8/6/2018，光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎

2018年6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)，光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)，激光器，光纖技術(shù)，光傳輸?shù)�，筆者將逐一評(píng)析。

1.調(diào)制技術(shù)

由于基于白光發(fā)光二極管（LED）可見(jiàn)光通信（VLC）是一種具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如低成本，帶寬豐富，無(wú)電磁干擾）的新興技術(shù)，因此成為下一代室內(nèi)無(wú)線接入通信的候選技術(shù)。然而，VLC系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵缺陷是LED的調(diào)制帶寬較小，從而導(dǎo)致VLC的數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制。迄今為止，研究人員已提出各種技術(shù)來(lái)提高VLC系統(tǒng)的通信容量（如多輸入多輸（MIMO），正交幅度調(diào)制（QAM）的正交頻率分頻復(fù)用（OFDM），非正交多址（NOMA）等）。在實(shí)際的VLC系統(tǒng)中，通常是引入多個(gè)光單元（其中每個(gè)LED創(chuàng)建一個(gè)光學(xué)單元）并向多個(gè)用戶提供服務(wù)，這種蜂窩VLC系統(tǒng)被稱為多單元VLC系統(tǒng)。然而，相鄰單元的照明區(qū)域不可避免地相互重疊，因此位于重疊區(qū)域內(nèi)的用戶將受到小區(qū)間干擾（ICI）的影響，導(dǎo)致多單元VLC系統(tǒng)的總體頻譜效率的降低。我們知道，正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多單元VLC系統(tǒng)中以提高頻譜效率；不僅如此，研究人員將電域中的NOMA方案引入到多單元VLC系統(tǒng)，與OFDMA技術(shù)相比，上述方案可以大大提高頻譜效率。雖然上述方案可以對(duì)典型VLC系統(tǒng)進(jìn)行相當(dāng)大的容量改進(jìn)，且若干頻譜也不會(huì)占用或僅部分占用，但其他一些用戶需要更多的頻譜資源來(lái)滿足其對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求。由于頻譜訪問(wèn)機(jī)制效率低下，在上述情況下，有效頻譜利用率和VLC系統(tǒng)的整體頻譜效率受到限制。為了提高頻譜利用率，認(rèn)知無(wú)線電（CR）技術(shù)已作為高速無(wú)線通訊的候選技術(shù)，其工作原理是通過(guò)應(yīng)用兩種傳輸模式即覆蓋模式和底層模式，二級(jí)用戶（SU）被允許與主用戶（PU）共享頻譜資源。在覆蓋模式下，如果當(dāng)時(shí)PU沒(méi)有頻段，SU可以訪問(wèn)PU的頻段。而在底層模式中，在一定的干擾限制下，SU被允許與PU在相同頻段內(nèi)共存。

最近，研究人員對(duì)自由空間光通信（FSO）雙跳CR的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了測(cè)試；而且，他們基于認(rèn)知VLC系統(tǒng)的用戶位置來(lái)定義PUs和SUs，但上述技術(shù)僅僅使用了簡(jiǎn)單的等功率分配重疊模式，且ICI未被考慮在內(nèi)。受CR概念的啟發(fā)，研究人員為了改善整體頻譜效率提出采用一種新的多單元認(rèn)知VLC（C-VLC）下行鏈路系統(tǒng)，并基于不同用戶的服務(wù)需求重新定義PU和SU；考慮滿足到VLC系統(tǒng)的獨(dú)特光學(xué)約束和最低速率要求的同時(shí)要保持PUs的性能低于給定閾值。在此基礎(chǔ)上研究人員設(shè)計(jì)了一種基于多單元C-VLC系統(tǒng)的靈活混合底層/覆蓋子信道和功率分配的方案。仿真研究結(jié)果表明，與非C-VLC系統(tǒng)、僅具有底層模式C-VLC系統(tǒng)和只有重疊模式的C-VLC系統(tǒng)相比，C-VLC混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸速率分別提高了29.2％，20.6％和9％。具有混合覆蓋/底層模式的雙單元C-VLC系統(tǒng)的配置框圖如圖1所示。
 

圖1.具有混合覆蓋/底層模式的雙單元C-VLC系統(tǒng)的配置框圖

2.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)

極坐標(biāo)碼作為一種新型糾錯(cuò)碼其通信容量接近二進(jìn)制輸入離散無(wú)記憶信道（B-DMC）的香農(nóng)極限。極坐標(biāo)碼生成設(shè)計(jì)不是基于最小漢明距離而是基于信息承載偏振信道的最小誤碼率進(jìn)行的，因此極坐標(biāo)碼的構(gòu)造不同于傳統(tǒng)的線性分組碼，B-DMC被分成無(wú)差錯(cuò)信道和競(jìng)爭(zhēng)噪聲信道以傳遞信息位和凍結(jié)比特位。相關(guān)參數(shù)與信道可靠性的測(cè)量誤差概率上限有關(guān)，因此需基于參數(shù)進(jìn)行信道選擇。通過(guò)將二進(jìn)制信號(hào)輸入加性高斯白噪聲信道( AWGN )對(duì)下述信道選擇方法進(jìn)行分析（如蒙特卡洛估計(jì)方法，密度演化（DE）方法，塔爾法和瓦迪法以及高斯近似（GA）法）后證明：蒙特卡羅和DE方法具有很高的計(jì)算復(fù)雜度，難以和計(jì)算精度實(shí)現(xiàn)權(quán)衡；塔爾法和瓦迪法是一種相對(duì)簡(jiǎn)化的量化方法，該方案復(fù)雜度較低但誤碼率較高；高斯法計(jì)算極坐標(biāo)（與巴特夏里亞參數(shù)成比例）的對(duì)數(shù)似然概率（LLR）的平均值（類似基于低密度奇偶校驗(yàn)( LDPC )碼的GA算法），與其他方法相比，在精度相同的條件下它具有最低的計(jì)算復(fù)雜度；逐次取消（SC）方法由于遞歸函數(shù)具有極低的復(fù)雜性被用作極性碼的解碼算法，但是其對(duì)信道偏振后的短至中等碼長(zhǎng)的解碼效果并不理想；逐次取消列表（SCL）解碼法從SC碼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其解碼性能得以提高；當(dāng)循環(huán)冗余校驗(yàn)( CRC )與SCL組合時(shí)，可以得到比期望更好的性能，仿真結(jié)果顯示SCL-CRC極坐標(biāo)代碼具有比LDPC碼更好的解碼性能。

可見(jiàn)光通信（VLC）是一種將照明設(shè)備與光無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型技術(shù)。目前在世界各地廣泛使用的發(fā)光二極管（LED）使得VLC在無(wú)線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用更為廣泛。VLC中有許多常用的調(diào)制格式，如開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），可變脈沖位置調(diào)制（VPPM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）。其中，OOK是一種簡(jiǎn)單易用的調(diào)制方式，因?yàn)樗�可以很容易地通過(guò)開(kāi)/關(guān)脈沖發(fā)送0、1碼型。而且，為了保證DC平衡，在VLC中定義了三種運(yùn)行長(zhǎng)度限制( RLL )碼，包括曼徹斯特代碼，4B6B代碼和8B10B代碼。VLC系統(tǒng)中有一些應(yīng)用難點(diǎn)，例如調(diào)光和干擾。研究人員提出了使用改進(jìn)的里德-穆勒( RM )代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制的前向糾錯(cuò)碼（FEC）編碼方法，它可以為多個(gè)調(diào)光目標(biāo)值提供的最小補(bǔ)償符號(hào)（CS）；此外，改進(jìn)的RM代碼設(shè)計(jì)由彎曲函數(shù)構(gòu)成且可提供調(diào)光控制�；�于LDPC碼設(shè)計(jì)的自適應(yīng)FEC代碼和極坐標(biāo)碼也用來(lái)調(diào)光，但RLL碼可用于保持DC平衡和50％的調(diào)光。研究人員設(shè)計(jì)了比特級(jí)RLL解碼的解碼過(guò)程，該方案顯示出比符號(hào)RLL解碼和硬判決RLL解碼更好的性能。但是關(guān)于消除干擾方法相關(guān)研究工作還是略顯不足。研究人員討論了高斯干擾和非高斯分布干擾，并且模擬了在不同干擾信道中的調(diào)制過(guò)程，尤其是針對(duì)不同類型OFDM信號(hào)的調(diào)制過(guò)程。同時(shí)研究人員也分析了視場(chǎng)（FOV）對(duì)干擾的影響主要來(lái)源于LED的位置，反射壁參數(shù)，位間隔等因素，符號(hào)間干擾（ISI）等。當(dāng)相同的信號(hào)通過(guò)VLC系統(tǒng)中多徑傳輸時(shí)將引起ISI。一般來(lái)說(shuō)，緩解ISI的方法包括均衡技術(shù)和糾錯(cuò)碼，而研究重點(diǎn)在于糾錯(cuò)碼應(yīng)用方面。研究人員采用極化代碼模型并基于無(wú)記憶信道進(jìn)行分析。極化是極性碼中的主要步驟，它提出了帶記憶的極化處理，并考慮了有限狀態(tài)馬爾可夫鏈下具有記憶的極性編碼過(guò)程，因此在記憶信道中使用極坐標(biāo)編碼是可行的。研究人員設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于VLC系統(tǒng)中新型極坐標(biāo)碼解碼算法（用GA方法構(gòu)造極坐標(biāo)代碼而不考慮ISI過(guò)程）。但是，考慮記憶信道更符合實(shí)際情況，因此研究人員分析了ISI的詳細(xì)效應(yīng)并導(dǎo)出其不同于OOK調(diào)制的特性，在考慮記憶信道時(shí)列表解碼被用作解碼極坐標(biāo)代碼。如果專注于糾錯(cuò)碼方面而未考慮應(yīng)用均衡技術(shù)以減少ISI的影響，則必須在VLC系統(tǒng)中采用極化碼。VLC系統(tǒng)中不同ISI路徑下分析模型如圖2所示。
 

圖2. VLC系統(tǒng)中的兩類ISI模型：（a）來(lái)自兩個(gè)LED的多路徑，（b）來(lái)自信號(hào)反射的多路徑。

3.激光器

目前，納秒級(jí)光纖激光器在材料處理、生物醫(yī)學(xué)診斷和激光雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。隨著工業(yè)需求的迅速增長(zhǎng)，簡(jiǎn)單、高穩(wěn)定、高能量的激光器受到人們的青睞。納秒激光器在大多數(shù)情況下是通過(guò)主動(dòng)調(diào)Q、被動(dòng)調(diào)Q或增益轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于電光調(diào)制器（EOM）或聲光調(diào)制器（AOM）的誘導(dǎo)，主動(dòng)電光調(diào)Q光纖激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。采用增益轉(zhuǎn)換技術(shù)制備的脈沖激光器由于其輸出功率低，通常需要放大器進(jìn)一步的放大，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和所需成本較高。采用被動(dòng)調(diào)Q的飽和吸收體（SAS）被認(rèn)為是一種有前途的方法，其具有集成簡(jiǎn)單和緊湊的優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)驗(yàn)中常用的SAS（如SESAM、石墨烯和碳納米管）具有相對(duì)較低的損傷閾值，且其應(yīng)用性能有隨使用時(shí)間增加而減弱的傾向，使其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。除上述方法外，類噪聲脈沖（NLPS）也可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)應(yīng)用。NLPS不是固定的，而是一個(gè)混沌脈沖形成的一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間包絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)波動(dòng)。NLPS的一種典型特征是光學(xué)自相關(guān)，且其可以通過(guò)引入反向飽和吸收效應(yīng)產(chǎn)生。值得注意的是，在雙包層光纖激光器中，NLP是一種高能量的特殊高能脈沖，其能量能高達(dá)400nJ，它能在不進(jìn)一步放大的情況下顯著降低成本和運(yùn)行復(fù)雜度。NLPS主要在基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）或非線性光學(xué)環(huán)路鏡（NOLM）的光纖激光器中實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用中，控制光的偏振態(tài)非常重要，因?yàn)槠涫艿綑C(jī)械誘導(dǎo)的雙折射影響。NOLM因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。雖然全光纖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性沒(méi)有得到很好的解決，因此所有PM光纖技術(shù)由于其對(duì)偏振擾動(dòng)的強(qiáng)抵抗力而被優(yōu)先選用以解決環(huán)境敏感性問(wèn)題。然而，基于NPR的激光器需要對(duì)偏振進(jìn)行調(diào)控，這也限制了其在所有PM光纖激光器配置中的應(yīng)用。近年來(lái)，NOLM因其可實(shí)現(xiàn)配置在所有PM光纖激光器中再次引起了人們的興趣，因此NOLM的全光纖激光器由于其抗環(huán)境干擾能力而被認(rèn)為是一種商用應(yīng)用候選技術(shù)，并期望能同時(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的穩(wěn)定性和可靠性。最近，研究人員設(shè)計(jì)了一種自啟動(dòng)雙包層E_r/Y_b共摻雜全光纖激光器，并在985KHz和402KHz的重復(fù)頻率下分別獲得了穩(wěn)定的納秒NLPS操作（分別對(duì)應(yīng)于210m和510m的腔長(zhǎng)，所產(chǎn)生NLPS的最大脈沖能量能夠達(dá)到1.54nJ）。他們還在1616nm和1612.3nm處獲得了兩個(gè)不同腔的中心波長(zhǎng)，幾乎可以覆蓋乙烷（C_2 H_6）氣體的吸收線譜范圍，因此該激光器可以應(yīng)用于乙烷氣體檢測(cè)過(guò)程。研究人員同時(shí)還進(jìn)行了仿真研究工作，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。激光腔體的實(shí)驗(yàn)方案框圖如圖3所示。
 

圖3激光器腔體的實(shí)驗(yàn)方案框圖

4.光纖技術(shù)

近年來(lái)，基于少模光纖（FMFS）開(kāi)展的光通信、傳感和成像的應(yīng)用已被廣泛研究。然而，在FMFS中模態(tài)耦合的存在會(huì)顯著增加數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。因此，對(duì)于基于FMF的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，減少模態(tài)耦合的影響并控制沿FMF的光信號(hào)的模態(tài)組成是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，研究人員已經(jīng)提出了幾種模式控制技術(shù)。一般而言，相關(guān)技術(shù)在三個(gè)可能的位置執(zhí)行：光纖輸入端口，光纖內(nèi)部以及基于FMF應(yīng)用的光纖輸出端口。例如，輸入端口模式控制主要用于光通信，其中選擇性模式激勵(lì)可以使用相位板、光子燈和空間光調(diào)制器（SLM）。相比之下，F(xiàn)MF中的模式控制可以在光學(xué)傳感中找到相關(guān)應(yīng)用，例如可以使用光纖布拉格光柵（FBG）來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，在光學(xué)顯微鏡和成像應(yīng)用中，在FMF輸出端口控制光線是必需的。已有報(bào)道指出，通過(guò)光纖傳輸矩陣（TM）反演或數(shù)字相位共軛可以控制輸出端口的模式配置過(guò)程。然而，光纖傳輸矩陣（TM）計(jì)算不容許環(huán)境干擾，數(shù)字相位共軛也需要仔細(xì)的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。研究人員已經(jīng)證明了基于自適應(yīng)光學(xué)（AO）的模式控制方法能兼顧擾動(dòng)容限和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的影響。最近，研究人員擴(kuò)展了AO框架以在4模和17模光纖的輸出端口選擇性地激發(fā)LP模式。研究人員進(jìn)一步證明了激發(fā)高階OAM模式混合的能力，他們還提出了一種非線性優(yōu)化算法，可以通過(guò)使用基于圖像提取不同LP模式的復(fù)振幅，并將其應(yīng)用于分析四模光纖獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中�；�于AO的方法與傳統(tǒng)方法不同，后者依靠傅里葉變換將SLM生成的全息圖與光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)中所需的模式相關(guān)聯(lián)；而前者是將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)視為一個(gè)黑盒子，它可以自適應(yīng)地激發(fā)所需的光場(chǎng)分布并且受系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響較小，相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示。
 

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖（λ⁄2：半波片；P：偏振器；M：鏡子；SLM：只有相位的空間光調(diào)制器；L1：10倍物鏡，NA=0.25；L2:40倍物鏡，NA=0.65；光纖：1m；CCD：CCD照相機(jī)；PC：電腦）

5.光傳輸

眾所周知，室外光無(wú)線通信（OWC）系統(tǒng)的吞吐量可以通過(guò)傳輸多個(gè)并行光束來(lái)提高。由于受天氣條件將導(dǎo)致信道損傷，因此接收的光束信號(hào)的接收信噪比（SNR）隨時(shí)間變化。自適應(yīng)傳輸（AT）是一種有效的改善方案，對(duì)于單通道室外光無(wú)線通信（OWC）系統(tǒng)，已有研究人員提出恒功率可變速率（CPVR）自適應(yīng)傳輸（AT）、聯(lián)合功率以及調(diào)制適應(yīng)等有效結(jié)合方案。研究人員針對(duì)在湍流衰落信道上采用波分復(fù)用的OWC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于閾值的光信號(hào)選擇方案。他們指出在容量達(dá)到編碼和平均/峰值強(qiáng)度極限約束的情況下，可以采用具有多個(gè)平行光束的自適應(yīng)強(qiáng)度分配方案；然而，上述方案沒(méi)有考慮傳輸鏈路層延遲服務(wù)質(zhì)量（QoS）的約束。對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，鏈路層延遲限制是一個(gè)關(guān)鍵的QoS度量。由于湍流場(chǎng)的隨機(jī)行為，在OWC的應(yīng)用中保持確定性鏈路層延遲限制變得具有挑戰(zhàn)性。在保證鏈路層延遲邊界具有一定的違規(guī)概率的情況下，統(tǒng)計(jì)延遲QoS適用于湍流衰落信道上的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的分析。統(tǒng)計(jì)延遲QoS約束過(guò)程可以通過(guò)保持與無(wú)線通信系統(tǒng)的有效速率（ER）相等的最大業(yè)務(wù)到達(dá)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了改善衰落信道上的ER，自適應(yīng)傳輸（AT）方案需要考慮傳輸業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)延遲QoS約束。已有研究提出了一種雙信道相干OWC系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)延遲QoS分析方案。與之相比，最近研究人員設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)傳輸（AT）方案，用以改善具有多個(gè)平行光束的相干OWC系統(tǒng)的ER。研究人員比較了獨(dú)立信道優(yōu)化（ICO）、聯(lián)合信道優(yōu)化（JCO）以及獨(dú)立信道優(yōu)化與波束選擇（ICO/BS）技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析獲得了AT方案在高SNR和低SNR情況下的QoS約束性能。