OFC2025 | 使用直接探测和相位恢复技术实现光学I/Q调制器的低复杂度数字孪生

逍遥设计自动化

引言
在当今快速发展的光通信领域，网络数字孪生已成为优化、决策和测试的基本工具。这些数字孪生为物理网络元件提供虚拟副本，使工程师能够高精度地模拟和预测行为。本文探讨了一种创新方法，利用直接探测和广义非线性相位恢复(WNL-PR)技术创建光学同相/正交(I/Q)调制器的数字孪生[1]。
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/ b/ u: j' [+ n7 g光学网络中的数字孪生简介
网络数字孪生是模拟真实世界行为的物理实体的虚拟表示。在光学网络中，这些孪生帮助运营商优化性能，做出明智决策，并在不干扰实际服务的情况下测试配置。创建精确的数字孪生需要全面的监控解决方案，能够捕捉光学组件的复杂行为。

* n6 F8 f$ P- n+ z) b' v- @传统监控光学I/Q调制器的方法依赖于相干光调制分析仪(Coh-OMA)，这些分析仪使用昂贵的相干接收器。然而，这些方法受到接收端I/Q不平衡和载波频率偏移(CFO)问题的影响，可能会降低准确性。
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单像素光调制分析仪(SP-OMA)
单像素光调制分析仪(SP-OMA)提供了一种基于直接探测的替代方案。与相干探测方法不同，SP-OMA使用简单的光电探测器监测光信号，并采用相位恢复算法从仅强度的测量中恢复相位信息。这种方法提供了几个优势：
由于硬件要求更简单，成本更低不受影响传统方法的接收端缺陷的影响能够准确捕捉频率相关特性[/ol]
* S/ Y5 T) g+ L% ^" b2 }最近的进展已经将SP-OMA扩展到使用广义非线性相位恢复(WNL-PR)来解释非线性特性。这种技术允许估计影响调制器性能的复杂伏特拉型非线性。
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广义非线性相位恢复框架
8 @8 q- {8 c( W# V% DWNL-PR框架采用广义伏特拉模型来表示光学调制器中的I/Q相关、频率选择性行为。

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  x; L) R5 X% h$ P图1：数学表示M阶广义伏特拉模型的方程1，描述系统输出作为输入和伏特拉核的函数，以及单阶段和多阶段WNL-PR算法的比较示意图。
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在这个模型中，不同的组件代表特定的物理现象：
( a& l6 l& u' H! w- xw?,? 表示残余载波/直流分量w?,? 描述冲激响应w?,? 捕捉频率选择性I/Q不平衡高阶项(w?,?, w?,?, w?,?)表示非线性行为，如增益压缩
" d1 R" N# \+ O$ U# N  pWNL系统识别问题变成了一个相位恢复任务，旨在从仅强度的测量中恢复复杂系数。
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多阶段WNL-PR算法
虽然WNL-PR提供了重要潜力，但传统的单阶段方法在高阶非线性项的收敛方面存在困难。为解决这一挑战，作者提出了多阶段WNL-PR算法。
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如图1所示，多阶段方法不是同时估计所有参数，而是：
. O/ ?  Q) @0 g. T6 w首先估计一阶广义线性(WL)模型将此估计作为下一阶段的初始值逐渐增加非线性阶数在每个阶段细化估计[/ol]
这种渐进式细化有助于避免"不良"局部最小值，并提供更稳定的收敛性，特别是对于显著影响模型保真度的高阶非线性。
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" W: n- c0 M! O& r# ]$ a/ C实验设置和实施
" f+ Y# J& {4 m8 \为验证该方法，作者使用10-Gbaud 128-QAM系统进行了实验。
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& M8 |, ]: D  a图2：实验设置，包括光发射器、EDFA、耦合器、相干接收器和直接探测组件。
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实验设置包括：
1551.06纳米光纤激光器2通道92-GSa/s任意波形发生器铌酸锂马赫-曾德尔I/Q调制器使用SP-OMA(直接探测)和Coh-OMA(参考)的信号处理
2 q9 I  A) I5 f- [3 v& y' {' y0 N! F为了产生I/Q相关的非线性，自动偏置控制器被关闭，I和Q分支的峰峰值RF电压水平被故意调整不一致。

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图3：Coh-OMA和SP-OMA方法的离线处理流程图，显示各种信号处理步骤。

' \( d0 u: B# b0 t接收到的信号经过离线处理，两种OMA都使用8000个符号作为导频数据来估计三阶WNL模型。SP-OMA采用了结合重加权维廷格流(RWF)和交替方向乘子法(ADMM)的混合相位恢复算法。

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* B3 ~! v; M; Q" P2 j4 g  {% ~/ j性能评估和结果
* G, ^7 }& b7 M# C提出的多阶段WNL-PR的性能与传统单阶段方法进行了比较，以Coh-OMA结果作为参考。

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  k% I; `/ L7 O/ `6 _  V图4：估计的WNL模型的归一化均方误差(MSE)和误差向量幅度(EVM)性能与调制器驱动电压差的关系。

结果表明：
3 x7 c, B3 N3 ?" y6 K  x" {多阶段方法在所有测试情况下改善了均方误差(MSE)性能约3 dB数字孪生输出准确性在实际非线性水平上显示2.5%到4.5%的改进在ΔV = 300 mV时，改进相当于信噪比(SNR)提高6.7 dB
9 E* p9 }( z: ~. v/ n3 h

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图5：在ΔV = 300 mV时估计的WNL模型抽头振幅，突出显示广义线性抽头的准确性和高阶抽头的轻微误差。

估计的WNL抽头可视化显示高阶系数存在轻微不匹配，这显著影响了数字孪生的保真度。尽管存在这些小差异，整体性能仍然强劲。

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图6：原始接收信号和不同数字孪生实现在各种非线性条件下的输出的星座图。
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星座图进一步说明了该方法的有效性。在实际非线性水平(ΔV ≤ 400 mV)下，SP-OMA和Coh-OMA之间的误差向量幅度(EVM)保持在5%以下，在星座图中的差异可以忽略不计。
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结论
本文探讨了一种使用直接探测和广义非线性相位恢复进行光学I/Q调制器数字孪生的创新方法。所提出的多阶段WNL-PR算法成功克服了传统方法的收敛挑战，实现了对复杂、频率选择性失真的准确估计。

实验结果证实，具有多阶段WNL-PR的SP-OMA可以生成几乎与基于相干探测的数字孪生一样准确的数字孪生，同时提供显著的成本优势。这一进步为构建光学网络元件的高保真数字孪生提供了更经济、分布式和在线光学监控解决方案。

随着光学网络在复杂性和规模上继续发展，这种高效的数字孪生技术将在确保下一代光通信系统的最佳性能、可靠性和适应性方面发挥重要作用。
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参考文献
7 G* W9 d  p+ A5 d% n[1] Y. Yoshida, S. Oda, N. Yamamoto, T. Hoshida, and K. Akahane, "Low-Complexity Digital Twinning of Optical I/Q Modulator by Direct-Detection with Widely Non-Linear Phase Retrieval," in OFC 2025, 2025, pp. M1E.3.
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