2018年2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2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，光电信号处理，光网络及其子系统，无源光子器件，传感器等，笔者将逐一评析。

1.电光调制技术
由于可见光通信（VLC）中采用的白光发射二极管（LED）具备诸多优点（例如无需频谱许可证、低成本的前端、高安全性和强大的免疫电磁干扰性能）使得近来它在高速短程无线领域的接入应用引起了人们相当大的关注，但目前研制大容量VLC系统面临的主要挑战是商用LED的调制带宽受限。迄今为止，有一些技术已经被提出来提升VLC系统的调制带宽容量，如正交频分复用（OFDM）技术、多输入多输出（MIMO）技术等。在实际VLC系统中，通常是预设一个LED发射器以支持多用户实现实时通信。因此，在多用户VLC系统中应用多重访问技术是不可或缺的。虽然正交频分多址（OFDMA）技术已被应用在VLC系统中，但由于频谱划分过程客观存在，OFDMA可实现的数据速率不可避免地被减少。最近，电域多路复用因为具有较高的频谱效率，其中相关的非正交多址技术（NOMA）技术已经被提出用于5G系统中。在NOMA系统中，通过发射机端采用叠加编码和消除连续干扰（SIC）预处理过程使得接收方所有用户都可以使用广泛的调制带宽。实验结果证明NOMA系统在高信噪比（SNR）条件下工作效率非常高，性能优异。考虑到VLC系统发射机和接收机之间的传输距离受限，较长距离传输后对接收信噪比的保证需要提高，因此在VLC系统下行传输中应用NOMA技术切实可行。研究人员提出将NOMA技术作为高速VLC系统的潜在候选技术，并且提出了增益比功率控制分配（GRPA）方案；上述方案提供了诸多先进的功率分配选择，但这些选择都将牺牲信号处理过程中的计算复杂度。实验证明：在NOMA-VLC系统中，采用相位预失真方法可改善接入链路的误码性能；作为提高系统容量并扩展信号覆盖范围的一种简便有效方式，即利用照明LED应用于VLC系统组，使得MIMO技术得到了广泛应用。但是，在MIMO-VLC系统中几乎没有应用NOMA的方案被研究。研究人员设计的基于MIMO-NOMA的VLC系统已经过实验验证，但没有考虑功率分配问题。当应用MIMO技术时，单LED的 NOMA-VLC系统中的功率分配方案不能直接用于基于MIMO-NOMA的VLC系统中。研究人员已提出几种用于MIMO-NOMA射频（RF）系统的功率分配方法，如混合预编码和后检测等；但上述方法计算复杂度高。在实际应用中，计算复杂性低且低功耗的高效功率分配方法对于MIMO-NOMA技术是否能广泛应用至关重要。基于上述考虑，研究人员在MIMO-VLC系统中应用了NOMA技术并提出了一种新颖的功率分配方法，即归一化增益差分功率分配（NGDPA）方法，以在MIMO-NOMA-VLC系统中实现高效低复杂性的功率分配过程。研究通过数值仿真研究对室内2×2 MIMO-NOMA VLC系统的收发性能进行了评估，结果表明， NGDPA方法与NOMA相比较，后者可以大大提升2×2 MIMO-VLC系统的传输速率。来自南洋理工大学的研究人员提出了一种新的NGDPA方法，该方法使得室内MIMO-NOMA-VLC系统中的功率分配计算复杂度得以降低。数值仿真研究结果表明，在室内2×2 MIMO-VLC系统中，与应用NGRPA的NOMA技术相比，应用GRPA技术的NOMA系统容量大大提升；在具有三个用户的2×2MIMO-VLC系统中，有效功率提高可达29.1％。因此，该方案具有明显的应用优势。基于2×2 MIMO-NOMA技术的VLC系统模型图如图1所示。

图1基于2×2 MIMO-NOMA技术的VLC系统模型图

2.光电信号处理
目前，基于微波工作频率的半导体器件在高速电子系统、芯片集成、光纤制备、自由空间光通信以及下一代光电子信号处理等技术领域起着越来越重要的作用。这些器件因其运行在电磁频谱的射频（RF）部分，通常需要应用无源电路来过滤、驱动或读写出设备信号响应过程。在过去十年中，随着计算处理能力的提升和大量商用软件包的增加，相关电路设计过程已经被大大简化。虽然涉及到的电路实验表征可能是代价高昂、耗时久且分辨率低的过程，然而在重复设计过程中，射频电路的场分布和损耗机制可以提供反馈参考。众所周知，传统射频微波场的非破坏性实验测图是利用微波近场扫描探针实现的。在无源成像模式下，通过电缆上RF信号的反射来读取表面电导率；在有源模式下，电路由微波信号驱动，同轴电缆探头将散射的倏逝场映射到电路上。实际中，研究人员通过平行带状传输线或扫描隧道显微镜（STM）尖端取代同轴电缆从而改进空间分辨率，实现材料电导率的纳米级分辨率测量。然而，RF波长和探头本身之间的严重尺度不匹配将导致有源电路的弱耦合效应从而限制灵敏度。上述技术需要将散射场耦合到亚波长的微波探测器中，使得场分布测量过程变得更加困难。此外，已有研究人员证明采用电光（EO）双折射技术可以测量有源RF电路的亚波长分辨率和三维电场矢量分布。在上述技术中，涉及的皮秒级激光由含有电光材料的射频电路反射；由于RF场双折射引起的探测光束偏振位移被用于提取激光斑点处的RF场振幅和方向，因此EO采样需要昂贵的微波和光学设备（包括频谱分析仪、飞秒激光器和EO晶体）。此外，探测光束的偏振位移在光束通过EO材料时RF场的光路累积长度，从而产生了光轴上的空间分辨率限制。尽管RF和光学频率间波长和时间尺度不匹配，但是由于上述过程能获得高时间和空间分辨率，所以仍是一种候选方案。最近，研究人员提出了一种相对便捷的射频电路场分布测量和用微波映射电导率（MMOIC）测试方案（其实验装置图如图3所示）。MMOIC测试方案采用非接触且非破坏的方式来测量有源射频电路的场分布；与EO采样技术一样，该方案提供的空间分辨率数量级低于电路中射频信号的自由空间波长数量级。研究人员将实验数据与现场模拟、传输线路模型相比较，发现其有良好的一致性。

图2 （a）微波场测试的实验装置示意图；（b）表面显示激光束的共振电路原理；（c）波长为785nm的激光光束光斑大小对样品表面的影响效果；（d）在黑暗和照明情况下的SRR间隙中，激光激发的谐振电路射频光谱

3. 光网络及其子系统
光发射机（TX）中的各个组件，包含模数转换器（ADC）、驱动放大器（DA）和双偏振（DP）控制器和马赫曾德尔调制器（MZM））都会在实际应用中呈现出一定程度的线性和非线性信号处理缺陷，从而降低光通信系统的收发性能；产生的带宽限制和I/Q偏移等负面因素会导致具有高波特率高阶调制格式的发射信号质量受损。以往的研究已经证明可以通过数字预失真（DPD）技术来减少传输信号的衰减，但其中假设的预失真设计是依据生产或装配过程中确定的TX组件传输函数计算，其中单元件的静态特性表征计算非常耗时，并导致温度不精确和系统老化效应。因此，200Gbits/s双偏振16QAM信号和400Gbits/s双偏振16QAM信号的大规模应用最好采用有精确自适应预失真处理的光发射器来产生。目前，研究人员对几种自适应和自校准方案进行了初步评估，他们发现系统所需的DPD系数是以背对背（B2B）配置估算；如果TX在转换到正常操作之前先切换到自校准模式将具有一定的应用价值。上述方法还可通过辅助接收器（RX）与TX共同定位来实现自适应预失真估计过程以形成对发射信号的优化。最近，研究人员提出一种新的自适应DPD算法，该算法评估在光纤链路上传输的信号来识别预失真参数。相关DPD体系结构（如图3所示）可用于对TX存在的固有缺陷（如带宽限制和I/Q偏移）进行连续跟踪和预补偿。研究人员分析了400Gbit/s的 DP-16QAM光信号经不同长度的标准单模光纤（SSMF）传输后的接收性能。此外，他们通过对1520公里SSMF传输后接收的信号进行估算和补偿，证实了上述方案在200Gbit/s的DP-16QAM光通信系统中应用的可行性，相关实验设置如图4所示。

图3 DPD处理流程图[/center]

图4 200Gbit/s DP-16QAM光通信系统实验装置图

4. 无源光子器件
众所周知，微波频率测量（MFM）技术是雷达和电子测量领域的重要应用技术。随着现代雷达预警机和电子对抗技术的发展，基于常规电子技术的MFM方案截获到的实时信号估计频率可能是错误的。另外，由于光子辅助技术具有独特应用优势（如瞬时带宽大、重量轻、损耗低和抗电磁干扰等）已经引起了研究人员的广泛关注。近年来，研究人员通过建立振幅比较函数（ACF）来将未知微波频率映射为电或光功率，在此基础上结合MFM开发出了许多光子辅助技术。其中的一个方法是通过使用色散元件（DE）进行电域映射，该方法能够通过两个不同信道的微波功率比来构建振幅比函数（ACF）过程。由于测试频率范围和分辨率之间的折衷考虑，ACF只能在窄频率范围内适用于MFM应用。通过调谐色散、控制激光波长、调节调制器偏置电压、偏振态或受激布里渊散射（SBS）相移的方式，不仅扩大了测量频率范围，而且测量精度往往会受到色散差、激光源波长波动、调制器偏置漂移、设置的偏振不稳定性或SBS温度灵敏度的影响。电域映射方法是通过构造两个物理信道将未知信号频率映射到微波功率上，这就意味着每个信道中光电探测和电功率测量的频率范围应该覆盖到感应的全频率范围。研究人员因此提出利用两信道结合互补光滤波的光学映射方法，该方法与现有的光子辅助MFM方法相比，具有配置简单、节省光电探测器（PD）宽带和微波功率计功耗等优势。研究人员通过对信号延迟时间或光学滤波形状的调整来实现多频带测量过程，且在每次调整后都对延迟时间或光学滤波形状进行表征和校准。值得注意的是，此过程中光载波波长应重新对准马赫曾德尔延迟干涉仪（MZDI）或光学滤波器的峰值零点，否则测量精度将受到影响。基于上述考虑，研究人员设计了可配置导频具有灵活测量范围和高分辨率的MFM光学测试方案。他们将载波抑制双边带调制的光信号发送到由两个导频信号驱动的双驱动马赫曾德尔调制器（DDMZM）。在通过DE传播之后，光频边带在PD中相互作用，而未知的微波频率可以从频率已知的导频信号振幅比中提取出来。该方法原理图如图5所示，它消除了宽带双信道光电探测和微波功率测量的影响。除此之外，还可通过配置两个导频频率，实现具有灵活测试范围和高分辨率的多频带MFM测量方案。

图5 测试方案原理图（LD：激光二极管；MZM：马赫曾德尔调制器；DDMZM：双驱马赫曾德尔调制器；MS：微波源；DE：色散元件；PD：光电探测器；MFU：测量频率单元）

光学微环谐振器（MRR）被认为是集成光子应用领域的基本构建模块被广泛应用于调制器、光学滤波器、光开关、光学延迟线和光学传感器制备中。耦合系数作为MRR的基本参数决定了消光比以及群延迟。准确控制耦合系数的有效方法之一是引入马赫-曾德尔干涉仪（MZI）耦合器，因为耦合系数可以通过改变MZI两臂之间的相位差轻易被调整。然而，谐振波长的偏移在调谐过程中虽然很重要，但不利于其应用到具备固定谐振波长的器件中，例如基于MRR的光学延迟线、光子分数微分器和光学陀螺仪等。基于MRR的光延迟线的群延迟一般是通过耦合系数进行调谐，但相关的谐振波长偏移会使其在实际应用中发生偏差。为解决这个问题，应该在MRR中插入一个移相器以补偿波长偏移，但这将大大增加制备难度并使其操作复杂化。波长转换问题也可以通过调谐方法被克服，但控制调谐的困难程度也将显著增加。研究人员通过理论和数值模拟证明：MRR的波长偏移范围取决于其配置，解决波长转换问题的方法在于设计MRR的体系结构。目前只有陷波响应的全通MRR才被研究，并且没有开展实验研究。因此，研究人员从理论上和实验上研究了应用不对称定向耦合器的MRR（MZI-MRR）中MZIs的传输性能，以表明可以调节可忽略的波长偏移实现MRR的频率响应过程。在进行理论研究时，他们分析了耦合系数对定向耦合器的影响和MZIs中两臂相位差的特性，证明了MZI中的定向耦合器具有不对称的谐振波长时只对MZI的一个臂相位变化敏感。来自南京航空航天大学的研究人员展示了一种解决由调谐幅度和相位响应引起的MZI-MRR波长偏移问题的新方法，理论和实验研究结果表明，MZI-MRR的幅度和相位响应可以由MZI中每个臂的相位控制，但是共振波长只对其中一个臂引起的相位变化敏感。实验结果证明，通过调谐不敏感臂的相位在保持谐振波长不变时，MZI-MRR的性能可以被改变。相关设计图如图6所示。

图6 分插式MZI-MRR设计图

5．传感器
近年来，基于光网络传感器制备的长周期光纤光栅（LPG）得到了全面研究和发展，并且已在民用领域被广泛应用（如工程、工业、生物医学、化学领域等）。迄今为止，已被提出和讨论的各种LPG传感器（包括基于光子晶体光纤（PCF）和基于螺旋长周期光纤光栅（HLPG）的扭转传感器）都因为存在陷波波长从而对温度和应变这两个参数敏感，导致基于LPG的扭转传感器在温度和应变之间存在串扰效应。另一方面，大部分被测物体在轴向上扭转变化的经历会不可避免地带来一些应变效应，因此需要设计简单而快速的方案以区分上述两种效应的串扰。对于基于LPG的光纤传感器，测量扭力、应变和温度的变化过程对于传感器的实际应用也非常重要。迄今为止，研究人员已提出并演示了几种同时测量温度和扭转以及温度和应变的方法。但是，同时测量三个参数（即扭转、应变和温度）的过程从未被提及过。研究人员设计并且通过实验证明了基于HLPGs的新型传感器可以同时测量扭转、应变和温度三个参数，该传感器利用两个级联的单螺旋长周期光纤光栅（TSC-HLPG）（但光栅的螺旋性相反）制备。另外，与常规的基于光纤光栅的传感器不同，该传感器不仅可扭转且扭转方向也可以同时确定。研究人员成功证明了这种新颖的基于HLPG的传感器测量温度的精确度在27-100°C范围内，误差在〜0.8°C范围内，应变精确度在0-2600μ范围内时误差约不超过〜225μ，扭转角度在-360°到+ 360°范围内时误差为〜1.2°（对应于3.54nm / rad / m in的扭转响应率）。连续级联型HLPG的结构图如图7所示。