2018年8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，胡钦政
2018年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光通信网络与传输系统、非线性均衡器、光接入系统、无源器件、激光器、调制器等，笔者将逐一评析。
1. 光通信网络与传输系统
随着通信业务的迅速发展用于无线通信的低频频谱资源非常匮乏。因此，无线通信系统设计人员更加注意更高频率的资源，以满足不断增加的传输系统容量需求。V波段频率因其具有大的可用无线带宽而脱颖而出，尤其是57-64GHz左右的免许可频段。然而，与较低的射频（<6GHz）不同，60GHz频带除了自由空间损耗之外，还有约15dB/km的传输衰减，大幅限制了信号传输距离。光纤无线电（RoF）技术可以克服与毫米波信号传输高衰减相关的缺陷。RoF技术具有高频谱效率、低信号延迟和昂贵设备集中化的优点。而毫米波RoF系统正是充分利用了无线通信和光通信的优势，大大增加了宽带无线传输距离。然而，由于模拟信号域的若干传输阻碍（包括由于光纤色度色散引起的功率衰落效应、直接调制非线性和啁啾以及光-电（O/E）转换失真），RoF的实效难以获得。当毫米波调制信号沿色散光纤传播时，两个边带将呈现相对于光载波的不同数量的相移。系统所接收的波动RF功率就取决于这两个差拍分量间的相对相位差。大多数的RoF信号发射是由外部调制器的强度调制和直接检测（IM-DD）方案完成的。已有研究使用两个马赫-曾德尔调制器（MZM）和数字噪声抑制方案成功在150km标准单模光纤（SSMF）中传输信号。为了进一步增加传输距离和通信带宽，有研究证明使用昂贵的外部调制器和相干光接收机的方案可以实现RoF毫米波通信在80公里SSMF中的长距离信号传输。然而，相干光接收机的复杂性、成本和功耗都有损于可行性演示的实际操作。一些更具成本效益的方案中使用具有光学单边带（SSB）直接调制激光器（DML）来建立长距离毫米波RoF链路。一些研究中还使用远程外差技术和包络检波器来延长传输距离，其中使用光学SSB的远程外差技术，最大光纤距离和比特率分别可达到90km和7.5Gbps。最近，来自北京邮电大学信息光子与光通信国家重点实验室的研究人员使用具有高成本效益的DML，在没有任何色散补偿组件和外部调制的情况下，演示了60GHz信号在200km单模光纤链路上的传输，并且设计了特殊的双级SSB调制和功率检测方案（如图1所示），以克服严重色散引起的衰减。在有色散影响的长距离SSMF传输之后，两个边带之间的相位差导致对信道频率响应的眼中功率衰减效应。他们首先设计了在光学和电学领域中工作的新型SSB信号，以避免两个边带之间任何有可能出现的扰动。实验结果表明，该方案通过200km的单模传输14Gbps的QPSK信号，然后低于3.8×10-3的误码率门限进行1米60GHz无线传输。该方案的实施不需要昂贵的设备，从而使远程宽带无线服务有望实现，其实验装置如图2所示。

图1 双级SSB调制的长距离毫米波RoF系统图（CO：中心局；BS：基站；UE：用户设备）

图2 基于DML的60GHz mRoF双级单边带调制功率检测系统装置图；（a）光纤传输后的光谱；（b）、（c）为信号功率检测前后的电频谱。AWG：任意波形发生器；pre-FDE：频域预均衡；SRRC：平方根升余弦；DML：直接调制激光器；ECL：外腔激光器；PC：偏振控制器；OA：光衰减器；OC：光耦合器；EDFA：掺饵光纤放大器；SSMF：标准单模光纤；PD：光电探测器；EA：电放大器；LPF：低通滤波器

2. 非线性均衡器
随着视频会议、高清电视（HDTV）、物联网（IoT）、IP语音（VoIP）等新兴信息业务的空前发展，移动和固定接入网络的带宽需求迅速增长。因此，对于低成本、大容量的光接入网络的需求变得至关重要。常规的时分复用无源光网络(TDM-PON)通常提供10Gb/s的大聚合数据速率，但这不足以满足未来三重播放服务的带宽要求。ITU-T提出了名为NG-PON2(或ITU-T G.989)新标准，其目的是通过将时分复用（TDM）和波分复用(WDM)结合在同一PON中，从而将系统信道容量提高到40Gb/s。然而，每个波长（）的数据传输容量仍然限于10 Gb/s。目前，通过结合频谱有效的调制格式（如PAM-4），已经采用了用于光接入网络的几个25Gb/s/或甚至更高的数据速率传输， PAM-4更被认为是实现下一代高速传输的候选信号之一。尽管外部调制激光器（EML）（如电吸收调制器（EAM）或马赫-曾德尔调制器（MZM））因其具有低色散引起的损耗和更高的调制带宽，提供了比DML更好的性能和更长的光学范围；但由于DML具有低成本、高光输出功率、小占用面积和较少的能量消耗等特点，因而在光接入网络中接收机中结合直接检测技术的DML是更理想的。然而，操作DML存在许多挑战，包括低调制带宽的要求、克服由于激光调制啁啾和光纤色散之间的相互作用引起的波形失真、DML的非线性动态行为以及在信号调制期间引起高的符号间干扰和检测。并且DML的非线性是非瞬时的，这就意味着光输出功率水平取决于其先前的工作状态。已有研究报道了几种用于电光元件的非线性补偿的方案。但这些方案需要昂贵的高分辨率数模转换器（DAC）或模拟-数字转换器（ADC），并需要非常大的存储器尺寸和高计算能力。目前机器学习引起了人们的研究兴趣，作为一种跨学科的解决方案已成功应用于计算机科学、统计学、人工智能等领域。在光通信领域中也已经报道了机器学习技术的使用，尤其是设计基于神经网络（ANN）的非线性均衡器。然而，设计这种非线性均衡器在IM / DD系统中实现PAM-4信号传输的可行性仍然不明确，需要进一步研究，因为大多数的研究要么使用正交幅度调制(QAM)格式的光学相干接收机, 要么在系统中部署一个EAM或MZM，其中各元件非线性的影响相对较弱，光纤中存在的非线性影响是主导因素。此外，基于神经网络（ANN）的非线性均衡器可能需要隐藏层中的大量输入/节点或线性均衡器的组合，这会显著增加系统的成本和复杂性，导致不切实际的解决方案。最近，来自韩国高等科学技术学院电气工程学院的科研人员提出了一种基于神经网络（ANN）的低复杂度非线性均衡器（如图3所示），以减轻PAM-4调制光接入网络中DML的非线性代价。研究人员通过18公里的单模光纤（SMF-28e）实验证明了20Gb/s信号传输，其中接收灵敏度为-5.5dBm，误码率（BER）为1.7×10-5，研究结果证实了所提出的ANN-NLE均衡器可以应用到IM/DD光纤接入网络中。

图3 基于神经网络（ANN）的非线性均衡方案

3. 光接入系统
无源光网络（PON）已经广泛部署，以满足日益增长的接入带宽和上下行容量需求。基于强度调制/直接检测(IM/DD)的正交频分复用(OFDM)技术以其低成本、高频谱效率、灵活性和对色散(CD)的鲁棒性成为PON系统中的一种有吸引力的调制技术。然而，在传统的OFDM-PON中，来自光线路终端(OLT)的下行数据被广播到所有的光网络单元(ONU)；通过PON中的非法ONU传输的下行数据易受可能存在的窃听设备影响。在上行链路中，上行数据直接发送到OLT，与下行链路的情况不同，但在功率分配器上的反射仍然是与安全有关的问题。有研究已经报道了几种加密方案，如通过在时域或频域中加扰来增强其物理层安全性；一些方案可以同时改善安全性并降低峰值平均功率比(PAPR)。但在这些方案中，只使用了原语置换技术，这远远不能满足加密的要求。此外，传统的时域加扰可能导致同步、延迟和附加噪声等潜在问题。来自香港中文大学信息工程系的胡周义等研究人员设计了基于实值混沌正交矩阵变换（RCOT）的安全快速OFDM-PON加密方案，其实验框图如图4所示。由于其具有混沌特性，所提出的加密方案具有更复杂的随机性和更高的不可预测性。该方案中没有额外的厄米特对称扩展和复值乘法运算，因此基于逆离散余弦变换（IDCT）的快速OFDM只有更低的计算复杂度。并且利用RCOT帧和RCOT池的结构，该方案可以扩展到时域，也可以指数级增加密钥空间。研究人员利用20公里的标准单模光纤(SMF)在更加安全的快速OFDM-PON中成功地实现了18.82Gb/s快速OFDM信号的全密钥空间的加密过程，并在误码率（BER）为1×10-3时观察到了1.5dB的编码增益。

图4 （a）加密方案（b）32次迭代生成的实值混沌正交矩阵（c）256次迭代生成的实值混沌正交矩阵

4. 无源器件
束缚态作为被动锁模光纤激光器（MLFL）中一种重要的多脉冲工作现象，由于其在全光数据领域存储，特别是超高速远程孤子通信系统中的应用潜力，一直受到人们的关注。由于峰值功率的影响，在高泵浦功率的情况下，多脉冲工作状态(如谐波模式锁定和束缚态)的形成也受到影响。在非线性Ginzburg-Landau方程（GLE）的基础上，Malomed实现了对束缚孤子的第一次理论预测，然后是Akhmediev等人利用相互作用平面逼近技术也获得了稳定的束缚孤子，随后实验观察到时间束缚孤子。近年来，人们对束缚孤子的研究主要集中在形成机制，脉冲特性，共存特征和相位关系。此外，通过对束缚孤子的谐波模式锁定的观察可以进一步验证束缚孤子是MLFL的内在特征。从广义上讲，束缚孤子的动态特征体现在四个方面：谐波次序，束缚孤子数，脉冲间隔和脉冲持续时间以及它们通过脉冲序列的自相关轨迹可视化。然而，很少用于束缚态的脉冲序列的脉冲束的演变的报道。二维（2D）材料的发现可为无源MLFL的发展提供更多可能性。在一些研究中，作为过渡金属二卤化物典型代表的二硫化钼（MoS2）应用被报道为有效的饱和吸收剂（SA）制造的优良候选物， MOS22D晶体的高度非线性光学效也被证明。实验表明，三阶非线性极化率高达10～19 M2/V2。迄今为止，很少有基于MOS2的SAS被广泛应用于实现被动锁模和Q开关的报道。虽然在MOS2 SA MLFS中已经得到束缚态孤子，但束缚态孤子谐波锁模（HML）或束缚和HML孤子的共存仅仅是光纤激光器中的一般操作，没有表现出新特征。由于高非线性光学效应和宽带可饱和吸收特性，基于MoS2的少层SA MLFL的构建将有助于丰富束缚态孤子的动力学特性以探索束缚孤子的形成机制。来自南开大学现代光学研究所和天津市重点实验室的科研人员报道了基于MoS2 SA MLFL的两个孤子束缚状态的稳定复杂脉冲束的实验研究过程。基于MoS2的微纤维SA的调制深度为5.69％，相应的饱和强度为约129MW/m2。在激光未改变偏振态的情况下，随着泵浦功率的增加，脉冲序列将逐渐从双孤子单脉冲演变为双孤子复脉冲束，而基本束缚态锁模操作维持；无论泵功率如何编号，束缚孤子的脉冲分离和持续时间都是固定的。由于两个束缚孤子的强相互作用，束缚态保持相当稳定，这可能为开发新型双脉冲激光源提供机遇，其实验装置如图5所示。

图5 锁模光纤激光器的实验装置

5. 激光器
近年来，超短脉冲多脉冲激光器引起了人们对多脉冲激光微加工及其光通信应用的特别关注。孤子是一种状态，其中两个或多个基本孤子通过孤子相互作用在时域或空间域中结合在一起，它被认为是在锁模光纤激光器中产生超短多脉冲的有效方法，主要体现为来自粒子孤子之间的排斥和吸引人的相互作用。光纤激光器中的孤子相互作用主要包括直接孤子相互作用，色散波介导的孤子相互作用，以及不稳定的连续波激光孤子相互作用等。孤子分子的理论预测首先由Malomed和Akhmediev给出。2001年，Tang等人通过实验观察了被动锁模光纤激光器中的束缚孤子。2005年，Stratmann等人进一步报道了光纤激光器中时间孤子的作用。随后，各种孤子（如振动和振荡孤子，谐孤子，矢量孤子等）被广泛研究。研究人员已经设计基于孤子的非线性偏振旋转锁模光纤激光器，非线性光学环路镜和饱和吸收剂(如碳纳米管，石墨烯，二硫化钼，拓扑绝缘体，黑磷）。然而，之前报道的孤子应用都有一个从1.5-91ps的相对较小的孤子分离，最多相当于脉冲宽度的100倍。这种孤子分离可能不利于多脉冲激光器的高效微加工。因此，在锁模光纤激光器中开发超宽空间孤子新应用估计有一定的技术优势。来自国家电网江西电力股份有限公司信息通信处和厦门大学电子工程系的研究人员设计了窄线宽锁模掺铒光纤激光器（EDFL），用以产生可控的孤子。实验在1565.7nm处观察到稳定的孤子，并且其中的孤子数随着泵浦功率的增加而可控地增加。相邻孤子之间的时间间隔有大至12.8ns的超宽空间，是孤子脉冲宽度（12.0ps）的1067倍，这意味着存在弱相互作用。该方法可以作为生成可控孤子的新范例用于激光微加工中的各种应用，其实验装置如图6所示。

图6 窄线宽被动锁模EDFL的实验装置（WDM：波分复用器；EDF：掺饵纤维；PC：偏振控制器；OC：光耦合器）
6. 调制器
由于互补金属氧化物半导体(CMOS) 的兼容性、大规模集成能力、高产量和低成本的应用优势，基于硅光刻技术制备的光收发器在数据中心和芯片到芯片的通信中正逐步被考虑用于短距离互连。传统的硅光子调制器通常依赖于自由载流子等离子体色散效应，并且马赫-曾德调制器和环形谐振器调制器都已经被广泛使用。然而，弱自由载流子等离子体效应以及等离子体效应所需的掺杂引起的损耗导致集成硅马赫-曾德调制器(MZMs)的驱动电压、工作速度和插入损耗之间的折衷设计。硅基微环调制器可以以很小的占地面积实现非常低的驱动电压和小的功耗，但是为了精确调谐波长，要以降低光学带宽和额外的功耗为代价。有研究人员指出集成的硅锗弗兰兹-凯尔狄赫电吸收调制器（Ge-EAM）具有约40×10μm2的小面积，当使用56Gb/s非归零键控调制与硅光子进行单片集成时，具有每位12.8fJ的能量效率。诸如四电平脉冲幅度调制(PAM-4)和离散多音传输(DMT)之类的高级调制格式结合强度调制和直接检测(IM/DD)的方案已经用于超100Gb/s的短距离通信系统。已有研究报道了利用两个平行的GeSi-EAM将二元多能级转换过程移动到光域的方案用以实现PAM-4调制。来自香港中文大学的研究人员进行了基于高级调制格式的Ge-EAM线性度的详细研究。实验装置如图7所示，他们在标准单模光纤（SSMF）链路上评估了采用单集成Ge-EAM的单波长和单偏振技术后进行112-Gb/s PAM-4信号传输的实验性能研究，并研究了具有Kramers-Kronig关系的Ge-EAM的啁啾特性。