2022年7月JLT光通信論文評析
發(fā)布時間：2022-08-31 15:51:26 熱度：3660
8/31/2022，光纖在線訊，光線在線特約編輯：邵宇豐，王安蓉，伊林芳，楊騏銘，田青，于妮，李彥霖，陳鵬，李沖，劉栓凡，袁杰，左仁杰。
2022年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：短距離光通信，機(jī)器學(xué)習(xí)，光電探測器，可見光通信，光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)以及LMS均衡算法等。筆者將逐一評析。
1.短距離光通信
南京信息工程大學(xué)的Suiyao Zhu等研究人員設(shè)計基于時頻聯(lián)合干擾的正交啁啾復(fù)用（OCDM）-模分復(fù)用（MDM）短距離光通信方案，如圖1所示。該方案通過離散菲涅爾變換（DFnT）完成了OCDM信號的數(shù)字化過程，再結(jié)合洛倫茲（Lorenz）混沌模型和Logistic混沌模型實(shí)現(xiàn)了正交啁啾子載波和啁啾符號的時頻聯(lián)合干擾。啁啾信號具有良好的脈沖壓縮和擴(kuò)頻能力，利用基于DFnT的OCDM可以實(shí)現(xiàn)最大程度的啁啾擴(kuò)頻；雙混沌模型的時頻聯(lián)合干擾可以增加密鑰空間以提高信息傳輸?shù)陌踩浴Ｑ芯咳藛T在一個無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)（少模光纖長度為5km）中對收發(fā)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：OCDM加密信號的傳輸速率可達(dá)32Gb/s；與正交頻分復(fù)用（OFDM）信號相比（誤碼率同為10-2），OCDM信號的接收機(jī)靈敏度增益可達(dá)1.48 dB，密鑰空間可達(dá)1×10144[1]。因此，該方案具有較好的抗干擾能力，在未來短距離光通信中具有潛在的應(yīng)用價值。
2.機(jī)器學(xué)習(xí)
德國愛德華光網(wǎng)絡(luò)有限公司的Khouloud Abdelli等研究人員提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的半導(dǎo)體激光器預(yù)測性維護(hù)架構(gòu)（如圖2所示），用于實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測半導(dǎo)體激光器在運(yùn)行期間的工作狀態(tài)；包括三個步驟：實(shí)時性能退化預(yù)測、退化檢測以及剩余使用壽命（RUL）預(yù)測。首先，采用基于注意力機(jī)制的門控遞歸單元（GRU）模型對激光器的性能退化進(jìn)行實(shí)時預(yù)測；然后利用卷積自編碼器檢測激光器的退化或異常行為，給定預(yù)測的退化性能值；一旦檢測到異常狀態(tài)，就采用基于注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型估計激光器的RUL并輸入到維修規(guī)劃中。研究人員利用半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器加速老化實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)對所提架構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該架構(gòu)具有非常好的性能退化預(yù)測能力（均方根誤差（RMSE）為0.01），異常檢測精度高達(dá)94.24 %，且具有較好的RUL估計能力（RMSE為142小時）[2]。因此，該架構(gòu)方案的設(shè)計在未來可為保障半導(dǎo)體激光器的安全運(yùn)行提供借鑒思路。
3.光電探測器
山東大學(xué)的Yulan Zhou等研究人員設(shè)計了光柵輔助半導(dǎo)體光放大器（SOA）- PIN光電探測器（GA-SOA-PIN），如圖3所示。該器件在SOA與PIN之間插入了一個反射式光柵輔助濾波器用于濾除自發(fā)輻射（ASE）噪聲，進(jìn)一步提高接收靈敏度。研究人員通過仿真實(shí)驗(yàn)對該光電探測器的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在光信號中心波長為1.55 μ m、數(shù)據(jù)傳輸速率為100Gbps、誤碼率為10-12時，該器件的接收靈敏度可達(dá)-25dBm，增益帶寬積可達(dá)2.62THz。對于數(shù)據(jù)速率超過40Gbps的傳輸系統(tǒng)，采用GA-SOA-PIN光電探測器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的雪崩光電二極管（APD）和SOA-PIN光電探測器[3]。毫無疑問，該光電探測器在未來高速光傳輸系統(tǒng)喝無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中具有極高的實(shí)際應(yīng)用價值。
4.可見光通信
臺北科技大學(xué)的Hai-Han Lu等研究人員設(shè)計了面向波分復(fù)用的可見光激光通信（WDM-VLLC）環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。他們在發(fā)射端采用基于光電反饋技術(shù)的兩級注入鎖定型紅-綠-藍(lán)激光二極管（RGB-LDs），以同時實(shí)現(xiàn)信號的高速傳輸及現(xiàn)場照明功能，并采用光分插復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。研究結(jié)果表明：中心站-中心站（CS-CS）的傳輸速率為150Gbit/s、CS到光節(jié)點(diǎn)的傳輸速率為50Gbit /s、白光照度為604lux。通過7.5m/9m/10.5m/12m的可見光鏈路和5m光纖（采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料）鏈路傳輸后，誤碼率可達(dá)到10-9；且接收到的四階脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號眼圖較為清晰[4]。因此，該類網(wǎng)絡(luò)在未來可滿足高速無線通信系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的應(yīng)用需求。
5.光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)
清華大學(xué)的Zhujun Xue等研究人員為緩解正交頻分復(fù)用（OFDM）信號產(chǎn)生的相位噪聲帶來的負(fù)面影響，設(shè)計了采用光電振蕩器（OEO）的光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)，如圖5所示。他們對相位噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及OFDM信號的解調(diào)過程進(jìn)行了理論分析，并通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)（OEO和OFDM信號工作頻率分別為24GHz和2GHz）的傳輸性能。結(jié)果表明：二維雷達(dá)成像的距離分辨率和速度分辨率可達(dá)到0.075m和4.4 km/h；當(dāng)采用16階正交幅度調(diào)制（16QAM）時，通信容量可達(dá)到6.4 Gbps；與應(yīng)用普通本振（LO）方案相比，當(dāng)副載波間距為125 kHz時，OEO的誤差矢量幅值（EVM）從12.5%降低到4.7%[5]；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，可見微波光子器件在雷達(dá)通信集成系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。
6.LMS均衡算法
佐治亞理工學(xué)院的Shuang Yao等研究人員設(shè)計了采用訓(xùn)練序列來提高強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)中最小均方（LMS）均衡算法收斂速度的方案。該序列由一階馬爾可夫鏈（MC）生成，支持更快地調(diào)整抽頭系數(shù)。研究人員在采用四階脈沖幅度調(diào)制（4PAM）技術(shù)的IM/DD系統(tǒng)中對該序列的應(yīng)用性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與獨(dú)立同分布樣本組成的訓(xùn)練序列相比，當(dāng)訓(xùn)練長度相同時，該序列具有更低的前向糾錯誤碼率（pre-FEC BER）。在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）距離為5 km、6 dB帶寬約10 GHz的系統(tǒng)（如圖6所示）中有效傳輸43Gbaud 4PAM信號，訓(xùn)練序列長度可縮短70%以上；當(dāng)SSMF距離為10km時，信號由于色散會產(chǎn)生功率衰減，訓(xùn)練序列長度可縮短48%以上[6]。
參考文獻(xiàn)：
[1] S. Zhu et al., “Secure OCDM-PON Mode Division Multiplexed Systems Based on Time-Frequency Joint Perturbation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 14, pp. 4599–4606, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3168056.
[2] K. Abdelli, H. Grieer, and S. Pachnicke, “A Machine Learning-based Framework for Predictive Maintenance of Semiconductor Laser for Optical Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 14, pp. 4698–4708, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3163579.
[3] Y. Zhou, J. Zhao, X. Li, S. Member, and S. Member, “A High-Speed Grating-Assistant SOA-PIN,” vol. 40, no. 14, pp. 4689–4697, 2022.
[4] H.-H. Lu et al., “WDM-VLLC and White-Lighting Ring Networks with Optical Add-Drop Multiplexing Scheme,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 1–1, 2022, doi: 10.1109/jlt.2022.3162205.
[5] Z. Xue, S. Li, J. Li, X. Xue, X. Zheng, and B. Zhou, “OFDM Radar and Communication Joint System using Opto-electronic Oscillator with Phase Noise Degradation Analysis and Mitigation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 4101–4109, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3156573.
[6] S. Yao et al., “Accelerating LMS-based Equalization with Correlated Training Sequence in Bandlimited IM/DD Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 4268–4275, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3164031.
2022年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：短距離光通信，機(jī)器學(xué)習(xí)，光電探測器，可見光通信，光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)以及LMS均衡算法等。筆者將逐一評析。
1.短距離光通信
南京信息工程大學(xué)的Suiyao Zhu等研究人員設(shè)計基于時頻聯(lián)合干擾的正交啁啾復(fù)用（OCDM）-模分復(fù)用（MDM）短距離光通信方案，如圖1所示。該方案通過離散菲涅爾變換（DFnT）完成了OCDM信號的數(shù)字化過程，再結(jié)合洛倫茲（Lorenz）混沌模型和Logistic混沌模型實(shí)現(xiàn)了正交啁啾子載波和啁啾符號的時頻聯(lián)合干擾。啁啾信號具有良好的脈沖壓縮和擴(kuò)頻能力，利用基于DFnT的OCDM可以實(shí)現(xiàn)最大程度的啁啾擴(kuò)頻；雙混沌模型的時頻聯(lián)合干擾可以增加密鑰空間以提高信息傳輸?shù)陌踩浴Ｑ芯咳藛T在一個無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)（少模光纖長度為5km）中對收發(fā)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：OCDM加密信號的傳輸速率可達(dá)32Gb/s；與正交頻分復(fù)用（OFDM）信號相比（誤碼率同為10-2），OCDM信號的接收機(jī)靈敏度增益可達(dá)1.48 dB，密鑰空間可達(dá)1×10144[1]。因此，該方案具有較好的抗干擾能力，在未來短距離光通信中具有潛在的應(yīng)用價值。
2.機(jī)器學(xué)習(xí)
德國愛德華光網(wǎng)絡(luò)有限公司的Khouloud Abdelli等研究人員提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的半導(dǎo)體激光器預(yù)測性維護(hù)架構(gòu)（如圖2所示），用于實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測半導(dǎo)體激光器在運(yùn)行期間的工作狀態(tài)；包括三個步驟：實(shí)時性能退化預(yù)測、退化檢測以及剩余使用壽命（RUL）預(yù)測。首先，采用基于注意力機(jī)制的門控遞歸單元（GRU）模型對激光器的性能退化進(jìn)行實(shí)時預(yù)測；然后利用卷積自編碼器檢測激光器的退化或異常行為，給定預(yù)測的退化性能值；一旦檢測到異常狀態(tài)，就采用基于注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型估計激光器的RUL并輸入到維修規(guī)劃中。研究人員利用半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器加速老化實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)對所提架構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該架構(gòu)具有非常好的性能退化預(yù)測能力（均方根誤差（RMSE）為0.01），異常檢測精度高達(dá)94.24 %，且具有較好的RUL估計能力（RMSE為142小時）[2]。因此，該架構(gòu)方案的設(shè)計在未來可為保障半導(dǎo)體激光器的安全運(yùn)行提供借鑒思路。
3.光電探測器
山東大學(xué)的Yulan Zhou等研究人員設(shè)計了光柵輔助半導(dǎo)體光放大器（SOA）- PIN光電探測器（GA-SOA-PIN），如圖3所示。該器件在SOA與PIN之間插入了一個反射式光柵輔助濾波器用于濾除自發(fā)輻射（ASE）噪聲，進(jìn)一步提高接收靈敏度。研究人員通過仿真實(shí)驗(yàn)對該光電探測器的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在光信號中心波長為1.55 μ m、數(shù)據(jù)傳輸速率為100Gbps、誤碼率為10-12時，該器件的接收靈敏度可達(dá)-25dBm，增益帶寬積可達(dá)2.62THz。對于數(shù)據(jù)速率超過40Gbps的傳輸系統(tǒng)，采用GA-SOA-PIN光電探測器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的雪崩光電二極管（APD）和SOA-PIN光電探測器[3]。毫無疑問，該光電探測器在未來高速光傳輸系統(tǒng)喝無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）中具有極高的實(shí)際應(yīng)用價值。
4.可見光通信
臺北科技大學(xué)的Hai-Han Lu等研究人員設(shè)計了面向波分復(fù)用的可見光激光通信（WDM-VLLC）環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。他們在發(fā)射端采用基于光電反饋技術(shù)的兩級注入鎖定型紅-綠-藍(lán)激光二極管（RGB-LDs），以同時實(shí)現(xiàn)信號的高速傳輸及現(xiàn)場照明功能，并采用光分插復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。研究結(jié)果表明：中心站-中心站（CS-CS）的傳輸速率為150Gbit/s、CS到光節(jié)點(diǎn)的傳輸速率為50Gbit /s、白光照度為604lux。通過7.5m/9m/10.5m/12m的可見光鏈路和5m光纖（采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料）鏈路傳輸后，誤碼率可達(dá)到10-9；且接收到的四階脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號眼圖較為清晰[4]。因此，該類網(wǎng)絡(luò)在未來可滿足高速無線通信系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的應(yīng)用需求。
5.光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)
清華大學(xué)的Zhujun Xue等研究人員為緩解正交頻分復(fù)用（OFDM）信號產(chǎn)生的相位噪聲帶來的負(fù)面影響，設(shè)計了采用光電振蕩器（OEO）的光子輔助雷達(dá)與通信集成系統(tǒng)，如圖5所示。他們對相位噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及OFDM信號的解調(diào)過程進(jìn)行了理論分析，并通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)（OEO和OFDM信號工作頻率分別為24GHz和2GHz）的傳輸性能。結(jié)果表明：二維雷達(dá)成像的距離分辨率和速度分辨率可達(dá)到0.075m和4.4 km/h；當(dāng)采用16階正交幅度調(diào)制（16QAM）時，通信容量可達(dá)到6.4 Gbps；與應(yīng)用普通本振（LO）方案相比，當(dāng)副載波間距為125 kHz時，OEO的誤差矢量幅值（EVM）從12.5%降低到4.7%[5]；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，可見微波光子器件在雷達(dá)通信集成系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。
6.LMS均衡算法
佐治亞理工學(xué)院的Shuang Yao等研究人員設(shè)計了采用訓(xùn)練序列來提高強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)中最小均方（LMS）均衡算法收斂速度的方案。該序列由一階馬爾可夫鏈（MC）生成，支持更快地調(diào)整抽頭系數(shù)。研究人員在采用四階脈沖幅度調(diào)制（4PAM）技術(shù)的IM/DD系統(tǒng)中對該序列的應(yīng)用性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與獨(dú)立同分布樣本組成的訓(xùn)練序列相比，當(dāng)訓(xùn)練長度相同時，該序列具有更低的前向糾錯誤碼率（pre-FEC BER）。在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）距離為5 km、6 dB帶寬約10 GHz的系統(tǒng)（如圖6所示）中有效傳輸43Gbaud 4PAM信號，訓(xùn)練序列長度可縮短70%以上；當(dāng)SSMF距離為10km時，信號由于色散會產(chǎn)生功率衰減，訓(xùn)練序列長度可縮短48%以上[6]。
參考文獻(xiàn)：
[1] S. Zhu et al., “Secure OCDM-PON Mode Division Multiplexed Systems Based on Time-Frequency Joint Perturbation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 14, pp. 4599–4606, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3168056.
[2] K. Abdelli, H. Grieer, and S. Pachnicke, “A Machine Learning-based Framework for Predictive Maintenance of Semiconductor Laser for Optical Communication,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 14, pp. 4698–4708, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3163579.
[3] Y. Zhou, J. Zhao, X. Li, S. Member, and S. Member, “A High-Speed Grating-Assistant SOA-PIN,” vol. 40, no. 14, pp. 4689–4697, 2022.
[4] H.-H. Lu et al., “WDM-VLLC and White-Lighting Ring Networks with Optical Add-Drop Multiplexing Scheme,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 1–1, 2022, doi: 10.1109/jlt.2022.3162205.
[5] Z. Xue, S. Li, J. Li, X. Xue, X. Zheng, and B. Zhou, “OFDM Radar and Communication Joint System using Opto-electronic Oscillator with Phase Noise Degradation Analysis and Mitigation,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 4101–4109, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3156573.
[6] S. Yao et al., “Accelerating LMS-based Equalization with Correlated Training Sequence in Bandlimited IM/DD Systems,” J. Light. Technol., vol. 40, no. 13, pp. 4268–4275, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3164031.
