2023年8月JLT光通信論文評析

9/25/2023，光纖在線訊，光纖在線特約編輯：邵宇豐，王安蓉，袁杰，劉栓凡，左仁杰，李彥霖，陳鵬，李沖，李文臣，陳超，柳海楠 楊林婕，胡文光。

2023年8月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：概率整形IM/DD系統，無線光通信，摻銩光纖激光器，無源光網絡，水下光通信，激光器等；筆者將逐一評析。

1.概率整形IM/DD系統
德國基爾大學的M. S. -B. Hossain等研究人員在強度調制/直接檢測（IM/DD）系統中對均勻八電平脈沖幅度調制（PAM8）信號和概率整形（PS）PAM8信號進行了比較研究，其實驗裝置如圖1所示。研究人員采用了O波段電吸收調制激光器（EML），且在PS過程中應用了不同高斯階帽形與杯形麥克斯韋-玻爾茲曼（MB）分布處理。研究人員對系統進行了性能評估[1]，結果表明：帽形PS以增加符號率為代價獲得了非線性增益；在線性均衡時，帽形PS PAM8系統性能比均勻PAM8和杯形PS PAM8系統更優；在非線性均衡時，PS PAM8系統性能相對均勻PAM8系統性能的增益會降低，但都能實現約318Gb/s的相似峰值可實現信息率（AIR）。綜上所述，上述方案對PS技術在IM/DD系統中的應用具有一定參考價值。



2.無線光通信
吉林大學的Yingzhi Li等研究人員使用大孔徑集成氮化硅光學相控陣（OPA）芯片設計了一種高速長距離的無線光通信（OWC）系統，其實驗裝置如圖2所示。研究人員在高速和寬天線相位調諧的OWC系統中通過傳輸非歸零碼（NRZ）信號和四電平脈沖幅度調制（PAM4）信號對OPA芯片性能進行了驗證[2]，研究結果表明：采用OPA芯片的OWC系統可在54m自由空間距離上實現32Gb/s NRZ信號的低誤碼率（BER）傳輸，且最高可實現100°的無失真視場角（FOV）；在超過10m距離的水平方向0°和50°下可實現50 Gbit/s的PAM4信號傳輸；OPA的靈活波束控制能實現多目標通信中的快速信道切換， FOV中兩個任意目標的切換時間為27μs。因此，上述系統在無線光網絡應用領域具有實用價值。



3.摻銩光纖激光器
俄羅斯莫斯科國立鮑曼技術大學的Vasilii Voropaev等研究人員應用中心波長為1.9的摻銩光纖飛秒激光器和泵浦放大器，在硫化砷（As2S3）-硅基混合納米尖波導中產生了跨八度超連續譜（SC），其實驗裝置如圖3所示。他們采用全光纖超快速主振蕩器功率放大器作為泵浦源生成了中心波長為1.9的脈沖（具備23.84MHz的重復率和600mw的平均輸出功率）；泵浦光利用90°的雙軸拋物鏡準直光束，并使用4mm聚焦透鏡將泵浦光耦合至As2S3-硅波導中；將生成的SC由芯徑為200的多模氟化光纖收集并傳輸到光譜儀中進行分析[3]。研究結果表明：在纖芯直徑為1.7的波導中，在1.1到2.5波長范圍內能獲得最寬SC，此時可以觀察到顯著的色散波以及三次諧波分量。



4.無源光網絡
美國佐治亞理工大學Shuang Yao等研究人員基于人工神經網絡（ANN）對50Gbaud強度調制/直接檢測（IM/DD）無源光網絡（PON）中的信號實現了對稱概率整形（PS）和幾何整形（GS）過程優化，其實驗裝置如圖4所示。研究人員采用PS+GS的脈沖幅度調制（PAM4）來實現信號的靈活高速調制，并利用ANN學習各種信道條件下的調制特性；在發射端，采用了外部調制激光器（EML），其最低和最高的輸出光功率為1mw和4mw，消光比（ER）為6dB；在接收端，采用噪聲系數為7dB的半導體光放大器（SOA）對EML的輸出光信號增強，通過雪崩光電二極管（APD）將光信號轉換為電信號，使用跨阻放大器（TIA）將輸出電流轉換為電壓[4]。研究結果表明：ANN可應用于具備不同接收光功率（ROP）和光纖長度的PON系統中；與均勻PAM4信號相比，在經過10km單模光纖后依然有0.1bit/symbol的廣義互信息（GMI）改善；ANN可在-30dBm到-18dBm接收光功率范圍內學習調制過程，并提供了0.133bit/symbol的GMI改進。因此，上述方案對無源光網絡中的信號調制優化過程具有參考借鑒價值。



5. 水下光通信
華中科技大學的Xiao Li等研究人員設計了應用現場可編程門陣列（FPGA）的實時水下無線光通信（UWOC）系統，其實驗裝置如圖5所示。他們將三級級聯T橋均衡器（TCBE）與數字波形整形濾波器（DWSF）結合，實現了系統3dB帶寬由2.5MHz擴展到了44MHz，以適應不同的應用場景；采用FPGA進行數字信號處理，實現了UWOC系統的實時通信。為驗證該方案的可行性，研究人員在強度調制/直接檢測系統中設計了非歸零開關鍵控（IM/DD NRZ-OOK）調制信號的實時單LED UWOC系統[5]，研究結果表明：上述方案支持在1m水下信道中實現50Mbps的信號傳輸，且在無需前向糾錯（FEC）時誤碼率達到了8×10−5。他們利用TCBE設計了50MHz頻率范圍內的預均衡電路，并通過TCBE電路使系統3dB帶寬得到了有效擴展；在應用DWSF后，信號傳輸速率為10Mbps、20Mbps、30Mbps、40Mbps、45Mbps和50Mbps時，誤碼率值分別降低了15%、22%、26%、28%、95%和98%。綜上所述，當傳輸速率大于40Mbps時，該方案能顯著提高UWOC系統性能，為未來實時水下光通信系統設計提供了新思路。



6. 激光器
重慶大學的Laiyang Dang等研究人員設計了一種基于弱分布反饋效應的分布式布拉格反射（DBR）型全光纖激光器，以實現光譜凈化，實驗裝置如圖6所示。該激光器通過精確控制分布反饋信號的強度，以實現對激光頻域參數的調節。研究人員搭建了激光系統，并對該方案的有效性和合理性進行了驗證[6]，研究結果表明：該方案可以實現超高光譜純度激光器的制備，輸出光譜信噪比為64dB，側模抑制比（SMSR）從53dB增加到83dB，輸出洛倫茲線寬從8.2kHz壓縮到115Hz，相對強度噪聲小于−122dB/Hz，高頻白噪聲平坦區域的噪聲極限值為4.8Hz2/Hz，且SMSR和洛倫茲線寬在53~83dB和115Hz~8.2kHz范圍內可連續調節。他們還研究了不同泵浦結構對DBR光纖激光器性能的影響，證明了微弱分布反饋信號在正向泵浦激光體系結構的光譜凈化中起著決定性的作用。綜上所述，上述光譜調控機制對其他激光參數的極端調控具有一定參考價值。



參考文獻：
[1].M. S. -B. Hossain et al., "Probabilistic Shaping for High-Speed Unamplified IM/DD Systems With an O-Band EML," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5373-5382, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3263039.
[2].Y. Li et al., "High-Data-Rate and Wide-Steering-Range Optical Wireless Communication via Nonuniform-Space Optical Phased Array," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4933-4940, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3252166.
[3].V. Voropaev et al., "Octave-Spanning Supercontinuum Generation in As2S3-Silica Hybrid Waveguides Pumped by Thulium-Doped Fiber Laser," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 5116-5122, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253889.
[4].S. Yao, A. Mahadevan, Y. Lefevre, N. Kaneda, V. Houtsma and D. van Veen, "Artificial Neural Network Assisted Probabilistic and Geometric Shaping for Flexible Rate High-Speed PONs," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5217-5225, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3259929.
[5].X. Li, L. Gui, Y. Xia and L. Lang, "Demonstration of a Real-Time UWOC System Using a Bandwidth Limited LED Based on Hardware and Software Equalization," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 15, pp. 4979-4988, 1 Aug.1, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3253810.
[6].L. Dang et al., "Spectrum Extreme Purification and Modulation of DBR Fiber Laser With Weak Distributed Feedback," in Journal of Lightwave Technology, vol. 41, no. 16, pp. 5437-5444, 15 Aug.15, 2023, doi: 10.1109/JLT.2023.3256795.