2017年5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
2017年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感器、光调制与光信号处理、无源和有源光子器件、光网络及其子系统、光信号传输等，笔者将逐一评析。
1. 光纤传感器
基于双马赫曾德尔干涉仪（DMZI）的干涉型光纤传感器能够检测和定位光纤上的扰动，它可以通过时延估计（TDE）技术实时获取位置。由于其响应速度快，灵敏度高，被广泛应用于周边环境安全监测，管道损坏检测和海底电缆安全测试等领域。由于使用低双折射单模光纤，DMZI传感器会受到偏振相移（PIPS）和偏振衰落（PIF）的影响，干涉光束在环状光纤传输时，PIF是由其偏振态（SOP）中的随机波动引起的。为了获得高定位精度，可以采用偏振补偿方法来调整SOP。一种方法是通过偏振抖动进行偏振抑制相位补偿，其目的是为了使两个传感光纤的相对偏振变换相同。一种方法是最小化或最大化强度，在这种方法中，通过调节偏振控制器（PC），使输出信号的最大值和最小值之差的补偿点与SOP相匹配。这两种方法都具有改进程度不高和调整耗时较长的缺点。虽然已经开发了优化搜索最佳补偿点的算法，但PC仍然需要收集大量的数据样本，也不能保证结果是否是全局最优的。最近，来自天津大学精密仪器与光电工程学院的研究人员，提出了一种改进的偏振补偿方法，以消除偏振引起的信号相移和衰落，并提高基于双马赫-曾德尔干涉仪的干涉型光纤传感器的定位精度。在该方法中，通过使用两个偏振控制器（PC）来同时补偿SOP，以消除DMZI传感器中的PIPS和PIF，并采用两个偏振分束器（PBS）来监视SOP，将获得结果反馈给PC。最优偏振调整的补偿策略是基于极化状态的有向补偿（SOP），其具有PC干扰光快速调节和精细同步的优点。实验研究证明，定位误差在±30m以内。基于DMZI传感器结构如图1所示。窄线宽激光输出信号在耦合器C1处被均匀地分成两路光束，分别通过循环器C2和C3，然后传输到由耦合器C4和C5形成的DMZI。 当两个光束沿感测臂反向传播时，在PC1，PC2和相位调制器（PM）共同作用下，并在耦合器干扰之前两个光束保持平行输出，最后通过耦合器C6和C7分别传输到PBS1和PBS2中。

 图1 基于DMZI的分布式光纤传感器及其偏振补偿系统结构图

2. 光调制与光信号处理
空间光束的近轴衍射与时域波形的色散在数学上是等价的（即时空二相性），该特点对高速光信号处理的发展起着重要推动作用，如使用较低带宽检测来表征快速光波的时域放大，光纤链路的线性和非线性失真补偿，以及通过频谱分析或电域格式转换（即光时分复用到波分复用）来进行时域测量的快速光波形的时间-频率映射。时域透镜（TL）对输入波形在时域上施加二次相位调制，其表示时域对应的空间薄透镜，它是实施上述信号处理功能的主要元件。构建TL的一个简单方法是采用正弦调制波形来驱动电光相位调制器，然而，通过电光装置实现的相位调制数量和相关的频率啁啾相对有限，从而影响了该方法的整体性能（例如时域分辨率）。另外，采用常见的非线性光学现象来构建TL，其显著的特点是四波混频（FWM）具有较长的啁啾光泵浦脉冲。不过，FWM在非线性介质中需要对色散进行精确的控制，并且还应在所要求频率带宽上确保严格的相位匹配条件。更重要的是，TL的关键参数（即频率啁啾）在FWM方案中难以调谐，这是由于需要控制泵浦脉冲的频率啁啾。相比之下，也可以通过XPM与抛物型泵浦脉冲构建TL，在该方法中，TL频率啁啾与抛物型泵浦脉冲的峰值功率成正比，但该方法实施复杂度及成本都比较高。最近，来自加拿大国立科学研究院的研究人员，提出了一种全光可重构的时频转换（T-to-F）和光波的时域放大方案，该方案主要是基于交叉相位调制（XPM）诱导的时间透镜结合群速色散的原理，其实验结构图如图2所示。通过利用的峰值功率对时间透镜啁啾的直接依赖性，可以容易地调整T-to-F转化率和放大系数。 在概念验证实验中，使用光纤方案对T-to-F转换和皮秒光波的时域放大进行了论证，其中通过控制光放大器，T-to-F转化率和放大倍数均可以提高两倍。

 图2全光可重构XPM-TL信号处理系统的实验结构图
3. 无源和有源光子器件
雪崩光电二极管（APD）因为具有检测和转换微弱的光信号到电信号的能力，在各个领域得到很好的应用，如医学影像学、天文学、量子密码学，和光学遥感技术。此外，APD和相关电路的应用也相当关键。通常情况下，APD通常以两种方式运行，称为线性模式和盖革模式。当APD偏置接近但低于击穿电压时，其工作在线性模式，否则在其他模式下。如果APD偏置有偏差，即使单光子吸收也能够触发一个自我维持的雪崩电流，它可以在数十个皮秒期内迅速上升到毫安电平，该情形下APD也称为单光子雪崩二极管（SPAD）。为了描述和预测SPAD的特征，必须建立一个精确的SPICE模型。基本上，可以通过两种方法建立SPAD模型，其中一种是采用等效电路，另一种是基于Verilog-A语言。在2007年有研究人员首先提出了APD的综合SPICE模型，该模型可以模拟自我维持和自熄过程。在2009年有研究人员提出了上述的增强模式，其考虑了更多的物理效应，包括从二极管端子，正向和第二击穿区域的电流积累的宏观描述。然而，收敛的问题依然存在。有研究人员提出了一种基于Verilog-A模型，采用连续可微函数来克服收敛问题，由于连续可微函数来自分段线性函数，拟合精度相对较低。最近，来自南京东南大学的研究人员提出了一种改进的单光子雪崩二极管（SPADs）收敛模型方案，其中工作在不同反向偏置电压下的SPAD的定性特性可由等效电路表示，利用Verilog-A语言来描述SPAD的电流-电压（I-V）的定量特性，SPAD模型结构图如图3所示。基于砷化铟镓 SPAD 探测器的横截面如图4所示，SPAD是具有内部光电流倍增的半导体检测器，对于垂直结构，它与阴极，阳极和壳体端子接触一起包含三个不同的层，其顶部是专门用于单光子检测的30um光学有源区，波长范围为0.92~1.67um。 吸收区域用于更有效地检测和吸收光子。乘法区域用于通过施加极高的电场来加速雪崩过程。对于工作在不同模式下的检测器，采用分段拟合方法来实现更高的拟合相干性。 所提出的模型可以模拟由于光子吸收的检测器的点火，以及自维持和自熄过程。SPAD I-V测量数据的拟合精度达到99％。此外，该模型可以有效地应用到电子设计自动化工具，如Cadence的Spectre，支持电路和SPAD探测器之间的集成仿真。

 图3 SPAD模型结构图

图4 基于砷化铟镓 SPAD 探测器的横截面 
量子级联激光器（QCLs）是最有应用前景的中红外激光源，因为它具有高性能和紧凑的尺寸，可以在不同领域中应用，如气体检测和自由空间光通信领域。分布式反馈（DFB）激光器也已被广泛研究，在制作DFB QCLs的过程中，光栅置于脉冲噪声防护（InP）包层的顶部或者下方，这种光栅又称为表面光栅或掩埋光栅。 DFB QCLs的表面光栅经常受其内在弱耦合强度和表面等离子体损耗的影响，所以阈值电流密度和功耗都比较高。相反，掩埋光栅DFB QCLs可以在低阈值电流密度和低功耗下工作，这得益于它的强耦合和低光损耗。但是，空腔中的过耦合限制了激光模式，会导致输出功率过低。因此，掩埋光栅DFB QCLs的腔长度不能过长，这会限制输出功率。采样光栅是一种可以解决过耦合问题的有效方案，除了增加腔长度外，扩大脊宽也可以提高QCLs的输出功率。锥形QCLs可以获得更大的有效脊宽，并可以保持基本横向模式运行。在以前的研究中，有研究人员设计了实现小光束发散角的锥形QCLs。

    掩埋采样光栅覆盖在整个波导上，从4.65微米到4.89微米四种不同波长的单模DFB QCLs能够被同时制造出来。小角锥形QCLs的扩大增益面积相当于QCLs14微米的脊宽度并且长度相同，因此输出功率提高了约40％。为了使基本横向模式操作可以获得良好的光束质量，但对于脊宽度为14μm的设备是不可能实现的。最近，来自中国科学院的研究人员，通过组合小角度锥形结构埋置采样光栅，能够在室温连续激光（CW） DFB QCLs实现从4.65μm至4.89μm的四种不同波长的输出，其功率得到显著的提高，在CW工作过程中边模抑制比（SMSR）高于25 dB，单模工作可以实现超过130 mW的功率输出，并可取得增益面积小于1.25，其结构图如图5所示。


 图5 小角锥形QCLs的三维结构图（a），波导参数（b），光学显微镜图像的输出面（c），覆盖层的截面（d） 
由于许多潜在的应用领域，太赫兹光纤应用是一个重要在研究方向。太赫兹的频率范围0.1-10 THz之间，其应用范围非常广泛，如传感器，生物技术，成像，光谱学，通信，天文，无创成像等，但是绝大多数介电材料在这个频率范围上表现出极高的传输损耗。此外，现在大多数的太赫兹系统仍然依赖于自由空间传播。为了克服在实际光通信系统中与太赫兹技术相关的障碍，关于不同类型的光纤设计已被报道出来。干燥空气是无损材料，但是如果介质波导由干燥空气限定，则模场扩展到波导外部，并且可能导致高的弯曲损耗。在多孔光纤中使用圆形气孔设计以降低损耗，并且在0.98THz至1.15THz的太赫兹传输中使用平坦的分散波导。与此同时，有研究人员研究了八边形多孔光纤，设计的光纤有效材料损失（EML）是0.076 cm-1/ THz。在2014年报道的类似八边形多空的结构，能够进一步减少EML。在该报道中，使用商品名为TOPAS的环烯烃共聚物作为纤维材料，其核心孔率为61.76％，芯直径为390μm，以获得最佳设计性能。这种多孔芯纤维在1.0-1.8THz频率范围内只有0.056cm-1的超低吸收损失和接近零的平坦色散。基于相同的TOPAS材料，实现了旋转的多孔芯六边形纤维，其EML为0.066cm-1。随后，通过利用结构的双重不对称性设计了高双折射多孔芯光子晶体光纤(PCF），圆形孔洞降低了光纤制备难度。最近,来自阿德莱德大学的研究人员提出了一种新型的具有较低EML的光纤，该光纤由开槽的芯和开槽的包层组成的，其几何结构如图6所示。实验结果表明，在高频率的条件下该光纤具有非常低的色散和低损耗。


 图6 EML光纤的几何结构图 
光网络及其子系统

在无源光接入网络（PON）中，由于对故障区域进行自动检测定位能减少运营成本，缩短系统停机时间。为了克服光时域反射仪（OTDR）的局限，有研究提出基于光码分复用（OCDM）技术的方案，在每个终端光纤的末端配置一个无源编码器。在中心站（CO），需要网络恢复算法来检测接收信号的所有码元。码间干扰会导致错误的检测结果，如果网络恢复算法不能正确检测所有独立的码元；当有故障发生时，就会增加相应的运营成本。每次的故障被检测出来需要进行一次完全搜索，当存在大量的故障时，相应地就会导致过多的处理时间，从而增加平均停机时间。最近，来自阿根廷巴里洛切的研究人员在快速网络恢复算法和低价检测系统之间进行了研究，分析了在以编码为基础的PON检测系统中得出错误检测数量的解析式。如图7所示是研究人员提出的检测系统方案图。实验研究结果表明，研究人员推导出的关于错误检测平均数的解析式在上述检测系统中是有效的。


 图7 无源光接入网路中的检测系统方案图 
开关键控（OOK）技术和PIN光电检测器由于具有充足的频谱和PIN光电检测器低廉的价格，而被大规模应用于中短距离高速自由空间光（FSO）通信系统中，但是系统性能通常会受到许多噪音的严重影响，如背景光，散弹噪音和热噪声。纠错编码通常被用来提升FSO通信系统性能，其中低密度奇偶校验码（LDPC）被认为是最好的纠错编码，可以几乎接近香农极限。最近，来自中国空间技术研究院的研究人员在使用OOK技术和PIN光电检测器的FSO通信系统中，对LDPC进行了最优化设计，通过不对称的密度演化来处理符号独立的噪声分布，如图8是结合四种不同搜索算法的最优化方案图，这四种搜索算法分别是差异进化算法（DE），差异算法（GA），粒子群算法(PSO)，模拟退火算法(SA)。度分布对随机产生，分割成四部分，分别应用四个不同的搜索算法。密度演化被作为价值函数用来计算错误概率，四个算法并行运算升级。在确定了升级迭代次数之后，最好的度分布对（具有最好的误码率表现）被随机插入四个不通算法部分。结果表明，研究人员提出的度分布对相比较三种传统的LDPC相比较，表现良好，且优化的方案对于二进制非对称信道可以无限接近香农极限。


 图8 应用四种不同搜索算法的最优化方案图 
光信号传输

光纤通信链路中光信号的传输性能通常会受到光纤非线性效应的影响，通过非线性补偿可以减小非线性失真。在波分复用信道中由于邻近信道的强度波动，存在着交叉相位调制（XPM）负面效应影响，宽带非线性补偿技术如总场数字反向传播（TF-DBP）技术和光学相位共轭（OPC）技术被相继提出。TF-DBP技术用来补偿确定性信道损伤，包括XPM，虽然TF-DBP技术是非线性补偿方式中非常有效的一项技术，但是其实现需要复杂的电子资源，而光学相位共轭（OPC）技术中产生相位共轭需要较高的泵功率。补偿XPM的一项较为简单方式是在波分复用信道的一条边带中用全部的功率来驱动相位调制器，该技术需要高带宽光电检测器，最近，来自澳大利亚莫纳什大学的研究人员，通过实验验证了使用低带宽光电器件来减小XPM，如图9是该实验系统方案图，两个线宽小于<100 kHz的可调谐外腔激光器来产生泵信号和探针信号。开关键控（OOK）泵信号的数据储存在任意波形产生器（AWG）,然后驱动强度调制器，两个独立的比特序列通过专业软件离线产生，通过上采样来与AWG的符号率相匹配。为了能准确估计短距离信道的误码率表现，在QPSK信道上增加噪音来获得9dB的光信噪比（OSNR）。结果表明，研究人员提出的基于低带宽相位调制器的新型非线性补偿技术可以有效地抑制XPM，提高了相邻波分复用信道的误码率表现。

 图9实验系统方案图 
随着终端用户对各种应用的需求不断增长，如高清视频、网络电视和云计算业务等，数据中心面临巨大的升级挑战，短距离光学互联在数据中心服务器之间显示出了巨大的带宽潜能，服务器之间可以共享处理和储存的资源，但是关键问题是如何同时实现高容量传输和低价运营设备。目前，短距离光学互联主要依赖于低价的垂直腔面发射激光器（VCSEL）,多模光纤（MMF）和直接检测技术。尽管高阶调制格式可以在短距离光传输应用中增加比特速率，但是也具有更高的功率预算，因此非归零（NRZ）信号是比较适宜的。使用带宽限制的VCSEL，高速传输后的接收信号会受到严重的符号间干扰（ISI）,仅仅使用传统的线性前馈均衡器（FEE）无法将信号恢复到可以正常通信的水平，随着集成电路和高速数模转换技术的发展，使得复杂均衡技术的应用成为现实。最大似然估计（MLSE）是基于维特比算法的一种技术，可以用来提升信道的性能。减少MLSE运算复杂性主要需要通过减少维特比算法中的软判决时间，大多数经过接收FEE纠错的数据硬判决正确，而软判决的值却是不相同的，这样的传统MLSE会带来较高的计算复杂性，导致在接收端的数字信号处理（DSP）的代价较大,最近，来自北京大学先进光学通信系统网络国家重点实验室的研究人员提出了一种简易的MLSE算法。结果表明，虽然使用了带宽限制的VCSEL（3dB带宽仅为18 GHz），该简易MLSE算法可以使数据信号在56米MMF上实现传输，而且相比较传统的MLSE算法，可以减少将近87.8%的运算复杂度。