面向模分复用系统的遗传-MIMO均衡参数优化技术

在模分复用系统的数字信号处理单元中,多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)均衡技术可用来补偿由各类模式相关噪声引起的信号误码率(Bit Error Rate,BER)劣化问题.而MIMO均衡算法的工作性能严重依赖于步长因子μ以及抽头数K,因此在固化均衡器之前,确定MIMO均衡算法中μ-K参数组合的最优值至关重要.为提高参数优化效率,提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的MIMO均衡参数优化方案,即遗传-MIMO(GAMIMO),在保证最小BER输出的同时降低参数优化过程所需的计算开销.为验证GA-MIMO的工作性能,构建了基于10 km六模光纤的点对点通信实验系统,使用新方案补偿并行通信的六路数据,并与最速下降法和迭代算法进行性能比较.实验结果表明,所提GA方案可实现MIMO均衡中最高99.98%的最优μ-K参数命中率,且GA-MIMO算法的全局搜索性使其相比于最速下降法和迭代算法可最多分别节省86.14%和90.3%的均衡算法调用次数,有效降低了确定最优μ-K参数组合时的计算开销.

基于循环前缀的空分复用系统均衡技术研究

【目的】在空分复用系统中,为了实现模式解复用,需要在接收端采用多入多出(MIMO)的均衡方案。随着传输模式数或者传输容量的上升,MIMO的计算复杂度急剧升高,致使对应的硬件模块功耗过大,必须降低MIMO均衡的计算复杂度。【方法】针对少模光纤短距传输系统,文章提出了用基于循环前缀(CP)的频域联合均衡技术来代替基于块卷积且带有独立色散补偿模块的频域均衡技术以降低MIMO均衡计算复杂度。【结果】基于VPI仿真软件中的少模光纤模型,搭建了6×6少模光纤仿真平台验证所提技术的性能与计算复杂度。仿真结果表明,在训练符号长度有限的前提下,不同CP占比的均衡性能和计算复杂度降低也有所差异。相同仿真条件下,CP占比越大,计算复杂度降低越大;CP占比越小,计算复杂度降低越小。在保持均衡性能一致的前提下,CP占比为11.11%的频域均衡方案的计算复杂度仅为传统的基于块卷积的频域均衡方案的15.29%。【结论】在均衡性能保持一致的前提下,相较于传统的基于块卷积且带有单独的色散补偿模块的频域均衡方案,文章所提出的添加CP的频域均衡方案具有更低的计算复杂度。

光纤随机激光器及其应用研究进展

光纤随机激光器是一种新型光纤激光器,与常规光纤激光器相比,得益于其无谐振模式、更好的稳定性、更高的可靠性、更简单的结构等优势,近年来在高功率/高效率、宽谱发射、低相干性等多类型新光源探索方面得到了长足的发展,产生了系列研究成果.作为国内最早开展全光纤随机激光器研究的团队负责人,本文作者首先系统回顾了光纤随机激光器的发展历程,然后重点介绍了近年来光纤随机激光器取得的重要研究进展和在光纤传感、光通信等领域的应用进展,最后对其未来发展提出了展望.

空频复用光纤中四波混频过程的解析分析方法

空分复用(SDM)与波分复用(WDM)的结合有效提升了光纤通信系统的容量,其中光纤的非线性影响不可忽视.本文将光纤四波混频作用过程由WDM频域推广到模分复用(MDM)空间域,第一次给出抽运消耗情形下空频域四波混频的统一解析表达式.通过数值计算非简并四波混频耦合模方程的幅度和相位演化特性,验证了解析分析方法的正确性.讨论了解析解在多波耦合方程简化、大规模并行相位运算器设计以及快速非线性补偿等方面的应用.

基于非线性光纤环形镜的少模脉冲幅度调制再生器

随着网络带宽需求的快速增加,波分复用系统的容量已接近非线性香农极限.为了适应未来网络的发展,空分复用技术引起了越来越多的关注.本文首次提出基于少模非线性光纤环形镜(FM-NOLM)的脉冲幅度调制(PAM)全光再生器,描述了其工作原理和具体设计过程.采用COMSOL软件对组成FM-NOLM的硫化物高非线性光纤进行了模式特性仿真.以LP01,LP11,LP21三个光纤模式为例,确定了再生器的参数,计算出每个模式的功率转移函数曲线.仿真分析了该少模PAM-4全光再生器的噪声抑制(NRR)性能,并与单模情形进行了比较.研究表明,1)对于每个空间模式的PAM信号,所有再生电平具有一致的功率转移性能;2)当输入信噪比(SNR)约大于20 dB时,三种模式的噪声抑制比均可超过3 dB,并随着输入信噪比线性增加,其斜率约为1.2;3)在相同输入SNR条件下,三种模式的噪声抑制比相差不大,不超过1.1 dB.为了说明再生器的再生性能,当输入SNR为25 dB时,我们还给出了再生前后PAM-4信号的功率分布直方图.与现有的再生方案相比,本文方案的均匀多电平再生转移性能,使其更适合高频谱效率的长距空分复用系统和任意电平数的PAM信号再生.此外,该方案也能够扩展到波长域,有效提高光通信系统的传输容量.

我国光纤传感技术发展路线图

四十多年来,我国光纤传感技术在经济发展和市场需求的牵引下快速成长。针对我国光纤传感若干典型的细分技术领域,概括性地给出了各个细分技术的发展历程、技术现状及面临的主要问题,使读者能更好地理解我国光纤传感技术发展的样貌,把握我国光纤传感技术市场需求呈指数型增长的发展趋势。

基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器

研究了一种基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器,该传感器是由单模光纤和多层石墨烯薄膜构成的光纤法布里-珀罗干涉腔结构。分别采用多层的石墨烯和氧化石墨烯(GO)材料作为声压敏感薄膜,进行声波传感实验研究。结果表明,在音频范围内,基于石墨烯和GO薄膜的光纤声波传感器的平均信噪比分别达到56dB和69dB,平均最小可探测声压灵敏度分别为20.8μPa·Hz^(-1/2)和6.63μPa·Hz^(-1/2),远低于电学声波传感器的最小可探测声压灵敏度。基于石墨烯材料的光纤声波传感器具有更高的声波检测灵敏度,适用于强电磁干扰、狭小空间等环境下的微声压测量。

少模光纤通信系统中模间非线性相位调制的补偿分析

考虑少模光纤中自相位调制和交叉相位调制效应对导波光传播特性的影响,给出了相应非线性耦合模方程的解析解,并用于计算少模光纤的非线性系数和分析少模光纤通信系统的非线性补偿。以支持两个线偏振(LP)模的四相相移键控(QPSK)信号系统为例,仿真分析了模式损耗和非线性效应对模分复用系统性能的影响,重点分析了模间相位调制的补偿作用和补偿算法的适应性。研究表明,补偿后能够正确解调QPSK信号所容许的模式损耗偏离会随着其参考值的增加而增大,少模光纤通信系统中非线性补偿效果主要受限于模间非线性系数,其所容许的最大偏离为0.146 W-1·km-1。

基于双向正交泵浦半导体光放大器结构的全光相位保持幅度再生技术

提出了一种基于双向正交泵浦半导体光放大器(SOA)的相位保持幅度再生方案,实验分析了泵浦、信号及其端面反射场之间的多重四波混频(FWM)转换过程,探索了同向场作用下的共轭光再生能力.测量了注入不同信号光功率、信号质量情况下获得的幅度噪声压缩效果以及相位输出特性,印证双向正交泵浦SOA再生器的相位保持幅度再生功能,通过实验测量得到2.2 dB的幅度噪声压缩结果.进一步通过仿真分析系统,探讨了多进制数字相位调制(MPSK)信号的工作特性,表明该再生器可在相同工作参数下支持高阶信号的再生需求.

微带线控制的磁流体微环光开关结构、原理与设计

提出了一种微带线控制的磁流体微环光开关芯片结构,其中硅基微环谐振器波导的内外两侧集成有环状金属微带线,且两个环状金属微带线中所通电流方向相反。当芯片上覆盖有铁磁流体时,通过改变输入到金属微带线的电流大小可实现光开关功能。以单个微环谐振器情形为例,描述了这种铁磁流体开关结构的优化设计过程,仿真分析了微环周长、输入输出硅线波导与硅基微环之间耦合比及磁场强度等参数对磁流体微环光开关特性的影响。研究表明,在1550 nm工作波长处,只需施加150 Oe的开关磁场(对应的微带线电流约为447 mA)即可实现消光比为10 dB的微环光开关功能。

四波混频泵浦消耗过程的相位匹配条件研究

采用解析方法分析讨论泵浦消耗情形下的准相位匹配范围以及相位匹配条件的变化,并给出相位匹配条件的表达式.比较分析小信号近似和泵浦消耗两种情形下四波混频增益演化过程.研究表明,在泵浦消耗情形下,随转移功率的增大,满足总相位匹配的线性失配因子从负值逐渐趋于0,准相位匹配范围也越来越小;确定四波混频的准相位匹配范围,可简化波分复用或空分复用系统中级联四波混频的分析过程;小信号近似模型只适合于转移功率远小于泵浦功率的情形,满足总相位匹配的线性失配因子不依赖于光纤长度.

高压电缆接头局部放电声光联合检测系统设计与实现

针对传统局部放电检测系统成本高.易受电磁干扰.检测距离和准确性有限等缺点,基于超声与紫外两种非电气局部放电检测技术,利用超声传感技术实现近端局部放电信号的高灵敏、动态和精确捕获,利用空气中紫外光比超声信号衰减慢弥补超声的检测距离极限,综合实现复杂电磁干扰环境下远距离、非接触、信息可靠和低成本的高压电缆接头处局部放电状态的实时动态检测。经实验验证,该系统设计具有较强的实用性,并可以达到10m的有效检测距离。

少模掺铒光纤放大器的等效掺铒浓度仿真方法研究

提出一种少模掺铒光纤放大器(FMEDFA)仿真方法,通过引入泵浦相关的等效掺铒浓度参数来拟合双向泵浦实验数据,并用VPI软件高效仿真FMEDFA的级联传输性能。采用光隔离波分复用器(IWDM)开展了LP01和LP11两模双向泵浦放大实验,验证了上述仿真方法的可行性。通过优化前后向泵浦功率的比例,设计了一款模式增益约为11 dB的均衡FMEDFA;仿真结果表明,该FMEDFA循环传输10次后的差模增益和光信噪比分别为0.56 dB和27 dB,大于32 GBaud DP32QAM模分复用信号传输系统纠后无误码所要求的光信噪比阈值。

多频COTDR系统的相位解调优化方法

提出一种基于多频优化分集(MFOD)算法的相位解调技术,搭建了环移多频相干光时域反射(MF-COTDR)系统,实验探究了MFOD算法对信号解调性能的提升效果。结果表明,MFOD算法不仅能够较好地还原相位信息,相较于传统的相位解调算法有超过9 dB的平均信噪比(SNR)提升,实现了33.3 pε/Hz1/2的最小应变分辨率。此外,通过实验验证了基于MFOD算法的MF-COTDR系统对不同频率振动信号的响应性能,实验结果说明该系统具有良好的线性响应能力。

椭圆纤芯少模光纤参量放大器设计

研究了椭圆纤芯少模光纤的模式特性,给出了少模光纤中克尔非线性耦合模方程的一般形式,详细描述了少模光纤参量放大器的设计方法。利用COMSOL仿真软件获得了导波光场模式分布对纤芯椭圆率的依赖关系,进而计算了少模之间的四波混频相位失配因子和相应的模场交叠积分(或非线性系数)。研究了阶跃型折射率分布的椭圆纤芯少模光纤中三个模群的简并四波混频过程。结果表明,当LP21a模的抽运光功率为0.5 W时,LP11a模的信号光增益达到20.15dB,在增益劣化2dB的范围内可允许的椭圆纤芯误差为0.6μm。

可实现完美相位保持的OPC-NOLM全光幅度再生

针对现有相位保持幅度再生方案仍然存在残余相位扰动的问题,提出光学相位共轭器辅助的非线性光纤环形镜(OPCNOLM)方案,该方案可实现多电平全光幅度再生功能,具有相位扰动几乎为零的完美相位保持能力。以16阶正交幅度调制(16QAM)信号为例,仿真了OPCNOLM再生方案性能。研究表明,在输入信噪比为15 dB时,与不使用OPC的单一非线性光纤环形镜(NOLM)情形相比,所提方案的噪声抑制比提高了3.8 dB。

级联OPC的MZI再生芯片相位保持性能研究

许多幅度再生方案可用马赫‐曾德尔干涉仪(MZI)结构进行建模。研究级联光学相位共轭器(OPC)的MZI(OPC‐MZI)再生方案,以实现近乎理想的相位保持再生。通过分析整个级联系统的功率和相位转移特性,优化设计了满足需求的硅基MZI再生芯片单元。采用正交相移键控(QPSK)调制信号仿真验证了OPC‐MZI再生方案的可行性。仿真结果表明:当输入信噪比为16 dB时,与单级MZI再生芯片相比,OPC‐MZI再生方案的噪声抑制比(NRR)可提高1 dB,相位扰动也由5.7°降至0.07°。

直接探测系统中两种单边带光信号调制与恢复方法的研究

从理论上阐释了基于独立双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM)和同相正交调制器的两种单边带光信号调制原理。通过研究100 Gbit/s速率75 km标准单模光纤传输系统中的16-正交幅度调制单边带信号,分析了两种方法的参数调优原理。接收端使用Kramers-Kronig(KK)算法恢复单边带信号并消除信号与信号间的拍频串扰。结果表明,由于调制器的非线性以及单边带信号的载波信号功率比的影响,在误比特率为3.8×10-3的7%硬判决前向纠错门限上,使用基于KK算法的接收机的虚载波方法与DDMZM方法相比,能够降低接收光功率约2.3 dB。

三通道光相位混合运算器

并行光逻辑运算器件是未来高速大容量全光信号处理的关键器件,也有助于降低信息的传输时延。利用光纤四波混频的非相敏放大(FWM-PIA)机理,设计三通道光相位混合运算器(A+B-C,A+C-B,B+C-A)。通过建立并求解级联四波混频(FWM)的非线性耦合模方程组,揭示光相位运算器输出闲频光与输入信号光之间的固定相移关系,为相位补偿方法的实施提供理论依据。计算表明,该并行混合运算器的幅度噪声指数和误差矢量幅度(EVM)的相位噪声转移系数分别为0.9dB和1.67;当输入四相相移键控(QPSK)信号的信噪比大于24dB和EVM小于12%时,无纠错编码的符号错误率低于10-3。比较三通道和单通道两种相位运算器的性能,由于相位运算器是通过FWM相位匹配关系执行混合运算功能的,它们有相同的相位噪声转移特性,但前者的噪声指数略低0.2dB,光功率转移效率高一倍以上。