2023年10月PTL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，胡文光，杨林婕，柳海楠，李文臣，陈超，张颜鹭，岳京歌，靳清清。

2023年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：微波光子信号处理、激光器、PON系统、PS-PAM4调制、光时域传感器、调制器偏置控制等，笔者逐一评析。

1、微波光子信号处理
暨南大学光子技术研究所的Zeng Shengkang等研究人员设计了采用双偏振双驱动马赫-曾德尔调制器（DP-DDMZM）和偏振器进行微波信号光子聚合的新方案，并进行了实验验证，如图1所示[1]。他们通过控制DP-DDMZM和偏振器的相位和幅度，将四路具有相同载波频率的二进制相移键控（BPSK）微波信号聚合成16进制正交幅度调制（16QAM）光信号；并将聚合后的光信号经由光纤传输至相干接收器以解调恢复BPSK信号。研究结果表明：无光纤和采用8.9 km光纤传输时，16QAM信号的误差矢量幅度（EVM）分别为6.91%和9.21%，偏振分复用（PDM）技术的应用还可以同时使得传输容量翻倍。综上所述，与不进行聚合的4路BPSK信号单路传输相比，聚合后的16QAM光信号的收发具有复杂度低、频谱效率高的优点，在未来宽带信号传输领域具有潜在的应用价值。 



2、激光器
巴黎理工学院的Cui等研究人员研究了光反馈作用下工作于通信波段的混合等离子体分布式反馈（DFB）激光器的非线性特性，并设计了新型混合等离子体DFB激光器结构（由DFB激光器、光栅耦合器和表面等离子体极化激元（SPP）波导组成），如图2所示[2]。在实验中，研究人员通过测量强度噪声分析了松弛振荡频率。实验结果证明了与使用介电波导制成的标准半导体激光器相比，该激光器具有8dB的裕度；且验证了在光反馈作用下混合等离子体器件难以形成混沌态。研究结果表明：与标准量子阱DFB器件相比，等离子体器件具有更宽周期振荡窗口。综上所述，新型DFB激光器的结构特性将有利于其用于超高速数据光通信系统。



3、PON系统
上海交通大学的Jiang Wenqing等研究人员采用Volterra非线性均衡器（VNLE），设计了实时强度调制和直接检测（IM/DD）的PON系统，如图3所示；其中应传输的四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号由任意波形发生器（AWG）产生；传输后的光信号经光电转换后生成的电信号通过15GHz带宽的30GSa/s 模数转换器（ADC）和数字示波器（DSO）将模拟信号转换为数字信号。其中，分辨率6bit的数字信号由ADC采样得到，通过现场可编程门阵列（FPGA）夹层卡（FMC）传输到FPGA，并由千兆收发器接收。在预处理后，在FPGA中以每符号1个样本操作的VNLE来补偿信号[3]。研究结果表明：在30Gb/s速率O波段IM/DD PON系统中，实时ADC-FPGA接收机采用VNLE后总功耗下降了71.6%，功率预算仅下降了0.2dB；在均衡之后，随着VNLE阶数的增加，误码率（BER）逐渐降低。综上所述，该方案实验证明了PON系统中使用VNLE在提升信号接收质量和降低成本方面具有一定的潜在应用价值。



4、PS-PAM4调制
华侨大学的Yu Haiyun等研究人员设计了联合极性编码调制的概率整形（PS）方案，并采用强度调制和直接检测（IM/DD）四电平脉冲幅度调制（PAM4）系统进行了验证，如图4所示。该方案采用比特权重构（BWR）模式实现了PS过程，即采用两比特置换（BP）操作来重用冻结比特进行整形，可在既没有额外整形比特也没有额外FEC冗余的情况下，增强比特“0”的概率权重来获得所需的PS分布[4]。其中，具有3/4码率的30GBaud极性编码PS-PAM4信号由具备50GSa/s采样率、18GHz带宽的任意波形发生器（AWG）生成。研究人员采用实时示波器（OSC）对接收PS-PAM4信号进行数字信号处理（离线DSP处理）。实验结果表明：在含5km光纤链路的光互联系统中，使用该PS-PAM4信号，能提升接收机功率灵敏度1.7dB，并提升2.6dB的系统对光纤非线性效应的容忍度。综上所述，该方案具备数字信号处理复杂度低且能提升信号接收灵敏度的优点，因此它在光互连应用领域有一定的应用潜力。



5、光时域传感器
南京航空航天大学的Yuyang Zhang等研究人员设计了一种人工神经网络（ANN）的新型拟合方法（采用稀疏频率布里渊谱增强拟合网络（SF-BSEFN）），在布里渊光时域传感器（BOTDS）中直接从频率稀疏采样的布里渊增益谱（BGS）中提取布里渊频移（BFS），实验装置如图5所示。其中，使用SF-BSEFN 获得的拟合精度是使用传统 ANN 方法的1.6倍；当BGS的平均次数超过4000时，温度测量的不确定度为0.16℃，这与使用传统高分辨率的BGS-ANN获得的温度测量不确定度几乎相同，但该方法的数据采集速度是传统 BOTDS的20倍[5]。综上所述：通过采用稀疏频率采样策略，仅需要收集位于不同散射频率的少量时间轨迹，并使用大频率扫描步长，可显著提高BOTDS的测量速度；SF-BSEFN 合并了包含高分辨率BGS信息的数据增强层，还有助于避免拟合精度的下降。综上所述，该方案在光时域传感器应用领域有一定的参考价值。



6、调制器偏置控制
韩国延世大学的Hyun-Kyu Kim等研究人员采用现场可编程门阵列（FPGA）和驱动电路组成的控制器，自动调节硅基马赫曾德尔调制器（Si-MZM）的正交偏置所需的驱动电压，并防止温度和输入光功率波动，其结构如图6所示。在锁定模式期间，当监测到传输特性不是最佳时，通过改变偏置电压来维持正交偏置条件[6]。实验结果表明，该偏置控制器能使Si-MZM以更低的功耗实现高性能；虽然控制器是用FPGA设计的，但控制硬件制备简单，并以用定制的集成电路（IC）来实现，大大减小了尺寸和功耗，因此上述方案具有一定的潜在应用价值。



参考文献
[1]S. Zeng et al., "Photonic Aggregation of Microwave Signals With Electro-Optic Modulation and Polarization Combination," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1059-1062, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3297967.
[2]D. Cui, J. Chen, A. Bousseskou, H. Huang and F. Grillot, "Sustained Feedback-Induced Oscillations in a Hybrid Single Mode Semiconductor Plasmonic Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1090-1093, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3296962.
[3]W. Jiang, L. Huang, Y. Xu, Z. He, W. Hu and L. Yi, "Real-Time Deployment of Simplified Volterra Nonlinear Equalizer in High-Speed PON," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1067-1070, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3299300.
[4]H. Yu et al., "A Novel Probabilistic Shaping PAM4 Employing Bit Weight Reconstruction for Optical Interconnection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1123-1126, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3301970.
[5]Y. Zhang, Y. Lu and J. Peng, "Fast Brillouin Frequency Shift Retrieval by Sparse Frequency Enhanced Neural Network," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1102-1105, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3301556.
[6]H. -K. Kim, K. Kim, M. -H. Seong, Y. Ji and W. -Y. Choi, "A Bias Controller for Si Mach-Zehnder Modulator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1027-1030, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3297177.