2017年10月PTL光通信论文评析

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2017年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：电光调制技术，传感器，激光器，光栅应用，光子系统等，笔者将逐一评析。
1.调制技术
当今社会对数据服务（如移动互联网和大数据）的需求正面临爆炸性的增长，在此情形下需要对光通信传输系统的容量进行扩展以满足容纳更多数据业务的需求。作为高频谱效率调制的有效技术，正交频分复用（OFDM）具有很多应用优势：例如对光纤色散的耐受性好、具有良好的子载波可扩展性和灵活性，以及能够使用数字信号处理（DSP）算法，因此吸引了越来越多的研究人员对其进行应用研究和探索。为了进一步改善频谱效率，具有较小子载波间隔的非正交分频复用（NOFDM）技术变为了近期的研究热点。与相干系统相比，强度调制-直接检测（IM/DD）光通信系统具有较低的成本和功耗，并且可以在无源光网络、数据互连中心和可见光通信中心进行部署。对于基于傅立叶变换的（FFT）的常规IM / DDNOFDM系统，由于子载波压缩数据信号不能根据埃尔米特对称性生成，所以只能借助于基于FFT的NOFDM系统对上变频信号进行强度调制从而生成中频信号。但是，生成的中频信号不仅比基带信号占用更多的带宽，而且信号传输过程中还要求应用具有较高带宽的电器件和光器件。在以往的研究过程中，FFT可以用分数哈特利变换（FrHT）代替以产生没有埃尔米特对称性的实值上变频NOFDM信号。基于FrHT具有更快的奈奎斯特采样频率，因此FTN-NOFDM技术可以应用在IM/ DD光传输系统中，并且在该系统中带宽压缩因素α小于0.5 。FTN-NOFDM技术研究的关键问题是克服由窄子载波间隔引起的载波间干扰（ICI）现象。研究人员已经提出使用迭代检测（ID）算法来减少FTN-NOFDM系统内的载波间干扰生成，但这对高压缩带宽不是非常有效。最大似然检测（MLD）是一种广泛应用的检测误码率（BER）性能的最优算法，但它的弱点在于计算复杂度高且应用成本也较高。同时考虑到在多级输入输出（MIMO）无线通信系统中，研究人员提出利用简化QR和M算法（QRM-MLD）的方法来简化MLD过程。如果M值相对较大，则QRM-MLD算法检测BER的性能非常接近于MLD算法；因此可以考虑把NOFDM系统作为准MIMO系统，QRM-MLD也成为有希望降低FTN-NOFDM系统ICI的算法。基于上述考虑，研究人员提出首先应用QRM-MLD算法减少FTN-NOFDM系统中的ICI。QRM-MLD算法有比MLD算法更低的计算复杂度和更少的搜索路径数。在实验中，他们应用QRM-MLD算法的FTN-NOFDM系统生成并发送了10Gbit /s的传输信号并在超过25公里的标准单模光纤（SSMF）上进行了传输。相比于直流偏移OFDM（DCO-OFDM）系统，具有QRM-MLD算法的FTN-NOFDM系统可以节省20％带宽，并在7％前向纠错（FEC）限制下仅具有约2 dB的功率损失。牺牲接收功率灵敏度能够得到窄的子载波间隔，但是也能显著提高频谱效率。应用QRM-MLD算法还可以减少ICI造成的狭窄子载波间隔，并且QRM-MLD算法几乎可以实现与MLD算法相同的性能，而且它的改善频谱利用率的性能也比ID算法好很多。
来自中国北京邮电大学的研究人员首次应用QRM-MLD算法降低FTN-NOFDM系统的ICI。在实验中，在超过25公里的SSMF上传输了应用QRM-MLD算法的10Gbit/s FTN-NOFDM信号。在QRM-MLD算法的应用下，相比于7％FEC限制下功率损耗约为2dB的DCO-OFDM系统，FTN-NOFDM 功率损失小于1dB并且节省了10％-20％带宽。为了减少ICI，应用QRM-MLD算法可以获得与MLD算法几乎相同的传输性能，并且QRM-MLD算法具有较低的计算复杂度。研究人员指明未来研究工作将重点将放在两个方面：一是在发射机上产生具有较少ICI的FTN-NOFDM信号;二是进一步降低接收机的QRM-MLD算法计算复杂度。基于FrHT的FTN-NOFDM系统测试框图如图1所示。

图1 基于FrHT的FTN-NOFDM系统测试框图

2.传感器
使用强度调制和波长调制技术的光纤折射率（RI）传感器已经被广泛应用于化学和生物传感领域。相关研究工作是通过应用法布里-珀罗干涉仪（FPI），倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）和增强型表面等离子体共振（SPR）传感器来改进RI传感器分辨率进行的。研究人员介绍了应用微加工FPI技术提高RI传感器的灵敏度和分辨率的方法，并说明预计将得到1×10-7 的折射灵敏度（RIU）。通过级联环形谐振器和一个马赫-曾德干涉仪，在Sagnac环中研究人员实现了测量较高分辨率RI的过程，并且达到1×10-8的 RIU值。近年来，基于增强型表面等离子体共振TFBG RI传感器的研究也引起了人们极大的关注。上述RI传感器的分辨率通常限制在10-8 RIU，因此需要进一步改进。研究人员基于单核无芯单模光纤（SNCS）的结构特点，通过在具有腔内强度调制和感测技术的光纤环形激光器中组合多模光纤干涉仪（MMI）实现了高分辨率RI测量。在信噪比（SNR）从1.3349到1.3665变化的过程中，RI灵敏度测量最终结果为-4.98mW / RIU。研究人员还指出，RI传感器系统分辨率可达到2×10-10 RIU，高于现有光纤RI传感器的分辨率。上述传感器系统也具有温度自动补偿功能。此外，通过实验研究人员也分析了光纤激光传感器的稳定性和测量误差。值得注意的是，RI传感器能够实现测量高分辨率参数是因为系统应用了光纤环形激光器和光学光纤MMI，并且该光纤环形激光器是基于SNCS结构和能够在腔内采用应用强度调制和感测技术。RI灵敏度从1.3349到1.3665的测量值为-4.98mW / RIU；相对强度灵敏度从1.3349到1.3544测量值为-196.1dB / RIU。此外，该传感器的SNR值大于55d，分辨率为2×10-10 RIU。实验还分析了温度自我补偿传感器的特征和稳定性。研究人员指出，上述传感器在高分辨率RI测量中具有很大的应用潜力，并且可广泛应用于高容量网络信息传输和远程检测等诸方面。光纤激光传感器的实验装置、FBG的反射光谱及SNCS的RI响应特性图如图2所示。

图2 （a）光纤激光传感器的实验装置，（b）FBG的反射光谱和SNCS的RI响应特性图

3.激光器
最近，氮化镓（GaN）发光二极管（LED）已被广泛应用于信息显示领域（如标牌和一般照明等），其原因是氮化镓发光二极管能源效率高、使用寿命长和制造成本低。同时，考虑到市场对LED有着不断增长的消费需求，LED照明系统的发光质量也急需提高。但研究人员发现：氮化镓发光二极管长时间使用后，光线的频繁闪烁可能导致一些健康问题，包括头痛和癫痫等。最近，相关研究报道了一款新颖的高性能无转换过程LED驱动器，该LED采用功率恒定控制方案制备，不使用大功率和昂贵的电感器、短寿命的电解电容器（E-cap）和常规的LED驱动器，所以闪烁程度低。这个LED驱动器也有特殊的设计，例如配置中大量串联LED，并且封装形成的LED相关性能变化特性（例如正向电压，波长和能量效率变化等）很小。虽然LED驱动器附加稳压电流源或平衡电阻可以在一定程度上简化LED驱动电路的设计复杂度，是简化后LED的可靠性低和封装成本高使得该器件不能被广泛应用。为解决上述问题，研究人员提出应用高压LED（HVLED），其原因是高压LED采用低电流运行模式，能够大幅提高系统效率，并简化设计流程。此外，根据相关设计数据证明，HVLED应用更可靠、封装更紧凑和成本较低。因此，HVLED的制备是LED驱动器实现均匀稳定照明的一个有发展前景的候选兼容方案。基于上述原因，研究人员设计了紧凑型的低闪烁照明系统，并采用均匀可靠的大功率HVLED实现单个无转换器LED驱动程序驱动。在设计和制造中，应用HVLED的研究方案同时也考虑了系统的适用性和兼容性，并会考虑了系统的光学特性和热特性。一个由60个LED电池组成的实验装置附加一个无转换器的LED驱动器只显示出15.2％-17％的低闪烁特性。因此，上述系统具有低闪烁、高光输出功率和良好的热稳定性等优点，具有很大的照明应用潜力。无转换过程LED的照明系统示意图如图3所示。

图3无转换过程LED照明系统的示意图

由于发光二极管（LED）具有能源效率高、使用寿命长、颜色鲜明、可靠性高、环保、安全和应用广泛等优点，所以被认为是固态照明中最重要的光源之一；如果采用高精度封装技术还可以保护LED并确保其使用寿命。同时，这项技术有助于提高照明系统的电气，热学和光学性能。作为新型的LED封装技术，近年来芯片级封装LED（CSP-LED）方式正在蓬勃发展。CSP-LED的核心面积和封装面积比约为1:1.2到1:1.7，同时兼具体积小、外形小和材料成本低等优点。通过高精度高密度封装CSP-LED，可实现工业应用所需的集成密度和输出功率。然而，CSP-LED仍然面临着光析出率（LEE）小于30%的问题。有限的LEE主要是由空气和光转换材料之间的平滑界面引起的。此外，光转换层和空气的折射率较大，也导致了临界角小的缺点。入射到接口处的光只要超过临界角，就会被全部反射回来；由于发生了全内反射（TIR）过程，大量光被凝聚在硅树脂层内部（如图4左侧所示）将阻碍CSP-LED效率的提高。为克服TIR的影响并提高LED芯片可靠性，研究人员提出了几种主要芯片型LED的设计和表面改进的方法。前者包括截顶倒金字塔（TIP）型LED设计，该方法能最大限度地提高顶面发射效率。后者将随机表面纹理应用于蓝宝石衬底，氮化镓（GaN）表面和侧壁，该方法具有易于实现和可塑性强的优点。如果在发射端顶部放置微球阵列光学衍射元件(如微金字塔，椭圆形纳米粒子和纳米线阵列),可以满足均匀分布在顶面上衍射元件的需求。实际中，绝大多数方法需要复杂步骤，包括但不限于薄膜沉积、光刻、自组装和干蚀刻或湿蚀刻等方法。这些额外的处理步骤增加了时间和成本耗费。克服封装LED的LEE问题，另一种经济有效的方法是在封装材料的顶部添加微结构，用以破坏空气与封装材料之间的平滑界面。与平顶表面相比，入射光在到达顶表面时能让入射角减小，并且只有入射角小于临界角时光线才能通过，如图4右图所示。研究人员基于蒙特卡洛射线追踪方法进行了仿真研究工作，他们采用纳米压印技术、激光图案和光刻技术等微观制造方法来设计相关结构。然而上述方法的实现仍需要在激光或真空条件下操作，导致了系统成本的大幅增加。因此，对于高性能的CSP-LED封装工艺，高效率和经济型的改进LEE设计过程非常必要。研究人员结合蒙特卡洛仿真和纳米压印方式，并通过模具冲压来扩展上述研究的应用可能性，并设计三维结构以充分解决TIR诱导下的CSP-LED低LEE问题。研究人员结合设计过程模拟分析了金字塔及平顶金字塔的实现方式，并对紧密和交错型棋盘式布局结构进行了探索研究。研究人员使用湿蚀刻和纳米压印技术制备了能达到最佳性能的布局结构：金字塔结构。实验结果表明，表面图案化的CSP-LED（SPCSP-LED）显示了LEE得到有效增强，其中表现最好的是SPCSP-LED，它的表面优化率提高了20.31%。研究人员设计的金字塔和平顶金字塔结构如图5所示。

图4 TIR和表面图案化作用下的光转换过程示意图

图5 （a）金字塔（b）平顶金字塔

4.光栅应用
同时测量应变和温度或者同时测量温度和环境折射率（SRI）是石油开采、航天航空、生化工业、环境监测和生命科学领域中的一个重要研究课题。光纤布拉格光栅（FBG）由于其优异的特性，被广泛应用于含多种物理参数测量的传感器中。然而，由于光纤布拉格光栅可对同一时刻多个物理参数产生响应，从而具有较大的交叉敏感性。研究人员据此提出了许多有效方法来区分应变、温度和环境折射率的传感过程。但是，同时测量应变、温度和SRI的变化依然面临巨大挑战。为解决上述问题，研究人员提出应用基于光子晶体光纤（PCF）制备光纤布拉格光栅（FBG）监测多模共振的技术来同时辨别多参数；但光纤中不同包层模的温度响应差会导致应变测量的不确定性。此外，研究者还提出了一种基于蚀刻芯FBG的方法，通过使用非对称非绝热锥度模式来激发具有不同响应的三种阶次模式的应用，但实际应用中，7μm细直径的锥度非常脆弱。研究人员通过检测包层模式、芯模式和虚拟共振效应，提出了一种倾斜式光纤布拉格光栅（TFBG）设计方法，但其测试最大误差却达到10.6%，温度差值达到14%。因此，研究人员提出了一种使用飞秒激光在双模光纤（DMF）中刻蚀FBG以实现同时测量应变、温度和SRI的方法。上述光纤布拉格光栅（FBG）在应用过程中会对应变、温度以及SRI产生不同的响应变化，通过测量布拉格共振波长和包层模式共振的归一化面积可以同时判别和区别不同参数的变化。使用飞秒激光在双模光纤中刻蚀的显微图像如图6所示。

图6 飞秒激光在双模光纤中刻蚀FBG的显微图像

5.光子系统
量子密钥分配（QKD）方法允许两个相距较远的终端共享密码密钥序列以建立绝对安全的通信过程。该方法主要依赖于稳定和高效的量子比特编码过程实现。例如，基于高速光纤QKD的实际应用需要在长距离光纤中进行稳定和高速的单光子相位或偏振编码。为了实现长距离光纤通信的传输稳定性，相位调制通常采用马赫曾德尔干涉（MZ）过程并对其进行有源相位调制来实现；偏振编码过程则需要单光子偏振反馈控制的实施以消除不可避免的环境干扰引起的随机偏振现象。在基于MZI的相位编码QKD方案中，长距离光纤通信过程中的随机偏振变化需要精确补偿，以避免导致任何可能的偏振相关相位调制效应。研究人员通过双向相位调制，实现了 “即插即用”协议中的自动偏振补偿过程。由于该过程中使用了法拉第镜，单光子脉冲的偏振会发生跳变交替现象，因此单光子脉冲使得量子编码（相位调制）在未经任何反馈控制的情况下马赫曾德尔干涉过程能够保持必要的稳健性。由于上述系统具有高稳定性和简单易实现结构，因此为低成本实用QKD系统应用提供了一个很好的选择方案。相关密钥通过在实际 “即插即用”的QKD系统中监测脉冲强度来检测以避免遭受特洛伊木马的攻击。然而，与法拉第镜相连的实际相位调制器对相位调制过程设置了应用限制；而单光子量子编码需要对任何时刻光子脉冲的所有偏振状态进行相等的相位调制。实际上，通过对法拉第反射镜反射前后的往返时间脉冲还需相位调节来实现完美的偏振无关相位调制过程。同时，法拉第反射镜中顺序时间段内脉冲的反射过程还可能导致交叉相位调制负面效应。因此，与法拉第镜相连的相位调制器的实际长度限制了量子编码速度。另一方面，研究人员也指出采用时分单光子Sagnac干涉仪可以实现QKD。有趣的是，研究人员将Sagnac干涉仪设置为“即插即用”模式后可获得更好的频率性能、QBER和稳定性。研究人员将Sagnac干涉仪放置在测试系统中，并使用两个相位调制器来实现相位调节，避免由反射光学结构引起的相关限制，从而可达到较高的工作频率。除此之外，上述方法还能使调制过程更容易和更精确。研究结果表明，上述方案允许通过安置在Sagnac环中的附加强度调制器以获得诱最优调制过程，相关方案图如图7（a）所示（PMA1和PMA2的时间调节过程如图7（b）所示）。