2014年10月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋

    2014年10月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光信号传输、调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
    来自澳大利亚南澳大学电信研究所的研究人员提出了一种基于可见光通信（VLC）的室内定位系统。与当前存在的其他可见光通信（VLC）定位系统相比，文中所提出的系统在三维空间中估计接收机的位置时，可以不需要下列严格的条件：1）知道接收机相对于地面的高度；2）要求接收机的法线方向与发光二极管（LED）的法线方向一致。由于这种定位系统使用现有的照明光源做为发射机，因此具有较低的安装成本。接收机所需要的光线感应器和加速度计，在大多数智能手机中都有配备，因此大多数智能手机都可作为接收机使用。光线感应器和加速度计主要用于测量所接收到的光强度以及智能手机的方向。最后使用一种低复杂度的算法，来找出接收机的位置。这种定位系统不需要获取光源中发光二极管（LED）的物理参数。实验结果表明，文中介绍的这种室内定位服务系统平均位置误差可达到小于0.25米。

    在下一代无线通信系统中引入了几个关键性的重要技术。小蜂窝（Small-cell）和云无线接入网络（cloud-RAN）系统已被认为是有前途的解决方案，以满足未来无线接入网络的容量需求。此外，利用高频无线频带（例如毫米波频带）是另一个扩展频谱的方向，可以提高网络的吞吐量。从网络角度来看，一个具有高容量、低延迟和可靠回程/去程（backhaul /fronthaul）的网络对支持先进的无线接入技术是非常重要的。因此，微波光子技术在下一代无线通信的综合光无线接入系统中可以发挥重要的作用。来自美国佐治亚理工学院电子与计算机工程系的科研人员首先回顾了一些用于新一代5G无线通信的关键要点和实现技术，然后介绍了一种多业务小蜂窝（Small-cell）、基于微波光子技术的无线接入架构（云光载无线网络）。通过小蜂窝（Small-cell）与云无线接入网络（cloud-RAN）相结合，在综合光无线接入系统中具备了多频带传送能力，而文中所提出的体系结构可以用简单灵活的方式实现高速多业务数据传输；这一点的论证是通过在一个在建的云光载无线测试平台上，实时进行全球微波互联接入（WiMAX）通信而实现的。在一个融合平台中，要求分别用两种不同的方法提供传统服务和面向未来的高数据率毫米波服务，科研人员对此也进行了分析和总结。


无源和有源光子器件
来自意大利米兰理工大学电子信息与生物工程系和意大利思科系统公司的研究人员介绍了一种紧凑型（小于0.65平方毫米）的硅光子可变延迟接收机，主要用于差分相移键控（DPSK）调制的光传输系统，其中包含一个装有集成可调延迟线的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。这种接收机的延迟线是通过在反射结构中采用热驱动耦合谐振器光波导（CROW）来实现的，使马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的延迟在66皮秒到102皮秒范围内连续可调可控，因此接收机的性能也得到优化，可以在9.8G至15 G符号/秒之间的任何符号速率下检测差分相移键控（DPSK）信号。延迟线调谐的原理很简单，仅有两个环形谐振器需要控制，并且能对热效应进行有效补偿，这种热效应是在高输入功率情况下，由硅的非线性特性所导致的。研究人员还对这种接收机能否扩展应用到100 G符号/秒的系统中，以及接收机可以实现的最大调谐范围进行了论述。


来自意大利光子网络国家重点实验室、国家工业技术中心和圣安娜高等学校的研究人员，介绍了第一种以光子学为基础的全数字相干雷达系统的完整设计和演示情况。文中所推荐的雷达系统架构依赖于一种具有很高灵活性的新型光收发器，它能够根据软件定义的无线电模式，产生和接收任意波形和载波频率的信号。该系统的核心是一个单一的锁模激光器，这种激光器固有的相位和振幅稳定性，使其能够在极宽的频率范围内产生高质量载波，并能以前所未有的高精度直接对高频信号进行数字化处理。文中还介绍了在现场试验验证的详细情况，重点聚焦在光子收发器、天线的前端以及进行数字信号处理的过程。现场试验是在真实场景中，所测的目标也是预先未知的，测试结果证明了雷达系统的出色性能。最后，研究人员还介绍和讨论了雷达系统对空中和海上目标探测的结果。

    来自美国德雷塞尔大学电气与计算机工程系的科研人员讨论了使用商用设备对可重构天线进行光学控制的技术。这些技术被应用到一种方向图可重构平面天线上，用来集成光控电路，对布置在每个象限的微带散热器进行开关折叠。通过微带元器件之间的切换，所设计的天线可以生成单个全向或四个定向的方向图，在2.4 G赫兹的无线局域网范围内保持良好的阻抗匹配。科研人员研究了两种可能的光学控制技术：1）具有开关作用的P-i-n型光电探测器，2）光敏晶体管控制的射频（RF）P-i-n型二极管开关。对于后一种技术，研究人员进行了进一步的数值模拟和实验分析，讨论了在可重构天线上采用射频（RF）开关时的优点和局限性。最后，研究人员还收集了输入阻抗和辐射方向图的测量值，用以验证文中所提出的可光学控制的天线设计，并与采用标准电控制技术的天线进行了比较。

    对于在光通信中的一些关键应用环节，利用光子芯片中的非线性光学效应已被证明是非常有效的。微波光子处理器（MWP）也可以受益于采用这样的技术，于是就产生了非线性集成微波光子处理器的新概念。在这里，人们看到了芯片上使用非线性光学效应的潜力，可以使处理器具有更强的性能来进行射频信号处理。来自澳大利亚悉尼大学物理学院光子学与光科学研究所光学系统超宽带设备中心的研究人员回顾了在这个领域最近取得的一些成果，尤其关注于创建频率捷变和使用片内受激布里渊散射的高抑制微波带阻滤波器。研究人员还讨论了非线性集成微波光子处理器未来的发展前景，目标是使之成为一个通用的、可编程的模拟信号处理器，以及紧凑的、高性能的有源微波滤波器，并且能源利用效率更高。 

来自美国布兹-艾伦-汉密尔顿公司等的研究人员回顾了过去十年间，由美国国防部先进研究项目局（DARPA）所资助的这个课题上的进展。资助所获得的最先进研究成果主要用于微波光子器件以及微波光子链路配置，前者包括低噪声激光二极管、电光调制器和高功率光电二极管；后者包括光子下变频、可重构光学滤光器和光学锁相环。在无杂散动态范围（SFDR）内，这些资助的研究已经带来了性能上的显着改善。对性能的测量结果如下：在16 GHz下使用宽带外调制链路时，无杂散动态范围（SFDR）超过115分贝•Hz2/3；在10 GHz下使用子倍频电光调制器时超过120分贝•Hz2/3；在100 MHz下使用光学相位锁定回路作为线性相位解调器时接近135分贝•Hz2/3；在5 GHz下使用光学滤波、下变频和预失真补偿时超过125分贝•Hz2/3。

光信号传输
    来自日本大阪大学工程研究生院电气电子与信息工程系的研究人员，回顾了用于光纤传输系统和光载无线（RoF）传输系统的数字相干技术，介绍了这项技术当前的发展状况，并对未来进行了展望。研究人员回顾了数字相干技术的两个关键点：相干接收机和对光纤中非线性效应引起损伤的补偿技术。接下来，介绍了一个100 G数字相干长距离光纤传输系统的商用配置，以及研制400 G和400 G以上传输系统所带来的挑战。最后，文中关注的焦点又回到数字相干光载无线（RoF）传输系统上，研究人员介绍了日本一个正在进行中的政府资助研发计划，名称是“具有高度复原性的光及无线无缝通信系统的灵活部署能力”，是在2011年3月日本大地震之后启动的项目，旨在建立一个光纤和毫米波频带的无线无缝传输系统。最前沿的光载无线通信技术用于当前社会的实际需要，是尖端科技应用的一个很好范例。

    上世纪70年代末80年代初，美国国家航空航天局喷气推进实验室通过研究在光纤上开发了超稳定的射频传输系统，这一技术成功运用在国家航空航天局深空网络计划中的全球三大站点上，到目前已经连续运行了三十多年。在当前和未来的每一个深空任务中，这种光载射频传输系统是支撑跟踪、导航以及通讯功能的关键。该系统的成功运行，使得今天在每一个深空跟踪天线网络和世界各地的射电望远镜上，都采用射频光子学做为技术基础。这种光载射频传输系统也部署在美国国家航空航天局的陆基和空基行星成像及测绘雷达上。这些系统还是今天有线和无线行业的关键基础设施——商用光载射频网络的前身。来自美国加利福尼亚州立大学伯克利分校和喷气推进实验室的研究人员在本文中提供了一些关于美国国家航空航天局天线阵列和雷达系统的阐述，其中光载射频传输起到了十分重要的作用。

调制与光信号处理
    来自中国南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室的研究人员提出了一种新的方案，用于实现高性能光学单边带（OSSB）调制，并通过实验进行了验证；这种光学单边带（OSSB）调制技术是以一个双驱动器的马赫-曾德调制器（MZM）和一个120°混合耦合器为基础的。射频信号被120°混合耦合器分为两部分，这两部分信号的功率相等，相位相差120°，然后分别送入双驱动器马赫-曾德调制器（MZM）的两个射频端口。加上适当的直流偏置，就可以生成一个带有-1阶和+2阶边带（或+1阶和-2阶边带）抑制的光学单边带（OSSB）信号。研究人员还进行了数值模拟和概念验证实验。与以往基于90°混合耦合器的光学单边带（OSSB）调制技术相比，在光载无线通信系统或光学矢量网络分析仪中应用这种新的光学单边带（OSSB）调制技术，可以使+2阶（或-2阶）边带的抑制能力有明显改善。
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    在电场诱导力的作用下，会引起带电粒子和介电电泳产生类似液体流动的效果，基于这种原理，来自中国重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室的研究人员提出了采用光纤法布里-珀罗干涉仪测量高电压的方案，并对此进行了验证。研究人员通过建立一个二阶方程式，表述了电压信号和输出光信号之间的关系。在实验中，两个7千伏、50赫兹的正弦信号，以及几十千伏的瞬时脉冲信号被用作测试电压源。实验结果表明，当施加的电压源为脉冲电压时，输出光信号呈现出的波形近似二阶系统的脉冲响应。公式推导揭示了这种测量方案的线性特征和在实验中的二次电压效应。至于对50赫兹的交流电压信号进行测量实验，所输出的光波形显示与原信号只有0.1毫秒的延迟。由此可见，理论分析和实验结果具有良好的一致性。此外，方案中也没有要求用到昂贵的材料和偏振装置。研究人员表示，文中所提出的这种测量传感技术还具有测量高脉冲电压或周期性高电压的潜力。