6/03/2024，光纖在線訊，光纖特約編輯，邵宇豐，王安蓉，楊林婕，柳海楠，李文臣，胡文光，陳超，張顏鷺，岳京歌，靳清清。

2024年4月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：濾波器、無源光網(wǎng)絡(luò)、光交換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多通道空分復(fù)用、機(jī)器學(xué)習(xí)等，筆者將逐一評析。

1、濾波器
美國德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的F. A. Simlan等研究人員設(shè)計了鍺（Ge）制備的導(dǎo)模共振（GMR）型長波紅外（LWIR）濾波器[1]，如圖1所示。該濾波器采用單層GMR濾波器作為帶阻濾波器，可實(shí)現(xiàn)較高光密度和邊帶效率；在基底背面加入了抗反射（AR）層增強(qiáng)濾波器的穩(wěn)定性，相比于窄帶陷波濾波器結(jié)構(gòu)，該方案可彌補(bǔ)帶寬不可調(diào)帶來的工作限制。該濾波器的低透光率測量值低至0.021%，光密度為3.68。綜上所述，該設(shè)計方案在制備光譜可調(diào)高性能濾波器方面具有潛在的應(yīng)用價值，也為在長波紅外譜域制備具有快速沉積稀疏薄膜結(jié)構(gòu)的各種功能器件奠定了研發(fā)基礎(chǔ)。



2、無源光網(wǎng)絡(luò)
暨南大學(xué)的Haide Wang等研究人員設(shè)計了采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法和星座成形四電平脈沖幅度調(diào)制（GCS-PAM4）導(dǎo)頻的相干無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）密鑰分配方案[2]。如圖2所示，GCS-PAM4導(dǎo)頻中的第一個比特用于載波相位恢復(fù)（CPR），第二個比特用于分配密鑰而不占用額外開銷；通過極化碼對密鑰比特進(jìn)行編碼，保證無誤碼分配（每個碼字支持頻繁密鑰更新過程）和提升相干PON的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在采用16進(jìn)制正交幅度調(diào)制的數(shù)字子載波復(fù)用型200Gbps相干PON的系統(tǒng)中，密鑰分發(fā)在上行傳輸時無差錯，且不占用額外通信開銷；在下行傳輸時可通過AES算法防止竊聽。此外，與二進(jìn)制相移鍵控導(dǎo)頻方案相比，采用GCS-PAM4導(dǎo)頻后CPR過程中幾乎沒有性能損失；上述設(shè)計方案對于未來增強(qiáng)PON物理層安全性能具有參考借鑒價值。



3、光交換
上海交通大學(xué)的Shuai Zhang等研究人員設(shè)計了在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCN）光交換平面中采用需求矩陣分解（DMD）調(diào)度算法進(jìn)行資源分配（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)在重配置延遲不可忽略的情況下提高系統(tǒng)吞吐量[3]。研究結(jié)果表明，應(yīng)用混合整數(shù)非線性規(guī)劃進(jìn)行部分重新配置和中斷可顯著提高系統(tǒng)工作性能；研究人員還設(shè)計了新方法用于實(shí)現(xiàn)調(diào)度過程中的部分重配置和中斷。研究結(jié)果表明：允許部分重構(gòu)和中斷的DMS調(diào)度算法的應(yīng)用使得系統(tǒng)資源分配性能提升了33%。該方案的設(shè)計和應(yīng)用為未來數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及其中光交換資源的分配提供了參考借鑒。



4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
復(fù)旦大學(xué)的An Yan等研究人員設(shè)計了支持帶寬限制信號處理和實(shí)現(xiàn)非線性緩解的自適應(yīng)部分響應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均衡（APR-NNE）方法。如圖4所示，該方法實(shí)現(xiàn)了通道均衡和噪聲白化平衡[4]，支持在均衡器訓(xùn)練期間自動優(yōu)化白化系數(shù)，無需在后置濾光片后引入額外掃描或訓(xùn)練過程，可在匹配通道響應(yīng)方面實(shí)現(xiàn)最佳性能平衡。面向輸出的部分響應(yīng)信號，研究人員應(yīng)用最大似然序列估計序列來緩解采用APR-NNE后噪聲抑制過程引入的已知符號間串?dāng)_（ISI），并恢復(fù)原始信號；研究人員在10dB 帶寬為57GHz的系統(tǒng)中成功收發(fā)和傳輸了150GBaud的4階脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號。研究結(jié)果表明：采用該方案能有效補(bǔ)償帶寬限制引起的ISI，在C波段0.5 km 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后能有效接收PAM4信號（達(dá)到7%硬判決前向糾錯閾值）。上述方案有望在未來光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用以改善PAM4信號的收發(fā)質(zhì)量。



5、多通道空分復(fù)用
加拿大魁北克拉瓦爾大學(xué)的Arman Safarnejadian等研究人員在相干檢測光傳輸系統(tǒng)中結(jié)合多通道空分復(fù)用（N-SDM）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了1.6Tbps數(shù)據(jù)中心互連（DCI） [5]。研究人員設(shè)計了兩種不同帶寬和長度的雙極性硅光子（SiP）IQ調(diào)制器，并構(gòu)建了單通道N-SDM系統(tǒng)模型，如圖5所示。研究人員結(jié)合硬件特性修改單通道模型參數(shù)后對系統(tǒng)進(jìn)行了端到端檢查，確定了最低功耗下SDM通道的并行度。研究結(jié)果表明：在1.6T-DCI系統(tǒng)中，三通道SDM結(jié)構(gòu)不僅在所有多通道解決方案中消耗功率最少；且與單通道方案相比可節(jié)省高達(dá)59%的系統(tǒng)功耗。由于上述方案在滿足DCI大傳輸容量的同時降低了功耗，因此有望在未來數(shù)據(jù)中心互連中起到降本增效的作用。



6、機(jī)器學(xué)習(xí)
上海交通大學(xué)的Y. Xu等研究人員應(yīng)用噪聲自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了端到端機(jī)器學(xué)習(xí)方案（如圖6所示），并在強(qiáng)度調(diào)制直接檢測型100G無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證[6] 。研究人員設(shè)計了一種支持信道建模分析的噪聲自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬信道響應(yīng)和信道噪聲對傳輸信號的影響；其結(jié)構(gòu)具備多尺度深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MscaleDNN）特征，可以更好表征不同頻率下的信道響應(yīng)。研究人員使用兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送端和接收端取代獨(dú)立的信號處理模塊，通過聯(lián)合訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)收發(fā)性能的優(yōu)化；同時引入內(nèi)存緩沖技術(shù)和約束損失，以顯著提高端到端機(jī)器學(xué)習(xí)效率和信號收發(fā)性能。研究結(jié)果表明：相比于接收端進(jìn)行Volterra非線性均衡和間接方式聯(lián)合均衡，應(yīng)用該方案后接收機(jī)靈敏度分別提升了0.8 dB和1.2 dB，并實(shí)現(xiàn)了31.4 dB的系統(tǒng)功率預(yù)算；該方案可有效降低系統(tǒng)配置復(fù)雜度且可提升信號收發(fā)性能，為未來的高速率大容量光通信系統(tǒng)設(shè)計提供了新視角。



參考文獻(xiàn)
[1] F. A. Simlan, K. J. Lee, Y. H. Ko, N. Gupta and R. Magnusson, "Fabrication of Single-Layer Resonant Infrared Filters With High Optical Density," in?Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 7, pp. 2345-2350, 1 April1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3335946.
[2] R. H. Wang et al, "Pilot-Based Key Distribution and Encryption for Secure Coherent Passive Optical Networks," in?Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 8, pp. 2792-2798, 15 April15, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3348296.
[3] S. Zhang, J. Shao, B. Chen, W. Sun and W. Hu, "Interruptible Scheduling of Partially Re-Configurable Optical Switching in Data Center Networks," in Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 7, pp. 2212-2224, 1 April1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3341042.
[4] A. Yan et al., "Adaptive Partial-Response Neural Network Equalization for Bandwidth-Limited PAM Transmission in Intra-Datacenter Interconnect," in Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 8, pp. 2762-2773, 15 April15, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3348482.
[5] A. Safarnejadian, A. Mohammadi, L. A. Rusch, W. Shi and M. Zeng, "A Power-Efficient SDM Structure for Next-Generation Data Center Interconnect," in?Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 7, pp. 2252-2259, 1 April1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3341402.?
[6] Y. Xu, L. Huang, W. Jiang, X. Guan, W. Hu and L. Yi, "End-to-End Learning for 100G-PON Based on Noise Adaptation Network," in?Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 7, pp. 2328-2337, 1 April1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2023.3341495.?