2015年11月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 申世鲁 陈福平 陈烙 
    2015 年11月出版的PTL 主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器和放大器、无源光子器件，光通信网络及其子系统，笔者将逐一评析。
激光器和放大器
    波长可调激光器广泛运用于在光纤传感器和光谱测量领域，如FBG(光纤光栅)，OFDR(光频拱反射)系统，OCT(扫频波长光学相干层析成像)和BOSA（布里渊光谱分析仪）系统。在那些应用中，扫频波长可以用来描述无源或者有源光元件，或通过干涉仪来创造干涉条纹。理论上，波长可调谐应该是线性的，因此实时激光器波长可以根据时间来简单的计算，并且在OFDR和OCT系统里的FFT（快速傅里叶变换）要求在光频上采样要等间隔的。然而，可调谐激光器经常处于高速连续扫频,可能会导致非线性波长调谐出现，这可能导致波长读取错误和测量错误。因此波长实时监控很重要，它可以纠正波长调谐的波动，在过去的研究中，辅助干涉仪被广泛用于监控实时波长。在FBG、OFDR、OCT和BOSA系统中，光纤马赫增德尔干涉仪、Fabry–Pérot干涉仪等被用来监控非线性波长。然而，这些辅助干涉仪容易受到环境温度和震动的影响，且他们只能监控波长扫描速度而不是实时波长，所以在较高非线性调谐情况下，干涉条纹不易用于波长补偿。来自中国计量大学光与电子技术学院的研究员提出并证明一个新的基于法拉第旋转效应的波长测量方法。法拉第旋转效应产生于线性偏振电磁波和在磁场作用下的材料相互影响，当一个线性偏振光通过介质材料，它的偏振面发生旋转，这个旋转角的大小和材料、磁场、温度、入射光的波长有关。波长和旋转角的关系被称作波长色散，这个被用来测量波长。该波长测量设备是由波长敏感滤波器和一个特制的光纤磁光设备组成，当具有不同波长线性偏振光通过磁光晶体时，它们的偏振面会旋转撑不同的角度。

图1 基于法拉第旋转效应的实时激光波长测量方法
    光子微波信号相比于传统电子频率合成器它具有超高带宽和免疫电磁干扰的优点，这些特点引起了人们的广泛关注。很多的光子微波信号的产生方法已经被提出，如光注入锁定（OIL）技术，光学锁相环（OPLL）技术，光电子震荡（OEO）技术，双波长激光光源和外调制等。在上述方法中，基于外调制的光子频率倍增技术由于其低相位噪声、灵活的频率可调谐性和安装简单等优点，在高频率微波和毫米波信号产生方面具有很大的潜力。基于马赫增德尔调制器的光子频率倍频在1992年第一次被报道，在接下来的二十年里，四倍频和六倍频的光子微波产生方案相继产生。伴随着像八倍频的高频倍增因子的产生，光子微波信号的产生过程可以进一步降低驱动信号的频率要求。一个基于两个串联的马赫增德尔调制器的光子八倍频系统被提出，该系统中两个马赫增德尔调制器的调制因子应该控制在1.699，这样就可以成功抑制光载波。有人提出了利用四相位调制器或者双臂马赫增德尔调制器来来构建光子八倍频的方案，要想这样抑制光载波，但四相位调制器的调制因子必须精确地设置在2.405或者5052处，如此精确的设置调制因子是很困难的。另外也有人提出，在上述产生光子八倍频的方法中，不使用限定调制因子方式而是用高反射率光纤光栅（FBG）也可以抑制光载波，但频率可调谐会受到限制，因为FBG的带宽是固定的，且FBG的稳定性也存在较大的问题。还有人提出用四个平行马赫增德尔调制器(MZM)构建的光子八倍频系统，但该系统仅仅存在于仿真，调制因子太高而难以实验中验证。在实际应用中，不会使用四个平行独立的MZM去产生八倍信号，因为很难保证来自不同MZMs的光信号的相干性。来自中国西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室的研究人员提出一种基于双偏振正交相移键控（DP-QPSK）产生光子八倍频系统。不像上述其它的方案，该系统只需要两路驱动信号。通过实验证明是该方案的可行性，利用3GHz本地震荡信号来产生电杂散抑制率为12.6dB的24GHz微波信号。该系统中没有使用电或者光的滤波器，且具有良好的频率可调谐性。实验结果表明该系统具有良好的相位噪声性能。

图2 一种基于双偏振正交相移键控（DP-QPSK）产生光子八倍频系统
     最近，来自中国半导体研究所的研究人员报道了一种波长为4.97um连续波机基质散发分布式反馈量子级联激光器，在20℃情况下可以获得1.27W的低功率损失，通过在双面涂上高发射率涂层获得超低阈值电流强度0.81 kA/cm2，这是在低功率损耗分布式反馈量子级联激光器中的最低值。单模散射和25dB的单模抑制比是连续可调谐的，这些性能是表面散发分布式反馈量子级联激光器为低功率设备做出明显的贡献

无源光子器件
    来自哥伦比亚大学Michael Caverley和他的团队研究了一种采用四分之一波长相移光栅谐振器的SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）调制器，该调制器在数据速率高达32Gbps时眼图是张开的，使用伪随机数列发生器产生的25Gbps的数据时它的误比特率小于10-10。像感应器、滤波器、激光都使用了这种SOI，它可以通过在光栅的中心四分之一的谐振波长处偏移光栅波纹来实现，这样会形成一个法布里－珀罗谐振腔。由于共振的原因，四分之一波长相移光栅的频谱响应在通道端口阻带中心有一个单一窄峰和在反射响应中有一个相应的缺口。关于使用法布里－珀罗谐振腔的SOI调制器已经出现了一些论证方案，Michael Caverley之前预先论证了使用248nm光刻制造的四分之一波长相移布拉格光栅调制器，近期，又使用一个24.025um长腔对SOI电可调布拉格光栅法布里－珀罗滤波器 进行了论证和调制，发现它的调制速率高达3.5Gbps，而且他们也研究了在SOＩ基础上使用PN结和PIN结的可调谐布拉格光栅滤波器。方案中提到的采用四分之一波长相移光栅谐振器的SOI调制器比他们之前设计的性能会更好，他们认为该性能的提升是因为使用了193nm光刻技术，而不是248nm的，如图3所示，因为降低了光刻的平滑度，一个侧壁波纹，使用193nm光刻技术制造的带状波导布拉格光栅相比使用283nm光刻技术的具有更搞得耦合系数。四分之一波长相移布拉格光栅调制器在原则上类似一个环形调制器，但还有三个主要区别：１，谐振腔是在一条直线上而非环形上形成的，这样会更加紧凑；２，仅在基本模式下运行腔体（也就是没有自由光谱区），而环型通常有几个纳米的自由光谱区；３，该设备具有两个端口（输入／反射，直通），并且调制光出现在两个端口上，然而一个分插复用（add-drop）环调制器有四个端口，其中两个端口具有调制光。

图3 SOI调制器系统设计
    可见光通信（VLC）技术及其宽广的频谱资源吸引了人们的广泛关注，但是有限的调制带宽、频率选择信道特性和LED的非线性区域等限制了传输速率。在室内环境中，多个LED光源可以很好的满足照明水平，由于多输单输出（MISO）技术，又可以用于可见光通信系统并获得较好的通信效果。波分复用（WDM）也可以提升VLC通信速度，WDM系统使用三种颜色（RGB）的LED芯片来实现平行传输，这就要耗费三个光滤波器和三套接受前端。有一种叫多路LED相移开关键控调制的新的传输技术已经被提出，它可以获得较高的带宽效率。相移传输技术可以用于以下三个方面：第一个是在多个LED芯片在一个灯里照明实现相移叠加传输；带二个是在MISO VLC系统和多路室内LED灯在不同的地方相互结合；第三个是用RGB LED芯片来替换WDM VLC系统。均匀功率分配和迫零检测被用于多路LED相移开关键控VLC系统中，但这并不是最好的选择。事实上，当相移技术应用于多路LED相移灯或MP-RGB时，电光电（EOE）信道增益在不同的LED上接收到的是不同的。来自中国洛阳信息科学与技术学院通信工程系的研究人员提出多路LED相移叠加传输技术来增加VLC系统的传输速率。他们为基于MISO VLC的多LED相移脉冲振幅调制系统提出了最佳功率配置方案。基于最大似然检测的最佳设计标准被提出，同时一种封闭式的分配方案在不取消最小欧几里得距离的情况下增加星座图上点的距离。仿真结果显示这种新的功率分配方案相比于均匀功率配置获得较大性能增益。

光通信网络及其子系统
    在下一代无源光网络（PONs）中采用相干检测已经被广泛研究，为了减少相干PON结构的成本，可以在在光网络单元（ONU）使用反射半导体光放大器(RSOA)。为了下行(DS)信号的检测，以RSOA为基础的PON所需的相关操作需要使用内部检测(ID)或直接检测(DD)。内部检测需要在ONU有一个可调谐本机振荡器（LO），在下行接收端数字信号处理器(DSP)也需要载波频率偏移(CFO)和载波相位偏移(CPR)。另一方面，DD会导致低的DS接收灵敏度。在光线路终端(OLT)对上行信号的自相干检测（SCD）和在（ONU）对下行信号的自零差检测（SHD）的结合已经被提出。这样不会增加DSP的复杂度来为减少串扰进行频率转移。在反射情景下，未调制的导频音与下行信号偏振复用在ONU被引出作为LO进行SHD，并且通过RSOA进行再调制。因此，由于剩余的下行信号引起的再调制噪声的缺失和在上行信号发送时只要求小部分的导频音（PT）功率预算，RSOA的应用得益于提出的结构。RSOA作为集成调制器和放大器的双重身份既减少了ONU的电光损失，与非发射的情况下也推进了上行功率预算。最近，来自阿威罗大学和日本国家信息通信技术光子网络系统实验室的研究人员对以1 Gbaud二进制或正交相移键控(BPSK 或QPSK)上行信号的SCD和2.5 Gbaud16正交幅度调制(16-QAM)下行信号的SHD为基础的完全相干发射PON进行了性能分析。从线宽为530km的外腔激光器（ECL）的部分光作为本地光源，另一部分被送入标准导频音矢量调制器(PTVM)，信号被一个集成偏振分束器（PBS）分成两部分正交偏振。其中之一被调制后和未调制的在集成光速组合器（PBC）中再结合。PTVM里的IQ调制器被任意波形产生器(AWG)驱动。循环器用来分离相向信号头通过30km标准单模光纤(SSMF)优先传输。下行信号的发射功率通过一个掺铒光纤放大器(EDFA)和一个可变光衰减器(VOA)设置为每个偏振部分3 dBm。在ONU一侧，信号和PT部分被偏振分束器分开，信号被送入相干接收器的对应端口，PT被0.15nm光带通滤波器滤波，通过可变耦合器分离，一部分被用来作为相干接收器的本地光源，余下来的作为种子光直接调制RSOA。插入损耗通过偏振分束器 和VC对应引入约3 dB 和 1 dB。研究人员发现通过光谱转移和静态预均衡，最小的补偿可以降低至1dB。提出的场景可以增加容量，同时为了减少功率损耗可以在在光网络单元利用简化的下行数字信号处理技术。结果可以通过使用现有的光电器件、有着稳定增益(～18 dB)的未冷反射半导体光放大器以及1 GHz的合适带宽获得。

图4   反射无源光网络实验原理图
     奈奎斯特脉冲成型与相干数字光系统结合已经被提出，用来提高超高密度波分复用无源光网络(UDWDM-PON)系统的频谱效率，同时在双向传输系统中减少串扰、背射、四波混频(FWM)的影响。由于更高的频谱效率和灵敏度的需要，软件定义接收和先进调制格式收到了关注。时钟、频率、相位恢复的数字实现对相干无源光网络提出了挑战，这些先进的技术要求简单有效的数字信号处理技术从而与可行廉价的接受机制相兼容。奈奎斯特成形UDWDM-PON具有高容量和高灵敏度被广泛的离线说明。16×2.5 Gb/s奈奎斯特正交相移键控(QPSK)和2.5 GHz信道间隔的完全数字实时操作（发射与接收）已经被提出，然而，UDWDM-PON的DSP子系统和奈奎斯特脉冲成型在实时实现方面还面临许多的挑战。信号的高峰均比和低余弦滚降系数（奈奎斯特信号）需要在数模或模数转换设备中有更高的有效比特数(ENOB)，在DSP有更高的位分辨率。此外，奈奎斯特脉冲成形（滚降系数趋向0）也会对数字时钟恢复产生影响，时钟恢复是造成系统复杂的重要原因，也是关系到整体DSP系能的重要算法，因此，为了低滚降系数，最优的时钟恢复实现在可行的光网络单元十分重要。最近，来自阿威罗大学的研究人员提出了为时钟恢复的8比特DSP为基础的光网络单元结构，探索了插入和时间错误检测系统的最优实现，能提高硬件复杂度和性能的平衡，执行了相干奈奎斯特UDWDM-PON实时实验说明，实验加入商业现场可编程门阵列。研究人员使用了加德纳方法，它由于简单和载波独立性能被广泛使用，该算法需要每个符号两个采样值，目的是为了插入信号以及在最佳采样时刻再采样。试验中，预加重滤波器用在每个信道为了减少接收端的带宽限制。外腔激光器用作光源，系统就接收灵敏度分为背靠背和在80km标准单模光纤进行比较。可变光衰减器用来设置合适的接受功率，IQ调制器被先前的电信号驱动。信道被4×90°光混合器和一个不同步外腔激光器本地光源相干检测，本地光源调至中心的QPSK信道。由于中心信道受到串扰和非线性影响最多，它能分析系统在最差环境下的性能。标准时钟用来控制光幅度波动，。结果显示BER阈值10-3，，这被认为是前向纠错码(FEC)极限。

图5 时钟恢复校验实验原理图
     近几年，由于使用数字相干接收的光双偏振正交幅度调制（DP-QAM）信号传输系统具有高效频带利用率和较大色散容限的特点而得到广泛的研究，在传统的数字相干传输系统中，连续激光发生器在发射器和接收器中分别作为信号激光源和本振激光源。为了恢复稳定的载波相位，这些激光源必须提供可靠的高波长、低相噪（如窄线宽）的激光，特别是针对于高阶低波特率的QAM信号。来自日本电信电话公司网络创新实验Hiroto Kawakami的团队最近提出来一种新型的基于DP-QAM数字相干传输系统，文中提到，DP-QAM信号和对称本振源都是通过同一个连续激光发生器产生并同时传送的，由于这种接收器中光相位噪声被抵消掉，在接收器不使用相干激光源的情况下线宽的容限都得到了提升，相位噪声抵消的方法是由几个基于导频或者使用导频进行自查检测来实现的，同时，因为不需要对相干光源进行波长锁定，从而这些技术能够简化接收器的结构。如图6所示，在数字相干传输系统中采用相对称的两个本地激光源，因为这些本地激光源和信号激光源都采用波分复用来代替偏振复用，这样便实现了DP-QAM信号的传输，它的频谱效率基本没有损耗，因为本地激光只不过就是连续激光器产生的激光。该团队成功论证了3.125Gbaund双偏振四进制相移键控信号在经过50公里传输后，并在45MHz线宽的情况下误码率基本保持不变。


图6 系统结构图
来自韩国D. H. Sim研究团队最近提出了不采用动态偏振器的情况下实现了偏振复用开关键控（PDM-OOK）信号的直接检测接收的新方案，偏振复用技术可以使光纤通信系统的频谱效益提升一倍，该方案中两个独立的正交偏振态调制信号以相同的波长进行传输（图7）。这些正交偏振信号进行解复用接收时通常在电域使用数字相干接收机或在光域采用直接探测接收机动态偏振控制器来实现。在使用数字相干接收机的情况下，两个正交偏振信号通过数字信号处理单元来分开，它通常采用横模算法的有限脉冲响应滤波器来驱动。然而，这样的相干接收器需要在光纤前段添加一些昂贵的器件，这些器件包括一个窄线宽本振激光器，两个偏振分束器，两个90°相移光混合器，4个单端或平衡式光电探测器。因此对光接入网络和数据服务链路来说这样的相干接收器的成本无疑过高。在另一方面，在使用直接检测接收器时，就往往需要一个动态的偏正控制器来进行偏振解复用，通过两个光电探测器来直接检测偏振复用信号，但是，在低瞬态极化不匹配情况下去追踪一个接收信号的偏振态的过程会是一个极其复杂的过程，这是低系统中断概率的关键所在。他们试图将光电探测器和数模转换器的数量从4个减到3个以降低它的成本，现在所使用到的接收器由一个偏振分束器，3个一分二的定向耦合器，3个光电探测器，3个模数转换器，1个数字信号处理单元组成，通过短训练序列能够辨别在这4个符号中偏振复用开关键控的信号，我们论证了该接收器可以探测20Gbps的PDM-OOK信号，甚至偏转速度达到了3M rad/s，训练序列的开销小于1%。他们认为通过更改数字信号处理的算法后的接收器同样可以用于多阶PDM信号（比如４阶脉幅调制信号）

图7 PDM-OOK信号的直接检测接收和眼图