2018年5月PTL光通信论文评析

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7/11/2018，光纤在线特约编辑：邵宇丰、赵云杰、龙颖
2018年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：自由空间光传输系统、无源器件、光子材料与制造技术、光纤网络和传输系统等，笔者将逐一评析。

1.自由空间光传输系统

采用紫外线（UV）通信链路具备低功耗传输、丰富的未授权带宽和更高安全性等应用优势。考虑到大气信道的独特散射过程，紫外线可应用于高效的非视距（NLOS）通信过程。限制NLOS紫外线通信传输的负面因素有湍流、散射和光束吸收等。湍流导致存在于UV信号中的光子数量产生随机或伪随机变化，从而在接收器中产生强度波动。具体来说，它可能导致接收器中的信号损失并最终致使信噪比( SNR )的衰落。空间分集技术是一种公认的可减轻衰落和大气湍流影响的技术；因此，研究人员为改进自由空间光学（FSO）通信系统的收发性能提出了应用不同的分集技术。最近，来自韩国国立釜山大学的研究人员在应用NLOS紫外线链路的基础上提出了一种基于切换和保持组合的分集技术，他们采用两个接收器配置以减轻信道衰落效应（每个接收机所处的信道都假定与另一信道呈指数相关）。研究人员分析了在相关湍流通道中使用SSC分集技术的NLOS UV链路的传输性能并对其结果进行了分析。假设辐照度波动是伽马-伽马分布，研究人员已经分析并推导出中断概率和ASEP的表达式。基于推导出的中断概率公式测算，具有双分集的SSC接收机比没有分集的接收机其灵敏度提升大约高7dB。同时研究发现不同信道之间的相关性会降低信道的性能。NLOS UV通信链路如图1所示。

图1. NLOS UV通信链路

2.无源器件

作为新兴的平面光学器件之一的微透镜因其可精确控制光纳米尺度已被广泛应用于许多科研领域，包括成像、传感、光谱学和光伏等应用领域。通常情况下聚焦微光栅透镜采用0衍射模式，其中的高指数对比度光栅可以提供比较大的相移（0到2π）可使光线聚焦所以被用作单独的移相器来满足镜头聚焦要求。但是，高折射率对比度光栅会引起显著的消色差现象和导致特定带宽上的消色差聚焦。作为具有相当大带宽的光源或信号（例如，光致发光和/荧光信号），特别是在可见光波长范围内，消色差聚焦能力至关重要且适用于各种应用器件。目前广泛应用的折射镜片如菲涅耳透镜，对于消色差现象需要耦合设计以补偿色差损失，因而会显著增加该设备的复杂性和成本。研究人员提出并展示了通过特殊色散控制实现消色差的基于圆偏振入射的超透镜，从而为设计基于亚波长相移单元的微透镜提供了理论基础。然而在实际应用中线偏振只能实现几个波长的入射，而透镜具有显著焦距偏移需在非常窄的带宽方可实现应用。研究人员展示了可以覆盖250nm可见光波长（带宽从435 nm到685 nm）的宽带亚波长消色差微透镜，其线偏振入射时的焦移低于5％，其结构示意图如图2所示。。考虑到亚波长光栅微透镜由一组纳米结构光栅组成并基于相位匹配而设计，因此聚焦镜片与折射平面镜片的尺寸相比其尺寸可以小得多。此外，所有介电材料都具有低折射率对比度，其他低折射率对比材料如SiO2和Si3N4等也可以应用以实现整个可见光波长连续宽带消色差，其中由于CMOS可兼容制造和大规模制造可以得到规模化利用。聚合物微透镜的有几个潜在优点，通常情况下，对比之前研究所（TiO2，GaN）需要等离子辅助薄膜沉积和/或反应离子蚀刻材料，亚波长纳米结构只需要电子束图案化工艺。而这里使用的聚合物（ZEP520A）是一种典型的电子束光刻胶，可使完整的微透镜的制造工艺大大简化。因此可以避免很多纳米制造的缺陷，如相关锥形结构或与剥离过程有关表面缺陷。此外，基于亚波长纳米结构的连续消色差微光栅透镜可以在可见光波长下工作。最近来自密歇根大学的研究人员第一次在实验中使用了基于微米级低折射率对比软材料（小于10微米）制造的低折射率微型光栅透镜。研究人员的下一步计划是研究平板微透镜。

图2（a）二维亚波长光栅微透镜示意图，（b）单相移位器结构。

3.光子材料与制造技术

由于可见光通信（VLC）发光设备（LED）在数据通信过程中可保持安全性和高速度凸显了其重要性而受到广泛关注。白光LED灯具有高速调制特性，该设备可在照明的同时提供互联网通信等附加功能。使用白光LED作为可见光源有两个主要好处：发光效率和响应频率。虽然白光LED的发光效率高，其有限的调制带宽却限制通信的传输速度。被广泛使用蓝光激发黄色荧光粉的LED调制带宽只有几MHz，信号易被切断，LED灯光若被阻挡，网络信号无法穿透阻挡物。同时，因不同光路径到接收端的时间不一样，将会产生码间干扰。所以，优化LED灯布局和控制非线性效应，才能提高调制效率并提升传输容量。此外，最近有相关研究对白光LED器件的传输速率进行了改进：即使用有效的LED芯片（响应频率为10-20 MHz）或通过优化传输系统可以改善可见光的传输速率，可将数据传输速度从1Gbps提升到几Gbps不等。LED调制带宽是VLC通信系统发展的最重要的瓶颈。之前有研究人员应用具有60MHz -3dB调制带宽的LED芯片，通过正交分频复用（OFDM）实现了3Gbps通信传输速率（且其传输速率显著高于大多数家用的LED）。LED响应频率也可以通过优化设备结构参数来改进。微型LED能够支持基于色移键控（CSK）调制的通信并兼顾照明，因此它是具有显著应用潜力光通信设备。有研究人员展示了一种由直径像素为72μm的可单独寻址的阵列构成的新型微型LED，其中心到中心间距为100μm（该设备中每像素具有高达245 MHz的带宽）。微型LED的响应频率受载流子寿命，电流密度和电容影响。分析这些设备参数之间的关系后，研究人员设计了一种兼顾照明亮度且不受设备结构性能影响的多元件发光二极管串联结构。研究人员在分析响应频率的同时和改进了光学效率，同时也对载流子寿命和电容频率对可见光学通信设备的影响进行了系统研究。
最近，研究人员通过增加一系列发光单元和设备的响应频率，验证了单一尺寸对设备的影响和响应频率为-3dB的不同阵列对光通信系统设备的影响。当设备的单个发光单元的大小介于60-120μm之间时，设备的整体发光功率也相应增加。其结构图如图3所示。当设备尺寸大小固定时，在一定范围内增加一定数量的阵列对响应频率有显著影响（设备的扩散电容函数表示不同大小的设备尺寸对响应频率的影响）。研究人员也分析了不同大小的设备对电流密度的影响，其中尺寸较小的设备其响应频率可以通过改变电流密度来改善。上述研究结果证明了设备电容、载流子寿命和电流密度都会对可见光通信设备的性能产生影响。

图3.机遇4×4微型阵列的LED。

4.光纤网络与传输系统

在光纤通信系统中，使用分布式拉曼放大（DRA）器能减少沿传输光纤的信号功率变化，可以在放大的自发辐射（ASE）噪声和克尔非线性之间提供更好的平衡。与集中放大过程相比，其能提高最大传输距离和数据容量。研究人员使用不同的拉曼泵浦方案来实现上述过程。其中，双向泵浦方案已经被证明能提供更好的性能，但存在一个主要问题，即正向（FW）泵浦的使用会导致相对强度噪声（RIN）影响，从而限制了长距离重复传输系统收发性能的增强。已有研究人员提出了不同产生FW泵浦的方法来降低该代价，但FW泵浦的功率仍然受到限制，并且从泵到信号的功率传输中的低拉曼增益效率很低。此外，改善功率信号分布的第二种技术是使用更高阶的泵浦来产生随机分布反馈（DFB）光纤激光器。由于光纤瑞利反向散射和/或包含光纤布拉格光栅（FBG）作为反射器，在传输光纤中产生的一阶随机DFB光纤激光器提供了信号增益，因而不需要特定的FW泵浦源。然而，由于这种技术基本上是在激光腔中双向传播泵浦，RIN引起的损失仍难以减轻。因此，在长距离传输系统中，采用反向（BW）泵浦以避免从FW泵到信号的RIN传输问题。RIN传递函数具有长跨度和较低截止频率的特点，因此，在BW泵浦的DRA中，RIN的传输量较低。即使是从高功率和高RIN泵输出10-100s kHz的少量RIN，仍然可能限制系统的传输性能（特别是在长距离中继系统中应用时）。
最近，研究人员提出了一种使用非相干宽带一阶泵的双阶BW泵浦的新方案（方案图如图4所示）。双阶BW-泵浦方案是由1336nm波长二阶光纤激光器和由瑞利散射产生的1453nm宽带一阶种子泵组成。该种子泵通过防止从较高阶泵到信号的RIN传输的演变来减轻信号的RIN损失。研究人员证明：与使用反向二阶泵产生的低RIN半导体泵和随机DFB光纤激光器相比，使用非相干宽带泵可以提升长距离传输性能。在100G速率的DPP-QPSK波分复用（WDM）长距离传输系统中，该方案能将传输范围扩展到7915km。此外，使用这种宽带泵浦可以提供平坦的增益谱，从而减少了宽带（C+L波段）传输所需的泵数量。

图4 二阶泵浦和不同一阶种子泵的二阶分布拉曼放大结构；（a）宽带非相干ASE泵；（b）低RIN半导体激光二极管；（c）随机DFB光纤激光器。

众所周知，在使用皮秒脉冲作为码载波的非相干光码分多址接入（OCDMA）系统中需要进行色散补偿（CD）。如果链路没有适当的CD补偿，那么由于脉冲展宽和时间偏移引起的失真会在接收端造成OCDMA信号的失真，从而导致误码率（BER）降低。因此，确保CD补偿链路的偏差并通过可调的方式进行控制是十分重要的。实现可调CD控制的一种方法是在光纤传输之前利用信号的啁啾效应。在已有研究中，一个带有正啁啾的激光脉冲通过SMF-28光纤产生了一个负啁啾（由于光纤异常色散），以此实现脉冲压缩。与此同时，群速度色散（GVD）脉冲在光纤中传播时也经历了扩展。因而，在被称为色散长度（LD）的距离处，由于上述效应的同时作用，在光纤输入端得到的脉冲宽度等于其初始值。经过色散长度（LD）处后，传播的脉冲将再次开始扩展，直到光纤末端。激光脉冲的初始正啁啾或由于光纤异常色散而产生的负啁啾可以被进一步调整以压缩光脉冲。例如，可以通过减少所产生激光脉冲的初始正啁啾或者可以改变SMF-28光纤的长度，使其在具有异常色散的光纤中传播。已有研究表明，通过改变半导体光放大器（SOA）的偏置电流，也能改变光脉冲通过SOA的啁啾。研究者们还通过改变放置在链路接收器侧的SOA增益来缓解温度引起的光纤色散对OCDMA自相关性的影响。还有的研究者通过改变SOA动态增益和引入保持光束来减轻光纤色散的影响。上述控制机制通过增益变化影响SOA内部的折射率，从而导致穿过SOA的光脉冲具有不同量的啁啾。最近，研究人员首次提出使用放置在发射端的SOA补偿光纤色散方案（实验装置如图5所示），该方案的模拟与实验结果具有很高的一致性。

图5 相关实验装置

在下一代无源光网络（PON）中，人们对数据速率的增加、多址用户的数量和传输长度的需求日益增长。随着新一代网络服务的出现，流量将变得更加多样和复杂，因此需要增加网络资源的数量。相干无源光网络（PON）由于其具有接收灵敏度高、光谱选择性好等优点，已经成为该领域的研究热点。特别是，基于单一波长相干正交频分多址的无源光网络（CO-OFDMA-PON）是一种有发展前景的解决方案，该方案具有灵活的时间和频率资源管理、系统频谱效率高等应用优势。对于基于偏振分集的实际CO-OFDMA-PON上行传输链路（由偏振分束器和光混合结构组成）而言，偏振态（SOP）的变化是一个关键障碍，主要原因是每个多路访问光网络单元（ONU）具有不同的SOP变化。其中，关键变化源可以在光学器件和光纤的两侧找到（如图6所示）。考虑到许多光学器件对偏振有很高的敏感度；例如，每个ONU中的不同光学设备（如基于半导体的激光二极管、光学放大器、基于波导的光学外部调制器以及光学滤波器）会导致不同的SOP变化，因而在每个ONU中不能维持恒定的SOP。此外，SOP在通过光纤时也会发生变化，特别是在单模光纤（SMF）中。纤芯和包层的不对称性、物理弯曲和压力以及SMF的外部振动和温度都会导致SOP发生变化。即使发射器优化了光学器件的SOP，ONU之间的SOP在传输过程中也会随机改变。因此，SOP的泄露不可避免。由于这种泄露的影响，初始偏振轴上的信号功率可能相对较低，从而系统的信噪比（SNR）也会降低，最终导致接收到的信号不能被清晰地解调，因此，基于多址的CO-OFDMA-PON系统需要补偿SOP变化。
目前，各种SOP控制解决方案已被广泛研究，但每个解决方案都有其局限性。有研究人员提出一种解决方案是偏振不敏感检测，这种技术仅仅适用于强度调制。此外，研究者还提出了一种被称为偏振保持光纤（PMF）的方案，该方案不仅成本昂贵，还面临着插入损耗的问题。研究者们还研究了使用法拉第旋转器（FR）的低成本SOP控制，但由于光纤的互易性，这种技术也只有通过直接调制实现。此外，还有研究人员提出使用双向调制器来增强SOP，但其需要复杂的偏振处理。由于高光功率能达到非线性区域的要求，光纤非线性偏振在牵引上的发现是不够充分的。最近，研究人员提出了一种基于单一斯托克斯矢量（SV）的SOP恢复（ISVSR）方案（其工作原理如图7所示），该方案适用于基于单一波长的相干正交频分多址无源光网络（CO-OFDMA-PON）的上行传输链路。考虑到每个ONU在传输过程中经历不同的SOP变化，因此引入了一种单独补偿技术，而无需复杂的设备控制或使用PMF。该技术通过使用导频（PT）作为SOP估计器，以处理每个ONU的SOP变化。ISVSR在均方误差（RMSE）、误码率（BER）和误差矢量幅度（EVM）方面的性能在自相干反射OFDMA-PON上行传输链路中均得到了实验验证。