2018年1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
2018年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：正交频分复用光通信系统、光传感与检测技术、电光调制技术、光互连系统等，笔者将逐一评析。

1.正交频分复用光通信系统
目前，正交频分复用（OFDM）因其具有高频谱效率和抗码间干扰的性能被广泛用于无线通信系统。最近，基于强度调制和直接检测（IM/DD）技术的光载无线通信（OWC）系统吸引了研究人员广泛的兴趣；其中基于直流偏置的光OFDM（DCO-OFDM）和非均匀限幅的光OFDM（ACO-OFDM）技术是两个经常被应用的高速通信方案。在DCO-OFDM系统中，直流偏置技术被引入到双极性实值OFDM信号生成过程中以使其信号值呈现非负状态，但未包含有效信号的直流偏置却耗费了发射机的光功率。而在ACO-OFDM系统中，仅使用单载波携带有效数据信息，因此其负数信号部分是冗余的。实际应用中，非负信号可以通过滤波获得，虽然负值信号被滤出，但并不会丢失任何有效信息；然而未引入副载波将导致带宽效率受到制约。因此，研究人员提出采用分层/增强型ACO-OFDM（L/E-ACO-OFDM）系统同时发送多个ACO-OFDM层以提高频谱效率。当具有足够多层数时，几乎所有的副载波都被有效利用，L/E-ACO-OFDM系统将达到与DCO-OFDM系统几乎相同的频谱效率。同时，L/E-ACO-OFDM系统并不需要直流偏振来生成非负信号，从而其调制效率更高，但需要牺配置复杂的迭代接收机来消除每层的信号负剪切噪声。当然，L/E-ACO-OFDM系统进行数字信号处理时的高计算复杂度在一定程度上阻碍了它在OWC中的应用。L/E-ACO-OFDM系统发射的OFDM信号也有高峰均功率比（PAPR）负面效应，这也是不容忽视的问题；因此，部分研究人员提出单载波频分复用（SCFDM）将是光通信网络长期演进过程中上行链路中可用的关键技术。曾经有研究人员设计了基于IM/DD技术的一种ACO-SCFDM方案，与ACO-OFDM 系统中的发射机相比具有较低的PAPR和计算复杂度。由于PAPR低，ACO-SCFDM已被应用在OWC系统中来抵制非线性负面传输效应。由于ACO-SCFDM不采用副载波调制，其频谱效率受到制约，因此并不适用对带宽有限制要求的OWC系统。研究人员在此基础上提出了OWC系统中更有实用价值的L/E-ACO-SCFDM调制技术，该技术支持同时传输ACO-SCFDM多层配置信号；并且，L/E-ACO-SCFDM调制技术还继承了ACO-SCFDM的优点，具有比L/E-ACO-OFDM更低的PAPR和计算复杂度。研究人员指出，与ACO-SCFDM调制技术相比L/E-ACO-SCFDM技术提高了频谱效率。仿真研究结果表明，L/E-ACO-SCFDM具有更好的高速信号收发性能。最近，来自美国哥伦比亚大学的研究人员设计了一种具备低计算复杂度和PAPR的L/E-ACO-SCFDM光载无线通信系统。该系统中，当互补累计分布函数（CCDF）值为10-3时，相比L/E-ACO-OFDM系统，其发射信号的PAPR值更低，上述结果表明在未来的OWC系统中该方案极具应用潜力，其发射机系统如图1所示。

图1. L/E-ACO-SCFDM系统中的发射机配置框图

正交频分复用（OFDM）调制结合光学相干检测（CO）和偏振复用（PDM）技术后，能够在光传输系统中有效提高频谱效率（SE）、提升数据传输速率和减少信号间干扰（ISI）的负面影响。在电信号复用过程，特别是在有大量副载波调制时，OFDM系统中的数字信号处理环节展现出比奈奎斯特FDM系统更低的计算复杂度。在传统的OFDM中，由于光电器件带宽的限制，高频条件下发射信号将存在一定的衰落效应。高频子载波可采用填充零值信号的方案（视为零填充副载波）以形成有效保护频带去除衰落效应。但是，保护频带需通过低通滤波器进行D/A转换消除系统中混叠噪声信号的影响，该过程降低了数模转换器（DAC）的工作效率，并将在固定采样率情形下降低发射波特率。而实际在灵活配置的城域光网络中，级联波长选择性开关（WSS）常被引入，已有相关的研究机构设计了几种预加载和自适应加载方案以最大化WSS数据吞吐率，但上述方案需要获知频率响应从而数字信号处理过程具有高复杂度。另一种方案是应用离散傅立叶变换扩展OFDM （DFT-S-OFDM）技术以在有效带宽上获得平稳信噪比（SNR）。如果采用单载波调制，DFT-S-OFDM系统收发信号过程相对敏感，并且克服残余符号间干扰需要长的循环前缀（CP）配置。相比较其它技术而言（如采用交叠相加频域均衡技术）虽然可以减少或消除CP长度，但却额外增加了系统配置的复杂性。基于上述考虑，研究人员为改善基于PDM的相干光通信技术提出了基于一种基于离散菲涅耳变换的扩展OFDM（DFnT-S-OFDM）信号收发方案。研究人员采用DFnT预编码器的独特时频调制特性，使得OFDM信号分布在时间和频率两个维度上，从而改善频率衰落和符号间干扰负面效应，并通过降低CP或保护频带提升信号传输速率。研究人员还基于解析表达式推导了上述方案中的信噪比计算公式，并证明了该方案具有比奈奎斯特FDM调制方案更低的数字信号处理复杂度。数值仿真结果证明，与DFT-S-OFDM调制技术相比，DFnT-S-OFDM调制技术在改善符号间干扰方面更具应用优势。同时，研究人员还设计了波分多路复用（WDM）系统中级联WSS的方案，以证明其应用有效性。虽然上述研究过程是基于PDM相干检测系统实现的，但其中应用的大部分光电器件仍可应用到非相干系统中。研究人员设计的基于PDM的 CO-DFnT-S-OFDM系统示意图如图2所示。

图2. 基于PDM的CO-DFnT-S-OFDM系统示意图

2.光传感与检测技术
众所周知，表面等离子体共振（SPR）效应是由p极化电磁（EM）辐射与等离子体在金属介电界面耦合激发过程引起的。其产生的激发态也称为表面等离子体激元（SPPs），它可以通过配置克瑞士曼-雷特尔衰减全反射（ATR）过程来实现（如图3所示）。在SPR的实际应用（特别是在生物医学检测方面）中主要通过非破坏方式评估生物样品。在红外（IR）辐射范围内，生物样品是透明的，与可见光辐射过程相比，其光功率损失可以忽略不计。因而，在IR范围内进行检测具有明显的优势（强灵敏度、更低的功率要求和更深的穿透深度等）。在近红外（NIR）测试范围中，设计SPR传感器材料的选择是必须考虑的关键问题。在可见光和红外光区域，研究人员已经研究了熔凝硅石、硫化铝、亚碲酸盐玻璃等材料的检测过程。在上述材料中，由于重金属氟化物玻璃具有优异的光学性能（如低平均色散、低瑞利散射、较小双折射、光学性质的热依赖性低、光学非线性影响低和宽透射窗等），从而可在NIR中进行有效检测。在若干常用金属（银,金,铜和铝）材料中，银材质具有窄光谱检测响应的优点，从而可实现优异的检测精度；但银材质本身的氧化效应限制了该优势的应用，并将导致检测不稳定性。曾经有研究人员证明使用双金属层（如银-铜）结构可有效提高SPR传感器的稳定性。在上述情况下，石墨烯等等离子二维材料由于具备一定的化学和光学检测优异性（如不渗透性、化学稳定性和生物相容性）引起了研究人员的关注。尤其是石墨烯材料具备独特的电子传输性能，因此被用于设计各类型等离子体激元器件。最近，研究人员提出使用石墨烯双层结构（结合石墨烯的等离子体混合纳米结构），并设计正弦介电变质表面将光耦合到石墨烯中的等离子体来制备光子器件或传感器。研究人员还提出通过电介质或石墨烯片形成的衍射光栅来使光与等离子体激元进行耦合，并证明石墨烯的独特性质也能用于改进SPR传感器的性能。当石墨烯单分子层的数量增加时，其光导率会发生变化。研究人员分析了电荷载体浓度的变化过程以研究石墨烯在SPR传感器中化学势的影响。实际上，化学势（μ）会导致石墨烯的折射率（RI）和消光系数（κ）发生显著变化，从而影响SPR传感器的性能。最近，研究人员制备了一种近红外区域使用的ZBLAN-银-石墨烯结构的SPR传感器，并分析了其中化学势和石墨烯单层数对组合灵敏度因子（CSF）的影响，确定了实现高精度检测的最佳工作条件。

图3 基于SPR传感器的多层（ZBLAN-银-石墨烯-分析物）配置示意图

随着互联网业务流量的快速增长，人们对智能光传输系统的需求日益增加，从而要求软件定义网络（SDN）对光信号的控制过程必须体现其灵活性和有效性。目前，数据中心间的数据吞吐量呈现指数级增长的趋势，并且该趋势导致了地理分布式数据中心之间云计算的需求。因此，按需配置光网络容量和光电路交换过程对实现业务驱动的大数据传输具有极大益处。在高容量数据处理业务环境中，仅仅采用波分复用（WDM）光网络中将使得数据分配和处理过程的效率低下。因此，网络运营商期待支持SDN控制的波长分配光网络；但实际应用中，波长交换过程将导致信道功率动态分配不均衡。其中，光放大器的瞬态放大响应将严重影响波长交换的有效实现；虽然可通过安置前置反馈放大器来解决该问题，但必须进行功率优化设置来实现对功率漂移效应的有效补偿。功率漂移效应产生的主要原因是采用掺饵光纤放大器（EDFA）时其波长依赖特性将导致放大功率变化，而其它光学效应（如受激拉曼散射）也将产生负面影响。为避免实时通信业务的中断，缓解功率偏移过程并使波长分配过程得以重构成为必不可少的考虑因素（其中包括多跳功率监测反馈和调谐）。上述过程中，每通道功率调谐波长选择性开关（WSS）的应用要求实现监控反馈，实际应用中将花费数分钟时间来完全校正光路上的偏移。由于每个EDFA的工作点都将影响光纤中的所有WDM信道，任意EDFA放大信道上的功率变化都将导致其余信道上的功率偏移；因此在动态光网络环境中，要确保波长的切换或重构过程不对其余信道产生影响难以实现。上述过程中，进行信道间的功率配置一旦产生误差将导致信噪比（OSNR）劣化或引入非线性负面效应，从而影响光信号的接收灵敏度。实际应用中，如果光信号功率偏移能够被预测，则可以通过精确的功率控制来最小化实际信号的检测误差。因此，研究人员考虑引入机器学习（ML）的方法来实现动态分配过程（这种方法的原理是根据历史经验测量值来最小化功率影响）。虽然ML方法不需要考虑EDFA的增益特性，但它需要大量历史数据量来支持其做出准确预测。由于光网络中每个放大器具有独特的增益特性和运行机制，经过训练的ML模型仍有一定的应用局限性。因此， ML模型可能需要不断收集新数据，并针对不同类型的硬件配置来对ML估计模型进行再次调整。研究人员还提出了利用增益谱估计波长分配的方法来减小功率偏移的过程，从而使得功率偏移量降低5%-15%。他们基于全负载WDM的增益谱来测量和不同波长的单通道增益以估计该光网络的功率偏移量。然而，增益谱在波长切换操作中没有得到更新。也有研究人员提出了在WDM网络中对EDFA进行电化处理的方法（他们使用宽带边缘发光二极管作为检测器，并将所需的检测信道数量分成四等分（即400GHz探测间隔）来恢复0.2dB的功率增益）。目前，研究者分析了从400GHz到800GHz范围内的非均匀探测信号间隔，实现了小于0.25dB的信号功率检测误差。最近，研究人员提出了一种新的检测方法（通过提供波长实时功率配置保证光信道传输信号时尽量不受干扰）,实现了基于光学检测的高效、低功耗采样技术，以此获得WDM线路放大器增益谱的在线信息。与之前的离线预估计技术相比，该新方法提高了预估功率精度，同时最小化了采样数目（相关实验装置如图4所示），实验中采用的探测器用于测量EDFA的增益特性，但不会中断光信道上的信号传输。实验研究证明，只有10%的WDM信道需要被探测；对于具有5dB功率偏移的双级EDFA系统，研究人员使用该方法重构了放大器增益谱范围，确保光信号检测误差小于0.15dB。在对系统进行改变（如重置波长）之前，可以实现高精度功率漂移预测过程（在双跨节点-节点系统中，相应的光功率偏移预测误差小于0.2dB）。

图4 用于功率预测的WDM光网络系统实验装置

3.调制技术
为了抑制大气湍流（AT）对自由空间光通信（FSO）系统收发光信号的负面影响，研究人员提出了采用空间分集技术（在发射器（Tx）或接收器（Rx）处采用多种孔径）来对抗光信号衰减。但是，由于FSO系统常被要求进行小型化配置，在收发器模块中（Tx或Rx中）其有效工作区域不足以支持空间相干性分离长度超过衰落相关长度的孔径（将导致相干FSO信道产生传输问题）。因此，全面研究FSO光信号传输信道的特性是必需的。研究人员指出，马拉加（M）分布统计模型可适用于克服AT影响的FSO系统设计过程（可以映射到使用最广泛的分布模型，如对数正态分布，Gamma-Gamma指数等）。人们可设计基于M分布AT信道的FSO系统，以采用指向误差法来对接收光信号的误码率进行分析（M分布式信道模型可完成各态历经容量的分析）。但是，上述分析是在不相干的无线光通信信道上进行的，由于近距离的平行光束通过相同区域时将存在互扰，因此该类分析方法存在应用局限性。据我们所知，迄今为止还未研究过M分布的AT对FSO系统传输光信号性能有无影响。受上述讨论的启发，研究人员基于格林近似矩阵分析得到了封闭式联合概率密度函数的表达式和遵循M分布任意相关随机变量（RVs）的互补累积分布函数（CDF）特性。因为大气湍流信道的影响过程代表了一个亟待解决的关键问题，研究人员考虑应用一个单输入多输出（SIMO）系统（它在系统复杂性和空间多样性之间的进行权衡分析）而不是采用一个多输入多输出（MIMO）系统来进行研究。研究人员采用选择组合（SC）方案对SIMO-FSO系统进行了收发光信号的性能分析。最近，来自印度理工学院的研究人员设计出一种服从M分布任意相关FSO信道的多变量中断概率密度分布模型，并且证明了其应用可行性。

4.光互连系统
目前，大数据和云计算业务的飞速发展要求更高数据速率和更低成本的下一代光互连体系必须尽快实现，从而要求未来的光电信息处理系统完成光子器件与电子电路（如跨阻放大器（TIA）和激光驱动器）的单片集成；而应用100DBASE-LR4的方案被认为是实现高速云数据吞吐的一种候选方案（因为该方案能在单模光纤（SMF）上以1310nm工作波长发送或接收长达10公里传输的光信号）。一种典型方案是采用直接调制分布式反馈（DFB）激光器（4×25Gb/s）来实现数据中心高速信息的传输。但是，与基于多模光纤（MMF）应用的垂直腔面发射激光器（VCSEL）光信号发射方案相比，在DFB激光驱动器的设计中存在若干技术挑战（包括高电流驱动下的带宽影响以及由阻抗不匹配引起的反射问题）。最近，研究人员设计了激光驱动器的配置方案来抑制反射失配问题（单端驱动器中的主动后端终止（ABT）方案，如图5所示），测试结果表明：25.78Gb/s速率的非归零信号其光学眼图（如图6所示）显示清晰。