2017年4月PTL光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，陈福平，陈烙
    2017年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：无源光子器件、光波导、调制技术、光传输、光网络及子系统等，笔者将逐一评析。
1.无源光子器件
    目前，由于空分复用（SDM）技术的兴起，多芯光纤（MCF）技术引起了研究人员的浓厚兴趣。这项技术的兴起主要是由于现代生活中网络的信道容量需求增加。许多重要的MCF设备，包括掺铒光纤放大器，都具有减少串扰功能的MCF 和空间分割多路复用器。实际上，光纤通信系统中最普遍存在的组件之一是无源光耦合器组合，此组件被用来分割或检测系统内的光信号。今天，最常见的光纤耦合器类型是使用融合的双锥度法或其它方法制造而来的。然而，当上述两种方法应用于MCF上时都将产生在多芯上发生耦合的现象，而不能独立控制相对耦合过程。可供选择的替代方案是使用侧面抛光技术，该技术从MCF中移除部分包层，通过直接将两个侧面抛光纤维相互接触，制造四端口耦合器。 相比其它技术，侧面抛光的光纤耦合器有数量优势，因为它们是相对稳定的，可以在宽波长区域（几个数百纳米）开展设计应用，并可以通过连续调谐来调整重叠的消逝场。研究人员首次提出了一个使用改进侧面抛光制造方法制造的单一模式MCF纤维（SMF）耦合器 ，耦合器被设计成可以区分传输的光是来自7芯（MCF）的还是单芯的模式，并且不会中断信号在剩余的光纤芯中传播过程。实验研究结果证明，通过数值计算可以确定高精度的制备方法，检测复用信号的侧面抛光MCF设备将成为未来SDM网络中的关键组成部分。综上所述，研究人员已经通过使用改进的侧面抛光技术开展了新应用的研究，他们研制的耦合器具有许多优点，例如低损耗，能够实现在下行宽带工作，可以使用简单的位移法进行连续调节等。在上述情况下，标准抛光耦合器还可以通过改变抛光深度和长度来显著地改变光谱响应和耦合比。研究人员预计侧面抛光技术可能也会适用于制备具有抑制指数比、掺杂其它光芯的MCF光纤。研究人员也期待更有发展优势的低损耗MCF-SMF耦合器能成为未来MCF网络的关键组件，并提供光传输信号横向检测，分割和复用的功能。

图1  （a）侧面抛光光纤的示意图 （b）抛光光纤平坦部分的SEM图像
2.光波导
    随着传感器网络和物联网等新兴领域中新产品研发进度的不断加快，研究人员见证了室内高水平定位系统（IPS）的诞生。基于红外线IPS辐射和超声技术常常需要额外的资源，并且多径衰落会引起信号穿透，而基于射频（RF）的IPS技术 则不会有这些负面影响。 由于定位精度高，无需许可证操作，无电干扰和前端低成本等优点，使用发光二极管（LED）的IPS方法已经吸引了学术界和工业界研究人员的广泛关注。目前，基于可见光通信（VLC）的室内定位方法主要分为以下三种：邻近度测量，三角测量和图像定位方法。邻近度测量方法非常简单，但精度与分辨率较低。 在三角测量法中，目标位置由接收机检测至少三个确定参考位置的信号强度（RSS），到达时间（TOA）和到达的时差（TDOA）来确定。为了达到同步要求接收的要求，在发射机（Tx）和接收机（Rx）之间需要精确计算TOA和TDOA 。 在RSS中，为了准确估计距离，光接收器Rx需要从多个无干扰Tx中 接收信号。图像定位方法基于实际LED中和图像LED的坐标确定Rx的位置。实际上，大多数的研究工作中都是假设Rx位置和LED的坐标是已知确定的；但实际应用中，它们的坐标是未知的。因此，最重要的研究工作是需要在LED和Rx之间建立通信链路顺序以获取LED 的坐标。但是，目前已经公布过的研究成果还未对这项技术进行实验验证。研究人员在早期阶段曾经实验演示了VLC-IPS的工作过程，其中LED坐标是采用光信号从LED传输到相机的，再通过相机传输LED的坐标以及相机的位置来估计LED和相机之间的距离。但是距离估计方法以现有条件想要实现还是比较复杂的，而采样相移采用键控（UPSK）调制方式对空间坐标数据编码能够增强无干扰VLC的空分复用能力，这为研究人员拟议的室内应用方案提供了理论支持，采用该方法后可实现定位误差（PEs）的范围为5.0厘米至6.6厘米，h的范围为120厘米和180厘米（h是相机的距离天花板的高度，PEs主要由像素分辨率和Rx的倾斜角度引起）。另外，实验还证明在典型的室内环境中，无错误传输距离为1-6米。在本文中，研究人员实验证明了一个基于OCC（开路特性）的IPS，其中透射光在空间上分离并通过摄像机对每个发送的坐标数据进行检测和区分。Rx的坐标位置是依据LED成像的几何关系以及相机传感器的无角度测量所确定的。研究人员提出并建议采用UPSK进行室内定位技术可以保证一定范围内无差错传输的过程，但拟议方案的定位精度会受到像素分辨率和Rx的倾斜角度的影响，其系统框图如图2所示。

图2  采用LED和相机的IPS系统框图
3.调制技术
    正交频移复用（OFDM）光信号的调制过程包含高速的数字信号处理功能，并且OFDM光信号其抵抗色散的特性可以改善传输信号的质量，这在高速光纤通信中具有很大的优势，特别适用于相干光（CO）长距离传输系统。 在十六进制光纤通信系统中每秒传输的信息量可以达到数十甚至数百吉比特，采用信道估计的方法则可以在接收机中简单而有效地准确地获取信道状态信息（CSI）。基于CO-OFDM系统的符号内频域平均（ISFA）算法是最有效的估计方法之一，它可以有效降低噪声影响。 ISFA已经应用于OFDM光纤传输系统中（如传统的CO-OFDM系统和离散傅里叶变换（DFT）扩展CO-OFDM系统）。 ISFA能明显改善信道估计算法，特别是在采用先进的调制格式且有高光谱效率的光纤通信系统中能有较好的作用，而且ISFA估计器可以通过增加平均窗口尺寸来减轻噪声大小的方法来降低估计误差的不确定性。另一方面，随着窗口大小的增加，估计得到的CSI往往偏离实际的CSI，这种偏差在高度分散的传输信道中会更大。因此在实际应用中，应该尽量确定最佳窗口大小以平衡噪声效应和CSI偏差的影响。如果色散严重或存在多模光纤中的模内色散，窗口大小应该更加精心设计。在本文中，根据离散菲涅尔变换（DFnt）方法，研究人员提出并研发了一个性能优异的CO-OFDM系统信道估计器。通过计算菲涅尔域内符号可以得到平均估计的CSI特性，并且使用该方法在实际信道内应用DFnT和ISFA估计器可以实现无偏差的误差估计过程。 特别是导出ISFA估计器的最佳平均窗口大小可为实验研究提供参考，相关偏差特性如图3所示。

图3  不同窗口大小的ηI（n）偏差特性
4.光传输
    为了进一步降低收发端机成本，支持上百公里传输的直接检测（DD）光通信系统得到广泛应用。使用斯托克斯矢量DD接收技术可以在480km标准单模光纤（SSMF）上传输速率为太比特级别的16阶正交幅度调制（16-QAM）光信号；使用拉曼放大器可以在880km SSMF上传输DD导频辅助的四边带100.29 Gb/s正交频分复用/偏置正交幅度调制（OFDM/OQAM）32-QAM信号；使用色散预补偿技术可以在800km SSMF上传输单信道速率为25 Gb/s的16-QAM单边带信号。在实际传输应用中，光纤克尔非线性效应是限制系统传输性能不可忽视的一大因素。对于直接检测系统，由于单端型光电二极管的平方律检测效应，在接收端只能获得光信号的幅度信息。因此，在发射端采用数字反向传播算法（DBP）可以有效地进行克尔非线性预补偿。最近，来自北京大学国家光网络重点实验室的研究人员研究了基于28G波特率的奈奎斯特16-QAM单边带子载波调制（SCM）的直接检测传输系统。该光通信系统的工作波长在1550 nm附近，传输距离为960 km SSMF。如图4为该系统的实验方案。在信号传输至光纤循环回路之前，通过掺铒光纤放大器来控制光发射功率。在环路内，光带通滤波器（OBPF1）用来抑制放大自发辐射噪音的积累。在该实验中，掺铒光纤放大器的噪声指数约为5.5～6.0dB。在接收端，信号首先通过一个掺铒光纤放大器进行放大，来调节接收功率。另一个OBPF2用来消除带外噪声和光纤非线性引起的共轭失真。滤波后的信号通过光电检测器进行解调，随后，使用电放大器（EA）对信号进行调节，两者带宽均为50GHz。研究结果证明，使用预矫正的DBP算符，传输后的误码率表现为2.0 × 10−2，相比较只使用预矫正的色散补偿技术，收发性能均有提升。实验结果证明在远距离单信道单边带直接检测系统中使用该方案可以有效实现非线性补偿的过程。

图4  系统实验方案图
    正交频分复用（OFDM）调制技术非常适合用于需要高容量的通信网络，光正交频分复用（OOFDM）系统已经吸引了众多研究人员的兴趣，在无线和有线传输系统中得到了成功应用，高谱效率和有效地克服传输损伤优势是其可以广泛应用的关键原因。在接收端，OOFDM既可以使用直接检测也可以使用相干检测，直接检测是最简单的接收方式，相干检测可以提供更高的接收灵敏度和系统频谱效率，但是接收端的结构更复杂，成本更高。强度调制直接检测OFDM信号可以采用双边带调制方式产生，但在光谱上需要占据大带宽，而且容易受功率衰退引起的色散影响；也可以使用单边带调制方式产生，该方案没有功率衰退，而且更加充分地利用了频谱资源。基于强度调制直接检测的波分复用（WDM）OFDM系统则需要在发射端使用多载波光源，如半导体锁模激光器。最近，来自西班牙瓦伦西亚理工大学的研究人员首次在WDM接入系统中研究了低价的OOFDM信号发射器，该发射器基于一个宽带光源设计，并与多边带下一代OFDM-无源光网络（PON）系统相兼容。如图5所是使用宽带光源的OOFDM信号传输实验方案。在光电探测之前，信号先经过一个马赫增德尔干涉仪（MZI）,该干涉仪包含两个50:50光耦合器和一个可变延迟线（VDL）, VDL的插入损耗大约为1 dB，最大延迟范围为330ps；之后，接收电信号通过一个实时数字示波器进行采样和同步处理，移除循环前缀，块状导频信号用来进行信道估计和信号均衡。实验结果证明，使用宽带光源能将OOFDM信号在10km光纤链路传输，而且该方案在WDM接入网络中易于实现，且与多边带下一代OFDM-PON相互兼容。

图5  使用宽带光源的OOFDM信号传输实验方案图
    在过去二十年，网络容量一直呈指数形式增长，这种增长主要是由于互联网的建设规模不断扩展以及用户数量剧增而随之带来的。虽然能通过利用时域、频域、相位和偏振方面相应的技术来提高频带利用率，但如果还能进一步研究空分光通信技术则能够极大限度地提高光信息传输容量。空分复用（SDM）是通过多模光纤（MMF）来实现的，其单芯或多芯光纤（MCF）中允许多种模式的传输。多模光纤中信号以不同的速率传输时，将会产生差分群时延（DMGD）效应，从而引起符号间干扰（ISI），如果采用高效的均衡技术或者先进的调制格式（如正交频分复用，OFDM）则可以缓解该问题。虽然在理想的状态下，空分复用利用多种传输模式能够使通信链路容量提升到数倍，但在实际的传输系统中，传输模式会受到串扰问题的影响，特别是在差分群时延接近于零时，这种影响程度最深。在无线通信系统的接收端，利用多输入多输出（MIMO）解码技术可以很好地恢复原始信号。此外，光纤的一些缺陷（如熔接不良、光纤微弯）和光学器件（放大器、多路复用器）的损耗会直接影响多模传输过程，因此多模传输的正交特性和信道的一致性难以得到保证。空分复用技术是提高未来光通信容量的关键所在，但其模式相关损耗（MDL）会降低系统的性能。基于多模光纤的空分复用系统，也可以表示为MxM MIMO系统，它是采用模式扰频和强耦合光纤技术来降低模式相关损耗（MDL）对系统性能的影响。有报道指出，在光纤之间放置模式扰频器可以减少MDL，但需要大量的比较理想的加扰器，因此会增加系统的成本。另外，基于时空编码的数字信号处理技术在模分复用系统中对降低MDL也有很好地效果，不过在实际不同的模式传输过程中，信号依然会受到不同程度的衰减。最近，来自法国巴黎高科国立高等电信学校的研究人员，提出了一种将时空编码和前向纠错编码联合应用于少模光纤系统的方案，如图6所示。实验结果表明，其编码增益得到大幅度提升。


图6时空编码和FEC联合应用传输系统
    阶跃折射率塑料光纤（SI-POF）是一种适合于短距离传输高速率信息的物理媒介，具有抗电磁干扰、体积小、重量轻以及终端连接简单的优点，并且在汽车工业领域应用非常广泛。根据标准的多媒体定向系统传输（MOST），已经有包括沃尔沃，宝马，奥迪，梅赛德斯，凯迪拉克在内的200多家汽车制造商正在使用SI-POF作为汽车网络的物理媒介。对于家庭网络应用，欧洲联盟项目提出的POF-Plus标准为1Gbps的信号能够在1mm SI-POF传输距离超过50m。模态色散是SI-POF的主要缺点，因此在传输距离超过100m时，其链路带宽限制在40MHz左右，对于160Mbps NRZ调制信号时，当传输距离为50m时其链路带宽限制在80MHz左右。几种在电域和光域中提高数据速率的方法也见诸报道，在电域中采用调制和均衡技术如多阶脉冲幅度调制（MPAM）技术，多载波OFDM技术以及自适应均衡技术；在光域中采用波分复用传输和空间滤波技术，如限制模式传输和采用小范围的高灵敏度探测器。电域解决方案通常涉及到复杂的信号处理过程和较高制造成本，光域则通常需要较高的光功率输出，而且光纤对准和拼接要求很高。
最近，来自美国内布拉斯加州林肯大学电气和计算机工程系的研究人员，提出了一种采用空间模式滤波器来降低模态色散影响的系统方案。该方案采用一种降低标准的阶跃折射率塑料光纤的模态色散的技术，SI-POF的直径为1mm，通过减少光纤链路的有效数值孔径来减轻模态色散，空间模式滤波器是由聚碳酸酯毛细管构成，图7为高阶空间模式滤波器，图8为高阶模式滤波示意图。实验结果表明，1Gb/s NRZ调制信号在距离为30米的SI-POF中实现无误码传输。  

图7 高阶空间模式滤波器

图8 高阶模式滤波示意图 
5.光网络及子系统
    越来越多的实际应用需要研发室内定位技术（如导航业务，基于射频（RF）的室内定位通信），因此室内定位技术在近几年取得了广泛的研究成果，但是由于室内环境的多径干扰，定位的精准度受限在几十厘米量级范围内。可见光通信（VLC）系统使用发光二极管（LED）吸引了众多的研究目光，除了数据传输之外，LED还可以作为信号灯实现可见光定位（VLP）。可见光通信要求到达时间和到达时差需要精确同步，因此许多相关的研究都需要研究收发机中相关复杂的构造。为了简化接收器的结构，许多研究报道都将研究中心转向简单的三边测量术，并采用强度调制加窗的正弦信号用来定位。由于定位信号独立于通信系统，需要额外的时间导频用来定位，无疑会导致VLC的频谱效率下降。最近，来自北京大学国家重点实验室的研究人员提出了使用基于排列估计的接收信号强度方案，使用现有的离散多音（DMT）VLC系统中训练序列进行定位。如图9为具有定位过程的室内方案。LED设置在天花板上，接收器安置在地板上。DMT信号使用直流偏置电流驱动LED，通过前后补偿电路，LED的低通特性会受到抑制；此外，每个子载波的发射功率被认为是相同的，训练序列使用正交相移键控（QPSK）技术调制，这样每个子载波的幅度也是一样的。研究人员研究了子载波数目的影响，发射光功率设置为1W，子载波数目分别设置为128, 256, 512, 1024, 和 2048，调制带宽为100 MHz。随着子载波数目的增加，克拉美罗界（CRB）减小，因为更多的子载波可以支持更多的信息，而且累积的平均功率与符号周期成正比。实验结果表明，与使用加窗正弦信号方案相比较，研究人员提出的方案明显提高了定位准确度，LED的子载波的数量可以最优化以获得预期的估计精度。

图9 使用白光LED定位的室内方案
    RoF技术被认为是毫米波段超宽带无线接入网的关键技术，因为超宽带射频（RF）信号调制的光信号通过光纤在中心站和基站之间传输时，其损耗非常低，并且RoF技术与波分复用（WDM）技术相互兼容，两者结合在一起可进一步提高系统通信带宽。然而，基于RF调制的光双边带（ODSB）信号在单模光纤上传输时，传输的信号会因为色散而受到功率波动的影响，随着RF载波频率的提高和光纤的长度增加，使得功率波动问题会变得越来越严重。光单边带（OSSB）信号是由光载波和一个光边带构成，可有效解决由光纤色散引起的功率波动问题。一些关于OSSB RF信号的产生技术也不断被报道出来，如采用光调制器或者光滤波器来产生上述信号的方法，但却由于光载波功率和光边带功率的差异，使得接收机的灵敏度相对较差。如果采用基于光梳状滤波器和SOA产生OSSB RF信号，则能够缩小两者功率的差异，从而提高接收机的灵敏度，不过该方法需要用到额外的延迟线调制器。不过，在SOA中采用交叉极化调制（XPolM）的全光SSB RF信号生成技术，不仅可以使光边带的功率与光载波的功率相似，而且不需要额外的延迟线控制。最近，来自韩国光州理工学院信息通信学院的研究人员，提出了一种单工（下行）光载无线通信系统方案。在该方案中，半导体光放大器使用了基于交叉偏振调制的全光单边带（SSB）上变频技术，如图10所示。实验结果表明，在20km单模光纤上传输60GHz的10Gb/s 16QAM-OFDM信号时，其与色散相关的功率损失可忽略不计，并且工作波长范围为1550-1570nm，此时接收信号的误码率变化曲线平坦。

图10 基于XPolM的全光SSB RoF下行链路传输方案图