基于延时型储备池计算的光通信信号恢复技术研究：从MZM与半导体激光器实现到高阶调制格式应用

本文推荐研究人员针对光纤通信中信号损伤补偿的挑战，开展了基于延时型储备池计算(RC)的信号恢复研究。他们重点比较了马赫-曾德尔调制器(MZM)和半导体激光器(SL)两种RC实现方案，引入邻域符号模式技术增强色散(CD)补偿能力。结果表明两种方法对16QAM/64QAM/256QAM等高阶调制格式的补偿效果可与传统数字信号处理(DSP)技术相媲美，为光计算在通信系统中的实际应用提供了新思路。

　　

在光通信技术飞速发展的今天，高速率、大容量、长距离传输的需求对信号恢复技术提出了更高要求。虽然数字信号处理(DSP)技术已成为补偿光纤传输损伤的有效工具，但随着调制格式向高阶发展，传统DSP算法面临计算复杂度高、能耗大的挑战。与此同时，神经网络技术特别是循环神经网络(RNNs)在光纤非线性补偿中展现出潜力，但其训练成本高、实现复杂度大的特点限制了实际应用。

储备池计算(RC)作为一种简化的RNN范式，通过固定输入权重和内部连接权重、仅训练输出权重，大大降低了训练复杂度。其中，延时型RC通过单个非线性节点和延时环路实现，进一步降低了硬件复杂度，为光学计算架构提供了新范式。目前基于延时型RC的信号恢复研究多局限于OOK、PAM4等低阶调制格式，对高阶调制格式及两种主要RC实现方式的性能缺乏系统比较。

发表在《Optical Fiber Technology》的这项研究，系统评估了基于马赫-曾德尔调制器(MZM)的sin型RC和基于半导体激光器(SL)的激光型RC两种方案在高阶调制格式信号恢复中的性能。研究人员通过数值仿真模拟了多种传输场景，重点研究了两种方法在光纤非线性补偿、色散 mitigation 以及不同场景下的鲁棒性表现。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先建立了基于Lang-Kobayashi速率方程模型的激光型RC系统和基于正弦函数的sin型RC系统；其次设计了包含多跨段标准单模光纤(SSMF)的光传输系统进行数值仿真；然后引入了邻域符号模式技术来增强RC系统的色散补偿能力；最后采用非线性自回归移动平均(NARMA-10)任务作为基准测试，并通过参数优化提升了系统性能。

2. Reservoir computing schemes

研究人员详细介绍了标准储备池计算的结构，包括输入层、储备池和输出层三层神经网络结构。信息通过输入连接矩阵注入储备池，内部连接矩阵定义储备池的连通性，最终通过读出矩阵计算输出。

延时型RC相比空间分布式RC具有更简单的结构，仅包含单个非线性节点和延时反馈，节点在延时线中虚拟分布而非物理实现。这种架构大大减少了组件数量，降低了功耗和物理占地面积，使其特别适合对速度、能效和紧凑设计要求极高的光通信系统。

2.3. System setups

研究团队详细说明了激光型RC和sin型RC的系统结构。激光型RC系统包含注入模块、接收模块和延时线三个模块，响应激光器的偏置电流设置在阈值电流略低处，确保在没有外部扰动时保持稳定关闭状态，但在最大反馈条件下可呈现混沌动力学。

sin型RC系统的结构与激光型RC类似，但使用正弦函数来模拟节点的非线性，假设非线性响应是瞬时的且无记忆的。系统状态演化通过数学方程描述，包含了反馈强度、输入强度和偏置相等参数。

光学传输系统架构采用32Gbaud符号速率，1550nm中心波长，80km跨段长度，通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行信号放大，使用电域色散补偿(EDC)和数字反向传输(DBP)作为性能比较基准。

3. Results and analysis

研究人员首先通过NARMA-10预测任务测试了两种RC系统的性能，结果表明两种系统都具备信息处理能力和衰减记忆特性。

参数优化结果显示，通过扫描两个关键参数并绘制热图，找到了各自系统的最佳参数配置。在色散补偿性能测试中，使用0dBm功率的PAM4信号经过240km光纤传输训练RC网络，发现传统的单符号模式方法对色散损伤的补偿效果不佳。

为此，研究人员引入了邻域符号模式技术，通过考虑前后k个输入符号来提供上下文信息，使RC能够建模和补偿因色散导致的符号间干扰(ISI)。结果表明，这种方法能显著提高网络的色散补偿能力，sin型RC网络在节点数达到200时性能已与EDC相当。

在非线性补偿性能方面，使用15dBm功率的PAM4信号经过80km光纤传输，在通过EDC模块消除色散损伤后输入RC网络。出乎意料的是，单符号模式在非线性补偿方面优于邻域符号模式，激光型RC系统在非线性补偿方面表现最佳，512个节点的激光型RC方法在短距离传输中甚至优于2StPS DBP。

进一步研究表明，sin型RC方法对传输距离的变化极为敏感，但在发射功率变化方面表现出良好的鲁棒性；而激光型RC方法在发射功率和传输距离变化方面都表现出良好的鲁棒性。

4. Discussions

在多通道光学传输系统中的仿真表明，激光型RC方法在64QAM和256QAM等高阶调制格式下仍能保持良好的性能，补偿性能分别比1StPS DBP高1.4dB和1.6dB。sin型RC方法在多通道高阶调制格式光学传输系统中的色散补偿性能与EDC相当，且通过增加邻域符号数可以解决因传输距离增加导致的性能限制。

5. Conclusions

本研究对两种采用不同非线性的延时型光子RC系统进行了全面研究，并深入评估了它们在信号恢复任务中的性能。通过参数优化和引入邻域符号模式，显著提升了RC系统的性能。研究表明，sin型RC系统能够有效进行色散补偿，性能与EDC相当；而激光型RC系统在非线性均衡任务上优于3StPS DBP。

两种系统不仅能够在长距离光纤通信系统中执行信号恢复任务，效果与经典DSP技术相当，而且具有硬件友好性。这一研究为在光域中使用神经网络方法实现光纤损伤均衡铺平了道路，对推动光计算在通信系统中的实际应用具有重要意义。

该研究的创新点在于系统比较了两种主要RC实现方案在高阶调制格式下的性能差异，引入了邻域符号模式技术增强色散补偿能力，并验证了其在多通道高阶调制系统中的适用性。这些发现为未来光通信系统中智能信号处理技术的设计提供了重要参考，特别是在追求更高传输容量和能效的背景下，RC技术展现出了替代传统DSP方法的巨大潜力。