2022年11月JLT光通信論文評析
發(fā)布時(shí)間：2022-12-13 15:40:28 熱度：2055
12/13/2022，光纖在線訊，光纖在線特約編輯，邵宇豐，王安蓉，劉栓凡，袁杰，左仁杰，李彥霖，陳鵬，李沖，胡文光，李文臣，陳超，柳海楠，楊林婕。
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：多普勒激光雷達(dá)，超寬帶鏈路，自由空間光通信、偏振復(fù)用、光頻域反射，可見光通信等。筆者將逐一評析。
1.多普勒激光雷達(dá)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Zhang等研究人員結(jié)合相移鍵控（PSK）調(diào)制的差分校正（DCP）技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)(CDWL)，如圖1所示。他們使用相位差為的探測脈沖器產(chǎn)生成對脈沖，成對脈沖的相同強(qiáng)度包絡(luò)可以減小放大器增益分布的影響，使系統(tǒng)對環(huán)境干擾具有更強(qiáng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)利用具有實(shí)時(shí)偏置監(jiān)控功能的馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制PSK調(diào)制和脈沖整形[1]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在激光峰值功率為400W時(shí)，800m以上的連續(xù)徑向風(fēng)廓線在空間和時(shí)間的分辨率是3m和0.1s；在距離為420m和618m時(shí)，該方法實(shí)現(xiàn)了空間分辨率的同時(shí)避免了光譜展寬，能有效的區(qū)分信號峰值與噪聲。因此，該雷達(dá)在未來風(fēng)能開發(fā)和空氣污染分析等實(shí)際應(yīng)用中具有參考價(jià)值。
2.超寬帶鏈路
諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員A. Ghazisaeidi等研究人員利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）和分布式拉曼放大器(DRA)實(shí)現(xiàn)超寬帶（UWB）無重復(fù)傳輸，如圖2所示。他們利用S波段+C波段+L波段實(shí)現(xiàn)WDM無縫隙傳輸，先進(jìn)的數(shù)字信號處理（DSP）、波長自適應(yīng)調(diào)制和軟判決前向糾錯（SD-FEC）方案來提升重復(fù)鏈路的容量[2]。研究結(jié)果表明：該方案可在257.5km的超低損耗、大有效面積光纖跨度上實(shí)現(xiàn)100 nm超寬帶無重復(fù)傳輸,當(dāng)使用SOA與反向拉曼放大器時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到81.2 Tb/s、當(dāng)加上前向拉曼放大器時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到99.35Tb/s，兩種不同方案的信號容量×距離值達(dá)到20.9和25.6 Pb/s·km，比類似距離的記錄提高了140%和197%。因此，該方案在提高未來超寬帶通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
3.自由空間光通信
阿米爾卡比爾理工大學(xué)的Agheli等研究人員提出了一種適用于高速列車（HST）的可重構(gòu)智能表面（RIS）輔助自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)，如圖3所示。研究人員在弱湍流和中強(qiáng)湍流情況下，對概率分布函數(shù)、平均信噪比和中斷概率進(jìn)行理論分析，并根據(jù)分析結(jié)果對RIS面向固定的反射（FOR）和面向動態(tài)的反射（DOR）兩種方案進(jìn)行仿真研究[3]。結(jié)果表明：該系統(tǒng)在弱（中強(qiáng)）湍流條件下與中繼輔助FSO系統(tǒng)相比，每一個(gè)FSO基站都提供了高約45%（63%）的數(shù)據(jù)速率和352%（446%）的更廣覆蓋區(qū)域，覆蓋范圍的增加可使100km的鐵路中所需的FSO基站數(shù)量減少了71%（98%）；且在所有的方案中，DOR方案是最佳的選擇，但卻需要額外的追蹤程序。由于該系統(tǒng)的高性能和低成本，未來在高速列車接入網(wǎng)絡(luò)中有廣闊的應(yīng)用前景。
4.偏振復(fù)用
上海交通大學(xué)的Wu等研究人員設(shè)計(jì)了一種雙偏振載波輔助相位恢復(fù)（DP-CAPR）方案。在給定每個(gè)偏振上兩個(gè)載波的先驗(yàn)相位信息時(shí)，該方案可以檢測到光場的相位，且不需要任何保護(hù)頻帶。研究人員將30G波特的32階正交幅度調(diào)制（32-QAM）信號通過80km單模光纖（SMF）傳輸，從偏振旋轉(zhuǎn)角度（PRA）、偏振模色散(PMD)和電噪聲方面對該方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖2所示[4]。研究結(jié)果表明：載波信號功率比（CSPR）在一定范圍內(nèi)，偏振旋轉(zhuǎn)角度從0到45°時(shí)，接收信號的誤碼率逐漸降低；在達(dá)到硬判決前向糾錯條件下，PMD影響將導(dǎo)致光信噪比（OSNR）下降，但使用更多抽頭數(shù)的MIMO均衡器能削減PMD負(fù)面效應(yīng)。綜上所述，上述系統(tǒng)方案將對融合偏振復(fù)用的自相干傳輸系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考借鑒。
5.光頻域反射
天津大學(xué)的Haohan Guo等研究人員設(shè)計(jì)了采用維納（Wiener）反卷積濾波器消除光頻域反射儀（OFDR）中旁瓣Ghost峰的系統(tǒng)方案，如圖5所示。Ghost峰是指在光網(wǎng)絡(luò)測試過程中，用反射儀測得后向散射跡線上出現(xiàn)類似菲涅耳反射峰的情況，將導(dǎo)致誤判接收信號。該系統(tǒng)中，可調(diào)諧激光源（TLS）光譜中的多峰和輔助干涉儀的反射過程會產(chǎn)生旁瓣，將導(dǎo)致FUT測試跡線上生成Ghost峰。研究人員對輔助干涉進(jìn)行Wiener反卷積濾波，得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）, 將PSF作為卷積核對主干涉儀的FUT測試跡線實(shí)施二次Wiener反卷積濾波，并進(jìn)行空間信號進(jìn)行反卷積濾波前后的比較，以消除振幅減小值大于閾值的Ghost峰[5]。研究結(jié)果表明：在測試長度為26米、空間分辨率為毫米級的實(shí)驗(yàn)條件下，僅用低成本的分布反饋可調(diào)諧激光源（DFB-TLS）的OFDR就能獲得較純的FUT跡線。綜上所述，上述方案有望在頻域光學(xué)相干斷層掃描成像(FD-OCT)與調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)（FMCW）領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。
6.可見光通信
牛津大學(xué)的Thai-Chien Bui等人針對可見光通信（VLC）應(yīng)用中設(shè)計(jì)了一種基于星座優(yōu)化的多基色調(diào)制（MPM）技術(shù)，如圖6所示。他們在多維顏色空間中，對基色光采用不同的功率電平調(diào)制以獲得相同顏色，并通過最大化數(shù)據(jù)符號之間的最小歐式距離來優(yōu)化星座分布以獲得最佳M值（或頻譜效率）增益。他們在視距鏈路（LOS）和混合VLC信道中對編碼優(yōu)化后的和未優(yōu)化的MPM方案的誤碼性能進(jìn)行了比較分析[6]。研究結(jié)果表明，在LOS信道中優(yōu)化后的MPM方案具有更高的譜效率，且在相同譜效率下，優(yōu)化后的電信噪比增益（SNRe）可達(dá)3.5dB；在LOS與NLOS混合信道中使用ZF均衡器能使誤碼率更低，與未均衡情形相比，當(dāng)使用5原色時(shí)均衡后的系統(tǒng)在10-3的誤碼率下有17 dB的SNRe增益。綜上所述，該方案的設(shè)計(jì)為未來多色光源可見光通信系統(tǒng)的魯棒性提升提供了參考思路。
[1]Y. Zhang, Y. Wu and H. Xia, "High Resolution Coherent Doppler Wind Lidar Incorporating Phase-Shift Keying," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7471-7478, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202836.
[2]Ghazisaeidi etal., "99.35 Tb/s Ultra-wideband Unrepeated Transmission Over 257 km Using Semiconductor Optical Amplifiers and Distributed Raman Amplification," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7014-7019, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3198518.
[3]P. Agheli, H. Beyranvand and M. J. Emadi, "High-Speed Trains Access Connectivity Through RIS-Assisted FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7084-7094, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199608.
[4]Q. Wu, Y. Zhu, Q. Zhuge and W. Hu, "Dual-Carrier-Assisted Phase Retrieval for Polarization Division Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7297-7306, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202570.
[5]H. Guo et al., "Elimination of Side Lobe Ghost Peak Using Wiener Deconvolution Filter in OFDR," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7208-7218, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199729.
[6]T. -C. Bui, R. Singh, T. O'Farrell, G. Scarano, J. P. R. David and M. Biagi, "Optimized Multi-Primary Modulation for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7254-7264, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3201279.
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：多普勒激光雷達(dá)，超寬帶鏈路，自由空間光通信、偏振復(fù)用、光頻域反射，可見光通信等。筆者將逐一評析。
1.多普勒激光雷達(dá)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Zhang等研究人員結(jié)合相移鍵控（PSK）調(diào)制的差分校正（DCP）技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)(CDWL)，如圖1所示。他們使用相位差為的探測脈沖器產(chǎn)生成對脈沖，成對脈沖的相同強(qiáng)度包絡(luò)可以減小放大器增益分布的影響，使系統(tǒng)對環(huán)境干擾具有更強(qiáng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)利用具有實(shí)時(shí)偏置監(jiān)控功能的馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制PSK調(diào)制和脈沖整形[1]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在激光峰值功率為400W時(shí)，800m以上的連續(xù)徑向風(fēng)廓線在空間和時(shí)間的分辨率是3m和0.1s；在距離為420m和618m時(shí)，該方法實(shí)現(xiàn)了空間分辨率的同時(shí)避免了光譜展寬，能有效的區(qū)分信號峰值與噪聲。因此，該雷達(dá)在未來風(fēng)能開發(fā)和空氣污染分析等實(shí)際應(yīng)用中具有參考價(jià)值。
2.超寬帶鏈路
諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員A. Ghazisaeidi等研究人員利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）和分布式拉曼放大器(DRA)實(shí)現(xiàn)超寬帶（UWB）無重復(fù)傳輸，如圖2所示。他們利用S波段+C波段+L波段實(shí)現(xiàn)WDM無縫隙傳輸，先進(jìn)的數(shù)字信號處理（DSP）、波長自適應(yīng)調(diào)制和軟判決前向糾錯（SD-FEC）方案來提升重復(fù)鏈路的容量[2]。研究結(jié)果表明：該方案可在257.5km的超低損耗、大有效面積光纖跨度上實(shí)現(xiàn)100 nm超寬帶無重復(fù)傳輸,當(dāng)使用SOA與反向拉曼放大器時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到81.2 Tb/s、當(dāng)加上前向拉曼放大器時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到99.35Tb/s，兩種不同方案的信號容量×距離值達(dá)到20.9和25.6 Pb/s·km，比類似距離的記錄提高了140%和197%。因此，該方案在提高未來超寬帶通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
3.自由空間光通信
阿米爾卡比爾理工大學(xué)的Agheli等研究人員提出了一種適用于高速列車（HST）的可重構(gòu)智能表面（RIS）輔助自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)，如圖3所示。研究人員在弱湍流和中強(qiáng)湍流情況下，對概率分布函數(shù)、平均信噪比和中斷概率進(jìn)行理論分析，并根據(jù)分析結(jié)果對RIS面向固定的反射（FOR）和面向動態(tài)的反射（DOR）兩種方案進(jìn)行仿真研究[3]。結(jié)果表明：該系統(tǒng)在弱（中強(qiáng)）湍流條件下與中繼輔助FSO系統(tǒng)相比，每一個(gè)FSO基站都提供了高約45%（63%）的數(shù)據(jù)速率和352%（446%）的更廣覆蓋區(qū)域，覆蓋范圍的增加可使100km的鐵路中所需的FSO基站數(shù)量減少了71%（98%）；且在所有的方案中，DOR方案是最佳的選擇，但卻需要額外的追蹤程序。由于該系統(tǒng)的高性能和低成本，未來在高速列車接入網(wǎng)絡(luò)中有廣闊的應(yīng)用前景。
4.偏振復(fù)用
上海交通大學(xué)的Wu等研究人員設(shè)計(jì)了一種雙偏振載波輔助相位恢復(fù)（DP-CAPR）方案。在給定每個(gè)偏振上兩個(gè)載波的先驗(yàn)相位信息時(shí)，該方案可以檢測到光場的相位，且不需要任何保護(hù)頻帶。研究人員將30G波特的32階正交幅度調(diào)制（32-QAM）信號通過80km單模光纖（SMF）傳輸，從偏振旋轉(zhuǎn)角度（PRA）、偏振模色散(PMD)和電噪聲方面對該方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖2所示[4]。研究結(jié)果表明：載波信號功率比（CSPR）在一定范圍內(nèi)，偏振旋轉(zhuǎn)角度從0到45°時(shí)，接收信號的誤碼率逐漸降低；在達(dá)到硬判決前向糾錯條件下，PMD影響將導(dǎo)致光信噪比（OSNR）下降，但使用更多抽頭數(shù)的MIMO均衡器能削減PMD負(fù)面效應(yīng)。綜上所述，上述系統(tǒng)方案將對融合偏振復(fù)用的自相干傳輸系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考借鑒。
5.光頻域反射
天津大學(xué)的Haohan Guo等研究人員設(shè)計(jì)了采用維納（Wiener）反卷積濾波器消除光頻域反射儀（OFDR）中旁瓣Ghost峰的系統(tǒng)方案，如圖5所示。Ghost峰是指在光網(wǎng)絡(luò)測試過程中，用反射儀測得后向散射跡線上出現(xiàn)類似菲涅耳反射峰的情況，將導(dǎo)致誤判接收信號。該系統(tǒng)中，可調(diào)諧激光源（TLS）光譜中的多峰和輔助干涉儀的反射過程會產(chǎn)生旁瓣，將導(dǎo)致FUT測試跡線上生成Ghost峰。研究人員對輔助干涉進(jìn)行Wiener反卷積濾波，得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）, 將PSF作為卷積核對主干涉儀的FUT測試跡線實(shí)施二次Wiener反卷積濾波，并進(jìn)行空間信號進(jìn)行反卷積濾波前后的比較，以消除振幅減小值大于閾值的Ghost峰[5]。研究結(jié)果表明：在測試長度為26米、空間分辨率為毫米級的實(shí)驗(yàn)條件下，僅用低成本的分布反饋可調(diào)諧激光源（DFB-TLS）的OFDR就能獲得較純的FUT跡線。綜上所述，上述方案有望在頻域光學(xué)相干斷層掃描成像(FD-OCT)與調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)（FMCW）領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。
6.可見光通信
牛津大學(xué)的Thai-Chien Bui等人針對可見光通信（VLC）應(yīng)用中設(shè)計(jì)了一種基于星座優(yōu)化的多基色調(diào)制（MPM）技術(shù)，如圖6所示。他們在多維顏色空間中，對基色光采用不同的功率電平調(diào)制以獲得相同顏色，并通過最大化數(shù)據(jù)符號之間的最小歐式距離來優(yōu)化星座分布以獲得最佳M值（或頻譜效率）增益。他們在視距鏈路（LOS）和混合VLC信道中對編碼優(yōu)化后的和未優(yōu)化的MPM方案的誤碼性能進(jìn)行了比較分析[6]。研究結(jié)果表明，在LOS信道中優(yōu)化后的MPM方案具有更高的譜效率，且在相同譜效率下，優(yōu)化后的電信噪比增益（SNRe）可達(dá)3.5dB；在LOS與NLOS混合信道中使用ZF均衡器能使誤碼率更低，與未均衡情形相比，當(dāng)使用5原色時(shí)均衡后的系統(tǒng)在10-3的誤碼率下有17 dB的SNRe增益。綜上所述，該方案的設(shè)計(jì)為未來多色光源可見光通信系統(tǒng)的魯棒性提升提供了參考思路。
[1]Y. Zhang, Y. Wu and H. Xia, "High Resolution Coherent Doppler Wind Lidar Incorporating Phase-Shift Keying," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7471-7478, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202836.
[2]Ghazisaeidi etal., "99.35 Tb/s Ultra-wideband Unrepeated Transmission Over 257 km Using Semiconductor Optical Amplifiers and Distributed Raman Amplification," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7014-7019, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3198518.
[3]P. Agheli, H. Beyranvand and M. J. Emadi, "High-Speed Trains Access Connectivity Through RIS-Assisted FSO Communications," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7084-7094, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199608.
[4]Q. Wu, Y. Zhu, Q. Zhuge and W. Hu, "Dual-Carrier-Assisted Phase Retrieval for Polarization Division Multiplexing," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7297-7306, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3202570.
[5]H. Guo et al., "Elimination of Side Lobe Ghost Peak Using Wiener Deconvolution Filter in OFDR," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 21, pp. 7208-7218, 1 Nov.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3199729.
[6]T. -C. Bui, R. Singh, T. O'Farrell, G. Scarano, J. P. R. David and M. Biagi, "Optimized Multi-Primary Modulation for Visible Light Communication," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 22, pp. 7254-7264, 15 Nov.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3201279.
