2016年12月PTL光通信论文评析

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光纤在线特邀编辑：邵宇丰陈福平陈烙赵云杰
2016年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络和光传输系统、空间光通信、光电子器件等，笔者将逐一评析。

光网络和光传输系统
众所周知，基于文件共享和云端服务的设备和用户之间的数据传输常常占据网络信息总流量的大部分，在典型的PON中，光网络单元（ONU）之间的数据传输是经由光线路终端（OLT）通过光电转换和电域处理等过程实现。另一方面，全光虚拟专用网络（VPN）可以在光域提供VPN信号的直接路由，这为以PON为基础的接入网提供了一项高吞吐量、低时延和更高安全性的技术。在OFDM-PON中，全光VPN可以通过子载波分配方法能使不同类型的VPN数据同时被传输和收发，但与此同时所有电信业务数据也被重新传入其他的ONU，这将导致相应的安全问题。最近，来自韩国延世大学的研究人员首次在OFDM-PON提出一种基于微波光子带通滤波器(MP-BPF)的新型全光VPN方案。在MP-BPF通带内的调制信号传送到其他的ONU，MP-BPF的通带传输VPN数据，阻带用来传输原来的上行数据。VPN和上行数据同时被传送至OLT，通过一个光分光器分离，一半信号传送至接收端解调，另一半信号通过一个循环延迟线和单光纤环路回传给ONU。MP-BPF的带宽由光子系统的延迟线长度决定，尽管光纤的有效折射率依赖于光波长，但在PON中导致的变化是可以忽略不计的，这样就可以使用确定的波长带。而且，MP-BPF的多频带就可以用来同时传送多个VPN数据。为了最大化的减小VPN和上行数据之间的干扰，需要采用适宜的调制格式，VPN信号的频率固定为MP-BPF的通带之一，正交相移键控-正交频分复用（QPSK-OFDM）信号传送给所有的子载波，作为探针信号来探测上行链路信道响应。实验结果表明，研究人员提出的方案具有波长鲁棒性，通过使用MP-BPF的周期性带宽，可以同时传输不同ONU的多个VPN数据。

图1 在OFDM-PON中使用MP-BPF的新型全光VPN方案的构架图
光纤无线通信（RoF）具有低延迟、高数据容量以及远程天线单元(RAU)结构简单的特点，所以它有望取代传统集中式无线接入网络。在RoF系统中，通过半导体激光器（LD）或者外部调制器以强度调制方式对射频（RF）信号进行调制，然后通过光纤传送出去。用LD代替外部调制器可以进一步提高RoF系统的性能，根据RoF系统的工作原理，多波段正交频分复用（MB-OFDM）已经被应用在无线通信系统中，且MB-OFDM-RoF系统能够极大地简化RAU结构，在无线通信中降低延迟效果，不过RoF系统的不足是采用了模拟的光信号传输。由于RoF系统中RF放大器、LD、光滤波器以及其它器件均会出现失真现象，会进一步降低系统的性能。由于OFDM信号具有较高的峰均比值，OFDM信号比单载波传输信号更容易受到失真的影响。在RoF系统的MB-OFDM上行链路传输过程中，多个载波之间会发生失真，虽然整体失真会受到一些抑制，但由于传输带宽较大同样会影响MB传输性能。RoF系统具有一个结构简单的RAU，在中心基站（CO）对上行传输进行失真补偿后的效果非常好。用于失真补偿的后处理技术包括数字多级处理技术、汉默斯坦均衡技术、多通道后线性化技术。多级处理技术处理的级数较大，使得系统复杂化。汉默斯但均衡技术是通过训练符号来获得均衡器系数，可以使得基带传输的部分信号失真得到抑制，然而，训练符号增加了系统的复杂性，对于大带宽MB-OFDM信号传输，汉默斯但均衡技术并不适用。来自韩国首尔延世大学电子与电气工程系的研究人员，首次提出了一种采用盲均衡估计对MB-OFDM-RoF系统失真进行补偿的方案。方案均衡器使用了快速下降方法来自适应地进行失真补偿，不需要训练符号来获得均衡器系数，从而降低了系统的复杂性。

图2 采用均衡器进行失真补偿的MB-OFDM-RoF系统方案图.
a,简单汉默斯但均衡器；b，并行汉默斯但均衡器；c，提出的均衡器.
离散多音（DMT）/正交频分复用无源(OFDM)可以提供比脉冲幅度调制（PAM）更高的频谱效率，对于给定的光功率，对色散引起的功率衰退有更小的敏感性，直流偏置正交频分复用(DCO-OFDM)通过增加充足的偏置来确定非负信号，非对称整形光正交频分复用(ACO-OFDM)将所有的负值设置为零，这样的非对称整形会导致失真，造成频谱效率的降低，为了提高频谱效率，有研究提出混合的DCO/ACO-OFDM技术和增强型ACO-OFDM技术。为了产生合理的频率响应和低瞬态失真，直接调制激光器（DML）必须设置偏置值大于门限电流值，但这样会造成分层/增强非对称整形光正交频分复用（L/E-ACO-OFDM）信号功率效率的降低。澳大利亚莫纳什大学的研究人员首次基于实验验证了L/E-ACO-OFDM方案的可行性，并在短距离光纤链路中与DCO-OFDM进行了性能比较。结果表明，在低衰减情况下，Q因子受任意波形发生器（AWG）和示波器中量化噪声的影响，接着也研究了衰减为零时，背靠背情况下偏置电流对系统的影响。当偏置电流大于20mA时，系统受量化噪声的影响，最后比较了L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信号在19.8km单模光纤中传输的Q因子，由于存在较低的累积色散，实验没有使用循环前缀（CP）和功率负载，结果表明，沃尔泰拉均衡器可以提高L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信号的质量，在偏置电流为16-mA时，使用L/E-ACO技术相比较DCO技术，Q因子会有2-dB的提高。

在直接检测（DD）应用中，单边带副载波调制（SSB SCM）可以用来获得较高的信息谱密度（ISD）。两种副载波调制（SCM）格式已经被用于DD系统中，分别是正交频分复用（OFDM）和奈奎斯特整形副载波调制（Nyquist-SCM），平方率检测引起的非线性效应如信号间的拍品干扰（SSBI）会明显引起系统性能的恶化。单极线性滤波器可以以简单的DSP结构来较小SSBI，但是由于会引入其自身的拍频干扰，故不能获得最大的补偿增益。单极线性滤波器与单次迭代SSBI取消技术结合使用，可以避免多次迭代的需求，但是仍然高度依赖于符号判决的精度。英国伦敦大学的研究人员提出了一种新型基于两阶线性滤波器的数字接收器，在发射端，为了减小光纤传输过程中引起的累计噪声和带宽限制的电子设备引起的低通滤波效应，引入了数字色散预补偿和预加重技术。研究人员提出的两阶线性滤波器相比较单极线性滤波器，由于使用了额外的边带滤波器，需要更复杂的DSP运算处理过程和相应的硬件模块。但是，因为所有的补偿是在SCM信号解调前完成的，不需要额外的SCM解调和调制过程，因此该方案的复杂性不会增加。为了进一步评估在不同光发射功率时的传输性能，研究人员对480km的波分复用（WDM）系统进行了实验分析，结果表明，在最优发射功率处，使用两阶线性滤波器，误码率值从1.6 × 10−2 减小至 2.7 × 10−3。研究人员提出的技术在3.8 × 10−3硬判决门限处可以获得最高的补偿收益，而且该方案不需要干扰消除的多次迭代，DSP将会相对简单。

图4基于两阶线性滤波器的数字接收器原理图

空间光通信
基站布局规划，即将有限的通信资源高效地分配给通信运营商，已经成为无线通信领中一个重要的研究方向。基于发光二极管（LED）的可见光通信（VLC）技术由于其具有经济、环保、对人体无害的优点，在下一代室内无线通信网络的应用中表现出巨大的发展潜力；而且相对于射频（RF）技术，VLC的保密性更高。VLC技术与其它无线通信技术有着相同的发展需求，为了应对特殊应用如定位系统、机器通信等，每个信道被要求传输不同的信号。LED将照明和通信同时联系在一起，每一个发射器的LED可以发射不同的信号，每一个信道可以被认为是独立的通信单元。在室内环境中，LED通常布置在规则并且相邻分布的区域以获得均匀的照明。因此，相邻的LED发出的光源必然会发生重叠，叠加区域中的光信号将被视为噪声，又称之为区间干扰（ICI），会降低信号的信噪比。目前，一些用于抑制ICI的方法被提出，如在信号传输前使用特殊的信号调制技术或者不同的传输载波，上述方法都要求设计专门的光电子器件，并且它们只是针对避免信号频带间发生叠加的问题，而没有考虑降低同一频带干扰问题。最近，来自韩国首尔延世大学电子与电气工程系的研究人员，提出了一种在VLC系统采用光学差分检测技术的方案。在该方案中，发射端由LED和偏光片构成，接收端由两个光电探测器和两个偏光片构成，研究人员根据信号频带和干扰信道的数量对系统干扰抑制性能进行了实验验证，证明与载波分配系统方案相比，该方案具有更高的频谱利用率。

图5 正交偏振差分光学检测系统方案图

图6 空间分集的偏振光束

图7 重叠信道干扰抑制实验方案图
光电子器件
在现代电子对抗领域中，对获取的未知微波信号进行载波频率识别估计具有重要意义，这些信号往往来自第三方雷达或通信系统。传统的频率估计技术如微波干涉仪电子分频技术，该技术的瞬时带宽只限制在4GHz以内，容易受电磁干扰影响。为了克服这些问题，一些利用光子学瞬时测频法被报道，这些方法都具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰的特点。一般来讲，光子学微波频率测量可以通过功率比较、光子微波信道选择和频域到时域映射方法来实现。功率比较法是通过比较不同色散引起的功率损耗以获得功率比关系函数，利用具有啁啾效应的布拉格光纤光栅或者一段单模光纤作为色散性元件来产生不同的功率损耗，不过该方法的频率测量范围有限，因为功率比关系函数值在较低的频带内变化相对较小，如果采用并行的相位调制器和强度调制器可以进一步拓展测量范围，两者形成了互补罚函数关系。除此之外，由于使用了双平行马赫增德尔调制器（DP-MZM），使得测量范围和精度变得可调，但需要实行复杂的偏置控制措施以降低MZM的零偏漂移，同时，宽带微波功率分配器的使用也增加了系统的复杂度。一些研究报告表示采用偏振调制器（PolM）可以获得互补关系罚函数，但测量精确度会受到激光源功率波动影响，也可以采用POIM、色散光纤和偏振分束器构建一个单调递减的功率比关系函数，但目前该研究停留在仿真阶段。来自西电大学综合服务网络国家重点实验室的研究人员，提出了一种新型的基于相位调制器（PM）的光子学频率测量技术方案。方案采用在TM和TE模中具有不同光电系数的PM来同时实现相位调制和强度调制。具有TM和TE分量的光波由接收的射频信号调制并在色散性元件上传输，然后被分成两个相同的部分，一部分可以得到由色散引起的带通功率损耗关系函数，在另一部分，通过调节偏振控制器得到功率损耗关系函数，与上部分相比，其变化趋势相反。通过比较两者关系函数，可以发现，功率比和微波频率相互联系紧密，所以利用功率比就能够推导出未知的微波频率。并且，两者变化趋势相反，得到的功率比关系函数在宽频带中是呈线性变化，从而在宽频带范围内提高了频率测量精确度。

图8 基于相位调制器的光子学频率测量实验方案图

纳米粒子和纳米结构具有使光线聚焦在亚波长尺寸上和在不同频率上选择性散射光辐射这两种独特属性是纳米光电子器件的关键属性。上述属性使得纳米粒子和纳米结构被广泛应用在电信传感设备上，并且在构建纳米粒子和操纵光响应方面有着巨大的应用潜力，为片上信号处理纳米级光电路的发展奠定了基础。基于上述原则，研究人员提出了一些方案来实验研究超导材料和光学响应耦合器件的特性。此外，通过相关模型可以分析上述设备内部的电压和电流值，从而可以获得金属阻抗纳米颗粒。纳米粒子与它们的构成材料的介电函数有关，相关研究人员研究了如何通过调谐系统的阻抗纳米颗粒的几何形状，以及如何通过外部激励系统来产生固-液相变介电系数的变化，以此来改变介质的特性。通常而言，金属纳米颗粒（即等离子体结构）是嵌入在培养基中的，其光学响应的变化是因为电介质的特性和介质特性被改变了。通过改变镀在材料上导相的纳米颗粒的介电响应过程则可以改变阻抗值。目前，由温度触发的相变已经被用于改变超导体电磁响应材料的性能，这种材料包括纳米结构和超导材料中的等离子体结构。相关研究结果展示了可以通过固液转换过程来调节光学铋（Bi）或镓（Ga）纳米颗粒的阻抗，低Bi和Ga的温度相变有利于将这些纳米颗粒嵌入在介电基质内并且在相变过程中保持固体形态。最近，来自西班牙马德里大学的研究人员研究了嵌入在介电基质中金属纳米球的阻抗以及相关功率预算模型，并基于此研究相关光学集成总元件。研究人员还研究了应用Ga和Bi纳米球在固相和液相上的建模过程。研究结果表明，使用Bi或Ga材料不但具有低温相变等特性，而且通过上述技术可以获得纳米光子电路的有源元件阻抗从而保持系统的几何形状和特性。
近几年，硅光子工业的快速发展，导致众多WDM滤波器的出现，例如阵列波导光栅滤波器，布拉格光栅滤波器，马赫-曾德尔干涉仪滤波器，平面凹光栅滤波器。Si MRRs滤波器由于其具有结构简单，小弯曲半径，可重构性以及与互补金属氧化物半导体有相容性（CMOS）等特点，也已被广泛应用和研究。在某些高阶MRR中光滤波器中，带外消光比可以大于40dB，并且可以通过调整该滤波器的通带宽度来改变相邻谐振器的耦合强度。但这种MRR光学滤波器还是有一些问题亟待解决。如过滤多个信号的输出通道，滤波器制造过程会很复杂，也会造成一些不可避免的制备误差和尺寸变化。为了补偿制造误差和尺寸变化，需要用特殊排序方法进行后制备修整或后热调谐。后制造修整包括改变MRR的半径和调整MRR横截面的尺寸。当信道过多时，后制造修剪不太可能制造误差。热调谐方法需要至少22对加热电极，加工工艺将会非常复杂且功耗会显著提高。所以，为了简化处理程序，可以使用基于MRR的多通道可调谐光学滤波器。但是热调谐有两个问题，一是它的速度可以只达到微秒级，这对提高光学数据传输速度是无利的。另一个问题是滤波器响应具有热调谐红移，这会限制滤波器的推广应用。作为一种新型的二维材料，石墨烯可以与可见光和红外波长光相互作用，它的光导率可以通过静电动态调谐，因此，石墨烯在集成波导器件领域具有广阔的应用前景。有研究提出了一个基于六个石墨烯层的三阶可调谐平顶带通过滤器。为了使滤波器可调谐，有必要同时调谐三个谐振器的波长谐振。通过调整石墨烯的费米能级，可以改变EMI的谐振器阵列，因此，通带的位置可以动态调谐。对于给定波长色散的特定的结构和谐振器数量，传递矩阵方法可以用于选择适当的谐振器间耦合系数，全矢量计算（FVC）方法可以计算EMI和波导结构的损耗。用三维有限差分时域（3D FDTD）方法来计算光通过滤光片的光场分布后，结果揭示了通过改变石墨烯的费米能级可以动态调制通带的位置。此外，也可以通过调谐调制谐振器之间的耦合系数来调制通带的带宽，上述过程使得在整个通信C波段可以获得可调谐的平顶带通滤波器效应。最近，来自国防科技大学的研究人员提出了一种多层石墨烯基可调谐带通滤波器，研究人员通过改进结构设计解决了CIFS问题。三阶MRR过滤器通过结构优化之后具有优越的性能，其下拉端口的带外消光比大于40dB，3dB带宽大于2.8 nm，插入损耗小于1.5dB。通过结合六个石墨烯层，得到可调谐平顶带通滤波器工作波长为1.5μm至1.565μm。通过调整石墨烯的费米能级，带通滤波器可以在工作波长范围内进行动态调制，从而在通信C波段整体上可以产生可调谐带通滤波器。由于其简单结构和优越的性能，这种可调滤波器可以对片上可调谐过滤器的发展有显著的影响。