2016年7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7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：传感器、传输和光波导、调制技术、波长转换、光网络及其子系统、无源器件、半导体有机激光器和放大器等，笔者将逐一评析。
1. 传感器
在过去几十年，光纤传感器因为具有抗电磁干扰和抗化学腐蚀的特点,被广泛地应用于物理或化学参数的测量过程中。这些光纤传感器主要基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）设计而成，采用光纤耦合器将具有不同波导长度的MZI双臂耦合在一起，一条臂用作感应臂，另外一条用作参考臂，感应臂暴露出来与外界环境变量相接触（如温度），参考臂则与外界隔离开来。随着外界环境变量的改变，感应臂的波导长度也随之改变，从而引起MZI双臂的光相位差发生改变，然后通过分析MZI输出的干扰信号就可以得到待测值。这一类传感器的结构小巧、制造简单、成本低廉。不过，一方面传统光纤MZI传感器只采用了两个光纤耦合器，由于波长的解调是在光域中完成，然后才使用光谱分析仪（OSA）进行测量，这往往降低了传感器的灵敏度，另外，由于OSA的分辨率和反应速度都比较低，从而降低了传感器的分辨率和反应速度。为了提高传感器的性能，各种新的配置和制造技术被不断地开发出来，如纤芯芯经失配或错位的MZI传感器、拉锥光纤MZI传感器、光纤微腔MZI传感器、沟槽型MZI传感器、布拉格光栅光纤MZI传感器，其中温度传感器是研究者们的关注焦点。上述传感器虽然性能都很出色，但由于它们复杂的结构以及脆弱的机械性能，在实际系统中真正应用起来还是比较困难，并且也都是在光域完成波长解调后再使用OSA分析，致使传感器的性能无法得到提升。因此，关于高灵敏度、快速调制速度、高分辨率的全光纤MZI传感器的研究仍然是一个热门课题。另一方面，将光电振荡器（OEO）应用于全光纤传感器系统中能够大幅度提升传感器的灵敏度、波长解调速度以及分辨率，这一类的传感器有折射率传感器、温度传感器、横向负荷传感器等。同基于OSA传感器相比，OEO传感器是在时域获取微波频率，且测量值可以精确到Hz，表现出更高的灵敏度和分辨率。来自加拿大渥太华大学微波光子学研究实验室的研究人员，最近提出了一种基于OEO全光纤MZI温度传感器的系统方案，如图1所示，该系统是由宽带光源、MZI、色散补偿光纤、光电探测器等器件构成。OEO采用光谱分割宽带光源，其振荡频率由OEO环路中的单通微波光子滤波器（MPF）来决定，两个１ｘ２光纤耦合器将MZI双臂耦合在一起，宽带光源发出的光信号经过MZI时被整形成正弦波形，然后传输到OEO，MZI输出信号波形和频率响应如图2所示。MZI自由光谱区间（FSR）随着测量温度的变化而变化，由于MPF的中心频率与FSR存在对应的函数关系，所以温度的变化值会转化成OEO振荡频率的变化值，当FSR发生微弱的变化时就会引起OEO微波信号频率大范围的改变，极大地提升了传感器的分辨率。利用数字信号处理（DSP）技术在时域中获取微波频率，使得传感器的反应速度也得到了提高。研究人员通过实验证明，基于OSA全光纤MZI温度传感器的灵敏度达到了3.7MHz/°C。除了高速率、高分辨率、高灵敏度的特性外，该传感器还可以用于远距离温度探测，因为MZI可以放置在远离OEO环路的地方，这也是该传感另外一个优势。

图1 基于OEO传感器的通信系统方案图

图2 MZI输出光谱和单通MPF的频率响应
2. 传输和光波导
光波导和光耦合器是光子集成电路中最基本的构件,有关光波导传输损耗的测量方法也在一些文献中被屡次提及到，如截断法和基于法布里-珀罗反射法。截断法对多个设备之间的耦合因子的变化较敏感，这就导致测量值波动范围比较大，从而需要测试更多的设备来降低波动范围，基于法布里-珀罗反射法则对端面反射率较敏感。测量光耦合器的耦合因子一般会受到插损的影响，其中光纤与波导之间的非对称耦合损耗是导致测量结果出现偏差的直接因素。这些问题也许可以通过谐振微环或者MZI的光谱分析方法来解决，对于谐振微环的光谱分析必须要用到曲线拟合的方法，这就要求将几个设备拆分开来以获取耦合损耗和波导传输损耗或者可靠的耦合机制。基于MZI的光谱分析，是通过一个定向耦合器和一个多模干涉耦合器或两个Y分支来构成一个非对称型马赫-曾德尔干涉仪（UMZI）来完成。但是，这些已有的分析方法只能够得到耦合器的耦合因子，如果想获得波导传输损耗则需要多个测试值。来自美国加利福尼亚大学电子与计算机工程部的研究人员，最近提出了一种新型的可同时测量光波导传输损耗和功率耦合器的耦合因子的方案。该方案是基于非对称型马赫-曾德尔干涉仪（UMZI）输出信号的频谱分析方法，仅仅只需要一个单一的测试结构，这种结构是由两个2x2耦合器（不一定相同）构成，通过提取UMZI输出光谱的消光比就可以计算出每个耦合器的耦合因子和波导传输损耗，且不需作任何的拟合处理。这种测量方法对光纤-波导耦合损耗不敏感，因此在不需要知晓光纤-波导耦合因子的前提下就可以获得准确的待测值。

图3 UMZI原理图及UMZI输出信号的光谱

3. 调制技术
发光二极管（LED）除了用于照明的同时还可以用于数据的传输，LED的大调制带宽、固有的保密性的优点为室内可见光通信（VLC）在未来无线通信应用带来巨大的潜能，并在学术界和工业领域受到广泛的关注。将单载波脉冲调制技术（开关键控，OOK）应用在VLC中，可有效地降低系统的复杂度及成本。正交频分复用（OFDM）是一种多载波调制技术，因其具有高频带效率和能够降低码间干扰的特点而被大范围利用。在VLC系统中，采用强度调制/直接检测（IM/DD）进行信号传输，且时域信号都为正值而没有负值，因此直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）技术被提出来应用在VLC中，DCO-OFDM是利用厄密特共轭和直流偏置来产生正值信号。但是，DCO-OFDM的能耗比较大，因为直流偏置不会携带任何信息。非对称限幅光正交频分复用（ACO-OFDM）可以弥补这点不足，在频域上，ACO-OFDM中只有偶数载波被占用，负值信号在时域中被削减掉，由于仅仅只利用到了一半的子载波，使得ACO-OFDM的频谱利用率不高。为了获得高频谱利用率，利用多载波调制与其它类型调制联合在一起的混合调制方案成为目前研究的趋势。一种方案是将ACO-OFDM和DCO-OFDM结合在一起，让偶数载波承载ACO-OFDM信号，奇数载波承载DCO-OFDM信号。另外一种方案是混合型ACO-OFDM（HACO-OFDM），这是最近提出来的一种方案，该方案中使偶数载波承载ACO-OFDM信号，奇数载波承载脉幅调制离散多音（PAM-DMT）信号，与传统的ACO-OFDM调制方案相比，该方案具有更好的性能和较高的频谱利用率。但是，这些混合调制方案的计算复杂度都很高，无法满足为多个服务终端提供不同的服务品质。来自清华大学信息技术研究所的研究人员，最近首次提出了一种新型ACO-OFDM（NACO-OFDM）调制的VLC通信系统方案，该方案是基于OOK和ACO-OFDM的混合调制。首先，在传统的ACO-OFDM基础上提出了负极性ACO-OFDM调制技术，以匹配OOK的“断开”情况，然后对NACO-OFDM信号加载直流（DC）偏置，该DC偏置可由OOK的“开启”信号来提供，传输的时域信号。该方案不仅具有高频谱效率，还能够匹配不同复杂度的接收器。研究人员的仿真结果表明，在VLC中，ACO-OFDM和OOK信号都得能够在接收端被很好地恢复出来。

图4 HACO-OFDM-OOK系统的信号传输方案图

图5 时域中信号传输示意图
4. 波长转换
光信号的时钟通常是由与输入电信号同步的光脉冲源产生，电信号的时钟成分可由时钟恢复技术来提取，但电器件的带宽有限，这种技术会导致信号传输速率受到抑制。来自日本电气通信大学的研究人员，最近提出了一种光时钟在光域自行产生的全光转换方案。研究人员关于归零-开关键控(RZ-OOK)到归零-差分相移键控(RZ-DPSK)之间的转换性能研究表明，此系统表现出更突出的灵活性能，不过功率损耗要比传统方案（包括一个光脉冲源、光电二极管(PD)、时钟恢复(CR)）的功率损耗多出2dB，主要是因为产生的光时钟出现了额外的时间抖动效应。RZ-OOK信号通过两个级联的3dB耦合器被分成三部分。第一部分是用来产生光时钟，其中的全光时钟发生器(AOCG)是由可调谐法布里-珀罗滤波器(T-FPF)、掺铒光纤放大器（EDFA）、带通滤波器（BPF）、外腔激光器（ECL）、光放大器(SOA)和延时干涉仪(DI)构成。AOCG可以从输入的RZ-OOK信号中提取任意波长的时钟成分，然后通过ECL对波长进行调节。实验测的最优光时钟功率为5.34dBm，在该最优功率下不仅可以获得较高的光信噪比，而且还可以抑制非线性效应对信号的恶化。第二部分和第三部分分别用于传输载波波长为1561nm和1550nm的信号，它们输出脉冲宽度分别为22.73ps 和26.11ps，BPF的3dB带宽为0.3nm，可实现对信号的脉冲宽度进行拓展。光时钟在第二个高非线性光纤（HNLF）中会受到较强的非线性效应，因此，光时钟的脉冲宽度必须要小于RZ-OOK信号的脉冲宽度。实验结果表明，系统光时钟自行成技术在未来的光信号处理系统中潜能巨大。

图6 全光RZ-OOK到RZ-DQPSK转换方案的系统图
5. 光网络及其子系统
多频带正交频分复用(MB-OFDM)系统是实现无线个人局域网高速数据传输的关键技术，当采用自适应调制时，可替代其它方案，如多频带离散傅里叶变化扩频正交频分复用或奈奎斯特整形单载波系统，与直接检测(DD)联合一起则可以很大程度地降低设备成本，不过光功率的预算会受到很大的限制。有研究人员在MB-OFDM无源光网络（PON）中利用DD和带宽分配技术中，对于信号带宽为2.5 GHz，比特率分别为2.5 Gb/s 和 1.25 Gb/s时,光网络单元（ONU）的功率预算达到了20 dB 和 25 dB，当MB-OFDM信号中包含多个OFDM频带时，光纤非线性造成的功率损耗会大幅度地增加。来自葡萄牙里斯本大学电子与计算机工程系的研究人员，最近提出一种高频谱效率的MB-OFDM-PON方案，该方案使用了虚拟载波(VC)和 DD技术，光接入网的上、下行链路均采用一对VC传输DD-MB-OFDM信号至ONU，ONU采用单边带(SSB)发射器，结合反射式半导体光放大器和光滤波器，可以很好地抑制VC-OFDM边带以及直流偏置引起的杂波。实验结果表明，在速率为2.5 Gb/s时，该系统可同时容纳128个用户，传输距离可达到20公里，在速率为10Gb/s时，该系统可同时容纳128个用户，传输距离达到10公里。

图7 a，DD-MB-OFDM PON方案结构图；b，实验方案图；c，MB-OFDM信号不同传输阶段的光谱
近年来，智能移动通信设备迅速普及并成为人们生活中不可或缺的一部分，但现有的无线通信带宽难以满足用户的需求。混合光纤-无线（FiWi）网络技术是将光纤网络和无线接入融合在一起的技术，依靠海量带宽的回程/去程光网络，无线通信可获得超高数据吞吐量（VHT）。FiWi网络依靠的两个技术平台，分别是光纤无线通信（RoF）技术、光纤-无线联合通信（R&F）技术。RoF网络是利用光纤作为模拟信号传输媒介，使用特殊的远程天线发射无线信号，在无线覆盖区域内为移动用户提供接入网服务。一方面，通过中心站，RoF网络能够为用户提供高效的、无缝覆盖的、超高速传输的无线移动数据；另一方面，依靠独立的MAC协议，R&F网络为光纤通信和无线通信提供了一个智能型的接入控制平台，使数据在在两者之间进行快速交换。R&F网络形成的这种灵活性多层体系结构模式，能够避免冗余的光纤数据回传，并对服务分散化处理，从而克服了光纤最大长度的限制。关于RoF通信，各种信号的产生和传输技术已经相当娴熟，以及包括根据服务终端、服务切换和网络编码（NC）的要求向RoF系统中添加一些新功能的技术。其中NC在无线通信和无源光网络领域一直是研究人员的研究重点，因为借助NC技术，依靠更有效的资源利用率可以进一步提升网络吞吐量。但是，物理层NC技术的应用大部分集中在无线通信和光网络上，只有一小部分光物理层网络编码（OPNC）技术适合于FiWi网络。这些FiWi-OPNC系统依据RoF理论，采用正交偏振复用，通过提升光功率进行模拟型PHY编码，以应对RoF-NC增加的复杂度。首次用于RoF网络的数字型OPNC技术方案最近也被提了出来了，其中利用了光放大器（SOA）-MZI作为光福载波调制-开关键控（SCM-OOK）的异或（XOR）门编码器。来自希腊亚里士多德大学信息学院的研究人员，在RoF-OPNC基础上提出了一种应用于FiWi网络的数字型OPNC技术方案，在两路光副载波调制-开关键控（SCM-OOK）数据流之间，利用光放大器-马赫-曾德尔干涉仪（SOA-MZI）的异或门作为中端编码器进行编码和解码。

图8 FiWi-OPNC系统方案图

图9 编码和解码的时间表征图

图10 OPNC实验方案图

6. 无源器件
铌酸锂马赫-曾德尔调制器在对多阶电信号调制过程中表现出良好的相移线性度，而一些驱动电压小于3V的商用调制器,其移相器长度基本在厘米级别，这不利于系统高密度的集成和封装。镓铟磷砷半导体正交相移键控(QPSK) MZM，其驱动电压在1-2V低区间，移相器长度处于毫米级别，但插入损耗比较大，因此需要额外的光放大器来补偿损耗，反而增加了系统成本。来自日本横滨国立大学电子与计算机工程系的研究人员，最近提出了一种在硅基MZM上实施QPSK调制和四进制脉幅调制（4-PAM）的方案, 硅基MZM使用PN结相互交错的晶格旋转光子晶体波导(LSPCWs)作为移相器。因为LSPCW产生的慢速光波具有较宽的工作频谱，相比于谐振腔具有更大的优势。在该实验论证过程中，尽管研究人员使用了光相位调制器，但如果完全对I和Q 信道的干涉情况进行估计还是相当的困难，所以研究人员只对开关键控（OOK）MZM的相偏进行了估计，OOK-MZM移相器的设计封装类型与QPSK-MZM相似。实验结果表明，QPSK信号传输速率为15Gbaud（30Gb/s）时，其误差向量（EVM）低于20%，在使用射频均衡滤波器后，为保持该水平的EVM值时，QPSK信号传输速率可达到28Gbaud（56Gb/s），而对于4PAM信号，其传输速率则可达到15Gbaud（30Gb/s）。

图11 硅基LSPCW QPSK调制器
7. 半导体有机激光器和放大器
近年来，波长可调谐光学双稳态器件引起研究人员的关注，它主要应用于全光逻辑运算、光控波长滤波器、模数光转换器等。研究人员利用半导体激光放大器活性区域载流子的非线性，结合其反馈响应，来获得双稳态条件。垂直腔半导体光放大器（VCSOA）具有体积小、光纤耦合效率高、功率损耗小、成本低优点，而且在反射模式运行下的VCSOA具有不同类型的光学双稳态。基于离散的能量水平结构，将纳米级量子点（QD）引入VCSOA的活性区域，可以提升器件的性能如增加饱和功率、抑制码型效应、提高器件运行速度。通过对VCSOA器件加载电压，则可以调节双稳环宽度或者谐振波长。在实际应用中，使VCSOA与输入信号进行精确耦合是很困难的，这是因为传统VCSOA的光谱增益幅度非常小，如果VCSOA的谐振波长在外部就可以进行解调，则可确保VCSOA谐振波长与输入波长精确匹配。现已有的多种调节VCSOA谐振波长的方法，如利用微电子机械系统（MEMS）进行温度调节和腔模调节，后者是利用MEMS改变腔体长度来输入波长与谐振波长相匹配。当分布式布拉格发射镜（DBR）置于MEMS上面时，将会增加制造工艺的复杂度以及降低DBR传输的可靠性能。来自约旦科技大学电子工程学院的研究人员，最近提出了一种新型的可调谐双稳态器件方案，该方案是采用电子方式调节谐振波长并控制QD-VCSOA双稳环的形状和宽度，通过对MEMS施加额外电压提高VCSOAde 双稳态性能。