光纖在線特邀編輯：邵宇豐，王安蓉，胡欽政，王壯，楊杰，伊林芳，田青，楊琪銘，于妮
    8/09/2021，光纖在線訊，2021年2月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：毫米波通信、自由空間無線光通信、光纖傳輸、相干光通信等。筆者將逐一評析。

1.毫米波通信

    比利時根特大學(xué)的Laurens Bogaert等研究人員設(shè)計了一種毫米波（mmWave）光纖無線通信系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)使用了反射式電吸收調(diào)制（EAM）的 SiPhotonics / GaAs 收發(fā)器，其中芯片組功耗為427mW，鏈路增益為28.4dB（光功率為3dBm），支持24.7~28.6GHz的鏈路帶寬。研究人員設(shè)計了光纖無線（RoF）的集中式結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，他們采用了結(jié)合反射上行鏈路的光纖射頻（RF-over-Fiber）傳輸方案。研究表明，在2km光纖5m無線mmWave鏈路上，下行和上行鏈路的傳輸速率達(dá)7Gb/s以上[1]。


 
圖1雙向28GHz射頻鏈路的實驗裝置

美國佐治亞理工學(xué)院的Min-Yu Huang等研究人員研制了一種新型毫米波（mm-Wave）波束成形器系統(tǒng)，適用于未來5G新空口( NR )頻段的寬帶和動態(tài)毫米波前傳應(yīng)用，如圖2所示。該系統(tǒng)采用自主波束成形器通過多延遲鎖定環(huán)（DLL）的相位域負(fù)反饋，支持實現(xiàn)多個5G NR調(diào)制的無數(shù)字信號處理（DSP）中頻（IF）波束成形過程，還支持5G無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）中的用戶設(shè)備（UE）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）中的雙向收發(fā)器（TRX）工作。在無到達(dá)角（AoA）的情況下，該器件能動態(tài)、自動感知和追蹤UE處的寬帶調(diào)制信號，并將信號發(fā)回目標(biāo)RRU，從而完成實時雙向光纖無線通信過程。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能在22~40 GHz寬帶天線陣列上實現(xiàn)全FoV波束成形（180° ）過程，并能實現(xiàn)多頻帶( 24.75 GHz和37 GHz )信號在10公里光纖鏈路上的毫米波信號傳輸[4]。



圖2毫米波（mm-Wave）波束成形系統(tǒng)
2.自由空間無線光通信

上海大學(xué)的Yetian Huang等研究人員設(shè)計了一種雙向無線光通信（OWC）系統(tǒng)，如圖3所示。研究人員采用多模垂直腔表面發(fā)射激光器（MM-VCSEL）和寬帶放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲源等低成本器件產(chǎn)生非相干和低相干空間模式，減輕相干干擾實現(xiàn)收發(fā)性能可靠的通信過程。研究人員使用可編程多平面光轉(zhuǎn)換（MPLC）的模式復(fù)用器（MMUX）實現(xiàn)了可重構(gòu)光束偏轉(zhuǎn)，并利用低損耗上行鏈路光束組合實現(xiàn)了點對多點光學(xué)無線通信，結(jié)合多模光纖（MMF）擴(kuò)展了系統(tǒng)覆蓋范圍。研究結(jié)果表明，雙向自由空間無線光傳輸鏈路能實現(xiàn)點對多點下行鏈路和低損耗上行鏈路的聯(lián)合通信，同時支持大量的遠(yuǎn)程節(jié)點（RN）[2]接入。



圖3雙向無線光通信系統(tǒng)
3.光纖傳輸

日本電報電話公司的Shuto Yamamoto等研究人員設(shè)計了一種新型強度調(diào)制/直接檢測（IM-DD）通信系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用非線性差分編碼PAM信號（NLDCP）的頻譜整形方案，實現(xiàn)了更窄信號頻帶的應(yīng)用，并增強了對帶寬限制的容忍度。研究人員通過O波段10km傳輸實驗（3dB帶寬為14GHz，10dB帶寬為32GHz），在不使用非線性Volterra均衡器的情況下實現(xiàn)了186Gb / s的傳輸速率。研究結(jié)果表明，NLDCP對有限帶寬（BWL）的容忍度更高，并在3 dBm的接收功率下達(dá)到了7％的硬判決前向糾錯（HD-FEC）閾值（傳統(tǒng)的PAM4無法達(dá)到）。研究人員還設(shè)計了一種非線性差分編碼和對數(shù)似然比（LLR）的解碼的組合方案，與基于模式解碼的方案相比，該組合方案在收發(fā)光功率上實現(xiàn)了4 dB的提升[3]。



圖4收發(fā)非線性差分編碼PAM信號的IM-DD通信系統(tǒng)

4.相干光通信

美國NeoPhotonics公司的Jianying Zhou等研究人員設(shè)計了一種新型光相干通信系統(tǒng)，如圖5所示。其中的100Gbaud相干收發(fā)器使用了Ge光電探測器和載流子損耗調(diào)制器。研究人員通過摻雜和其它器件設(shè)計（介質(zhì)摻雜和2mm長的移相器），實現(xiàn)了高性能的高速全硅光載流子的馬赫-曾德爾調(diào)制過程（6dB EO帶寬>60GHz）。研究人員采用同相/正交（IQ）調(diào)制器（消光比大>25 dB、半波電壓 Vπ為6.3V、6dB電光帶寬為50GHz），并使用任意波發(fā)生器（AWG）和光學(xué)調(diào)制分析儀（OMA）中的奈奎斯特濾波器和線性補償器，實現(xiàn)了120Gbaud QPSK和100Gbaud 32QAM的高波特率信號收發(fā)過程。研究結(jié)果表明，對于帶寬受限的硅光子調(diào)制器，可以通過預(yù)均衡（Pre-EQ）設(shè)計來優(yōu)化誤碼率（BER）性能。由于峰均功率比（PAPR）、均衡帶寬對BER和調(diào)制損耗的性能有較大影響，因此當(dāng)使用Pre-EQ進(jìn)行帶寬補償時，發(fā)射機(jī)響應(yīng)頻帶快速滾降時的頻率值變化比3 dB電光帶寬取值在實際應(yīng)用中更為值得關(guān)注[5]。



圖5新型光相干通信系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)

[1]      L. Bogaert et al., “SiPhotonics/GaAs 28-GHz Transceiver with Reflective EAM for Laser-Less mmWave-Over-Fiber,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 3, pp. 779–786, 2021, doi: 10.1109/JLT.2020.3021175.

[2]      Y. Huang et al., “Optical Broadcasting Employing Incoherent and Low-Coherence Spatial Modes for Bi-Directional Optical Wireless Communications,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 3, pp. 833–838, 2021, doi: 10.1109/JLT.2020.3044658.

[3]      S. Yamamoto, H. Taniguchi, M. Nakamura, and Y. Kisaka, “Nonlinear Differential Coding for Spectral Shaping Optical Transmission,” vol. 39, no. 4, pp. 1064–1071, 2021.

[4]      M. Y. Huang, Y. W. Chen, R. K. Shiu, H. Wang, and G. K. Chang, “A Bi-Directional Multi-Band, Multi-Beam MM-Wave Beamformer for 5G Fiber Wireless Access Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 4, pp. 1116–1124, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3042052.

[5]      J. Zhou, J. Wang, and Q. Zhang, “Silicon photonics for 100Gbaud,” Opt. InfoBase Conf. Pap., vol. Part F174-OFC 2020, no. 4, pp. 857–867, 2020, doi: 10.1364/OFC.2020.T3H.4.