2016年11月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，陈烙，陈福平，赵云杰
    2016年11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、光网络及其子系统、无源光子器件、调制技术、波长转换等，笔者将逐一评析。
1.光调制与光信号处理
    在短距离无线通信领域中，超宽带无线脉冲通信（IR-UWB）技术被普遍认为是一种很有潜力的应用技术，因为它可以在不干扰其它通信服务的情况下，在现有的窄带无线通信服务基础上继续添加新的通信业务。UWB具有超过500MHz的瞬时频谱占用特性，由于其载波脉冲的周期非常短，使得UWB无线传输表现出一些独特的优势，如穿透障碍物、抗多径衰落、系统尺寸规模小、功耗低以及其高传输数据速率会随着用户数量的增加而不断提升。美国联邦通信委员会（FCC）就无线通信的应用进行了定义：当功率谱密度限制在41.3dBm/MHz以内时可使用的免许可证频谱范围为3.1-10.6GHz。如果天线辐射功率密度较低时，无线UWB信号的通信范围只能维持在数十米以内，所以在这一点上，光纤UWB通信是解决IR-UWB信号传输的高效措施。由于IR-UWB信号实在光域中生成和发送，所以进一步降低了系统的成本。在远程天线单元中实施IR-UWB信号到射频（RF）信号的转换，这样就可以避免了IR-UWB信号在生成和传送过程中冗杂的信号转换过程（电信号-光信号-电信号，E/O/E））。这种IR-UWB光信号的生成和无线传输技术已经得到了实验论证，特别是在RoF系统中IR-UWB光信号的生成技术。近年来，有很多关于UWB信号生成技术被不断报道出来。一些传统的技术如单周期和双峰波形信号的生成，它们是基于相位调制到强度调制的转换（PM-IM）方法，并在光纤或硅微环调制器上采用光学鉴频器了来实现的。还有一些方案如利用微波光子滤波器的负抽头在半导体光放大器（SOA）中非线性放大过程中实现UWB信号的生成，以及基于光谱整形和色散诱导的频域到时域映射方法来生成UWB信号。在UWB信号无线传输过程中，最大的一个问题就是无线通信的频率普遍都比较低，这是因为FCC针对全球定位系统GPS的周边带宽（0.96-1.61GHz）提出了更为严格的功率谱限制。高阶脉冲的产生已经被证实它可以充分利用UWB的有效频谱，并且能够大幅度地提升UWB无线信号的覆盖范围。一些文献中也提到过生成UWB信号的方法，如基于使用不同激光器和色散元件的微波光子滤波以及SOA-MZI中的交叉相位调制的方法。同时，高阶UWB脉冲也可以通过经典单周期和双峰波形的组合来实现。除了充分考虑FCC频谱掩模要求外，还需要考虑系统对UWB调制格式的适应性，这在无疑在UWB通信中成为人们新的关注焦点。然而，大部分与之相关报道的研究方案都仅仅只能实现开关键控（OOK）的调制。OOK调制无法抵抗多径衰落，随着原始脉冲的回波影响，则很难判定原本不存在的脉冲信号。不过，双相调制（BPM）能够避免上述不足，并且可以提升3dB的信噪比。最近，来自西班牙瓦伦西亚理工大学通讯和多媒体应用研究所研究人员，提出了一种利用UWB-BPM调制技术，采用色散元件并基于非相干信号处理过程实现IR-UWB信号生成的方案。研究人员通过控制光信号功率谱密度分布，得到了完整的可重构波形，通过对非相干光谱进行适当地整形就可以很容易的获得正负脉冲信号，这些光脉冲的振幅和极性能够被独立控制。脉冲信号在色散元件中传输时，相互之间会产生不同的时间延迟，从而生成了不同的UWB波形。实验结果中的光功率谱密度以及生成的波形的双峰波形、三峰波形和四峰波形的电功率谱如图2所示。通过调整光功率的分配额度能够降低合成波形的基带带宽，这对于提高UWB系统频谱利用率具有重要意义。UWB BPM调制格式完全适应于上述系统，因为通过控制光源功率分配可以得到其相关的反相波形。

图1 IR-UWB脉冲生成的实验方案图

图2 实验结果中的光功率谱密度以及生成波形的电功率谱，(a,b,c)双峰波形，（d,e,f）三峰波形，（g,h,i）四峰波形。
    在一些基于数字信号处理（DSP）方案中，数字反向传输（DBP）技术也许是补偿光纤非线性失真最好的方法，大多数DBP方案都是依据光纤已知的参数特性而设计的，不过，当系统重新配置或光纤参数在动态环境下随时间变化时，却难以准确地确定光纤参数，因此会降低DBP的处理性能。在这种情况下，自适应DBP（A-DBP）起着至关重要的作用，它能够有效地获取光纤参数。在已有的几种基于A-DBP方案中，强度方差、相位方差和误差向量幅度（EVM）都分别用于光纤非线性系数γopt的估计。但是，在基于相位方差的A-DBP迭代中，需要额外的载波恢复（CR）处理过程。在这些方案中，强度方差和戈达德的误差可以直接被计算出来，并且由于其符号幅度的差异，采用M阶相移键控（M-PSK）调制技术要优于M阶正交幅度调制技术。此外，在上述方案中使用最速下降法（SDM）时，需要更多的迭代次数来确定γopt。最近，来自华中科技大学的研究人员，提出了一种基于强度方差修正技术的A-DBP方案。在该方案中，对强度方差进行计算之前，码元会不断地分割和重映射。实验结果表明，采用二次插值法（QIM）比SDM更适合用于估计γopt值。

图3 基于DPS的A-DBP系统框图
2.光网络及其子系统
    相干光正交频分复（CO-OFDM）因其高效的频谱利用率（SE）、对光纤色度色散和偏振膜色散（PMD）具有很好的鲁棒性、高容量、适合于长距离传输的特点而受到广泛的研究和应用。众所周知，由于激光相位噪声与激光线宽相关，使得CO-OFDM系统比较容易受到公共相位误差（CPE）和载波间干扰（ICI）的影响。尽管可以通过插入导频的方式来对CPE进行很好地补偿，不过，由相位噪声（PN）引起的载波间干扰则很难处理，这是因为解调符号上加性随机噪声会随着QAM调制阶数的增加而增大。在已有的用于降低CO-OFDM系统的PN-ICI的方案中，最简单的一种解决方案就是扩大载波频率的间隔。该方案中，采用交织和部分传输来使子载波间隔加倍，由于采用了减小循环前缀长度的方法来提高频谱利用率，从而降低了系统的色散容限。另外一种简单而高效的方案是，利用数字相干叠加技术来抑制PN-ICI效应，但它的频谱利用率会降低到原来的一半。还有一些方案是在不影响频谱利用率的前提下来降低系统的相位噪声，不过其FFT数量比较大，这会增加系统的计算复杂度。最实用的方案就是在OFDM频带中间插入射频导频（RFP）来跟踪相位的变化，传统的RFP方案中，是在接收器中通过低通滤波器（LPF）来获取RFP，然后将接收的信号与时域中获取的导频共轭相乘，以实现相位噪声的估计和补偿。然而，窄带LPF的使用会引起长脉冲响应，从而导致滤波器需要具备更多数量的抽头，提高了计算复杂度，如果采用多级抽取滤波器（MDIF）则能够降低计算复杂度。最近，来自湖南大学的研究人员，提出了一种具有低复杂度的新型的对CO-OFDM系统中相位噪声进行补偿的方案。该方案是在频域（FD）中采用射频导频来实现系统相位噪声的估计和补偿，与传统导频估计相比，它受到的非理想低通滤波器带来的影响可以被忽略掉。另外，由于没有使用窄带滤波器，使得系统计算复杂度得到进一步的降低。在频域中对PN进行补偿是相当困难的，这是因为时域（TD）中相乘便会导致频域中的循环卷积，即使采用了高效的FFT/IFFT算法，也会增加计算复杂度。不过，可以通过利用PN的低通特性将循环卷积简化成频域中的分块滤波。分块滤波器在性能上可以与理想的LPF相媲美，而且对载波间干扰具有很好的鲁棒性。仿真研究结果表明，FD-RPF在性能和计算复杂度上都比传统的TD-RPF表现的更佳。

图4 FD-RPF CO-OFDM 方案实验仿真结构图

图5 FD-RPF方案中分块滤波器结构图
    波分复用无源光网络方案（WDM PON）是下一代无源光网络中很有竞争力的技术方案，在实际应用中，用户需要借助反射半导体光放大器（RSOA）来作为无色光信号发射机，但是，RSOA的调制带宽一般小于3GHz。在这之前，有许多有关解决调制带宽限制的技术被报道出来，例如采用电域均衡器、光域均衡器和多阶调制格式技术方案。来自韩国大田市电气工程学院的研究人员，最近研究一种在RSOA-WDM-PON系统中进行电域和光域均衡的方案。在该方案中，光域均衡器是以电域均衡器和延迟干涉仪为基础，使用RSOA在标准单模光纤（SSMF）上传输双极性归零（RZ）N阶脉冲幅度调制(PAM-N)的信号，实验中光纤长度为20公里，传输数据速率为28Gb/s。在该实验中，以波长为1552nm的激光作为种子光源，光信号通过光循环器被送入SSMF上，然后被传输到远程节点的阵列波导光栅（AWG）中，AWG的-3dB带宽为0.6nm。在RSOA中传输的种子光源光功率设置为-6dBm，以确保上行信号的光信噪比值维持不变。当光源光功率设置为-6dBm，偏置电流为80mA时，RSOA可获得9dB的增益。采用任意波形产生器（带宽：20GHz，采样率为65 Gsample/s）分别产生速率为28-Gb/s的双极性RZ PAM-N（N为2,3,4）信号，驱动信号的峰峰值为3.2V。结果表明，以延迟干涉仪为基础的光域均衡器，能够补偿RSOA因带宽限制和色散引起的波长失真，而不会引起信噪比的恶化。在另一方面，由于采用了直接检测接收机，导致电域均衡器无法对色散进行有效的补偿，不过，它可以在牺牲信噪比的前提下，来补偿RSOA带宽限制造成的失真，电域均衡器还可以对于经过光域均衡器之后的残余波形的失真进行有效的补偿。研究人员发现，如果在接收端使用这两种均衡器，当传输距离低于15km时，传输速率为28-Gb/s的双极性RZ PAM-2调制信号获得灵敏度最佳，当传输距离为20km时，使用双极性RZ PAM-3调制信号会获得获得灵敏度最佳。

图6 实验结构装置图
    无源光网络（PON）技术是未来宽带接入网中最具前景的技术，有多种复用技术被用于提高PON的灵活性和容量，如正交频分复用（OFDM）技术，由于其具有高谱效率，高色散容限和简易的均衡等特点而受到广泛关注。然而，由于功率分配器之间和频繁的服务交互，与应用OFDM-PON相关的安全问题变得越来越突出。终端用户数量不断增加，使得密钥管理变得复杂，在实际应用中，物理层可以为所有的数据提供透明的加密和统一的物理实现平台，而且在OFDM信号中，传统的数字信号处理（DSP）特性对物理层的安全性更具优势。许多针对物理层安全性能的研究也在不断地展开，如光学信息隐藏技术、异或干扰和光码分多址（OCDM）技术。但是在接收端，光学信息隐藏技术的相干性和时延与OFDM信号不相匹配，一般的异或干扰技术也可以轻易地被破译，OCDM技术则具有较高的峰均比（PAPR），不过，以混沌为基础的物理层安全技术方案被认为是在OFDM-PON中最有前景的解决方案。北京邮电大学的研究人员，首次提出一种新型的提高物理层安全的方案，该方案采用离散混沌间隔技术保证OFDM-PON物理层的安全，相比较连续混沌间隔技术，离散混沌间隔可以实现精确的几何动力学特征，并能够改变相位图的分布规律，因此可以利用简单的结构来提高物理层的安全性。为了直接实现强度调制，需要对OFDM信号进行软件上变频，OFDM信号的中心频率为4.6GHz，传送至光线路终端（OLT）的随机密钥用于破解关键密钥，然后OLT将破译的密钥传输到光网络单元（ONU）,从而完成数据通讯。实验中，加密后的16QAM-OFDM信号进行了成功的传输，在传输速率为26.33 Gb/s，获得的灵敏度较高。实验研究结果表明，研究人员提出的方案可以为OFDM接入网物理层安全提供有效的解决措施。

图7 实验方案原理图

3.无源光子器件
    短距离光通信链路中通常用到直接调制的垂直腔面发射激光器（VCSEL），其工作波长为850 nm，多模光纤（MMF）作为传输媒介。VCSEL有多种优势，如低损耗，有关研究称在传输40G数据时，系统能量损耗为73 fJ/bit，在传输50G数据时，系统能量损耗为95 fJ/bit。VCSEL也可以调制高速率信号。有报道指出，在不使用均衡技术的前提下，开关键控 (OOK)信号传输速率达到了57Gbps，若使用则可达到71Gbps。许多高阶调制格式像四阶脉幅调制（4-PAM），也被应用在以VCSEL为基础的光学互联应用中。在使用850 nm VCSEL传输未进行前向误码纠错（FEC）以及未均衡的4-PAM信号的最高传输速率可达60Gbps，如果在接收端使用FEC和均衡技术，则可以达到70Gbps。一些研究结果也表明采用多阶PAM调制格式可以拓展多模光纤（MMF）传输距离，如使用波长分别为850 nm 和880 nm的VCSEL，传输4-PAM调制信号的速率为52Gbp时，传输距离可达50米。来自瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的研究人员，首次利用850 nm VCSEL在几米MMF中实现了传输速率接近100Gbps的数据。该试验采用了模拟预加重和数字均衡技术，其中，使用的静态模拟均衡器在静态链路功耗小且复杂度较低，滤波器的插入损耗为7.7dB，后续可以通过放大器进行补偿。预加重的4-PAM信号峰峰值为1.1V(调制电流大约为14mA)，VCSEL在偏置电流处的相对噪音强度为−140 dB/Hz。实验方案中，VCSEL在活性区使用了过滤的铟镓砷量子阱，以获得较高的微分增益。实验结果表明，最低误码率可以低于10-5，误码率值会随着均衡器的抽头系数增加而减小，最后趋于一个确定值。

图8 实验结构方案图
    作为未来无线宽带通信领域比较有潜力的光纤无线通信技术（RoF）,能够将光通信和无线通信系统性地结合到一起，该技术在过去几年中得到人们深入的研究。依靠光纤通信原本的特性，RoF表现出大带宽、高移动性和低传输损耗的优点。当射频信号在光域中传输时，通常会生成双边带调制信号（DSB）。然而，光纤色散会提高接收到的RF信号的功率损耗。为了尽可能的降低这种衰落的影响，可以采用单边带调制（SSB）。使用双电级马赫曾德尔调制器（DEMZM）可以获得单边带调制信号，其工作原理是利用受激布里渊散射（SBS）效应滤出单边带，或者使用边带注入锁定（SIL）半导体激光器。但是， DEMZM在接收器灵敏度较低时性能会受到限制，因为在大功率的光载波和小功率的边带上的能量有很大的差别，并且利用受激布里渊散射（SBS）效应生成单边带的系统配置比较复杂，其它两种方法因为要使用波长可变器件而搜到限制。在另一方面，由于无线频谱资源稀缺，在RoF系统中引入矢量调制信号可以提频谱利用率和无线传输速率，但传统的射频矢量信号都有一些不足，如带宽受限，非线性特性和转换损耗高。在现代光子学中所采用的RF信号都具高频率和大带宽的优点，因此射频矢量信号也可以直接在光域中生成。如在同向（I）通道和正交（Q）通道之间使用90°的相位偏转器来实现，不过，基带I/Q数据流仍然需要在电子领域中提前进行上变频。另外，I / Q数据流直接应用于QPSK调制器中，并在光域中上变频到RF，但是为了实现单边带调制，要利用光滤波器滤出边带。通过MZM可以生成两个相干光载波并用阵列波导光栅进行分开，其中一路光载波直接经过QPSK调制生成矢量基带信号，再与另外一路光载波耦合生成等效的SSB信号，该方案的主要缺点是，由于两路光载波在物理层上被隔开，会受环境干扰而引起的相位波动。同时，这两路光载波也可以由两个激光器生成，因为两路光载波互不相干，所以生成的RF信号有很大的相位噪声，从而需要对数字信号处理器（DSP）的算法进行改进，算法的效率取决于RF信号的相位噪声，因而两个激光器的线宽越窄越好。
    来自南京大学微波光子学技术实验室研究人员，提出了一种基于集成的双极性正交相移键控调制器（DP-QPSK）的新型可生成等效双边带调制的光矢量信号的方案，该方案最初被应用于相干光通信系统中。DP-QPSK调制器由两个偏振分复用QPSK调制器组成，其中一个QPSK调制器由I/Q数据流驱动，并且可以生成矢量信号，另一个QPSK调制器由单频调频的RF信号驱动，可以生成单边带载波抑制信号（SSB-CS）。在DP-QPSK后使用偏振片，以便将两路光信号偶合成一路正交偏振信号。然后，基带矢量信号成为边带信号，SSB-CS信号成为光载波信号，生成等效的SSB信号。通过调整偏振片的角度，可以灵活地调整光载波-边带比（CSR)，从而以最大限度提升传输效率。在该实验中，成功实现了1.25Gbaud QPSK信号的生成，其频率为10.5GHz，当接收光功率为-12dBm时，可以在单模光纤无差错传输距离超过25公里。试验结果表明，在光域中可以同时生成基带矢量信号以及上变频后的射频信号，能够克服电域瓶颈问题。


图9 实验方案结构图