2021年2月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，胡钦政，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨琪铭，于妮
    8/09/2021，光纤在线讯，2021年2月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：毫米波通信、自由空间无线光通信、光纤传输、相干光通信等。笔者将逐一评析。

1.毫米波通信

    比利时根特大学的Laurens Bogaert等研究人员设计了一种毫米波（mmWave）光纤无线通信系统，如图1所示。该系统使用了反射式电吸收调制（EAM）的 SiPhotonics / GaAs 收发器，其中芯片组功耗为427mW，链路增益为28.4dB（光功率为3dBm），支持24.7~28.6GHz的链路带宽。研究人员设计了光纤无线（RoF）的集中式结构，为进一步降低蜂窝网络的复杂度，他们采用了结合反射上行链路的光纤射频（RF-over-Fiber）传输方案。研究表明，在2km光纤5m无线mmWave链路上，下行和上行链路的传输速率达7Gb/s以上[1]。


 
图1双向28GHz射频链路的实验装置

美国佐治亚理工学院的Min-Yu Huang等研究人员研制了一种新型毫米波（mm-Wave）波束成形器系统，适用于未来5G新空口( NR )频段的宽带和动态毫米波前传应用，如图2所示。该系统采用自主波束成形器通过多延迟锁定环（DLL）的相位域负反馈，支持实现多个5G NR调制的无数字信号处理（DSP）中频（IF）波束成形过程，还支持5G无线接入网络（RAN）中的用户设备（UE）和射频拉远单元（RRU）中的双向收发器（TRX）工作。在无到达角（AoA）的情况下，该器件能动态、自动感知和追踪UE处的宽带调制信号，并将信号发回目标RRU，从而完成实时双向光纤无线通信过程。研究结果表明，该系统能在22~40 GHz宽带天线阵列上实现全FoV波束成形（180° ）过程，并能实现多频带( 24.75 GHz和37 GHz )信号在10公里光纤链路上的毫米波信号传输[4]。



图2毫米波（mm-Wave）波束成形系统
2.自由空间无线光通信

上海大学的Yetian Huang等研究人员设计了一种双向无线光通信（OWC）系统，如图3所示。研究人员采用多模垂直腔表面发射激光器（MM-VCSEL）和宽带放大自发辐射（ASE）噪声源等低成本器件产生非相干和低相干空间模式，减轻相干干扰实现收发性能可靠的通信过程。研究人员使用可编程多平面光转换（MPLC）的模式复用器（MMUX）实现了可重构光束偏转，并利用低损耗上行链路光束组合实现了点对多点光学无线通信，结合多模光纤（MMF）扩展了系统覆盖范围。研究结果表明，双向自由空间无线光传输链路能实现点对多点下行链路和低损耗上行链路的联合通信，同时支持大量的远程节点（RN）[2]接入。



图3双向无线光通信系统
3.光纤传输

日本电报电话公司的Shuto Yamamoto等研究人员设计了一种新型强度调制/直接检测（IM-DD）通信系统，如图4所示。该系统采用非线性差分编码PAM信号（NLDCP）的频谱整形方案，实现了更窄信号频带的应用，并增强了对带宽限制的容忍度。研究人员通过O波段10km传输实验（3dB带宽为14GHz，10dB带宽为32GHz），在不使用非线性Volterra均衡器的情况下实现了186Gb / s的传输速率。研究结果表明，NLDCP对有限带宽（BWL）的容忍度更高，并在3 dBm的接收功率下达到了7％的硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值（传统的PAM4无法达到）。研究人员还设计了一种非线性差分编码和对数似然比（LLR）的解码的组合方案，与基于模式解码的方案相比，该组合方案在收发光功率上实现了4 dB的提升[3]。



图4收发非线性差分编码PAM信号的IM-DD通信系统

4.相干光通信

美国NeoPhotonics公司的Jianying Zhou等研究人员设计了一种新型光相干通信系统，如图5所示。其中的100Gbaud相干收发器使用了Ge光电探测器和载流子损耗调制器。研究人员通过掺杂和其它器件设计（介质掺杂和2mm长的移相器），实现了高性能的高速全硅光载流子的马赫-曾德尔调制过程（6dB EO带宽>60GHz）。研究人员采用同相/正交（IQ）调制器（消光比大>25 dB、半波电压 Vπ为6.3V、6dB电光带宽为50GHz），并使用任意波发生器（AWG）和光学调制分析仪（OMA）中的奈奎斯特滤波器和线性补偿器，实现了120Gbaud QPSK和100Gbaud 32QAM的高波特率信号收发过程。研究结果表明，对于带宽受限的硅光子调制器，可以通过预均衡（Pre-EQ）设计来优化误码率（BER）性能。由于峰均功率比（PAPR）、均衡带宽对BER和调制损耗的性能有较大影响，因此当使用Pre-EQ进行带宽补偿时，发射机响应频带快速滚降时的频率值变化比3 dB电光带宽取值在实际应用中更为值得关注[5]。



图5新型光相干通信系统
参考文献

[1]      L. Bogaert et al., “SiPhotonics/GaAs 28-GHz Transceiver with Reflective EAM for Laser-Less mmWave-Over-Fiber,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 3, pp. 779–786, 2021, doi: 10.1109/JLT.2020.3021175.

[2]      Y. Huang et al., “Optical Broadcasting Employing Incoherent and Low-Coherence Spatial Modes for Bi-Directional Optical Wireless Communications,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 3, pp. 833–838, 2021, doi: 10.1109/JLT.2020.3044658.

[3]      S. Yamamoto, H. Taniguchi, M. Nakamura, and Y. Kisaka, “Nonlinear Differential Coding for Spectral Shaping Optical Transmission,” vol. 39, no. 4, pp. 1064–1071, 2021.

[4]      M. Y. Huang, Y. W. Chen, R. K. Shiu, H. Wang, and G. K. Chang, “A Bi-Directional Multi-Band, Multi-Beam MM-Wave Beamformer for 5G Fiber Wireless Access Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 4, pp. 1116–1124, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3042052.

[5]      J. Zhou, J. Wang, and Q. Zhang, “Silicon photonics for 100Gbaud,” Opt. InfoBase Conf. Pap., vol. Part F174-OFC 2020, no. 4, pp. 857–867, 2020, doi: 10.1364/OFC.2020.T3H.4.