2018年4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4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、光传输、光纤传感和测量技术、光纤技术、激光技术、光网络等，笔者将逐一评析。

1.调制技术

由于发光二极管（LED）的高功率效率，它已被广泛应用于照明设备中，从而促进了可见光通信（VLC）技术的迅速发展。与射频（RF）通信不同，VLC是通过LED传输数据信号的，VLC系统的应用在一定程度上缓解了无线频谱资源的短缺问题，其中的接收机直接检测解调信号也使得系统的复杂度较低。在室内场景中，通常会有多个LED来满足照明要求，并且使用单个光电探测器将信号传输给多个用户，称为多用户多输入单输出（MU-MISO）。此系统中有两种不同的干扰。一种是点对点视线（LOS）链路干扰，另一种是由反射导致的漫反射链路干扰。由于漫反射链路比LOS链路带来的干扰弱得多，也因此LOS链路干扰是影响系统性能的主要因素。另外，由于VLC中信道间的强相关性，信道相关矩阵会进一步降低系统的收发性能；而且，信道的不确定性可能会给系统带来新的干扰。实际应用中，由于信道系数是通过射频（RF）、红外光（IR）或可见光等反馈链路进行估计的，所以在MU-MISO系统中不可避免地会出现噪声、量化信道估计以及延迟估计反馈过程中存在的信道误差。

最近，研究人员为提升系统功效设计了VLC的预编码过程。虽然已有研究人员设计了一种使用最小均方误差（MMSE）预编码过程来实现VLC系统中信号的预处理，但由于信号均方误差（MSE）的限制将使光照水平降低（其中，MSE并不是用来测量系统性能和提供相应应用的直接参数）。另一方面，研究人员改进了基于正交频分复用（OFDM）信号的光调制设计过程（尽管OFDM信号容易受到LED非线性的负面影响）。研究人员基于信道不确定性实现了功率高效的迫零（ZF）预编码过程，总的输出光功率受信号与干扰加噪声比（SINR）和LED电流范围的限制。

2.光传输

模拟光子链路不但在微波光子学中有着广泛的应用，而且在无线通信和雷达系统领域也有着应用优势。与传统的同轴电缆模拟链路相比，模拟光子链路（APL）具有带宽大、损耗低和抗电磁干扰的优点。在常规的APL中，基于单一马赫曾德尔调制器（MZM）的双边带强度调制（IM）方案能实现其应用优势。然而，由于SMF色散会引起功率衰减效应，尤其是在远距离高微波频率下的传输链路中接收到的信号会受其影响；因此，功率衰减效应对数十千兆赫频率下长距离传输的APL应用是不利的。为了克服功率衰减效应，研究人员提出了单边带调制方案。单边带调制可以通过偏振调制器或双电极MZM来实现（但在该方案中，需要额外的电子移相器，而该类电气元件的使用将使系统产生插入损耗和频率相关的相位误差，它们还会降低传输链路的性能并限制传输频率的可调灵活性）。研究人员还研究了基于光学滤波器的其他方法（如采用光纤布拉格光栅），但在频率可调谐性方面同样具有局限性。还有研究人员提出了载波移相双边带调制方法以通过使用双并行MZM来补偿功率衰落效应；上述方法通过适当地调整三个直流偏置来改变APL的频率响应。然而，这种方法存在偏置偏移问题，因此需要复杂的偏置电路。与使用IM比，基于相位调制（PM）的APL不存在偏置偏移问题，同时其还具有较低的损耗（需要注意的是：PM到IM间的转换通常有一个光学滤波器实现，但该滤波器会限制传输链路的工作带宽）。

目前，研究人员设计了一种补偿色散诱导功率衰减的APL，它通过SBS来改变光载波的相位（其实验装置图如图1所示）；上述方法大大提高了APL的线性度。在不改变振幅的情况下，可以利用SBS在窄带宽上提供大于2π的光载波相位漂移。目前，已有研究测得了SBS在第一次实验中诱导相移的精确测量过程。还有研究展示了利用SBS产生可控微波波形的方法，该方法通过调整光学载波、布里渊泵（BP）以及布里渊斯托克斯（BS）之间的频率间隔以及适当调整相移以实现从PM到IM转换所需的输出（其中，传输链路可以通过调整频率响应来补偿功率衰减的影响）。研究人员所提出的APL应用系统在25和40km的单模光纤（SMF）上进行了实验验证，并测量了频率响应。为了更好地判断所设计的链路是否有在更高频率上传输数据的能力，研究人员以18和14GHz的微波中心载波频率成功地发送和接收了2Gb/s速率的QAM和4Gb/s速率的16QAM的离散多音信号；其中采用的18GHz和14GHz的频率是在25和40km单模光纤中传输时发生严重功率衰落的频点。研究人员还对误差矢量幅度（EVM）以不同的接收功率进行评估，在-8.0dBm的接收功率下获得的最低EVM约为12%。

图1 相关光子链路实验装置图（TL：可调谐激光器；VOA：可变光衰减器；ISO：隔离器；PC：偏振控制器；DSF：色散位移光纤；CIR：环行器；EDFA：掺铒光纤放大器；BPF：带通滤波器；PD：光电探测器）（a）相位调制光信号，（b）载波相移光信号，（c）在SMF上传输的光信号（忽略光载波上色散引起的相移）

3.光纤传感和测量技术

电磁感应透明（EIT）是具有窄光谱光学增强透射的量子干涉现象（通过原子层和外部光场间的相互作用产生）。增强的透射可以显著地减缓光子的强度，这种特性在传感器、光学数据存储和增强的光学非线性方面都有潜在的应用前景。然而，由于EIT需求极低的温度环境和较高稳定度的气体激光器，使得它的潜在应用受到了严重阻碍。幸运的是，许多研究者已经在理论和实验上证明了在微波、太赫兹和光学频率的超材料系统中可以模拟EIT现象。众所周知，表面等离子体激元可以在非常小的金属表面范围内很好地被束缚住，并能打破衍射极限。因此，EIT效应与纳米等离子体激元结构的结合将为实现对周围环境变化高度敏感的超小型调制器和传感器提供了可能性。基于超材料结构（包括切割线、分裂环谐振器和耦合波导谐振器）的类EIT现象已被广泛地研究。

迄今为止，除严格重新调整金属纳米结构之外，通常而言等离子体共振可调谐过程是不易实现的，从而限制了集成光学相关领域技术的进一步发展。为解决上述问题，可以采用将超材料与非线性介质、半导体和液晶等光学活性材料集成在一起实现动态调谐工作波长的方法。因石墨烯等离子体激元具有低损耗、极端约束和主动可调的电气和光学性能，因此作为一种可替代的方案已被引入PIT设备的设计中。例如，凹坑效应可以在周期性图案化的纳米结构、异质性石墨烯带和由一系列空间分离的石墨烯层组成的元表面中实现。此外，石墨烯还可以作为与凹坑超材料结合的活性介质。目前，相关研究主要围绕耦合谐振器，其中不同的等离子体激发谐振器（亮模式和暗模式谐振器）彼此耦合以实现EIT光学响应。这些耦合谐振器不仅体积庞大、复杂，而且还不能满足高集成度光学元件的发展趋势。然而，基于单元石墨烯谐振器凹坑的实现却很少被研究。目前，研究人员证明了基于H形石墨烯谐振器可以引起PIT效应，并且不需要使用额外的光学元件。一旦对称性被破坏，H形石墨烯谐振器（HSGR）的上腔和下腔中的电流振荡异相，它们的谐振频率略有不同，这就导致了HSGR腔之间的强耦合。这种配置导致两个透射峰之间形成PIT峰值。通过改变石墨烯的费米能（EF）和U形腔的几何参数，可以同时调节谐振频率、透射强度和线宽。此外，该研究结果证明可实现超过0.04ps的光延迟和17.78品质因素（FOM）的参数指标。毫无疑问，上述研究工作的开展拓展了相关应用范围，尤其是可用于开发红外等离子体组件，如开关，慢光器件和可调谐传感器。相关结构示意图如图2所示。

图2.（a）石墨烯纳米结构放置在SiO2衬底上的示意图；（b）单元结构：谐振器的长度L1、L2和宽度W1、W2分别为150nm、300 nm和60 nm、40nm，中心带横向位移S、周期Px＝400nm和Py＝400nm

4.光纤技术

中空芯光子带隙光纤（PBGF）因为具有低非线性、温度敏感度低和具有磁性环绕等特点受到广泛关注。PBGF的优秀的光学性能和环境适应性使其被用于许多应用研究领域，例如光纤陀螺（FOGs）、高速大数据通信和微粒采集。当给定支柱宽度最佳区间和气孔周期存在的圆角尺寸时，光纤包层中支柱的宽度、气孔周期和圆角尺寸对带宽和中心波长有极大影响。许多以前的研究已经建立了理论模型和调查绘图参数用以提高PBGF拉制性和质量。已有研究人员利用传统的单模光纤预制棒建立了一个不稳定的仿真模型，并提供了一个用于模拟和分析光纤拉伸过程的方法。通过微结构光纤拉丝工艺瞬态和稳态的数值进行2D建模，以及通过调整相关的孔的大小与张力和压力（而不是温度），可以改善了光纤拉丝塔的工作性能。光纤中的空气孔可以预估计并且是拉伸张力唯一显著的参数。南安普敦大学的研究人员建立了基于模拟毛细管PBGFs拉制性的模型，并考虑到真正的拉丝速度，压力和张力，并且光纤结构可以通过建立的模型获得。所有这些研究为PBGF的拉制性做出了重大贡献，但另一个重要参数，毛细管的空隙会在光纤中形成圆角，而这一点从未被分析过。研究人员首次对具有不同尺寸空隙的塌陷过程进行了分析（基于PBGF的毛细管中提取温度和空隙尺寸），并利用工程估算方程表征空隙坍塌规律。研究人员建立的分析模型假定空隙在给定的情况下被加热，并从中推导出模型的工程方程，表明了制造参数之一的温度高低会影响空隙崩溃和空隙大小。该模型模拟了空隙倒塌的效果，研究结果表明空隙崩溃对PBGF有利（这是因为在光纤拉制过程中的空隙坍塌时直流可以通过空隙进行调整）。其PBGF的制备原理如图3所示。

图3. PBGF的制备过程（a）数百个高纯度二氧化硅毛细管和预制棒束叠加; （b）抽出的预制棒的横截面；（c）从毛细管中提取的PBGF横截面；（d）放大的包层蜂窝结构图像

5.激光技术

高功率边缘发光二极管激光器是在材料处理、光学变频、光纤放大器和固体激光器等领域中广泛应用的关键器件。大多数这些应用需要接近衍射极限的光束质量、较低的发散度和窄光谱宽度。锥形激光器由于其易于制造并能在输出端保持良好的光束质量而受到很多关注。带有光子晶体结构的锥形激光器可以实现低垂直发散。然而，常规锥形激光器的光谱宽度与典型广域激光器相同，一般情况下光谱宽度范围内的在2和6 nm之间。为了减少光谱宽度，研究人员提出了不同的方法包括外部反馈腔、集成分布反馈（DFB）激光器、集成无源分布布拉格反射器（DBR）激光器。但是，外部反馈需要额外的组件和相应调整，导致增加相当程度的复杂性和成本。传统的DFB激光器需要将光栅层嵌入波导中，这是非常复杂和耗时的。DBR激光器已被广泛研究。最近，有研究报道了基于DBR光栅窄光谱宽度的锥形激光。因为需要足够的反馈，DBR光栅的周期通常在1μm左右或更小，因此很多蚀刻的凹槽较小。导致的结果是，微型的结构制造严重依赖昂贵和耗时的技术，如电子束光刻和聚焦离子光束光刻技术。近年来，研究人员提出并展示基于插槽的单模激光器。槽的宽度和周期通常被设计为大于1μm，这很容易可以通过标准的光刻法地定义。大多数基于插槽的研究重点都集中在基于应用光子集成二极管的1550nm纳米激光器上，并致力于使几十毫瓦的输出功率的侧模抑制比（SMSR）达到50dB以上。最近有研究提出报道了基于金属槽的956-nm广域激光二极管，以及其实现了在单纵向模式下200毫瓦的功率输出端具有39dB的SMSR。研究人员将槽插入锥形激光器，设计了脊形波导带槽锥形激光器（RW slots）和近前端面（FF slot）带槽锥形激光器。上述两种器件可以实现高输出功率和窄光谱宽度，并由于插槽位置不同而引起的不同的远场分布（值得注意的是，上述两种器件均可获得高光束质量）。研究人员已经设计了基于狭窄光谱发射槽锥形激光器，并研究了插槽的位置对锥形激光器性能的影响。具有RW插槽的锥形激光器的输出功率在3A条件下为2.15 W，比没有插槽的器件略低。然而，对于带有插槽的两器件，由于存在较大的光学损耗，具有FF插槽的锥形激光器可提供1.87 W的输出功率并可获得约0.25nm的窄光谱宽度。对于带有RW和FF槽的锥形激光器，最大的SMSR分别为28.8 dB和36.8 dB。对于使用RW插槽设备，垂直远视角大约为11°，而对于带有FF插槽的锥形激光器，其垂直光束发散角大约为7°。基于光子晶体结构的锥形二极管激光器结构图如图4所示。

图4.基于光子晶体结构的锥形二极管激光器（a）RW插槽和（b）FF插槽

6.光网络

云无线接入网络（C-RAN）已经被提出并被认为是兼具有成本效益和环保节能两大优势的未来移动通信网络。在该网络结构中，基带处理单元（BBU）在中央处理器中进行整合并提供集中控制，而无线单元（RU）留在小区站点以提供接入点（AP）服务。连接BBU池和RU的段被称为光学移动前端（MFH），并作为RAN的重要组成部分而被深入研究。在该网络系统中，就光纤链路的非线性和对不同移动信号格式的兼容性而言，如果采用光纤数字化无线技术需要考虑到的是5G中可能采用的高阶调制（1024QAM）规范；同时，迫切需要升级MFH系统的容量来迎合带宽爆炸性增加需求。高阶调制格式已被研讨以取代目前的主流NRZ-OOK格式。与其他解决方案相比，如DMT和CAP，脉冲幅度调制（PAM-4）由于其更简单的数字化和宽松的线性要求而成为潜在的候选技术。但是，与NRZ相比，在相同信噪比（SNR）情况下，PAM4下信号有较大的误码率（BER），因为每比特能量降低和容限性能较弱会产生符号间干扰（ISI）从而导致信号串扰严重。因此，需要重新思考是否有必要将信号数字化。考虑到光链路质量可能有不同长前传和短前传共存以及相应的不同到达距离，为了在不同光链路质量下达到最佳状态的性能，采样位应该被优化并且需要具有可变速率的装置，这导致了电子电路高度复杂性,因此研究人员建议使用混合PAM2/4信号。混合PAM2/4信号由两个简单的系统产生：（i）一个高位和一个低位配对形成一个PAM4符号; （ii）一部分PAM4在调制之前，低位比特被设置为“0”。PAM4格式实际上被转换为混合PAM2/4格式，其中具有低BER的PAM2发送具有更高优先级的采样比特，具有高频谱的PAM4方案传输剩余的采样比特（即在PAM2和PAM4之间改变位数设置为“0”的比例，并根据不同光链路质量进行灵活调整以达到最佳收发性能）。由于混合PAM2/4信号的波特率固定，可以应用固定速率的硬件。20G波特I/Q数据的实验结果传输表明，在各自的最优PAM2/4比例混合下，与传统PAM4格式和1024-QAM的长期演进（LTE）类信号相比，所提出的方法可以减少误差矢量幅度（EVM）值。研究人员建议在数字移动前端采用柔性混合PAM2/4过程来抑制由采样误码引起的信号失真；而且，PAM2/4信号的比例可以根据光链路的质量进行灵活调整（只需将位数设置为“0”即可实现，无需任何硬件修改和调整，所提出的方案与传统的PAM4收发设备完全兼容）。基于PAM4信号设计的数字移动前传系统如图5所示。