2015 年12月PTL光通信论文评析

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导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰陈烙申世鲁陈福平
2015 年12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，光网络及其子系统，笔者将逐一评析。
1.激光器和放大器
模拟光子链路（APLs）在微波通信中的应用中引起了人们的广泛关注，并在光缆电视、基于射频的光纤无线通信、雷达和无线电天文望远镜等领域研究其应用。尽管光纤及其相关技术具有很多优点，如低损耗、高带宽、重量轻以及可避免电磁干扰，但是光纤的色散（CD）负面效应降低了APLs的通信性能。为了克服因色散引起的功率衰减，研究人员已经提出一系列的研究方案，一个常规方案是采用光信号进行单边带调制，实际中宽带的单边带调制并不是那么容易实现的；也有的研究人员提出采取补偿方案，如采用双边带（DSB）预矫正补偿调制和载波相移DSB调制的方案；还有研究人员提出采用偏振调制的APL去补偿功率衰减，然而这些方案只是工作于单频率波段而不适合宽频带操作；另外有研究人员提出采用一个基于两信道相位调制进行宽带补偿的方案，该方案补偿的带宽可以达到18GHz，但这个方案需要两个激光二极管和一个特殊的调制器才能完成，这使系统变的复杂，成本高。还有一种方案是使用平行调制器的射频光纤（RoF）链路来克服CD引发功率衰减，可操作带宽可以达到18GHz，但该方案需要两个调制器且它们之间的时间延迟不易控制。来自南京大学工程与应用科学学院南京微结构国家实验室的研究人员提出在传统的DSB基于APLs的强度调制中放置基于分布反馈（DFB）半导体激光器的光相位共轭产生器（OPC）来克服CD引发功率衰减，如图1所示。采用的DFB激光器相当于非线性媒介将引发四波混频（FWM）效应，同时作为泵浦光源来提供激光束。该方案相比较传统的采用半导体光放大器（SOA）和色散位移光纤（DSF）的方案，不需要外加泵浦光，从而大幅降低系统的复杂度和成本。通过50.4公里光纤传输后，3dB带宽的CD补偿频率范围达到了33GHz，通过补偿功率衰减测量得到的无杂散动态范围（SFDR）相比较传统的APLs强度调制方案提升了12.6dB·。研究人员通过在载波频率为9.2GHz的射频上传输125Mbps伪随机比特序列，和在载波频率为3GHz的射频上传输15.5Msym/s的16QAM矢量信号的实验，证明了该方案的可行性。

图1.传统的基于APLs的强度调制方案中嵌入DFB激光器形的示意图
多通道激光二极管阵列在100-Gb/s数据通信网中作为光源极具研究前景和价值，考虑到低能耗是通信系统设计过程中必须考虑的重要指标，该阵列应该有较高的能量效率和信道一致性。近年来，数据中心网络规模化建设被多次提出，并有很多研究人员开展100-Gb/s以太网信号在单模光纤上传输2m，2km,10km,或40km的实验研究。同时，许多研究人员都将重心放到了密集波峰复用(DWDM)光通信系统上来，一个典型例子是间隔为8nm的10信道波长为1.55微米的光源进行10-Gb/s信号调制的应用。来自韩国大田电子通信研究机构的研究人员采用用电子束平版印刷等技术制作10信道10-Gb/s分布式负反馈激光二极管阵列，但是对于这些焊接的激光二极管阵列，门限电流为13mA到28mA,偏置电流高达80到 100 mA。最近，韩国大田电子通信研究机构的研究人员又提出了采用10 Gb/s多信道掩埋异质结构分布式负反馈激光二极管阵列进行研究，为了减少寄生电容，有源区和电流阻塞结构区域被刻蚀成台面形式；最后，为了最优化收发性能研究人员做了2km的传输测试，得到了在2km传输前后的眼图性能，在单模光纤传输后，每个信道的功率补偿少于了2dB,实验结果表明用多信道掩埋异质结构，每信道的通信性能一致性都有明显的提高。

图2.分布式负反馈激光器结构图
虽然以前有几个关于偏振开关的报道，但对于其原理的描述并不是十分清楚，进一步的研究仍然需要。此前，有研究人员研究了在非线性各项同性电解质中，纳米级偏振开关在两个对向传输激光束之间的工作情况，另外有研究人员证明了皮秒级偏振开关在非线性偏振旋转弱双折射激光腔中的运行情况。在锁模激光器中，偏振原理分析是十分复杂的，所以有研究人员采用模型来解释偏振开关在腔往返频率的动力原理，该模型考虑了非线性、色散和其他随机效应。有研究人员提出简化偏振开关动力原理，并忽略了增益宽带、在两个偏振模之间的非线性能量传输和偏振模色散的随机性等，提出了采用不连贯耦合非线性用薛定谔方程来描述在弱双折射光纤腔内的脉冲传输，同时分析了整个偏振开关，开关周期与非线性系数和平均脉冲功率成比例的关心。为了加入非线性研究的讨论，有研究人员采用85m长的高非线性光纤通过偏振开关来产生双波长信号；同时，还有研究人员在实验中检测到偏振态孤子演进过程，以及高速偏光在一个脉冲周期内几个偏振态之间的固定周期。来自重庆大学光电子技术与系统重点实验室的研究人员提出一种在锁模光纤激光器中采用氧化石墨烯偏振开关的方案，该方案通过在电镀过程降低氧化石墨烯来获得高非线性效应；通过增加泵浦功率，激光器有自脉冲模式被转变为矩形脉冲模式，以实现不同偏振开关特性；考虑到低泵浦功率时偏振开关效应较弱。关于偏振开关的应用，这是第一次报道，这将为研究更全面的偏振开关动力原理提供了新的参考。

2.无源光子器件
硅光子学已经在强度调制直接检测和相干光通信系统中开始发展起来，考虑到强度调制直接检测的方案通常不需要本地振荡器，这将明显节约能耗和降低系统成本。对短距离通信而言，由于电子器件和光子器件所需的大带宽，用OOK(开关键控)获得超高调制比特率非常困难，因此先进的调制格式如脉冲幅度调制（PAM）对于新兴的光学互联很有帮助。通常而言,PAM信号可以通过OOK数据流和适当的衰减器复用产生，或是在转化为复用光信号之前用数模转换器产生。有研究人员采用电域数模转换、模数转换、离线数字信号处理（DSP）过程实现了112GbpsPAM信号在短距离通信链路中的传输。实际应用中，PAM信号也可以用一个多电极马赫增德尔调制器（MEMZM）直接在光域产生，每个电极被独立的二进制数据流驱动，这种方式大大减少了功率耗费和成本代价，也更容易实时实施。最近，来自加拿大麦吉尔大学的研究人员报导了用两段MEMZM产生更高波特率的PAM-4信号，即对四路信号发生器产生的12.5 Gbps信号进行时间复用，以产生50G波特的PAM-4信号，他们使用的MEMZM反向偏置电压为4V，用复用器产生的数据流来驱动调制器。伪随机比特序列信号电平被用50 GHz的射频放大器放大至4.8v，不相等的射频信号会产生相对比特延迟，信息比特流被认作是独立的数据流。实验结果证明：采用硅光MEMZM产生了100Gbps的PAM-4信号，误码率估计结果低于典型的硬判决前向纠错码极限指标。另外，研究人员指出，未来设计的进步会有更好的阻抗匹配方案来减少微波反射过程，从而获得更加平坦的频率响应，同时高速驱动与光集成电路的使用将减少因长电缆应用引起的信号退化过程。

图3 PAM-4光信号调制方案图
来自南京大学固体微结构国家重点实验室的研究人员提出了一种简洁高灵敏度的基于光纤耦合器（MFC）的扭转传感器（图4），该传感器是由两根光纤进行熔融拉锥形成的，通过将两根光纤的尾部进行相连构成了Sagnac环，该装置具有体积微小、成本低廉、容易制造的特点。扭转传感器在桥梁、建筑、高速公路等结构的安全监测中起了非常重要的作用，传统的扭转传感器是基于电/磁效应构成的，所以它的尺寸都比较大并且容易受电磁波的干扰，这些缺点就限制了它的应用。光纤扭转传感器（OFTS）非常适合于此应用，因为它具有许多理想特性，例如灵活性、易于集成、可复用能力，尤其是抵抗电磁干扰的特性。研究人员对不同类型的光纤扭转角传感器的进行了分析论证，例如基于双折射光纤的扭转传感器，倾斜光纤光栅（TFG），布拉格光纤光栅（FBG），长周期光纤光栅（LPFG），光子晶体光纤（PCF），多模干涉仪（MMI）。由于光栅在应变和温度之间表现出很强的交叉灵敏度，然而光子晶体光纤价格昂贵，多模干涉仪制造工艺复杂，使得它们还是无法得到广泛的使用。该方案中使用的MFC是将两根商用光纤利用熔融拉锥技术制造而成，这种材料的成本很低且制造方法相对简单。并认为在结构安全监测以及其他领域中具有潜在的应用前景。

图4. 基于MFC的OFTS
3.光网络及其子系统
光纤无线通信（RoF）技术具有高带宽、高灵活性和低传输损耗等优点，可以用于将来的宽带无线通信和第5代移动通信，其巨大的潜力引起人们的广泛关注。为了获得更大的传输容量，需要使用矢量正交振幅调制（QAM）格式，矢量信号调制和RoF技术相结合可以有效的克服频谱资源不足的限制，并提升系统带宽效率，但如何利用带宽受限的电子设备来产生高频率的射频信号仍然是个问题。基于激光技术的外部强度调制技术可以用于产生非常稳定的射频矢量信号，通过使用双倍、三倍乃至八倍的倍频技术，能产生高频射频矢量信号，同时降低光和电模块在发射端的带宽要求。研究人员提出了几种产生高频射频矢量信号的方案，如利用光四倍频的双臂马赫增德尔调制器（MZM）产生在25GHz的312.5M波特率正交相移键控（QPSK）信号；利用光八倍频的单臂马赫增德尔调制器产生在25GHz 的4G波特率QPSK信号。此外，在上述利用倍频技术产生光矢量信号方案中，预编码技术是必不可少的。为了获得电域的QPSK矢量射频信号，驱动信号在驱动MZM前先进行相位预编码，而在多振幅QAM调制中，振幅和相位都相应进行了预编码，但上述方案中预编码技术产生的星座图分布是不均衡的，将会降低系统的发射性能，所以如何适当设计去实现预编码均衡很有必要。来自复旦大学电磁波信息科学重点实验室的研究员提出一种实现星座均衡分布的预编码方案，如图5所示，用于在射频带的光恒定或者多振幅QAM矢量信号的产生。他们实验验证了8G波特率的QPSK矢量信号通过光载波抑制方法来产生双倍频光并提出了预编码均衡调制方案，实现的通信总容量为16Gb/s。相比于传统的非均衡性编码方案，该方案接收灵敏度可以提升2dB，星座图非常对称。实验结果证明：8GBd QPSK矢量信号能在误码率硬判决前向纠错门限为3.8×时，经过25km标准单模光纤链路完成有效传输。

图5. 一种产生光矢量信号的预编码方案
正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)因为其对抗光纤色散的鲁棒性、高频谱效率和灵活的资源分配而成为下一代光网络中最有前景的接入方式之一。同时，日益增长的光通信数据对OFDM-PON的可靠性带来了巨大的挑战，因为光线路终端的数据是面向所有的光网络单元（ONU）传播，容易导致被一个非法的ONU恶意攻击。目前，几种最安全的访问方式都是在媒体访问控制层（MAC）或是更高层进行控制或加密，其控制仅仅将数据自身译成密码，而控制信息和头信息没有得到保护，一旦控制信息和头信息被非法的ONU获取，数据很容易被窃取。相比加密MAC层，加密物理层更能保护传输的数据，也能保护控制和头信息。在之前的混沌安全方案中，没有考虑到通过降低OFDM信号的峰均比(PAPR)来提高性能。最近，来自上海交通大学电子工程系的研究人员提出并实验展示了一种新的混沌局部传输序列技术来提高OFDM-PON物理层安全的方案。该方案的安全性体现在：通过一个4维透视混沌系统，其初始值作为安全密钥，由于初始值的高灵敏性，只有拥有能产生正确混沌序列的正确密码的合法ONU，才能破译传输的OFDM信号。而且，通过混沌局部传输序列技术有效地降低局部传输序列技术（PTS）的实施难度，OFDM信号的接收性能能得到明显提高。不像传统的随机PTS技术，这种建立在混沌基础上的新的PTS技术不需要边带来传输分割信息，将会提高OFDM传输的频谱效率。在光网络终端，数据流映射进129个子载波，其中64个子载波承载16QAM数据，一个是空的直流子载波，剩下来的64个子载波是前面64个子载波的共轭复数匹配。为了同步插入训练序列和进行PTS技术最优化，在串并转化后OFDM符号长度的1/8作为循环前缀加入每个OFDM信号。实验结果证明，这种加密方案成功的在8.9Gb/s 16QAM OFDM信号传输系统中得到应用，是下一代安全OFDM-PON中有前景的接入方案。

图6. 基于混沌局部传输序列技术加密的OFDM-PON传输方案图
现代光子学本身具有低传输损耗的优点，并能够提供宽频带以进行模拟信号传输（即可通过模拟光子链路进行传输，APL），已被业界认为给宽带微波信号的传输提供了一个高效的解决方案。但是模拟光子链路具有相当低的动态范围（SFDR）以及微弱的链路增益，而造成这样的局限性是由于模拟光子链路采用了马赫曾德尔调制器（MZM）和光电探测器（PD）来进行强度调制-直接解调（IM-DD），而MZM固有的非线性性质限制了APL的动态范围，PD的低功率处理能力使链路的增益受到了限制。另外，MZM的电光转换效率过低也是造成链路增益不大的原因。一种用于解决如何提高动态范围和链路增益的方法是采用相位调制-相干解调（PM-CD），同IM-DD方法相比较，一个相干解调链路可以提供高于20dB的增益并且能够扩大它的动态范。为了实现PM-CD模拟光子链路，本地光子振荡器（OLO）在相干接收时是必不可少的。研究人员已经提出了一些用于实现相干解调的方法，其中一个简单的方法是使用一个自由运行的本地光子振荡器，但是，自由运行的本地光子振荡器自身的相位与发射端发出的光载波的相位并不相关，两者信号相互混合之后将会使传输链路的性能大大恶化。如何产生一个与发射端发出的光载波的相位相关的本地光子振荡器的光源，所采用的一种可能方法就是，使用一个光学锁相环（OPLL）来锁定本地震荡器产生的光源信号的相位，使其与光载波的相位相关联，不过，使用光学锁相环一个最大的弊端就是它的环路的带宽相当窄，这就要求本地光子振荡器必须使用一个拥有窄线宽的激光发生器。来自加拿大渥太华大学微波光子学研究实验室的研究人员近期提出了一种新型的相位调制相干同向和正交技术（I/Q）解调的模拟光子链路的方案（如图7所示），该方案没有增加额外的光纤来传送光信号到接收端。相反，发射端产生的远程光学参考信号通过偏振复用技术使其在同一根光纤上传送到接收端。在发射端，线性极化的光波经偏振分束器分离后传输到塞格纳克效应环中，再经里面的相位调制器来产生两路正交偏振的光信号，一路信号经过了相位调制，另一路则没有被调制，这归因于行波的性质。相干I/Q解调为相位调制的微波信号提供了一个理想的解调方法，同时，类似于其它的相干解调技术，本地光子振荡器的相干光源也是必不可少的。其它一些文献提到的本地光子振荡器的光源是从发射光源中分离出来的，然后通过另外一根光纤传送到相干接收器。为了纠正光路径不匹配问题，这就相当于相位噪声，带有光纤延伸器的反馈控制环是必不可少的，但这只适用短距离传输链路。使用相位调制的微波信号通过光纤上，在接收端采用I/Q技术来进行相干解调，并扩展了它传输距离，研究人员成功论证了该技术的可行性。在发射端，利用光纤塞格纳克效应环和相位调制器来产生两路正交偏振的光信号，其中一路光信号相位经过了调制，另一路相位没有被调制的光信号用来作为远程光学参考信号。这两路正交偏振光信号通过单模光纤送到一个偏振片和相位分集相干接收机上。在接收端使用了独立的OLO后，相位调制信号的光场和正交偏振的参考信号都将同时被I/Q检测方案接收到。由于经过相位调制的光信号和参考信号都通过单模光纤(SMF)的传送，它们的光学相位具有一定的关联性，原始信号可以通过数字信号处理技术来恢复。采用了光学相位相关的参考信号之后的相位调制相干I/Q解调传输链路，它的传输距离由50米扩展到了10公里，同时提供了-9.5dB的链路增益，该方案的实现使 APL具有更高的动态范围以及更大的链路增益。