2017年3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
    2017年3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，光纤传感技术，无源和有源光子器件等，笔者将逐一评析
光调制与光信号处理
    推动强度调制/直接检测（IM/DD）光传输系统速率向100Gb/s/λ的发展主要有两条路径：一是使用先进的调制格式，如离散多音（DMT）调制、多边带无载波幅相调制（multi-CAP）和脉幅调制（PAM）；二是提高信号波特率。增加调制阶数或是增加信号波特率都需要更高的接收光功率，所以需要平衡接受光功率和带宽约束的制约关系。另外，数字均衡技术在补偿色散等方面也扮演着重要的角色，主要涉及的器件包括：前馈均衡器（FEC）、判决反馈均衡器（DFE）、最大似然估计（MLSE）均衡器等。最近，来自瑞典西斯塔网络传输实验室的研究人员采用仿真和实验演示了从32G波特PAM-4信号向更高波特率或更高调制阶数的方案，图1是该系统实验方案。线性放大后的电PAM-4/8信号调制波长为1.55微米, 3dB带宽为100 GHz的电吸收调制激光器（EML）。经过4km单模光纤（SMF）传输后,信号由一个PIN光电检测器进行光电转换。由于未使用较低的光电效应和跨阻抗放大器（TIA），掺铒光纤放大器（EDFA）被用来修正光功率，可变光功率衰减器用来调整输入光功率但导致了自发辐射噪声的放大。实验结果表明，上述方案能在误码率低于10-3条件下成功传输；在牺牲一定功率代价的基础上，滤波器可以取代自适应均衡器，以减少硬件的复杂程度。


图1 PAM-4信号传输的实验方案

    基于高符号率和高谱效率调制格式的400 Gb/s相干收发器被期望用来实现数据中心互联应用，有一种方案是采用72Gbd偏分复用（PDM）-64正交幅度调制单载波信号在400km长距离光纤上实现传输，比特误码率（BER）为3 × 10−2。光滤波器用来频谱整形，补偿发射器的带宽限制，预矫正用来减小符号间干扰（ISI）。同时，集成光子学的发展使得价格低廉、可插拔的相干收发器变得更加简易，引起了众多厂商、研究者的注意。考虑到磷化铟IQ调制器是实现集成相干收发器的良好候选器件，可以和激光器、射频驱动器实现单片集成，并且使用磷化铟分段式马赫增德尔调制器（MZM）作为单偏振IQ调制器无需数模转化操作；最近，来自加拿大麦吉尔大学的研究人员对磷化铟双偏振IQ调制器（DP-IQM）进行了深入研究，阐明了净负荷速率600 Gb/s的灵活传输方案，如图2是具体的实验方案。其中，四路基带射频驱动电信号经过四个单端输入输出的射频放大器进行放大，放大器的3dB带宽为50GHz，恒定功率增益26 dB，最大输出电压为8VPP，在速率为84 Gbd时实际输出1.9 Vpp，相当于数模转换器每符号采一个样本，生成的符号进行预失真、限幅离散化处理，当速率为77 Gbd时实际输出2.2 Vpp，生成的符号使用根升余弦滤波器进行初始脉冲整形，该滤波器滚降因子0.09。在 DP-IQM输入端，射频延迟线补偿四个射频信号之间的偏离；波长实现1550.12 nm, 线宽为100kHz的电吸收调制激光器（EML）产生连续光源的过程。噪音加载模块用来实现背靠背情况下的光信噪比（OSNR）测量，在传输测量中，放大自发辐射（ASE）噪音被抑制，相关加载模块的输出端与0.8 nm的滤波器相连以移除带外噪声，测量得到在光接收器输入端最优的接收功率为6dBm。在接收端的ECL工作波长为1550.12 nm，作为相干检测的本地振荡源。研究结果表明OSNR代价依赖调制格式的阶数。

图2采用磷化铟双偏振IQ调制器（DP-IQM）的实验方案
    光束传播法（BPM）由于操作过程简单有效，已成为电磁波传播电路（PLC）和光子集成电路（PIC）中常用的数字建模技术。传统BPM已经被广泛研究，常用于分析沿着传播方向的波导结构折射率，但是不能同时测量纵向不连续电介质的反射率， 在光学器件中，存在着波导不连续现象。为了解决类似的难题，研究人员提出了相关BPM（R-BPM）算法，在上述算法中，核心思想是解决电磁波反射和传输问题，其过程涉及到特征平方根的运算，可以通过矩阵迭代或非迭代方法来解决这一问题。一般来说，有三个因素会影响R-BPM算法的性能，分别是分波方程的离散化，平方根算子的计算和使用的相关线性技术。来自中国光学网络研究中心，提出了基于有限R-BPM差分（FD）离散化技术的方案，该方案可以进一步提高R-BPM的效率，能在使用较少的高级离散化方案采样点的同时保持较高准确性。多域伪光谱方法（MD-PSM）测量结果也是非常准确的，并且收敛速度的效率比采用FD方法（FDM）更高。最近，研究人员又开发了一个基于高效R-BPM和MD-PSM的光波导反射方案，该方案结合了MD-PSM的效率和BMP的有效性，实验结果证明其可以获得精确的计算结果，并且其采样量大大低于基于FDM的方案，相关框图如图3所示。

图3 （a）端接的波导面（b）几何形状耦合器
光网络及其子系统
    在广播无线设备中，由于通信业务拥挤会造成严重的信号干扰，光载无线通信技术由于其大带宽和无需频谱执照的优势，具有广阔的发展前景。其中，基于提升通信容量和覆盖范围的许多方案被用来提高下行链路的通信带宽；而上行通信链路研究相对较少，考虑到在光载无线全双工链路中需要一条单独的上行信道可以使用射频无线技术，但此时上行信道容量一般都低于下行信道容量。最近，来自荷兰埃因霍温的研究人员提出了一种基于波束和载波恢复技术的新型方案，用来提升上行信道传输容量，该方案是基于二维波束转向系统实现的，创新之处是简化了信道管理，使上行和下行链路使用相同的波长。该理念的提出基于两个原则：一是光学可逆原理，当光束反向，会沿着原来的路径返回，从而在接收模块中不需要额外的光束控制设备；二是使用半导体光放大器（SOA）来实现数据的擦除和再写。如图4所示是基于光束的双向室内全光无线网络架构，室内网络通过中央通信控制机（CCC）与接入网相连执行路径算法，数据信号通过光交叉链接器（OXC）和光纤中枢网络路由连接不同的房间研究人员在提出的新型全双工全光无线系统中阐明了上下行对称的10 Gbit/s开关键控（OOK）信号的传输过程，实验验证了工作在波长为1550 nm，传输路径为3米的自由空间通信过程。上行链路使用载波再调制技术，通过两个级联的SOA工作在饱和区域对下行OOK信号进行擦除。研究结果证明，上行信号消光比达到4.3 dB时于上下行链路都可获得小于1×10−9的误码率性能。

图4双向室内全光无线网络结构
    随着终端用户对新兴无线服务（如4K /超高分辨率电视或手机游戏）的需求日益增长，人们对提升高速无线数据传输的要求也逐年增加， 而5G移动标准将能够满足这些要求，因为它使用毫米波段来进行信息传输。毫米波段具有很高的传输带宽，并为高比特率传输提供了应用可能性，而且毫米波段中还有相当带宽的频率使用过程无需申请使用许可证，不过使用传统方案生成毫米波信号的过程比较复杂。为了寻找更好的解决方案，近年来研究人员利用光子学技术，将光纤通信和无线通信融合在一起，建立了一系列与该领域相关的研究课题，集成光子宽带无线接入单元（IPHOBAC-NG）便是其中的一个项目，如图5所示。IPHOBAC-NG旨在为无线通信提供无缝集成的光子学解决方案，并使其适应现有的波分复用无源光网络（WDM-PON）或者超密集波分复用PON。为了能够提供传输速度在1-10Gbit/s之间的互补带宽接入以及3Gbit/s的移动回程，研究人员提出了一种新的光子学远程接入单元（RAU），该技术将支持光信道重新配置过程，不仅不会给ONU和ONT中的数字信号处理过程造成影响，而且还具有节能、高效和紧凑的优点。最近，来自波兰华沙理工大学电信研究所的研究人员，提出了一种可重构的RAU方案，如图5所示。在该方案中，RAU利用了光外差信号上变频来生成毫米波无线信号，可以实现密集波分复用（DWDM）光纤链路和W波段无线链路之间的对接。RAU是由可调谐本地振荡器，窄光滤波器和控制单元组成，通过软件来进行重配置操作。实验实现了在15公里的标准单模光纤和50米无线传输之间实现了无差错实时传输，毫米波段范围75和95 GHz之间，传输速率为2.5Gbit/s。

图5 IPHOBAC-NG 系统结构图
     可见光通信（VLC）技术由于其独特的优势（如大带宽、安全高、成本低）已被视为下一代接入网络中很有前景的通信技术。同时，与传统的无线通信相比，VLC可同时用于通信和照明，大大提高了能源利用率。虽然VLC在未来5G网络的短距离通信中具有很大的应用市场，但其性能通常受到蜂窝网络终端能量供应的限制。无线信息和电力同步传输（SWIPT）技术已经被应用于无线通信网络当中，通过使用SWIPT技术，蜂窝网络终端能够同时接收无线信息和进行能量补给。虽然有关采用SWIPT技术的无线通信中的资源分配方案已经被报道过，但是其资源分配方案并不适用于VLC系统，因为VLC有以下两个特征：一是信号被转化为瞬时光强度，要求信号必须为非负的实值信号；二是，出于对人眼的保护，光信号强度被限定在安全范围之内。最近，来自东南大学物理系的研究人员，采用SWIPT技术针对下行VLC传输系统提出了一个速率最大化问题，他们首先将上述问题转化为等效的相关问题，并采用低复杂度的迭代资源分配和DC偏移分布和功率控制算法以获得最优解。数值研究结果表明，该算法可以达到良好的计算性能。
    基于正交二元调制（QDB）偏振分复用（PDM）技术的奈奎斯特（FTN）系统可以在通信网络中提高效率，并且自适应均衡技术（如恒模算法（CMA）和多模算法（MMA））可以被分离偏振复用信号。然而， CMA和MMA算法都会受到均衡器收敛缓慢问题的制约，该类制约会使得两种算法在恢复同步信号上存在缺陷。 此外，在差分编码与CMA / MMA联合使用过程中，相位旋转程度是原始信号的π/ 2倍或π/ 2的整数倍，从而导致性能下降。另一种自适应均衡技术采用相位依赖最小均方（DD-LMS）算法，当在QDB PDM四进制正交幅度调制（4-QAM）的系统中使用该技术，则无需差分编码， 但是信号会受信道DD-LMS算法影响，也会受到相位信息模糊影响。最近，来自圣约翰大学的研究人员首次在QDB-PDM-FTN系统中提出应用最小均方（TS-LMS）算法，该算法展示了良好的收敛性能，避免了差分编码退化带来的不良影响。研究人员将提出的TS-LMS算法与传统的DD-LMS算法进行融合，并通过模拟仿真在不同的极化取向条件下测试了该算法的性能。此外，他们还在4QAM和16QAM传输系统中分别使用差分编码和TS-LMS算法，并在接收端使用CMA算法接收信号，测量了误码率（BER）和光信噪比（OSNR）之间的函数关系。研究人员研究了将QDB-PDM-FTN系统与PDM-FTN预编码（THP）技术应用于4QAM和16QAM传输系统中，并根据间距变化，测量了误码率。研究结果表明，基于训练符号的均衡算法应用于PMD-FTN极化解复用系统中与独立DD-LMS算法进行比较，所提出的TS-LMS算法收敛性能良好；在不同的极化条件下，所需OSNR可以降低约1.7 dB或1.3 dB；与常规差分编码技术相比，采用TS-LMS算法可以使得4QAM传输系统的OSNR优化1.8 dB，采用SbS和MLSD可以使得16-QAM系统OSNR优化0.8 dB， 且对于4QAM传输系统，THP技术比较合适，因为其改善了误码性能；QDB则更适用于16QAM传输系统，相关信号星座图如图6所示。

图6  预编码和双二进制编码原理和星座图

光纤传感技术
    光纤布拉格光栅（FBG）传感器具有体积小，成本低，持久稳定性等优点，可以广泛应用于恶劣环境中的温度及压力检测、复合材料缺陷和结构监测的过程。在大多数应用中，需要进行多点测量以降低系统成本并扩大感测范围，因此各种复用FBG技术也不断被报道出来，其中波分复用（WDM）、时域复用（TDM）、频域复用（FDM）及其组合的应用最为广泛。不过，它们的性能都有一定的局限性。如在WDM方案中不仅需要宽带宽，而且还要求限制传感器的动态范围，同时，由于批量制造WDM比较困难，因此WDM不适合应用于大容量FBG阵列。自2000年以来，在弱反馈FBG（反射率低于-30 dB）阵列的技术已经实现了大阵列FBG感测，该技术大为简化了制备步骤。然而，制造的弱反馈FBG具有近乎相同的弱反射光谱，无法维持较高的信噪比（SNR）。到目前为止，已经报道的基于TDM和基于相干光域反射（C-OFDR）技术的制造传感器都表现出良好的性能。基于TDM技术的传感器测量范围大，相干源自由度高，但其中涉及到脉冲调制，光放大，快速检测/数据采集等复杂过程。基于C-OFDR技术的传感器，虽然它具有很高的空间分辨率，但是需要有一个参考光臂，因此该传感器灵敏度会受到相干源长度的限制。频移干涉（FSI）测量技术被认为是一种独特的光纤传感技术，与TDM相比它使用的是连续波激光，因此无需脉冲源或高速检测/采集操作。在不需要光放大器的情况下，FSI能利用差分检测技术去除直流分量噪声以获得更高的信噪比。与C-OFDR相比，FSI不受相干源约束，能够对长达数十公里的光纤进行测量。最近，来自武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室的研究人员，提出了一种基于联合WDM和FSI的大型FBG传感器方案，如图7所示。该方案中3个弱反馈FBG传感器阵列的波长各不相同，每个FBG传感器包含121个WDM单元。实验结果证明，该传感器的温度适应率达到了0.4°C，可满足大规模光纤网络铺设的需求。
 
图7 FBG传感器方案
无源和有源光子器件
    表面等离激元（SPP）是一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁波传播模式，它沿着金属电介质界面传播，其具备的特殊性能（场增强，高灵敏度，能量定位和支持亚波长传播）使得SPP在制作亚波长光学元件和超分辨率成像设备上有较大的应用前景。金属-绝缘体-金属（MIM）结构拥的有独特特性含易于激发，弯曲损耗低，结构简单，制造简便等，因此能被应用于综合纳米光子器件，纳米光刻和其它相关领域。许多MIM结构的纳米光学元件正在被研究，如滤波器，开关，调制器，分束器，纳米传感器等。同时考虑到温度传感器是可以通过感知温度并将其转换为电信号输出或其他输出的元件，在电气、机械、化学和生物医学工程领域内被广泛应用，并因为金属的敏感性和电介质的折射率（RI）不够理想，SPP技术被应用于光学温度传感器。众所周知，传统的温度传感器都是基于RI对环境温度的敏感原理制备的。在之前报道的研究结果中，来自北京邮电大学的研究人员设计了基于光学压力的温度传感器， 但该传感器对空气温度不敏感。最近研究人员又研究了一种新型的基于SPP谐振器的纳米级温度传感器，该传感器可以检测出热变形尺度。该传感器的结构包含了基于MIM结构的表面等离子共振谐振器， 并在其顶部注入了一层铱（Ir）；研究人员主要利用有限元法（FEM）来研究不同温度结构的变形程度和反射光谱，也介绍了相关提高灵敏度的方法。仿真结果表明，波长的偏移与温度变化呈线性关系。因为该传感器结构简单，制造相对容易，适合于大批量集成在光电路中，其结构图如图8所示。

图 8. MIM结构（a）无Ir层、（b）有Ir层和（c）双金属层