2016年10月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，陈烙，陈福平
    2016年10月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤通信及其子系统、自由空间光通信系统、光信号传输、光网络、光学传感器及其测量系统，笔者将逐一评析。
1.光纤通信及其子系统
    为了应对移动数据业务流量不断增加的挑战，新的4G技术（LTE-A）和5G室内网络技术成为人们关注的焦点。目前已经提出的方案中，如通过有线（铜缆和石英光纤）和无线（毫米波或者基于空间光无线通信）回传的方案中，通常将家庭网络基站和前传节点连接在一起支持通信传输。不过，基于无线回传的方案中，毫米波无线传输的信号会因为受到墙壁阻挡而大大限制了其在室内覆盖的有效范围；基于有线的回传方案中，待传信号的传输速率、传输距离和和系统成本（针对通信电缆和单模光纤）和相关信道铺设方案（采用CAT6 电缆时）都无法满足实际商业应用的要求。塑料光纤（POF）具有抗电磁干扰，安装简单，维护成本低等特点，为家庭网络和室内4G/5G有线回传应用带来巨大的优势。目前，虽然基于采用上-下变频的副载波调制和解调方案，在有限的带宽内通过POF传输光信号的解决方案已经实现，不过上述方法会增加系统接收机的成本；如果无线带通信号和有线基带信号之间能够互相实现共享，室内有线回传系统方案的光电成本将会大幅度降低。图1为室内POF网络结构拓扑图，由于传输链路较短以及缺乏低损耗的POF分离器，因此将家庭网关与每一个单独房间连接在一起的点对点拓扑结构的布置是必不可少的；还有一些已经提出研究的方案中采用了不同的调制格式和均衡技术，并通过POF来传输数字基带信号，同多载波调制（离散多音调制技术DMT）方案相比, 无论是在工业领域还是学术领域，脉冲幅度调制（PAM）被认为是传输基带信号最具经济效益的解决方案。最近，来自荷兰埃因霍温理工大学COBRA 研究所的研究人员，提出了一种在PMMA渐变型大芯径POF上传输LTE-A和4PAM信号的解决方案。该方案中光纤直径达到了1mm，LTE-A信号是由64QAM调制，采用 8个标准频段协同传输，实验系统中4PAM信号的传输速率为1.4Gbps，经过20米的光纤传输后的接收信号的频谱如图2所示。系统实验方案如图3所示，光传输收发机由垂直腔面发射激光器（VCSEL）、PIN光电二极管以及跨阻放大器构成。由于通过光纤无线通信汇聚（RoF）技术实现了LTE-A信号的传输，从而在接收端不需要进行信号复频率变换过程。实际中，使用数字低通滤波器可以有效降低基带信号与LTE-A信号间的串扰影响；因此，我们可以以最小的带宽间隔来分配频谱资源，使得更多频段的LTE-A信号来适应带宽有限的渐变型POF传输信号，从而进一步提升收发系统的数据吞吐量。实验研究证明，研究人员提出的方案中，通信系统的数据吞吐量从202Mbps增加到479Mbps。在发射端采用数字均衡技术能够优化单频段LTE-A信号的收发质量，采用增益控制技术可以避免VCSEL出现饱和增益的情况，而低成本VCSEL激光器和PIN光电探测器的应用则可以进一步降低该通信系统的光电器件成本。该系统为家庭的基础网络通信提供了一个可靠、廉价、高容量的家庭网络解决方案，并给用户带来了有线服务和多频段LTE无线服务体验。

图1 室内POF网络结构拓扑图

图2 经过20米光纤传输后4-PAM和LTE-A接收信号的频谱图

图3 系统实验方案图，a，光链路，b，发射器，c，接收器

2.自由空间光通信系统
    在科学研究和工业应用领域中，基于LED的可见光通信（VLC）系统的研发引起了人们的广泛关注，因为VLC为下一代自由空间无线光通信的无缝衔接技术提供了技术支撑。大多数关于VLC系统研究报道都是针对下行链路的通信过程，但关于上行多址接入方案的研究报道并不多见。常用的上行通信技术包含射频或多址接入通信技术，前者存在射频无线通信技术相关的瓶颈问题;后者在光域上展现的波分和空分多址接入技术比较复杂，且成本较高，都不可取。实际中，时分多址接入技术与单载波调制技术的结应用可以提供更高的功效，并能够降低传输有效信号的成本。正交频分多址接入（OFDMA）技术在过去被认为是VLC中一种很有潜力的多址接入（MA）方案，但是，OFDMA信号的峰均比（PAPR）很高，为了防止过大的互调失真，LED和放大器必须在大的动态范围内保持较高的线性度才能确保通信的过程有效。最近，来自泉州设备制造研究所、海西研究院以及中国科学院的研究人员，提出了一种上行链路采用交织频分多址（IFDMA）技术的VLC系统方案（基于IFDM技术的系统方案如图4所示，IFDMA-VLC系统中上行链路的实验方案如图5所示）。IFDMA-VLC系统具有高频带利用率、高功率效率、收发系统结构简单、抗多径失真和较低的同步误差等诸多优点，在未来移动射频通信系统和无源光网络（PON）中是一种很有潜力的多址接入技术方案，与正交频分多址接入（OFDMA）方法相比，IFDMA调制形成的信号具有更低的峰均比。众所周知，在光纤通信系统中最主要的问题是由啁啾效应引起的符号间干扰（ISI）问题，而在射频无线通信系统中最主要的问题是信道延迟和快速衰落问题。在VLC系统中，由多径效应引起的信道延迟问题与射频通信系统相比较要轻的多，而且VLC不会出现快速衰落问题；然而，VLC系统对LED的非线性响应特性较敏感，这将导致降低OFDM-VLC链路的功率效率；另外，IFDMA-VLC系统的发射端对DFT/IDFT技术要求不高，所以它比OFDM-VLC更适合用于VLC上行链路通信，同单载波调制（如开关键控调制和脉冲位置调制）的VLC系统相比，IFDMA-VLC系统具有更高的频谱效率，同时插入的循环前缀（CP）可以有效抵抗多径衰减和同步误差。实验研究证明，在误码率达到1e-5时，IFDMA-VLC系统中信号的传输距离提高了4cm。

图4 基于IFDMA技术的系统方案，a，发射端，b，接收端


图5 IFDMA-VLC系统中上行链路的实验方案图

3.光信号传输系统
    近几年，相干光信号收发机被认为是城域网络和接入网络的主要组成器件，为了适应当前电信网络的发展要求，相干光信号收发机的尺寸、成本和功耗需求等诸方面不断被缩减；由于采用了数字信号处理（DSP）模块，相干接收机（ICR）将会占用很大一部分系统功耗和配置成本，而硅基光电子技术的出现则为相干接收机的设计和应用提供了一个理想的解决方案。部分电路可以集成在200-300mm大的晶圆上，形成高容量、低成本的光子集成电路（PIC），同时，因为高折射率的特点使得PIC占用很小的空间。有研究报道指出，在硅集成ICR系统中，利用单极性接收机和偏振复用（PDM）接收机，QPSK和16QAM调制信号的码率可以达到30GBd和28GBd。最近，来自比利时根特大学信息技术部门的研究人员，通过对硅锗跨阻放大器与集成硅光子电路联合设计，首次制造出了超小型、低功耗硅集成相干接收机并将其进行了系统级实验测试。研究证明，采用码元速率为40GBd的QPSK和16QAM星座图映射方案调制和传输信号，当光信噪比分别为14dB和26.5dB时，其误比特率小于3.8e-3。
    在IMEC 的ISIPP25G上研究人员集成的PIC电路包括2个单极化光栅耦合器，一个2x4多模干涉仪（MMI）和两对并行排列的锗光电二极管（Ge PD），占用面积为0.3x0.7mm2 。光栅耦合器在20nm带宽下的耦合率范围为-6.5dB-1dB，在C波段下MMI的相位误差小于5°，如果考虑到制造工艺的误差，共模抑制比则小于-20dB。Ge PD的带宽高于50GHz，在芯片上灵响应敏度为0.5A/W，对外部响应灵敏度为0.025A/W，偏置电压为-1V时暗电流小于15nA。在该系统应用方案中，光电二极管以平衡结构放置在一起，从而减少了焊盘的数量并防止大直流电进入跨阻放大器（TIA），简化了系统结构设计过程。

图6 QPSK-16QAM相干光信号收发系统方案示意图

图7 显微镜下PIC与电子集成电路通过焊线连成一体的PIC总体布局图
    通常WDM-PON系统中使用分布反馈式激光器作为光源(DFB)，而目前更多的相干奈奎斯特WDM-PON实验研究中，研究人员会选择昂贵的外腔激光器（ECL）作为光源，这显然违背了第二代无源光接入网（NG-PON2）的低成本光电器件配置原则。实际中，当使用高阶调制格式如16阶正交幅度调制(QAM)来获得更高的频谱效率时，我们不应该忽略相位噪声的负面影响。最近，来自中国北京大学的研究人员在相干光奈奎斯特传输系统中提出了一种滑动窗辅助相位噪音抑的新方案，不同星座图映射的调制方案如正交频移键控（QPSK）和16QAM被应用于该方案中。结果表明，使用研究人员提出的方案，信号的收发质量可以得到有效提升，同时高成本激光器的要求也会降低。

图8  利用滑动窗辅助相位噪音抑制技术传输奈奎斯特信号的原理图
    近年来，有研究人员使用低成本电吸收调制激光器，同时采用强度和调制直接检测技术对速率为100Gb/s的数据进行短距离传输，而由于光电设备的带宽限制和产生超高频率电信号的困难性，不得不使用多路技术或双偏振技术来增加高速光信号传输系统的容量；但上述过程中，多路激光器分别需要独立对应的调制器与之配合使用，这样无疑将会增加系统成本的功耗预算。最近，来自香港理工大学的研究人员证明了单信道120G波特偏振复用非归零（PM-NRZ）（240Gb/s，使用20%软判决前向纠错码的实际速率为200Gbit/s）信号的产生和传输，该方案使用了一个单片双面电吸收调制分布反馈激光器（DFB）和直接检测技术。将两路NRZ信号放大至峰峰值为1.8V后用来驱动双面电吸收激光器（EML）光发射端子部件（TOSA）。两路射频信号的最优偏置电压分别为−0.7V和−0.7V，DS-EML输出端的两路光信号的功率分别为−8.5dBm和−8.3dBm，这两路光信号彼此偏振正交。PM-NRZ信号的功率为−5.7dBm，中心波长为1555.74nm。可变光衰减器用来调节接收信号的功率。反射端和接收端的带宽分别为35GHz 和50GHz，小于传输信号的奈奎斯特带宽（对于120Gbaud/s的信号来说是60GHz）。研究人员提出了直接检测快速奈奎斯特(DD-FTN)技术来恢复被过度过滤的信号。信号通过带宽限制的系统将会在高频处产生大的衰减，导致严重的符号间干扰。以直接检测-最小均方差算法（DD-LMS）为基础的线性均衡器通过提高高频部分的功率来补偿符号间干扰，但是同时也放大了带内噪音信号，导致有效信噪比的减小。试验结果表明，DD-FTN技术可以提高误码率表现。由于光纤的色散效应存在，如果不采取任何的光信号色散补偿技术就会导致更差的接收性能。但是，该实验方案仍能通过使用有效的数字处理技术来获得低于20%的前向纠错码极限值的误码率；并且光信号在传输2km后其20%的前向纠错码判决处接收灵敏度为−13.5dBm。

图9  光信号收发系统的实验装置图

4.光网络
    在可见光通信（VLC）系统中，波分复用(WDM)技术可以使用不同颜色光的发光二极管发射器，产生的几种颜色的光可以单独调制产生白光。一般的WDM系统使用红绿蓝（RGB）发光二极管（LED）光源。正交频分复用技术是一种有效的调制格式，可以减少高亮度LED引起的带宽限制，也可以减少由于长符号周期和循环前缀引起的符号间干扰。当VLC系统用在室内照明，最普遍的光亮指标为显色指数（CRI）。近期的许多研究中，系统传输速率和功率都针对色散做了最优化，但是没有考虑到其它参数影响。最近，来自马来西亚莫纳什大学的研究人员在基于正交频分复用技术的VLC系统中分析了光照度和信噪比（SNR）之间的关系。实验结果表明，由于LED的光谱特性，限制容量和照明度的主要因素是红色LED信道。研究人员提出用一个额外的红色LED和一个未经调制的LED交替使用来减少相应的影响，从而获得了大容量和高照明度。
    宽带光接入服务已经被用来实现光纤到户（FTTH）的宽带通信业务。由于光纤损坏会造成服务的中断以及大量数据的损失，可能会引起用户的抱怨，从而影响光通信服务质量（QoS）的提高。无源光接入网络（PON）系统的监控被看作是一种有效的方式来提高光接入网的可靠性，同时也减少运营成本，改善用户满意度。传统的技术通常使用光时域反射仪(OTDR)来检查和定位故障，在光纤链路中注入一个短探测脉冲，测量光纤链路中相应的反馈信号，但是该技术在点对多点网络(P2MP)中是无效的。基于布里渊光时域反射仪(B-OTDR)的PON监测技术是在中心局(CO)使用一个B-OTDR。基于光频域反射仪(OFDR)的监测技术是将一个频率调制连续波信号输入网络，通过每个干涉单元测量产生干涉信号来进行监测。以上所述的两种监测技术都增加了用户所在地设备的复杂性。最近，来自中国东南大学的研究人员提出一种使用级联的编码器的远程编码方案。在该方案中，监测信号不是在光网络单元处产生，而是在远程节点处产生。级联的编码器由1×2功率分配器/组合器(PSCs)和光纤布拉格光栅(FBGs)组成，FBG和两个PSC的连接遵循特定的连接规则，以此来保证光栅数目最小化。在远程节点，级联的编码器有选择地反射波长成分给每个光网络单元。所有的监测信号被相同的反射仪发射，然后通过光循环器输入接收模块。全部的信号通过一个波分解复用器解(DEMUX)解复用给P路波长信道，接着被多个光电检测器（PD）检测。对应的信号输入至网络识别算法模块，用来评估网络有效状态。由于监测信号的特性，网络识别算法可以明显地被简化来减少计算量。非等距的误报率（FAR）在光网络中被评估。研究结果显示，使用8个光网络监测单元的相关系统证明了研究人员提出方案的灵活性。

图10 基于级联编码器的光信号传输系统方图

5.光学传感器及其测量系统
    最近几年，科学界对费诺共振的研究越来越多，因为费诺共振在电磁诱导性、慢光生成、生物和化学传感器等方面应用比较广泛。费诺共振也称为费诺效应，作为量子力学的一种现象由费诺第一次提出。后来，这种非对称的费诺共振也可以在光子学、等离子体光学和光子特异材料等领域上采用经典方法可以实现。在过去的几年中，费诺共振发生器在基于光学或者等离子体的系统应用上得到不断优化。在耦合系统中，不同结构共振导致的磁场会使不同等离子体模式杂化。在相邻谐振之间的近场耦合可以显著改变光学特性和在一个完全非对称共振模式中的结果，这一点类似于费诺共振。当两种模式有相同的谐振频率时，它们的耦合会产生电磁透明感应（EIT）。它的特点是在传输窗口中会有一个急速转变使系统减少对输入辐射的影响。费诺共振或EIT可以在接近共振时提供高质量的品质因子。因此，这是遥感应用深层次的研究。在非对称异相介质谐振器结构中，当品质因数Q=28时，会产生很强烈的费诺共振，但费诺共振的非对称性通常是发生共振的时候，而这反过来又导致较大的光的群速度减少。研究人员也提出了一种基于EIT可以产生慢光效应的MDM波导设计方案，并且指出MDM波导也可以被应用为是慢光生成的理想平台。
    如果遥感应用使用慢光实现探测，那么其使用的传感器的敏感性会因为光与物质的相互作用而极大增强。研究人员曾经提出过一种基于慢光的位置传感器，这种慢光的信号具有较高的敏感性。基于慢光的液体折射传感器也展示了它具有将近1mm的超大灵敏性，这种基于折射率感应器的慢光，在测量时可以大大降低感应地区的敏感性，相关慢光效应是在耦合双谐振器中MDM波导中生成的，其透射谱的品质因数可以到达80并且它的极窄线宽仅仅为19纳米。通过计算发现，它的相位敏感度可以提升很高。尽管在之前从基于光纤的传感器中可以得到相比较大的感应区域，但是不能得到相对较大的灵敏度。考虑到慢光的作用，相位灵敏度的变化也会导致光群迟延的变化，而获得相位灵敏度则可以进一步优化参数结构的设计。因此，通过结合MDM波导和慢光的优点，可以大大提高设备的敏感度，并且可以使光学传感器上的芯片在微型设备中运行有效。最近，来自印度国立技术学院电子与通信工程系的研究人员设计了一种超紧凑等离子体波传感器，并对它的特性进行了深入探讨。谐振器之间的耦合会导致非对称轮廓共振，这就是费诺共振。费诺共振的特点是有很高的品质因数以及很窄的FWHM。费诺共振的这种特点，使得它可以应用到高敏感度的折射率传感器中。在理想的传感器中，最高的敏感度为S=510nm/RIU以及有较小的FWHM（=19nm）。考虑到慢光的影响，相位的敏感度也需要精确计算。因此，这种芯片光学传感器设备是可以在气体中进行感知测试。

图11 MDM波导应用的简略图
    因为微型化技术的发展，实时探测、快速响应、高灵敏度、表面等离子共振（SPR）的技术已经被广泛应用在化学和物理传感器件中。同基于SPR的传感器相比，基于光纤的传感器在环境监控、生物传感检测、和化学分析方面发展更为迅速，因为它具有更好的便携性和成本效益。在最近几年，贵金属纳米粒子结构已经被广泛研究。由于光具有吸收特性以及贵金属纳米粒子的散射特性(比如金和银)，在许多领域已经广泛应用了局部等离子共振传感器（LSPR)。许多基于LSPR的传感器以及相关设备已经被研制出来,如U型光纤探针、基于LSPR的锥形光纤传感器、基于高灵敏度LSPR的电池供电的生物检测系统。依据基于LSPR的新型光纤折射理论，在光纤结构中，研究人员提出了一种新型的包层结构，金属纳米粒子（GNPs）直接应用于纤维表面涂层，从而可以提升光纤的加工特性。由于小型化系统不需要配置额外电源，因此可以很方便的在任意场合中应用。
    最近，来自大连理工大学的研究人员提出了一种基于LSPR的毛细血管检测传感器设计方案。在该方案中，通过将GNPs固定到毛细血管的内壁，LSPR的吸收特性可以在透射谱中展示出来。在这种检测系统被建立之后，LSPR传感器可以分析不同RIs液体的传输特性。和其它光纤传感器相比，该传感器灵敏度更高，它可以分析固定在敏感元件表面的转铁蛋白以及抗转铁蛋白的特性。LSPR传感器被广泛应用于生物分析研究中，因为它的结构简单并且容易制造。与传统光纤传感器不同的是，LSPR传感器在毛细血管内的感应区域是安全的。这种效益成本高的LSPR生物传感器很适合微型测量，因此临床治疗中特别需要这项技术。这项技术也为生物微样品检测提供了一种便宜、方便、有效的方法（其系统结构图如图12所示）。




图12 （a）基于LSPR微毛细血管微型传感器的实验装置；（b）LSPR传感器探头的原理图；（c）固定在毛细血管内壁的GNPs吸收光谱图；（d）固定在传感器表面的GNPs扫描电镜照片