2016年4月PTL光通信论文评析

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导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰陈烙陈福平申世鲁
2016年4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、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。
1.激光器和放大器
为了降低符号间干扰（ISI）的负面效应和提升光信号的频谱效率，研究人员已提出了使用高分辨率快速数模（D/A）变换模块和支持数字预矫正的复杂数字处理（DSP）模块的方案，但是随着数据传输速率不断的增加，系统成本和功耗补偿也急剧上升，而对于短距离传输，增加数据率的同时简化系统成本将是一个不可避免的问题。实际应用中，当奈奎斯特成形信号频谱宽度减小到一半时，滚降系数值为零，因此在相同带宽分配的情形下，可以利用光电器件来获得较低带宽和较高的数据传输速率。如何实现在以不牺牲频谱效率为代价的前提下，实现没有DSP构成的发射机呢？有研究人员指出，可以在光域对信号频谱进行整形，但需要专用的外部组件，这样反而会增加系统的复杂度。最近，来自德国柏林弗劳恩霍夫海因里希-赫兹研究所的研究人员提出了利用分段马赫增德尔调制器（SEMZM）对频谱进行整形的有效方案，他们通过实验，将将40G波特双载波偏振四进制脉冲幅度信号（4PAM）在80公里标准单模光纤上成功地进行了传输。如图1所示，他们采用两个外腔激光器产生间隔为50GHz的两束光波，然后通过3dB耦合器后输入调制器，同时采用两路40G波特PAM-4信号驱动SEMZM输出光信号。信号传输前，利用台式梳状滤波器对两路光载波解相关，与阵列波导光栅相比，使用梳状滤波器能够保证输入的两路波长信号的光谱分量不会被抑制，接收端采用极化分集相干接收技术来检测接收的信号。数字处理过程包括前端纠错、辅助数据载波频率恢复和信道估计等几个步骤，信道估计又包括色散补偿、维特比-维特比载波相位恢复以及错误比特计算等步骤。为了进一步研究载波间的串扰问题，研究人员分别测试对比了临近子载波作为干扰源的情况下的误码率，其子载波间隔部分为50GHz，部分为零。实验结果证明，该方案在发射端可以不需要任何数模转换和数字信号处理过程；由于采用了频谱整形技术，双载波4PAM信号在传输过程中，间隔50GHz的相邻载波没有串扰的影响，误码率在光信噪比(OSNR)大于23dB时低于硬判决-前向纠错码的极限值（HD-FEC）。

图1 40G波特双载波双偏振PAM-4光信号测试的实验装置图
近几年来，研究人员不断地对垂直外腔激光器（VECSEL）进行研究，该激光器的工作性能也得到显著的提升（这些性能包括输出光功率、相干性、波长可调谐性和锁模性能等）。研究人员进行的相关工作使得VECSEL的应用领域更加广泛，如光谱学、微波和太赫兹激光学、医用光子学等领域。正如我们所知，在VECSEL中哪怕很小的增益也需要较高反射率的反射镜，这就要求用到具有高对比度折射率的半导体材料来实现所需要的反射率。基于砷化镓基板的VECSEL在功率和效率方面的良好性能已经众所周知，其发射波长介于900nm~1100nm之间，而在这个波长范围之内，要求铝砷化镓/砷化铝的折射率>99.9%，对于更长的波长，就必须改变使用其它的材料了，例如基于磷化铟材料的设计要求发射波长在1.3um~1.6um之间，锑化镓的材料的发射波长在2um~3um之间。虽然磷化铟材料可以获得较高的光增益，但分布式布拉格反射镜（DBR）的折射率在低对比度时，会降低导电性能，从而使功率受限。为了克服这种限制，有研究人员利用晶片缝合技术将铝砷化镓/砷化铝DBR和磷化铟的量子阱活性区进行熔合，但这个过程都必须经过分离式增长和密集后处理的过程，使系统变的复杂。来自美国亚利桑那大学光学科学院的研究人员设计并制造了一种新的混合金属半导体反射镜的VECSEL,其中包括一个DBR和一个纯金面的反光镜，如图2所示。研究人员采用图案掩模的方法沉淀纯金在芯片上，不仅降低了DBR的厚度，也减少了热阻抗，同时金属镜还可补偿折射率的衰减。实验结果证明，光学效率达到19%时激光器输出功率超过4W，并且可以保持较低的热阻抗。

图2 VECSEL结构布局及其表面的光电激发过程
2.无源光子器件
在传输速率超过100Gbps的数字相干光通信系统中，使用高阶正交振幅调制（M-QAM）来进一步提高频谱效率（SE）并获得更长传输距离的方案成为目前光传输系统的发展趋势。同时，降低系统功耗、集成化以压缩光电子器件占用空间并降低系统整体成本日益成为通信设备商的追求目标。但与典型的二进制输入信号不同的是，M-QAM要求多路信号输入，从而也就增加了相干光收发系统的复杂度和成本。处理多路相干光传输的众多方法当中，其中一种比较有吸引力的方法是，采用基于任意波形发生器（AWG）或者基于数模转换（DAC）的方法来实现相干光信号传输的方案。这种方法是使用高速的DAC来产生多路电信号输入，然后驱动偏振-同向正交（DP-IQ）QAM调制器，形成多路相干光信号的输出。一种典型的DP-IQ调制器是由4个MZM组成，每一个MZM分别对应着两个正交偏振中的I路和Ｑ路。不过，将电信号映射到光信号上必然引起信号的畸变，这是实施该技术的一个重要挑战，而每一个MZM对正弦光域信号的响应特性正是引起信号畸变的最主要来源。虽然MZM强度响应的线性化问题已经被人们研究了十几年，但这并不是问题的根本，光域信号响应的线性化问题才是该技术的症结所在。信号的非线性响应会导致光信号大幅度衰减，也降低了DAC的分辨率，以及大大提升了基于DAC多路传输系统的失真幅度。
为了解决这些问题，来自美国Nasfine光电子公司的研究人员提出了使用线性光域调制器（LOFM）的方案。这是一种用于基于数模转换的多路相干光传输系统的方案，它具有结构简单、功耗低、成本低的特点，同以往的LOFM相比较，它有4种明显的优势：1，仅仅只用到一个MZM作为带通调制器来使光域响应成线性化；2，当非对称耦合的功率分流比r设置为0.113，在归一化达到 0.8%的偏差值时，表现出完美的线性特性；3，它本身固有的补偿功能可以降低参数r因制造工艺的误差引起的信号失真；4，它可以将射频功率减小到原来的一半。虽然这种方案可以很好地提升光域的线性性能，但也不可避免地增加了系统的复杂度。因为有两个正交偏振光信号，DP-IQ QAM调制器中的MZM的数量会从原来的4个增加到8个，自然加倍了系统结构的占用空间，而且它还需要额外的射频电压和电信号来驱动和偏置附加的MZM，这些MZM使得整个射频功耗大范围的增加。此外，还可能需要用到多个射频组件，如射频信号分配器和反相器，从而无意之中加大了整个射频信号的损耗，又不得不引入额外的射频放大器，所有这些因素最终会使整个系统的成本上升。

图3 传统的LOFM方案以及线性输出响应图（r=0.12）

图4 提出的LOFM方案图以及线性输出响应图（r=0.113）

光纤无线通信技术（RoF）主要应用于长距离传输应用中，但也有人们尝试将其运用在短距离接入应用的系统中，如飞机状态确定系统、分布式天线系统（DAS）、相位阵列天线系统等。在上述系统中，都是将远程天线单元（RAU）与中心单元（CU）相连接。为了降低系统成本，RAU也尽可能的简化设计。波长复用技术与双向传输技术联合使用可以减少额外的光源发生器和驱动器的使用。为了有效地滤除下行信号的信息，光下行信号的消光比要相对地减小，频率也要低于10 GHz。波长选择光滤波器或者梳状滤波器可以用来实现波长复用，但是，当下行信号的频率不是很高时，光载波的精确选择会很困难，而且这种方法也增加了系统的成本。另一种实现波长复用的方法是，对下行链路中利用相位调制或偏振调制，对上行链路使用强度调制，但该方法使光载波仍然承载着下行数据，从而可能会使上行信号恶化。最近，来自南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术重点实验室的研究人员提出了一种成本低廉的全双工RoF通信系统方案。如图5所示，一束连续激光波被送入双偏振马赫增德尔调制器（DPol-MZM）(该调制器包含一个偏振光分束器、两个马赫增德尔调制器和一个偏振光合束器)中，光载波被均匀地分成正交偏振的两路光波，其中一路经下行信号调制，然后和未经调制的光载波通过偏振光合束器进行耦合，再被送到RAU中。研究人员还做了相关的验证性实验，他们在下行链路中采用18GHz的射频载波承载50M波特的16QAM数据，上行采用18GHz的射频载波承载2Gb/s的伪随机序列数据(PRBS)，然后通过光纤进行双向传输。最终的结果表明，对于下行链路，当接收光功率为−4 dBm时，误差向量幅度为2.2%，对于上行链路，在接收灵敏度大约为−24 dBm误码率达到了10e−9。

图5 全双工RoF链路方案图
3.光网络及其子系统
最近几年，微波光子信号的应用引起了人们极大的兴趣，如雷达系统、无线通信、医学影像处理、无线电台和现代仪器仪表等。在光子领域，微波光子因其本身固有的特性，像低损耗、高带宽、抗电磁波干扰以及可调谐特性和可重配置能力，还有用于产生该信号的微波光子处理（MWP）技术不仅提升了系统的性能，也为光子领域带来了新的特色。人们基于MWP已经研究了不同的用于获取各种的信号（从电子振荡器到任意波形发生器）的方法，例如在不使用参考微波信号的情况下，使用光电振荡器（OEO）来产生高带宽纯净的微波信号，还有使用其它的包括MWP在内的更具灵活的方法来产生信号（如超宽带信号）。啁啾脉冲可以构成一种很有特色的信号，这种信号的主要特点是，在大带宽信号处理过程中，它的频率会随着脉冲持续时间变化而变化，也是经常被应用在雷达系统中，特别是脉冲压缩雷达系统。从某种意义上讲，使用啁啾脉冲可以提升雷达分辨率的瞬时频率的非恒定特性，而且，可以通过波形输出的能量来确定雷达覆盖的范围。利用光谱中的啁啾效应，在光电探测器中通过光电转换形成微波波形的方法在大多数资料中都可以查到，况且，相干光源的光谱整形和波长-时间的映射也都是比较常见的技术。实际中，有两种常用的产生啁啾脉冲的方法，一种是使用滤波器（具有非均匀的自由频谱范围）将超短光脉冲的频谱给滤出来，然后经色散元件线性地映射到时域上来；另外一种是，使用滤波器（具有均匀自由频谱范围）以及紧随其后的色散元件来产生啁啾脉冲，这种色散元件对非线性的波长-时间映射具有高阶的色散特点。还有一些其它的利用相干光源来产生啁啾脉冲的方法，但形成的脉冲整形都不是很理想。以前基本上所有的技术都是基于相干光源来对输出波形进行整形，为了克服这些不足，非相干光信号为其提供了一个合适的方案。来自西班牙瓦伦西亚科技大学的研究人员，提出了基于不同的光子学技术来产生啁啾微波脉冲的方案，并通过实验验证了采用非均匀间隔的微波光子延迟线滤波器来产生微波的方法，如图6所示。基于类似于光学相干的技术，其瞬时频率随时间变化，采用高斯波形包络并通过使用非线性色散元件对非相干光信号进行处理来产生啁啾脉冲，如图7所示为高斯包络波形、信号频谱以及瞬时频率。关于脉冲压缩雷达技术，要求控制脉冲包络以提升传输信号的覆盖范围和系统的空间分辨率，因此，研究人员根据不同的情况（渐近线，双曲线正切，光功率谱密度均衡）使用包络控制信号波形的生成，同时，也实验性地就如何提升脉冲压缩雷达系统中所有信号波形的分辨率和传输距离进行了探究。方案中的超短波光脉冲是采用了一个马赫曾德尔调制器（MZM）和两个色散元件来产生，啁啾微波脉冲是使用光子微波技术，通过色散元件结合差分检测的原理进行非相干光处理来实现的，此外，该方法还可以解决光信号收发过程中的功率分配问题。

图6 使用非线性色散元件对非相干光信号进行处理产生啁啾微波脉冲的系统图

图7 高斯包络波形、信号频谱以及瞬时频率图

相比较传统的荧光灯，发光二极管（LED）有着更高的闪烁频率，这使得用LED来直接调制数据进行传输成为可能，即照明和通信可以同时进行。对于室内可见光通信（VLC）系统而已，阵列LED可以通过多输入多输出 (MIMO)技术来获得较高的数据传输容量。来自香港中文大学信息工程部门的研究人员，已经在预编码多用户VLC系统中利用倾斜接收器来提高了用户终端的误码率性能，并对倾斜技术和连接块技术进行了比较。在相关研究人员已经提出的MIMO VLC 系统中，因为使用的是固定的调制格式，而且只在LED光源与光电检测器之间进行视距传输，所以系统性能难以提高。如果LED的带宽限制特性和非线性因素没有考虑在内，会导致信道状态信息（CSI）的错误估计。图8为研究人员提出的一种自适应室内MIMO-OFDM VLC系统。系统性能会因相关特性受到限制，研究人员采用了有四个接收磁头的接收模块，根据CSI使数据源先进行自适应分配，经埃尔米特对称后，再通过反向快速傅里叶变换(IFFT)、并串变换、循环前缀插入后得到时域信号进行传输。在接收端，使用导频来对信道进行估计。在经数模转换和低通滤波之前，信号会被归一化到-0.5~+0.5之间，因为这一范围是由任意信号发生器输出的信号所限制。同时，研究人员也考虑到了LED的非线性效应、带宽限制和多重反射的作用，他们的实验结果表明，通过使用有角度分集接收模块的自适应加载技术，系统的误码率得到明显的提高。

图8 自适应室内MIMO-OFDM VLC系统方框图
光子脉冲微波信号被广泛应用于雷达系统、微波断层摄影技术、宽带无线接入网络和现代战争系统等领域。与电子脉冲微波信号相比，它具有更多的优势，如大带宽、传输损耗低、功耗小、无电磁干扰。到目前为止，研究人员已经提出了多种有关产生光子脉冲微波信号的系统结构，这些结构主要是基于激光技术而设计的。像高频微波脉冲产生方案，是利用多个低频微波脉冲进行简单倍乘，然后在时域上通过截断连续波来产生脉冲。高频微波脉冲也可利用频谱整形的方式，以频率-时间映射方式形生，其中光谱整形器是比较关键的部分。光谱整形器一般是由光纤梳状滤波器或空间光调制器构成，而空间光调制器的传输响应在时域上可以灵活重构，所以很容易产生任意的波形，但该调制器会增加系统的体积以及结构的复杂度。光纤梳状滤波器具有稳定性高、低功耗等特点，但它在制造完成后其频率响应是无法改变的。有研究人员提出了一种有效的产生高频微波脉冲的方案，该方案使用非均衡光脉冲整形（TPS），包括两个对立的色散器件，两个器件的大小不同，且在它们中间还有一个电光调制器。该方案产生微波脉冲过程中会附带产生部分基带频率，它会对窄带频率造成干扰；也有研究人员提出利用偏振脉冲整形来限制基带部分的方法，这个方法虽然很奏效，但同时会使系统体积变得过于庞大。来自中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室的研究人员，提出一种用于产生脉冲微波信号新的方法，如图9所示，该方法是基于不均衡TPS和均衡光电检测来实现的。研究人员用一段色散补偿光纤和单模光纤作为色散器件，其节点上有偏振调制器（PolM）、偏振控制器和偏振束分离器等器件作为强度调制器，可以通过改变TPS的残留色散来调节脉冲微波信号的频率。

图9 产生脉冲微波信号的原理图

在无线通信系统里，如果接收天线和发射天线距离过近，接收机会直接从发射机接收部分传输信号。事实上，由于存在高功率的干扰信号，接收机接收到的信号不能直接利用，是因为干扰信号和传输信号在同一工作频带内，很难被滤除掉。为了消除接收信号里的干扰信号，有研究人员提出利用电子干扰消除的方法，但这些方法总是存在带宽过窄、高损耗、时间延迟精确低等问题，为了克服这些问题，光干涉消除方法又被提出来。光干涉消除方法是基于非相干差分方法实现的，例如利用马赫增德尔调制器、电吸附调制器或双臂偏振调制器将受干扰的信号和已知的干扰信号转变为两路光信号，然后利用光可调谐延迟线（OTDL）调制器和光可调谐衰减器(OVA)来实现信号延迟和振幅微调，两个光信号耦合成一路并由光电检测器直接检测，可以精确地将干扰信号分辨出来。不过，在上述的方法中，并没有考虑干扰信号可能是由周围环境导致原信号反射、散乱、衍射引起的，接收机也因此会接收到多个干扰信号副本。为了解决多径干涉问题，一个直接有效的方法就是产生具有相同延迟和衰减的多个干涉副本，然后再利用反相位消除法进行滤除。过去，有研究人员提出采用OTDLs和OVAs阵列的方案，其中OTDL和OVA对不同路径上受干扰信号的振幅和延迟实行微调，同时为避免严重的拍平噪声，就需要把单模到多模组合器也插入进去，但上述过程实现起来很困难，且这些方案没有考虑因色散引起的射频功率衰减问题。来自中国南京航天航空大学雷达成像和微波光子学重点实验室的研究人员，提出了一种新的光学模拟多径干涉消除方案，该方案包括一个可调谐激光器阵列（TLs）、两个偏振调制器、两个偏振器、一个色散补偿结构和一个光电探测器，如图10所示。因为存在色散补偿结构，通过调节TLs的波长和光功率可分别实现信号的延迟和功率衰减。此外，在系统因色散引起的射频功率衰减可以通过偏振调制器和偏光镜进行弥补，实验结果证明：该系统能实现超过44dB消除深度影响的宽带信号传输。