2017年7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
    2017年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、调制技术、传感器、激光器、光传输与光波导等，笔者将逐一评析。
1.光网络及子系统
    空分复用（SDM）传输技术的成熟应用（例如多模光纤（MCF）传输信号等技术的实现及应用）体现了该技术相比单模光纤传输具有更加明显的发展潜力。大型SDM系统中放大器电源功率的衰耗可能成为未来该技术发展的重要限制因素。如果考虑在潜艇系统中引入该技术，电力输送限制尤其明显，因为电力从岸边供应。而且，功耗的限制将影响传输链路中高密度集成现有的光电子器件。但值得注意的是，低信噪比传输信号不但能降低每个信号的平均收发能量，还对提高SDM系统的总体光谱效率（SE）具有好处。研究人员已经实验证明：通过增加空间维数，能降低发送数据的SE，并可使得SDM系统具有显著的功率效率优势，并在非线性最优条件下运行。研究人员虽然在尽力优化SDM系统的容量，但系统的可用光功率被限制问题尚未得到彻底解决。研究人员首次证明了具有功率最大化的基于EDFA（掺铒光纤放大器）SDM系统的最佳光谱效率。实验证明在一定条件下最优S E并不依赖于系统参数（如光纤长度），而仅依赖于对传输性能有影响的调制格式受到的香农公式限制，实际应用中传输的信号当低于系统的非线性容限时，能在节省功率的同时达到最佳传输性能。研究人员还通过实验与之前的预测进行比较，证明目前基于SDM系统传输采用12芯光纤具有最佳的SE性能。同时，研究人员在理论上和实验上证明了最佳SNR（信噪比）和最大功率SE值的关系。最佳运行效果显示为SDM系统具有最大有限可用功率。研究人员已经证明，因为香农限制条件存在，上述传输系统在最大SNR≈1.72和SE≈2.89b/ s / Hz的条件下新能最优，其传输系统原理框图如图1所示。

图1  传输系统原理框图
2. 调制技术
    相干光正交频分复用（CO-OFDM）技术因为其具有一定的抵抗光纤损耗和色散特性且具有高频谱效率，高接收灵敏度已被人们广泛认为是最有希望成为长距离光信号传输的候选技术。然而，由于系统噪声影响且OFDM信号易受激光器相位变化的影响从而限制了系统的传输性能，因此窄线宽激光器的应用不可或缺。在抑制有效相位噪声的方案中需要考虑到应用低成本宽线宽激光器时，可以选用OFDM传输信号来改进系统的收发性能。在OFDM传输系统中的相位噪声影响的研究大体上可分为两大类型：常规相位误差（CPE）分析和载波间干扰（ICI）分析。CPE是相位旋转引起的，所有OFDM信号中的子载波均遭受相同的影响；而ICI由衰耗引起，考虑到子载波之间的正交性通常被认为是加性高斯白噪声。与ICI相比，CPE比较容易补偿，因为它以同样的方式旋转了所有的星座点。此外，当CPE相位噪声相对平稳时，ICI的影响效果比较微小，传输系统的运行及信号传输主要受CPE的影响。OFDM信号收发功率平均值的计算主要通过测算插入子载波导频的角度以及在相位旋转影响后接收到的信号功率。CPE影响能基于最大似然算法进行补偿，但补偿效果不一定明细；值得注意的是，当相位噪声越来越严重时，ICI的影响可以忽略不计。当激光线宽较大或使用高阶调制格式时，减少ICI引起的影响是必须要考虑的因素。如果使用线性插值导频技术，能实现局部ICI抑制；如果采用时域盲相抑制的方法进行分区处理同样也可以减轻ICI影响。目前，基于RF导频的相位噪声抑制方法被提出用来解决ICI问题，研究人员在此基础上提出了采用采用正交扩展（OBE）相位噪声抑制的方法。研究人员基于对导频子载波的分析来设计相关组件，以减轻对CPE和ICI的影响。在实验中，研究人员采用伪导向器而不是采用导向器来提高系统传输频谱效率以保持系统传输性能。最近，研究人员提出了一种基于使用主成分分析（PCA）的相位噪声抑制方法来实现特征向量扩展（EBE）。与基于相位噪声抑制方法不同，研究人员通过实验测量得出了更多适当的实验参数，并在基于DFT的正交调制阶段使用PCA分析噪声以更好地跟踪相位噪声。数值研究结果表明：研究人员提出的新方案明显优于基于OBE的相位噪声抑制方法，并可在不同激光器线宽应用条件下进行信号传输。来自北京大学的研究人员提出的此类用于CO-OFDM系统的相位噪声的抑制方法使用了EBE方法，其主要原理是通过采集PCA的相位噪声样本，以准确估计系统的收发性能，并实现了对系统其它相位噪声的抑制。研究人员证明：上述方案中使用的特征向量仅与激光器线宽相关，所以当激光器固定时，只需要计算一次信号传输的距离。研究人员采用基于EBE相位噪声抑制方法搭建的CO-OFDM传输系统示意图如图2示。

图2 采用基于EBE相位噪声抑制方法搭建的CO-OFDM传输系统示意图
3.传感器
    液体水平位置在化学行业生产领域中是燃油储存和水位监测的重要参数。在实际应用场景下，液位电位传感器被广泛使用，但被监测的液体应具备不导电和无腐蚀性特性。另一方面，光纤液位传感器通常被紧凑设计，并被要求具有高精度和免疫电磁干扰特性。最近，研究人员开发了一些基于光纤布拉格光栅（FBG），长周期光纤光栅LPG（液化石油气领域可以应用），麦克逊光纤干涉仪（MI）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的光学光纤液位传感器。同时，基于液位测量的光纤激光传感器也有相关研究涉及。如果结合LPG的特性，MZI光学光纤液位传感器可同时测量液化石油气的液体水平和温度，并且该传感器具有高灵敏度。已有研究人员提出传感器对温度改变不敏感的问题，因此可以选用硅胶管液位传感器。但是，上述传感器基于复杂的制造程序或巨大的控制系统，在短时间内无法改进。例如，制造FBG需要准分子激光器，并且光源激光传感器的控制系统极其复杂。在本文中，研究人员在两个无芯光纤（CF）之间连接一部分由DSF制成全光纤模态干涉仪，利用全光纤模态干涉仪进行液位感测。测量原理是基于检测共振倾斜波长的转向液位变化和三种不同相对RI。由于测量距离较小，在DSF核心和周围介质之间的灵敏度能够提升。上述系统的检测灵敏度为191.89pm/mm，水位范围为0〜55mm。与其它相关传感器相比，之前应用的多数传感器没有突出的检测灵敏性，同时其温度敏感性没有有效得以测量。研究人员使用球形光纤结构可同时测量液化石油气的水平和温度，并得到214pm/mm的检测灵敏度。采用上述方法设计的传感器采用了更容易制备的方法且同时具备高水平灵敏度，并且该传感器还表现出-0.128mm/℃低温交叉敏感性。最近来自中国全光网络重点实验室的研究人员提出并通过实验证明了可用于液位感测的CDC光纤结构。DSF被用作传感器的传感部分。DSF的核心非常接近周围的媒介，因此对外部液位的增加具有高度敏感性。在实验中，共振倾斜波长与液位成线性关系，RI对相应的三种不同液体的敏感度为191.89pm/mm，208.11pm/mm和213.80pm/mm。经验证，当利用传感器进行温度测试时，传感器的交叉灵敏度为-0.128 mm/℃。因此，该传感器是全光纤化学品液位测量的潜在候选装置，其使用的光纤结构图如图3所示。

图3 传感器配置相关光纤的示意图
4.激光器
    大型数据中心是集中各类型中小型数据并最大限度地降低运营成本提高增值利润的产物。许多公司正计划构建大数据中心行业以完成转型发展，而设计复杂度较低的大数据中心，能够提高能源效率和提供更简单的基础管理设施。当前最大的数据中心正由中国廊坊国际信息集团建造，占地630万平方英尺，最大光学设施链路长度为1.53 km。研究人员提出，比较适合数据中心的电缆分配模式是双模分配，其中大多数链路长度限制在一个建筑物100米范围之内，到邻近的建筑物约为1-2公里。目前对于计算机（HPC）和数据中心，最简单的高效节能光链路是接收机与基于垂直腔面发射激光发射器的互连光纤（使用低成本注塑微光学多模光纤（MMF）），光纤的两端是基于直接调制850nm垂直腔面发射激光发射器/光电二极管（PD）阵列。实际应用中，基于850nm多模垂直腔面发射激光发射器产生的信号传输距离大约为100-200米，因此研究人员对光纤链路距离扩展技术产生了广泛兴趣。1060 nm 多模式垂直腔面发射激光发射器已经可以在距离达到500米以上的MMF链路中通过再优化信号传输技术将信号在高达1公里的MMF链路中进行传输，如果采用高阶调制技术（例如四电平脉冲幅度调制（PAM4）技术）还能通过使用较低的波特率实现更长的传输距离。然而，由于多模垂直腔面发射激光发射器与多模光纤中的模式分散效应共同限制了信号传输范围，使得其传输距离在1公里以下，阻碍了该类低成本技术在数据中心链路长度超过2km时的应用，因此需要寻求一个通用的低成本解决方案，以在技术上实现同时满足短距离和长距离数据中心的传输要求。解决上述难题的一个方法是扩大单模垂直腔面发射激光发射器和标准单模光纤部署长波长连接的覆盖面。当波长约1310nm或更长时，需要在SMF-28中维持单模操作（因为在波长小于1260nm时信号传输容易变为多模传输）。目前，1500nm单模垂直腔面发射激光发射器可以产生22GHz小信号带宽的载波，1530nm单模垂直腔面发射激光发射器能生成传输2km的56Gb/s的PAM4信号。但实际应用中，垂直腔面发射激光发射器生成高速长波长的光载波是有一定难度的。在本文中，研究人员首次提出调制1065nm单模垂直腔面激光发射器并在2公里标准单模光纤（SMF-28）中下传输50Gb/s的数据，上述解决方案可以使得1310nm和1065nm垂直腔面激光发射器共享未来大型数据中心的普通光纤基础设施。但该解决方案存在的一个问题是可能存在两种光纤模式传输干扰的可能性，一种可能的解决方案是为避免不必要的模式间干扰影响采用阻止其初始激励或者使用模式过滤器，实际应用中采用偏移配对连接器用于激发传输链路中的二阶模式是最有可能的解决方案。但二阶激励模式可能导致差分模式的影响，从而将造成多个偏移信号间干扰的产生并影响连接器的使用。基于单模垂直腔面发射激光的长距离传输链路已经证明上述过程能在1μm波长范围内工作。为了实现单一模式下操作，大多数器件的制备和应用基于小直径氧化物孔（2-4μm）来实现。实际中，满足设备要求的电阻器件难以制造，并且在非常高电流密度条件下实现操作也是不可靠的。研究人员采用的方法是设计一种新型具有6-7μm的大氧化物孔径并降低串联电阻，同时允许更高的范围输出功率的单模垂直腔面发射激光发射器，该激光发射器在边模抑制比大于42dB时，可以实现了分辨率小于0.1nm的3dB线宽光信号的产生。最近，来自美国惠普实验室的研究人员展示了收发PAM4信号基于1065nm单模垂直腔面激光发射器器的传输系统，该系统可以实现在2公里SMF-28光纤的距离上传输50Gb/s的数据，此解决方案使得低成本的垂直腔面发射激光发射器能被普遍使用，而普通单模光纤基础设施也可以在未来硅光子学领域得以应用。如果发现由于模式干扰而造成实际应用的功率损失太大，将有如下几种可能的解决方案能够减少上述损害：一种方案是使用高精度连接器，另一方案是在光纤链路中使用模式滤波器，第三种解决方案是使用微改造的SMF-28型光纤链路以降低其截止波长。基于单模VCSEL的大型数据中心收发系统示意图如图4所示。

图4 基于单模VCSEL的大型数据中心收发系统示意图
4．光传输与光波导
光纤无线融合通信系统的应用特点表现在其整合了长途光纤传输链路大容量和无线传输链路高移动性的优势，因此它不但具有提供大容量长途传输信号的巨大潜力，同时也能采用无线传输技术实现也带移动数据通信的大容量应用。最近，研究人员已经通过实验证明了可采用偏振复用正交相移-键控（PDM-QPSK）技术结合调制80Gb/s毫米波的技术实现300米无线链路的传输，其中生成20 Gb/s的W波段（75-110 GHz）无线毫米波信号实现了有效收发过程。高频率W波段器件包括W波段光电二极管（PD），高频天线，混合器和电子放大器（EAs）等，上述器件通常较为昂贵并且相对难以制备，而且接收和处理高频的W波段无线毫米波信号通常需要模拟无线接收端的下变频过程，这无疑会增加整个系统运行的复杂性。与W波段相比，K波段（18-27GHz）的频率相对较低，并且K波段的设备便宜得多且制备相对简单，相对低频的K波段无线射频（RF）信号可以直接由带宽足够的模拟数字信号过程进行接收和处理，因此能避免在无线接收机中进行模拟下变频。此外，相比于W波段而言，在户外传输条件下，K波段有相对低的大气损失。因此，与W波段相比，K波段光纤无线整合传输系统有可能提供大容量的长途无线信号传输，并且整个系统具有更低的成本耗费和更简单的体系架构。因此，研究K波段光纤无线融合非常具有发展前景。在本文中，研究人员通过实验证明了在K波段可以实现大容量光纤无线一体化系统的长途传输过程，他们通过采用16进制偏振分复用正交幅度-调制（PDM-16QAM）技术生成高达4Gbaud（32 Gb/s）的信号从而在超过100公里单模光纤28（SMF-28）中进行信号传输，他们还在空气中进行1公里2×2多输入多输出（MIMO）无线链路的K波段信号传输，并实现了其误码率（BER）值低于硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值3.8×10-3。研究人员还通过实验证明了光纤无线融合传输系统在K波段能够实现大容量信号的长途传输及收发。在研究人员演示的实验系统中，高达4Gbaud（32 Gbit / s）PDM-16QAM信号能在100公里的SMF-28上传输后再实现距离大于1公里的K波段无线传输，研究人员还比较了PDM-QPSK和PDM-16QAM信号的收发性能，并证明了采用PDM-16QAM调制技术可在更高的传输比特率条件下实现更长的无线传输，其实验装置图如图5所示。