2024年1月JLT光通信论文评析
发布时间：2024-02-29 16:35:45 热度：894
2/29/2024，光纤在线讯，光纤在线特约编辑，邵宇丰，王安蓉，李文臣，杨林婕，柳海楠，陈超，胡文光，张颜鹭，岳京歌，靳清清。
2024年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：垂直腔面发射激光器、水下无线光通信、生物传感器、长距离光传输、多通道线均衡器、盲偏振解复用算法等，笔者将逐一评析。
1、垂直腔面发射激光器
意大利都灵理工大学的Leonardo Minelli等研究人员通过在多模光纤（MMF）链路使用PAM4信号进行短距离数据中心内互连（DCI）的符合性测试，来研究利用非线性数字预失真器（DPD）优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光信号发射机（TX）的工作性能。他们采用了两种不同优化方法：1、直接学习架构（DLA）的优化；2、端到端（E2E）学习的优化，如图1所示[1]。在DLA优化方案中，研究人员设计了系统模型（涉及数字化光学背靠背（B2B）系统和峰峰值（P2P）归一化），并通过训练DPD对号进行编码以减轻传输失真影响；在E2E优化方案中，研究人员设计了TDECQ-based E2E系统模型（包括用于TDECQ测量的数字信号处理（DSP）模块、联合训练DPD和接收端解码器），以补偿信道失真，优化传输质量。研究结果证明：上述两种优化方法均克服了MMF链路中光信号失真的负面影响，在未来设计短距离应用的VCSEL提供了参考借鉴。
2、水下无线光通信
北京大学的Zeyad A. H. Qasem等研究人员设计了一种高效导频辅助调制技术（E-PA-DCO-OFDM)，以克服水下无线光通信面临的传输边带信息（SI）所需计算复杂度（CC）高和导致频谱效率（SE）降低的影响[2]。如图2所示，该方案通过传输低峰均功率比（PAPR）导频序列标记，而不是传输整个导频数据提升有效信息传输利用率；并将快速傅里叶逆变换（IFFT）中涉及的矩阵分解为两个低复杂度矩阵，以避免执行多路IFFT过程，一定程度上克服了低SE和高CC的影响。此外，在水下无线光通信（UWOC）环境中，与候选导频标记相关的调制信号可以多次传输，以保证接收端正确检测。研究结果证明，在2米深的水箱中，与传统导频辅助调制技术相比，采用E-PA-DCO-OFDM技术降低了52.4%的CC；如果传输相同大小的数据块，SE则可节省32.55%。综上所述，该方案为未来UWOC系统的应用提供了参考借鉴。
3、生物传感器
东北大学的Hongrui Zhang等研究人员设计了一种用于快速检测血红蛋白（Hb）的流体激光（FOFL）生物传感器[3]。如图3所示，该器件集成了回音壁模式（WGM）光学微腔和壁厚仅为几微米的薄壁空心光纤（HOF）（利用HOF作为WGM微腔和微流体通道，以有机染料作为增益介质）。由于染料-蛋白复合物会引起染料荧光猝灭，研究人员通过FOFL放大猝灭效应对Hb进行秒级快速检测。研究结果表明：在秒级时间内获得了0.7nM的检测限（LOD）和三个数量级的动态范围；与荧光检测方式相比，该器件具备样品用量少、均质免水洗、工作流程简单和可重复利用等优点。综上所述，上述研究方案可能为血液中Hb的检测提供一种新方法，并有潜力应用于一些相关疾病的诊断过程。
4、长距离光传输
北京邮电大学的Hao Gao等研究人员比较研究了长距离射频（RF）传输中单跨传输、信号中继和级联传输三种中继方法，如图4所示；并对比以上方案中信号的频率不稳定性影响[4]（主要围绕如何在长距离光纤传输中实现高精度频率同步进行研究）。研究人员在3009.8km长距离的光纤链路中进行了概念验证实验，结合相位共轭和锁相环（PLL）进行了长距离频率传输实验。研究结果证明：级联连接方法具有最佳传输性能，对于相位稳定的RF信号其频率不稳定性在1秒内为8.8×10-14，在10,000秒内为8.4×10-17。上述研究方案一定程度上解决了长距离光信号传输中的频率同步问题，并证明了级联连接是最佳选择，这将对光纤通信系统中超长距离原子钟的校准具有重要意义。
5、多通道线均衡器
瑞典查尔姆斯理工大学的Zonglong He等研究人员分析了应用光学频率梳驱长距离光通信系统中的联合多通道线性均衡影响，并设计了一种多通道均衡器[5]，如图5所示；分别在80、400、800和1200 km光纤链路上进行了传输实验，分析了放大器自发辐射（ASE）噪声对信道间干扰（ICI）均衡的影响。研究结果证明：当光信噪比（OSNR）降低时，多通道均衡器（MCE）的工作性能会显著下降（尤其在应用高阶调制信号时）；相邻波长信道的ASE噪声可能耦合到信号中，将进一步降低多通道均衡的工作性能；对于64进制正交幅度调制（64-QAM）信号，在80km和800km传输后通过联合处理，可实现信息速率（AIR）分别提升至0.32和0.18bit/s/Hz，在传输1200km后，提升效果不明显；与单通道均衡方式相比，通过使用优化抽头数的多通道均衡器，16-QAM和64-QAM信号在传输800km后实现了0.1bit/s/Hz的AIR提升；在不同符号速率下测得的AIR趋势可作为OSNR的函数，不仅可分析传输ASE噪声，还可用于分析其他噪声，如收发器中的电噪声和光噪声。上述研究方案对于未来设计长距离多通道光通信系统有一定的参考借鉴价值。
6、盲偏振解复用算法
荷兰代尔夫特理工大学的Vinod Bajaj等研究人员设计了一种适应于有中等偏振模色散（PMD）效应的频域（FD）联合对角化（JD）概率感知多模（pr-MMA）分析算法[6]，如图6所示。他们以无记忆常模算法（CMA）初始化MMA为基准，采用FDJD-pr-MMA和联合对角化概率感知多模（JD-pr-MMA）算法在一阶PMD通道上对正交幅度调制（PCS-QAM）信号的星座图概率整形过程进行分析。研究结果证明：在符号持续时间（Tsymb）达10%的差分群延迟（DGD）和18dB SNR/pol下，可成功解复用PCS信号；但无法适应于CMA-MMA。在差分群延迟（DGD）高达Tsymb 40%的PMD通道上，FDJD-pr-MMA对于中等PMD效应影响具有鲁棒性，并且FDJD-pr-MMA算法成功地将DGD的PMD通道均衡至Tsymb 20%。上述研究方案对于未来光通信系统中改善偏振复用带来的负面影响有一定的参考借鉴价值。
参考文献
[1]Minelli L, Forghieri F, Shao T, et al. TDECQ-Based Optimization of Nonlinear Digital Pre-Distorters for VCSEL-MMF Optical Links Using End-to-End Learning[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(2): 621-635.
[2]Qasem Z A H, Ali A, Deng B, et al. Spectral and Energy Efficient Pilot-Assisted PAPR Reduction Technique for Underwater Wireless Optical Communication Systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[3]Zhang H, Han B, Li X, et al. An optical fiber optofluidic laser biosensor for rapid hemoglobin detection using organic dye[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[4]Gao H, Jiang T, Li J, et al. Comparison of relay methods for long-distance radio frequency transmission[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[5]He Z, Vijayan K, Mirani A, et al. Inter-Channel Interference Cancellation for Long-Haul Superchannel System[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[6]Bajaj V, Van de Plas R, Wahls S. Blind Polarization Demultiplexing of Shaped QAM Signals Assisted by Temporal Correlations[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
2024年1月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：垂直腔面发射激光器、水下无线光通信、生物传感器、长距离光传输、多通道线均衡器、盲偏振解复用算法等，笔者将逐一评析。
1、垂直腔面发射激光器
意大利都灵理工大学的Leonardo Minelli等研究人员通过在多模光纤（MMF）链路使用PAM4信号进行短距离数据中心内互连（DCI）的符合性测试，来研究利用非线性数字预失真器（DPD）优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光信号发射机（TX）的工作性能。他们采用了两种不同优化方法：1、直接学习架构（DLA）的优化；2、端到端（E2E）学习的优化，如图1所示[1]。在DLA优化方案中，研究人员设计了系统模型（涉及数字化光学背靠背（B2B）系统和峰峰值（P2P）归一化），并通过训练DPD对号进行编码以减轻传输失真影响；在E2E优化方案中，研究人员设计了TDECQ-based E2E系统模型（包括用于TDECQ测量的数字信号处理（DSP）模块、联合训练DPD和接收端解码器），以补偿信道失真，优化传输质量。研究结果证明：上述两种优化方法均克服了MMF链路中光信号失真的负面影响，在未来设计短距离应用的VCSEL提供了参考借鉴。
2、水下无线光通信
北京大学的Zeyad A. H. Qasem等研究人员设计了一种高效导频辅助调制技术（E-PA-DCO-OFDM)，以克服水下无线光通信面临的传输边带信息（SI）所需计算复杂度（CC）高和导致频谱效率（SE）降低的影响[2]。如图2所示，该方案通过传输低峰均功率比（PAPR）导频序列标记，而不是传输整个导频数据提升有效信息传输利用率；并将快速傅里叶逆变换（IFFT）中涉及的矩阵分解为两个低复杂度矩阵，以避免执行多路IFFT过程，一定程度上克服了低SE和高CC的影响。此外，在水下无线光通信（UWOC）环境中，与候选导频标记相关的调制信号可以多次传输，以保证接收端正确检测。研究结果证明，在2米深的水箱中，与传统导频辅助调制技术相比，采用E-PA-DCO-OFDM技术降低了52.4%的CC；如果传输相同大小的数据块，SE则可节省32.55%。综上所述，该方案为未来UWOC系统的应用提供了参考借鉴。
3、生物传感器
东北大学的Hongrui Zhang等研究人员设计了一种用于快速检测血红蛋白（Hb）的流体激光（FOFL）生物传感器[3]。如图3所示，该器件集成了回音壁模式（WGM）光学微腔和壁厚仅为几微米的薄壁空心光纤（HOF）（利用HOF作为WGM微腔和微流体通道，以有机染料作为增益介质）。由于染料-蛋白复合物会引起染料荧光猝灭，研究人员通过FOFL放大猝灭效应对Hb进行秒级快速检测。研究结果表明：在秒级时间内获得了0.7nM的检测限（LOD）和三个数量级的动态范围；与荧光检测方式相比，该器件具备样品用量少、均质免水洗、工作流程简单和可重复利用等优点。综上所述，上述研究方案可能为血液中Hb的检测提供一种新方法，并有潜力应用于一些相关疾病的诊断过程。
4、长距离光传输
北京邮电大学的Hao Gao等研究人员比较研究了长距离射频（RF）传输中单跨传输、信号中继和级联传输三种中继方法，如图4所示；并对比以上方案中信号的频率不稳定性影响[4]（主要围绕如何在长距离光纤传输中实现高精度频率同步进行研究）。研究人员在3009.8km长距离的光纤链路中进行了概念验证实验，结合相位共轭和锁相环（PLL）进行了长距离频率传输实验。研究结果证明：级联连接方法具有最佳传输性能，对于相位稳定的RF信号其频率不稳定性在1秒内为8.8×10-14，在10,000秒内为8.4×10-17。上述研究方案一定程度上解决了长距离光信号传输中的频率同步问题，并证明了级联连接是最佳选择，这将对光纤通信系统中超长距离原子钟的校准具有重要意义。
5、多通道线均衡器
瑞典查尔姆斯理工大学的Zonglong He等研究人员分析了应用光学频率梳驱长距离光通信系统中的联合多通道线性均衡影响，并设计了一种多通道均衡器[5]，如图5所示；分别在80、400、800和1200 km光纤链路上进行了传输实验，分析了放大器自发辐射（ASE）噪声对信道间干扰（ICI）均衡的影响。研究结果证明：当光信噪比（OSNR）降低时，多通道均衡器（MCE）的工作性能会显著下降（尤其在应用高阶调制信号时）；相邻波长信道的ASE噪声可能耦合到信号中，将进一步降低多通道均衡的工作性能；对于64进制正交幅度调制（64-QAM）信号，在80km和800km传输后通过联合处理，可实现信息速率（AIR）分别提升至0.32和0.18bit/s/Hz，在传输1200km后，提升效果不明显；与单通道均衡方式相比，通过使用优化抽头数的多通道均衡器，16-QAM和64-QAM信号在传输800km后实现了0.1bit/s/Hz的AIR提升；在不同符号速率下测得的AIR趋势可作为OSNR的函数，不仅可分析传输ASE噪声，还可用于分析其他噪声，如收发器中的电噪声和光噪声。上述研究方案对于未来设计长距离多通道光通信系统有一定的参考借鉴价值。
6、盲偏振解复用算法
荷兰代尔夫特理工大学的Vinod Bajaj等研究人员设计了一种适应于有中等偏振模色散（PMD）效应的频域（FD）联合对角化（JD）概率感知多模（pr-MMA）分析算法[6]，如图6所示。他们以无记忆常模算法（CMA）初始化MMA为基准，采用FDJD-pr-MMA和联合对角化概率感知多模（JD-pr-MMA）算法在一阶PMD通道上对正交幅度调制（PCS-QAM）信号的星座图概率整形过程进行分析。研究结果证明：在符号持续时间（Tsymb）达10%的差分群延迟（DGD）和18dB SNR/pol下，可成功解复用PCS信号；但无法适应于CMA-MMA。在差分群延迟（DGD）高达Tsymb 40%的PMD通道上，FDJD-pr-MMA对于中等PMD效应影响具有鲁棒性，并且FDJD-pr-MMA算法成功地将DGD的PMD通道均衡至Tsymb 20%。上述研究方案对于未来光通信系统中改善偏振复用带来的负面影响有一定的参考借鉴价值。
参考文献
[1]Minelli L, Forghieri F, Shao T, et al. TDECQ-Based Optimization of Nonlinear Digital Pre-Distorters for VCSEL-MMF Optical Links Using End-to-End Learning[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024, 42(2): 621-635.
[2]Qasem Z A H, Ali A, Deng B, et al. Spectral and Energy Efficient Pilot-Assisted PAPR Reduction Technique for Underwater Wireless Optical Communication Systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[3]Zhang H, Han B, Li X, et al. An optical fiber optofluidic laser biosensor for rapid hemoglobin detection using organic dye[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[4]Gao H, Jiang T, Li J, et al. Comparison of relay methods for long-distance radio frequency transmission[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[5]He Z, Vijayan K, Mirani A, et al. Inter-Channel Interference Cancellation for Long-Haul Superchannel System[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[6]Bajaj V, Van de Plas R, Wahls S. Blind Polarization Demultiplexing of Shaped QAM Signals Assisted by Temporal Correlations[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
