2015年5月PTL光通信论文评析

光纤在线特约编辑：邵宇丰 方安乐
    2015年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、无源光子器件、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
激光器
    双波长单纵模光纤激光器广泛应用于密集波分复用光纤通信系统、光纤传感、光学测量等领域。单色性好的双波长光纤激光光源可增大波分复用系统的容量,提高光纤传感测量的精度,因此双波长单纵模光纤激光器具有重要的研究价
值和应用前景。为了保证稳态的双波长单纵模输出，需要克服强均匀线宽展宽和交叉增益饱和导致的不稳定双波长震荡。与此同时，2μm波段激光属于人眼安全波段，占据大气窗口中多个有利波长，在工业加工、科学研究和国防军事中有着广泛的应用。增益开关掺铥光纤激光器作为获得2μm波段纳秒脉冲激光的重要技术，在红外遥感探测、生物医疗和光电对抗等领域有巨大应用前景，也是进一步产生中红外激光的优异泵浦源。此外，全光纤结构激光器除具备光束质量好、转换效率高、散热佳等优点外，其系统可靠性、紧凑性和集成性尤为出色。因此，全光纤结构的2μm波段掺铥光纤激光器具有十分重要的研究价值。最近，北京交通大学光波技术学院全光网络与先进光通信重点实验室的研究人员提出了一种新型的双波长单纵模光纤激光器。该激光器的运行波长在2μm波段，在实验中，研究人员利用一个保偏啁啾Moiré光纤布拉格光栅作为一个偏振独立窄带滤波器来抑制激光谐振腔中多纵模振荡的产生。此外，研究人员发现还可以通过简单调节偏振控制器来实现单波长输出和双波长输出之间的切换。他们还发现对于附加的单偏振态也可是的激光谱线依然维持单纵模振荡，还给出了每个输出波长对于泵浦功率的依赖性关系。该激光器的主要结构由保偏啁啾Moiré光纤布拉格光栅、偏振控制器以及一个光纤连接器组成，实验装置图如图一所示。

无源光子器件
    光电振荡器作为一种新型的微波信号发生器能产生频率从几个到上百GHz，Q值（品质因子）高、低相位噪声的高品质信号并且具有可调谐性以及光电两种输出，是一种非常理想的微波信号发生装置。相比较而言，传统的微波信号产生方法中，介质振荡器在低噪声、高谱纯度或可调谐等方面的特性表现往往不尽如人意。石英虽然可以获得品质因素很高的稳定晶振，却不能获得高频信号。高质量的微波信号在民用通信、电子测量、电子对抗、雷达等方面都具有广泛的应用。      
    光电振荡器一般是由光源、强度调制器、滤波器、光电探测器(PD)构成的一个正反馈环路。它利用调制器以及光纤低损耗的特性将连续光变为稳定的、频谱干净的射频／微波信号。激光器发出的连续光经电光调制器后通过光纤传输进入光电探测器，光电探测器把光转变为电信号后进人选频、放大和反馈调制器件。在此过程中有源器件会产生不同频率的噪声扰动，这些扰动在输出端被滤波器滤出希望起振的频率，并用来反馈控制电光调制器。环路中的放大器提供了增益，信号经过多次循环后，就能建立起稳定的振荡，其振荡频率主要由滤波器的通带特性决定。最近，浙江大学信心科学与电子工程系的研究人员提出了一种频率可调谐型基于微波光子滤波器的光电振荡器。其主要是基于两个具有不同截止频率的高通滤波器间的传输响应频谱差来实现的。通过改变可调谐滤波器的带宽或者两个激光源的输出波长，该合成化的单通微波光子滤波器的中心频率可以在一定频率范围内改变，从而实现光电振荡器振荡频率的可调谐。在实验中，研究人员所测得的频率可调谐信号的调谐范围为7.8GHz至14.2GHz，调谐步长为1.25GHz，该实验系统主要由两个激光二极管、相位调制器、色散位移光纤、耦合器、光探测器以及一个掺饵光纤放大器构成。

    磁传感器就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的传感器。磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支，在传统产业应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，它们发挥着愈来愈重要的作用。另外，基于微型光纤的光子磁流体集成器件已引起研究人员广泛的关注，这主要是因为磁流体突出的磁光特性。磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。现在已有许多基于微结构光纤空气孔磁流体渗透的光子器件设计，不同于它们的高灵敏度和款测量范围，温度交叉灵敏效应任然是这种基于微型光纤光子器件设计的一个重要因素。最近，中南林业科技大学的研究人员提出了一种基于长周期光纤光栅和四氧化三铁的磁传感器件。研究人员将四氧化三铁磁流体和长周期光纤光栅密封在一根毛细管内。该传感器对垂直磁场和环境温度相当敏感，但是它对轴向磁场的灵敏度却相当低。由于长周期光纤光栅的这种混合结构，该传感器的传输谱具有两组共振凹陷，它们分别对垂直磁场强度和温度具有不同的灵敏度。该磁传感器可用于同时测量温度和垂直磁场强度，它可以很好地解决温度交叉灵敏效应。此外，研究人员指出，这种磁传感器具有结构紧凑、易于构造以及宽线性测量范围的优点。

光网络及其子系统
    当前的可见光通信系统主要是采用高速光致发光二极管作为信号发射器，以及将光电二极管作为信号接收器。迄今为止，一个采用单LED的无线可见光通信系统可达到3Gb/s的传输速率。然而，LED的非相干光输出意味着信息仅仅只能在光强度级别范围内编码。因此，仅仅只有实数和正信号能被用于数字调制。这与射频系统的调制方式正好相反。从而可见光通信系统的数字调制可利用强度调制和直接检测系统来实现。通断键控、脉冲位置调制和脉冲振幅调制是用于强度调制直接检测系统的通常的调制方式。现今对于高速数据的传输通常正交频分复用调制技术，它可将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。在现今的可见光通信系统中可采用不同的光正交频分复用（OFDM）调制方案，分别为直流偏压光OFDM，不对称消除光OFDM，单极光OFDM以及非直流偏压光OFDM。总之，可见光通信系统采用传统的光电二极管和雪崩二极管来发送和接收信号，而对于低功率和长距离传输，这些光电二极管将无法产生预期的通信性能要求，这是由于互阻抗放大器降低了接收器的灵敏度造成的。鉴于以上原因，最近英国爱丁堡大学的研究人员提出了一种新型的基于单光子雪崩二极管接收器的光正交频分复用系统。该实验采用单光子雪崩二极管检测器的原因在于其并不需要一个互阻抗放大器，因为它是以盖革模式来运行的。这使得它用于检测连续数据载波信号具有相当的难度。然而，在该篇论文中，研究人员进一步发现，OFDM信号的确可被检测到，并且他们还测量了光直流偏压光OFDM信号和不对称消除光OFDM信号的比特误码率。该实验结果是在没有背景光的情形下实现的，研究人员还将该实验结果可以与传统的采用光电二极管接收器的OFDM系统做了比较研究，结果表明，基于单光子雪崩二极管的OFDM系统具有更好的功率效率，它可以达到射频信号系统的接收器的灵敏度。

在室内可见光系统中，为了照明方便，LED灯光的亮度应该是可以被调节的， 此外，光亮度调节技术非常节能而且提供了很高的色彩表现。对于单载波脉冲调制如通断键控和脉冲位置调制而言，调光技术可以通过改变每个脉冲的强度或者脉冲宽度调制的占空比来实现。传统的光OFDM技术主要专注于数据传输，其并不能支持有效地光亮度调节，现今已有一些研究人员提出了几种调光技术用于基于OFDM调制技术的可见光系统。例如，对于每个时域信号可通过调节脉宽的占空比来实现调光，然而对于用于高速传输的高频脉宽调制信号却很难适用。此外，有的调光技术仅仅能在脉宽调制信号处于通路状态时实现，这将需要相当低频的脉宽调制信号从而导致数据传输速率的大幅度降低。在这种前提下，非对称混合光OFDM（AHO-OFDM）技术被人们提出来用于室内可见光通信系统中，这种调制技术全面利用了子载波和LED灯的动态范围以便于支持亮度调节目标，从而提高整个可实现调光的系统性能。清华大学电子工程系信息科学与技术国家实验室的研究人员提出了一种可用于光亮度调节的基于非对称混合光OFDM技术的可见光通信系统。在他们提出的系统方案中，不管是ACO-OFDM信号还是脉冲振幅调制多频音信号（PAM-DMT）都是相反的，然后这两种信号被混合在一起传输，因而调光控制将不再需要脉宽调制。此外， ACO-OFDM和PAM-DMT信号的功率被调整，所以混合AHO-OFDM信号是非对称的，这可使得整个有效的子载波以及LED的整个动态范围具有不同的调光级别。研究人员通过仿真结果表明他们提出的调制技术方案可实现一个具有很小数据吞吐量波动的宽调光范围。
    最近，相干光通信技术在自由空间光通信系统中的应用引起了研究人员的广泛关注。尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。通常的光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。而在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅（而不象强度检测那样只是改变光的强度），这就需要光信号有确定的频率和相位（而不象自然光那样没有确定的频率和相位），即应是相干光。所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。相干光通信的一个最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。最近，韩国大田科技学院电子与电气工程系的研究人员采用研究了一个相干自由空间光通信系统的性能。该相干光通信系统采用了多接收端口来克服大气湍流对信道衰减的影响。特别的是，他们推导出了该相干自由空间光通信系统的平均误码率以及遍历容量。为了减少大气湍流导致的信息振幅波动和相位畸变，他们在接收端口采用了模式补偿技术。他们计算的数值结果与推导出的平均误码率概率与遍历容量表达式相吻合。此外，研究结果表明，在相干光既有空间通信系统中，采用多接受端口以及更高的泽尔尼克补偿模式可以改进平均误差率和遍历容量。自适应模式补偿可以有效地依赖信噪比条件来改进整个系统的性能。
    为了适应下一代高速、灵活、全业务的光接入网络的需求， 在运营商主导的全业务接入网（ FSAN） 论坛的引领下，ITU-T 第 15 研究组率先开展了对下一代无源光网络标准（ NGPON2） 的研究。到目前为止，TU-T关于下一代无源光网络标准体系的布局已经基本完成 ， 形成了以 G.989系 列 为 代 表 的 NG-PON2 标 准 系 列 ，并逐步完成该系列标准。其中100Gb/s的以太网标准在2010年已建立完成，但是100-GbE以太网收发器的采用才刚刚起步，此外，最近才提出100-GbE多源协议的制定，并且修改了100Gb/s信号在单模光纤中传输2米到至少2千米，10千米或者40千米的相关协议。在该协议下所规定的收发器需要10个1.55微米光源，其波长格子间隔为8nm，调制速率为10Gb/s。
    韩国大田电子与通信研究所的研究人员提出了一种基于一个10×10Gb/s分布反馈式激光二极管阵列（DFB-LDA）和一个光波回路阵列波导光栅的混合集成通信模块。他们采用选择性区域生长技术来控制适当地信道增益，用于构造DFB-LDA，利用电子束刻蚀法来精确地控制信道波长和光栅相位。为了实现AWG，他们引入了一个2%-Δ结构来减少AWG和DFB-LDA之间的耦合损耗，并且在自由传输区域的连接点处设计了锥形和抛物线型波导来拓宽谱通带宽度。该模块的边模抑制率大于45dB，在10Gb/s处的动态消光比达到了>4.4dB，在全信道传输2千米之后的功率损耗<1.5dB。