2016年1月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 陈烙 申世鲁 陈福平
    2016年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤激光器、无源光子器件、光纤传感与测量技术、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器和放大器
    来自瑞典查尔莫斯理工大学显微技术和纳米科学部的研究人员首次提出了一种相敏放大器（PSA）带宽超过170nm的方案。该方案采用一个可调谐激光产生的光波首先通过一个由4路正弦信号驱动的相位调制器，经掺饵光纤放大器放大，然后采用带宽为1nm的可调带通滤波器来滤除放大的自发辐射信号；另一个可调激光源可调范围为1580nm到1680nm,用于提供光信号。泵浦光和光信号通过耦合器耦合后，再传输到高非线性保偏光纤（PM-HNLF）中。PM-HNLF的功能相当于一个相敏放大器，输出与输入相互关联。泵浦光和光信号经波分复用耦合器分离后，用可调谐光衰减器来控制泵浦光功率，用锁相回路（PLL）来使相敏放大器(PSA)避免热和机械性干扰。然后通过掺饵光纤放大器（EDFA）进行放大；在信号链路中包含一个可变延迟线（VDL）和一个可调谐光衰减器，使用偏振控制器用来控制偏振状态，以获得最大增益。3路波通过一个波分复用器和-3dB耦合器进行耦合，然后送入另一个PM-HNLF中。泵浦光在PSA里的功率为36dBm，当泵浦光波长为1563.3nm时，虽然没有获得最大的增益，但PSA获得了最宽的带宽。对于FOPA，零色散波长的波动是获得宽频带的一个主要制约因数。为了评估PM-HNLF的波动水平，研究人员测量了在不同波长情况下光泵的转换效率。结果显示高非线性光纤中零色散波长波动是相对较低的；另一个制约宽频带的因素是偏振转移。研究人员分别测量了当PSA PM-HNLF长度为95m和45m时的带宽增益和噪声指数，此时信号输入功率固定在-25dBm，结果显示使用45m光纤的带宽增益提高了-3dB，但噪声指数却有所降低。

图1 测试PSA特性的实验装置图
2.无源光子器件
    关于多重信号单独处理，比较直接的一种选择是在空间上对其分开的介质进行处理，虽然这样可能在全光信号处理过程中难以取得最大规模的效益，但相比于电信号处理其灵活性和宽频带方面还是具有优势。半导体光放大器（SOA）是由一个非线性介质和一个放大器组成，尺寸微小，只有毫米数量级，降低了光信号传播距离，非常适合于全光信号进行集成处理。由掺饵光纤放大器和调制器引起的带宽限制问题促使人们对复杂多阶的调制格式的研究，并且这些调制格式常被应用在不需要升级传输线设备前提下就可以提高数据传输速率的场景下。最近，来自英国南安普顿大学光电研究中心的研究人员对三次谐波信号的共轭频率应用进行了研究。上述研究方案包含一个信号发生和一个泵浦光发生两个独立部分，为了降低相位追踪的难度，两个部分的连续波激光器频率都为192.5THz。信号发生部分包括一个（正交）IQ调制器和一个相位调制器，IQ调制器用来将10GBaud非归零码QPSK信号加载到光载波上，相位调制器是用来控制宽带相位噪声，这些相位噪声是由光电探测器产生的。通过过载马赫增德尔调制器(MZM)产生一的个40GHz间隔的光学频率梳来产生泵浦光。泵浦光和信号用一个光耦合器耦合后发送入到两个级联的非线性SOA中；接收端由可调的衰减器、EDFA、光带通滤波器、光调制分析仪（OMA）组成。实验结果显示在BER为10-3时，系统接收灵敏度提高了1.8dB。此外研究人员甚至认为通过提高泵浦光的光信噪比（ONSR），还会获得更好的性能。

图2 波长转换的实验方案图
     微波光滤波器（MPFs）因其灵活的可调性、良好的可重构性等特点引起了研究人员的广泛关注。在众多不同类型的MPFs中，单带通MPFs有着重要的地位，它可应用于现代雷达、通信和作战系统。通常，离散时间延迟的MPF都有周期性的频率响应，该周期等于自由的范围。由于光谱是自然连续的，MPF的单带通性可以利用马赫曾德尔干涉仪从宽带光谱中获得，而宽带光谱又具有很强的相对强度噪声（RIN），所以MPF的噪声系数非常高，动态范围很小。另一方面，在相干体系中可以利用相位调制器和超窄光陷波滤波器来获得单带通的MPF，在该过程中使用了具有低强度RIN的可调谐激光器，具体是用光陷波滤器滤除相位调制信号的一个边带，使相位调制信号就变成单边带强度调制信号，可通过光电探测器获得微波信号，这个过程相当于单带通微波光滤波器，中心频率是通过调整光载波波长来调谐的，其中光陷波滤波器可以是环形谐振器或者相移光纤Bragg光栅。虽然MPF中使用了可调谐激光器，但MPF增益较低，无杂散动态范围（SFDR）会受到限制，通过抑制部分光载波可以提升MPF增益。有研究人员提出用具有受激布里渊散射辅助的自适应滤波器来提升单带通MPF的动态范围，但为了触发受激布里渊散射效应，需要在滤波器中使用一个很长的光纤环路，这会使滤波器的体积变大，同时输入端的光功率很高，增加了MPF的复杂度，以上两点都限制该方案的可用能。来自渥太华大学电子工程和计算机科学学院微波光子研究实验室的研究人员提出了一种改善单带通微波光滤波器动态范围的方案，该方案使用了一个双平行马赫曾德尔调制器（DP-MZM）和相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）。DP-MZM有着马赫曾德尔干涉仪（MZI）的结构，该结构中存在两个MZM和一个相移器。DP-MZM是通过控制内部MZM的直流偏置电压来产生等效相位调制（EPM）信号，经过掺铒光纤放大器（EDFA）,然后通过光环形器传输到PS-FBG，在PS-FBG中EPM信号的一个边带被滤除，变成单边带强度调制信号，经光电探测器（PD）产生微波信号，该过程叫做相位调制转强度调制（PM-IM）。整个过程相当于一个单带通微波光滤波器，其通带的中心频率是由光载波和陷波之间的波长差决定。由于光载波是部分抑制的，载波边带比（CSR）则会降低，如果PD的输入光功率维持不变，则MPF增益增强，SFDR也会提升。

图3 微波光滤波器原理图
3.光纤传感与测量技术
近年来，用于测量液体折射率（RI）的光纤传感器已经成为一个很有吸引力的光学测量器件引起研究人员的重点关注，因为它具有抗电磁干扰、体积小、远程监控、高分辨力、稳定和快速检测的优点，这种传感器主要基于菲涅尔反射原理设计而成。RI是液体和气体的一个重要的光学参数，在许多工业领域往往需要常用和稳定的测量方法，研究者们也曾经提出了各种基于菲涅尔反射的光纤测量液体RI技术，如使用光时域反射进行远程RI测量的方法，这样测得RI范围为1.3486--1.4525；另一种测量方法使用到了 一个1x2光开关，可以测量各种化学液体在波长为1550nm上的RI值；还有基于自来水中RI对温度的依赖性的测量方法，基于菲涅耳反射的液体多点光纤 RI测量系统和使用阵列波导光栅的波长复用的方法；使用双脉冲技术测量各种液体在1310 nm和1551 nm上的RI值，该方法取得RI的分辨率大约为2.5x10-5。来自土耳其杜姆卢珀纳尔大学电气与电子工程系的研究者们近期提出了一种简单、稳定的全光纤RI传感器系统方案（图4），该方案的是通过来自传感器探头的菲涅尔反射进行的相对测量来实现的，单个纳秒脉冲因为在光纤中不同的延迟而被分成四个时分复用的菲涅尔反射脉冲，对不同液体RI的测量值表明，全光纤RI传感器能够实现线性和可重复性测量，相比以前的公布的研究，它表现出更高的测量精准度。在对蒸馏水短周期测得RI的标准偏差为2.8x10-6，对甲醇长周期测得RIs的标准偏差为2.99x10-5，体现出很高的测量重复性。

图4 基于菲涅尔反射的全光纤RI传感器系统
可见光通信（VLC）是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼分辨不出的高速闪烁信号来传输信息的技术，在没有WiFi信号的情况下，点一盏LED灯就能上网。与目前使用的无线局域网(无线LAN)相比，VLC系统是利用室内照明设备来代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，但不足之处是光源的调制带宽比较窄，对数据的传输速率有很大的影响。为了获得较高的数据传输速率，一些研究人员将均衡技术、自适应调制、多输入--多输出（MIMO）等技术应用于VLC系统中，而正交频分复用（OFDM）和正交频分多址（OFDMA）接入技术因其具有较高的频谱效率也引起了人们广泛关注，不过传统的OFDM和OOFDMA技术并不能直接应用于VLC系统中；也有研究人员利用直流偏置和限幅技术把OFDM和OOFDMA应用于VLC系统中，但该方法降低了频谱效率，因此非正交多址接入（NOMA）技术被提出和研究；来自阿布达比酋长国哈利法大学电子与计算机工程学院的研究人员提出了在VLC下行链路利用NOMA技术改善系统频谱效率的方案，在该方案中的叠加编码和串行干扰消除(SIC)技术分别作用于发射端和接收端，通过多路复用技术使用户都可以享受整个通信带宽，据悉，NOMA是首次在多址接入方案中被提出应用于高速VLC系统中的技术；同时该方案为室内NOMA-VLC多路LED下行网络系统提供了一个完整的框架，并且采用的一个新的信道功率分配方法-增益功率分配（GRPA）法，相比于静态的功率分配方式，它提升系统的性能更为显著。

图5 室内NOMA-VLC 下行链路系统

    马赫曾德尔干涉仪（MZI）传感器具有高灵敏度、电磁免疫、易于制造等优点，可以用来测量多种物理参数(如拉力、温度、折射率等)。传感系统中应用到的具有不同结构类型的MZI，因环境变化而带来折射率波动问题可能会影响其测量精度，所以在过去的几年中，研究人员一直在研究有关折射率波动补偿的问题。有研究人员提出过采用一种双参数传感器来解决内部折射交叉引起灵敏度问题的方案，也有研究人员提出使用长周期光纤光栅（LPFGs）级联一个S锥头来测量温度和折射率的方案，这些方案都是利用具有不同折射率/温度的几个谐振峰去解调相应的传感参数的方法，但这些方法都涉及到复杂矩阵，从而增加了计算的复杂度；如果为了简化传感元件的结构以及降低计算复杂度，则需要用一些特殊的光纤来制造对折射率不敏感的传感器，如空气包层光纤、光子晶体光纤、同轴双波导光纤和三重复合光纤。来自天津南开大学现代光学研究所的研究人员提出一种简单有效的MZI的制造方案，该方案采用少模光纤（FMFs）可以有效解决内部折射交叉灵敏度的问题，通过在单模光纤（SMF）与FMF之间引入核心偏移能显著增强消光。FMFs是由折射率不敏感器件制造而成，正广泛使用在光通信和传感系统中，而中心模光纤因被包层紧紧包围，可以避免因外界折射率变化的干扰。研究人员提出的方案中所利用的并不是一般情况下的中心模和包层之间的干涉特性，而是利用中心模之间的干涉特性，因为该结构对张力有较大的敏感性，但对周围折射率不敏感，同时，FMF-MZI是在制造过程中熔合拼接形成的，这使其探针更加牢固，稳定，也易于包装。
4.光网络及其子系统
    采用高阶调制并使用相干接收和数字信号处理（DSP）的方法已经引起了研究人员极大的兴趣，因为应用这种方法将使相关的光纤通信传输系统具有很高的频带利用率和较低的比特传输成本。多阶正交振幅调制（M-QAM）被认为是有希望解决未来超高容量传输问题的调至格式。然而，由于发射激光器和本振激光器的线宽限制，高阶QAM调制像32-QAM，会给系统带来相位噪声，因此，设计一个针对于高阶QAM调制的高效的相偏估计算法是很有必要的。来自华中科技大学国家光电子实验室的研究者们提出了一种基于正交相移键控（QPSK）精准分区的方案，它可以代替在32-QAM光通信系统中对第一阶段进行载波相位估计（CPE）的传统的QPSK分区法，并且大幅度提升了相偏估计算法的性能，如图6所示，在32-QAM星座图上绿色的圆点代表传统的QPSK分区法，草绿色和红色的圆点代表QPSK精准分区法。虽然到目前为止，已经有大量的相偏估计方法见诸报道，一方面，定向判决载波恢复算法常常需要一个比数据传输速率更高的时钟频率，而且不适合并行信号的处理；另一方面，前馈式相偏估计法在DSP中实行起来就简单的多，也适合并行信号处理，相位盲估计法就是其中的一种 ，即使它也有较好的线宽容忍度，但是它的硬件结构极其复杂。其他主要的前馈式相偏估计法是基于经典的Viterbi和viterbi（V&V）M次幂算法，这最初是针对于多阶相移键控而设计的，与QPSK分区法相结合起来，V&V可以应用在低计算复杂度的QAM调制中，不过，由于缺乏可用的QPSK符号，特别是非方形的QAM，使它在激光线宽过大的情况下表现出很差的性能，所以为了提高整体性能，很多多级CPE已经进入了精细相位估计阶段。在这些方法当中，交叉星座变换（CCT）和最大似然（ML）估计是两个经典的精细相位估计方法，它们可以提升CPE算法的准确度，但效果不显著，最主要的原因就是在第一阶段追踪相位变化的性能很差，因此，提高第一阶段的性能非常关键，这样才能使后面阶段处理的更好。QPSK精准分区的方案可以提高追踪相偏的CPE算法的性能，在下一段使用精细的CPE（如CCT、ML）后，该方案比传统的QPSK分区在整体性能上有更大的改善。

图6 32-QAM星座图上传统的QPSK分区和精准QPSK分区
    在光通信中采用OFDM调制技术以获得更高数据容量的方法已有好几年的研究历史，但是OFDM信号的调制和解调严重依赖DSP技术和数模/模数转换器的速度，因此采取大带宽的OFDM信号来提升数据容量并不是一个有效的方式，而多波段配置已经成为解决这一难题的很有前途的方案。在不使用昂贵的电子设备情况下，多波段直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）系统能够有效地提高数据容量，但在直接检测方案中只用一个光电探测器来对信号进行光电转换的同时会带来信号间互拍干扰（SSBI），传统上采用一个比较大的保护边带来降低SSBI，然而它会严重制约着宝贵的频谱效率。来自清华大学光子学技术研究所提出了一种在多波段DDO-OFDM系统的接收端使用迭代的数字信号处理（DSP）的方法来降低SSBI的方案。将传统的低复杂度DSP器件并行地使用在发射端产生的多波段OFDM信号的系统具有非常高的数据容量，然后相干光OFDM接收端可以轻易地对这种超级通道信号进行解调，不过是以接收机复杂的设计为代价，这些设计包括90°的光混频器、本地激光器、平衡接收机和相位/频率锁定环，而相比之下，DDO-OFDM的设计只有一个光电探测器（PD），大大简化了接收机的操作运转，在接入网中可能会成为一个热门技术。但是，直接检测方案中的PD有平方律特性，以及信号固有的SSBI，强度调制系统和外部调制系统接收到的信号的质量在很大程度上会大大降低，继而影响整个系统。往往嵌插在光载波和OFDM信号之间的空白的保护边带可以确保接收到的信号避免SSBI的污染，但SSBI总是占有与OFDM信号相同的带宽，这种保护频带的插入则使频谱效率减少了一半。研究者们的方案中运用并行迭代DSP方法来消除SSBI，通过SSBI重建算法，在允许损耗范围之内基本上可以从被SSBI严重污染的OFDM信号中恢复原信号来，从而大大提高了DDO-OFDM系统的灵活性及频谱效率（图7），并在实验中以65.4Gb/s数据速率传输16-QAM 3波段DDO-OFDM信号，采用两次迭代的DSP法来减小SSBI.通过比较不同的带宽间隙和载波/信号的功率比来验证该方案的可靠性。

图7 频谱效率提升前后的变化
    超密集波分复用(UDWDM)为目前的接入网应用提供了一种备用选择方案，虽然相干超密集波分复用有着较高的灵敏度，且与现有的无源光网络（PON）兼容性较好，但与此同时，它的成本和复杂度都比较高。在接入网内，根据不同的用户群需要来提供不同的通信业务，这就导致终端从中心站向外伸展产生的功率预算不同；另外，根据频谱需求随时间的变化，带宽就需要能够实现动态分配。为了简化发射端（Tx）的结构，有研究者曾提出运用相位直接调制和分布反馈激光器（DFB）来调制差分相移键控信号，然后在接收端以外差接收方式来检测。最近，来自巴塞罗那加泰罗尼亚理工大学的研究人员提出了一种用差分正交相移键控直接调制DFB的方案。该方案中电信号经电放大器放大后直接调制两个均衡的DFB(λ1 = 1549.3nm，λ2 = 1549.4nm)；DFB的线宽为4MHz,其波长可以根据温度来进行调节；输出的光信号通过单模光纤后，再经3dB耦合器耦合；在光链路终端，以外腔激光器(ECL)作为本地震荡器（LO），其LO的输出功率最大为0.5dBm，以偏振控制器来补偿光纤里偏振态的波动；从光耦合器输出的三路信号经光电探测器转换成电信号，随后再分别通过低噪音电放大器进行放大；使用可调谐光衰减器来调整接收功率；两个光网络单元输出功率限制在0dBm，信道间隔设置为6.25GHz；研究人员首先测试了背靠背情况下以2.5Gb/s传输的差分正交相移键控信号，测得系统接收灵敏度为-41dBm左右，然后还测试了信号通过100km光纤后的性能；实验结果表明，在BER=10-3时，系统接收灵敏度为-39dBm，由于偏振需要连续调节，且无法很好地控制，所以随着光纤长度的增加，功率补偿也相应的增加，实验中没有对频偏进行估计，因此非线性和色散效应在这里忽略不计。