2016年9月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 陈福平 陈烙 赵云杰

2016年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光调制与光信号处理、光纤传感器、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。

光调制与光信号处理
   随着各类型接入业务带宽和通信网络容量需求的不断增长，毫米波通信系统的应用已经成为人们关注的焦点，其中W波段（75-110GHz）的毫米波通信系统要比V波段（57-64GHz）的更受欢迎，其原因是W波段毫米波通信具有更低的无线传输损耗和更高的传输带宽。不过，由于电子器件的带宽有限，通过电子器件来生成W波段毫米波信号的方法相当困难。采用光学技术生成W波段毫米波是一种有吸引力的技术方案，因为它不仅可以突破电子器件的带宽瓶颈，还可以将无线通信和光通信无缝融合在一起，有关该技术的研究也不断地被报道。在毫米波矢量信号调制方案中，使用了倍频技术和数字相干检测技术，实验证明该系统矢量信号的接收灵敏度能得到显著的提升；同时，采用马赫增德尔（MZM）的倍频技术可以生成高频毫米波信号，这样在发射端能够有效地降低信号对光学器件和电子器件的带宽需求。为了实现QPSK调制的矢量射频（RF）信号的生成，需要对倍频生成的矢量信号进行预编码处理，然后驱动单臂MZM。传统的预编码技术会导致星座图分布不平衡，从而会降低系统的整体性能。这种方案中提出的预编码技术不仅可以实现星座图均衡分布，而且已经被证实能够提高系统的整体性能。但是，这种方案只考虑了光学双倍频情况，生成的矢量信号的频率相对较低（16GHz）。近期，来自湖南大学的研究人员提出了一种基于光学四倍频和均衡预编码技术来生成W波段毫米波矢量信号的方案。在该方案中使用了一个单臂MZM，驱动电压为均衡预编码后的QPSK矢量信号（频率为22GHz），利用MZM和波长选择器（WSS）来进行频率翻倍。可调外腔激光器（ECL）生成连续激光信号的波长为1548.5nm，输出功率为13dBm，ECL的线宽低于100KHz。预编码QPSK矢量信号采用Matlab软件生成，其编码前后星座图以及频谱图如图2所示。实验结果表明，生成的QPSK矢量信号在进行0.5m的无线传输后，其误码率低于10-3； 据目前报道所知，上述实验中首次采用了光学四倍频和均衡预编码技术来生成W波段毫米波矢量信号。

图1  传输系统实验方案结构图

图2   a，预编码前QPSK信号星座图；b，预编码后QPSK信号星座图；c，预编码后QPSK信号光谱 
    滤波组件副载波(FBMC)技术被应用于光通信和无线通信领域的很多研究项目中；与正交频分复用(OFDM)技术相比，FBMC使用原型滤波器来定义每个子载波的时域窗口，而且每个子载波的旁瓣可以受到明显的抑制，这使得系统可以无缝连接来自不同用户的异步分量载波（CC）。上述特性将FBMC同其他多载波技术区分开来，可以在支持异步集中的信号处理的同时，维持着较高的频谱效率（SE）。最近，来自美国佐治亚理工学院的研究人员在光纤-无线整合的移动前传（MFH）网络中分别比较了FBMC和OFDM在有无集中预均衡情况下的性能。实验结果表明，上述预均衡技术在多用户间补偿信道损耗时是有效的。在同步下行时，FBMC和OFDM技术都能取得相似的表现。但是，对于当使用OFDM进行异步上行传输时，由于不同用户间临近CC之间强烈的带间干扰（IBI），在基带处理单元 (BBU)接收端未能获得正确的信道信息，然而使用FBMC技术时却不受影响。当异步上行传输时，预均衡技术对于OFDM是无效的，由于严重的带外功率流出，导致误差矢量幅度（EVM）表现出严重的功率损失。相比较而言，FBMC技术由于其更集中的共谱功率分布和更少的带间串扰而具有更好地表现。因此，FBMC是一种很有前景的调制方案，可以与具有集成功能的下一代MFH网络兼容。

如图3  MFH网络中上下行链路集中预均衡处理的流程图
    光OFDM信号因为其可以在应用于光网络且具有不少优势而引起了研究人员大量关注。光OFDM通信系统可以支持直接检测光信号（DDO）或相关检测光信号（CO）的传输。但是，循环前缀（CP）、训练符号（TSs）和副载波带来的大量能量损耗仍然是OFDM光通信系统中一个不可回避的缺点。有研究方案提出将TSs周期性地嵌入到发射机上，以便提供关于信道传输和数字补偿的重要信息，但是该方法无疑给系统带来了消耗并且降低了频谱效率。目前，许多算法提出了实现极化多路分解（PDL），极化处理损失补偿和激光相位噪声补偿的方案。但是，在一个完整的OFDM系统中，仍然需要去补偿子载波相移带来的线性信道损伤，诸如残余偏振膜色散（CD），残余同步错误以及时钟频率补偿。最近，来自南通理工学院的研究人员提出了一种在OFDM系统中基于最小区域边界（MBB）的补偿子载波相移的方案。该方案在对单独的子载波调试工程中不会产生过多的损耗。其工作流程图如图4所示。研究人员通过对DDO-OFDM和CO-OFDM系统使用图像处理去补偿子载波的相移。MBB算法已经被应用来解决了扫描图像和激光相位补偿的扭曲问题。用到方波正交幅移键控（QAM）调制的OFDM子载波可以看作是一个双尺寸边界盒的构造。信号经信道传输后，信道损伤将会导致不同子载波在频域上的相移。如果我们从图像模型考虑，注意到矩形图像固有的模糊性，所以一个“TS”仍然需要2比特的信号去消除这种模糊性。研究人员采用实验验证了此方法的可行性。该实验实验分别采用16QAM,32QAM,和64QAM子载波去调制32-Gbit/s，40-Gbit/s和48-Gbit/sDDO-OFDM系统。结果表明研究人员提出的基于MMB的方案是可行的。 

图4 （a）OFDM系统中基于MBB的补偿子载波相移的实验方案图；（b）DSP处理流程图。
    相位编码微波以及毫米波信号（mm-wave）收发技术在具有高分辨率的雷达系统中有重要的应用。一般来说，电域产生的相位编码信号对低中心频率和低时间带宽的产品（TBWP）有局限性。在一些雷达系统中，中心频率可以达到数十甚至上百GHz。和电域相比，光学领域可以产生较高频率，调节范围大和高TBWP的相位编码信号。基于脉冲相位光学产生器的的多种方案被提出。如可以通过基于空间光调制器（SLM）或者一个专门设计的光纤布拉格光栅（FBG）来实现。但是，这钟基于SLM和FBG的方法可调性较差，损耗大。超外差相位相关波长也可以产生相位调制信号，这类方案关键问题是由于无隔离和两个波长的独立调制会导致很差的稳定性。于是基于偏振调制的方案被提出，在调制过程中，首先产生两个正交调制的脉冲波长，然后在极化调制器（PoLM）中调制补偿相位，该方案中的关键一步是产生一对极化正交波长，这个波长可以通过偏振FBG（PM-FBG）和PoLM，或者双平行极化调制器产生，但是，因为光学器件的独立频率，上述方案只可以在相对较小的频率范围内产生一个脉冲编码信号。为了增加光微波相位编码信号的频率范围，就需要具有高频调制的调制器。基于倍频相位编码信号发生器方案其频率调谐范围取决于PM-FBG的极化反应；依靠无边带抑制的电子器件产生倍频相位编码信号对频率调谐范围的要求非常高，并且光谱相位精度较差。最近，来自华中科技大学的研究人员设计了一种可以产生较高频率调谐范围的倍频相位编码信号的方案。在该方案中一个双平行马赫增德尔调制器（DPMZE）被用来产生两个二阶光学边带，然后这两个边带在PoLM中进行相位调制。两个调制边带经过光电二极管中（PD）之后，可产生一个倍频相位编码信号，该信号的最低频率是FBG带宽的一半，约为几MHz,是DPMZM的上边带频率的4倍。

图5  倍频相位编码信号发生器的示意图
    光传输和光信号处理系统的高速发展（例如高速多路时分系统（OTDM）），使得有高重复率的超稳定短光脉冲有较大的需求空间。主动锁模激光器（MLL）经常被用来产生高速短光脉冲。电吸收调制器（EAM）也可以用来产生短光相位，因为EAM有一个陡峭的传递函数。为了将一个光信号转变成有低相位噪声的微波信号，同时为了减少外部微波源的使用，基于相对紧凑的光电振荡器（OEO）的研究被提出了，OEOs可以同时产生超稳定短光脉冲和低相位噪声的电子信号。这类研究大多数都存在同样一个问题，就是产生光脉冲相位的重复率很难调控，这就导致尤其在信号处理过程中有诸多不便。最近，来自上海交通大学的研究人员提出了一个基于光电振荡器的频率可调光脉冲发生器，可同时产生频率可调光脉冲和高品质的电子参考信号，可应用到光通信和信号处理系统中。

图6  半导体激光发射器的原理图。

光纤传感器
    传感器技术的应用在多个研究领域吸引了人们的兴趣，如化学工业、环境工业和结构安全检测等方面。传统的传感器一般基于机械和电子制备而成，这类传感器并不能在一些恶劣环境（如导电、爆炸、腐蚀）中使用。在过去几十年间，光纤传感器受到越来越多的关注，这是由于光纤传感器具有低功耗、耐腐蚀性和高灵敏度的独特优点。许多采用不同原理制造的光纤传感器也已经得到了实验论证，在这些传感器当中，光纤光栅是传感器中一种常用的结构，如布拉格光纤光栅（FBG），长周期光栅（LPG），倾斜布拉格光纤光栅（TFBG）等。基于光纤光栅制造的传感器，不仅需要高频的二氧化碳激光器和紫外线激光器，而求还需要将传感器光栅集成到光纤中。由于马赫曾德尔干涉（MZI）全光纤传感器则具有高灵敏度、高集成度和简单紧凑的实时测量等优点，许多全光纤MZI传感器不断被报道出来，这些传感器结构包括单模-多模光纤结构、单模-细芯-单模光纤结构、单模-光子晶体-单模光纤结构、拉锥光纤结构、横向偏移拼接与融合光纤结构等，上述传感器都是基于纤芯-高阶包层模干涉原理制备而成。多芯光纤（MCF）传感器方案中的传感器所探测到相位偏转的灵敏度比只有两路干涉的传感器的灵敏度要高；有研究人提出了用于应变和曲率测量的全光纤MZI传感器方案，该传感器是基于线性五芯光纤制备而成；还有研究人员提出了光线曲率测量传感器方案，该传感器的结构包括在SMF中间融合一段只有几毫米长的七芯光纤。总体而言，这些传感器都采用了宽带光源，就会因为光强度过低导致测量值精确度不高，而且这些传感器的3dB带宽太大，必然限制了它们在实际中的应用。如果提高传感器光源的强度和限制带宽，则其灵敏度可以得到进一步的提升，光纤激光传感器可以达到这一要求，一些关于光纤激光传感器的实验方案也不断得到论证。根据检测参数的不同，光纤激光传感器可以分为两种类型：激光波长测量传感器和差频测量传感器。不过，基于多路干涉效应的马赫曾德尔干涉仪（m-MZI）传感器还没有得到进一步的论证。近期，来自北京交通大学全光网络重点实验室的研究人员提出了一种基于m-MZI光纤环形腔激光器的新型全光纤传感器方案。m-MZI被嵌插在光纤环形腔激光器中，同时起到带通滤波器和传感器的作用。FCF干涉条纹会随着被检测参量的改变而发生偏转，从而引起激光波长的变化，所以，可以通过测量激光波长的改变量来获取待测量值。由于利用了多路干涉结构，与以前报道过的基于MZI传感器相比较，研究人员提出的传感器灵敏度更高。实验结果表明，该传感器在张力、折射率和弯曲度的灵敏度分别达到了2.21pm/μ、113.27nm/RIU和2.55nm/m-1，并且表现出了较高的分辨率和信噪比。


图7  m-MZI结构图和FCF横切面，m-MZI包含一段四芯光纤（FCF），图7.a为SMF中融合的一段FCF，图7.b为FCF的横切面，四芯分布呈现一个正方形，边长大约为36um，纤心折射率和包层折射率大约为1.4709和1.4632。

光网络及子其系统
    经过佩科拉和卡罗尔论证后混沌同步概念成为一个热门研究问题，光耦合半导体激光器（SL）输出信号具有混沌特性，依据耦合拓扑学的证明该混沌特性表现出相对稳定的同步特点，其同步水平取决于多个参数，能实现混沌同步的保密通信系统中的关键信号处理过程。研究证明，将光耦合激光器（SL）输出信号的混沌特性应用在光通信系统中，将为光通信的安全性和公共服务的加密开拓一个全新的领域。这些加密应用使用到的技术有单向耦合技术、主从互动跟踪技术、SL间的双向耦合技术等。其中，双向耦合技术具有更高的保密级别以及双向数据传输的潜力，在近几年来得到大量的研究，关于SL耦合数量、工作效率 和耦合环境对系统鲁棒性的影响的实验论证也在不断地进行。拓扑结构（如自反馈）有助于提升混沌同步的稳定性能，但在实际的工作中，不匹配性和噪声是不可避免的。上述相关研究工作中，振荡模块的同步效率是系统的关键之一，同步效率是由振荡单元属性、耦合环境以及拓扑结构等因素决定。近期，来自雅典大学信息与电信学院的研究人员提出了一种基于匹配型SL双向耦合系统方案。研究人员建立了一个双向耦合拓扑结构，将2个或2个以上的SL与公共的SL耦合在一起，实验证明，SL之间的互相关度高达0.9961，使得该系统的同步达到了较高水平。

图8  双向耦合实验结构方案图
    可见光通信（VLC）技术已经取得了很多科研院所广泛的关注，常规的VLC系统包含发光二极管（LED）和光电探测器，它们分别作为发射器和接收器进行可见光信号的收发。LED输出的不相干性导致VLC系统需要采用简单的强度调制直接检测技术(IM/DD)。一般用在VLC系统中的检测器是PIN检测器和雪崩光电二极管。由于存在互阻抗放大器(TIA)，这些检测器对于低功率、长距离传输的表现是低效率的。目前，一种新型单光子雪崩二极管（SPAD）正在被研发，SPAD检测器没有TIA，具有较高的灵敏度，因此可以检测一个单光子。正是这个原因，SPAD检测器可以用在某些特殊的场合，这些场合需要接受的信号非常微弱。不像传统的光电检测器和雪崩光电二极管，SPAD检测输出的是光子的数目，因此可作为一个理想的光子计数器。一个理想的光子计数器的光子计算过程满足泊松分布，产生的噪声是散射噪声。由于加性高斯白噪声和额外泊松噪声具有显著性差异，传统的星座分布和检测方案是建立在加性高斯白噪声信道基础上设计的，不能直接在泊松噪声信道中实现。对于在加性高斯白噪声信道上的VLC系统，脉冲幅度调制（PAM）由于不仅其具有高谱效率的特点，而且可以用于实现快速最大似然检测(ML)过程，所以能很好的提升系统性能。但是，这些优势对于泊松噪声信道没有显现出来，而且对应的ML接收器会有较高的复杂度。最近，来自郑州国家数字交换系统工程技术研究中心的研究人员设计了一种低复杂度的信号接收器，也为该接收器设计了高效的矢量信号接收方式。单光子雪崩二极管检测速率通常受到停滞时间约束，在一个阵列中的单个SPAD只能检测一个光子。因此，如果接收光子的数目超过了该阵列可数的最大数目，接收信号将受到失真影响。研究人员设计的接收器具有的优良特性使它们获得了一个易于管理且实用的应用标准。研究结果表明，研究人员提出的接收器几乎和快速最大似然检测接收器具有相同的接收灵敏度表现。
    微波信号的光子产生技术在许多领域吸引了人们的研究兴趣，如光载无线通信系统（RoF）和雷达系统。由于光纤和相关光子设备的固有特性如：低损耗、高带宽、不受电磁干扰，光子产生方式促进了在高频处的宽频微波信号的产生。因此，许多基于二进制调制产生微波信号的方案已经被提出，如幅移键控（ASK）,相移键控（PSK）和频移键控（ASK）。微波ASK信号可以使用双边带（DSB）、单边带（SSB）和光载波抑制（OCS）的方法产生。微波PSK信号的光子产生被用在雷达系统中来提高脉冲压缩比（PCR）。  
    在无线信道衰落方面，FSK信号相比较ASK信号具有更好的性能。最近，来自南京大学微波光子科技实验室的研究人员提出并实验证明了一种产生微波FSK信号的方案。图9所示是研究人员设计的微波FSK信号产生原理图。在该方案中，激光二极管（LD）产生的线性偏振微波输入到一个偏振调制器（PolM），该调制器受一个基带信号驱动。当基带信号的峰峰值电压设置为PolM射频信号的半波电压时，经过PolM的光波的偏振态在两个正交方向之间转换，就会产生偏振移位键控信号（PolSK）信号。产生的PolSK信号输入到双偏振态马赫增德尔调制器（(DPol-MZM)），该调制器由两个偏振复用的子马赫增德尔调制器构成。具有不同频率的两路微波信号分别输入到两个子马赫增德尔调制器。通过调整PolSK信号的方向，该信号就可以转换成微波FSK信号。当输入到PolM的信号处于低能级时，大部分光功率就会朝着DPol-MZM的X轴方向；相反，如果输入到PolM的信号处于高能级时，沿着Y轴方向的子马赫增德尔调制器就被激活，这个过程可以看做是在两个马赫增德尔调制器之间的光信号域转换过程。当不同频率的微波信号驱动子马赫增德尔调制器时，对应的每个子马赫增德尔调制器就会产生一个微波ASK信号，经过光电转换，两个ASK信号就会结合产生FSK信号。当子马赫增德尔调制器被设置在正交点，就会产生比特率为1.25 Gb/s的DSB FSK信号，然后该信号经过10km的单模光纤（SMF）传输。当子马赫增德尔调制器设置在最小工作点，就会产生比特率为2.5 Gb/s的OCS FSK信号。相比较之前的研究成果，微波副载波的频率及其偏移可以实现灵活调控。


图9 微波FSK信号生成系统原理图