光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎
  2017年9月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括調(diào)制技術(shù)、光接收技術(shù)、激光器、自適應(yīng)解調(diào)器、光通信系統(tǒng)，微波光子技術(shù)等領(lǐng)域，筆者將逐一評析。
1.調(diào)制技術(shù)
    結(jié)合相干檢測和數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）的認(rèn)知光網(wǎng)絡(luò)（CONs）可以提供靈活的帶寬分配和較高的光譜效率，被認(rèn)為是解決下一代光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的有效候選方案。在CONs中，系統(tǒng)可以自適應(yīng)改變傳輸參數(shù)，如調(diào)制格式，發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率等，從而靈活適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)流量要求和提高光譜效率。因此，對于CONs中的接收機(jī)探測信號的傳輸參數(shù)有必要來對其進(jìn)行補(bǔ)償，使得接收機(jī)的性能可以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時考慮到調(diào)制格式識別（MFI）技術(shù)對于CONs中的接收性能影響至關(guān)重要（雖然目前MFI技術(shù)在無線領(lǐng)域通信領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展，但相比之下，MFI技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域還處于早期研究階段）,MFI技術(shù)在CONs中的應(yīng)用還具有很大的研究前景。在以前的光纖信號傳輸?shù)南嚓P(guān)文獻(xiàn)中人們已經(jīng)提出了幾種應(yīng)用MFI方法的方案，在這些已報道的方案中，基于斯托克斯空間的MFI技術(shù)非常具有發(fā)展?jié)摿�，因�(yàn)槠鋺?yīng)用過程與載波相位噪聲，頻率偏移不相關(guān)。然而，目前提出的大部分基于斯托克斯空間的MFI方案需要高復(fù)雜度的計算算法支持（如最大期望值算法，最大似然估計算法等）。在本文中，來自廣東中山大學(xué)的研究人員在相干光接收機(jī)的基礎(chǔ)上提出了基于減法聚類算法低復(fù)雜度的MFI應(yīng)用方案。在實(shí)際應(yīng)用過程中，采這種MFI技術(shù)雙極化仿真系統(tǒng)在其規(guī)定的信噪比（OSNR）范圍內(nèi)能成功實(shí)現(xiàn)BPSK，QPSK，8PSK，8QAM和16QAM等格式的靈活調(diào)制；相比基于其他聚類算法的MFI技術(shù)，上述方案能夠在斯托克斯空間內(nèi)顯示較好的光學(xué)OSNR性能，并且DSP的復(fù)雜度較低。另外，實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用MFI技術(shù)的PM-QPSK和PM-16QAM極化復(fù)用系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在長距離的光纖承載高速信號傳輸。研究人員在數(shù)字相干光接收機(jī)的基礎(chǔ)上提出了基于斯托克斯空間的減法聚類算法MFI技術(shù)，他們開展的研究證明， PM-BPSK、PM-QPSK、PM-8PSK、PM-8QAM和PM-16QAM信號都能夠被調(diào)制后成功生成；研究人員提出的基于斯托克斯空間的聚類算法MFI技術(shù)的性能與目前已有其他算法相比，其OSNR性能將達(dá)到很好的效果，且計算復(fù)雜度低；研究人員還證明了在PM-QPSK和PM-16QAM系統(tǒng)中，在實(shí)際的長距離光纖通信系統(tǒng)中信號能夠被有效傳輸。相關(guān)算法的流程圖如圖1所示。



圖1 相關(guān)算法的流程圖
2.光接收技術(shù)
    目前，隨著對芯片和系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)互連所需帶寬的要求日益提升，應(yīng)用高速、高效、小型、低成本的光學(xué)接口解決方案來滿足帶寬的需求也日益迫切。基于硅基光子互連的解決方案是一種有前景的備選技術(shù)，因?yàn)樗�具備充分發(fā)揮成本效益和易于電子集成的優(yōu)勢，并且光子器件與硅基電子電路的單片集成技術(shù)可能是未來最具發(fā)展前景的應(yīng)方案。目前已有一些關(guān)于光調(diào)制器、光接收機(jī)和其它光電集成電路的文章和報告被人們所熟知。一個例子是，單片集成的光接收機(jī)已實(shí)現(xiàn)基于IHP光子雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS）技術(shù)的操作，也有研究人員對25Gb/s和40Gb/s信號探測的光接收機(jī)其靈敏度，誤碼率和能效分別進(jìn)行了測量，結(jié)果為：在傳輸速率為25Gb/s的情況下，靈敏度，誤碼率和能效值分別為−15-dBm，10−3，2.3pJ/bit；在傳輸速率為40Gb/s的情況下，靈敏度，誤碼率和能效值分別為−3-dBm,2.5×10−11，6.9pJ/bit。雖然這些結(jié)果令人印象深刻，但對于光互連應(yīng)用而言，還需要更好的接收靈敏度和能效值。因此研究人員建立了一個更精確的GE-PD電路模型，并將其用于光學(xué)接收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計過程。基于上述模型，人們可以設(shè)計出光學(xué)接收機(jī)中的放大器，以此獲得最佳增益和有效帶寬，從而獲得更好的信噪比和能效。此外，研究人員還證明了測量的光接收機(jī)性能實(shí)驗(yàn)值和其仿真研究結(jié)果高度吻合，因此他們認(rèn)為上述步驟是實(shí)現(xiàn)高性能和高性價比的光電集成電路（包括具有高度集成的Ge-PDs）設(shè)計必要的步驟。研究人員對基于IHP的光子BiCMOS技術(shù)的25Gb/sGE-PD單片光接收機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：采用精確的GE-PD電路模型能夠提高光接收機(jī)的性能，對25Gb/s傳輸速率字長為231−1PRBS的數(shù)據(jù)信號而言，其檢測靈敏度為−10 dBm，能效為1.5pJ/bit，并分析了其誤碼性能和眼圖的實(shí)際測量效果。25Gb/s傳輸速率的單片集成光接收機(jī)設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 光接收機(jī)的設(shè)計框圖

3.自適應(yīng)解調(diào)器
    在未來的超高速光通信領(lǐng)域，除了振幅、波長、相位和偏振等廣泛應(yīng)用的光特性參量之外，軌道角動量（OAM）將會提供一種新的光束調(diào)制維度。原則上，承載不同OAM狀態(tài)的光束相互正交，而OAM特征態(tài)數(shù)目是無限的。因此，在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用中，OAM技術(shù)的發(fā)展能滿足日益增長的帶寬需求。目前，基于OAM的主流通信技術(shù)包括軌道角動量多路分復(fù)用（OAM-DM）技術(shù)和軌道角動量鍵控（OAM-SK）技術(shù)。在OAM-DM技術(shù)中，載有不同OAM狀態(tài)的光學(xué)渦旋光束被視為帶有獨(dú)立信息流的獨(dú)立通道。此外，OAM-SK技術(shù)是基于OAM的創(chuàng)新探索，它具有設(shè)備簡單和成本耗費(fèi)低的優(yōu)勢。在OAM-SK技術(shù)中，基于光學(xué)渦旋（OV）光束的OAM狀態(tài)被認(rèn)為是一種新的調(diào)制格式。已有研究者通過加載不同的動態(tài)計算全息圖（CGHS）,將不同的OAM模式與空間光線調(diào)節(jié)器（SLMs）相對應(yīng)，將高斯光束調(diào)制到攜帶不同OAM狀態(tài)的光學(xué)渦旋（OV）光束中。然而，在解調(diào)過程中，不同的CGHS需要先后加載到SLMs上來觀察是否出現(xiàn)了一個亮點(diǎn)，然后恢復(fù)初始信息，導(dǎo)致解調(diào)效率較低。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于圖像識別，語言識別，語音翻譯以及光通信中，研究人員采用基于向量機(jī)（SVM）和KNN算法來緩解相干光通信中的光纖非線性效應(yīng)。因此，研究人員提出了一種基于BP-ANN的方法來識別LG光束的強(qiáng)度模式，但作為基于OAM的自由空間光通信（FSO）性能的關(guān)鍵因素之一的模擬中繼（AT）問題并沒有解決，它能擾亂LG光束的波前相位，并誘發(fā)信號串?dāng)_。在實(shí)際應(yīng)用中，研究者并沒有考慮不同中繼（AT）、傳輸距離和OAM模式間距的影響。此外，作為一種傳統(tǒng)的算法，BP-ANN只能處理原始圖像，而原始圖像的形式還需要專家們手動設(shè)計特征提取器來轉(zhuǎn)換。相對而言，在處理沒有特征提取器的原始圖像時，CNN具有優(yōu)勢，但局部極小值和超擬合的情形很少在CNN中發(fā)生，這就限制了BP-ANN的泛化性能。最近，CNN的圖像識別能力得到了大幅提高，并且在許多領(lǐng)域得到了突破性進(jìn)展。因此，研究人員采用CNN作為自適應(yīng)解調(diào)器直接對發(fā)生畸變的LG光束進(jìn)行了識別。在本文中，研究人員提出并證明了基于CNN的M進(jìn)制自適應(yīng)解調(diào)器，用以監(jiān)測畸變的LG光束。同時為了進(jìn)行有效對比，研究人員還研究了KNN,NBC和BP-ANN算法。然后，研究人員也對4進(jìn)制，8進(jìn)制和16進(jìn)制的OAM系統(tǒng)中不同模擬中繼（AT）的DER性能進(jìn)行了研究，還分析了不同大氣擾動下解調(diào)器的應(yīng)用性能和在不同的大氣擾動情況下，不同的模式間距和傳輸距離的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在強(qiáng)湍流時較長的距離和較小的距離中，基于CNN的自適應(yīng)解調(diào)器的DER性能優(yōu)于其它自適應(yīng)解調(diào)器。尤其是8-OAM的FSO系統(tǒng)在信號傳輸1000m和強(qiáng)烈湍流情況下，CNN的DER性能接近于0.86%，這大約只占到KNN算法DER性能的12.9%，占到NBC算法DER性能的11.3%，占到BP-ANN算法DER性能的29.3%。基于CNN的自適應(yīng)解調(diào)器的系統(tǒng)圖如圖3（a）所示，OAM-SK-FSO通信系統(tǒng)的數(shù)值模擬仿真模型如下圖3（b）所示。
    

圖3（a）基于CNN的自適應(yīng)解調(diào)器圖解
          

圖3（b）OAM-SK-FSO通信系統(tǒng)的數(shù)值模擬仿真模型
4.激光器
    光纖傳感器在過去幾十年內(nèi)已被廣泛應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例包括常規(guī)的光纖布拉格光柵（FBG）和基于光纖干涉儀的傳感系統(tǒng)。近年來，光頻域反射儀（OFDR）由于其具有較大的復(fù)用容量而成為了研究熱點(diǎn)。對于低帶寬OFDR，可以應(yīng)用分布式反饋（DFB）激光器來解決帶寬的問題；通過調(diào)制輸入電流可實(shí)現(xiàn)100GHz的頻率偏移。啁啾DFB激光器的缺點(diǎn)是其非線性的掃描過程和不一致的掃速速度，雖然可以采用預(yù)失真波形來減輕影響，但是輸出波長和輸入電流之間的線性關(guān)系會隨時間而變化，從而使得非線性負(fù)面影響不可能完全消除�；�于上述情況，人們考慮使用一個輔助時鐘。最近，基于數(shù)字鎖相環(huán)路（DPLL）的DFB激光器被提出進(jìn)行研究，該激光器被用于亞太赫茲范圍內(nèi)的光纖傳感器（sub-THz-FS）陣列。研究結(jié)果證明，DFB的輸入電流能夠?qū)崟r調(diào)整，從而可以使每個啁啾脈沖內(nèi)的掃描速度保持高度線性。同時，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）也有希望成為OFDR頻率掃描的候選器件；與DFB激光器相比，VCSEL具備效率更高，成本更低的優(yōu)點(diǎn)，更重要是它有一個廣泛的無節(jié)點(diǎn)調(diào)諧應(yīng)用范圍。目前，全數(shù)字鎖相循環(huán)（ADPLL）技術(shù)被提出以確保每個啁啾脈沖的掃描速度為30.28GHz/ms，在此基礎(chǔ)上模式跳躍電流也被進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過調(diào)整工作溫度，可以實(shí)現(xiàn)自由頻率偏移為212.12 GHz的模式應(yīng)用系統(tǒng)。研究人員設(shè)計了基于VCSEL激光掃描的鎖相光脈沖發(fā)生器，該器件具有較大的掃描帶寬。通過采用ADPLL技術(shù)，研究人員采用FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)掃描速度的鎖定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，高度線性的掃描過程中其帶寬為212.12 GHz，其掃描速度為30.28 GHz/ms。上述實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)也可進(jìn)一步的改進(jìn)，并可通過測量THz-FS陣列來展示其優(yōu)越性能。通過進(jìn)行一系列靜態(tài)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，研究人員已經(jīng)觀察到線性測量結(jié)果。與DFB激光器相比，VCSEL激光器在掃描帶寬方面具有突出優(yōu)勢；此外VCSELs相對功耗高但是其性價比高。上述過程中相關(guān)傳感和控制模塊的示意系統(tǒng)如圖4所示。


圖4傳感和控制模塊的示意系統(tǒng)（MZI：馬赫-增德干涉儀; TEC：溫度控制器;FPGA：現(xiàn)場可編程邏輯陣列; DAC：數(shù)模轉(zhuǎn)換器;ADD：加法器; PRE：預(yù)失真曲線; LC：回路控制器；REF：數(shù)字參考時鐘；PD：II型相位檢測器; ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)換器;DSP：數(shù)字信號處理單元）。

5.光通信系統(tǒng)
    與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，可見光通信（VLC）系統(tǒng)使用發(fā)光二極管（LED）作為光源具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如照明基礎(chǔ)設(shè)施可重利用、可免受危險的電磁輻射和允許更高的傳輸頻率，基于上述優(yōu)勢，VLC技術(shù)有希望成為室內(nèi)高速無線通信的候選技術(shù)。在VLC鏈路的設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本耗費(fèi)，白光LEDs被優(yōu)先考慮。雖然白光LEDs價格低廉，但是數(shù)據(jù)在被傳輸?shù)倪^程中，LEDs的光譜在整個可見光譜范圍內(nèi)存在，從而具有一定的局限性。因此，可以將紅/綠/藍(lán)（RGB）LED共三個LED器件集成封裝，并通過混合紅，綠和藍(lán)的輸出光產(chǎn)生白光。因?yàn)榭梢姽庾V可被分割，能夠分為三個獨(dú)立的通信信道。如果每種顏色的RGB-LED被獨(dú)立調(diào)制，可以通過波長復(fù)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)三倍的增長。但是，隨著時間的推移，強(qiáng)度和顏色的變化可能會產(chǎn)生多余的、不需要的光譜，對于照明而言是多余的。因此，研究人員提出了一個光強(qiáng)度調(diào)制方案，通過改變發(fā)送數(shù)據(jù)來調(diào)制RGB-LED發(fā)出的光色和光強(qiáng)；研究人員采用的色移鍵控（CSK）技術(shù)保證燈光的強(qiáng)度不會波動，從而限制潛在的閃爍光效應(yīng)對人類肉眼可視度的影響。另外，在已有的CSK標(biāo)準(zhǔn)中，其較差的顯色質(zhì)量使其不受歡迎。到目前為止，研究人員已經(jīng)為設(shè)計CSK調(diào)制系統(tǒng)做了大量的預(yù)研工作；并且采用不同的方式對符號差錯率（SER）進(jìn)行了測量（CSK信號的SER可以通過在RGB信道中測量非均勻分布的脈沖幅度調(diào)制CSK信號來計算）。另一方面，通過測量的SER結(jié)果，可以推導(dǎo)出某些CSK星座圖的表達(dá)式。星座優(yōu)化問題一直是提高和改進(jìn)系統(tǒng)顯色性能的關(guān)鍵問題。研究人員證明，基于四種顏色的優(yōu)化CSK調(diào)制方案能夠改善調(diào)制效率。研究人員還在研究過程中發(fā)現(xiàn)高斯噪聲損壞的信道會限制系統(tǒng)功率以及光照強(qiáng)度，為解決上述問題他們引入了三個光強(qiáng)信道；然后根據(jù)Jensen不等式，研究人員得到相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，研究結(jié)果表明SNR的近似值在峰值和谷值的預(yù)測都是準(zhǔn)確的。因此，研究人員提出了一個基于RGB-LED的CSK系統(tǒng)。經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，他們得到了SNR數(shù)值，且實(shí)驗(yàn)證明該數(shù)據(jù)接近真正的SNR數(shù)值，特別是在非常高和低信噪比的實(shí)驗(yàn)方案中，上述測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。通過實(shí)驗(yàn)，研究人員也注意到與信號無關(guān)的噪聲對信道并未產(chǎn)生很大的影響�？紤]到在信道中，噪聲占主導(dǎo)地位的情形可能在未來的實(shí)際應(yīng)用過程發(fā)生，相關(guān)研究仍需繼續(xù)開展。研究人員設(shè)計的CSK系統(tǒng)如圖5所示。


圖5 CSK系統(tǒng)框圖

6.微波光子技術(shù)
    擴(kuò)頻微波波形技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中用以提高有效信號檢測范圍，并可保持較高精度的信號檢測分辨率�？紤]到脈沖壓縮因子與微波波形的時間帶寬積（TBWP）成正比，基于啁啾或者是相位編碼的微波波形將有一個較大的時間帶寬積（TBWP），上述特性已在雷達(dá)系統(tǒng)中被應(yīng)用。通常，研究人員可以使用模擬或數(shù)字電路生成啁啾微波波形。但對于調(diào)制具有高中心頻率和大帶寬的啁啾微波波形或相位編碼微波波形，常規(guī)的電子電路可能無法工作。由于現(xiàn)代光子學(xué)所能提供的高頻和大寬帶，擴(kuò)頻微波波形的光子生成技術(shù)被認(rèn)為是有潛在價值的解決方案，研究人員基于此提出了許多新方案：例如，采用基于空間到時間的映射（STM）技術(shù)、基于光譜整形和波長-時間譜（SS-WTT）映射技術(shù)來生成啁啾或相位編碼微波波形。在基于STM的系統(tǒng)中，通常會使用到空間光線調(diào)節(jié)器（SLM）。使用SLM的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r更新微波波形，但由于SLM的二維特性，其系統(tǒng)相對復(fù)雜。另一方面，基于SS-WTT映射生成的微波波形可以通過純光纖或波導(dǎo)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以使系統(tǒng)簡單化；而且通過改變光學(xué)光譜整形器或色散元件的頻散特性，能完成微波波形的調(diào)諧工作。但自光譜整形器或色散元件難以實(shí)現(xiàn)上述過程，因?yàn)樗鼈冇泄潭ǖ墓庾V響應(yīng)。另一種生成啁啾微波波形的方法是將兩種由拋物型電子波調(diào)制而成的光波相位進(jìn)行疊加：例如，研究人員提出使用光電振蕩器（OEO）來生成一個光學(xué)單邊帶（光波在光電振蕩器（OEO）中進(jìn)行正交偏振復(fù)用時使用的方案），然后將其應(yīng)用到偏振調(diào)制器（PolM）上，其中兩路光波是互補(bǔ)相位調(diào)制的。通過在光電探測器（PD）上檢測兩種互補(bǔ)的相位調(diào)制光信號，能夠生成線性微波波形。該方法的局限性在于低拋物型電壓應(yīng)用于偏振調(diào)制器（PolM）時會引起小啁啾微波效應(yīng)；由于微波波形的時間周期維持很短，將會導(dǎo)致有限的時間帶寬積（TBWP）的出現(xiàn)。目前，研究人員還提出了一種基于SS-WTT映射產(chǎn)生啁啾微波波形的方案，即通過相位編碼提高波形的時間周期，并使用偽隨機(jī)（PN）序列來改變線性調(diào)頻波形的極性，從而使TBWP增加。但實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的主要難點(diǎn)是如何使相位編碼的啁啾波形與偽隨機(jī)（PN）序列實(shí)現(xiàn)同步。此外，啁啾波形的中心頻率不可調(diào)，在實(shí)驗(yàn)過程中還需要采用鎖模激光光源，該系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜且成本極高。因此，研究人員設(shè)計了一種基于頻率可調(diào)諧光電振蕩器（OEO）的相位編碼啁啾微波波形的光子生成方案，用以提高TBWP。由于未采用鎖模激光光源，此系統(tǒng)更加簡單且成本較低。其中，OEO用于產(chǎn)生一個頻率可調(diào)諧的光單邊帶，其頻率等于光載波的頻率加上OEO的振蕩頻率；然后將該單邊帶應(yīng)用到PolM中，并生成雙相編碼的電子拋物型信號。研究人員通過在PD上檢測兩個正交偏振光信號，生成了基于相位編碼的微波波形；由于微波波形的時間周期變長，TBWP也隨之增加。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明，采用上述方法，當(dāng)啁啾微波波形的中心頻率從6GHz到15GHz變化時，產(chǎn)生的TBWP值為4.51；并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的兩個相位編碼啁啾微波波形的兩種相位編碼信號的時間帶寬積（TBWP）分別為58.5和80000；上述相關(guān)系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。



圖6 相關(guān)系統(tǒng)的原理圖（TLS：可調(diào)諧激光源；PC：偏振控制器；PM：相位調(diào)制器；PS-FBG：相移光纖布拉格光柵；EA：電子放大器；PBC：偏振合束器；EDFA：摻餌光纖放大器；PolM：偏振調(diào)制器；AWG：波形任意發(fā)生器；PD：光電探測器）