2016 年2月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 申世鲁 陈烙 陈福平
    2016年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源光子器件、激光器与放大器等，笔者将逐一评析。
1. 光网络及其子系统
    在实际的相干光通信系统中，同向（I）信号和正交（Q）信号一般都采用QAM格式调制，而相干接收器通常是由解调器、自动增益控制器、模数转换器（ADC）、数字信号处理器（DSP）等组成。当实际光通信系统中的四路实数信号因传输路径长度变化而使信号之间出现一定角度的斜率偏差而没有得到有效补偿时，这些斜率偏差就会造成很高的误比特率，特别是在高阶QAM调制上，误比特率更高；如果IQ调制器的某些关键值失调时，便会严重影响相干光系统的接收性能。对于高阶调制格式和相对较窄的传输系统，IQ相位、增益和信号斜率偏差这些阀值都比较低；虽然，偏振膜色散（PMD）和极化去耦的问题依靠多输入-多输出（MIMO）系统中的滤波器可以被高效地处理；并且从理论角度分析，一些常见的问题像斜率偏差、IQ均衡、低定时抖动、小频率偏移等都可以通过特殊的MIMO算法和结构来进行补偿，然而这些方法却完全不适合用来对残余色散中的斜率偏差进行补偿，因为这些方法往往只针对于频域上的补偿；其他的方法即使可以解决斜率偏差的问题，但同时又增加了MIMO的计算复杂度以及处理色散补偿的复杂度，有的还需要额外的DSP器件，这反而提高了系统的成本和功耗；实际中大多数系统在MIMO均衡之前就进行了时钟恢复，这样就不能够利用MIMO中的算法来对斜率偏移进行修正，另外，基于斜率偏移补偿的MIMO算法会降低高速光传输系统处理残余色散和偏振模色散的能力。最近，来自欧洲研究中心的研究人员，提出了一种新型而简便的在四组数据线路之间对斜率偏差来进行估计的方法，如图1所示。研究人员提出的这种频域角估计算法和斜率偏差补偿技术，同其它已有的方法相比较，这种新技术可以提升系统的定时性能，降低MIMO时域均衡器的实施成本，由于DSP器件中包含了插值器模块，可以用来恢复反馈时钟，那么斜率偏差补偿正好可以利用这些插值器而不再需要任何额外的器件，从而降低了高速光传输系统的成本。

图1. 相干光传输系统中应用斜率偏差估计方法的示意图
    最近几年，自由空间光通信（FSO）系统因其特有的优势引起研究人员的重点关注，但该系统中接收传输光信号的平均误码率（ABER）会受到大气湍流和光强波动的影响，从而导致系统接收灵敏度的下降，特别是对传输距离大于1km的系统产生的影响尤为明显。研究人员提出了一些统计模型来用于描述光强起伏的情况，如对数-正态（LN）分布和伽马-伽马(GG)分布。近年来，有研究人员提出了一种新的概率密度函数统计模型，称之为指数威布尔（EW）分布，该分布能够对大气湍流强度从弱到强进行实验仿真，其性能比LN和GG统计模型描述其分布表现得更好。来自西安电子科技大学电信工程学院综合业务网理论及关键技术国家重点实验室的研究人员提出了一种新的模型，该模型可以用于优化自由空间光通信系统设计。研究人员从大气湍流对空间光影响出发，对自由空间光链路的ABER的性能进行了研究。一方面，对大气湍流模型研究是建立在具有孔径平均效应的指数威布尔函数分布之上的；另一方面，对于接收机噪声的研究过程中，他们考虑了散射噪声受限和热噪声受限的情形。对于散射噪声受限系统，其ABER的近似表达式是基于广义高斯拉盖尔积分准则而获得的，而热噪声受限系统的ABER是通过模特卡洛模型来推导和验证。目前，最常见用来分析服从指数威布尔函数分布的自由空间光信号BER性能的调制技术是开关键控（OOK）技术，而多进制脉冲位置调制（M-PPM）技术也是运用于自由空间光通信系统的调制技术之一，且该技术不需要检测判决阀值，是OOK技术的一种有效替换方式。当然，就相同的光信息传速率而言，采用M-PPM调制的频带是采用OOK调制的2倍，但是对光信道来说是不存在的带宽限制问题的。
    城域光网络正向着更灵活的、可扩展的方向发展，以满足未来呈指数增长的信息流量的迫切需求，正交频分复用（OFDM）技术可以提高数据速率以及有效提高频带利用率，因而受到人们的广泛关注，具体来讲，就是根据光信道选择合适的收发功率，并通过加载不同比特数的子载波来提升高速光传输系统的适应性能。但随着光纤链路的增长，色度色散和非线性效应限制了OFDM信号的长距离传输；采用直接检测的方法会增加高速光传输系统的运营成本，而使用单边带调制则可以降低色度色散效应，所以，为了进一步提升系统对光纤损伤的容限度，依据比特/功率加载算法，在不同的子载波上广泛地使用低阶调制格式（小于16-QAM），当考虑到符号的不同间距和振幅时，其中8-QAM有许多可能的星座图，每一种星座图表现出不同的性能，因此，在具备了灵活的可编程收发器的自适应光OFDM系统中，为了最大限度提升系统性能以及数据速率，选择合适的8-QAM调制格式至关重要。来自CTTC光网络与系统部门的研究人员就单边带直接调制的光OFDM系统中不同的8-QAM星座图表现出来的性能进行了数值模拟和实验评估，研究人员采用ADRENALINE测试平台，对不同节点的光子网格网络以及背靠背光网络进行了分析，该系统充分考虑到了城镇/地区的网络配置，针对频域中OFDM子载波的比特/功率的任意分配值获取最佳的8-QAM调制格式，根据网络的状况可允许动态地重新配置收发器模块，如图2所示。为了提高系统对抗色度色散的鲁棒性，研究人员采用了单边带调制，通过对不同数据速率加载算法来研究调制格式选择与对色散之间关系进行了分析，通过对传输距离为50-185公里的不同的光路径进行了的总体分析，实验研究表明，使用最佳的调制格式可以充分地提升系统的整体性能。

图2. 不同8-QAM调制格式应用时搭建的系统模型和相关实验配置
    密集波分复用(DWDM)技术应用于现有光传输系统，拓展了主干光网络的带宽。随着光网络结构不断的升级，如何将现有的带宽为10GHz的信道和带宽为100GHz的信道合并在一起进行光信号有效传输，引起人们的关注，而DWDM技术就可以解决这一问题。OFDM技术有着很高的频谱效率和较好的抗光纤色散的性能，能够动态地分配带宽，但其高昂的成本以及存在较高的峰均比问题制约着OFDM技术的推广应用。相干光OFDM技术虽然可以很好地分配子载波，但它也被子载波之间相对功率不匹配的问题和符号转化偏差的问题所限制。奈奎斯特波分复用（WDM)或多信道奈奎斯特都拥有着比较好的窄光谱，它们的频率效率接近OFDM的频谱效率，又不会出现明显的信道间串扰和符号间的干扰。最近，来自厦门华侨大学电子科学与技术学院的技术人员提出了一种利用奈奎斯特波分复用技术实现10GHz和100GHz带宽混合传输的方案，如图3所示。该方案中，在发射端相邻信道是相互独立的，在所有的子载波经过光I/Q调制器调制之前，8路连续光激光器通过一个1×8偏振保持光耦合器(PM-OC)进行耦合，发射器的带宽限制和线性失真可以利用预均衡技术来补偿。在数字信号处理部分，匹配滤波器会对其进行滤波，偏振解复用是通过以恒定系数算法(CMA)和高阶CMA作为基础的数字滤波器来实现的，最后以前向纠错算法或最小均方差算法来消除相位噪声。实验结果表明，所有信道的误码率(BER)都小于前向纠错码极限。

图3. 在NFM-ISB调制基础上的10G/100GHz复用系统实验装置图
2.无源光子器件
    光谱纯净度和稳定的参考微波信号都是现代微波系统中涉及到的核心问题。在2005年，光电振荡器（OEO）被认为是可以产生超低相位噪声高频信号源的最具潜力的振荡器之一。同其他的各种具有低相位噪声的X波段示波器相比，OEO的相位噪声更小，之所以OEO表现出这么好的性能，是因为它的谐振腔的品质因数（Q）很高，而且，该谐振腔在长距离光纤中的传输损耗也非常小。不过，OEO的自由光谱范围与光纤传输长度是成反比的，这就容易产生多边带，商业射频滤波器是很难将不需要的边带给滤干净。OEO-IL是一种可以恢复时钟和载波的技术，如具有高边带抑制比（SMSR）注入锁定的双光电振荡器。不过双光电振荡器复杂度和成本都比较高；自注入式锁定（SIL）振荡器虽然可以降低成本，但SIL稳定性保持时间不长。基于以上的缺点，人们又提出了一种具有自注入锁定-锁相环（Self-ILPLL）的OEO，但当PLL将介质振荡器（DRO）的频率拉到OEO的振荡频率时稳定性保持时间却不长。来自中国南京东南大学电子科学与工程系的研究人员最近提出了一种将OEO同注入锁定（IL）以及锁相环（PLL）结合在一起的新方案，如图4所示，与单独运行的OEO相比，IL-PLL-OEO可以实现边带抑制，减少近载波相位噪声并保持更高的稳定，而且它在长光延迟链路中表现出很高的SMSR。为实现单模OEO稳定，IL-PLL为其提供了另一种方法，通过将具有高稳定性和较低的近载波相位噪声的微波参考源作为IL-PLL OEO的外部参考，这样可以很好的抑制边带，降低相位噪声并保持长期的稳定性。研究人员通过实验得到了高稳定的9.5GHz微波信号，该信号在偏频为1KHz和10KHz处的相位噪声分别为-125dBc/Hz和-143dBc/Hz，边摸抑制比达到80dB，平均时间为1s和1000s的艾仑方差分别为1.37x10-11和1.22x10-11.

图4.  IL-PLL-OEO系统
    在全光非线性信号处理过程中，许多全光信号处理设备都是利用级联的二阶或三阶非线性效应工作的，非晶硅的应用在这方面弥补了晶体硅的不足，在增加非线性效应的同时减少了双光子吸收效应。来自英国南安普顿大学光电研究中心的研究人员研制一种新的硅光波长转换器，该转换器利用毫米长非晶硅波导可以使速率为20 Gb/s的二进制相移键控（BPSK)信号转化成正交相移键控(QPSK)信号，具有超紧凑、低功率等特点，实现四波混频和无双光子吸收效应，如图5所示。通过C波段可调谐激光器产生连续光束（波长为1551.3 nm），经掺铒光纤放大器放大，然后经耦合器耦合，其中抽头耦合器可以用来监测光泵功率。在该转换器中，BPSK速率为20 G波特，QPSK速率为10G波特，泵束和调制信号束经过纤维耦合器进行耦合，其中泵束和信号束的偏振状态都设置为横向电场模式。由于非线性效应的提高，波导可以在没有双光子吸收效应的情况下工作，且工作在适宜的泵功率。实验结果表明两种测试信号在BER = 10−5时只有1dB的功率补偿，影响实验结果的主要因素是较差的耦合效率，其次是传输损耗，如果改善了这两个因素，系统性能会显著提升。 

图5.波长转换器的实验装置图
3. 激光器与放大器
    人们对具有二维相干耦合的垂直腔发射激光器（VCSEL）阵列在提供高亮度低衍射光束和电子束操控方面产生了极大兴趣。研究人员已经提出了二维蚀刻光子晶体模式和离子注入模式，其目的是界定相干耦合VCSEL阵列中的光学谐振腔和增益区。实验证明，在大型二维相干耦合的VCSEL阵列中获得均匀电流注入是相当困难的，而在元素间插入金属网格是一种改善电流分布的方式，但是在改善电流分布的同时引入了附加损耗。近来，有研究人员利用铟锡氧化物电流扩散层来改善电流均匀性，但这却是以牺牲输出功率为代价的。来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电子与计算机工程学院的研究人员，提出了二维相干耦合离子底端注入的垂直腔表面发射激光器阵列，如图6所示。科研人员通过进行底端离子注入VCSEL阵列的研究，来改善电流扩散，并试着避免光损耗的产生。

图6. 垂直腔面发射激光器的横截面示意图
    光载无线通信（RoF）技术中引入了远程天线单元（RAUs）技术，从而减少基站（BS）的搭建，降低每个RAU的功率，并明显的降低运营成本。影响RoF系统发展的关键因素是光设备的简洁性、兼容性以及对已安装设施可再用性。来自英国伦敦大学电子电气工程系的研究人员提出一种新的集成无源光网络(PON)和无线毫米波于一体的实验方案，如图7所示。该实验方案可以应用在室内、校园内已有的OM-1多模光纤上，同时也能结合传统的单模光纤-多模光纤技术应用在PON技术中。该方案在接收端使用多模光纤-单模光纤技术，使用的高速单模光纤梳状光电检测器进行空间滤波。在实验中，用MATLAB离线产生多频带正交频分复用（MB-OFDM）信号，然后上传给任意波形产生器(AWG）,该AWG相当于一个数模转换器（DAC）,工作采样率为12 GS/s，经AWG输出的信号被两个增益为16-dB的射频放大器放大，接着用两个低通滤波器进行滤波，产生的信号传给10-Gbit/s双臂马赫增德尔调制器（DE-MZM），线宽为10MHz的分布反馈激光源（DFB）传入DE-MZM，产生速率为1.6G波特 的MB-OFDM信号，其中心频率为2.15GHz。该方案中OM-1 多模光纤和单模光纤组合应用在OLT和RAU之间，在RAU端，光信号和第二个DFB激光器耦合， DFB激光作为本地振荡器。研究人员发现当原始比特率为5Gb/s时，输入光功率不同，其系统性能也会不同。实验结果表明，在输入光功率较低时，EVM因含有噪声信号而被限制，而提高输入光功率，信噪比也会增加，EVM会显著改善。

图7.60GHz MB-OFDM信号 RoF 系统传输的实验配置图
    随着信息时代的发展，通信业务中包含的信息量呈爆炸式增长，现有4G通信系统不足以满足人们将来的通信需求，为了应对上述情况人们已经对5G通信系统开展研究工作。可见光通信（VLC）是一种很有前途的室内无线光接入通信方案，它可以作为5G通信的备选方案之一，已经引起了人们的广泛关注和研究。实际上随着 LEDs照明设施的普及，也为VLC的应用提供了广阔的应用平台。事实上，很多先进的光信号处理方案都可以直接用于VLC系统中，这些方案是用来提升通信速率，增加带宽和提高频谱效率的。大量LEDs阵列安装在室内，在空间上呈多样性分布，即可以满足照明需求又可以用于高速信息通信。此外，VLC系统不产生射频干扰，可以用于射频技术受限的地方，如飞机场、医院等。LEDs比白炽灯具有更高的效率，更节约能量，它在照明的同时又可以传输数据，减少了电磁污染，VLC系统符合建设生态节约型环境友好型社会的发展趋势。VLC系统具有照明和通信两重性，LEDs的分布特点会影响室内接入点的覆盖情况，因此系统性能与光线配置是严格相关。 LEDs的位置和LED之间最佳距离对信噪比的影响情况，也引起研究人员的关注和研究。为了得到室内最小信噪比波动，有研究人员提出了一些LED的布置方式，并确保使用者在室内不同位置获得相同的体验效果，该研究人员对两个LED阵列的最佳位置进行研究来实现平均面积光谱效率最大化的目标。当考虑到VLC系统应用在非常大小的空间或环境（如博物馆）中时，使用者在移动过程中会导致在不同光区之间进行切换，且区间切换是强制进行的，这会影响用户使用效果。来自罗马大学电气和电信工程学院的研究人员利用数学工具进行VLC网络规划，对LEDs阵列进行了最佳布置，降低了因越区切换而产生的通信影响，使用户获得最佳通信体验效果。