2025年3月JLT光通信論文評析
發(fā)布時間：2025-05-14 09:52:23 熱度：1231
5/14/2025，光纖在線訊，光纖在線特約編輯，邵宇豐，王安蓉，張顏鷺，張旭，許占奪，向泓勁，匡富豪，賈嵐斯，隆茜，閩哲浩，崔夢琦，蘭佳，陳國干，卓智敏。
2025年3月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光子信號處理、路由器、自由空間光通信、神經(jīng)網(wǎng)絡、超聲成像系統(tǒng)、模式擾頻器等，筆者將逐一評析。
1、光子信號處理
奧地利理工學院的Bernhard Schrenk設計了用于信號恢復的光子信號處理（ΦSP）方案，并在應用90°和120°混頻器的兩種相位不敏感相干接收機結構中進行了實驗評估，如圖1所示[1]。研究員將電信號經(jīng)分布式布拉格反射（DBR）激光器轉(zhuǎn)換為光信號，并利用延遲干涉儀（DI）和微環(huán)諧振器（MRR）在光域完成了平方與求和，以替代傳統(tǒng)射頻處理過程。研究結果表明：應用90°混合器的ΦSP接收靈敏度可達-30.1 dBm（BER=10??），MRR優(yōu)化后可提升至-32.2 dBm，且經(jīng)14.3 km光纖傳輸無損耗；ΦSP的總功耗435 mW、面積5.36 mm?，顯著優(yōu)于射頻方案（940 mW/940 mm?）；120°混合器靈敏度降為-25.7 dBm，仍優(yōu)于射頻方案。因此通過光域處理簡化配置，具有高靈敏度、低功耗及小尺寸的應用優(yōu)勢。
2、路由器
比利時根特大學的Wang Xiaoke等研究人員設計了面向可編程光子集成電路的六邊形網(wǎng)格型連接式多播路由器，旨在解決路由資源利用率與效率問題，如圖2所示[2]。他們通過改進現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的路由算法（如PathFinder），引入了共享因子（降低路徑重復成本）和定向搜索算法（結合A*與廣度優(yōu)先搜索），并針對光路的物理限制（如無環(huán)路、波導方向性）設計了路由規(guī)則。研究結果表明：在六邊形網(wǎng)格中半徑r=8時，該路由器的運行時間僅為2.962秒，總導線長度（TWL）為506.4，顯著優(yōu)于PathFinder（81.352秒/458.8 TWL）和多變的地點和路線（VPR）路由器（8.203秒/542.2 TWL），運行效率提升至50%以上，且TWL比VPR降低了5%。因此，該方案在保證低資源占用的同時，大幅提升了大規(guī)模路由速度，為可編程光子集成電路的高效多播路由的設計和應用提供了可行解決方案。
3、自由空間光通信
暨南大學光子技術研究所的Haikun Huang等研究人員設計了一種支持d多用戶接入的自由空間光（RoFSO）通信系統(tǒng)[3]，并通過引入微波光子信道聚合器（MPCA）顯著提升了光譜效率，如圖3所示。他們通過電光調(diào)制和偏振組合控制多個微波信號的相對相位和幅度，將低階調(diào)制格式的微波信號聚合為高階調(diào)制格式的光信號。研究結果證明：聚合后的光信號在經(jīng)過1米自由空間鏈路和5公里光纖鏈路傳輸后，能被有效恢復；QPSK、4APSK和8QAM光信號的誤差矢量幅度（EVM）分別為6.11%、6.15%和6.40%；當八個BPSK微波信號被聚合到兩個正交偏振的16QAM光信號中時，x和y偏振分量的EVM分別為6.59%和6.79%。研究結果表明：在等效1502米自由空間鏈路和5公里光纖鏈路中，偏振分復用單邊帶（PDM-SSB） 型16QAM光信號的接收誤碼率（BER）大約為1.26×10-8，驗證了其在長距離傳輸中的有效性。綜上所述，該方案為未來高速、大容量的RoFSO通信系統(tǒng)的設計和應用提供了一定的技術參考。
4、神經(jīng)網(wǎng)絡
西安電子科技大學的Yahui Zhang等研究人員提出了用于自動調(diào)制識別（AMR）的混合深度光子脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡（HDPSNN），如圖4所示[4]。他們利用傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡進行特征提取，并采用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡（SNN）加速識別過程。研究人員通過實驗驗證了基于商用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的兩層光子SNN，并自制了法布里-珀羅可飽和吸收器（FP-SA）神經(jīng)元。研究結果表明：當信噪比（SNR）為+18dB時，HDSNN的最大準確率達到89.59%；當SNR為0dB時，對100個隨機測試樣本的預測精度達到了80%。研究人員構建了由垂直腔面發(fā)射激光器神經(jīng)元和嵌入可飽和吸收體法布里-珀羅激光器神經(jīng)元組成的雙層光子SNN，仿真研究結果表明：在+18 dB信噪比（SNR）時，最高識別準確率達89.59%；在0 dB SNR下對100個隨機樣本的推理準確率可達80%； HDSNN對100個隨機樣本的AMR識別準確率為70%，精度損失較小。綜上所述，該方案為深度光子脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的自動調(diào)制識別過程提供了新的參考借鑒。
5、超聲成像系統(tǒng)
華中科技大學的Anqi Wang等研究人員設計了基于光纖超聲探測器陣列的快速穩(wěn)定光聲成像系統(tǒng)，如圖5所示[5]。他們采用了64通道光纖超聲探測器陣列和高速光學開關（OSW），并結合優(yōu)化的法布里-珀羅（FP）傳感器結構實現(xiàn)了噪聲等效壓力為0.61 kPa和38 MHz的寬測量帶寬，從而能夠獲取高分辨率圖像。研究人員借助高速OSW將陣列元素進行逐點讀出，相比傳統(tǒng)型振鏡掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性提升了10倍。研究結果表明：應用該方案在10毫米深度處的垂直分辨率和水平分辨率分別為47微米和146微米，并在36毫米深度處保持了49微米的垂直分辨率和298微米的水平分辨率；同時系統(tǒng)反射率變異系數(shù)僅為0.4%，遠低于傳統(tǒng)振鏡系統(tǒng)的10%。綜上所述，該方案憑借其良好的穩(wěn)定性和成像能力，可為心血管和腦功能成像的提供有力支撐，未來有望成為光聲成像領域中一種快速、高分辨率且穩(wěn)定可靠的成像解決方案。
6、模式擾頻器
美國斯坦福大學的Oleksiy Krutko等研究人員設計了基于長周期光纖布拉格光柵（LPFG）的超低損耗模式擾頻器[6]，用于支持漸變指數(shù)型光纖模式復用鏈路應用。他們通過優(yōu)化光柵的橫向折射率分布和縱向光柵參數(shù)，在C波段內(nèi)實現(xiàn)了模式平均損耗和模式依賴損耗的標準差分別低于0.027 dB和0.011 dB。研究結果表明：在100跨段傳輸鏈路中，該模式擾頻器成功使鏈路模式依賴損耗（MDL STD）和群時延擴展（GD STD）的標準差隨跨段數(shù)量的平方根增長，如圖6所示。仿真研究證明：橫向折射率分布的隨機誤差對模式擾頻器的損耗影響較小，但同時兼顧橫向折射率分布和光柵周期的系統(tǒng)誤差影響時，鏈路群時延擴展會顯著增加。綜上所述，該方案驗證了超低損耗模式擾頻器在長距離模式復用光通信系統(tǒng)中的有效性和魯棒性，為未來大容量的模式復用光通信系統(tǒng)的設計和應用提供了參考借鑒。
參考文獻：
[1] SCHRENK B. Photonic Signal Processing for Phase-Agnostic Coherent Optical Reception[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2510-2517. DOI:10.1109/JLT.2024.3511939.
[2] WANG X, KERCHOVE F V, RAIKAR R, et al. A Novel Connection-Based Multicasting Router for Programmable Photonic Circuits[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2518-2527. DOI:10.1109/JLT.2024.3504279.
[3] HUANG H, ZENG S, LI L, et al. A Multi-Access RoFSO Communication System Incorporating a Microwave Photonic Channel Aggregator[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(5): 2184-2191. DOI:10.1109/JLT.2024.3490673.
[4] ZHANG Y, HUANG Z, XIANG S, et al. Hybrid Deep Photonic Spiking Neural Network for Automatic Modulation Recognition[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2672-2680. DOI:10.1109/JLT.2024.3510373.
[5] WANG A, YANG L, XU D, et al. Rapid and Stable Photoacoustic Imaging System Based on Fiber Ultrasound Detector Array[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(5): 2340-2348. DOI:10.1109/JLT.2024.3486461.
[6] KRUTKO O, REFAEE R, VIJAY A, et al. Ultra-Low-Loss Fiber Bragg Grating Mode Scrambler Design Exploiting Propagation Constant Engineering[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2883-2896. DOI:10.1109/JLT.2024.3510274.
2025年3月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光子信號處理、路由器、自由空間光通信、神經(jīng)網(wǎng)絡、超聲成像系統(tǒng)、模式擾頻器等，筆者將逐一評析。
1、光子信號處理
奧地利理工學院的Bernhard Schrenk設計了用于信號恢復的光子信號處理（ΦSP）方案，并在應用90°和120°混頻器的兩種相位不敏感相干接收機結構中進行了實驗評估，如圖1所示[1]。研究員將電信號經(jīng)分布式布拉格反射（DBR）激光器轉(zhuǎn)換為光信號，并利用延遲干涉儀（DI）和微環(huán)諧振器（MRR）在光域完成了平方與求和，以替代傳統(tǒng)射頻處理過程。研究結果表明：應用90°混合器的ΦSP接收靈敏度可達-30.1 dBm（BER=10??），MRR優(yōu)化后可提升至-32.2 dBm，且經(jīng)14.3 km光纖傳輸無損耗；ΦSP的總功耗435 mW、面積5.36 mm?，顯著優(yōu)于射頻方案（940 mW/940 mm?）；120°混合器靈敏度降為-25.7 dBm，仍優(yōu)于射頻方案。因此通過光域處理簡化配置，具有高靈敏度、低功耗及小尺寸的應用優(yōu)勢。
2、路由器
比利時根特大學的Wang Xiaoke等研究人員設計了面向可編程光子集成電路的六邊形網(wǎng)格型連接式多播路由器，旨在解決路由資源利用率與效率問題，如圖2所示[2]。他們通過改進現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的路由算法（如PathFinder），引入了共享因子（降低路徑重復成本）和定向搜索算法（結合A*與廣度優(yōu)先搜索），并針對光路的物理限制（如無環(huán)路、波導方向性）設計了路由規(guī)則。研究結果表明：在六邊形網(wǎng)格中半徑r=8時，該路由器的運行時間僅為2.962秒，總導線長度（TWL）為506.4，顯著優(yōu)于PathFinder（81.352秒/458.8 TWL）和多變的地點和路線（VPR）路由器（8.203秒/542.2 TWL），運行效率提升至50%以上，且TWL比VPR降低了5%。因此，該方案在保證低資源占用的同時，大幅提升了大規(guī)模路由速度，為可編程光子集成電路的高效多播路由的設計和應用提供了可行解決方案。
3、自由空間光通信
暨南大學光子技術研究所的Haikun Huang等研究人員設計了一種支持d多用戶接入的自由空間光（RoFSO）通信系統(tǒng)[3]，并通過引入微波光子信道聚合器（MPCA）顯著提升了光譜效率，如圖3所示。他們通過電光調(diào)制和偏振組合控制多個微波信號的相對相位和幅度，將低階調(diào)制格式的微波信號聚合為高階調(diào)制格式的光信號。研究結果證明：聚合后的光信號在經(jīng)過1米自由空間鏈路和5公里光纖鏈路傳輸后，能被有效恢復；QPSK、4APSK和8QAM光信號的誤差矢量幅度（EVM）分別為6.11%、6.15%和6.40%；當八個BPSK微波信號被聚合到兩個正交偏振的16QAM光信號中時，x和y偏振分量的EVM分別為6.59%和6.79%。研究結果表明：在等效1502米自由空間鏈路和5公里光纖鏈路中，偏振分復用單邊帶（PDM-SSB） 型16QAM光信號的接收誤碼率（BER）大約為1.26×10-8，驗證了其在長距離傳輸中的有效性。綜上所述，該方案為未來高速、大容量的RoFSO通信系統(tǒng)的設計和應用提供了一定的技術參考。
4、神經(jīng)網(wǎng)絡
西安電子科技大學的Yahui Zhang等研究人員提出了用于自動調(diào)制識別（AMR）的混合深度光子脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡（HDPSNN），如圖4所示[4]。他們利用傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡進行特征提取，并采用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡（SNN）加速識別過程。研究人員通過實驗驗證了基于商用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的兩層光子SNN，并自制了法布里-珀羅可飽和吸收器（FP-SA）神經(jīng)元。研究結果表明：當信噪比（SNR）為+18dB時，HDSNN的最大準確率達到89.59%；當SNR為0dB時，對100個隨機測試樣本的預測精度達到了80%。研究人員構建了由垂直腔面發(fā)射激光器神經(jīng)元和嵌入可飽和吸收體法布里-珀羅激光器神經(jīng)元組成的雙層光子SNN，仿真研究結果表明：在+18 dB信噪比（SNR）時，最高識別準確率達89.59%；在0 dB SNR下對100個隨機樣本的推理準確率可達80%； HDSNN對100個隨機樣本的AMR識別準確率為70%，精度損失較小。綜上所述，該方案為深度光子脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的自動調(diào)制識別過程提供了新的參考借鑒。
5、超聲成像系統(tǒng)
華中科技大學的Anqi Wang等研究人員設計了基于光纖超聲探測器陣列的快速穩(wěn)定光聲成像系統(tǒng)，如圖5所示[5]。他們采用了64通道光纖超聲探測器陣列和高速光學開關（OSW），并結合優(yōu)化的法布里-珀羅（FP）傳感器結構實現(xiàn)了噪聲等效壓力為0.61 kPa和38 MHz的寬測量帶寬，從而能夠獲取高分辨率圖像。研究人員借助高速OSW將陣列元素進行逐點讀出，相比傳統(tǒng)型振鏡掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性提升了10倍。研究結果表明：應用該方案在10毫米深度處的垂直分辨率和水平分辨率分別為47微米和146微米，并在36毫米深度處保持了49微米的垂直分辨率和298微米的水平分辨率；同時系統(tǒng)反射率變異系數(shù)僅為0.4%，遠低于傳統(tǒng)振鏡系統(tǒng)的10%。綜上所述，該方案憑借其良好的穩(wěn)定性和成像能力，可為心血管和腦功能成像的提供有力支撐，未來有望成為光聲成像領域中一種快速、高分辨率且穩(wěn)定可靠的成像解決方案。
6、模式擾頻器
美國斯坦福大學的Oleksiy Krutko等研究人員設計了基于長周期光纖布拉格光柵（LPFG）的超低損耗模式擾頻器[6]，用于支持漸變指數(shù)型光纖模式復用鏈路應用。他們通過優(yōu)化光柵的橫向折射率分布和縱向光柵參數(shù)，在C波段內(nèi)實現(xiàn)了模式平均損耗和模式依賴損耗的標準差分別低于0.027 dB和0.011 dB。研究結果表明：在100跨段傳輸鏈路中，該模式擾頻器成功使鏈路模式依賴損耗（MDL STD）和群時延擴展（GD STD）的標準差隨跨段數(shù)量的平方根增長，如圖6所示。仿真研究證明：橫向折射率分布的隨機誤差對模式擾頻器的損耗影響較小，但同時兼顧橫向折射率分布和光柵周期的系統(tǒng)誤差影響時，鏈路群時延擴展會顯著增加。綜上所述，該方案驗證了超低損耗模式擾頻器在長距離模式復用光通信系統(tǒng)中的有效性和魯棒性，為未來大容量的模式復用光通信系統(tǒng)的設計和應用提供了參考借鑒。
參考文獻：
[1] SCHRENK B. Photonic Signal Processing for Phase-Agnostic Coherent Optical Reception[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2510-2517. DOI:10.1109/JLT.2024.3511939.
[2] WANG X, KERCHOVE F V, RAIKAR R, et al. A Novel Connection-Based Multicasting Router for Programmable Photonic Circuits[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2518-2527. DOI:10.1109/JLT.2024.3504279.
[3] HUANG H, ZENG S, LI L, et al. A Multi-Access RoFSO Communication System Incorporating a Microwave Photonic Channel Aggregator[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(5): 2184-2191. DOI:10.1109/JLT.2024.3490673.
[4] ZHANG Y, HUANG Z, XIANG S, et al. Hybrid Deep Photonic Spiking Neural Network for Automatic Modulation Recognition[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2672-2680. DOI:10.1109/JLT.2024.3510373.
[5] WANG A, YANG L, XU D, et al. Rapid and Stable Photoacoustic Imaging System Based on Fiber Ultrasound Detector Array[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(5): 2340-2348. DOI:10.1109/JLT.2024.3486461.
[6] KRUTKO O, REFAEE R, VIJAY A, et al. Ultra-Low-Loss Fiber Bragg Grating Mode Scrambler Design Exploiting Propagation Constant Engineering[J/OL]. Journal of Lightwave Technology, 2025, 43(6): 2883-2896. DOI:10.1109/JLT.2024.3510274.
