9/26/2018，光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎

2018年7月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光通信系統(tǒng)、光學(xué)預(yù)失真技術(shù)、光學(xué)生成技術(shù)、可見光傳輸系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。

1.光通信系統(tǒng)

無線通信和光通信被認(rèn)為是現(xiàn)代信息社會最重要的基礎(chǔ)通信模式。隨著移動通信業(yè)務(wù)和無線數(shù)據(jù)流量的迅速發(fā)展，對無線通信系統(tǒng)容量的需求也越來越高。但在高頻頻帶中使用更多的頻譜資源，并將載波頻率擴(kuò)展到毫米波頻帶是一種極有前途的候選方案之一。例如，60GHz頻帶由于其7GHz的無許可帶寬而引起了廣泛的關(guān)注，而使用THz載波進(jìn)行無線通信的潛力也被廣泛研究。然而，高載波頻率系統(tǒng)總是存在很高的傳輸損耗，這就限制了無線傳輸范圍以及無線服務(wù)的覆蓋范圍。為了增加覆蓋面積并在毫米波甚至太赫茲波段提供高系統(tǒng)容量，研究者們提出了光纖無線電（RoF）技術(shù)。由于所有復(fù)雜且昂貴的組件都轉(zhuǎn)移到了中心局（CO），因此可以通過使用統(tǒng)一平臺來實(shí)現(xiàn)簡單的遠(yuǎn)程天線單元（RAU）設(shè)計(jì)、集中式資源分配和多通道操作。盡管目前已經(jīng)報(bào)道了許多RoF無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了幾十Gb/s的信號傳輸，但高頻帶RoF系統(tǒng)仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。其中一個主要挑戰(zhàn)如何用采用較好的方式來對抗光纖色散影響。傳統(tǒng)上，為了減小光纖色散的影響，大都采用基于光學(xué)濾波的光學(xué)單邊帶調(diào)制（OSSB）、90/120度混合耦合器或邊帶的單獨(dú)調(diào)制和組合等方式。然而，精確控制的偏置條件、正交相位差或嚴(yán)格設(shè)計(jì)光學(xué)濾波的過程都會顯著增加發(fā)射機(jī)的復(fù)雜性。此外，由于自由運(yùn)行的激光源通常被用作光載波，需要附加的載波相位估計(jì)過程，這也會增加接收機(jī)中數(shù)字信號處理過程的負(fù)擔(dān)。最近，研究人員針對光纖色散問題設(shè)計(jì)了一種新型的偏振復(fù)用發(fā)射信號方案，以實(shí)現(xiàn)低色散的60GHz頻帶RoF系統(tǒng)。基于一個雙極化二進(jìn)制相移鍵控（DP-BPSK）調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，基帶720P高清視頻（1.5Gb/s數(shù)據(jù)速率）和多頻帶16QAM數(shù)據(jù)（3GHz和5.5GHz，4.8Gb/s數(shù)據(jù)速率）被同時上變頻到60GHz頻帶，以實(shí)現(xiàn)簡單和緊湊的發(fā)射機(jī)配置。該系統(tǒng)通過調(diào)整輸入到偏振器的調(diào)制光信號的偏振狀態(tài)，將可變幅度系數(shù)引入到發(fā)送信號中，以此來補(bǔ)償由光纖色散引起的功率衰落。研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了無差錯實(shí)時視頻顯示和數(shù)據(jù)解調(diào)過程。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)基于偏振復(fù)用調(diào)制器的實(shí)時接收和光纖色散補(bǔ)償?shù)?0GHz頻帶RoF系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RoF系統(tǒng)圖（LD：激光器；PC：偏振控制器；EDFA：摻餌光纖放大器；DP-BPSK：雙極化二進(jìn)制相位鍵控；PD：光電探測器；CO：中心局；RAU：遠(yuǎn)程天線單元；LNA：低噪聲放大器；PRE：偏振旋轉(zhuǎn)元件）

產(chǎn)生高質(zhì)量光學(xué)微波信號的光電振蕩器（OEO）因其在光學(xué)和射頻（RF）系統(tǒng)中的許多潛在應(yīng)用引起了人們極大的研究興趣。作為微波發(fā)生器，人們最希望它能產(chǎn)生頻率可調(diào)諧的微波。雖然可調(diào)諧電子帶通濾波器（BPF）可供OEO在千兆赫茲的調(diào)諧范圍內(nèi)產(chǎn)生微波信號，但需要高度穩(wěn)定的電流源來驅(qū)動BPF，從而使系統(tǒng)體積龐大且成本昂貴。為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究人員設(shè)計(jì)了結(jié)合可調(diào)諧微波光子濾波器（MPF）的光電振蕩器（OEO）。傳統(tǒng)上，OEO結(jié)構(gòu)中需要外部調(diào)制器來構(gòu)成反饋回路，并且通常需要高增益射頻（RF）功率放大器（PA）來補(bǔ)償高RF損耗。采用直接調(diào)制方式的半導(dǎo)體激光器（DML）可以用作激光源和調(diào)制器，并且其高調(diào)制效率能降低鏈路RF損耗。此外，DML能簡單地與其他組件單片集成，從而實(shí)現(xiàn)更為緊湊的OEO架構(gòu)。近年來，已有研究證明了基于直接調(diào)制分布反饋（DFB）激光器、基于垂直腔面發(fā)射激光器和微方形激光器的OEO，然而，這些OEO仍需要電帶通濾波器（BPF）來執(zhí)行模式選擇。為了去除電BPF，研究人員提出了在光學(xué)注入過程中使用DML的OEO新結(jié)構(gòu)。此外，在無需電過濾器和光學(xué)注入的情況下，研究者人員基于直接調(diào)制的DFB激光器設(shè)計(jì)了可調(diào)諧的OEO。最近，研究人員提出并研究了基于AlGaInAs/InP直接調(diào)制的微方形激光器的可調(diào)諧OEO方案（如圖2所示），該方案不需要任何外部調(diào)制器和電BPF，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單。由于微方形激光器在馳豫振蕩頻率下的高調(diào)制效率和低至13dB的電回路增益足以使OEO實(shí)現(xiàn)3.51GHz的頻率振蕩；該方案通過調(diào)整微方形激光器的偏置電流，將OEO的振蕩頻率和馳豫振蕩頻率進(jìn)行調(diào)諧，從而產(chǎn)生頻率可調(diào)范圍為3.51-8.16GHz的微波信號。研究人員對所產(chǎn)生微波信號的相位噪聲性能進(jìn)行了評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于7.48GHz的微波信號而言，相位噪聲在10KHz的偏移下測量值為-112.5dBc/Hz（比已有研究中的最佳相位噪聲低約9dB）。由于微方形激光器具有緊湊尺寸和簡單制作的優(yōu)點(diǎn)，該類光子微波源結(jié)構(gòu)有可能通過有效使用大規(guī)模制造技術(shù)的單片光電集成電路來實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于直接調(diào)制微腔激光器的可調(diào)諧OEO系統(tǒng)框圖（EDFA：摻餌光纖放大器；OBPF:光學(xué)帶通濾波器；OSA：光譜分析儀；PC：偏振控制器；PBS/PBC：偏振分束器/合束器；SMF：單模光纖；PD：光電探測器；BC：阻塞電容器；PA：射頻功率放大器；ESA：電子頻譜分析儀；RF Attn：射頻衰減器）

2.光學(xué)預(yù)失真技術(shù)

由于自干擾消除（SIC）技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)真正的帶內(nèi)全雙工（IBFD）通信，所以該技術(shù)被認(rèn)為是5G和未來無線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。與當(dāng)前的LTE頻分雙工（FDD）技術(shù)不同，IBFD操作利用單個信道進(jìn)行發(fā)送和接收，從而使頻譜效率提高一倍并提高了靈活性。在IBFD系統(tǒng)中，相鄰發(fā)射機(jī)間的強(qiáng)干擾會損壞所接收到的有用信號（SOI）。由于帶內(nèi)干擾不能簡單地通過濾波消除，因而人們設(shè)計(jì)各種方案（包括基于模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子和光子學(xué)技術(shù)的方案）來解決該問題。然而，模擬電子技術(shù)常受到窄帶寬和時間延遲調(diào)諧不精準(zhǔn)的影響；光子學(xué)技術(shù)技術(shù)則能提供寬工作帶寬和高精度的時間延遲調(diào)諧，基于光學(xué)射頻（RF）的SIC引起了人們的關(guān)注。類似于模擬電子SIC系統(tǒng)，光子學(xué)方案可以通過從接收信號中減去傳輸信號的副本來消除自干擾。因此，SIC的關(guān)鍵任務(wù)是執(zhí)行信號抵消，并需要適當(dāng)?shù)臅r間延遲和幅度調(diào)整以匹配干擾。已有研究人員提出在互補(bǔ)的傳輸斜率上偏置兩個馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）來實(shí)現(xiàn)信號抵消。當(dāng)該系統(tǒng)滿足延遲和幅度要求時可以在光電二極管處消除自干擾，從而產(chǎn)生清晰的SOI。然而，該方案的實(shí)現(xiàn)需要兩個不同波長的激光源來防止相干拍頻噪聲。除了MZM之外，還有研究使用兩個電吸收調(diào)制器（EAM）來消除自干擾過程。由于兩個EAM之間的較好的頻率響應(yīng)匹配，瞬時抵消自干擾，從而使帶寬顯著提高。但由于使用了兩個EAM，應(yīng)附加射頻（RF）巴倫變換器或差分檢測來實(shí)現(xiàn)信號減法。目前，研究人員設(shè)計(jì)了基于雙驅(qū)動MZM或雙并聯(lián)MZM的若干預(yù)失真技術(shù)方案來消除自干擾的影響，原理是通過在兩個信號抽頭之間引入相移過程來執(zhí)行信號減法。上述方案中的預(yù)失真操作是在電域?qū)崿F(xiàn)的（如RF延遲線），這將帶來有限帶寬和粗糙調(diào)整造成的缺點(diǎn)。在事先未知干擾時，其他方法也可以使用MZM的非線性傳遞特性消除干擾，從而避免系統(tǒng)對信號減法操作和時間延遲調(diào)整的需要。但是該方法對于要去除的信號有特定的幅度要求，限制了其在干擾信號幅度是非靜止?fàn)顟B(tài)下的應(yīng)用。最近，研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)證明了一種新型的光學(xué)射頻（RF）SIC方案（如圖3所示），該方案包括具有預(yù)失真光學(xué)載波的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測（IMDD）系統(tǒng)。研究人員利用干涉的先驗(yàn)知識，使用電光強(qiáng)度調(diào)制器（EOM）對光源進(jìn)行預(yù)失真設(shè)計(jì)。在通過適當(dāng)長度的光延遲線傳輸之后，在第二個EOM中可以減輕信號干擾。由于采用級聯(lián)兩個EOM配置，該SIC系統(tǒng)需要單個激光源和獨(dú)立光路使該系統(tǒng)和RoF系統(tǒng)兼容。此外，方案中只需改變調(diào)制器偏置電壓就可以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整，給人們提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。與其他預(yù)失真系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其中的信號延遲過程是全光執(zhí)行的，不需要射頻延遲線。

圖3 SIC系統(tǒng)方案圖（LD：激光器；EOM：電光強(qiáng)度調(diào)制器；VODL：可變光延遲線；PD：光電探測器）

3.光學(xué)生成技術(shù)

近年來，任意波形微波的光子生成問題一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多光學(xué)方法來產(chǎn)生各類信號（包括微波信號、雷達(dá)脈沖壓縮信號、微波三角波或方波信號等）以克服已知電子技術(shù)生成波形的有限頻率和帶寬受限缺陷，并具有低損耗、高頻率、大帶寬、抗電磁干擾等獨(dú)特優(yōu)勢。在各種微波波形中，相位編碼微波波形因其易于生成和良好的脈沖壓縮能力而被廣泛應(yīng)用于脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)。相位編碼微波波形可以通過自由空間光學(xué)器件產(chǎn)生，可重構(gòu)性強(qiáng)，但存在信號轉(zhuǎn)換損耗大的缺點(diǎn)。已有研究人員提出基于純光纖的方法來避免自由空間信號的傳輸損耗缺點(diǎn)。一種方法是基于光譜整形和頻率-時間映射的方案，但該方案生成的波形因?yàn)橛邢蕹掷m(xù)時間而限制了其應(yīng)用。光學(xué)外部調(diào)制是生成相位微波波形的有效解決方案，并具有持續(xù)時間長且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢。隨著雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展，需要在更高的頻帶中生成相位編碼的微波波形以滿足最新應(yīng)用，因此有很多研究機(jī)構(gòu)提出了光子倍頻相位編碼微波波形生成方法。雖然上述方案設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要是基于簡單的偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，但只能生成倍頻的相位編碼微波波形。此外，小的倍頻因子也限制了它的應(yīng)用；也有相關(guān)的研究方案能實(shí)現(xiàn)相對較大（最高可達(dá)4或8）的倍頻過程，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且其中均采用了雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制器，甚至是更多的電氣或光學(xué)器件，成本耗費(fèi)高。為了簡化結(jié)構(gòu)并降低倍頻相位編碼微波波形生成過程的成本，迫切需要設(shè)計(jì)新的方案。目前，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于簡單雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器（DD-MZM）生成頻率倍增可調(diào)的微波波形的新型方案（如圖4所示）。與傳統(tǒng)研究中的發(fā)生器相比，該方案簡化了系統(tǒng)且成本耗費(fèi)更低。此外，該方案所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)頻率倍增因子理論上可以從2到4。研究人員分別生成并演示了在16GHz或30GHz時頻率倍增的相位編碼微波波形以及在21GHz或30GHz時頻率三倍的相位編碼微波波形的生成過程。

圖4 倍頻相位編碼微波信號的生成方案圖（LD：激光器；DD-MZM：雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器；MSG：微波信號發(fā)生器；PPG：脈沖模式發(fā)生器；PD：光電探測器；DSO：數(shù)字采樣示波器；SA：信號分析儀）

光學(xué)生成三角形波技術(shù)因在全光頻率變換、光脈沖倍增、光脈沖壓縮以及信號復(fù)制等領(lǐng)域方面的廣泛應(yīng)用引起了人們的研究興趣。迄今為止，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了許多光學(xué)方法來產(chǎn)生三角波脈沖。在上述方案中，通常使用頻譜整形或頻率-時間映射（FTTM）技術(shù)。其中，鎖模激光器的光譜由光學(xué)頻譜整形器（如空間光調(diào)制器）生成。；并通過色散元件執(zhí)行FTTM以在時域中產(chǎn)生三角脈沖。上述方案的主要缺點(diǎn)是使用超短脈沖和空間光調(diào)制器會導(dǎo)致高成本；此外該方案所產(chǎn)生的三角波脈沖通常占空比較�。�<1）。然而，對于許多新應(yīng)用而言具有全占空比的三角波脈沖生成技術(shù)更具競爭優(yōu)勢。幸運(yùn)的是，基于連續(xù)波（CW）的光學(xué)外部調(diào)制方法可以產(chǎn)生全占空比的三角波脈沖。在該類系統(tǒng)中，可以通過幅值比為九的一階諧波和三階諧波來獲得三角脈沖，從而在時域中組合構(gòu)成三角形波形。也有研究人員提出使用雙驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）和一部分色散光纖來產(chǎn)生三角脈沖。在該方案中，色散光纖被用來抑制額外諧波。單驅(qū)動馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）也可以用來產(chǎn)生三角脈沖，此時MZM首先偏置在最小傳輸點(diǎn)（MITP），然后遵循包括受激布里淵散射（SBS）的載波恢復(fù)和光學(xué)載波的光譜處理以產(chǎn)生三角脈沖。為了去除這些研究中的附加光學(xué)器件（如色散光纖或光學(xué)濾波器），有研究人員提出使用單個雙平行MZM生成三角波脈沖，但需要兩個具有不同頻率或一個90度偏差混頻的射頻信號。此外，雙偏振調(diào)制也可以應(yīng)用于三角脈沖的產(chǎn)生，但上述方案的共同問題是使用了電光調(diào)制器，將增加系統(tǒng)成本并存在偏置漂移問題。最近，研究人員提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種基于單頻RF驅(qū)動的雙半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生三角波脈沖的方案（如圖5所示）。該方案首先對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接調(diào)制以獲得基頻分量。同時外部光注入驅(qū)動另一半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)非線性動態(tài)，其振蕩頻率可調(diào)諧為基頻的3倍，然后施加相同的RF信號以穩(wěn)定振蕩頻率。上述方案可以很好地抑制其它諧波以得到所需的三階諧波信號。在適當(dāng)設(shè)置幅度和時間延遲之后，合成的兩個信號以生成三角波脈沖序列，該方案大大降低了系統(tǒng)成本和器件配置的復(fù)雜性。

圖5 三角板脈沖發(fā)生器方案圖（TLS：可調(diào)諧激光源；Att：光衰減器；PC：偏振控制器；CIR：光環(huán)行器；SL：半導(dǎo)體激光器；OTDL：光學(xué)可調(diào)延遲線；PBC：偏振光束組合器；PD：光電探測器）

4.可見光傳輸系統(tǒng)

眾所周知，可見光通信（VLC）已經(jīng)發(fā)展成為5G無線通信系統(tǒng)的補(bǔ)充技術(shù)。可見光通信具有免頻譜許可、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。然而，VLC系統(tǒng)的吞吐量受到發(fā)光二極管（LED）帶寬的限制。為了進(jìn)一步在有限帶寬內(nèi)提高數(shù)據(jù)傳輸速率，人們已經(jīng)證明具有高頻譜效率的多載波技術(shù)可作為候選方案，尤其是作為高頻譜效率的正交頻分復(fù)用（OFDM）被考慮用于VLC系統(tǒng)。在OFDM-VLC系統(tǒng)中，所有子載波（SCs）都作為并行發(fā)送子信道，考慮到信噪比（SNR）在較高頻率下有所降低，因此，低頻子載波（SC）具有比高頻子載波（SC）更低的誤碼率（BER），并且所有SC上的發(fā)送數(shù)據(jù)都處于不平衡SNR的狀態(tài)。為了減小頻率選擇性衰落引起的影響，研究人員設(shè)計(jì)了若干預(yù)編碼方案（如離散傅立葉變換（DFT）和正交循環(huán)矩陣變換（OCT）方案）。然而，上述方案將引起額外的編碼成本和計(jì)算復(fù)雜性。在已有的研究方案中，成對編碼（PWC）技術(shù)可以最大化光強(qiáng)度調(diào)制過程從而提升直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)的接收靈敏度；基于奈奎斯特波分復(fù)用（WDM）的超信道傳輸可以改善信道間干擾容限的影響；基于偏振分復(fù)用（PDM）的相干光通信系統(tǒng)在存在偏振相關(guān)損耗的情況下可以提升傳輸容量。由于兩個子載波之間存在SNR差異，因此可以通過較大的不平衡SNR來獲得性能增益。對于PWC方案，在發(fā)射機(jī)處不需要編碼開銷。然而，如果僅使用QPSK或16QAM的調(diào)制格式，系統(tǒng)容量將受到限制；為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量，研究人員在VLC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于信噪比（SNR）間隙的自適應(yīng)調(diào)制方案，并將高階調(diào)制格式應(yīng)用于具有高SNR的低頻SC中，而低階調(diào)制格式則用于SNR較差的高頻SC中。但是，由于高階調(diào)制格式星座圖中星座點(diǎn)歐幾里得距離更近，利用PWC難以補(bǔ)償高頻SC中的信噪比，因此系統(tǒng)的收發(fā)性能將受到影響。最近，研究人員設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的PWC自適應(yīng)方案，并在OFDM-VLC系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與具有相同數(shù)據(jù)速率的傳統(tǒng)自適應(yīng)方案相比，該方案使用適當(dāng)?shù)恼{(diào)整階數(shù)格式調(diào)制不同頻率的SC；并采用無開銷和低復(fù)雜度的PWC方案來抵抗VLC系統(tǒng)的頻率選擇性衰落效應(yīng)，以有效提升系統(tǒng)整體性能。成對編碼（PWC）及其解碼過程如圖6所示。

圖6 （a）成對編碼 （b）成對解碼