2023年10月PTL光通信論文評析

11/20/2023，光纖在線訊，光纖在線特約編輯，邵宇豐，王安蓉，胡文光，楊林婕，柳海楠，李文臣，陳超，張顏鷺，岳京歌，靳清清。

2023年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：微波光子信號處理、激光器、PON系統、PS-PAM4調制、光時域傳感器、調制器偏置控制等，筆者逐一評析。

1、微波光子信號處理
暨南大學光子技術研究所的Zeng Shengkang等研究人員設計了采用雙偏振雙驅動馬赫-曾德爾調制器（DP-DDMZM）和偏振器進行微波信號光子聚合的新方案，并進行了實驗驗證，如圖1所示[1]。他們通過控制DP-DDMZM和偏振器的相位和幅度，將四路具有相同載波頻率的二進制相移鍵控（BPSK）微波信號聚合成16進制正交幅度調制（16QAM）光信號；并將聚合后的光信號經由光纖傳輸至相干接收器以解調恢復BPSK信號。研究結果表明：無光纖和采用8.9 km光纖傳輸時，16QAM信號的誤差矢量幅度（EVM）分別為6.91%和9.21%，偏振分復用（PDM）技術的應用還可以同時使得傳輸容量翻倍。綜上所述，與不進行聚合的4路BPSK信號單路傳輸相比，聚合后的16QAM光信號的收發具有復雜度低、頻譜效率高的優點，在未來寬帶信號傳輸領域具有潛在的應用價值。 



2、激光器
巴黎理工學院的Cui等研究人員研究了光反饋作用下工作于通信波段的混合等離子體分布式反饋（DFB）激光器的非線性特性，并設計了新型混合等離子體DFB激光器結構（由DFB激光器、光柵耦合器和表面等離子體極化激元（SPP）波導組成），如圖2所示[2]。在實驗中，研究人員通過測量強度噪聲分析了松弛振蕩頻率。實驗結果證明了與使用介電波導制成的標準半導體激光器相比，該激光器具有8dB的裕度；且驗證了在光反饋作用下混合等離子體器件難以形成混沌態。研究結果表明：與標準量子阱DFB器件相比，等離子體器件具有更寬周期振蕩窗口。綜上所述，新型DFB激光器的結構特性將有利于其用于超高速數據光通信系統。



3、PON系統
上海交通大學的Jiang Wenqing等研究人員采用Volterra非線性均衡器（VNLE），設計了實時強度調制和直接檢測（IM/DD）的PON系統，如圖3所示；其中應傳輸的四電平脈沖幅度調制（PAM4）信號由任意波形發生器（AWG）產生；傳輸后的光信號經光電轉換后生成的電信號通過15GHz帶寬的30GSa/s 模數轉換器（ADC）和數字示波器（DSO）將模擬信號轉換為數字信號。其中，分辨率6bit的數字信號由ADC采樣得到，通過現場可編程門陣列（FPGA）夾層卡（FMC）傳輸到FPGA，并由千兆收發器接收。在預處理后，在FPGA中以每符號1個樣本操作的VNLE來補償信號[3]。研究結果表明：在30Gb/s速率O波段IM/DD PON系統中，實時ADC-FPGA接收機采用VNLE后總功耗下降了71.6%，功率預算僅下降了0.2dB；在均衡之后，隨著VNLE階數的增加，誤碼率（BER）逐漸降低。綜上所述，該方案實驗證明了PON系統中使用VNLE在提升信號接收質量和降低成本方面具有一定的潛在應用價值。



4、PS-PAM4調制
華僑大學的Yu Haiyun等研究人員設計了聯合極性編碼調制的概率整形（PS）方案，并采用強度調制和直接檢測（IM/DD）四電平脈沖幅度調制（PAM4）系統進行了驗證，如圖4所示。該方案采用比特權重構（BWR）模式實現了PS過程，即采用兩比特置換（BP）操作來重用凍結比特進行整形，可在既沒有額外整形比特也沒有額外FEC冗余的情況下，增強比特“0”的概率權重來獲得所需的PS分布[4]。其中，具有3/4碼率的30GBaud極性編碼PS-PAM4信號由具備50GSa/s采樣率、18GHz帶寬的任意波形發生器（AWG）生成。研究人員采用實時示波器（OSC）對接收PS-PAM4信號進行數字信號處理（離線DSP處理）。實驗結果表明：在含5km光纖鏈路的光互聯系統中，使用該PS-PAM4信號，能提升接收機功率靈敏度1.7dB，并提升2.6dB的系統對光纖非線性效應的容忍度。綜上所述，該方案具備數字信號處理復雜度低且能提升信號接收靈敏度的優點，因此它在光互連應用領域有一定的應用潛力。



5、光時域傳感器
南京航空航天大學的Yuyang Zhang等研究人員設計了一種人工神經網絡（ANN）的新型擬合方法（采用稀疏頻率布里淵譜增強擬合網絡（SF-BSEFN）），在布里淵光時域傳感器（BOTDS）中直接從頻率稀疏采樣的布里淵增益譜（BGS）中提取布里淵頻移（BFS），實驗裝置如圖5所示。其中，使用SF-BSEFN 獲得的擬合精度是使用傳統 ANN 方法的1.6倍；當BGS的平均次數超過4000時，溫度測量的不確定度為0.16℃，這與使用傳統高分辨率的BGS-ANN獲得的溫度測量不確定度幾乎相同，但該方法的數據采集速度是傳統 BOTDS的20倍[5]。綜上所述：通過采用稀疏頻率采樣策略，僅需要收集位于不同散射頻率的少量時間軌跡，并使用大頻率掃描步長，可顯著提高BOTDS的測量速度；SF-BSEFN 合并了包含高分辨率BGS信息的數據增強層，還有助于避免擬合精度的下降。綜上所述，該方案在光時域傳感器應用領域有一定的參考價值。



6、調制器偏置控制
韓國延世大學的Hyun-Kyu Kim等研究人員采用現場可編程門陣列（FPGA）和驅動電路組成的控制器，自動調節硅基馬赫曾德爾調制器（Si-MZM）的正交偏置所需的驅動電壓，并防止溫度和輸入光功率波動，其結構如圖6所示。在鎖定模式期間，當監測到傳輸特性不是最佳時，通過改變偏置電壓來維持正交偏置條件[6]。實驗結果表明，該偏置控制器能使Si-MZM以更低的功耗實現高性能；雖然控制器是用FPGA設計的，但控制硬件制備簡單，并以用定制的集成電路（IC）來實現，大大減小了尺寸和功耗，因此上述方案具有一定的潛在應用價值。



參考文獻
[1]S. Zeng et al., "Photonic Aggregation of Microwave Signals With Electro-Optic Modulation and Polarization Combination," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1059-1062, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3297967.
[2]D. Cui, J. Chen, A. Bousseskou, H. Huang and F. Grillot, "Sustained Feedback-Induced Oscillations in a Hybrid Single Mode Semiconductor Plasmonic Laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1090-1093, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3296962.
[3]W. Jiang, L. Huang, Y. Xu, Z. He, W. Hu and L. Yi, "Real-Time Deployment of Simplified Volterra Nonlinear Equalizer in High-Speed PON," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1067-1070, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3299300.
[4]H. Yu et al., "A Novel Probabilistic Shaping PAM4 Employing Bit Weight Reconstruction for Optical Interconnection," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1123-1126, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3301970.
[5]Y. Zhang, Y. Lu and J. Peng, "Fast Brillouin Frequency Shift Retrieval by Sparse Frequency Enhanced Neural Network," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 20, pp. 1102-1105, 15 Oct.15, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3301556.
[6]H. -K. Kim, K. Kim, M. -H. Seong, Y. Ji and W. -Y. Choi, "A Bias Controller for Si Mach-Zehnder Modulator," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 35, no. 19, pp. 1027-1030, 1 Oct.1, 2023, doi: 10.1109/LPT.2023.3297177.