2017年9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9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、光接收技术、激光器、自适应解调器、光通信系统，微波光子技术等领域，笔者将逐一评析。
1.调制技术
结合相干检测和数字信号处理技术（DSP）的认知光网络（CONs）可以提供灵活的带宽分配和较高的光谱效率，被认为是解决下一代光网络传输技术的有效候选方案。在CONs中，系统可以自适应改变传输参数，如调制格式，发射机的数据传输速率等，从而灵活适应动态网络流量要求和提高光谱效率。因此，对于CONs中的接收机探测信号的传输参数有必要来对其进行补偿，使得接收机的性能可以达到最佳运行状态。同时考虑到调制格式识别（MFI）技术对于CONs中的接收性能影响至关重要（虽然目前MFI技术在无线领域通信领域得到广泛的发展，但相比之下，MFI技术在光纤通信领域还处于早期研究阶段）,MFI技术在CONs中的应用还具有很大的研究前景。在以前的光纤信号传输的相关文献中人们已经提出了几种应用MFI方法的方案，在这些已报道的方案中，基于斯托克斯空间的MFI技术非常具有发展潜力，因为其应用过程与载波相位噪声，频率偏移不相关。然而，目前提出的大部分基于斯托克斯空间的MFI方案需要高复杂度的计算算法支持（如最大期望值算法，最大似然估计算法等）。在本文中，来自广东中山大学的研究人员在相干光接收机的基础上提出了基于减法聚类算法低复杂度的MFI应用方案。在实际应用过程中，采这种MFI技术双极化仿真系统在其规定的信噪比（OSNR）范围内能成功实现BPSK，QPSK，8PSK，8QAM和16QAM等格式的灵活调制；相比基于其他聚类算法的MFI技术，上述方案能够在斯托克斯空间内显示较好的光学OSNR性能，并且DSP的复杂度较低。另外，实验证明应用MFI技术的PM-QPSK和PM-16QAM极化复用系统可以实现在长距离的光纤承载高速信号传输。研究人员在数字相干光接收机的基础上提出了基于斯托克斯空间的减法聚类算法MFI技术，他们开展的研究证明， PM-BPSK、PM-QPSK、PM-8PSK、PM-8QAM和PM-16QAM信号都能够被调制后成功生成；研究人员提出的基于斯托克斯空间的聚类算法MFI技术的性能与目前已有其他算法相比，其OSNR性能将达到很好的效果，且计算复杂度低；研究人员还证明了在PM-QPSK和PM-16QAM系统中，在实际的长距离光纤通信系统中信号能够被有效传输。相关算法的流程图如图1所示。

图1 相关算法的流程图
2.光接收技术
目前，随着对芯片和系统间实现互连所需带宽的要求日益提升，应用高速、高效、小型、低成本的光学接口解决方案来满足带宽的需求也日益迫切。基于硅基光子互连的解决方案是一种有前景的备选技术，因为它具备充分发挥成本效益和易于电子集成的优势，并且光子器件与硅基电子电路的单片集成技术可能是未来最具发展前景的应方案。目前已有一些关于光调制器、光接收机和其它光电集成电路的文章和报告被人们所熟知。一个例子是，单片集成的光接收机已实现基于IHP光子双极-互补金属氧化物半导体（BiCMOS）技术的操作，也有研究人员对25Gb/s和40Gb/s信号探测的光接收机其灵敏度，误码率和能效分别进行了测量，结果为：在传输速率为25Gb/s的情况下，灵敏度，误码率和能效值分别为−15-dBm，10−3，2.3pJ/bit；在传输速率为40Gb/s的情况下，灵敏度，误码率和能效值分别为−3-dBm,2.5×10−11，6.9pJ/bit。虽然这些结果令人印象深刻，但对于光互连应用而言，还需要更好的接收灵敏度和能效值。因此研究人员建立了一个更精确的GE-PD电路模型，并将其用于光学接收机的优化设计过程。基于上述模型，人们可以设计出光学接收机中的放大器，以此获得最佳增益和有效带宽，从而获得更好的信噪比和能效。此外，研究人员还证明了测量的光接收机性能实验值和其仿真研究结果高度吻合，因此他们认为上述步骤是实现高性能和高性价比的光电集成电路（包括具有高度集成的Ge-PDs）设计必要的步骤。研究人员对基于IHP的光子BiCMOS技术的25Gb/sGE-PD单片光接收机进行了实验研究，研究结果表明：采用精确的GE-PD电路模型能够提高光接收机的性能，对25Gb/s传输速率字长为231−1PRBS的数据信号而言，其检测灵敏度为−10 dBm，能效为1.5pJ/bit，并分析了其误码性能和眼图的实际测量效果。25Gb/s传输速率的单片集成光接收机设计框图如图2所示。

图2 光接收机的设计框图

3.自适应解调器
在未来的超高速光通信领域，除了振幅、波长、相位和偏振等广泛应用的光特性参量之外，轨道角动量（OAM）将会提供一种新的光束调制维度。原则上，承载不同OAM状态的光束相互正交，而OAM特征态数目是无限的。因此，在无线通信系统应用中，OAM技术的发展能满足日益增长的带宽需求。目前，基于OAM的主流通信技术包括轨道角动量多路分复用（OAM-DM）技术和轨道角动量键控（OAM-SK）技术。在OAM-DM技术中，载有不同OAM状态的光学涡旋光束被视为带有独立信息流的独立通道。此外，OAM-SK技术是基于OAM的创新探索，它具有设备简单和成本耗费低的优势。在OAM-SK技术中，基于光学涡旋（OV）光束的OAM状态被认为是一种新的调制格式。已有研究者通过加载不同的动态计算全息图（CGHS）,将不同的OAM模式与空间光线调节器（SLMs）相对应，将高斯光束调制到携带不同OAM状态的光学涡旋（OV）光束中。然而，在解调过程中，不同的CGHS需要先后加载到SLMs上来观察是否出现了一个亮点，然后恢复初始信息，导致解调效率较低。近年来，机器学习技术已经被广泛应用于图像识别，语言识别，语音翻译以及光通信中，研究人员采用基于向量机（SVM）和KNN算法来缓解相干光通信中的光纤非线性效应。因此，研究人员提出了一种基于BP-ANN的方法来识别LG光束的强度模式，但作为基于OAM的自由空间光通信（FSO）性能的关键因素之一的模拟中继（AT）问题并没有解决，它能扰乱LG光束的波前相位，并诱发信号串扰。在实际应用中，研究者并没有考虑不同中继（AT）、传输距离和OAM模式间距的影响。此外，作为一种传统的算法，BP-ANN只能处理原始图像，而原始图像的形式还需要专家们手动设计特征提取器来转换。相对而言，在处理没有特征提取器的原始图像时，CNN具有优势，但局部极小值和超拟合的情形很少在CNN中发生，这就限制了BP-ANN的泛化性能。最近，CNN的图像识别能力得到了大幅提高，并且在许多领域得到了突破性进展。因此，研究人员采用CNN作为自适应解调器直接对发生畸变的LG光束进行了识别。在本文中，研究人员提出并证明了基于CNN的M进制自适应解调器，用以监测畸变的LG光束。同时为了进行有效对比，研究人员还研究了KNN,NBC和BP-ANN算法。然后，研究人员也对4进制，8进制和16进制的OAM系统中不同模拟中继（AT）的DER性能进行了研究，还分析了不同大气扰动下解调器的应用性能和在不同的大气扰动情况下，不同的模式间距和传输距离的关系。研究结果表明，在强湍流时较长的距离和较小的距离中，基于CNN的自适应解调器的DER性能优于其它自适应解调器。尤其是8-OAM的FSO系统在信号传输1000m和强烈湍流情况下，CNN的DER性能接近于0.86%，这大约只占到KNN算法DER性能的12.9%，占到NBC算法DER性能的11.3%，占到BP-ANN算法DER性能的29.3%。基于CNN的自适应解调器的系统图如图3（a）所示，OAM-SK-FSO通信系统的数值模拟仿真模型如下图3（b）所示。

图3（a）基于CNN的自适应解调器图解

图3（b）OAM-SK-FSO通信系统的数值模拟仿真模型
4.激光器
光纤传感器在过去几十年内已被广泛应用，应用实例包括常规的光纤布拉格光栅（FBG）和基于光纤干涉仪的传感系统。近年来，光频域反射仪（OFDR）由于其具有较大的复用容量而成为了研究热点。对于低带宽OFDR，可以应用分布式反馈（DFB）激光器来解决带宽的问题；通过调制输入电流可实现100GHz的频率偏移。啁啾DFB激光器的缺点是其非线性的扫描过程和不一致的扫速速度，虽然可以采用预失真波形来减轻影响，但是输出波长和输入电流之间的线性关系会随时间而变化，从而使得非线性负面影响不可能完全消除。基于上述情况，人们考虑使用一个辅助时钟。最近，基于数字锁相环路（DPLL）的DFB激光器被提出进行研究，该激光器被用于亚太赫兹范围内的光纤传感器（sub-THz-FS）阵列。研究结果证明，DFB的输入电流能够实时调整，从而可以使每个啁啾脉冲内的扫描速度保持高度线性。同时，垂直腔面发射激光器（VCSEL）也有希望成为OFDR频率扫描的候选器件；与DFB激光器相比，VCSEL具备效率更高，成本更低的优点，更重要是它有一个广泛的无节点调谐应用范围。目前，全数字锁相循环（ADPLL）技术被提出以确保每个啁啾脉冲的扫描速度为30.28GHz/ms，在此基础上模式跳跃电流也被进行了系统研究。通过调整工作温度，可以实现自由频率偏移为212.12 GHz的模式应用系统。研究人员设计了基于VCSEL激光扫描的锁相光脉冲发生器，该器件具有较大的扫描带宽。通过采用ADPLL技术，研究人员采用FPGA芯片来实现扫描速度的锁定。实验结果证明，高度线性的扫描过程中其带宽为212.12 GHz，其扫描速度为30.28 GHz/ms。上述实验研究系统也可进一步的改进，并可通过测量THz-FS阵列来展示其优越性能。通过进行一系列静态应变实验，研究人员已经观察到线性测量结果。与DFB激光器相比，VCSEL激光器在扫描带宽方面具有突出优势；此外VCSELs相对功耗高但是其性价比高。上述过程中相关传感和控制模块的示意系统如图4所示。

图4传感和控制模块的示意系统（MZI：马赫-增德干涉仪; TEC：温度控制器;FPGA：现场可编程逻辑阵列; DAC：数模转换器;ADD：加法器; PRE：预失真曲线; LC：回路控制器；REF：数字参考时钟；PD：II型相位检测器; ADC：模数转换器;DSP：数字信号处理单元）。

5.光通信系统
与传统通信系统相比，可见光通信（VLC）系统使用发光二极管（LED）作为光源具有很多优点，例如照明基础设施可重利用、可免受危险的电磁辐射和允许更高的传输频率，基于上述优势，VLC技术有希望成为室内高速无线通信的候选技术。在VLC链路的设计中，考虑到系统的复杂性和成本耗费，白光LEDs被优先考虑。虽然白光LEDs价格低廉，但是数据在被传输的过程中，LEDs的光谱在整个可见光谱范围内存在，从而具有一定的局限性。因此，可以将红/绿/蓝（RGB）LED共三个LED器件集成封装，并通过混合红，绿和蓝的输出光产生白光。因为可见光谱可被分割，能够分为三个独立的通信信道。如果每种颜色的RGB-LED被独立调制，可以通过波长复用实现数据吞吐量达三倍的增长。但是，随着时间的推移，强度和颜色的变化可能会产生多余的、不需要的光谱，对于照明而言是多余的。因此，研究人员提出了一个光强度调制方案，通过改变发送数据来调制RGB-LED发出的光色和光强；研究人员采用的色移键控（CSK）技术保证灯光的强度不会波动，从而限制潜在的闪烁光效应对人类肉眼可视度的影响。另外，在已有的CSK标准中，其较差的显色质量使其不受欢迎。到目前为止，研究人员已经为设计CSK调制系统做了大量的预研工作；并且采用不同的方式对符号差错率（SER）进行了测量（CSK信号的SER可以通过在RGB信道中测量非均匀分布的脉冲幅度调制CSK信号来计算）。另一方面，通过测量的SER结果，可以推导出某些CSK星座图的表达式。星座优化问题一直是提高和改进系统显色性能的关键问题。研究人员证明，基于四种颜色的优化CSK调制方案能够改善调制效率。研究人员还在研究过程中发现高斯噪声损坏的信道会限制系统功率以及光照强度，为解决上述问题他们引入了三个光强信道；然后根据Jensen不等式，研究人员得到相关数据结果，研究结果表明SNR的近似值在峰值和谷值的预测都是准确的。因此，研究人员提出了一个基于RGB-LED的CSK系统。经过一系列实验，他们得到了SNR数值，且实验证明该数据接近真正的SNR数值，特别是在非常高和低信噪比的实验方案中，上述测量结果更为准确。通过实验，研究人员也注意到与信号无关的噪声对信道并未产生很大的影响。考虑到在信道中，噪声占主导地位的情形可能在未来的实际应用过程发生，相关研究仍需继续开展。研究人员设计的CSK系统如图5所示。

图5 CSK系统框图

6.微波光子技术
扩频微波波形技术已被广泛应用于现代雷达系统中用以提高有效信号检测范围，并可保持较高精度的信号检测分辨率。考虑到脉冲压缩因子与微波波形的时间带宽积（TBWP）成正比，基于啁啾或者是相位编码的微波波形将有一个较大的时间带宽积（TBWP），上述特性已在雷达系统中被应用。通常，研究人员可以使用模拟或数字电路生成啁啾微波波形。但对于调制具有高中心频率和大带宽的啁啾微波波形或相位编码微波波形，常规的电子电路可能无法工作。由于现代光子学所能提供的高频和大宽带，扩频微波波形的光子生成技术被认为是有潜在价值的解决方案，研究人员基于此提出了许多新方案：例如，采用基于空间到时间的映射（STM）技术、基于光谱整形和波长-时间谱（SS-WTT）映射技术来生成啁啾或相位编码微波波形。在基于STM的系统中，通常会使用到空间光线调节器（SLM）。使用SLM的优势在于能够实时更新微波波形，但由于SLM的二维特性，其系统相对复杂。另一方面，基于SS-WTT映射生成的微波波形可以通过纯光纤或波导光学技术实现，以使系统简单化；而且通过改变光学光谱整形器或色散元件的频散特性，能完成微波波形的调谐工作。但自光谱整形器或色散元件难以实现上述过程，因为它们有固定的光谱响应。另一种生成啁啾微波波形的方法是将两种由抛物型电子波调制而成的光波相位进行叠加：例如，研究人员提出使用光电振荡器（OEO）来生成一个光学单边带（光波在光电振荡器（OEO）中进行正交偏振复用时使用的方案），然后将其应用到偏振调制器（PolM）上，其中两路光波是互补相位调制的。通过在光电探测器（PD）上检测两种互补的相位调制光信号，能够生成线性微波波形。该方法的局限性在于低抛物型电压应用于偏振调制器（PolM）时会引起小啁啾微波效应；由于微波波形的时间周期维持很短，将会导致有限的时间带宽积（TBWP）的出现。目前，研究人员还提出了一种基于SS-WTT映射产生啁啾微波波形的方案，即通过相位编码提高波形的时间周期，并使用伪随机（PN）序列来改变线性调频波形的极性，从而使TBWP增加。但实现上述技术的主要难点是如何使相位编码的啁啾波形与伪随机（PN）序列实现同步。此外，啁啾波形的中心频率不可调，在实验过程中还需要采用锁模激光光源，该系统相当复杂且成本极高。因此，研究人员设计了一种基于频率可调谐光电振荡器（OEO）的相位编码啁啾微波波形的光子生成方案，用以提高TBWP。由于未采用锁模激光光源，此系统更加简单且成本较低。其中，OEO用于产生一个频率可调谐的光单边带，其频率等于光载波的频率加上OEO的振荡频率；然后将该单边带应用到PolM中，并生成双相编码的电子抛物型信号。研究人员通过在PD上检测两个正交偏振光信号，生成了基于相位编码的微波波形；由于微波波形的时间周期变长，TBWP也随之增加。实验研究结果证明，采用上述方法，当啁啾微波波形的中心频率从6GHz到15GHz变化时，产生的TBWP值为4.51；并且实验验证的两个相位编码啁啾微波波形的两种相位编码信号的时间带宽积（TBWP）分别为58.5和80000；上述相关系统的原理图如图6所示。