2017年6月PTL光通信论文评析

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导读：

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖
2016年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：调制技术、光网络及其子系统、激光技术、光传输等，笔者将逐一评析。
1.调制技术
在过去十年中，具有高频谱效率和兼容性良好的正交频分复用（OFDM）技术已经在光学领域中被广泛研究，并且相干光OFDM（CO-OFDM）技术被认为是高速光传输和相干PONs的候选技术。频偏（FO）估计是FO-OFDM接收机中的重要技术，当FO未能在信号载体与本地振荡器（LO）信号间完成对准工作时将会引起载波间干扰严重进而导致系统收发信号性能下降，因此要对信道估计进行辅助校准获取准确的估计以及提前对FO进行序列补偿。为此，基于校准系统的FO估计方法（TS）已经被提出。在这些方法中，首先计算TS的相关性，并计算平均相位，通过计算相位角来获得与FO估计成正比的增量相关值。为了对抗噪音和提高精确度，更长的TSs（2×64分）是首选，但会增加计算的复杂度。此外，FO会随着时间的推移而波动。事实上，这需要在对FO进行初始估计后采用一个有效的FO跟踪方法。这个问题可以通过周期性地插入单独的FO估计来解决，但是这一操作的复杂性可能很高。而且很少有研究涉及到单载波动态FO漂移跟踪问题和OFDM系统。在本文中，研究人员专注于FO漂移跟踪方面的研究并提出了一种新的应用于CO-OFDM系统的迭代估计（IFOE）方法。IFOE周期性地在数据块之间插入TS估计并且跟踪实际FO。在每个块/迭代中，只判断FO信号的容量而不需要相位计算。估计后的FO通过利用来多个先前块的FO信号信息进行迭代更新（逐块）。在应用典型的外腔激光器（ECL）的相干系统中LO的变化率为几百赫兹/微秒，而典型的系统速率大约是10GBd。因此，如果在适当的时间内插入TS，FO变化跟踪则可以实现。这个理论通过160公里的CO-OFDM传输实验被验证。结果表明，IFOE方法可以比一次无跟踪FO估计获得更好的性能。最近来自北京大学的研究人员提出了一种新的IFOE方法，此方法可以在CO-OFDM系统中估计和跟踪FO，这一估计仅记录FO的信号信息。FO估计在基于多个FO信号信息的块上被更新，这有助于抵抗噪音。IFOE方法的有效性在QPSK和16QAM的CO-OFDM传输实验中被研究，实验结果显示与使用长TS的单独FO估计的方法相比，本方案具有最小Q值。

图1 （a）CO-OFDM系统的DSP框图。（b）采用IFOE结构CO-OFDM框架结构。（c）显示每个子阶段上单独的FO估计量。（d）提出的IFOE在每个子阶段的说明。

电信运营商正在试图结合系统的灵活性，鲁棒性和兼容性寻找新的能够在传输过程中提高数据吞吐量、提升光接入网（OANs）的容量和覆盖范围的方案。相干超密集波分复用（UDWDM）无源光网络（PON）一直是一个有吸引力的解决方案，该方案利用收发器的数字信号处理（DSP）功能，可以同时提高频谱效率（SE）和灵活性。该解决方案旨在提供一个虚拟的可调点对点的WDM系统，即每个用户拥有专用波长，并且几个单极化（SP）和双极化（DP）调制格式的设计网络方案已经被提出了。一个具有双极化正交相移键控（QPSK）调制格式的UDWDM-PON系统由相位和极化分集相干接收机支持其工作，并提出且演示了离线数字信号处理功能。综合奈奎斯特整形，单极化的相位编码和每个极化的正交信号均可提供一个高频谱效率网络。频谱效率是解决相干PON问题的方案之一，该方案吸引了大量关注并已被广泛研究。收发器只需要支持一个极化的同相和正交信号，然而需要在光域中进行自动偏振控制处理。在本文中，据研究人员所得到的研究成果，研究人员根据相干UDWDM-PON进行了第一个基于M-PSK的单极化系统的实时实验。分析的结果源于现场可编程门阵列（FPGA）处理的实时数字信号处理的过程。硬件DSP讨论了DP M-PSK调制格式的架构，这是基于研究人员以前的频谱效率设计方案。通过应用四个具有电前端接收器只有1 GHz的模拟带宽1.25Gsa / s模数转（ADC），研究人员相信它所展示的结果是数字相干PON的最低要求采样率。这是通过使用相位和极化分集相干接收机，结合DP-QPSK和DP-8PSK调制格式来实现的，并为每个最终用户分别提供为2.5和3.75 Gb / s的频谱效率。该实验系统的容量可以轻松实现扩展了更多的激光器（即UDWDM通道），每个用户的比特率也可以通过增加ADCs的采样率和带宽来改善。
最近来自葡萄牙阿威罗大学的研究人员通过实验分析了基于DP M-PSK的UDWDM-PON系统的信号传输能力，并利用FPGA对OLT / ONU接收器进行仿真实验。0.625 GbaudDP-QPSK信号和20个信道的DP-8PSK信号能够在超过100公里的SSMF上成功传输。作为确保UDWDM网格灵活性的一种方式，该结果意味着ODN的功率预算需权衡用户数量或覆盖面。利用由复杂的单极化调制格式提供的高光谱效率和无线电频率，降低了操作成本。随着光子整合结合相干探测的灵活性和兼容性在逐渐发展，研究人员一致预计相OANs将在不久的将来成为一个现实。

图 2 DAC / ADC光学模拟系统

2.光网络及其子系统
由于正交频分复用无源光接入网络（OFDM-PON）其固有的优点，如高光谱效率，接入分散性强，资源分配灵活，正交频分复用无源光网络已经成为未来光接入网络的突出候选技术。然而，由于PON的传输结构，OFDM系统会产生信息安全漏洞，会导致系统易受到主动或者被动的攻击。因此，需要一种可靠的安全的可以在OFDM-PON中进行数据传输。最近混沌相关加密算法吸引了很多研究人员的兴趣。它们已被广泛应用因为其具有吸引人的混沌特征、遍历性、伪随机性和初始敏感性高。将数字混沌纳入OFDM传输是很自然的事情，就像数字信号处理（DSP）在在发射机/接收机中是不可避免的。然而，大量的OFDM子载波带有高峰平均值功率（PAPR）是其中的主要问题之一，这就需要在接收机中引入非线性失真补偿技术。星座图拓展（ACE）理论已被提出，并且被证明即使在具有大量子载波的情况下，其效率一直随着PAPR的减少而减少。对于OFDM-PON，研究人员已经提出了使用混沌信号扰乱混沌预编码用以减少PAPR的安全方案。在本文中，研究人员首次提出并展示了一个在OFDM-PON中用来增强了物理层安全性的混沌ACE算法，这项改进同时可以改善OFDM传输性能。多重数据加密在在ACE中产生混沌交织信息，也在OFDM信号同步时产生了混沌训练序列。一个巨大的密钥空间是由4维（4-D）超数字混沌模型建立，其中初始值和重复次数作为安全密钥。由于超数字混沌的初始值敏感度高，只有合法的具有正确安全密钥的光网络单元（ONU）才可以产生相应的正确混沌序列。在光线路终端（OLT）中实现对发送的OFDM信号进行解密是必不可少的过程。最近来自上海交通大学的研究人员提出并展示出一种应用于OFDM-PON物理层极具安全性的新颖的混沌ACE方案。通过将多重折叠数据加密与OFDM帧交织结合，超OFDM帧交织将会生成和产生同步信号序列，OFDM安全传输与巨大的密钥空间大小为2048！OFDM传输性能提高约1 dB，因为OFDM信号的PAPR有效降低。此外，由于混沌帧交织信息由超数字混沌预先设定，需要引入无边带信息从而改善光谱效率。具有混沌ACE的16-QAM8.9Gb/sOFDM加密信号的成功传输已经证明了OFDM-PON物理层安全算法的可行性和保密性。

图 3.一个16-QAM OFDM信号的星座变化图， ACE处理之前（a）和之后（b）

3.光传输
无线信号在光纤或光载无线通信系统（RoF）上传输是一种可以实现成本效益的有效接入技术。在RoF链接中，全部高成本的信号处理单元集中在中心站（CO），使基站（BS）简化、降低成本。进一步减少成本和运作BS的成本，RoF链路双向的波长可以再次利用BS，避免使用一个额外的激光源而增加不必要的运行成本。许多方案提出了利用来自下行链路光信号的上行波长来进行传输，该方案包括注入锁定法布里-佩罗（Fabry-Pérot）激光二极管，使半导体光放大器（SOA）或反射式SOA（RSOA）的提高增益饱和度。但是，SOA或RSOA的模拟带宽非常有限（通常约1 GHz）。此外，在实现稳定的注射锁定时，注入功率必须大，波长必须在同时注入带宽。且还要尽量减少来自下行链路信号的串扰消光比，下行信号光谱效率必须非常低，这将降低下行链路传输的性能。为了避免来自下行信号的串扰，需要引入无幅度调制的调制格式，如相位调制（例如QPSK或DPSK）可以用于下行链路传输以方便调制下行链路信号。但是，由于下行链路信号是相位调制的，在直接检测的协助下必须使用延迟线干涉仪。因此，下行链路的数据传输速率是不稳定的。为解决这个问题，提出了两种方案。在第一方案中，有两个正交偏振光波，两者都是在下行链路传输过程中偏振下行信号、利用调制器（PolM）对相位调制从而进行波长重用。在第二个方案中，强度调制后的光信号被纯光载波偏振复用然后传输到接收器中，使用解复用器极化分离纯光载体并用于BS中的波长重用。该方案的主要限制是不能实现两倍极化复用，因为传输过程占用了其他极化状态的数据速率。为了提高数据速率，最近来自加拿大渥太华大学的研究人员提出了一个基于波分复用和相干检测的RoF链路。该方案的主要限制是带载波的光学双边带（DSB + C）必须被调制，这可能减少光学能源效率。在本文中，研究人员提出并实验证明了基于载波抑制双边带（CS-DSB）调制、相干检测和数字信号处理（DSP）的双向RoF链路中的波长重用。为了可以实现下行链路的数据传输，带载波的光学单边带（OSSB + C）调制对光信号进行调制然后将调制后的信号传送到BS。在BS，OSSB + C中一部分信号被发送到下行链路的光电检测器（PD）中，微波信号被天线检测并辐射到自由空间。OSSB + C信号的其他部分用于波长重用，该过程通过发送OSSB + C信号到偏向零点的单电极马赫曾德尔调制器（MZM）来实现CS-DSB调制。在MZM的输出端，一个CS-DSB信号携带上行信号和串扰，这是由于重新调制会产生下行信号并将其发回到输出端。在恢复上行链路信号的同时可以从下行链路信号中消除串扰，局部的相干检测采用振荡器（LO）激光源来进行，接着进行DSP处理。使用由DSP单元执行的算法，上行链路信号被恢复，并且与此同时从激光源引入产生的相位噪声被消除。所提出的方案被实验证明极具可行性。实验证明可以成功在17公里的SMF上传2.5Gbps 16-QAM下行微波矢量
信号和一个2.5Gbps的16-QAM上行微波矢量信号，由波长重用引起的功率损失代价小于0.8dB。
RoF链路中的波长重用是基于CS-DSB调制、相干检测和DSP而进行研究的。串扰的产生的原因是下行链路OSSB信号的重新调制。从激光源引入的相位噪声不需要使用相干检测和DSP。经测量波长复用和光纤传输的产生的功率损耗小于0.8 dB，这对上行链路信号传输的影响微乎其微。本项研究可以证明2.5 Gbps16-QAM矩形下行链路微波信号和2.5Gbps16-QAM上行链路微波信号超过可以在SMF上传输超过17公里。RoF链路接口通过使用最先进的FEC技术，可以实现上下行链路的无差错传输。并且相比于与普通公共广播RoF链路接口，本文提出的方案出的关键突出优点在于在RoF链路中BS的成本和复杂性较低。

图4 提出的基于波长复用采用CS-DSB调制、相干检测和DSP的RoF链路的示意图DF1：数字滤波器1，DF2：数字滤波器2

4.激光技术
为满足客户对数据流量不断增长的需求，数据中心的流量一直在稳步增长，并且这推动研究寻找具有能源和成本效益且能够达到高于10 Gb / s传输标准的调制方案。目前研究人员研究了传输速率为25 Gb / s的超标准单模光纤（SSMF），并作为IEEE 802.3标准的下一个目标。此外，数据中心的物理空间需要很少的资源，研究重点是一直寻求仍然能够满足能源和成本要求的一体化紧凑型解决方案。从这个角度来看，直接调制激光器（DML）已经被认为是针对于此方案最好的候选者。事实上，DML被认为是有希望作为短距离外部调制应用的替代品，因为它可以降低成本和功耗。高速DMLs已经被证明它的信号传输能力可以超过10 Gb/s 。但是，对DMLs的部署最主要的挑战是低调制消光比（ER）和由直接调制激光电流诱发的频率啁啾，这些会降低色散公差。在1300nm波段中工作是后者的一个潜在解决方案。然而，较高的光纤损耗降低了系统的功率预算。相反，在C波段（1550nm）中运行将是非常需要的。为了克服这些挑战，从而允许可以在C波段上进行工作，已经提出并成功演示了几种技术，如使用无源滤波啁啾管理、通过使用延迟干涉仪或微环谐振器（MRR）简化ER和色散容限。使用MRR作为增强ER的优点在于MRR是可以在绝缘体上（SOI）平台上以紧凑的方式制造而来。此外，已经证明通过使用MRR的下降端口，激光发射波长和MRR共振可以锁定在一个有效的方式。另外，由于在SOI平台上集成III-V材料这项技术的进步，最近研究结果显示利用硅MRR混合DFB激光器可以集成在芯片上，这将会显著改进DML的性能。因此，在SOI和MRR上的组合III-V激光器是紧凑型发射机用于短距离应用的一种有成效的实施技术。在本文中，研究人员演示了一个全硅传输器以目标比特率为25 Gb/s的速率实现系统的完美运行。这是通过直接调制III-V / Si混合DFB激光器和优化的硅MRR滤波器而实现的。开关键控（OOK）信号在超过2.5公里的SSMF上传输后经无错误（BER <10-9）直接检测被证明无需色散补偿或前向纠错（FEC）。基于混合III-V / SOI DFB DML的短距离应用发射机以25Gb/s的速率运行被证明可以通过使用硅MRR补偿偏移滤波来增强DML调制ER和色散公差，并可以在不使用电子均衡技术的情况下、FEC或色散补偿的条件下实现超过2.5公里SSMF无差错传输（BER<10-9）。DFB激光器和MRR都可以在SOI平台上进行制造，这两个器件可以提供适用于数据应用中心的紧凑型全硅基发射器。

图 5 混合III-V/SOI的DFB激光器结构

对基于声光（AO）相互作用的研究一直是开展实用的全光纤AO器件（例如变频器、衰减器和可调谐滤波器）研究课题的重点。最近研究人员提出了新的方案，该方案使用驻波和短波声波。所有这些设备的优点在于它们可提供动态设备可调谐的振幅和光谱响应。弯曲波的场会产生周期光纤扰动，导致在基本的核心LP01模式和一些特定的家庭包层LP1n模式之间产生多模共振耦合。因此，LP01模式可以耦合到包层模式中以避免干扰器在纤芯内阻碍包层传播的进行。在这种配置下，器件被当作带通滤波器来运行，不符合相位匹配条件的光波长会发生强烈衰减。基于此机制的全光纤AO可调谐带通滤波器（AOTBFs）已被提出并显示其干扰器由核心模式阻塞器（CMB）组成。CMB的先进制造技术包括特殊设计的中空光纤和紫外线（UV）诱导效应。这些设备可以在非谐振模式下实现-35 dB的抑制，并且在基于UV诱导CMB中实现最小为1dB的插入带通损耗。在本文中，研究人员提出了一个结合了动态属性的AO与AMB的AOTBFs。和之前的AOTBFs相比,该方案的优点在于可以避免复杂的CMB制作程序。此外，无芯光纤没有生成反射声波，并且不扰乱包层模式。利用提出的方案，在1545nm的光波长下可获得-31dB的最大拒收效率。另外，考虑到声波的衰减通常被忽略，最近来自西班牙瓦伦西亚大学的研究人员证明它是可以通过适当调整优化响应耦合从而将AOTBF的应用扩展到声光带通调制器（AOBM），继而进行声波反射诱导，其幅度调制调两倍声波频率产生驻波。