2022年3月JLT光通信论文评析

4/14/2022，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，杨骐铭，伊林芳，田青，于妮，袁杰，左仁杰，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡。

2022年3月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空间光通信，相干接收机，可见光通信，多芯光纤，太赫兹光通信系统以及微波光子陷波滤波器等。笔者将逐一评析。

1.自由空间光通信
日本东洋电机株式会社的Abdelmoula Bekkali等研究人员设计了一种全双工自由空间光通信（FSO）收发器，如图1所示。该器件采用三轴音圈马达（VCMs）驱动器来控制透镜移动以保证FSO系统中动态光束的稳定。研究人员利用测得的接收光功率和四象限光电探测器（QPD）中的传感数据，研究了VCM驱动器之间的智能协调算法；并通过上述算法对镜头3D位置进行了优化调整以提升光纤耦合效率[1]。研究人员在200米自由空间链路中对该器件进行了实验研究，结果表明：使用该收发器可支持10GbE局域网和10信道公共无线电接口（LTE-CPRI）中标准信号的无差错传输；在晴天条件下持续24小时信号传输时，误码率低至3×10-10。不难发现，该类收发器将是未来FSO系统中支持宽带数据传输的备选器件。



2.相干接收机
美国诺基亚贝尔实验室的Son Thai Le等研究人员设计了一种新型相干接收机，如图2所示。该方案采用了单端相干接收机（SER），并将平衡光电探测器（PDs）替换为单端PDs以降低因平方律检波而产生的信号间拍频干扰（SSBI）。研究人员还通过引入直接场重构（DFR）、剪切迭代SSBI抵消（CIC）和梯度下降（GD）技术来进一步降低SSBI影响。此外，他们还提出一种SERs自校准技术，用于表征传统平衡相干接收机（BR）的光电（O/E）响应[2]。研究人员在含100KM单模光纤链路的系统进行了实验研究，结果表明：使用上述接收机传输90GBaud概率星座整形64阶正交幅度调制（PCS-64QAM）信号， 净数据传输速率可达882Gbit/s；与传统平衡相干接收方式相比接收机灵敏度损失更低。综上所述，该类器件将在未来高速相干光通信系统中具有一定的潜在应用价值。



3.可见光通信
美国加州SLD激光有限公司的Changmin Lee等研究人员设计了一种高速可见光（LiFi）通信系统，如图3所示。该系统集成在表面贴装设备（SMD）的封装平台上，采用超高亮度激光源提供450流明的白光输出（亮度为1000cd/mm2），并应用含蓝光和红外（IR）双波长的激光二极管。研究人员在3m长信道中对该系统进行了实验研究，结果表明：使用单个SMD中的蓝光和红外激光器可实现大于25Gbit/s的高速信息传输；研究人员基于侧发射光纤设计的双波长SMD光源支持高达2.8Gbit/s速率的信息传输[3]。毫无疑问，该方案证明了兼顾装饰性照明和宽带高质量可见光通信融合应用的可能性。



4.多芯光纤
日本情报通信研究机构的Benjamin J. Puttnam等研究人员对S、C和L波段光信号在四芯光纤中的循环传输进行了分析研究，如图4所示。他们将掺铥和掺铒光纤放大与分布式拉曼放大方式相结合，并使用包层直径为125um（与标准单模光纤相同）的多芯光纤（MCF）（其中单纤芯含552路波长（间隔为25GHz），可覆盖120nm以上的带宽）。研究人员采用了不同调制方式对系统中光信号的传输性能进行了研究，结果表明，24.5GBaud偏分复用16阶正交幅度调制（PDM-16QAM）信号经3001km距离长传输后，经广义互信息（GMI）估计后数据速率为342Tbit/s，经低密度奇偶校验（LDPC）译码后测算信息吞吐量为319Tbit/s；当传输距离为8027 km时，24.5GBaud PDM-QPSK调制信号的传输速率为83.7Gbit/s[4]。综上所述，通过采用多种放大方式结合的方式能进一步提升三种不同波段内宽带信号的吞吐量和光纤链路传输距离；且MCF技术可在增加系统传输容量的同时，实现空分复用（SDM）系统的资源共享和集成。



5.太赫兹光通信系统
瑞士苏黎世联邦理工学院的Yannik Horst等研究人员针对高速信号在太赫兹光通信系统中的传输性能进行了研究，其系统结构如图5所示。他们通过单行载流子光电二极管（UTC-PD）实现了信号从光域到太赫兹域的转换（即采用等离子体调制器将太赫兹信号映射到光载波上）。研究结果表明，当自由空间信道长度为5m（级联发射端6km和接收端4km的传输光纤）时，可实现200.25Gbit/s的数据传输速率；当自由空间信道增加到115m时，可实现114.9Gbit/s的数据传输速率；以上测试结果都是在无任何电信号域放大装置的情形下完成的。当自由空间信道为115m且采用THz放大器时，可实现164.4Gbit/s的数据传输速率[5]。综上所述，基于等离子体调制器实现的该方案为未来透明大容量光纤无线通信系统的应用提供了新思路。



6.微波光子陷波滤波器
澳大利亚悉尼大学的Matthew Garrett等研究人员设计了一种微波光子（MWP）陷波滤波器（具有三个独立的频点可在20GHz范围内调谐），如图6所示。该方案通过级联多个氮化硅（Si3N4）微环谐振器（MRRs）实现相位反转，利用三硫化砷（As2S3）光子芯片上的布里渊散射效应使得射频（RF）信号陷波深度增加；该滤波器可实现的关键技术参数包括：8dB的低通频带损耗、峰值陷波深度大于40 dB、频谱分辨率为500 MHz。研究人员使用该滤波器在RF域进行了滤波模拟实验，研究结果表明，在相干通信接收系统射频下变频过程中，使用该器件后接收信号星座的误差矢量幅度（EVM）从59.8%大幅降低至14.9%[6]。综上所述，该滤波器设计方案有望在宽带射频系统中起到提升接收信号性能的作用。



参考文献：
[1] A. Bekkali, H. Fujita, and M. Hattori, “New Generation Free-Space Optical Communication Systems with Advanced Optical Beam Stabilizer,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1509–1518, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3146252.
[2] S. T. Le, V. Aref, and J. Cho, “Single-ended coherent receiver,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1382–1399, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3127347.
[3] C. Lee et al., “26 Gbit/s LiFi system with laser-based white light transmitter,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 5, pp. 1432–1439, 2022, doi: 10.1109/JLT.2021.3124942.
[4] B. J. Puttnam, R. S. Luis, G. Rademacher, Y. Awaji, and H. Furukawa, “High-Throughput and Long-Distance Transmission With >120 nm S-, C- and L-Band Signal in a 125μm 4-Core Fiber,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1633–1639, 2021, doi: 10.1109/jlt.2021.3128725.
[5] Y. Horst et al., “Transparent Optical-THz-Optical Link at 240/192 Gbit/s over 5/115 m Enabled by Plasmonics,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1690–1697, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3148534.
[6] M. Garrett et al., “Multi-Band and Frequency-Agile Chip-based RF Photonic Filter for Ultra-deep Interference Rejection,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 6, pp. 1672–1680, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3129509.