封面 | 直调-相干混合接收机：硅基调制器线性度“提升阶梯”
封面解读
封面展示了增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx）对采用硅基调制器的接入网系统性能的补偿效果，EMRC-Rx综合利用直接检测（DD-Rx）和轻相干检测（Lite CO-Rx）的优势实现接收机灵敏度提升，以有效减轻硅调制器低线性度引起的系统性能下降。文章链接：秦军, 陶源盛, 金明, 韩昌灏, Rahul Kumar Gangwar, 李月琴, 孙剑, 缪旻. 基于增强型最大比例混合接收机的硅基调制器线性度补偿方法[J]. 光学学报, 2023, 43(23): 2312002.导读
硅基调制器具有体积小、功耗低、易集成等优势，但相较于铌酸锂调制器，线性度通常较低，从而限制了其在光载无线等通信系统中的性能。如何减小硅基调制器低线性度导致的系统损伤，北京信息科技大学缪旻教授团队联合北京大学合作者提出了一种基于增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx）的硅基调制器线性度补偿方法，可有效补偿采用硅基调制器给无源光接入网络带来的性能下降。本工作对在5G 时代利用硅基调制器构建高可靠、低成本的光子集成接入网具有指导意义。1.
研究背景
在 5G 技术的推动下，高清视频、在线游戏、云计算等对带宽提出了更高要求，以及远程工业控制、自动驾驶等高可靠、低延时类（uRLLc）业务持续高速增长，基于树状拓扑结构的无源光网络（PON）被认为是应对 5G 时代应用需求增长的最佳接入网技术选择。
相较于商用铌酸锂调制器，硅基调制器线性度通常较低，这限制了其在通信系统中的性能。为了提升硅调制器的线性度，目前主流的改进方法都涉及改变器件的物理特性、结构或添加额外的驱动电路。然而，调制器的线性度在其完成加工或封装时就已固定，之后难以改变。目前业界尚缺乏在器件完成加工或封装后的系统级调制器线性度补偿方案。
2.
EMRC-Rx工作原理
增强型最大比例混合接收机（EMRC-Rx）综合利用直接检测和轻相干检测的优势，降低了采用低线性度硅调制器所引起的系统性能下降，可使得系统在低/高接收功率情况下均能具备可靠的传输性能。
图1为基于硅调制器和EMRC-Rx构建的NG-PON2 5G 前传场景（Fronthaul I）网络架构原型示意图。其中，不同的Macro Cell使用来自DU的不同波长，同一Macro Cell下不同RRU的Small Cell占用同一波长的不同时隙。RRU通过无源的分束器（splitter）与DU互联，DU->RRU的下行信号和RRU->DU的上行信号可通过光纤双向并行传输，硅调制器和EMRC-Rx部分位于DU和RRU内。DU和RRU内部信号的产生链路和接收链路完全对称。
图2（a）给出了采用EMRC-Rx和硅调制器的PON系统上下行信号传输工作原理。当系统部署于RRU内时，激光器（laser）同时作为上行信号（RRU->DU）的调制光载波和下行信号（DU->RRU）的本振混频激光器。当系统部署于DU内时，laser则作为下行信号的调制光载波和上行信号的本振混频激光。这样上下行完全对称的传输链路结构可以降低系统在实际网络部署时的复杂度。
以下行信号传输为例，阐述EMRC-Rx的工作原理。系统中下行信号的中心频率为f1，采用双边带调制，其在图2（a）中①处的信号频谱如图2（b）中（1）所示，两个调制边带和光载波的频率差为fIF1。上行信号激光器（此时同时工作为下行信号的本振光）发射光的中心频率为f2，经耦合器（coupler）分成两路，其中一路进入硅调制器产生上行调制信号，另外一路与中心频率为f1的下行信号耦合后进入光电探测器（PD）内拍频。图2（a）中②、③、④处信号的频谱分别如图2（b）中（2）、（3）、（4）所示。在PD内下行信号边带、载波和上行信号光载波之间相互拍频，得到如图2（b）中（5）所示的频谱图。EMRC-Rx采用增强型最大概率算法（EMRC）将DD-Rx、Lite CO-Rx #1和Lite CO-Rx #2三部分的结果进行汇总计算，并作为最终的结果输出。
图2 系统工作原理。（a）采用EMRC-Rx 和硅调制器的PON 系统的上下行信号传输工作原理；（b）各部分对应频谱和PD 内拍频后频谱
相较于MRC-Rx，EMRC-Rx考虑了多个Lite CO-Rx对输出信噪比的贡献，取得了更加优异的性能，进一步增大了轻相干接收部分在输出信号中的占比，减小了与采用铌酸锂调制器系统的性能差距。EMRC-Rx是一种基于算法针对硅调制器线性度进行补偿的方案，是器件在完成加工或封装后的系统级线性度优化方案，是业界所欠缺的。在系统成本方面，EMRC-Rx未增加硬件成本，只是增加了EMRC算法中的DSP部分。增加的DSP可以通过提升接收机灵敏度来减小硅调制器低线性度引入的系统性能损伤，高接收灵敏度可以在减小系统纠错成本的同时允许ODN中更高的分光比，从而进一步减小PON的部署成本。
3.
后续工作展望
硅基器件在CMOS兼容性和大规模生产方面具有极大优势，故在PON中大面积部署硅调制器可以进一步降低设备和网络部署成本。未来可在设备内部集成更多芯片级器件，如激光器、探测器、无源器件和放大器等，从而基于硅基器件构造小体积、低成本、高性能的光子集成 PON 接入系统。同时，借助于算法可以对器件性能做进一步提升，从而为运营商和广大用户带来更多便利。
作者简介
秦军，北京信息科技大学副教授，硕士生导师。主要从事光通信与信息处理、集成光电子、光芯片领域相关研究工作。负责和参与了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划课题、中国博士后基金面上资助项目、北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题和军工类多个项目。以第一作者与合作者身份在Nature、Science Advances、Laser & Photonics Reviews、Optics Letters、Optics Express、Journal of Selected Topics In Quantum Electronics、CLEO、ACP等国际主流期刊和会议发表论文40余篇，参与制定IETF标准3项、授权美国专利1项、国内专利数项。
缪旻，北京信息科技大学教授，智能芯片与网络研究中心负责人。带领团队在国内首批开展基于TSV、低温共烧陶瓷（LTCC）的三维异质集成基础研究至今，在高密度三维电/光互连及传输机制、先进硅光器件与集成系统、微纳尺度多物理场耦合机制与仿真、微加工与三维系统集成工艺一体化方面形成了自己的特色优势，走在国际前沿。课题组已初步建立相关理论基础，与合作单位联合建成“三维微加工/系统集成一体化”加工与设计、验证技术平台，取得了一批受同行高度关注或好评的学术成果，部分成果已进入技术演示与试应用阶段。目前团队有10名博士成员并以青年学科骨干教师为主，1人入选北京市属高校“长城学者”、2人入选“北京市科技新星”、1人入选北京市科学技术协会“青年人才托举”工程、3人入选北京市教育委员会“青年拔尖人才”等人才计划。团队多人在国家重点研发计划、自然科学基金重点/重大/人才项目和省部级/国防科技计划评审中任会评专家或项目顾问专家。
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