光纖在線特邀編輯：邵宇豐 申世魯 陳烙 陳福平
    2016年2月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、無源光子器件、激光器與放大器等，筆者將逐一評析。
1. 光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    在實(shí)際的相干光通信系統(tǒng)中，同向（I）信號和正交（Q）信號一般都采用QAM格式調(diào)制，而相干接收器通常是由解調(diào)器、自動增益控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號處理器（DSP）等組成。當(dāng)實(shí)際光通信系統(tǒng)中的四路實(shí)數(shù)信號因傳輸路徑長度變化而使信號之間出現(xiàn)一定角度的斜率偏差而沒有得到有效補(bǔ)償時，這些斜率偏差就會造成很高的誤比特率，特別是在高階QAM調(diào)制上，誤比特率更高；如果IQ調(diào)制器的某些關(guān)鍵值失調(diào)時，便會嚴(yán)重影響相干光系統(tǒng)的接收性能。對于高階調(diào)制格式和相對較窄的傳輸系統(tǒng)，IQ相位、增益和信號斜率偏差這些閥值都比較低；雖然，偏振膜色散（PMD）和極化去耦的問題依靠多輸入-多輸出（MIMO）系統(tǒng)中的濾波器可以被高效地處理；并且從理論角度分析，一些常見的問題像斜率偏差、IQ均衡、低定時抖動、小頻率偏移等都可以通過特殊的MIMO算法和結(jié)構(gòu)來進(jìn)行補(bǔ)償，然而這些方法卻完全不適合用來對殘余色散中的斜率偏差進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫@些方法往往只針對于頻域上的補(bǔ)償；其他的方法即使可以解決斜率偏差的問題，但同時又增加了MIMO的計算復(fù)雜度以及處理色散補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度，有的還需要額外的DSP器件，這反而提高了系統(tǒng)的成本和功耗；實(shí)際中大多數(shù)系統(tǒng)在MIMO均衡之前就進(jìn)行了時鐘恢復(fù)，這樣就不能夠利用MIMO中的算法來對斜率偏移進(jìn)行修正，另外，基于斜率偏移補(bǔ)償?shù)腗IMO算法會降低高速光傳輸系統(tǒng)處理殘余色散和偏振模色散的能力。最近，來自歐洲研究中心的研究人員，提出了一種新型而簡便的在四組數(shù)據(jù)線路之間對斜率偏差來進(jìn)行估計的方法，如圖1所示。研究人員提出的這種頻域角估計算法和斜率偏差補(bǔ)償技術(shù)，同其它已有的方法相比較，這種新技術(shù)可以提升系統(tǒng)的定時性能，降低MIMO時域均衡器的實(shí)施成本，由于DSP器件中包含了插值器模塊，可以用來恢復(fù)反饋時鐘，那么斜率偏差補(bǔ)償正好可以利用這些插值器而不再需要任何額外的器件，從而降低了高速光傳輸系統(tǒng)的成本。

圖1. 相干光傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用斜率偏差估計方法的示意圖
    最近幾年，自由空間光通信（FSO）系統(tǒng)因其特有的優(yōu)勢引起研究人員的重點(diǎn)關(guān)注，但該系統(tǒng)中接收傳輸光信號的平均誤碼率（ABER）會受到大氣湍流和光強(qiáng)波動的影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)接收靈敏度的下降，特別是對傳輸距離大于1km的系統(tǒng)產(chǎn)生的影響尤為明顯。研究人員提出了一些統(tǒng)計模型來用于描述光強(qiáng)起伏的情況，如對數(shù)-正態(tài)（LN）分布和伽馬-伽馬(GG)分布。近年來，有研究人員提出了一種新的概率密度函數(shù)統(tǒng)計模型，稱之為指數(shù)威布爾（EW）分布，該分布能夠?qū)Υ髿馔牧鲝?qiáng)度從弱到強(qiáng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，其性能比LN和GG統(tǒng)計模型描述其分布表現(xiàn)得更好。來自西安電子科技大學(xué)電信工程學(xué)院綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新的模型，該模型可以用于優(yōu)化自由空間光通信系統(tǒng)設(shè)計。研究人員從大氣湍流對空間光影響出發(fā)，對自由空間光鏈路的ABER的性能進(jìn)行了研究。一方面，對大氣湍流模型研究是建立在具有孔徑平均效應(yīng)的指數(shù)威布爾函數(shù)分布之上的；另一方面，對于接收機(jī)噪聲的研究過程中，他們考慮了散射噪聲受限和熱噪聲受限的情形。對于散射噪聲受限系統(tǒng)，其ABER的近似表達(dá)式是基于廣義高斯拉蓋爾積分準(zhǔn)則而獲得的，而熱噪聲受限系統(tǒng)的ABER是通過模特卡洛模型來推導(dǎo)和驗(yàn)證。目前，最常見用來分析服從指數(shù)威布爾函數(shù)分布的自由空間光信號BER性能的調(diào)制技術(shù)是開關(guān)鍵控（OOK）技術(shù)，而多進(jìn)制脈沖位置調(diào)制（M-PPM）技術(shù)也是運(yùn)用于自由空間光通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)之一，且該技術(shù)不需要檢測判決閥值，是OOK技術(shù)的一種有效替換方式。當(dāng)然，就相同的光信息傳速率而言，采用M-PPM調(diào)制的頻帶是采用OOK調(diào)制的2倍，但是對光信道來說是不存在的帶寬限制問題的。
    城域光網(wǎng)絡(luò)正向著更靈活的、可擴(kuò)展的方向發(fā)展，以滿足未來呈指數(shù)增長的信息流量的迫切需求，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)速率以及有效提高頻帶利用率，因而受到人們的廣泛關(guān)注，具體來講，就是根據(jù)光信道選擇合適的收發(fā)功率，并通過加載不同比特數(shù)的子載波來提升高速光傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性能。但隨著光纖鏈路的增長，色度色散和非線性效應(yīng)限制了OFDM信號的長距離傳輸；采用直接檢測的方法會增加高速光傳輸系統(tǒng)的運(yùn)營成本，而使用單邊帶調(diào)制則可以降低色度色散效應(yīng)，所以，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)對光纖損傷的容限度，依據(jù)比特/功率加載算法，在不同的子載波上廣泛地使用低階調(diào)制格式（小于16-QAM），當(dāng)考慮到符號的不同間距和振幅時，其中8-QAM有許多可能的星座圖，每一種星座圖表現(xiàn)出不同的性能，因此，在具備了靈活的可編程收發(fā)器的自適應(yīng)光OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度提升系統(tǒng)性能以及數(shù)據(jù)速率，選擇合適的8-QAM調(diào)制格式至關(guān)重要。來自CTTC光網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)部門的研究人員就單邊帶直接調(diào)制的光OFDM系統(tǒng)中不同的8-QAM星座圖表現(xiàn)出來的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)評估，研究人員采用ADRENALINE測試平臺，對不同節(jié)點(diǎn)的光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)以及背靠背光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)充分考慮到了城鎮(zhèn)/地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)配置，針對頻域中OFDM子載波的比特/功率的任意分配值獲取最佳的8-QAM調(diào)制格式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況可允許動態(tài)地重新配置收發(fā)器模塊，如圖2所示。為了提高系統(tǒng)對抗色度色散的魯棒性，研究人員采用了單邊帶調(diào)制，通過對不同數(shù)據(jù)速率加載算法來研究調(diào)制格式選擇與對色散之間關(guān)系進(jìn)行了分析，通過對傳輸距離為50-185公里的不同的光路徑進(jìn)行了的總體分析，實(shí)驗(yàn)研究表明，使用最佳的調(diào)制格式可以充分地提升系統(tǒng)的整體性能。

圖2. 不同8-QAM調(diào)制格式應(yīng)用時搭建的系統(tǒng)模型和相關(guān)實(shí)驗(yàn)配置
    密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有光傳輸系統(tǒng)，拓展了主干光網(wǎng)絡(luò)的帶寬。隨著光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷的升級，如何將現(xiàn)有的帶寬為10GHz的信道和帶寬為100GHz的信道合并在一起進(jìn)行光信號有效傳輸，引起人們的關(guān)注，而DWDM技術(shù)就可以解決這一問題。OFDM技術(shù)有著很高的頻譜效率和較好的抗光纖色散的性能，能夠動態(tài)地分配帶寬，但其高昂的成本以及存在較高的峰均比問題制約著OFDM技術(shù)的推廣應(yīng)用。相干光OFDM技術(shù)雖然可以很好地分配子載波，但它也被子載波之間相對功率不匹配的問題和符號轉(zhuǎn)化偏差的問題所限制。奈奎斯特波分復(fù)用（WDM)或多信道奈奎斯特都擁有著比較好的窄光譜，它們的頻率效率接近OFDM的頻譜效率，又不會出現(xiàn)明顯的信道間串?dāng)_和符號間的干擾。最近，來自廈門華僑大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的技術(shù)人員提出了一種利用奈奎斯特波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)10GHz和100GHz帶寬混合傳輸?shù)姆桨�，如圖3所示。該方案中，在發(fā)射端相鄰信道是相互獨(dú)立的，在所有的子載波經(jīng)過光I/Q調(diào)制器調(diào)制之前，8路連續(xù)光激光器通過一個1×8偏振保持光耦合器(PM-OC)進(jìn)行耦合，發(fā)射器的帶寬限制和線性失真可以利用預(yù)均衡技術(shù)來補(bǔ)償。在數(shù)字信號處理部分，匹配濾波器會對其進(jìn)行濾波，偏振解復(fù)用是通過以恒定系數(shù)算法(CMA)和高階CMA作為基礎(chǔ)的數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)的，最后以前向糾錯算法或最小均方差算法來消除相位噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有信道的誤碼率(BER)都小于前向糾錯碼極限。

圖3. 在NFM-ISB調(diào)制基礎(chǔ)上的10G/100GHz復(fù)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖
2.無源光子器件
    光譜純凈度和穩(wěn)定的參考微波信號都是現(xiàn)代微波系統(tǒng)中涉及到的核心問題。在2005年，光電振蕩器（OEO）被認(rèn)為是可以產(chǎn)生超低相位噪聲高頻信號源的最具潛力的振蕩器之一。同其他的各種具有低相位噪聲的X波段示波器相比，OEO的相位噪聲更小，之所以O(shè)EO表現(xiàn)出這么好的性能，是因?yàn)樗�的諧振腔的品質(zhì)因數(shù)（Q）很高，而且，該諧振腔在長距離光纖中的傳輸損耗也非常小。不過，OEO的自由光譜范圍與光纖傳輸長度是成反比的，這就容易產(chǎn)生多邊帶，商業(yè)射頻濾波器是很難將不需要的邊帶給濾干凈。OEO-IL是一種可以恢復(fù)時鐘和載波的技術(shù)，如具有高邊帶抑制比（SMSR）注入鎖定的雙光電振蕩器。不過雙光電振蕩器復(fù)雜度和成本都比較高；自注入式鎖定（SIL）振蕩器雖然可以降低成本，但SIL穩(wěn)定性保持時間不長�；�于以上的缺點(diǎn)，人們又提出了一種具有自注入鎖定-鎖相環(huán)（Self-ILPLL）的OEO，但當(dāng)PLL將介質(zhì)振蕩器（DRO）的頻率拉到OEO的振蕩頻率時穩(wěn)定性保持時間卻不長。來自中國南京東南大學(xué)電子科學(xué)與工程系的研究人員最近提出了一種將OEO同注入鎖定（IL）以及鎖相環(huán)（PLL）結(jié)合在一起的新方案，如圖4所示，與單獨(dú)運(yùn)行的OEO相比，IL-PLL-OEO可以實(shí)現(xiàn)邊帶抑制，減少近載波相位噪聲并保持更高的穩(wěn)定，而且它在長光延遲鏈路中表現(xiàn)出很高的SMSR。為實(shí)現(xiàn)單模OEO穩(wěn)定，IL-PLL為其提供了另一種方法，通過將具有高穩(wěn)定性和較低的近載波相位噪聲的微波參考源作為IL-PLL OEO的外部參考，這樣可以很好的抑制邊帶，降低相位噪聲并保持長期的穩(wěn)定性。研究人員通過實(shí)驗(yàn)得到了高穩(wěn)定的9.5GHz微波信號，該信號在偏頻為1KHz和10KHz處的相位噪聲分別為-125dBc/Hz和-143dBc/Hz，邊摸抑制比達(dá)到80dB，平均時間為1s和1000s的艾侖方差分別為1.37x10-11和1.22x10-11.

圖4.  IL-PLL-OEO系統(tǒng)
    在全光非線性信號處理過程中，許多全光信號處理設(shè)備都是利用級聯(lián)的二階或三階非線性效應(yīng)工作的，非晶硅的應(yīng)用在這方面彌補(bǔ)了晶體硅的不足，在增加非線性效應(yīng)的同時減少了雙光子吸收效應(yīng)。來自英國南安普頓大學(xué)光電研究中心的研究人員研制一種新的硅光波長轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器利用毫米長非晶硅波導(dǎo)可以使速率為20 Gb/s的二進(jìn)制相移鍵控（BPSK)信號轉(zhuǎn)化成正交相移鍵控(QPSK)信號，具有超緊湊、低功率等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)四波混頻和無雙光子吸收效應(yīng)，如圖5所示。通過C波段可調(diào)諧激光器產(chǎn)生連續(xù)光束（波長為1551.3 nm），經(jīng)摻鉺光纖放大器放大，然后經(jīng)耦合器耦合，其中抽頭耦合器可以用來監(jiān)測光泵功率。在該轉(zhuǎn)換器中，BPSK速率為20 G波特，QPSK速率為10G波特，泵束和調(diào)制信號束經(jīng)過纖維耦合器進(jìn)行耦合，其中泵束和信號束的偏振狀態(tài)都設(shè)置為橫向電場模式。由于非線性效應(yīng)的提高，波導(dǎo)可以在沒有雙光子吸收效應(yīng)的情況下工作，且工作在適宜的泵功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種測試信號在BER = 10−5時只有1dB的功率補(bǔ)償，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素是較差的耦合效率，其次是傳輸損耗，如果改善了這兩個因素，系統(tǒng)性能會顯著提升。 

圖5.波長轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)裝置圖
3. 激光器與放大器
    人們對具有二維相干耦合的垂直腔發(fā)射激光器（VCSEL）陣列在提供高亮度低衍射光束和電子束操控方面產(chǎn)生了極大興趣。研究人員已經(jīng)提出了二維蝕刻光子晶體模式和離子注入模式，其目的是界定相干耦合VCSEL陣列中的光學(xué)諧振腔和增益區(qū)。實(shí)驗(yàn)證明，在大型二維相干耦合的VCSEL陣列中獲得均勻電流注入是相當(dāng)困難的，而在元素間插入金屬網(wǎng)格是一種改善電流分布的方式，但是在改善電流分布的同時引入了附加損耗。近來，有研究人員利用銦錫氧化物電流擴(kuò)散層來改善電流均勻性，但這卻是以犧牲輸出功率為代價的。來自美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校電子與計算機(jī)工程學(xué)院的研究人員，提出了二維相干耦合離子底端注入的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列，如圖6所示�？蒲腥藛T通過進(jìn)行底端離子注入VCSEL陣列的研究，來改善電流擴(kuò)散，并試著避免光損耗的產(chǎn)生。

圖6. 垂直腔面發(fā)射激光器的橫截面示意圖
    光載無線通信（RoF）技術(shù)中引入了遠(yuǎn)程天線單元（RAUs）技術(shù)，從而減少基站（BS）的搭建，降低每個RAU的功率，并明顯的降低運(yùn)營成本。影響RoF系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素是光設(shè)備的簡潔性、兼容性以及對已安裝設(shè)施可再用性。來自英國倫敦大學(xué)電子電氣工程系的研究人員提出一種新的集成無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)和無線毫米波于一體的實(shí)驗(yàn)方案，如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)方案可以應(yīng)用在室內(nèi)、校園內(nèi)已有的OM-1多模光纖上，同時也能結(jié)合傳統(tǒng)的單模光纖-多模光纖技術(shù)應(yīng)用在PON技術(shù)中。該方案在接收端使用多模光纖-單模光纖技術(shù)，使用的高速單模光纖梳狀光電檢測器進(jìn)行空間濾波。在實(shí)驗(yàn)中，用MATLAB離線產(chǎn)生多頻帶正交頻分復(fù)用（MB-OFDM）信號，然后上傳給任意波形產(chǎn)生器(AWG）,該AWG相當(dāng)于一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）,工作采樣率為12 GS/s，經(jīng)AWG輸出的信號被兩個增益為16-dB的射頻放大器放大，接著用兩個低通濾波器進(jìn)行濾波，產(chǎn)生的信號傳給10-Gbit/s雙臂馬赫增德爾調(diào)制器（DE-MZM），線寬為10MHz的分布反饋激光源（DFB）傳入DE-MZM，產(chǎn)生速率為1.6G波特 的MB-OFDM信號，其中心頻率為2.15GHz。該方案中OM-1 多模光纖和單模光纖組合應(yīng)用在OLT和RAU之間，在RAU端，光信號和第二個DFB激光器耦合， DFB激光作為本地振蕩器。研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)原始比特率為5Gb/s時，輸入光功率不同，其系統(tǒng)性能也會不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入光功率較低時，EVM因含有噪聲信號而被限制，而提高輸入光功率，信噪比也會增加，EVM會顯著改善。

圖7.60GHz MB-OFDM信號 RoF 系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)配置圖
    隨著信息時代的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)中包含的信息量呈爆炸式增長，現(xiàn)有4G通信系統(tǒng)不足以滿足人們將來的通信需求，為了應(yīng)對上述情況人們已經(jīng)對5G通信系統(tǒng)開展研究工作。可見光通信（VLC）是一種很有前途的室內(nèi)無線光接入通信方案，它可以作為5G通信的備選方案之一，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。實(shí)際上隨著 LEDs照明設(shè)施的普及，也為VLC的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用平臺。事實(shí)上，很多先進(jìn)的光信號處理方案都可以直接用于VLC系統(tǒng)中，這些方案是用來提升通信速率，增加帶寬和提高頻譜效率的。大量LEDs陣列安裝在室內(nèi)，在空間上呈多樣性分布，即可以滿足照明需求又可以用于高速信息通信。此外，VLC系統(tǒng)不產(chǎn)生射頻干擾，可以用于射頻技術(shù)受限的地方，如飛機(jī)場、醫(yī)院等。LEDs比白熾燈具有更高的效率，更節(jié)約能量，它在照明的同時又可以傳輸數(shù)據(jù)，減少了電磁污染，VLC系統(tǒng)符合建設(shè)生態(tài)節(jié)約型環(huán)境友好型社會的發(fā)展趨勢。VLC系統(tǒng)具有照明和通信兩重性，LEDs的分布特點(diǎn)會影響室內(nèi)接入點(diǎn)的覆蓋情況，因此系統(tǒng)性能與光線配置是嚴(yán)格相關(guān)。 LEDs的位置和LED之間最佳距離對信噪比的影響情況，也引起研究人員的關(guān)注和研究。為了得到室內(nèi)最小信噪比波動，有研究人員提出了一些LED的布置方式，并確保使用者在室內(nèi)不同位置獲得相同的體驗(yàn)效果，該研究人員對兩個LED陣列的最佳位置進(jìn)行研究來實(shí)現(xiàn)平均面積光譜效率最大化的目標(biāo)。當(dāng)考慮到VLC系統(tǒng)應(yīng)用在非常大小的空間或環(huán)境（如博物館）中時，使用者在移動過程中會導(dǎo)致在不同光區(qū)之間進(jìn)行切換，且區(qū)間切換是強(qiáng)制進(jìn)行的，這會影響用戶使用效果。來自羅馬大學(xué)電氣和電信工程學(xué)院的研究人員利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行VLC網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，對LEDs陣列進(jìn)行了最佳布置，降低了因越區(qū)切換而產(chǎn)生的通信影響，使用戶獲得最佳通信體驗(yàn)效果。