2023年12月JLT光通信论文评析
发布时间：2024-01-30 09:42:30 热度：637
1/30/2024，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。
2023年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无线光通信、光栅滤波器、PoF信号监测、毫米波生成、数字解调器、数字后处理线性方法等，笔者将逐一评析。
1、无线光通信
荷兰埃因霍芬理工大学的Yuchen Song等研究人员通过将光电二极管（PD）阵列和微透镜阵列集成在单个玻璃转接板上，设计了一种紧凑型、低成本的无线光通信（OWC）接收器[1]，如图1所示。该结构使用单个玻璃转接板来避免菲涅尔反射，并将微透镜的球面朝向激光束，使其能以较小的曲率半径避免球面全内反射。为了实现高信息吞吐量，接收器采用比开关键控更先进的离散多音频（DMT）调制格式配合PD阵列接收器和跨阻放大器来完成信息收发过程。研究结果证明：光刻胶微透镜的收集效率能提升至26.6dB；实现1Gbps无误码数据传输的收发端失调误差容限能从±1.1mm扩大到±1.5mm；使用光刻胶微透镜配合150m孔径的光电二极管后接收器的视场角保持在±18°，支持低至-0.5dBm的传输功率实现10Gbps信号的无误码传输。综上所述，该方案为低成本、高速率室内OWC接收机的设计和研制提供了一种参考借鉴方案。
2、光栅滤波器
上海大学Fenglong Liang等研究人员利用绝缘体上硅（SOI）作为光波导平台设计了一种应用绝热定向耦合器（ADC）的亚波长多模波导布拉格光栅（SMWG）滤波器[2]。他们在该器件引入了两种不同宽度的亚波长波纹，采用互补横向错位调制（CLMM）对两侧两个亚波长波纹进行横向平移，实现了旁瓣抑制型高斯切趾从而获得较窄带宽（如图2所示），并在制备过程中降低了对加工精度的要求。研究结果表明：研究人员在CLMM和ADC辅助构建的SMWG器件上实现了0.51nm带宽和16.6dB的旁瓣抑制比；在1530~1565nm工作波长范围内观察到一个滤波带，说明该滤波器通过多模耦合在C波段工作波长范围内实现了不受限制的自由光谱滤波范围。综上所述，上述方案为未来硅基光子集成窄带滤波器的设计和制备提供了一种可行参考方案。
3、PoF信号监测
西班牙卡洛斯三世大学的Rubén Altuna等研究人员采用多芯光纤（MCF）针对芯间串扰（XT）现象设计了空分复用（SDM）系统中的光纤传能（PoF）信号监测技术[3]，其原理如图3所示（展示了使用三芯光纤的监测过程）。其中，核心1用于传输高功率能量信号，核心2传输通信信号；XT信号由核心1中的高功率信号产生，并在核心2末端经波分复用器（WDM）与通信信号分离后通过核心3回传检测。图3的下半部分显示了在无统计滤波算法（左侧）和采用统计滤波算法（右侧）的情况下，针对不同高功率激光器（HPL）的发射功率，XT演化对检测功率的影响。研究人员成功在250m七芯光纤中演示了该技术；其中，中心局（CO）生成的三路复用5G 新无线（NR）光信号以及131mW的PoF信号由七芯光纤传输至远程无线电头端（RRH）。研究结果表明：监测信道能准确跟踪注入MCF的光功率及RRH的接收光功率；该监测技术的应用为未来空分复用型光纤传能技术提供了参考思路。
4、毫米波生成
西班牙瓦伦西亚大学的M.Botella-Campos等研究人员设计了采用直接调制激光器（DML）的光学相位调制（PM）型毫米波信号生成方案[4]，如图4所示。其中，中心局基带单元（CO-BBU）生成的信号通过DML进行强度调制（IM），再经PM后被发送到光带阻塞滤波器（OBRF）以抑制光载波的产生；经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后的信号经光带通滤波器（OBPF）实现光学滤波；光信号经单模光纤链路传输到远程无线电头端（RRH）后，通过光电探测器（PD）将光信号转换为电信号，并使用可变光衰减器（VOA）控制接收到的光功率。研究结果表明：该方案可实现光损耗补偿并降低自发辐射噪声的影响，在系统配置方面具有较高的灵活性和可扩展性，适用于5G及下一代无线网络中的光纤无线接入和毫米波通信的应用。
5、数字解调器
西南交通大学的Yue Zhu等研究人员设计了应用傅立叶神经网络（FTnet）的新型数字解调器，用于构建正交幅度调制（QAM）的光纤无线（RoF）传输系统。其中，FTnet将Transformer编码器与傅里叶计算过程相结合，以学习信号波形并从受损接收信号中恢复比特信息流[5]，如图5所示。研究结果表明，在16QAM和64QAM RoF传输系统中，该解调器在7%FEC限制（BER=3.8×10-3）条件下可实现约-12.1dBm和-6dBm的接收机灵敏度；采用FTnet数字解调器优于不带均衡器的传统数字解调器（TDD）、带有最小均方误差均衡器（TDD-LMS）的传统数字解调器和全连接神经网络（FCNN）数字解调器，接收机灵敏度分别提高了约6.9dB、1dB和1dB；在3.8×10-3 BER限制下，与TDD-LMS相比，该解调器在6-QAM RoF系统中接收机灵敏度提高了3dB。因为该类新型数字解调器在不同接收光功率和无线距离下的信号接收性能优于采用其他类型解调器，因此理论上它还可以扩展到其他通信领域以完成相关数字解调任务。
6、数字后处理线性方法
上海交通大学的Min Ding等研究人员设计了用于光学采样链路的端到端数字后处理线性化方法；其中包含了全链路线性化的调制器和光电探测器（PD），消除了光学采样链路工作带宽中的相关非线性分量[6]。结合光学采样链路的特点，将光电探测光脉冲的复杂记忆畸变转化为无记忆畸变，简化了测量、建模和后处理过程。与传统相位编码光学采样链路相比，该设计硬件结构简单（如图6所示）；通过追踪和拟合过程，可分别建立调制器和PD的精确校正函数，在数字域实现线性化采样结果。为研究非线性效应，研究人员将PD置于饱和区工作，并将调制指数为0.5的单音信号应用于正交偏置马赫-曾德尔调制器中，使谐波被有效抑制22.8dB至59.7dB。在带宽受限的接收情况下，非线性条件保持不变，64QAM信号的误差矢量幅度（EVM）从15.23%提升到1.79%。由于工作带宽内进行了全链路非线性校正，一定程度上克服了功率限制影响，因此该方案有望在未来构建可靠数字化后端的基础上缓解射频前端的设计要求。
参考文献
[1]Song?Y,?Wolny?M,?Li?C,?et?al.?Compact?OWC?Receiver:?Micro-Lens?and?PD?Array?on?Glass?Interposer[J].?Journal?of?Lightwave?Technology,?2023.
[2]Liang F, Zheng S, Zhao X, et al. Narrow-band apodized Bragg grating filters based on SOI platform[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023, 41(24): 7418-7423.
[3]Altuna R, López-Cardona J D, Vázquez C. Monitoring of Power Over Fiber Signals Using Intercore Crosstalk in ARoF 5G NR Transmission[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[4]Botella-Campos M, Mora J, Ortega B. On the Use of a Directly Modulated Laser in a Phase Modulated-Assisted mmW Signal Generation and Transmission Link[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[5]Zhu Y, Ye J, Yan L, et al. A Data-driven Digital Demodulator based on Deep Learning for Radio over Fiber Transmission System[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[6]Ding M, Chen X, Jin Z, et al. An end-to-end digital postprocessing linearization method for optical sampling link[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
2023年12月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无线光通信、光栅滤波器、PoF信号监测、毫米波生成、数字解调器、数字后处理线性方法等，笔者将逐一评析。
1、无线光通信
荷兰埃因霍芬理工大学的Yuchen Song等研究人员通过将光电二极管（PD）阵列和微透镜阵列集成在单个玻璃转接板上，设计了一种紧凑型、低成本的无线光通信（OWC）接收器[1]，如图1所示。该结构使用单个玻璃转接板来避免菲涅尔反射，并将微透镜的球面朝向激光束，使其能以较小的曲率半径避免球面全内反射。为了实现高信息吞吐量，接收器采用比开关键控更先进的离散多音频（DMT）调制格式配合PD阵列接收器和跨阻放大器来完成信息收发过程。研究结果证明：光刻胶微透镜的收集效率能提升至26.6dB；实现1Gbps无误码数据传输的收发端失调误差容限能从±1.1mm扩大到±1.5mm；使用光刻胶微透镜配合150m孔径的光电二极管后接收器的视场角保持在±18°，支持低至-0.5dBm的传输功率实现10Gbps信号的无误码传输。综上所述，该方案为低成本、高速率室内OWC接收机的设计和研制提供了一种参考借鉴方案。
2、光栅滤波器
上海大学Fenglong Liang等研究人员利用绝缘体上硅（SOI）作为光波导平台设计了一种应用绝热定向耦合器（ADC）的亚波长多模波导布拉格光栅（SMWG）滤波器[2]。他们在该器件引入了两种不同宽度的亚波长波纹，采用互补横向错位调制（CLMM）对两侧两个亚波长波纹进行横向平移，实现了旁瓣抑制型高斯切趾从而获得较窄带宽（如图2所示），并在制备过程中降低了对加工精度的要求。研究结果表明：研究人员在CLMM和ADC辅助构建的SMWG器件上实现了0.51nm带宽和16.6dB的旁瓣抑制比；在1530~1565nm工作波长范围内观察到一个滤波带，说明该滤波器通过多模耦合在C波段工作波长范围内实现了不受限制的自由光谱滤波范围。综上所述，上述方案为未来硅基光子集成窄带滤波器的设计和制备提供了一种可行参考方案。
3、PoF信号监测
西班牙卡洛斯三世大学的Rubén Altuna等研究人员采用多芯光纤（MCF）针对芯间串扰（XT）现象设计了空分复用（SDM）系统中的光纤传能（PoF）信号监测技术[3]，其原理如图3所示（展示了使用三芯光纤的监测过程）。其中，核心1用于传输高功率能量信号，核心2传输通信信号；XT信号由核心1中的高功率信号产生，并在核心2末端经波分复用器（WDM）与通信信号分离后通过核心3回传检测。图3的下半部分显示了在无统计滤波算法（左侧）和采用统计滤波算法（右侧）的情况下，针对不同高功率激光器（HPL）的发射功率，XT演化对检测功率的影响。研究人员成功在250m七芯光纤中演示了该技术；其中，中心局（CO）生成的三路复用5G 新无线（NR）光信号以及131mW的PoF信号由七芯光纤传输至远程无线电头端（RRH）。研究结果表明：监测信道能准确跟踪注入MCF的光功率及RRH的接收光功率；该监测技术的应用为未来空分复用型光纤传能技术提供了参考思路。
4、毫米波生成
西班牙瓦伦西亚大学的M.Botella-Campos等研究人员设计了采用直接调制激光器（DML）的光学相位调制（PM）型毫米波信号生成方案[4]，如图4所示。其中，中心局基带单元（CO-BBU）生成的信号通过DML进行强度调制（IM），再经PM后被发送到光带阻塞滤波器（OBRF）以抑制光载波的产生；经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后的信号经光带通滤波器（OBPF）实现光学滤波；光信号经单模光纤链路传输到远程无线电头端（RRH）后，通过光电探测器（PD）将光信号转换为电信号，并使用可变光衰减器（VOA）控制接收到的光功率。研究结果表明：该方案可实现光损耗补偿并降低自发辐射噪声的影响，在系统配置方面具有较高的灵活性和可扩展性，适用于5G及下一代无线网络中的光纤无线接入和毫米波通信的应用。
5、数字解调器
西南交通大学的Yue Zhu等研究人员设计了应用傅立叶神经网络（FTnet）的新型数字解调器，用于构建正交幅度调制（QAM）的光纤无线（RoF）传输系统。其中，FTnet将Transformer编码器与傅里叶计算过程相结合，以学习信号波形并从受损接收信号中恢复比特信息流[5]，如图5所示。研究结果表明，在16QAM和64QAM RoF传输系统中，该解调器在7%FEC限制（BER=3.8×10-3）条件下可实现约-12.1dBm和-6dBm的接收机灵敏度；采用FTnet数字解调器优于不带均衡器的传统数字解调器（TDD）、带有最小均方误差均衡器（TDD-LMS）的传统数字解调器和全连接神经网络（FCNN）数字解调器，接收机灵敏度分别提高了约6.9dB、1dB和1dB；在3.8×10-3 BER限制下，与TDD-LMS相比，该解调器在6-QAM RoF系统中接收机灵敏度提高了3dB。因为该类新型数字解调器在不同接收光功率和无线距离下的信号接收性能优于采用其他类型解调器，因此理论上它还可以扩展到其他通信领域以完成相关数字解调任务。
6、数字后处理线性方法
上海交通大学的Min Ding等研究人员设计了用于光学采样链路的端到端数字后处理线性化方法；其中包含了全链路线性化的调制器和光电探测器（PD），消除了光学采样链路工作带宽中的相关非线性分量[6]。结合光学采样链路的特点，将光电探测光脉冲的复杂记忆畸变转化为无记忆畸变，简化了测量、建模和后处理过程。与传统相位编码光学采样链路相比，该设计硬件结构简单（如图6所示）；通过追踪和拟合过程，可分别建立调制器和PD的精确校正函数，在数字域实现线性化采样结果。为研究非线性效应，研究人员将PD置于饱和区工作，并将调制指数为0.5的单音信号应用于正交偏置马赫-曾德尔调制器中，使谐波被有效抑制22.8dB至59.7dB。在带宽受限的接收情况下，非线性条件保持不变，64QAM信号的误差矢量幅度（EVM）从15.23%提升到1.79%。由于工作带宽内进行了全链路非线性校正，一定程度上克服了功率限制影响，因此该方案有望在未来构建可靠数字化后端的基础上缓解射频前端的设计要求。
参考文献
[1]Song?Y,?Wolny?M,?Li?C,?et?al.?Compact?OWC?Receiver:?Micro-Lens?and?PD?Array?on?Glass?Interposer[J].?Journal?of?Lightwave?Technology,?2023.
[2]Liang F, Zheng S, Zhao X, et al. Narrow-band apodized Bragg grating filters based on SOI platform[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023, 41(24): 7418-7423.
[3]Altuna R, López-Cardona J D, Vázquez C. Monitoring of Power Over Fiber Signals Using Intercore Crosstalk in ARoF 5G NR Transmission[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[4]Botella-Campos M, Mora J, Ortega B. On the Use of a Directly Modulated Laser in a Phase Modulated-Assisted mmW Signal Generation and Transmission Link[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[5]Zhu Y, Ye J, Yan L, et al. A Data-driven Digital Demodulator based on Deep Learning for Radio over Fiber Transmission System[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
[6]Ding M, Chen X, Jin Z, et al. An end-to-end digital postprocessing linearization method for optical sampling link[J]. Journal of Lightwave Technology, 2023.
