2023年11月JLT光通信论文评析
发布时间：2023-12-25 09:52:42 热度：2219
12/25/2023，光纤在线讯，光纤在线特约编辑：邵宇丰，王安蓉，李文臣，胡文光，陈超，杨林婕，柳海楠，张颜鹭，岳京歌，靳清清。
2023年11月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信、光学均衡、垂直腔面发射激光器、全光非线性激励器、水下光通信等，笔者将逐一评析。
1、光纤无线通信
日本东京国立通信技术研究所的Zu Kai Weng等研究人员设计了一种双波长数字RoF（DRoF）系统，系统链路中传输由Δ-∑调制的准2位256-QAM OFDM信号；如图1所示，发射机中采用了四电平调制方案和传统1、2位Δ-∑调制方案。其中，四电平调制方案采用了2位Δ-∑调制器，并配置1比特分离器将2位M进制QAM-OFDM数据分离成两个1位数据流；两个1位数据流被识别为最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB），并分别编码到不同的光载波上。研究人员在实验中采用400 MHz的 16-QAM、64-QAM和128-QAM OFDM信号作为测试信号，经过25km单模光纤传输后上述信号的最宽动态接收范围25.78、17.81和13.46 dB的（远高于传统方案测得的数值）；如果通过25km单模光纤传输准2位Δ-∑调制的256-QAM OFDM信号，仅有1.38dB的功率损失[1]。研究结果表明：该方案的应用兼具提升系统信号信噪比和抵抗光纤非线性负面影响的优势，这为 DRoF系统的未来应用提供了新型参考实施方案。
西安信息导航学院的Congrui Gao等人针对多径效应和非线性失真对传输信号的影响，在光载无线通信（RoF）系统中设计了辅助光纤传输信号的数字自干扰消除（DSIC）方案，如图2所示（其中，采用快速横向递归最小二乘（FTRLS）滤波器来克服多径效应影响）[2]。研究结果表明：当信号经过10km光纤传输后，在X频段和Ku频段的50 MHz带宽上能实现38dB和34dB的抵消深度值；在自干扰消除（SIC）后可成功恢复25Mbaud的16QAM标志信号（SOI）。此外，在信道估计过程中应用FTRLS后每次迭代仅需7N+14次乘法运算次数（定义滤波器阶数为N时）；当N=80时，相比较RLS、DNN、Volterra-RLS算法可节省86%以上的计算量。综上所述，该方案为提升RoF系统的收发信号性能和降低数字信号处理复杂度提供了借鉴参考。
2、光学均衡
浙江大学Yufan Zhang等研究人员针对硅光电倍增管（SiPM）的死区时间引起的非线性退化问题，设计了一种采用工程匀光片（ED）进行空间光均衡的方案。如图3所示，应用ED能产生均匀光斑，可防止SiPM中的部分像素饱和并使其工作在线性范围内[3]。研究结果证明：在死区时间为100ns接收光功率为-44dBm时，计数损失可以降至28.76%；在7m水箱实验中，研究人员采用含SiPM的水下光通信系统通过光均衡方法实现了70Mbps的数据传输速率，在前向纠错编码限制范围内的接收光功率值达到了-52dBm。综上所述，该光学均衡方法对降低SiPM死区时间引起的非线性影响提供了参考借鉴。
3、垂直腔面发射激光器
北京邮电大学的Kai Liu等研究人员设计了通过增加垂直腔面发射激光器（VCSEL）高阶模的水平扩展来实现单模VCSEL的制备。如图4所示，在传统氧化型VCSEL的顶部和底部的分布式布拉格反射器（DBR）中分别引入顶部腔和底部腔，让高阶模向氧化周边区域水平扩展，使得高阶模获得较小增益而基模保持较高增益以实现基模与高阶模的增益差异变大，最终制备单模VCSEL[2]。研究结果证明：该单模VCSEL可实现的边模抑制比大于40dB，阈值电流为0.5mA时最大输出功率为0.27mW；从远场图和P-I-V曲线图不难看出，该器件表现出单模激射性能。综上所述，上述方案为制备单模VCSEL提供了新的思路。
4、全光非线性激励器
电子科技大学的Caihong Teng等人采用光纤环形谐振器（FORR）设计了一种全光非线性激励器，使其在光信号强度较低情况下实现非线性激励。其中，FORR 由无源光学元件组成，可以直接与现有光芯片组合。如同5所示，研究人员通过实验测量了FORR在光学神经网络（ONN）中的非线性映射能力[4]。依据实施图像分类和超分辨率重建两个任务，证明了该器件的工作性能与常用的激励函数（Relu）的性能相当。上述研究为辅助全光神经网络的有效部署提供了参考借鉴。
5、水下光通信
浙江大学的Yang Xingqi等研究人员设计了使用非相干光源的50m/300Mbps水下无线光通信（UWOC）系统，如图6所示。研究人员为提高发射器的光功率设计了ED阵列，并利用光束整形透镜组以减小发散角和提升接收器的光功率密度，有效延长了信号传输距离。研究人员采用了两种接收方案来探测光信号，即分别采用多光电倍增管（PMT）的分集接收方案和PMT与光学天线相结合的高增益方案。由于LED和PMT存在带宽限制，研究人员引入T桥预均衡器来减轻高频衰减导致的符号间干扰（ISI），并采用Volterra非线性均衡器来进一步补偿ISI和非线性失真[6]。研究结果表明：该系统支持在50米距离上稳定传输300Mbps的数据；通过波束成形设计，该系统不仅可以实现与采用LD的UWOC系统相当的传输距离和数据速率，而且可显著放宽收发器对准要求。综上所述，该系统的设计将为未来应用UWOC系统提供借鉴参考。
参考文献
[1]Weng Z K, Dat P T, Kanno A, et al. Robust Dual-wavelength DRoF Link by Quasi-2-bit 256-QAM OFDM with Delta-sigma Modulation[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[2]Teng C, Tang X, Huang Y, et al. A high-stability all-optical nonlinear activator for optical computing[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[3]K. Liu et al., "Single-Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser via High-Order Transverse Mode Expansion," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 21, pp. 6735-6740, 1 Nov.1, 2023.
[4]Y. Zhang et al., "Optical Equalization in SiPM-Based Underwater Optical Communication System," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 22, pp. 6949-6956, 15 Nov.15, 2023.
[5]Gao C, Zhu Z, Li H, et al. A Fiber-Transmission-Assisted Fast Digital Self-Interference Cancellation for Overcoming Multipath Effect and Nonlinear Distortion[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[6]Yang X, Zhang Y, Hua Y, et al. 50-m/300-Mbps Underwater Wireless Optical Communication Using Incoherent Light Source[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
2023年11月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信、光学均衡、垂直腔面发射激光器、全光非线性激励器、水下光通信等，笔者将逐一评析。
1、光纤无线通信
日本东京国立通信技术研究所的Zu Kai Weng等研究人员设计了一种双波长数字RoF（DRoF）系统，系统链路中传输由Δ-∑调制的准2位256-QAM OFDM信号；如图1所示，发射机中采用了四电平调制方案和传统1、2位Δ-∑调制方案。其中，四电平调制方案采用了2位Δ-∑调制器，并配置1比特分离器将2位M进制QAM-OFDM数据分离成两个1位数据流；两个1位数据流被识别为最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB），并分别编码到不同的光载波上。研究人员在实验中采用400 MHz的 16-QAM、64-QAM和128-QAM OFDM信号作为测试信号，经过25km单模光纤传输后上述信号的最宽动态接收范围25.78、17.81和13.46 dB的（远高于传统方案测得的数值）；如果通过25km单模光纤传输准2位Δ-∑调制的256-QAM OFDM信号，仅有1.38dB的功率损失[1]。研究结果表明：该方案的应用兼具提升系统信号信噪比和抵抗光纤非线性负面影响的优势，这为 DRoF系统的未来应用提供了新型参考实施方案。
西安信息导航学院的Congrui Gao等人针对多径效应和非线性失真对传输信号的影响，在光载无线通信（RoF）系统中设计了辅助光纤传输信号的数字自干扰消除（DSIC）方案，如图2所示（其中，采用快速横向递归最小二乘（FTRLS）滤波器来克服多径效应影响）[2]。研究结果表明：当信号经过10km光纤传输后，在X频段和Ku频段的50 MHz带宽上能实现38dB和34dB的抵消深度值；在自干扰消除（SIC）后可成功恢复25Mbaud的16QAM标志信号（SOI）。此外，在信道估计过程中应用FTRLS后每次迭代仅需7N+14次乘法运算次数（定义滤波器阶数为N时）；当N=80时，相比较RLS、DNN、Volterra-RLS算法可节省86%以上的计算量。综上所述，该方案为提升RoF系统的收发信号性能和降低数字信号处理复杂度提供了借鉴参考。
2、光学均衡
浙江大学Yufan Zhang等研究人员针对硅光电倍增管（SiPM）的死区时间引起的非线性退化问题，设计了一种采用工程匀光片（ED）进行空间光均衡的方案。如图3所示，应用ED能产生均匀光斑，可防止SiPM中的部分像素饱和并使其工作在线性范围内[3]。研究结果证明：在死区时间为100ns接收光功率为-44dBm时，计数损失可以降至28.76%；在7m水箱实验中，研究人员采用含SiPM的水下光通信系统通过光均衡方法实现了70Mbps的数据传输速率，在前向纠错编码限制范围内的接收光功率值达到了-52dBm。综上所述，该光学均衡方法对降低SiPM死区时间引起的非线性影响提供了参考借鉴。
3、垂直腔面发射激光器
北京邮电大学的Kai Liu等研究人员设计了通过增加垂直腔面发射激光器（VCSEL）高阶模的水平扩展来实现单模VCSEL的制备。如图4所示，在传统氧化型VCSEL的顶部和底部的分布式布拉格反射器（DBR）中分别引入顶部腔和底部腔，让高阶模向氧化周边区域水平扩展，使得高阶模获得较小增益而基模保持较高增益以实现基模与高阶模的增益差异变大，最终制备单模VCSEL[2]。研究结果证明：该单模VCSEL可实现的边模抑制比大于40dB，阈值电流为0.5mA时最大输出功率为0.27mW；从远场图和P-I-V曲线图不难看出，该器件表现出单模激射性能。综上所述，上述方案为制备单模VCSEL提供了新的思路。
4、全光非线性激励器
电子科技大学的Caihong Teng等人采用光纤环形谐振器（FORR）设计了一种全光非线性激励器，使其在光信号强度较低情况下实现非线性激励。其中，FORR 由无源光学元件组成，可以直接与现有光芯片组合。如同5所示，研究人员通过实验测量了FORR在光学神经网络（ONN）中的非线性映射能力[4]。依据实施图像分类和超分辨率重建两个任务，证明了该器件的工作性能与常用的激励函数（Relu）的性能相当。上述研究为辅助全光神经网络的有效部署提供了参考借鉴。
5、水下光通信
浙江大学的Yang Xingqi等研究人员设计了使用非相干光源的50m/300Mbps水下无线光通信（UWOC）系统，如图6所示。研究人员为提高发射器的光功率设计了ED阵列，并利用光束整形透镜组以减小发散角和提升接收器的光功率密度，有效延长了信号传输距离。研究人员采用了两种接收方案来探测光信号，即分别采用多光电倍增管（PMT）的分集接收方案和PMT与光学天线相结合的高增益方案。由于LED和PMT存在带宽限制，研究人员引入T桥预均衡器来减轻高频衰减导致的符号间干扰（ISI），并采用Volterra非线性均衡器来进一步补偿ISI和非线性失真[6]。研究结果表明：该系统支持在50米距离上稳定传输300Mbps的数据；通过波束成形设计，该系统不仅可以实现与采用LD的UWOC系统相当的传输距离和数据速率，而且可显著放宽收发器对准要求。综上所述，该系统的设计将为未来应用UWOC系统提供借鉴参考。
参考文献
[1]Weng Z K, Dat P T, Kanno A, et al. Robust Dual-wavelength DRoF Link by Quasi-2-bit 256-QAM OFDM with Delta-sigma Modulation[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[2]Teng C, Tang X, Huang Y, et al. A high-stability all-optical nonlinear activator for optical computing[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[3]K. Liu et al., "Single-Mode Vertical Cavity Surface Emitting Laser via High-Order Transverse Mode Expansion," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 21, pp. 6735-6740, 1 Nov.1, 2023.
[4]Y. Zhang et al., "Optical Equalization in SiPM-Based Underwater Optical Communication System," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 22, pp. 6949-6956, 15 Nov.15, 2023.
[5]Gao C, Zhu Z, Li H, et al. A Fiber-Transmission-Assisted Fast Digital Self-Interference Cancellation for Overcoming Multipath Effect and Nonlinear Distortion[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[6]Yang X, Zhang Y, Hua Y, et al. 50-m/300-Mbps Underwater Wireless Optical Communication Using Incoherent Light Source[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
