光纖在線特邀編輯:邵宇豐 陳烙 申世魯 陳福平
2015 年12月出版的PTL 主要刊登了以下一些方向的文章,包括:激光器和放大器、無源光子器件,光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng),筆者將逐一評析。
1.激光器和放大器
模擬光子鏈路(APLs)在微波通信中的應(yīng)用中引起了人們的廣泛關(guān)注,并在光纜電視、基于射頻的光纖無線通信、雷達(dá)和無線電天文望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域研究其應(yīng)用。盡管光纖及其相關(guān)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn),如低損耗、高帶寬、重量輕以及可避免電磁干擾,但是光纖的色散(CD)負(fù)面效應(yīng)降低了APLs的通信性能。為了克服因色散引起的功率衰減,研究人員已經(jīng)提出一系列的研究方案,一個常規(guī)方案是采用光信號進(jìn)行單邊帶調(diào)制,實(shí)際中寬帶的單邊帶調(diào)制并不是那么容易實(shí)現(xiàn)的;也有的研究人員提出采取補(bǔ)償方案,如采用雙邊帶(DSB)預(yù)矯正補(bǔ)償調(diào)制和載波相移DSB調(diào)制的方案;還有研究人員提出采用偏振調(diào)制的APL去補(bǔ)償功率衰減,然而這些方案只是工作于單頻率波段而不適合寬頻帶操作;另外有研究人員提出采用一個基于兩信道相位調(diào)制進(jìn)行寬帶補(bǔ)償?shù)姆桨,該方案補(bǔ)償?shù)膸捒梢赃_(dá)到18GHz,但這個方案需要兩個激光二極管和一個特殊的調(diào)制器才能完成,這使系統(tǒng)變的復(fù)雜,成本高。還有一種方案是使用平行調(diào)制器的射頻光纖(RoF)鏈路來克服CD引發(fā)功率衰減,可操作帶寬可以達(dá)到18GHz,但該方案需要兩個調(diào)制器且它們之間的時間延遲不易控制。來自南京大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院南京微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出在傳統(tǒng)的DSB基于APLs的強(qiáng)度調(diào)制中放置基于分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器的光相位共軛產(chǎn)生器(OPC)來克服CD引發(fā)功率衰減,如圖1所示。采用的DFB激光器相當(dāng)于非線性媒介將引發(fā)四波混頻(FWM)效應(yīng),同時作為泵浦光源來提供激光束。該方案相比較傳統(tǒng)的采用半導(dǎo)體光放大器(SOA)和色散位移光纖(DSF)的方案,不需要外加泵浦光,從而大幅降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。通過50.4公里光纖傳輸后,3dB帶寬的CD補(bǔ)償頻率范圍達(dá)到了33GHz,通過補(bǔ)償功率衰減測量得到的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)相比較傳統(tǒng)的APLs強(qiáng)度調(diào)制方案提升了12.6dB·。研究人員通過在載波頻率為9.2GHz的射頻上傳輸125Mbps偽隨機(jī)比特序列,和在載波頻率為3GHz的射頻上傳輸15.5Msym/s的16QAM矢量信號的實(shí)驗(yàn),證明了該方案的可行性。
圖1.傳統(tǒng)的基于APLs的強(qiáng)度調(diào)制方案中嵌入DFB激光器形的示意圖
多通道激光二極管陣列在100-Gb/s數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中作為光源極具研究前景和價值,考慮到低能耗是通信系統(tǒng)設(shè)計過程中必須考慮的重要指標(biāo),該陣列應(yīng)該有較高的能量效率和信道一致性。近年來,數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化建設(shè)被多次提出,并有很多研究人員開展100-Gb/s以太網(wǎng)信號在單模光纖上傳輸2m,2km,10km,或40km的實(shí)驗(yàn)研究。同時,許多研究人員都將重心放到了密集波峰復(fù)用(DWDM)光通信系統(tǒng)上來,一個典型例子是間隔為8nm的10信道波長為1.55微米的光源進(jìn)行10-Gb/s信號調(diào)制的應(yīng)用。來自韓國大田電子通信研究機(jī)構(gòu)的研究人員采用用電子束平版印刷等技術(shù)制作10信道10-Gb/s分布式負(fù)反饋激光二極管陣列,但是對于這些焊接的激光二極管陣列,門限電流為13mA到28mA,偏置電流高達(dá)80到 100 mA。最近,韓國大田電子通信研究機(jī)構(gòu)的研究人員又提出了采用10 Gb/s多信道掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)分布式負(fù)反饋激光二極管陣列進(jìn)行研究,為了減少寄生電容,有源區(qū)和電流阻塞結(jié)構(gòu)區(qū)域被刻蝕成臺面形式;最后,為了最優(yōu)化收發(fā)性能研究人員做了2km的傳輸測試,得到了在2km傳輸前后的眼圖性能,在單模光纖傳輸后,每個信道的功率補(bǔ)償少于了2dB,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用多信道掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu),每信道的通信性能一致性都有明顯的提高。
圖2.分布式負(fù)反饋激光器結(jié)構(gòu)圖
雖然以前有幾個關(guān)于偏振開關(guān)的報道,但對于其原理的描述并不是十分清楚,進(jìn)一步的研究仍然需要。此前,有研究人員研究了在非線性各項(xiàng)同性電解質(zhì)中,納米級偏振開關(guān)在兩個對向傳輸激光束之間的工作情況,另外有研究人員證明了皮秒級偏振開關(guān)在非線性偏振旋轉(zhuǎn)弱雙折射激光腔中的運(yùn)行情況。在鎖模激光器中,偏振原理分析是十分復(fù)雜的,所以有研究人員采用模型來解釋偏振開關(guān)在腔往返頻率的動力原理,該模型考慮了非線性、色散和其他隨機(jī)效應(yīng)。有研究人員提出簡化偏振開關(guān)動力原理,并忽略了增益寬帶、在兩個偏振模之間的非線性能量傳輸和偏振模色散的隨機(jī)性等,提出了采用不連貫耦合非線性用薛定諤方程來描述在弱雙折射光纖腔內(nèi)的脈沖傳輸,同時分析了整個偏振開關(guān),開關(guān)周期與非線性系數(shù)和平均脈沖功率成比例的關(guān)心。為了加入非線性研究的討論,有研究人員采用85m長的高非線性光纖通過偏振開關(guān)來產(chǎn)生雙波長信號;同時,還有研究人員在實(shí)驗(yàn)中檢測到偏振態(tài)孤子演進(jìn)過程,以及高速偏光在一個脈沖周期內(nèi)幾個偏振態(tài)之間的固定周期。來自重慶大學(xué)光電子技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出一種在鎖模光纖激光器中采用氧化石墨烯偏振開關(guān)的方案,該方案通過在電鍍過程降低氧化石墨烯來獲得高非線性效應(yīng);通過增加泵浦功率,激光器有自脈沖模式被轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦蚊}沖模式,以實(shí)現(xiàn)不同偏振開關(guān)特性;考慮到低泵浦功率時偏振開關(guān)效應(yīng)較弱。關(guān)于偏振開關(guān)的應(yīng)用,這是第一次報道,這將為研究更全面的偏振開關(guān)動力原理提供了新的參考。
2.無源光子器件
硅光子學(xué)已經(jīng)在強(qiáng)度調(diào)制直接檢測和相干光通信系統(tǒng)中開始發(fā)展起來,考慮到強(qiáng)度調(diào)制直接檢測的方案通常不需要本地振蕩器,這將明顯節(jié)約能耗和降低系統(tǒng)成本。對短距離通信而言,由于電子器件和光子器件所需的大帶寬,用OOK(開關(guān)鍵控)獲得超高調(diào)制比特率非常困難,因此先進(jìn)的調(diào)制格式如脈沖幅度調(diào)制(PAM)對于新興的光學(xué)互聯(lián)很有幫助。通常而言,PAM信號可以通過OOK數(shù)據(jù)流和適當(dāng)?shù)乃p器復(fù)用產(chǎn)生,或是在轉(zhuǎn)化為復(fù)用光信號之前用數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。有研究人員采用電域數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、離線數(shù)字信號處理(DSP)過程實(shí)現(xiàn)了112GbpsPAM信號在短距離通信鏈路中的傳輸。實(shí)際應(yīng)用中,PAM信號也可以用一個多電極馬赫增德爾調(diào)制器(MEMZM)直接在光域產(chǎn)生,每個電極被獨(dú)立的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流驅(qū)動,這種方式大大減少了功率耗費(fèi)和成本代價,也更容易實(shí)時實(shí)施。最近,來自加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員報導(dǎo)了用兩段MEMZM產(chǎn)生更高波特率的PAM-4信號,即對四路信號發(fā)生器產(chǎn)生的12.5 Gbps信號進(jìn)行時間復(fù)用,以產(chǎn)生50G波特的PAM-4信號,他們使用的MEMZM反向偏置電壓為4V,用復(fù)用器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流來驅(qū)動調(diào)制器。偽隨機(jī)比特序列信號電平被用50 GHz的射頻放大器放大至4.8v,不相等的射頻信號會產(chǎn)生相對比特延遲,信息比特流被認(rèn)作是獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:采用硅光MEMZM產(chǎn)生了100Gbps的PAM-4信號,誤碼率估計結(jié)果低于典型的硬判決前向糾錯碼極限指標(biāo)。另外,研究人員指出,未來設(shè)計的進(jìn)步會有更好的阻抗匹配方案來減少微波反射過程,從而獲得更加平坦的頻率響應(yīng),同時高速驅(qū)動與光集成電路的使用將減少因長電纜應(yīng)用引起的信號退化過程。
圖3 PAM-4光信號調(diào)制方案圖
來自南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種簡潔高靈敏度的基于光纖耦合器(MFC)的扭轉(zhuǎn)傳感器(圖4),該傳感器是由兩根光纖進(jìn)行熔融拉錐形成的,通過將兩根光纖的尾部進(jìn)行相連構(gòu)成了Sagnac環(huán),該裝置具有體積微小、成本低廉、容易制造的特點(diǎn)。扭轉(zhuǎn)傳感器在橋梁、建筑、高速公路等結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測中起了非常重要的作用,傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)傳感器是基于電/磁效應(yīng)構(gòu)成的,所以它的尺寸都比較大并且容易受電磁波的干擾,這些缺點(diǎn)就限制了它的應(yīng)用。光纖扭轉(zhuǎn)傳感器(OFTS)非常適合于此應(yīng)用,因?yàn)樗哂性S多理想特性,例如靈活性、易于集成、可復(fù)用能力,尤其是抵抗電磁干擾的特性。研究人員對不同類型的光纖扭轉(zhuǎn)角傳感器的進(jìn)行了分析論證,例如基于雙折射光纖的扭轉(zhuǎn)傳感器,傾斜光纖光柵(TFG),布拉格光纖光柵(FBG),長周期光纖光柵(LPFG),光子晶體光纖(PCF),多模干涉儀(MMI)。由于光柵在應(yīng)變和溫度之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的交叉靈敏度,然而光子晶體光纖價格昂貴,多模干涉儀制造工藝復(fù)雜,使得它們還是無法得到廣泛的使用。 該方案中使用的MFC是將兩根商用光纖利用熔融拉錐技術(shù)制造而成,這種材料的成本很低且制造方法相對簡單。并認(rèn)為在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測以及其他領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用前景。
圖4. 基于MFC的OFTS
3.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
光纖無線通信(RoF)技術(shù)具有高帶寬、高靈活性和低傳輸損耗等優(yōu)點(diǎn),可以用于將來的寬帶無線通信和第5代移動通信,其巨大的潛力引起人們的廣泛關(guān)注。為了獲得更大的傳輸容量,需要使用矢量正交振幅調(diào)制(QAM)格式,矢量信號調(diào)制和RoF技術(shù)相結(jié)合可以有效的克服頻譜資源不足的限制,并提升系統(tǒng)帶寬效率,但如何利用帶寬受限的電子設(shè)備來產(chǎn)生高頻率的射頻信號仍然是個問題;诩す饧夹g(shù)的外部強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)可以用于產(chǎn)生非常穩(wěn)定的射頻矢量信號,通過使用雙倍、三倍乃至八倍的倍頻技術(shù),能產(chǎn)生高頻射頻矢量信號,同時降低光和電模塊在發(fā)射端的帶寬要求。研究人員提出了幾種產(chǎn)生高頻射頻矢量信號的方案,如利用光四倍頻的雙臂馬赫增德爾調(diào)制器(MZM)產(chǎn)生在25GHz的312.5M波特率正交相移鍵控(QPSK)信號;利用光八倍頻的單臂馬赫增德爾調(diào)制器產(chǎn)生在25GHz 的4G波特率QPSK信號。此外,在上述利用倍頻技術(shù)產(chǎn)生光矢量信號方案中,預(yù)編碼技術(shù)是必不可少的。為了獲得電域的QPSK矢量射頻信號,驅(qū)動信號在驅(qū)動MZM前先進(jìn)行相位預(yù)編碼,而在多振幅QAM調(diào)制中,振幅和相位都相應(yīng)進(jìn)行了預(yù)編碼,但上述方案中預(yù)編碼技術(shù)產(chǎn)生的星座圖分布是不均衡的,將會降低系統(tǒng)的發(fā)射性能,所以如何適當(dāng)設(shè)計去實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼均衡很有必要。來自復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究員提出一種實(shí)現(xiàn)星座均衡分布的預(yù)編碼方案,如圖5所示,用于在射頻帶的光恒定或者多振幅QAM矢量信號的產(chǎn)生。他們實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了8G波特率的QPSK矢量信號通過光載波抑制方法來產(chǎn)生雙倍頻光并提出了預(yù)編碼均衡調(diào)制方案,實(shí)現(xiàn)的通信總?cè)萘繛?6Gb/s。相比于傳統(tǒng)的非均衡性編碼方案,該方案接收靈敏度可以提升2dB,星座圖非常對稱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:8GBd QPSK矢量信號能在誤碼率硬判決前向糾錯門限為3.8×?xí)r,經(jīng)過25km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖鏈路完成有效傳輸。
圖5. 一種產(chǎn)生光矢量信號的預(yù)編碼方案
正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(OFDM-PON)因?yàn)槠鋵构饫w色散的魯棒性、高頻譜效率和靈活的資源分配而成為下一代光網(wǎng)絡(luò)中最有前景的接入方式之一。同時,日益增長的光通信數(shù)據(jù)對OFDM-PON的可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn),因?yàn)楣饩路終端的數(shù)據(jù)是面向所有的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)傳播,容易導(dǎo)致被一個非法的ONU惡意攻擊。目前,幾種最安全的訪問方式都是在媒體訪問控制層(MAC)或是更高層進(jìn)行控制或加密,其控制僅僅將數(shù)據(jù)自身譯成密碼,而控制信息和頭信息沒有得到保護(hù),一旦控制信息和頭信息被非法的ONU獲取,數(shù)據(jù)很容易被竊取。相比加密MAC層,加密物理層更能保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),也能保護(hù)控制和頭信息。在之前的混沌安全方案中,沒有考慮到通過降低OFDM信號的峰均比(PAPR)來提高性能。最近,來自上海交通大學(xué)電子工程系的研究人員提出并實(shí)驗(yàn)展示了一種新的混沌局部傳輸序列技術(shù)來提高OFDM-PON物理層安全的方案。該方案的安全性體現(xiàn)在:通過一個4維透視混沌系統(tǒng),其初始值作為安全密鑰,由于初始值的高靈敏性,只有擁有能產(chǎn)生正確混沌序列的正確密碼的合法ONU,才能破譯傳輸?shù)腛FDM信號。而且,通過混沌局部傳輸序列技術(shù)有效地降低局部傳輸序列技術(shù)(PTS)的實(shí)施難度,OFDM信號的接收性能能得到明顯提高。不像傳統(tǒng)的隨機(jī)PTS技術(shù),這種建立在混沌基礎(chǔ)上的新的PTS技術(shù)不需要邊帶來傳輸分割信息,將會提高OFDM傳輸?shù)念l譜效率。在光網(wǎng)絡(luò)終端,數(shù)據(jù)流映射進(jìn)129個子載波,其中64個子載波承載16QAM數(shù)據(jù),一個是空的直流子載波,剩下來的64個子載波是前面64個子載波的共軛復(fù)數(shù)匹配。為了同步插入訓(xùn)練序列和進(jìn)行PTS技術(shù)最優(yōu)化,在串并轉(zhuǎn)化后OFDM符號長度的1/8作為循環(huán)前綴加入每個OFDM信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,這種加密方案成功的在8.9Gb/s 16QAM OFDM信號傳輸系統(tǒng)中得到應(yīng)用,是下一代安全OFDM-PON中有前景的接入方案。
圖6. 基于混沌局部傳輸序列技術(shù)加密的OFDM-PON傳輸方案圖
現(xiàn)代光子學(xué)本身具有低傳輸損耗的優(yōu)點(diǎn),并能夠提供寬頻帶以進(jìn)行模擬信號傳輸(即可通過模擬光子鏈路進(jìn)行傳輸,APL),已被業(yè)界認(rèn)為給寬帶微波信號的傳輸提供了一個高效的解決方案。但是模擬光子鏈路具有相當(dāng)?shù)偷膭討B(tài)范圍(SFDR)以及微弱的鏈路增益,而造成這樣的局限性是由于模擬光子鏈路采用了馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)和光電探測器(PD)來進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制-直接解調(diào)(IM-DD),而MZM固有的非線性性質(zhì)限制了APL的動態(tài)范圍,PD的低功率處理能力使鏈路的增益受到了限制。另外,MZM的電光轉(zhuǎn)換效率過低也是造成鏈路增益不大的原因。一種用于解決如何提高動態(tài)范圍和鏈路增益的方法是采用相位調(diào)制-相干解調(diào)(PM-CD),同IM-DD方法相比較,一個相干解調(diào)鏈路可以提供高于20dB的增益并且能夠擴(kuò)大它的動態(tài)范。為了實(shí)現(xiàn)PM-CD模擬光子鏈路,本地光子振蕩器(OLO)在相干接收時是必不可少的。研究人員已經(jīng)提出了一些用于實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的方法,其中一個簡單的方法是使用一個自由運(yùn)行的本地光子振蕩器,但是,自由運(yùn)行的本地光子振蕩器自身的相位與發(fā)射端發(fā)出的光載波的相位并不相關(guān),兩者信號相互混合之后將會使傳輸鏈路的性能大大惡化。如何產(chǎn)生一個與發(fā)射端發(fā)出的光載波的相位相關(guān)的本地光子振蕩器的光源,所采用的一種可能方法就是,使用一個光學(xué)鎖相環(huán)(OPLL)來鎖定本地震蕩器產(chǎn)生的光源信號的相位,使其與光載波的相位相關(guān)聯(lián),不過,使用光學(xué)鎖相環(huán)一個最大的弊端就是它的環(huán)路的帶寬相當(dāng)窄,這就要求本地光子振蕩器必須使用一個擁有窄線寬的激光發(fā)生器。來自加拿大渥太華大學(xué)微波光子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員近期提出了一種新型的相位調(diào)制相干同向和正交技術(shù)(I/Q)解調(diào)的模擬光子鏈路的方案(如圖7所示),該方案沒有增加額外的光纖來傳送光信號到接收端。相反,發(fā)射端產(chǎn)生的遠(yuǎn)程光學(xué)參考信號通過偏振復(fù)用技術(shù)使其在同一根光纖上傳送到接收端。在發(fā)射端,線性極化的光波經(jīng)偏振分束器分離后傳輸?shù)饺窦{克效應(yīng)環(huán)中,再經(jīng)里面的相位調(diào)制器來產(chǎn)生兩路正交偏振的光信號,一路信號經(jīng)過了相位調(diào)制,另一路則沒有被調(diào)制,這歸因于行波的性質(zhì)。相干I/Q解調(diào)為相位調(diào)制的微波信號提供了一個理想的解調(diào)方法,同時,類似于其它的相干解調(diào)技術(shù),本地光子振蕩器的相干光源也是必不可少的。其它一些文獻(xiàn)提到的本地光子振蕩器的光源是從發(fā)射光源中分離出來的,然后通過另外一根光纖傳送到相干接收器。為了糾正光路徑不匹配問題,這就相當(dāng)于相位噪聲,帶有光纖延伸器的反饋控制環(huán)是必不可少的,但這只適用短距離傳輸鏈路。使用相位調(diào)制的微波信號通過光纖上,在接收端采用I/Q技術(shù)來進(jìn)行相干解調(diào),并擴(kuò)展了它傳輸距離,研究人員成功論證了該技術(shù)的可行性。在發(fā)射端,利用光纖塞格納克效應(yīng)環(huán)和相位調(diào)制器來產(chǎn)生兩路正交偏振的光信號,其中一路光信號相位經(jīng)過了調(diào)制,另一路相位沒有被調(diào)制的光信號用來作為遠(yuǎn)程光學(xué)參考信號。這兩路正交偏振光信號通過單模光纖送到一個偏振片和相位分集相干接收機(jī)上。在接收端使用了獨(dú)立的OLO后,相位調(diào)制信號的光場和正交偏振的參考信號都將同時被I/Q檢測方案接收到。由于經(jīng)過相位調(diào)制的光信號和參考信號都通過單模光纖(SMF)的傳送,它們的光學(xué)相位具有一定的關(guān)聯(lián)性,原始信號可以通過數(shù)字信號處理技術(shù)來恢復(fù)。采用了光學(xué)相位相關(guān)的參考信號之后的相位調(diào)制相干I/Q解調(diào)傳輸鏈路,它的傳輸距離由50米擴(kuò)展到了10公里,同時提供了-9.5dB的鏈路增益,該方案的實(shí)現(xiàn)使 APL具有更高的動態(tài)范圍以及更大的鏈路增益。
圖7. 相位調(diào)制和I/Q相干解調(diào)的方案