2016 年3月PTL光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰陈福平陈烙申世鲁

2016年3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、光纤传感与测量技术、无源光子器件、光纤激光器等，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
近几年，许多关于OOFDM技术的新型改进方案被提出，如非对称性OOFDM、单极性OOFDM等，相比较传统的直流电流偏置OOFDM，相关研究证明它们都可以获得较高的功率效益，但是这也会相应地降低频谱效率。最近，来自北京邮电大学的研究人员提出了一种整合性的技术，将μ律压扩技术和转换双极性信号为单极性信号的技术相结合。其中研究人员使用的是改进的μ律压扩技术，该技术相比较极性OFDM技术可以获得同样的频谱效率，同时，由于压扩技术的内在特性，研究人员提出的整合性技术不仅可以获得更低的信号峰均比，还能明显的消除限幅噪声。因此可以在动态范围的约束下获得较高的能量效率。OOFDM与射频OFDM的不同点在于OOFDM必须把复杂的输入信号转换为实时正向信号。该系统利用了反向快速傅里叶变换模块输出端的统计特征，这种统计特征近似符合零均值的高斯分布。信息的冗余度为实部与虚部的分离提供了可能，并把他们转化为了相应的OFDM符号。相比较埃尔米特对称技术，研究人员提出的这种分离技术利用了所有的子载波，且只需要一半的电功率来转换有用的信息，因此OFDM信号的峰值可以有效地减少。μ律压扩模块的作用是将双极采样转换为单级采样。因为PN结和饱和效应，发光二极管（LED）的输入与输出之间有非线性关系。但是这种非线性特征可以通过预失真来进行补偿，因此在发光二极管（LED）的动态范围内可以获得线性特性。仿真结果显示：研究人员所提出的方案以高阶正交振幅调制（QAM）进行调制会有较高的频谱效率和功率效益，性能也能随着动态范围的改变而变化。

图1 μ-OFDM通信系统模型图
近年来，一些科研机构也对几种实现1Gbps无线传输的新技术进行了相关研究。其中，60GHz毫米波通信系统和可见光载无线通信系统被认为是最有潜力的两种方案。这两种方案的发射机到接收机之间的信道路径一般要求是一条直线，这样设置将提高系统的视距通信传输速率。不过，与毫米波通信相比，可见光载无线通信具有更广的应用前景，且该方式具有宽阔的无需运营执照的通信接入带宽范围（如从紫外光到可见光再到红外光波段），而且该通信方式可在不需要复杂高级调制格式和繁琐信号处理的情况下，实现高速通信传输。由于毫米波的高载波频谱在空间自由传输过程中损耗很厉害，因此毫米波信号的分配会受到一定的限制。近几年来，光纤传输毫米波通信技术虽然引起了人们的广泛兴趣并开展了许多相关研究，但是该技术实现所需的硬件配置和系统架构都比较复杂，往往需要一些高速光电子器件及相关组件。与此同时，采用红外波段进行室内可见光通信技术的研究也悄然兴起，这种技术已经发展得相对成熟，而且相对于开发光纤通信系统，它的器件成本也相当的低。最近来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员通过实验验证了以1Gbps速率传输的全双工室内可见光无线接入通信系统的方案。该系统采用低成本、窄带宽的垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为上行链路的光源，并使用无载波幅度调制（CAP）进行直接调制。实验中下行传输速率超过了10Gbps，但是，对于上行链路，特别是使用低成本、窄带宽的VCSELs作为光源的情况下，通信比特率会受到限制，若上行链路使用无载波幅度调制技术来直接调制VCSEL，比特率会显著得到提升。该实验中室内可见光载无线通信系统的上、下行链路的传输速率都达到了兆级别，并分别完成了以1Gbps 4-CAP、1.5Gbps 8-CAP和2Gbps 16-CAP进行调制的上行链路传输，实验结果表明在误比特率为10-3时的接收灵敏度为-17dBm。

图2 采用CAP调制的全双工超高速室内可见光载无线通信系统结构图
宽带无线通信接入系统大多数架设在室内，如机场、购物中心或办公区域，并且其需求正呈现不断增长的趋势，所以低成本、高效带宽和低耗能的无线接入基础设施建设将是必不可少的。在带宽资源有限的情况下，下一代室内无线接入基础设施要求小区覆盖范围和辐射功率相对较低。当许多用户在蜂窝网小区共享着有限的带宽数据传输速率，每个用户获得的数据速率会很低。如果通过缩小蜂窝网的覆盖范围来提升无线通信数据传输的速率，可以多出更多额外的流量，蜂窝网小区内的用户获得的数据速率也会得到提升。很显然，这种微微蜂窝网扩大了用户获取数据的容量。室外的微蜂窝网常由一根天线构成，这种天线是通过连接固定的无线接入点来创建访问网络（如指向少数用户的一束无线电波），而室内的微蜂窝网是通过微波天线来覆盖整个房间。光载无线（RoF）通信系统能够降低因微型无线蜂窝结构给系统带来的复杂度，因为RoF系统中信号的产生与调制都是在中心站完成的。然后，信号通过光纤分配到远端结构简单的基站。所以，在过去很长一段时间内，RoF被认为是解决下一代无线接入很有潜力的方案而一直受到人们的关注，同时，RoF系统还具有以下优点：配置简单，调制格式和广播协议支持“透明”传输。最近，来自韩国电子通讯研究所的研究人员，就模拟和数字化的RoF通信接入系统之间的性能进行了比较（如图3），以此来研究哪一种更适合用于室内无线接入传输。研究人员提出的数字化RoF（D-RoF）系统光纤链路中，模拟无线信号被转换成数据流来进行传输，可以有效地避免模拟信号在光纤链路中传输的缺点：如光学和微波组件的非线性、链路动态范围的缩小、需要大带宽的电光转换组件等；另外，由于信号以数字形式在光纤链路中传输，D-RoF系统可以很容易集成到现在以及未来的宽带光接入网络中。在非线性光纤信道传输的情况下，研究者为了进行有效的对比，他们分别在两种系统中计算了传输无线信号的误差向量幅度（EVM），实验结果表明：D-RoF系统的EVM基本保持在3.75%，而模拟的RoF系统则更加依赖光纤链路的固有性质。

图3 RoF接入实验系统方案结构图
光无线通信一般利用可见光或者红外光做为通信介质，可以提供几个Gbps的带宽，最小误码率低于10-9。通常，室内无线通信有两种主要的传输系统，分别是扩散束系统和直线视距系统。扩散束的方法可以为移动用户提供稳定高速的数据，例如光辐射系统，该系统基于发光二极管，既可用于照明也可以用于双向数据通信，相关实验证明点对点的双向通信在3米范围内可以达到10Mbps。这种以LED作为光源的系统可以在4米的距离实现速率高达500Mbps的信号传输速率，在20米的传输距离实现速率为120Mbps的信号高速传输。然而，扩散束系统有几个主要的不足，容易产生加性噪声（有阳光或环境背景光影响）。为了保护人的眼睛和和皮肤不受伤害，需要限制传输功率的大小。直接视距传输系统功率效率高，多径效应小，传输速率高，但该系统传输需要精确的校准装置，收发设备必须固定，一旦空间有遮蔽将导致信号中断，这就限制了直接视距通信系统的发展。以色列特拉维夫大学的研究人员提出一种1.25Gbps OWC 系统，该系统可用于个人区域网络，如图4所示。该网络通常用于开放式环境，如研究和开发、教育、医疗、金融和军队等领域，这些领域需要高带宽、大速率、安全可靠、低成本耗费的通信网络，并且要容易模块化和易于推广。该系统在2到12米的范围内可以为8个用户提供服务，其中发射器和接收器需要手动对准，研究人员通过提升系统鲁棒性来抵抗因环境引起的失真，使用自定义微电机系统（MEMS）反光镜，同时结合能量最大化搜索算法，可以实现激光束在收发器间精确对准。与过去的传统系统相比，该系统的主要优势体现在系统设计简单，制造成本低，可以高效稳定的实现空间对准，保障了通信系统的可靠性和有效性。

图4 视距无线通信系统图和收发镜头机构图
光纤传感与测量技术
光频域反射(OFDR)技术是在调频连续波干涉技术基础上发展起来的，该技术比光时域反射(OTDR)技术有更好的空间分辨率，因此被广泛应用于局域通信网络监控和光纤传感等方面。作为一种频域技术，OFDR技术用连续波作为光源，经过线性地扫描后，分为探测光波和本地参考光波。快速傅里叶变换（FFT）定期地用来对拍频信号进行频谱分析，但传统的FFT有一些弊端，如输入序列的长度必须是2的幂。为了处理庞大的输入数据，分段线性调频Z变换(SCZT)算法在1990年被首次提出。上海交通大学新型光通信系统国家重点实验室的研究人员提出一种名为FFT-SCZT的整合性方案。该方案用来对特定频带进行更加有效精确的测量。首先FFT用来对整个频率范围进行大概的分析以及对上升带快速定位，然后使用优化了的SCZT算法和并行处理技术来提高频带内的频谱分辨率。使用这样的方式，在处理庞大的连续接收数据时，整个分析过程可以大大地减少对容量的需求。SCZT的分段特性使得并行处理技术变得容易实现。为了说明FFT-SCZT的性能，研究人员在OFDR系统中用该技术对五个密集光纤布拉格光栅进行了快速分析。首先用一个分布反馈式激光源作为扫频激光源，通过一个混合的反馈回路，扫描非线性和激光啁啾都被有效地抑制。然后调频连续波激光束分成两路，一路通过主干涉仪，另一路通过辅助干涉仪，两路激光束被平衡检测器（BPD）接收。被测光纤与包含五个密集光纤布拉格光栅的短光纤相连，每个光栅大约2毫米长。实验结果表明：分辨率可以达到2毫米，处理效率是单纯使用CZT情况下的4倍，性能优于FFT30%。由此可知，在处理庞大数据时，FFT-SCZT技术在精确实时分析方面具有很大的优势，该方案适用于需要高分辨率的频率峰值检测场合。

图5 OFDR系统方案图
以布里渊散射为基础的完全分布式光纤传感器已经成功的应用在静态测量方面。在处理分布式振动测量方面，最有潜力的技术是相敏光时域反射(-OTDR)技术。通过使用信号后处理方法，-OTDR系统会有较高的灵敏度。使用外差相干检测技术也会提高系统的性能，但是相干检测容易受到被测信号和参考信号之间偏振失配的影响，从而会影响到测量的精准性。偏振失配会减少-OTDR系统的信噪比，导致干扰信号的能见度降低。对于单点传感应用来说，偏振控制器（PC）被引入参考臂，就可以使极化匹配在某一特定位置。而对于分布式传感应用来说，瑞利反向散射光的偏振状态沿着双折射光纤随机变化，因此要找到有用的偏振匹配位置将变得困难。最近来自加拿大渥太华大学物理系的研究人员在-OTDR系统中采用极化分集技术，来减少在传统相干检测方案中的偏振衰落影响。图6是以极化分集技术为基础的-OTDR系统方案图。外腔激光器（ECL）发出的光束经光电耦合器分为两路，在传感臂的一路先被送入声光调制器（AOM），接着被函数发生器控制的电光调制器（EOM）调制。调制脉冲被掺铒光纤放大器（EDFA）放大。滤除掉放大的自发辐射噪声后，光脉冲经循环器进入传感光纤，同时瑞利反向散射光通过光耦合器和参考光耦合。为了减少偏振衰落噪声，偏振保持-偏振分束器被用来将光信号分成平行和垂直两种状态。研究人员进行了理论和实验验证，结果表明：提出的传感系统与传统的-OTDR系统相比可以获得更加可靠的测量准度，信噪比大大的提高，同时这项技术减少了沿着传感光纤传感臂与参考臂之间的偏振失配，更适合用于多点检测。。

图6 以极化分集技术为基础的-OTDR系统方案图
无源光子器件
有机聚合物电光（EO）调制器正不断的改进，朝着高性能的方向发展。为了提高通信系统的速度并降低功率，电光调制器的性能也一直要求不断的提升，这就需要利用到电光调制系数和有机电光调制材料（OEOMs）的超高响应速度，使其成为大带宽、低驱动电压的电光调制器。使用具有OEOMs的系统，调制器带宽有望突破100MHz且驱动电压低于1V。随着OEOM调制器的性能得到不断的提高，有必要考虑射频（RF）组件结构的紧凑性，这样才会使它们更容易商业化。不过，由于OEOM调制器是在硅晶片上制作而成，而射频电路通常建立在射频基上，如聚四氟乙烯、LCP和陶瓷，所以实现同质一体化将是制造工艺和设计上的一大挑战。来自美国纽约特拉华大学电子与计算机工程系的研究者们，提出了一种异构射频电路的封装方案，即在陶瓷介质共面波导和聚合物薄膜微带之间采用引线键合进行过渡，这种过渡在50Ghz处引起的射频损耗低于1dB，有机聚合物电光相位调制器可以产生的光单边带超过40GHz。传统上，有机聚合物电光调制器和射频电路都是均匀地集成在不同的衬底上，这就需要发展新的设计和制造工艺。

图7 电路封装图
光纤激光器
最近，中-红外光纤激光器因其广泛应用引起了人们的关注和研究，其应用领域包括医疗防护、光谱分析、化学和生物分子感应等。有很多种激光器可以产生波长接近3的激光，这些激光器大多是基于氟化物玻璃光纤激光器设计，在制造过程会掺杂一些离子，如铒、钬、镝。这使得激光波长在接近2.8的时候，激光能级由到转换变得非常方便。在铒掺杂浓度较高的系统中，能量传递上转换（ETU）过程（能级由，到，）可以获得较高的激励循环效率，可以避免产生瓶颈效应，该效应是由于在增加斜度效率的同时并长时间处于激光能级引起的。在过去的几年中，许多连续波掺铒氟化物光纤激光器被研究人员研究，并证明可以有效的提升输出功率。2009年Shigeki等研究人员提出一种可以产生波长接近3的连续波光纤激光器，该激光器使用了一块纤芯为25的具有双重包层的掺铒氟化物，掺铒浓度为6mol.%，但它的斜度效率很低，仅仅有14.5%；2011年D.Faucher等研究人员提出了一种全光纤被动冷却掺铒氟化物光纤激光器，该激光器是铒掺杂浓度为7mol.%的氟化物光纤，其纤芯直径为16，在斜度效率为35.4%时，该激光器的最大输出功率可达到20.6W，超过了在2.825处斯托克斯效率限制。近几年，有研究人员提出一种全光掺铒氟化物光纤激光器，其中心光的波长为2.938，掺铒浓度为7mol.%，纤芯直径为15，在斜度效率为16%时输出功率高达30.5W。掺铒浓度的增加虽然在一方面提升了输出功率，但过高的掺铒浓度会产生较大的泵吸收系数和高温效应，因高温而产生的热损伤会破坏光纤保护层，也限制了功率范围，所以，研究人员为光纤做了冷却设计，但这增加了系统复杂度和成本。研究人员又提出了一种替代方案，该方案的级联发射波长分别为2.8和1.6，其能级转变过程分别为到和到，经证实可以有效的克服上述问题。这种级联过程通过非辐射衰减的方法可以有效的减弱多声子弛缓过程，在铒离子浓度较低时也可以很好的运行，同时这一过程也可以有效的降低纤芯温度。研究人员在理论上分析研究了掺铒氟化物光纤激光器的热发生和功率测量情况，证实在室温下中心波长为3的激光器输出功率可以超过20W，不需要冷却设计。最近，来自中国电子科技大学光电信息学院电子薄膜和集成设备国家重点实验室的研究人员提出一种高功率掺铒氟化物光纤激光器，该激光器可以实现在室温条件下产生中心波长为2.8的激光束，其激光能级由到转变；产生中心波长为1.6的激光束，其激光能级由到转换。级联1.613激光器可以获得的最大输出功率和斜度效率分别为3.2W和7.1%。该激光器没有使用冷却设计，这是因为使用了低掺铒浓度的光纤和激光腔级联，会减弱多声子弛缓过程，提升了光到光的转换效率。