2023年10月JLT光通信论文评析

11/20/2023，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10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光电振荡器、数据中心互连、室内无线光通信、光纤传感器、自由空间光通信、水下无线光通信等，笔者将逐一评析。

1、光电振荡器
华中科技大学Weilei Gou等研究人员设计了一种新型大时间带宽积（TBWP）相位编码线性调频（LFM）信号的光学产生方法；他们通过相位调制器（PM）对光载波进行相位调制，然后将相位编码信号发射到光电振荡器（OEO）环路中，利用傅里叶域锁模（FDML）技术成功产生了中心频率、带宽、编码方式和比特率都可灵活调节的LFM信号[1]，如图1所示。该方法的优势体现在：可直接在OEO腔内产生相位编码的LFM信号，不但可简化系统结构，而且能提升系统稳定性，因此它在现代光信号处理领域具有一定的应用潜力。



2、数据中心互连
面向数据中心互连，中山大学的Dongdong Zou等研究人员在收发端联合汤姆林森-哈拉希玛预编码（THP）和M-log-最大后验概率（M-log-MAP）译码器，设计了低复杂度的奈奎斯特（FTN）应用方案。如图2所示，在发送端，他们采用两抽头THP消除符号间干扰（ISI）和抑制均衡过程中的放大噪声；在接收端，M-log-MAP解码器被用于消除残余失真（不需要反馈信道即可准确获得发射端信道状态信息）[2]。研究结果证明：在采用32GHz矩形滤波器的70、75和80GBaud 的PAM4系统中，对应的FTN压缩系数分别为0.914、0.853和0.8；在2.4×10-4的KP4前向纠错编码阈值下，可成功在2km单模光纤上传输70GBaud的PAM4信号，与无误码传播判决反馈均衡过程相比，该方案提升了约0.7dB的接收机灵敏度。综上所述，该方案对带宽受限型数据中心互连提供了参考借鉴。


图2 （a）判决反馈均衡过程（b）汤姆林森-哈拉希玛预编码及相关信号处理过程

3、室无线光通信
澳大利亚墨尔本大学的Jianghao Li等研究人员设计了采用轨道角动量（OAM）模式的波束整形和概率整形方案，以应用于室内光无线通信系统来提升信号有效覆盖率，如图3所示。他们研究了采用霍夫曼编码（HC）和符号反转编码（SIC）概率整形方案生成的16/64QAM信号，并在基模和高阶OAM模式之间不同功率比的波束成形方案下分析了误码率[3]。研究结果表明，基模下16QAM信号的有效覆盖率可提升120%~130%；高阶OAM模式下，有效覆盖率可提升130%到140%。对于64QAM信号，在不同波束整形方案、不同模式功率比下，仅采用SIC的概率整形方案能略微提升信号有效覆盖率。因为上述方案的是通过数值模拟验证的，因此未来的研究有必要对上述方案进行实验验证。




4、光纤传感器
复旦大学的Yuchen Song等研究人员设计了采用线性Sagnac干涉仪光纤传感器的支路定位系统（通过解调外部干扰引起的相位差信号，使用时延估计和双波长零频率技术实现定位），如图4所示。研究人员采用超辐射发光二极管（SLD）作为光源，并应用掺铒光纤放大器（EDFA）调节输出光；使用3×3对称光纤耦合器（OC）将光波分成两束，一束通过时间延迟光纤和2×2对称光纤耦合器，一束直接通过光纤耦合器；然后采用一个波分复用器（WDM）将光束分成不同波长的光波光波光波，再通过另一个波分复用器将两束光合并，并输入相位调制器（MOD）；光束通过法拉第旋转镜（FRM）后按原始路径反射[4]。研究结果表明：该方案仅使用单传感器系统就能够监控主路径和分支路径，因此它为分布式光线传感器的分支定位应用提供了简单有效的解决方案。




5、自由空间光通信
北京交通大学的Mengyao Han等研究人员设计了一种新型长波红外（LWIR）自由空间光（FSO）传输系统，主要由直接调制量子级联激光器（DM-QCL）和碲镉汞（MCT）检测器组成，如图5所示。他们使用50GSa/s的任意波形发生器（AWG）将离线生成的数字信号转换到模拟域；他们在接收端使用集成了跨阻放大器（TIA）的商用MCT检测器，通过40GSa/s实时数字存储示波器（DSO）将电信号转换成数字信号，并使用匹配滤波器、时钟恢复、最大方差下采样、傅里叶变换过程处理接收信号[5]。研究结果表明：通过优化激光偏置电流和MCT检测器光电压，可实现6Gbaud OOK、3.5Gbaud PAM4、3Gbaud PAM6、2.5或2.7Gbaud PAM4信号低于6.25%的误码率阈值传输。综上所述，该方案为下一代FSO系统设计提供了一种潜在选择方案。



6、水下无线光通信
浙江大学Yuan  Wang等研究人员设计了一种新型高谱效率非正交离散多音（NODMT）调制的水下无线光通信（UWOC）系统，用于改善各器件带宽不足的问题；并提出将迭代混合算法（ID）和QR分解的球型解码算法（QRSD）相结合以降低计算复杂度，如图6所示。其中，实值NODMT信号由分数阶离散多音逆变换（IFrDMT）矩阵生成。他们通过插入循环前缀（CP）和前导码，并使用任意波形发生器（AWG）、电子放大器（EA）、可调衰减器（ATT）、T型偏置器将射频发射信号与直流（DC）叠加；并采用平凸透镜收集光束馈入雪崩光电二极管；使用数字串行分析仪（DSA）探测电信号，再进行数字信号处理（DSP）以恢复原始信号[6]。研究结果表明：采用ID-ORSD算法计算复杂度降低了50％，其中实值乘法数量下降了40％以上，且数据传输速率提高了24.44%。综上所述，该方案在UWOC和水下物联网领域展现出较大的应用价值。



参考文献
[1]W. Gou et al., "Generation of Phase-Coded LFM Signals Based on Fourier Domain Mode-Locked Optoelectronic Oscillator," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 19, pp. 6142-6148, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3282992.
[2]D. Zou et al., "Simplified THP and M-Log-MAP Decoder Based Faster Than Nyquist Signaling for Intra-Datacenter Interconnect," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 19, pp. 6300-6309, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3279463.
[3]J. Li, Q. Yang, X. Dai, C. Lim and A. Nirmalathas, "Joint Beam-and-Probabilistic Shaping Scheme Based on Orbital Angular Momentum Mode for Indoor Optical Wireless Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 20, pp. 6488-6495, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3287579.
[4]Y. Song, Y. Ma, X. Lai, B. Jia and Q. Xiao, "Fiber Optic Sensor Based on Linear Sagnac Interferometer for Branch Localization," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 20, pp. 6621-6630, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3287403.
[5]M. Han?et al., "High Spectral Efficiency Long-Wave Infrared Free-Space Optical Transmission With Multilevel Signals," in?Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 20, pp. 6514-6520, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3287934.
[6]Y. Wang et al., "Spectrally Efficient Non-Orthogonal Discrete Multi-Tone Transmission for Underwater Wireless Optical Communication With Low-Complexity High Performance ICI Mitigation," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 19, pp. 6288-6299, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3279700.