2016 年5月PTL光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰申世鲁陈福平陈烙

2016年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器、光网络及其子系统、无源和有源光子器件等，笔者将逐一评析。

1.激光器
近年来，移动前传技术已成为研究的热点；可以预测的是：未来基于光纤的移动前传技术由于信号延迟小，更容易实现收发同步，将在通讯行业越来越引起设备商和运营商的关注。来自巴西圣卡塔琳娜联邦研究所的研究人员，提出了一种采用新型反射式半导体光放大器（RSOA）并基于强度调制的方法来实现副载波复用（SCM）的技术。正如我们所知，使用RSOA不仅可以降低系统成本，RSOA还可以作为与波长不相关的调制解调器来使用。虽然在一些传输系统中，研究人员已经对ROSA的使用进行了详细论证，但是据研究人员了解，这是首次将ROSA作为实时调制解调器用于传输信号，且采用的传输系统使用了具有高频谱效率、大带宽容量的SCM信号（调制阶数达到了1024）进行信号的发送与接收。在该系统中，数字上变频器（DUC）将基带信号搬移到中频，数字下变频器（DＤC）则起着相反的作用，两者一起可以对系统中的信号带宽和子载波频率进行灵活分配；数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）则为模拟射频信号和数字射频信号之间提供了灵活的转换；低通滤波器（LPF）将信号中高于1GHz的频率滤除掉后将信号传到RSOA中。此外，该系统中采用的SCM调制解调方案，有助于系统成本耗费的降低。该系统中，ROSA的激发信号可由外部可调谐激光器（ECL）产生，其中，通过光环形器输出C波段光信号的功率高达13dBm；使用的两卷标准单模光纤（SSMF）的总长为有21.4公里；采用可变光衰减器（VOA）可防止输入信号的功率在光电转换（O/E）过程中超过上限值；在进行ADC之前，输入的信号会被放大并调节到恰当值，这样有利于信号保持在电放大器和两个可变电调衰减器（VEA）的线性工作区域中。研究人员搭建的实验方案成功实现了3路64-QAM信号以1.6Gbps的数据速率实现了21.4公里的传输。

图. 1  采用SCM技术的传输系统框图:其中包含为光网络单元（ONU）到光线路终端（OLT）的传输链路；而该系统中的数据处理模块负责对数据链路与各种SCM调制解调器之间的收发数据进行多路解复用和复用。

    激光器的光腔可调谐性在很多研究领域一直广受研究人员关注，其中尤其是回音壁模式（WGM）的谐振器在很多研究领域都有应用，如腔量子电动力学（cQED）、非线性光学和传感学等研究领域。在cQED系统中，原子和光子之间的相互作用力是依据Q/V来的定义的，其中Q是腔品质因数，V是光模体积。回音壁谐振器（WGRs）因为具有超高的Q值因子，可以满足Q/V需求。在实际应用中，腔模需要和原子变换相互谐振才匹配，而只有通过腔模调谐才可以实现该要求。到目前为止，研究人员已经提出多种调谐技术应用于WGM谐振器，采用最广泛的方法是温度调谐，但上述方法中，整个调谐范围的获取将受到限制，调谐过程相对缓慢；此外，为了实现可重复性，该方法需要进行精确的温度控制，但这也增加了实验过程的复杂度。为了获得大的调谐范围，研究人员设计了基于张力和压力的可调谐微谐振器，但该方法中由于伸展（或压缩）WGRs和压电堆栈导致了机械位移，产生了非线性转换过程，因此当高电平应用于压电时，就会引入滞后效应。研究人员还提出了其它一些改进技术用于增大调谐范围，如蚀刻技术、光学梯度力和电磁效应等，但这些技术可以提供的调谐范围窄、精确度低、可重复性差。最近，另一种称为微气泡的WGR被提出，它可以支持高品质因子的 WGMs，同时它还具有优良的传感特性，并从多个方面都表现出很好的调谐性，并且有研究人员还通过增加微泡壁厚度证明了灵敏度为380Ghz/Mpa的测试方法。微气泡WGR的可调谐度已经应用于耦合模式，但是目前还没有研究方案可以证明空气静压压力调谐的WGMs的是否具有可重复性、长期稳定性以及频谱噪声可测量。近期，来自日本冲绳研究所科学与技术研究院的研究人员实验证明了微泡空气静压力可调是实现WGR调谐的一个很好的替代方案，且该方案具有很多优点，如线性调谐、无滞后效应、长期稳定、操作简单等。

2.光网络及其子系统
    正交频分复用多址无源光网络（OFDMA-PON）的技术是解决下一代接入网络多用户接入需求的一个极具潜力的新技术，其本身具有很多优点，例如高频带利用率、对光纤色散具有较高的容限，灵活的资源分配和较低的实施成本。但原始的OFDM信号具有很高的峰均比（PAPR），具体体现是在时域上OFDM信号由于子载波连续叠加会带来很高的峰峰值功率；对于PAPR很高的OFDM信号，要求使用的光电器件具有很宽的线性范围，这将降低OFDM信号的传输性能。如何解决高PAPR的问题是OFDMA-PON系统的最大的挑战之一。另外，在OFDMA-PON系统中，下行链路的信号被传输到所有的光网络单元（ONU）中，这就导致信号很容易被窃听到，所以信息安全也是一个不容忽视的问题。近期，基于混沌技术的选择性映射（CSLM）方法被研究者提出，用于降低IM/DD-OFDM系统中高PAPR的问题。一些基于混沌的加密技术，像混沌扰码，混沌变换，超混沌系统，部分傅里叶变换，基于混沌的IQ加密技术等等，也已经被提出来用于加强OFDM-PON系统中物理层上的安全。虽然对于特殊的与混沌相关的方法（像各态遍历性，伪随机性，对初值的高敏感性等）被提出来进行应用，但这些加密方法都具有很高的物理层安全级别，导致这些技术的提出仅仅只是为了降低PAPR或者增强物理层方面安全。来自中国电子科技大学光纤传感与通讯网络重点实验室的研究人员，提出并实验论证了在OFDMA-PON系统中基于IQ混沌加密过程的优化帧传输（OFT）方案，该方案可以在降低PAPR的同时增强系统物理层安全。在加密过程中，QAM符号的同向部分和正交部分分别同两路相位序列一起编码，这两路相位序列将由二维逻辑映射过程产生。加密的OFDM符号组成一帧峰均比最小化的OFDM信号传输到光网络单元中。实验结果证明，在使用强度调制/直接检测OFDMA-PON系统中，经过加密的16QAM-OFDM信号以11.32Gbps的速率在标准单模光纤上成功实现了25公里的可靠传输。

图2. 基于混沌IQ－OFT加密技术的OFDMA－PON系统方案图

为了满足移动回传数据量爆发式增长的需求，研究人员提出了点对点的波分复用(PtP-WDM)技术，该技术将成为在下一代无源光接入网络(NG-PON2)的一种候选技术。在NG-PON2中，四路波长可以实时提供40Gb/s的传输容量，因此被称为实时波分复用无源光网络(TWDM-PON)。在回传链路中，基带处理单元（BBU）通过PtP WDM信道和分布式的射频拉远头（RRH）装置相连接。来自上海交通大学电子工程学院国家重点实验室的研究人员研究C+L波段上回传波长在受激拉曼散射（SRS）后的影响情况，回传波长在1524到1625-nm中间选择，SRS效应随着波长间隔增加而增加。由于存在泵信号（短波长）和斯托克斯信号的（长波长）功率转换过程，短波长的功率会远远低于长波长的功率，在这种情况下经20km光纤传输后，功率损耗会增加至8-dB。仿真结果显示，在四路回传波长在40km光纤传输的情况下，当下行发射功率从15到20-dBm变化时，功率损伤也在0.6 ～ 1.7-dB范围内波动。当回传波长在C+L波段上占据整个未使用的波长时，功率损耗将会达到11-dB。研究人员用四路回传波长对进行了实验验证，实验结果与仿真结果一致。研究人员分析了在一路方向上回传信道的拉曼噪声，由于实验设备的限制，只能利用C波段的波长束用作下行传输，由于SRS更容易受波长间隔的影响，所以拉曼噪音对实验结果不会有影响。用频谱分析仪来分析拉曼噪音后实验结果表明，拉曼串扰随着光纤长度的变化而变化，而且具有低通特性。

图3. 回传下行链路过程中对拉曼串扰分析的实验装置

近几年，可见光通信（VCL）在光传输领域成为了新的研究热点，VLC是根据输入信号对发光二极管的光功率进行实时调制和编码来实现信息的传输，由于调制发生在高频上，灯光的闪烁频率也高，人眼很难觉察到其变化规律。考虑到LED都不是线性元件，这种非线性特性是制约着VLC系统性能的主要因素之一，一些预失真补偿方案也被很多研究人员提出来应对非线性负面影响，其中最简单的方案是查表法（LUT），该方法通过储存LED的输入-输出对信号，然后改变LUT中邻近数值来对传输信号进行预失真补偿。不过LED的特性更容易受环境温度和老化程度的影响。另外一种方法是通过已知的比例因子采用NLMS算法来进行预失真补偿，该补偿方式会随着LED特性的改变而不断地调整。一些克服符号间干扰（ISI）和降低LED非线性影响的研究也正在进行，例如沃尔泰拉自适应滤波和汉默斯坦滤波技术的研究。然而沃尔泰拉自适应滤波技术中的计算过程相对复杂，室内ISI信道特征基本保持不变的情况下可通过射线追踪技术达到这一效果。在对LED非线性进行补偿前，需要知晓输入端的非线性变换过程，而不是仅仅停留在线性假设方案上。来自印度印多尔技术学院的研究人员，提出了在VCL系统中采用基于切比雪夫多项式的自适应预失真补偿器对LED非线性效应进行补偿的方案。方案中采用对输入信号进行切比雪夫多项式展开来进行失真预测，基于切比雪夫回归分析的补偿器对LED的非线性进行补偿，预失真补偿器的参数可以自适应线性调整，并使用了常见的归一化最小均方误差（NLMS）方法作为学习机制。如图4所示，在接收端，通过对光电二极管（假定为线性元器件）接收到的信号进行后处理，结合ISI信道中卷积矩阵的变换来对反馈环路置零的方法以降低ISI 。使用数据后处理方法来降低LED的非线性效应还可以准确地恢复出原始信号。为了评估研究人员提出方案的鲁棒性，针对不同的调制方案，他们基于NLMS的预失真补偿方法和失真后补偿的方法（像沃尔泰拉自适应滤波器和汉默斯坦滤波器）进行了比较；研究结果表明，采用自适应均方补偿方法并不是解决该非线性问题的最优方案。

图.4 适应预失真补偿器对LED非线性效应进行补偿的方案
目前，研究人员已开始把离线数字信号处理（DSP）的方法和光正交频分复（OOFDM）技术相结合，研究其应用于将来宽带接入网络和长距离传输系统的特性。依据数字信号处理的方案，虽然基带OFDM信号的收发过程可以在离线情况下实现，但这种方案没有考虑到硬件实现的复杂性。为了进一步研究OOFDM技术的实用性，研究人员使用可编程门阵列（FPGAs）或者使用专门的集成电路来设计实时DSP，并作用于基带OFDM信号收发器。使用上述样的方法，离线DSP算法可以在将来的实际应用中实现。到目前为止，在直接检测和相干光光纤传输系统中，实时OFDM信号发射器和接收器已经被研究人员提出并证明其可行性。在无源光接入网络中，研究人员提出一个传输速度为30Gb/s的实时三倍频直接检测光OFDM系统，并且用实验证明了该系统的可行性。在相干光系统中，有研究人员提出并证明偏振复用OOFDM信号经过标准单模光纤（SMF）后，其发射和接收速率达到100Gb/s。此外，在2.4Km标准单模光纤直接检测OOFDM系统中，4信道波分复用OFDM信号经实验证实其实时接收速率可以达到256.5Gb/s 。除了OOFDM外,实时速率为40Gb/s的4阶脉冲振幅调制（PAM-4）作为下一代接入系统备选方案被提出。采用前向纠错（FEC）技术可以有效的改善系统的误码率性能和接收机灵敏度，而对于没有FEC技术的实时系统，因其误码率过高而不能满足实际需求。众所周知，Reed-Solomon (RS)编码可以有效的纠正突发错误和随机错误，这种特性使其广泛应用于无线和有线光系统。电子器件和光器件存在不完全频率响应，例如数模转换器的滚降效应可以导致高频子载波产生更大的功率损耗，而在子载波的低信噪比偏低时其误码率偏高，这就致使RS解码性能下降。一般情况下，为了增加接收器的纠错能力，在RS编码器后一般要加入符号间隔。在DDO-OFDM系统中，基于功率负载和比特交织的RS编码已经通过离线的方法进行应用系统，使其误码率性能显著提升。除了RS编码外，还有很多其它的先进编码方式如Turbo码、LDPC码等可以通过离线DSP的方法应用于光OFDM系统。来自美国纽约伦斯勒理工学院的研究人员提出一个采用RS编码和多符号间隔产生实时OFDM信号的方案，首次把FEC应用于实时光OFDM系统，该方案中信号通过标准单模光纤传输后进行直接检测。实验结果表明，实时RS编码和多符号间隔的光OFDM信号通过25.26km SMF-28传输，采用ES编码率为7%的后FEC误码率达到1×〖10〗^(-8)，而采用前FEC的误码率为1×〖10〗^(-3)。

图5. 采用RS编码和多符号间隔技术的方案图

图6 RS编码和多符号间隔实时DDO-OFDM系统实验设计图

3.无源和有源光子器件
在相干光接收机中，数字信号处理可以用来减少传输损耗。线性均衡器一般包含两个均衡器用来适应不同速率，其中静态均衡器用来补偿色散，而动态均衡器用来补偿偏振旋转、偏振膜色散(PMD)、偏振相关损耗(PDL)以及残留色散。在早期的相干光传输实验中，复杂的抽头加权在M个等间距频率的情况下，从色散补偿转移函数离散化的反向离散傅里叶变化（IDFT）中计算得出的，并从时域均匀的缩减到N个必要的时间点（NM），在M=N（没有缩减）的情况下，缩短频率采样法(TFSM)就会简化为频率采样法（FSM）。时间采样法是一种简单的均衡算法，利用全通色散补偿滤波器的离散脉冲函数可以获得抽头加权，同时最优的最小二乘法(LSM)联合闭式法也被研究人员提出，但是以上提出的时域均衡方法通常没有考虑到对噪音进行抑制。来自北京科技大学计算机通信工程学院的研究人员提出将时域最优维也纳滤波器应用到多重速率系统中，具有噪声抑制和缩减采样的双重性质。在该系统中升余弦(RC)滤波器满足了奈奎斯特准则，避免了采样脉冲和采样率整数倍的接收脉冲之间的符号间干扰(ISI)。为了进一步消除噪音，RC滤波器通常分为两个根升余弦(RRC)滤波器，一个在发射机端，一个在接收机端，图中F(ejωT )表示RRC滤波器，G(ejωT )表示色散信道转移函数，H(ejωT )是均衡器的转移函数。此外，复杂的循环对称的加性高斯白噪声(AWGN) v(n)被加入仿真信道。研究人员通过仿真不同滤波器长度，分析误码率和信噪比的关系。仿真结果表明当维也纳滤波器长度为111时，其误码率低和设备简单易于安装，维也纳滤波器Wiener(η)相比LMS均衡器，在误码率为10-3时会有0.8 dB信噪比的提升。

图. 7  模拟光基带多重速率传输系统

    基于LEDs的VLC系统与传统的无线通信系统相比具有很多优点，如安全性高、抗电磁干扰和无需频谱许可。VLC系统的性能可以通过引入一些先进的传输技术来改善，如带有前向纠错的信道编码、OFDM和MIMO技术等，另外还可以通过降低LEDs对VLC的影响来改善其系统性能。用于照明的商用LEDs一般是由基于氮化镓（GaN）的LEDs制造的，在制造过程覆盖一层荧光粉，然而这种LEDs的量子效应会随着电流的增大急剧下降，并导致其输出功率发生非线性变化。LED光源的功率-电流的非线性变化对VLC系统的性能影响较大，特别是对OFDM系统。抑制量子效应下降的主要方法是使用电子抑制层减缓载流子溢出，并通过阻碍设计增加空穴注射，利用特殊的阱结构或者非极性（半极性）结构来增加波函数重叠。此外，LED的效率可以通过在n-GaN和量子阱（QWs）间插入应变消除层（SRL）来提升，其作用是减缓内部极化电场。来自北京科技大学计算机和通信学院的研究人员提出一种新的改善VLC系统的性能的方法，该方法利用了具有氮化铟镓/氮化镓超晶格状SRL结构的氮化镓LEDs。研究人员从原理上分析和实验SRL的有无对LEDs的影响，实验结果表明相比于没有SRL的LEDs，带有SRL的LEDs的量子阱极化场更小，量子效应下降得到了有效的抑制。VLC系统使用带有SRL的GaN-LEDs做为光源，其性能提升显著。

    灵活的相干超密集波分复用(uDWDM)城域接入网络具有透明性和高频谱效率，有希望取代目前的时分复用(TDM)光网络。来自西班牙萨拉戈萨大学阿拉贡工程研究所的研究人员提出了一种经济的收发器设计方案，该方案包括一个连续发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)、一个相位调制反射半导体光放大器(RSOA)和一个外差相干接收器。在该方案中收发器的关键部件是VCSEL和 50/50耦合器，在发射端VCSEL通过另一个50/50耦合器与RSOA相连，使用一个隔离器来阻挡RSOA的反向散射，以免引起的VCSEL腔不稳定性，接收端使用VCSEL做为本地振荡器（LO），相当于独立的偏振接收器。光线路终端收发器包含一个外腔可调谐激光源(TLS)，发射的功率和ONU相同，OLT接收端有着和ONU的相同配置，除了具有不同的LO (TLS)。在实际应用中，，OLT可以和用户数使用一样多的收发器，也可以让几个不同的用户共享OLT单元，以减少成本。由于奈奎斯特差分相移键控（DPSK)存在窄带宽，下行链路的反向散射的情况容易通过光线路终端功率补偿来滤除，相反在上行(NRZ-DPSK)上存在宽带宽，由旁瓣产生的反向散射会在下行光谱上引入了噪声，这个噪声是不能被电域擦除的。研究人员实验并分析了当OLT接收来自ONUi的上行链路信号的同时将下行链路信号传输至邻近ONUi±1，而这个过程会产生信道间干扰。在上述方案中，上行BER受邻近信道频率距离影响，邻近信道的下行链路的反向散射会严重影响上行误码率,而上行链路总是与两路下行链路相连（一路是自身信道，一路是邻近信道）。由于1:16的分布式分离器减弱了上行反向散射，邻近信道对于上行链路的干扰也会减弱。实验结果表明：当邻近信道的频率间隔在−1GHz 到1.5GHz和2.5GHz 到 5.5GHz范围内时，接受灵敏度在前向纠错码（FEC）为7%时效果最好。