2016 年6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6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、无源和有源光子器件、激光器等，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
大多数已经部署的无源光网络，像EPON和GPON都属于时分复用无源光网络（TDM-PON），它们的原理均是，在不同的时间段对不同的光网络单元（ONU）执行信号的发送与接收，并利用功率分配器实现信号的分配与合并。由于高接收灵敏度的要求和功率预算的限制，一个TDM-PON光线路终端（OLT）仅仅只支持十几个ONU。波分复用无源光网络（WDM-PON）是另外一种被广泛研究的技术，它在ONU与OLT之间采用不同波长载波进行通信。WDM-PON中OLT所能承载的ONU数量是由阵列波导光栅（AWG）通道的数量决定，AWG主要是用于波分复用和解复用（MUX/DeMUX）。还有一些PON是采用其它的多粒度和混合光分布网络（ODN）构成，如正交频分复用（OFDM），光码分复用（OVDM），时分波分复用（TWDM）等。北京大学光通信系统和网络国家重点实验室的研究人员提出了一种基于模分复用（MDM）的双向无源光网络（PON）结构方案，该方案中的MDM-PON双向光分配网络是由少模光纤（FMF）、无源复用器/解复用器和多种模式循环器构成，每个组件都表现出较低的模式串扰特性，在上、下行链路中，信号可以在不同的模式中独立地进行发送与接收。MDM技术被广泛应用于光通信系统中，特别是在使用少模光纤的高速传输系统中，可以提高系统信息吞吐量。但是在长距离FMF传输过程中，模式串扰问题是无法避免的，因此，往往需要利用相干检测以及多输入多输出数字信号处理（MIMO-DSP）技术，这样会增加接收器的复杂度和成本。不过，在短距离传输过程中，模式串扰问题可以降到最低。传统的TDM-PON可以容纳更多数量的ONU。由于在上行链路中，处于不同模式的信号是在不同的时间段进行传输，从而可以有效地避免模式串扰。在前期的研究工作中，研究人员曾经利用涂层相位板和自由空间耦合技术来实现MUX和DeMUX，使得两个独立的处于线性极化模式的MDM-PON在FMF上传输达到了1.8公里。而在这次的实验中，研究人员是采用光下模式选择耦合器（MSC）来实现MUX/DeMUX，由于FMC的低模式串扰特性，在不需要相干接收和多输入多输出过程的前提下，10Gb/s的开关信号可以被独立地传输，在接收端直接检测。研究人员采用实验成功实现了上述信号在10公里的双模光纤上进行双向MDM-PON传输的过程。

图1 双向MDM-PON的实验架构图

自由空间光（FSO）通信技术具有频带宽、速度高、频谱资源丰富和无需频率许可等优点，可以用于连接骨干网络和终端用户，是“最后一公里”问题的最优解决方案之一。由于存在大气湍流的影响，光信号在传输过程中其光强度会产生波动，这就会降低整个通信系统的性能。在宽范围湍流条件下，研究人员采用Gamma-Gamma（G-G）分布模型来描述信号辐射波动的情况。为了减弱大气湍流效应对光信号波动的影响，研究人员提出了一种很有效的空间分集技术。研究人员把空间分集应用于FSO系统中，在接收端利用几个小的接收孔代替大的接收孔，这使得孔径接收效应和信噪比增益都得到改善。研究人员利用不同的空间分集对FSO系统性能改善情况进行度量，研究比较了采用分集接收和未采用分集接收技术，当信噪比增益达到相同值时中端概论的差异。由于接收信号包络在不同信道分支之间会产生相互干扰，信噪比增益会有所减弱。空间相关性对多路接收性能影响非常显著，为了避免发生不同信道分支信号包络相互干扰情况，在信号接收端要求接收光敏二极管之间的间距足够大。研究人员为分析了在FSO系统中不同信道分支之间相互影响情况，利用G-G分布建立大气湍流模型，基于光波动模拟对空间相关性进行研究，还研究了FSO系统中接收孔径对单输入多输出（SIMO）结构性能的影响情况。此外，研究人员利用基于多元G-G分布的大气湍流模型，提出了利用选择式组合和最大比率组合分集技术来研究SIMO FSO系统性能的方案，该方案提出了一种指数相关模型，接收探测器是线性排列。来自塞尔维亚尼什大学电子工程学院的研究人员提出一个方案，研究了空间相关性对FSO系统中断性能的影响情况。不同于上述的指数相关性模型，他们提出的是常数相关性模型，采用密集型光敏二极管，其中任意两个二极管间距都是相等的。通过比较两种模型对接收器几何结构的描述，发现常数相关性模型对接收器结构描述相对精确，可以获得更大的孔径平均增益。此外，需要注意的是，如果仅仅从接收孔的位置来看，实际上指数相关模型是不适用于大多数FSO系统的。据此研究人员提出了一种基于电信噪比概率密度函数和累积分布函数的分析方法，当存在接收端信号和功率不匹配问题时，采用多样性不均衡分支方法来解决。研究人员把常数相关模型应用于FSO系统，分别研究了相关系数、使用多样性分支数量和不同孔径等对中断性能的影响情况。结果表明空间相关性会导致相当大的功率损耗，而且分集阶数越高，功率损耗越大，当湍流强度处于较弱到中等湍流强度范围内时，相关系数的改变对中断性能影响较大。

无源和有源光子器件
为了获得更快的通信数据传输速率，有研究人员研究了使用一种超奈奎斯特滤波的110G波特偏分复用正交相移键控(PDM-QPSK)信号来将信号带宽降低至100 GHz，还有些方法是使用更高阶的调制格式如16进制正交幅度调制（QAM）、64进制正交幅度调制,这些方法需要在发射端和接收端使用数字信号处理技术。还有诸如使用波分复用、时分复用等技术来提高数据速率的研究，使用这些技术的挑战是如何简化复杂的发射器。磷化铟马赫增德尔调制器工作在低电压下是一个可供选择的解决方案。最近，来自加拿大麦吉尔大学的研究人员提出使用磷化铟双偏振IQ调制器对16-QAM信号以56 G波特、64-QAM信号以38 G波特和43 G波特的速率传输.实验装置如图2。在发射端和接收端使用了数字信号处理技术。磷化铟调制器由于每单位长度具有更大的相电压效率，因此相比较铌酸锂调制器具有更小的尺寸。发射端数字处理技术以N-QAM符号的产生开始，产生的四路随机数据流用来双偏振传输。产生的符号通过使用一个根余弦滤波器以每符号两采样的速率来进行脉冲整形。对于56 G波特、38 G波特和43 G波特信号，该滤波器的滚降系数分别是0.1, 0.4和0.5。接着，四路数据流再采样至65.7 GSps。为了获得光调制后的等距星座点，需进行非线性补偿。一个均衡滤波器用来补偿发射部件的频率响应。接收端数字处理技术以IQ功率失衡补偿和使用格拉姆-施密特正交算法的正交纠错开始。接着，数据进行再采样，使符号率加倍，下一步是使用频域色散补偿。紧接着的处理技术包括匹配滤波、使用互关联技术对形成的接收符号和训练序列进行同步处理、初期极化追踪等。实验结果表明：相比较64-QAM 信号，56 G波特16-QAM信号需要更低的光信噪比(OSNR)以及可以传输更远的距离（大于500km）。

图2 使用磷化铟双偏振IQ调制器传输高速信号的实验装置图
如何在硅基衬底上设计并实现高效光源，在技术上这仍然是个问题，但可以设计一个可替代方案，利用芯片外光源为该芯片提供光功率。由于外部激光集成的成本非常高，人们希望研究新的技术来减少激光器的使用数量。有研究人员设计了一种片上分离器，利用该分离器可以分别为多个信道提供激光，但这显然在分离器的输入端需要很强的光功率。众所周知，光信号在亚微米级波导上可以有效传输，但会受双光子吸收和自由载流子吸收效应的影响。有研究人员实验证明了，通过使用宽波导或者脊形波导可以在某种程度上缓解上述影响，但即使这样在分离器波导输入端仍然需要很大的功率。最近，来自比利时根特大学信息技术学院光学研究组的研究人员提出一个耦合方案，利用耦合器把外部光功率分配给N个波导，这样总的光功率就不会被限制在亚微米波导核心上。耦合器在硅光子学中是经常使用的元器件。为了避免大功率损耗，研究人员还设计了一个新的光纤光栅耦合器，该光纤光栅耦合器-功率分离器原理图如图3所示，一个弧光栅耦合器衍射外部光源到硅板上，不像传统的弧光栅耦合器，光源并没有集中到单个波导上，而是铺展到一组光孔上，就像星型耦合器用在阵列波导光栅上一样。实验结构证明对相关结构的改进可以处理高光功率问题而不引入额外非线性损耗。

图3 光纤光栅耦合器-功率分离器

简单化、低成本的光毫米波产生技术是商业部署的光纤无线通信（RoF）系统的关键技术之一，使用外光调制器来产生光毫米波是一种常用的技术，这种技术提供的毫米波载波比较稳定；此外，基于外光调制的四倍频技术可以产生高频高纯度毫米波，在发射端，能够有效地降低光学器件和电子器件对大带宽的需求。不过，一些研究报道称，基于光学外调制的四倍频技术不仅需要用光滤波器来滤除不需要的光边带，或者还需要将多个外光调制器进行级联或串联，这样无疑会增加系统的复杂度和成本。在RoF系统中引入先进的矢量信号调制技术，可有效地提高设备的带宽效率和系统的频谱效率，还可解决目前频谱资源短缺的问题以及提高无线传输速率。近期，基于同向/正交（I/Q）调制器，和利用与波长选择开关（WSS）级联的单臂马赫曾德尔（MZM）调制器来产生四倍频矢量光毫米波的研究，也不断被报道出来。但I/Q调制器和WSS不仅成本高，也同时增加了系统结构的复杂度。最近，来自复旦大学电磁波信息科学重点实验室的研究人员，提出了在不需要光滤波器的情况下，仅仅使用一个单臂MZM驱动来产生四倍频矢量毫米波信号的方案，如图4是方案实现原理图，图5为系统整体方案架构图及信号经过MZM前后的光谱图。该方案中单臂MZM由预编码矢量射频（RF）信号来驱动，在其工作最大传输点提供一个适当的驱动电压，输出两个二阶光载波，通过单端光电二极管进行光外差拍频实现倍频矢量毫米波的输出。作为驱动信号的矢量射频信号，为了抵消随频率翻倍时出现的相位翻倍，需要对射频信号进行均衡或非均衡的相位预编码，进而确保四倍频毫米波信号表现出规律的矢量调制特性。基于上述提出的方案，实验结果表明基于1GBd 40GHz QPSK调制的矢量毫米波信号传输的误码率低于3.8e-3（硬判决前向纠错阈值）。该技术是首次在不使用光滤波器情况下，仅仅使用一个单臂MZM来实现四倍频矢量毫米波信号产生的技术。

图4 方案实现原理

图5 系统整体方案架构及信号经过MZM前后的光谱

激光器
在一些特殊场合如从参量振荡中产生太赫兹波，人们往往需要在功率放大器中(MOPA)放大种子脉冲，来获得较高的峰值功率。在1550nm左右波段，想要放大传统的超短脉冲是比较困难的。不同于超短脉冲，脉冲宽度为纳秒级别的脉冲有诸多优势，如较高的脉冲能量和容易被放大来获得很高的峰值功率。传统的无源Q开关技术容易产生持续时间在十纳秒到百纳秒之间的高能量脉冲，相关研究人员通过缩短谐振腔长度来抑制Q开关脉冲带宽，但是这些方法不够稳定。无源锁模技术广泛地被用于超短脉冲的产生。最近，来自北京清华大学信息科学与技术国家实验室的研究人员展示了一种全光纤锁模激光器，使用一个国产的超窄带光纤布拉格光栅（FBG）和一个商业半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模器。FBG的作用相当于一个腔内滤波器，用来将震荡抑制在一个超窄频谱范围内。通过调整DCF的长度和优化腔长进行腔内色散管理，激光器产生稳定的无啁啾优质连续波脉冲。由于无啁啾脉冲的存在，超窄谱在时域会有一个纳秒的持续时间。由于其理想的表现，该激光器可以取代Q开关激光器来获得高峰值功率。对于一个无啁啾脉冲，为了获得长持续时间，需要一个窄谱。传统的1550 nm锁模激光器产生的宽谱主要是由于铒离子自发散射谱的宽频带引起的。为了使腔内损失最小化，FBG的反射率应该足够高，以此来避免Q开关锁模（QML）现象和稳定锁模脉冲。实验测得反射光谱的3-dB带宽小于0.1nm,中心波长为1548.2 nm，旁瓣抑制比大于40 dB，锁模激光器的频谱表现主要得益于国产FBG的性能。实验结果表明：激光器可以产生平均功率−3.3 dBm的稳定脉冲，预计振幅波动为1.1%，计算得出时间抖动低于1%，重复率为982 kHz，谱线宽带仅为192 MHz。

图6 锁模激光器的实验装置图
中心波长为850 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)在短距离光学互联应用中是一种重要的光源。在发射端把高速VCSEL和先进的前向均衡(FFE)技术结合使用，可以使数据速率达到71 Gbit/sec。然而，多模光纤(MMF)中的模式色散会严重限制传输距离。有报道研究了使用多模（MM）VCSEL和前向均衡技术在OM4 MMF中传输大于50 Gbit/sec的数据，距离通常小于60米。结合使用单模(SM) VCSEL和FFE和判决反馈(DFE)技术被认为可以极大地延长通过MMF的传输距离。但是，VCSEL的单模效应会产生电光频率响应的低频滚降系数，限制了3-dB带宽的最大化。台湾新竹国立中央大学的研究人员报道了用一种新的SM 850 nm VCSEL来延长速率为54 Gbit/sec的数据传输距离。这种新的VCSEL概念剖面图如图7所示。由于在顶端分布式布拉格反射镜层（DBR）存在额外的锌扩散孔径，不仅可以在VCSEL腔内操纵光场横向模式的数量，而且可以减小微分阻抗。相比较之前的研究，该腔层厚度有较大的缩减，从1.5λ缩短到0.5 λ（λ是在腔内的工作波长）,也就缩短了内部载体运输时间。实验结果表明：即使对于背靠背传输，要想获得无误码传输(BER < 1 × 10−12), DFE技术也是必不可少的。如果传输1km，使用前向纠错码技术（FEC）和DFE可以获得无误码传输，但是相比较背靠背传输，使用MM设备无误码传输1km会造成更严重的功率损失。这说明当传输高速率数据(54 Gbit/sec)时，模式色散相比较输出功率，在决定传输距离过程中扮演着更重要的角色。而且，使用研究人员提出的新型锌扩散VCSEL，传输1km后的系统误码率得到提升(从3.5 × 10−3到1.4 × 10−4)，而上述系能的提升要归因于优越的单模工作方式。

图7 VCSEL概念剖面图

连续波平均输出功率超过100W的VECSELs已经被研究实现，同时该激光器具有高峰值功率，脉冲持续时间在飞秒域内。有研究人员实现了将动能孔和量子阱增益介质相熔接及载流子带间散射，使VECSELs产生双色发射波长，其中两个波长震荡同时存在于激光腔内。为了得到THz波，研究人员将重心转向差频技术，该技术可以使两个发射波长之间的差频可调范围设置在在几十GHz到几THz，而使用光电导天线或者非线性晶体可以使差频可调范围转变到THz。为了获得较高的转变效率，具有高峰值强度红外线拍频技术引起了人们的注意，但这种强度在连续波段是很难获得的，为此有研究人员提出利用了Q开关或者锁模机制来增加红外线强度。目前已经证明固态激光器可以同时发射两个波长的激光，这两路激光分别利用了Q开关和锁模技术来进行操作，但固态激光器结构比一般半导体激光器要复杂，而晶体增益介质的转变范围也是有限制的。来自美国亚利桑那大学光学科学院的研究人员提出并证明了一种双波长锁模半导体VECSELs，可以产生拍频范围在THz的皮秒脉冲。由于载流子的带间散射发生在数十飞秒的短时间内，这使双色脉冲状态发射变得可能，其持续时间比皮秒脉冲要短。通过腔内半导体饱和吸收镜获得被动锁模，利用校准器调节VECSELs发射频谱，从而获得差频控制，轻微的改变校准器可以获得持续时间在6到35 ps范围的脉冲。通过在THz范围内进行拍频，可以获得双色脉冲。
法国汉恩物理学院的研究人员，设计了一种频率稳定的可调激光器，该方案中可调激光器的频率超过1THz，全光纤系统成本低廉、结构紧凑。研究人员利用两个相似的商用分布反馈式（DFB）激光器产生的激光来进行拍频，在牺牲大带宽的前提下，放弃了使用固态激光器和外腔激光器。通过改变激光芯片的温度获得的拍频信号有几百GHz规模。由于两个激光器在法布里-珀罗腔（FP）中是通过改变激光器的电流来发生共振，所以它们的拍频信号带宽是法布里-珀罗腔自由光谱频率的数倍。研究人员采用相位调制器来稳定两个激光频率，拍频噪声在共模腔长波动的第一阶段可以被忽略掉。在该实验中，法布里-珀罗腔全电子式锁定的分布反馈激光二极管的频率在1548nm处的可调范围超过了9nm，在10ms的累积时间内，测出的激光线宽为100Hz。为了避免FP中拍频时发生能量波动，两路光载波会相互正交。研究人员设计的这种性能稳定的激光器，在将来可作为连续毫米/亚毫米低相位噪声信号源的组件而得到应用。