范围内学习调制过程，并提供了0.133bit/symbol的GMI改进。因此，上述方案对无源光网络中的信号调制优化过程具有参考借鉴价值。
5. 水下光通信
华中科技大学的Xiao Li等研究人员设计了应用现场可编程门阵列（FPGA）的实时水下无线光通信（UWOC）系统，其实验装置如图5所示。他们将三级级联T桥均衡器（TCBE）与数字波形整形滤波器（DWSF）结合，实现了系统3dB带宽由2.5MHz扩展到了44MHz，以适应不同的应用场景；采用FPGA进行数字信号处理，实现了UWOC系统的实时通信。为验证该方案的可行性，研究人员在强度调制/直接检测系统中设计了非归零开关键控（IM/DD NRZ-OOK）调制信号的实时单LED UWOC系统[5]，研究结果表明：上述方案支持在1m水下信道中实现50Mbps的信号传输，且在无需前向纠错（FEC）时误码率达到了8×10−5。他们利用TCBE设计了50MHz频率范围内的预均衡电路，并通过TCBE电路使系统3dB带宽得到了有效扩展；在应用DWSF后，信号传输速率为10Mbps、20Mbps、30Mbps、40Mbps、45Mbps和50Mbps时，误码率值分别降低了15%、22%、26%、28%、95%和98%。综上所述，当传输速率大于40Mbps时，该方案能显著提高UWOC系统性能，为未来实时水下光通信系统设计提供了新思路。
6. 激光器
重庆大学的Laiyang Dang等研究人员设计了一种基于弱分布反馈效应的分布式布拉格反射（DBR）型全光纤激光器，以实现光谱净化，实验装置如图6所示。该激光器通过精确控制分布反馈信号的强度，以实现对激光频域参数的调节。研究人员搭建了激光系统，并对该方案的有效性和合理性进行了验证[6]，研究结果表明：该方案可以实现超高光谱纯度激光器的制备，输出光谱信噪比为64dB，侧模抑制比（SMSR）从53dB增加到83dB，输出洛伦兹线宽从8.2kHz压缩到115Hz，相对强度噪声小于−122dB/Hz，高频白噪声平坦区域的噪声极限值为4.8Hz2/Hz，且SMSR和洛伦兹线宽在53~83dB和115Hz~8.2kHz范围内可连续调节。他们还研究了不同泵浦结构对DBR光纤激光器性能的影响，证明了微弱分布反馈信号在正向泵浦激光体系结构的光谱净化中起着决定性的作用。综上所述，上述光谱调控机制对其他激光参数的极端调控具有一定参考价值。
参考文献：
[1].M. S. -B. Hossain et al., "Probabilistic Shaping for High-Speed Unamplified IM/DD Systems With an O-Band EML," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5373-5382, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3263039.
[2].Y. Li et al., "High-Data-Rate and Wide-Steering-Range Optical Wireless Communication via Nonuniform-Space Optical Phased Array," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4933-4940, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3252166.
[3].V. Voropaev et al., "Octave-Spanning Supercontinuum Generation in As2S3-Silica Hybrid Waveguides Pumped by Thulium-Doped Fiber Laser," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 5116-5122, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253889.
[4].S. Yao, A. Mahadevan, Y. Lefevre, N. Kaneda, V. Houtsma and D. van Veen, "Artificial Neural Network Assisted Probabilistic and Geometric Shaping for Flexible Rate High-Speed PONs," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5217-5225, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3259929.
[5].X. Li, L. Gui, Y. Xia and L. Lang, "Demonstration of a Real-Time UWOC System Using a Bandwidth Limited LED Based on Hardware and Software Equalization," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4979-4988, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253810.
[6].L. Dang et al., "Spectrum Extreme Purification and Modulation of DBR Fiber Laser With Weak Distributed Feedback," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5437-5444, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3256795.
