光通信系统与网络技术

  • 简化相干技术研究进展

    胡山;李威;潘映梅;曾韬;罗鸣;喻煌;郭浩;

    随着光通信技术在现代社会生产生活中的广泛应用,其应用场景日益多样化和复杂化。尤其在数据中心和宇航等领域,传统数字相干光通信接收方法的复杂度和功耗问题日益凸显。近年来,模拟相干技术因其能在保持通信质量的同时降低复杂度和功耗而备受关注。该技术通过使用模拟器件实现传统数字相干光通信接收端的部分或全部功能,从而简化了接收结构并降低了功耗。文章首先介绍了模拟相干技术的典型架构,展示了其主要组成部分;然后具体介绍了各个部分的原理、具体结构和实现方式,包括时钟与载波恢复、光域偏振解复用(偏振旋转补偿)和模拟自适应均衡;最后介绍了与模拟相干技术相近的其他简化相干技术,包括准相干接收技术、Kramers-Kronig(KK)接收技术和差分接收技术,分析了这些技术的原理,列出了目前主要的研究成果,并介绍了其各自的优缺点及应用场景。通过对模拟相干及其他简化相干技术的原理和研究现状的分析,比较了各种简化相干方式的优点和不足,阐述了简化相干技术未来应发展的方向,为未来简化相干技术的研究提供了参考。

    2025年01期 No.247 5-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 1295K]
  • 模分复用系统中模式轮循策略的对比研究

    高天宇;王彦泽;刘亚平;杨志群;张林;

    【目的】模分复用技术是突破单模光纤传输系统容量极限的关键技术。在少模光纤链路中,随着传输距离的增大,模间色散导致的脉冲展宽使接收端多输入多输出算法的复杂度变高,这是限制模分复用系统实现长距传输的重要原因之一。而应用模式轮循方法能够有效压缩脉冲展宽,减小模式相关损耗,是目前实现长距离大容量模分复用系统传输的主流技术路径。但模式轮循策略数量众多,性能存在差异,探究更适用于长距大容量模分复用系统的模式轮循策略成为亟待解决的难题。【方法】文章提出了一种模式轮循策略匹配光纤群时延排布的设计思路,设计了配合群时延对称型少模光纤使用的对称模式轮循(MFMP)策略。通过仿真平台建模,分析了文章所提MFMP模分复用系统传输性能,并进行了6模复用传输系统实验验证。【结果】文章基于MFMP策略,使用28 GBaud正交相移键控信号,结合群时延对称型少模光纤,开展了822 km的6模实验传输。在616 km处,与传统依次模式轮循(CMP)和模群轮循(CMGP)策略相比,信号的脉冲展宽分别压缩了37%和6%,Q值分别提升了3.0和0.4 dB。【结论】文章所提MFMP策略能够有效压缩脉冲展宽,提高系统传输Q值,通过仿真和实验分别验证了其性能优于传统的2类轮循策略,该工作为实现基于模式轮循的长距大容量模分复用传输提供了理论依据和实验指导。

    2025年01期 No.247 12-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 1480K]
  • 基于SSA-ELM神经网络的室内可见光定位系统

    贾科军;牛振;于凯;张志聪;彭铎;曹明华;

    【目的】针对极限学习机(ELM)神经网络在室内可见光定位(VLP)中收敛不稳定,易陷入局部最优状态,导致定位精度降低的问题,文章引入了麻雀搜索算法(SSA)确定ELM神经网络的初始权值和阈值,提出了SSA-ELM神经网络算法。【方法】首先,采集定位区域内接收信号强度(RSS)与位置信息作为指纹数据;然后,训练SSA-ELM神经网络并得到预测模型,将测试集数据输入预测模型得到待测位置的定位结果;最后,设计了仿真实验和测试平台。【结果】仿真表明,在立体空间模型中0、0.3、0.6和0.9 m 4个接收高度,平均误差分别为1.73、1.86、2.18和3.47 cm,与反向传播(BP)、SSA-BP和ELM定位算法相比,SSA-ELM神经网络算法定位精度分别提高了83.55%、45.71%和26.26%,定位时间分别降低了36.48%、17.69%和6.61%。实验测试表明,文章所提SSA-ELM神经网络算法的平均定位误差为3.75 cm,比未优化的ELM神经网络定位精度提高了16.38%。【结论】SSA对ELM神经网络具有明显的优化作用,能够显著降低定位误差,减少定位时间。

    2025年01期 No.247 17-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1630K]
  • 油气管道阀室光通信网络高精度时延测量机制

    李亚锋;曲柏达;刘芸;王云鹏;姚颖晶;张蕾;王竞翔;

    【目的】随着我国长输油气管道里程的增长,油气管道阀室光通信网络在油气管道的智能化管理中发挥了重要作用。然而,时延作为光通信网络业务优化评估的重要依据,由于现有油气管道阀室光通信网络及其相对落后的技术体制等问题,光网络时延测量(DM)存在自动化程度低、DM操作周期长和对承载业务正常运行影响大等问题,迫切需要一种新型DM方案。【方法】文章基于光传送网(OTN)光业务单元(OSU)技术,使用OSU帧结构中的DM字段,实现了一种高精度时延计算方法。【结果】通过实验测试,在多种业务场景和颗粒度下,文章所设计的油气管道阀室光通信网络高精度DM机制,可在保证DM精度、无需人工现场操作和业务正常运行的前提下,实时掌握其时延状态。【结论】文章所提方法证明了基于OTN OSU的高精度DM机制可以为油气管道阀室光通信网络的业务时延优化和保障提供有力支持。

    2025年01期 No.247 22-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 1545K]
  • 基于多源域迁移学习的光纤非线性损伤补偿

    陈志轩;蔡炬;张洪波;张敏;万峰;杜杰;刘娇;张倩武;

    【目的】近年来基于神经网络(NN)的均衡器在光纤非线性损伤补偿中被广泛使用,但在实际应用中,需要消耗大量资源对NN进行再训练以适应新环境下的光通信系统。迁移学习通过将初始系统(源域)训练的NN模型中的一部分参数应用于新环境(目标域)下的NN模型,仅需使用少量的训练数据即可实现目标域模型的快速重构,但是该方法需要在所有源域中找到最佳源域进行迁移以获得良好的性能,且当目标域变化后需重新寻找最佳源域,这会消耗大量的训练资源。【方法】为解决此问题,文章提出了一种基于多源域迁移学习的方法,该方法将卷积神经网络(CNN)和双向长短期记忆(BiLSTM)作为均衡器,通过特定源域训练和多源域训练两个过程交替更新网络参数,然后针对新环境下的光通信系统进行微调,只需使用少量的初始训练数据即可适应传输系统的变化,且无需寻找最佳源域即可实现良好的性能。【结果】文章在5通道50-GBaud波分复用(WDM)双偏振16阶正交幅度调制(DP-16QAM)的光传输系统中进行了仿真验证,综合数值仿真结果表明,仅需使用35%的目标域数据进行多源域迁移学习,即可具有比再训练方法更好的性能。同时,与再训练和单源域迁移学习相比,多源域迁移学习的Q因子分别提高了0.82和0.18 dB。【结论】因此,多源域迁移学习方案更适合于实际的光通信系统。

    2025年01期 No.247 27-32页 [查看摘要][在线阅读][下载 1797K]
  • 面向电力通信的Delta-sigma调制高可靠传输研究

    张俊;芮文君;吕娜;

    【目的】电力通信专网用于电力系统的调度、运营和管理,其重要特点是高度的可靠性和实时性。当前电力通信专网的典型中继距离为40 km,为了进一步提升其可靠性,可以增加单光口传输距离和减少光放大器数量,从而减少潜在故障点。【方法】文章提出了一种基于Delta-sigma调制的高保真度数字传输方法,在发射端利用过采样、噪声整形和两电平量化等方法,将原始高阶调制信号转化成正交相移键控(QPSK)的光域波形,以大幅提升传输过程中对链路噪声和非线性的抵抗能力。在接收端通过符号判决移除链路噪声,再利用低通滤波器消除整形后的带外量化噪声,最终实现原始信号的低复杂度解调。【结果】在验证性离线实验中,经过160 km标准单模光纤的无中继传输和相干检测后,50 GBaud偏振复用QPSK光域波形可以实现无误码传输。解调后的原始高阶调制信号在9倍过采样下,恢复信噪比(SNR)可以达到33.0 dB,达到32.0 dB的SNR门限,能够支持1 024进制正交幅度调制(1 024-QAM)信号的高保真传输,单波长比特率为111 Gbit/s。【结论】实验结果表明,Delta-sigma调制方案能够以带宽展宽获取SNR提升,从而有效拓展传输跨距和传输性能,为下一代低成本和高可靠性电力专网提供了潜在的解决方案。

    2025年01期 No.247 33-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 2130K]

光电器件研究与应用

  • 基于C+L波段远程增益单元的设计及应用研究

    梁宇东;喻杰奎;谭曼;段明雄;王文忠;龙函;徐健;黄超;李书恒;吴剑军;

    【目的】针对C+L波段大容量超长跨距传输系统结构复杂,实现难度大的问题,文章设计了一种同时放大C和L波段的远程增益单元(RGU)。【方法】文章通过研究掺铒光纤(EDF)对光信号放大的理论,得出EDF长度与RGU的增益以及噪声系数的关系。再通过模拟仿真,比较不同设计方案下RGU的增益与噪声系数,选出RGU中C和L波段最佳的EDF长度,并通过优化光路子系统参数,设计出在实际应用场景下,基于远程光泵放大器(ROPA)系统性能最优的C+L波段RGU。文章还搭建了基于后向RGU的单载波400 Gbit/s速率C+L超大容量长跨距无中继传输系统进行了实验验证。【结果】实验采用前向高阶拉曼放大技术与高阶泵浦结合后向ROPA放大技术,实现了36 Tbit/s(90×400 Gbit/s)无中继传输342.5 km的最新记录。【结论】结果表明,实验测试的C+L波段RGU的增益与噪声系数与模拟仿真数据结果高度一致,即这种远程增益结构下C波段17 m与L波段21 m EDF的设计符合理论研究。实验系统的传输记录说明了基于理论研究设计的C+L波段RGU在无中继大容量传输系统中的可行性,并且其能大幅提高C+L波段传输系统的传输距离。文章取得了有实际意义的结果,为我国大容量超长距离(ULH)系统在信号波段的拓展方向的应用提供了系统的性能、指标、参数和标准等实验依据。

    2025年01期 No.247 39-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1949K]
  • 面向ONT的金属散热器电磁辐射仿真方法

    田传寅;张毅;

    【目的】光网络终端(ONT)中的金属散热器会耦合来自高速微带线的电磁干扰,并向空间辐射电磁波。金属散热器的电磁辐射可能会对接收机的无线性能产生严重影响。因此在ONT产品的设计阶段需要对金属散热器的电磁辐射进行准确地仿真和评估。【方法】文章提出了一种基于场路协同的金属散热器电磁辐射仿真方法,可以实现对金属散热器的谐振频率和电磁辐射强度的全面评估。通过电路仿真与电磁场仿真的协同工作,该方法将微带线上的高速时域信号作为模型的激励源,使仿真模型更接近实际情况。文章通过实验验证了所提方法仿真结果的合理性与准确性。【结果】研究结果表明,与常见的仿真方法相比,文章所提仿真方法得到的散热器电磁辐射功率大约为-70 dBm,更符合实际水平;金属散热器的尺寸与其谐振频率呈负相关关系;改变金属散热器的尺寸,仿真中散热器的电磁辐射强度与实测总各向同性灵敏度(TIS)指标的变化趋势一致且相关系数在0.94以上。【结论】文章所提方法对金属散热器电磁辐射的仿真结果比较准确。在ONT产品的设计阶段,此方法可用于预估金属散热器的电磁辐射对无线TIS指标的影响,便于采取针对性措施对金属散热器的电磁辐射进行抑制,从而减少样机阶段的调试时间,提高研发效率。

    2025年01期 No.247 44-48页 [查看摘要][在线阅读][下载 1641K]
  • 微纳光纤耦合环镜及其光谱调控特性研究

    郭传臣;杨敏;崔倩倩;林政;魏石磊;李丽君;孙佳佳;

    【目的】在微纳光纤耦合器的基础上,文章提出了一种微纳光纤耦合环镜结构,对其光谱与环镜内光偏振态、锥区微纳光纤长度以及周围介质折射率之间的关系开展了理论仿真与实验研究。【方法】理论上,分析了微纳光纤耦合器的基本原理,仿真了弱耦合和强耦合情况下的微纳光纤耦合器光场分布特性以及微纳光纤环镜的光谱偏振可调控特性。实验验证了光谱偏振可调控特性、自由光谱范围调控特性以及波长调控特性。【结果】结果显示,当圆环形偏振控制器的1/2波片角度在-90~90°调谐过程中,干涉光谱的周期和峰值波长保持不变,消光比随波片角度的改变呈现规律性变化且在波片偏转45°时达到最小,90°时达到最大;随着腰锥长度的增加,微纳光纤耦合器环镜梳状谱的通道间隔和自由光谱范围逐渐减小;周围折射率在1.332 0~1.335 5范围内变化,波长随折射率的增大而发生红移,灵敏度可达18 350 nm/RIU。【结论】可见,通过对微纳光纤耦合器内部耦合的光偏振态、微纳锥区长度和耦合器结构周围介质折射率等的调控,可以实现相应输出光谱的改变,这为构建新型全光纤器件提供了一种新的途径,其不仅可以作为激光器中的波长选择和调控元件应用于激光器,优化激光输出特性,还可应用于生物医学等传感领域来实现液体成分的高精度检测等。

    2025年01期 No.247 49-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 2062K]
  • 用于PON的低成本CMOS BM-TIA设计

    赵婉青;夏翼飞;李佳;徐颂秦;马帅哲;杨睿煊;耿莉;李丹;

    【目的】在高速率无源光网络(PON)需求的快速增长下,低成本低噪声突发模式跨阻放大器(BM-TIA)成为其关键的制约因素。文章基于低成本40 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了一种适用于10吉比特对称无源光网络(XGS-PON)的快速建立低噪声BM-TIA,其可兼容12.5、10.0和2.5 Gbit/s 3种信号速率。【方法】为突破CMOS工艺的带宽和噪声瓶颈,TIA通过多级放大、输入电感均衡网络及提高电源电压的方法实现了要求的低噪声。采用前向放大器与反馈电阻共同调节的增益调节方式,实现了3档位的增益变化和速率变化。针对突发模式信号采用快速直流(DC)消除环路(AOC)来精准消除雪崩击穿二极管(APD)输入的DC电流,运用电荷分享技术加速失调消除环路的建立,并通过转换AOC环路时间常数的方法来抑制基线漂移。【结果】芯片采用40 nm CMOS工艺设计制造,裸片尺寸为945μm×945μm。芯片搭配商用10 Gbit/s APD进行同轴罐(TO-CAN)封装测试。测试结果表明,在12.5、10.0以及2.5 Gbit/s速率下,芯片的灵敏度分别为-29.7,-33.0和-37.6 dBm。在不同速率下,饱和输入光电流均可达2.5 mA,实现了24.7、28.2和32.8 dB的大输入动态范围。芯片的静态功耗为82.5 mW,在整个输入光功率范围内,突发模式下AOC的建立时间均小于23 ns。【结论】将文章所提芯片应用于XGS-PON,不但为基于CMOS工艺的低成本低噪声BM-TIA设计提供了借鉴,也对更高速率PON场景下的芯片设计具有指导意义。

    2025年01期 No.247 56-62页 [查看摘要][在线阅读][下载 2534K]
  • 基于多模干涉的光纤传感器研究进展

    余振芳;李云飞;郭明亮;罗兵;罗心怡;耿东晛;

    多模干涉(MMI)光纤传感器凭借其高灵敏度和便于制作等特性受到了广泛关注。文章重点阐述了5大类基于单模-多模-单模(SMS)结构的MMI光纤传感器的研究进展,总结了其传感结构、传感性能、实用领域和测量灵敏度,指出目前所面临的挑战并展望了未来发展的趋势。希望文章可以为未来MMI光纤传感器的研究与发展提供帮助。

    2025年01期 No.247 63-70页 [查看摘要][在线阅读][下载 2028K]
  • QSFP+光模块热仿真与实验研究

    毛建冬;肖国华;郑子军;

    【目的】为了研究高速光模块温度分布和风流需求,文章旨在优化散热设计,确保光模块稳定运行。【方法】文章采用Flotherm仿真分析建立光模块的数值风洞模型,得到其正常工作时各元器件的温度场分布以及系统稳定时的风扇工作风流量,这些参数符合多源协议(MSA)规范里的散热要求。同时,设计了“L”型风洞治具以方便测试与安装,实验测试了各芯片实际表面温度和风洞的实际工作的风流量,验证了仿真结果的准确性。【结果】结果表明,在壳体最高温度为70℃时,对于各芯片表面温度,仿真与实测温度差在2℃以内,误差在5%以内;对于整个光模块散热所需要的风流量,仿真与实测结果相差0.2立方英尺每分钟(CFM),误差在7%以内。【结论】由此证明仿真和实测方法可行,且误差较小,为高速光模块散热设计与测试提供了重要参考依据。

    2025年01期 No.247 71-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 1975K]
  • MG-Y激光器波长跳变的电流补偿方法研究

    汪迪;庄炜;张旭;王乐;刘万泉;

    【目的】在当前航天领域的高速发展下,对光纤传感解调系统的性能提出了更为严格的要求。文章旨在解决调制光栅Y分支(MG-Y)激光器在通道切换时出现的波长跳变问题,从而提高激光器的波长稳定性,进而提升光纤传感解调系统在高速扫描下对振动信号的解析精度。【方法】通过深入研究MG-Y激光器的调谐特性,文章揭示了切换频率对输出波长的显著影响,并在此基础上建立了不同切换频率下激光器的波长跳变模型。基于波长跳变模型,设计和搭建MG-Y激光器波长跳变补偿系统,并提出了基于通道内电流规律的波长偏差补偿方法,通过调整通道切换处的3路电流,实现对波长误差的精准补偿,从而有效解决了波长跳变问题。【结果】实验结果表明,切换频率与波长偏差之间存在对数关系,通过实验数据拟合得到了波长偏差与切换频率的关系式。进一步的实验验证表明,通过对通道切换处的3路电流进行补偿,波长误差在1 pm以内,表现出了显著的性能提升。【结论】通过该补偿方法,波长偏差得到了显著减小,MG-Y激光器的波长稳定性得到了明显提升。文章不仅在理论上填补了高速振动环境下光纤传感解调系统的技术空白,更直接助力了国家在航天装备领域核心竞争力的提升,具有深远的科学和应用价值。

    2025年01期 No.247 76-80页 [查看摘要][在线阅读][下载 1913K]
  • 光电探测器暗电流宽温拟合算法研究

    袁国振;任海兰;

    【目的】为了消除光电探测器(PD)内正负(PN)结固有暗电流物理特性的影响,在提升探测器功率探测范围和扩宽探测器工作环境温度范围的同时提高PD探测精度,文章设计了一套在标定PD时应用的暗电流补偿算法。【方法】首先,通过分析光电二极管物理特性及PD内的硬件电路设计,建立光生电流与光功率间的数学模型,基于数学模型修正光功率与光生电压模数转换(ADC)值的曲线关系,实现在具体温度点下去除暗电流功率影响并补偿功率;其次,研究暗电流的温度特性,计算出少数温度条件下所需补偿暗电流的功率大小,利用少数温度点拟合扩展至宽温范围实现暗电流温度补偿;最后,搭建温控测试平台,利用光开关(OS)控制光电二极管入光功率大小,通过光功率探测仪记录PD实时入光功率大小,测试在不同温度条件以及入光功率下的PD精度值。【结果】实验表明,利用算法标定PD后,工作温度范围可从-5~55℃扩宽至-40~80℃,最低探测功率从-40下降至-68 dBm。在上述工作温度和探测范围下,软件算法计算上报的光功率与实际探测光功率的精度误差在±1 dB以内。【结论】采用文章所提算法对PD校准后能消除暗电流及噪声的影响,在宽温范围下能提高探测功率范围及探测精度。

    2025年01期 No.247 81-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2134K]

光纤光缆技术与应用

  • 基于神经网络的光纤温度估算方法的优化

    李苏雅;董艳唯;李琳;张弛;李楠;宁琦;陈永辉;

    【目的】为了有效估算基于布里渊散射的分布式光纤传感中光纤的温度,文章将多层前馈人工神经网络(ANN)应用于温度的估算。【方法】文章在Matlab软件中编写了用于光纤温度计算的单斜坡法、基于伪Voigt模型的最小二乘拟合法和ANN程序,同时仿真产生了不同信噪比(SNR)下的布里渊谱,采用以上3种算法计算了光纤温度,验证了ANN方法的有效性。在此基础上基于以上仿真产生的布里渊谱研究了ANN的关键参数,即隐层数量、隐层神经元数量和训练目标对训练速度、温度计算时间和准确性的影响规律。【结果】结果表明,ANN方法在SNR为22和37 dB时最大温度误差分别仅为1.18和0.63℃,且计算时间仅为最小二乘拟合法的1/1 000左右。当隐层神经元数量不变时,随着隐层层数的增加,训练时间明显下降,计算时间线性增加,但其对温度估算的准确性几乎无影响;随着隐层神经元数量的增加,训练时间和计算时间均增加,隐层有21个神经元时,训练时间近似为1个神经元的67倍,但其对温度估算的准确性几乎无影响;训练目标(布里渊频移误差的平方)小于临界值(约为1 MHz~2)时,随着训练目标的增加,温度误差几乎不变,超过临界值后,随着训练目标的增加,温度误差增大。【结论】采用多层前馈ANN应用于基于布里渊散射的分布式光纤传感中的光纤温度估算时,建议选择单隐层且隐层神经元选择1个,训练目标选择1 MHz~2。

    2025年01期 No.247 87-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 2445K]
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