2016年12月PTL光通信論文評析

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光纖在線特邀編輯：邵宇豐陳福平陳烙趙云杰
2016年12月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光網絡和光傳輸系統(tǒng)、空間光通信、光電子器件等，筆者將逐一評析。

光網絡和光傳輸系統(tǒng)
眾所周知，基于文件共享和云端服務的設備和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸常常占據(jù)網絡信息總流量的大部分，在典型的PON中，光網絡單元（ONU）之間的數(shù)據(jù)傳輸是經由光線路終端（OLT）通過光電轉換和電域處理等過程實現(xiàn)。另一方面，全光虛擬專用網絡（VPN）可以在光域提供VPN信號的直接路由，這為以PON為基礎的接入網提供了一項高吞吐量、低時延和更高安全性的技術。在OFDM-PON中，全光VPN可以通過子載波分配方法能使不同類型的VPN數(shù)據(jù)同時被傳輸和收發(fā)，但與此同時所有電信業(yè)務數(shù)據(jù)也被重新傳入其他的ONU，這將導致相應的安全問題。最近，來自韓國延世大學的研究人員首次在OFDM-PON提出一種基于微波光子帶通濾波器(MP-BPF)的新型全光VPN方案。在MP-BPF通帶內的調制信號傳送到其他的ONU，MP-BPF的通帶傳輸VPN數(shù)據(jù)，阻帶用來傳輸原來的上行數(shù)據(jù)。VPN和上行數(shù)據(jù)同時被傳送至OLT，通過一個光分光器分離，一半信號傳送至接收端解調，另一半信號通過一個循環(huán)延遲線和單光纖環(huán)路回傳給ONU。MP-BPF的帶寬由光子系統(tǒng)的延遲線長度決定，盡管光纖的有效折射率依賴于光波長，但在PON中導致的變化是可以忽略不計的，這樣就可以使用確定的波長帶。而且，MP-BPF的多頻帶就可以用來同時傳送多個VPN數(shù)據(jù)。為了最大化的減小VPN和上行數(shù)據(jù)之間的干擾，需要采用適宜的調制格式，VPN信號的頻率固定為MP-BPF的通帶之一，正交相移鍵控-正交頻分復用（QPSK-OFDM）信號傳送給所有的子載波，作為探針信號來探測上行鏈路信道響應。實驗結果表明，研究人員提出的方案具有波長魯棒性，通過使用MP-BPF的周期性帶寬，可以同時傳輸不同ONU的多個VPN數(shù)據(jù)。

圖1 在OFDM-PON中使用MP-BPF的新型全光VPN方案的構架圖
光纖無線通信（RoF）具有低延遲、高數(shù)據(jù)容量以及遠程天線單元(RAU)結構簡單的特點，所以它有望取代傳統(tǒng)集中式無線接入網絡。在RoF系統(tǒng)中，通過半導體激光器（LD）或者外部調制器以強度調制方式對射頻（RF）信號進行調制，然后通過光纖傳送出去。用LD代替外部調制器可以進一步提高RoF系統(tǒng)的性能，根據(jù)RoF系統(tǒng)的工作原理，多波段正交頻分復用（MB-OFDM）已經被應用在無線通信系統(tǒng)中，且MB-OFDM-RoF系統(tǒng)能夠極大地簡化RAU結構，在無線通信中降低延遲效果，不過RoF系統(tǒng)的不足是采用了模擬的光信號傳輸。由于RoF系統(tǒng)中RF放大器、LD、光濾波器以及其它器件均會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，會進一步降低系統(tǒng)的性能。由于OFDM信號具有較高的峰均比值，OFDM信號比單載波傳輸信號更容易受到失真的影響。在RoF系統(tǒng)的MB-OFDM上行鏈路傳輸過程中，多個載波之間會發(fā)生失真，雖然整體失真會受到一些抑制，但由于傳輸帶寬較大同樣會影響MB傳輸性能。RoF系統(tǒng)具有一個結構簡單的RAU，在中心基站（CO）對上行傳輸進行失真補償后的效果非常好。用于失真補償?shù)暮筇幚砑夹g包括數(shù)字多級處理技術、漢默斯坦均衡技術、多通道后線性化技術。多級處理技術處理的級數(shù)較大，使得系統(tǒng)復雜化。漢默斯但均衡技術是通過訓練符號來獲得均衡器系數(shù)，可以使得基帶傳輸?shù)牟糠中盘柺д娴玫揭种�，然而，訓練符號增加了系統(tǒng)的復雜性，對于大帶寬MB-OFDM信號傳輸，漢默斯但均衡技術并不適用。來自韓國首爾延世大學電子與電氣工程系的研究人員，首次提出了一種采用盲均衡估計對MB-OFDM-RoF系統(tǒng)失真進行補償?shù)姆桨浮７桨妇馄魇褂昧丝焖傧陆捣椒▉碜赃m應地進行失真補償，不需要訓練符號來獲得均衡器系數(shù)，從而降低了系統(tǒng)的復雜性。

圖2 采用均衡器進行失真補償?shù)腗B-OFDM-RoF系統(tǒng)方案圖.
a,簡單漢默斯但均衡器；b，并行漢默斯但均衡器；c，提出的均衡器.
離散多音（DMT）/正交頻分復用無源(OFDM)可以提供比脈沖幅度調制（PAM）更高的頻譜效率，對于給定的光功率，對色散引起的功率衰退有更小的敏感性，直流偏置正交頻分復用(DCO-OFDM)通過增加充足的偏置來確定非負信號，非對稱整形光正交頻分復用(ACO-OFDM)將所有的負值設置為零，這樣的非對稱整形會導致失真，造成頻譜效率的降低，為了提高頻譜效率，有研究提出混合的DCO/ACO-OFDM技術和增強型ACO-OFDM技術。為了產生合理的頻率響應和低瞬態(tài)失真，直接調制激光器（DML）必須設置偏置值大于門限電流值，但這樣會造成分層/增強非對稱整形光正交頻分復用（L/E-ACO-OFDM）信號功率效率的降低。澳大利亞莫納什大學的研究人員首次基于實驗驗證了L/E-ACO-OFDM方案的可行性，并在短距離光纖鏈路中與DCO-OFDM進行了性能比較。結果表明，在低衰減情況下，Q因子受任意波形發(fā)生器（AWG）和示波器中量化噪聲的影響，接著也研究了衰減為零時，背靠背情況下偏置電流對系統(tǒng)的影響。當偏置電流大于20mA時，系統(tǒng)受量化噪聲的影響，最后比較了L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信號在19.8km單模光纖中傳輸?shù)腝因子，由于存在較低的累積色散，實驗沒有使用循環(huán)前綴（CP）和功率負載，結果表明，沃爾泰拉均衡器可以提高L/E-ACO-OFDM和DCO-OFDM信號的質量，在偏置電流為16-mA時，使用L/E-ACO技術相比較DCO技術，Q因子會有2-dB的提高。

在直接檢測（DD）應用中，單邊帶副載波調制（SSB SCM）可以用來獲得較高的信息譜密度（ISD）。兩種副載波調制（SCM）格式已經被用于DD系統(tǒng)中，分別是正交頻分復用（OFDM）和奈奎斯特整形副載波調制（Nyquist-SCM），平方率檢測引起的非線性效應如信號間的拍品干擾（SSBI）會明顯引起系統(tǒng)性能的惡化。單極線性濾波器可以以簡單的DSP結構來較小SSBI，但是由于會引入其自身的拍頻干擾，故不能獲得最大的補償增益。單極線性濾波器與單次迭代SSBI取消技術結合使用，可以避免多次迭代的需求，但是仍然高度依賴于符號判決的精度。英國倫敦大學的研究人員提出了一種新型基于兩階線性濾波器的數(shù)字接收器，在發(fā)射端，為了減小光纖傳輸過程中引起的累計噪聲和帶寬限制的電子設備引起的低通濾波效應，引入了數(shù)字色散預補償和預加重技術。研究人員提出的兩階線性濾波器相比較單極線性濾波器，由于使用了額外的邊帶濾波器，需要更復雜的DSP運算處理過程和相應的硬件模塊。但是，因為所有的補償是在SCM信號解調前完成的，不需要額外的SCM解調和調制過程，因此該方案的復雜性不會增加。為了進一步評估在不同光發(fā)射功率時的傳輸性能，研究人員對480km的波分復用（WDM）系統(tǒng)進行了實驗分析，結果表明，在最優(yōu)發(fā)射功率處，使用兩階線性濾波器，誤碼率值從1.6 × 10−2 減小至 2.7 × 10−3。研究人員提出的技術在3.8 × 10−3硬判決門限處可以獲得最高的補償收益，而且該方案不需要干擾消除的多次迭代，DSP將會相對簡單。

圖4基于兩階線性濾波器的數(shù)字接收器原理圖

空間光通信
基站布局規(guī)劃，即將有限的通信資源高效地分配給通信運營商，已經成為無線通信領中一個重要的研究方向。基于發(fā)光二極管（LED）的可見光通信（VLC）技術由于其具有經濟、環(huán)保、對人體無害的優(yōu)點，在下一代室內無線通信網絡的應用中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿�；而且相對于射頻（RF）技術，VLC的保密性更高。VLC技術與其它無線通信技術有著相同的發(fā)展需求，為了應對特殊應用如定位系統(tǒng)、機器通信等，每個信道被要求傳輸不同的信號。LED將照明和通信同時聯(lián)系在一起，每一個發(fā)射器的LED可以發(fā)射不同的信號，每一個信道可以被認為是獨立的通信單元。在室內環(huán)境中，LED通常布置在規(guī)則并且相鄰分布的區(qū)域以獲得均勻的照明。因此，相鄰的LED發(fā)出的光源必然會發(fā)生重疊，疊加區(qū)域中的光信號將被視為噪聲，又稱之為區(qū)間干擾（ICI），會降低信號的信噪比。目前，一些用于抑制ICI的方法被提出，如在信號傳輸前使用特殊的信號調制技術或者不同的傳輸載波，上述方法都要求設計專門的光電子器件，并且它們只是針對避免信號頻帶間發(fā)生疊加的問題，而沒有考慮降低同一頻帶干擾問題。最近，來自韓國首爾延世大學電子與電氣工程系的研究人員，提出了一種在VLC系統(tǒng)采用光學差分檢測技術的方案。在該方案中，發(fā)射端由LED和偏光片構成，接收端由兩個光電探測器和兩個偏光片構成，研究人員根據(jù)信號頻帶和干擾信道的數(shù)量對系統(tǒng)干擾抑制性能進行了實驗驗證，證明與載波分配系統(tǒng)方案相比，該方案具有更高的頻譜利用率。

圖5 正交偏振差分光學檢測系統(tǒng)方案圖

圖6 空間分集的偏振光束

圖7 重疊信道干擾抑制實驗方案圖
光電子器件
在現(xiàn)代電子對抗領域中，對獲取的未知微波信號進行載波頻率識別估計具有重要意義，這些信號往往來自第三方雷達或通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的頻率估計技術如微波干涉儀電子分頻技術，該技術的瞬時帶寬只限制在4GHz以內，容易受電磁干擾影響。為了克服這些問題，一些利用光子學瞬時測頻法被報道，這些方法都具有大帶寬、低損耗、抗電磁干擾的特點。一般來講，光子學微波頻率測量可以通過功率比較、光子微波信道選擇和頻域到時域映射方法來實現(xiàn)。功率比較法是通過比較不同色散引起的功率損耗以獲得功率比關系函數(shù)，利用具有啁啾效應的布拉格光纖光柵或者一段單模光纖作為色散性元件來產生不同的功率損耗，不過該方法的頻率測量范圍有限，因為功率比關系函數(shù)值在較低的頻帶內變化相對較小，如果采用并行的相位調制器和強度調制器可以進一步拓展測量范圍，兩者形成了互補罰函數(shù)關系。除此之外，由于使用了雙平行馬赫增德爾調制器（DP-MZM），使得測量范圍和精度變得可調，但需要實行復雜的偏置控制措施以降低MZM的零偏漂移，同時，寬帶微波功率分配器的使用也增加了系統(tǒng)的復雜度。一些研究報告表示采用偏振調制器（PolM）可以獲得互補關系罰函數(shù)，但測量精確度會受到激光源功率波動影響，也可以采用POIM、色散光纖和偏振分束器構建一個單調遞減的功率比關系函數(shù)，但目前該研究停留在仿真階段。來自西電大學綜合服務網絡國家重點實驗室的研究人員，提出了一種新型的基于相位調制器（PM）的光子學頻率測量技術方案。方案采用在TM和TE模中具有不同光電系數(shù)的PM來同時實現(xiàn)相位調制和強度調制。具有TM和TE分量的光波由接收的射頻信號調制并在色散性元件上傳輸，然后被分成兩個相同的部分，一部分可以得到由色散引起的帶通功率損耗關系函數(shù)，在另一部分，通過調節(jié)偏振控制器得到功率損耗關系函數(shù)，與上部分相比，其變化趨勢相反。通過比較兩者關系函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，功率比和微波頻率相互聯(lián)系緊密，所以利用功率比就能夠推導出未知的微波頻率。并且，兩者變化趨勢相反，得到的功率比關系函數(shù)在寬頻帶中是呈線性變化，從而在寬頻帶范圍內提高了頻率測量精確度。

圖8 基于相位調制器的光子學頻率測量實驗方案圖

納米粒子和納米結構具有使光線聚焦在亞波長尺寸上和在不同頻率上選擇性散射光輻射這兩種獨特屬性是納米光電子器件的關鍵屬性。上述屬性使得納米粒子和納米結構被廣泛應用在電信傳感設備上，并且在構建納米粒子和操縱光響應方面有著巨大的應用潛力，為片上信號處理納米級光電路的發(fā)展奠定了基礎。基于上述原則，研究人員提出了一些方案來實驗研究超導材料和光學響應耦合器件的特性。此外，通過相關模型可以分析上述設備內部的電壓和電流值，從而可以獲得金屬阻抗納米顆粒。納米粒子與它們的構成材料的介電函數(shù)有關，相關研究人員研究了如何通過調諧系統(tǒng)的阻抗納米顆粒的幾何形狀，以及如何通過外部激勵系統(tǒng)來產生固-液相變介電系數(shù)的變化，以此來改變介質的特性。通常而言，金屬納米顆粒（即等離子體結構）是嵌入在培養(yǎng)基中的，其光學響應的變化是因為電介質的特性和介質特性被改變了。通過改變鍍在材料上導相的納米顆粒的介電響應過程則可以改變阻抗值。目前，由溫度觸發(fā)的相變已經被用于改變超導體電磁響應材料的性能，這種材料包括納米結構和超導材料中的等離子體結構。相關研究結果展示了可以通過固液轉換過程來調節(jié)光學鉍（Bi）或鎵（Ga）納米顆粒的阻抗，低Bi和Ga的溫度相變有利于將這些納米顆粒嵌入在介電基質內并且在相變過程中保持固體形態(tài)。最近，來自西班牙馬德里大學的研究人員研究了嵌入在介電基質中金屬納米球的阻抗以及相關功率預算模型，并基于此研究相關光學集成總元件。研究人員還研究了應用Ga和Bi納米球在固相和液相上的建模過程。研究結果表明，使用Bi或Ga材料不但具有低溫相變等特性，而且通過上述技術可以獲得納米光子電路的有源元件阻抗從而保持系統(tǒng)的幾何形狀和特性。
近幾年，硅光子工業(yè)的快速發(fā)展，導致眾多WDM濾波器的出現(xiàn)，例如陣列波導光柵濾波器，布拉格光柵濾波器，馬赫-曾德爾干涉儀濾波器，平面凹光柵濾波器。Si MRRs濾波器由于其具有結構簡單，小彎曲半徑，可重構性以及與互補金屬氧化物半導體有相容性（CMOS）等特點，也已被廣泛應用和研究。在某些高階MRR中光濾波器中，帶外消光比可以大于40dB，并且可以通過調整該濾波器的通帶寬度來改變相鄰諧振器的耦合強度。但這種MRR光學濾波器還是有一些問題亟待解決。如過濾多個信號的輸出通道，濾波器制造過程會很復雜，也會造成一些不可避免的制備誤差和尺寸變化。為了補償制造誤差和尺寸變化，需要用特殊排序方法進行后制備修整或后熱調諧。后制造修整包括改變MRR的半徑和調整MRR橫截面的尺寸。當信道過多時，后制造修剪不太可能制造誤差。熱調諧方法需要至少22對加熱電極，加工工藝將會非常復雜且功耗會顯著提高。所以，為了簡化處理程序，可以使用基于MRR的多通道可調諧光學濾波器。但是熱調諧有兩個問題，一是它的速度可以只達到微秒級，這對提高光學數(shù)據(jù)傳輸速度是無利的。另一個問題是濾波器響應具有熱調諧紅移，這會限制濾波器的推廣應用。作為一種新型的二維材料，石墨烯可以與可見光和紅外波長光相互作用，它的光導率可以通過靜電動態(tài)調諧，因此，石墨烯在集成波導器件領域具有廣闊的應用前景。有研究提出了一個基于六個石墨烯層的三階可調諧平頂帶通過濾器。為了使濾波器可調諧，有必要同時調諧三個諧振器的波長諧振。通過調整石墨烯的費米能級，可以改變EMI的諧振器陣列，因此，通帶的位置可以動態(tài)調諧。對于給定波長色散的特定的結構和諧振器數(shù)量，傳遞矩陣方法可以用于選擇適當?shù)闹C振器間耦合系數(shù)，全矢量計算（FVC）方法可以計算EMI和波導結構的損耗。用三維有限差分時域（3D FDTD）方法來計算光通過濾光片的光場分布后，結果揭示了通過改變石墨烯的費米能級可以動態(tài)調制通帶的位置。此外，也可以通過調諧調制諧振器之間的耦合系數(shù)來調制通帶的帶寬，上述過程使得在整個通信C波段可以獲得可調諧的平頂帶通濾波器效應。最近，來自國防科技大學的研究人員提出了一種多層石墨烯基可調諧帶通濾波器，研究人員通過改進結構設計解決了CIFS問題。三階MRR過濾器通過結構優(yōu)化之后具有優(yōu)越的性能，其下拉端口的帶外消光比大于40dB，3dB帶寬大于2.8 nm，插入損耗小于1.5dB。通過結合六個石墨烯層，得到可調諧平頂帶通濾波器工作波長為1.5μm至1.565μm。通過調整石墨烯的費米能級，帶通濾波器可以在工作波長范圍內進行動態(tài)調制，從而在通信C波段整體上可以產生可調諧帶通濾波器。由于其簡單結構和優(yōu)越的性能，這種可調濾波器可以對片上可調諧過濾器的發(fā)展有顯著的影響。