2016年8月PTL光通信论文评析

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光纤在线特约编辑：邵宇丰，申世鲁，陈烙，陈福平
2016年8月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：激光器和放大器、无源光子器件、光网络及其子系统等，笔者将逐一评析。

1.激光器和放大器
在过去的十几年里，短腔单频光纤激光器引起了研究人员的兴趣，具有输出功率高、噪声低、线宽窄等优点，主要应用于高精度光纤传感、计量学和光谱学等领域。短腔单频光纤激光器频率采用线性调制，该激光器可以用于光波反射和载波生成等。在理论上，能采用注入电流来调制激光器频率，但该调制方案会恶化激光器性能，增加频率噪声和线宽，上述缺点在半导体激光器应用上尤为突出。对于光纤激光器，传统的方法是用压电转换法来调制光纤腔长度，一个短腔的光纤激光器可以获得更宽的调制带宽，同时实现稳定的单纵模操作。在此之前，研究人员把压电转换方法整合到具有短腔分布布拉格反射器的磷酸盐光纤激光器中，以此来解调具有线性频率调制的激光器；然而，当工作频率高于10 kHz时，压电转换的效应较弱，从而限制了激光器的调制带宽。最近有研究人员把部分光纤线缠绕在压电转换器圈上，来调制低噪声的布里渊/铒光纤激光器，调制频率能到达48 kHz，不过布里渊增益固有的带宽容限有限，其调制范围也被限制在几十MHz以内。来自中国广东华南理工大学光通信材料研究所的研究人员提出并证明了一种光纤激光器的高速率频率调制发方案。研究人员通过调制外腔长度来获得一个调制稳定的激光器，该激光器的调制速率达到160 kHz，在调制速率为60 kHz时调制振幅>145 MHz。频率调制光纤激光器的噪声频谱和以前的那些激光器的一样，除了一系列逐渐变弱的谐波峰。

图 1. 频率调制型单频光纤激光器的结构示意图
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低成本、高调制速率和高谱效率等优点，因此被广泛应用于光学互联。有研究表明短波长(850 nm）VCSEL在传输数据速率达到71Gb/s时依然具有良好的性能。而单模长波长(LW)−VCSELs可以以更高传输数据速率传输更远的距离，传输距离达到千米以上。最近，来自意大利比萨城比萨圣安娜高等学校的研究人员首次通过一个直接调制1530nm−VCSEL实现了速率为40Gb/s的数据无误码(BER<10-10)传输，实验装置图如图2所示。以磷化铟为基础的LW−VCSEL具有多重量子阱活性区，可以使热发生现象最小化。研究人员使用了一个具有闭合环路的温度控制的精密定位平台，闭合环路包括一个热敏电阻和一个珀尔帖单体。直流偏置电流由一个测量表和射频（RF）信号产生，40Gb/s的驱动信号是由比特图形发生器(BPG)提供，所有的测量过程都是在恒定室内温度为26℃下进行的。研究人员设置偏置电流为11.6毫安，以便可以在VCSEL电极端产生可以1.6V的电压，对应的功率补偿为18.5 mW，能量损耗为460 fJ/bit。研究人员使用一个接地信号(GS)微探针将电信号传送至VCSEL，实现了激光输出功率的直接调制，然后把输出功率耦合进抗发射镀膜单模透镜光纤。光带通滤波器(OBPF)用来提高OOK信号直接调制的信噪比(SNR)，该滤波器可以产生一个3dB带宽为3.1nm的方形洛伦兹谱形，为了通过滤波器对应于直接调制光谱中心波长的蓝移，实现频域调制到时域调制的转换，OBPF通常在啁啾管理激光器(CMLs)中被用来光谱再整形(OSR)。信号通过OBPF后，相比较源激光的中心波长产生了轻微的红移(0.75 nm)，不仅获得了调制光谱的光域均衡，也提高眼图的性能。因为在腔内调制过程中引起的绝热频率啁啾，VCSEL的直接调制会导致“1”强度层蓝移。VCSEL的输出端的调制信号功率大约为1.5dBm，在接收端使用20GHz带宽的光电检测器，实验结果表明，系统误码率表现远远低于典型的前向误码纠错极限(BER<10−3)，因此该系统特别适合应用于光学互联。

图2. 系统性能验证性实验装置图
在过去十几年间，硅光电子技术受了研究人员的广泛关注和研究，其中将光子器件和系统集成在硅基片上的技术日臻成熟，采用这种技术可以实现系统高密度集成，并提高系统性能和降低成本。虽然大多数光学设备都采用了硅光电子技术，但是作为光通信系统中关键器件之一的光隔离器对于如何避免后向发射和传输的问题，仍然是一个难以解决的技术难题。硅材料存在时间反演对称性，所以在硅基片上集成光隔离器基本不是理想。在前期的研究中，有研究人员提出了若干机制和技术手段，包括光磁学效应、光力学效应、间接带内光子转换等技术。基于光磁学效应器件的制备相当复杂，并且其材料界面存在散射和吸收特性，这会使得插损大大提高。研究人员在考虑光力学效应方案的同时，还使用了移动微腔和环形谐振腔，但是移动微腔在非平面结构上是很难和其它光子器件集成在一起，而环形谐振腔的带宽也被限制在几兆赫兹内。间接带内光子转换器结构比较复杂，它需要在时域上进行电信号调制，且其插损非常高。上述这些解决方案当中，具有非线性光学效应的硅集成隔离器备受关注，主要是因为它们材料兼容性较好、平面集成能力较强、且制作简单易于操作，不过，这些隔离器的动态互易性都受到了抑制，在大信号正向传输的情况下，一旦出现较小的反向信号传输时，则表现为反向传输效率很高，从而需要提供更高的前向泵浦功率，而且，这种器件无法同时进行双向操作，在实际中双向信号传输是不可避免的，所以这些隔离器不适合于实际运用。来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员提出了基于四波混频（FWM）效应的硅集成光隔离器的方案。该方案通过非互易性波长转换和滤波方法来克服动态互易性限制，其光隔离器可以同时实现正向隔离和反向隔离。实验制备的硅基隔离器的隔离度超过11.3dB，其插损小于19dB。在泵浦功率为18.3dBm，隔离度为3dB时，可用带宽超过300GHz，通过提高泵浦功率以及优化线性度，可以有效降低插损。

2.无源光子器件
三角脉冲在光信号处理如全光频率转换、光脉冲加倍、光脉冲压缩等方面具有广泛的应用。为了产生全占空比的三角脉冲，许多建立在连续波激光器外部调制基础上的方案被提出，基本原理是产生两个频率谐波，如一次谐波和三次谐波，在谱域内当两个谐波的振幅比为九，一个接近三角脉冲的时域波形就可以产生了。基于该原理，并行马赫增德尔调制器(DPMZM)也可以用来产生三角脉冲，但是需要和额外的光谱处理模块联合使用。近期，以光电振荡器(OEO)为基础来生成三角脉冲方案被提出来，在这些方案中，基本谐波与OEO产生的三角脉冲的重复率相一致，因此避免了额外的微波源的使用浪费。由于三次谐波是由非线性电光调制器产生，所以需要一个较大的OEO环路增益，且需要严格控制其增益值，以便可以使两个谐波之间的振幅比精确地控制为9：1。最近，来自南京航空航天大学重点实验室的研究人员提出了以偏振复用OEO为基础的三角脉冲生成方案。图3是该三角脉冲产生器原理图。通过适当地调节环路增益、可调谐带通滤波器（TBPF）、移相器，可以产生两个震荡频率为f=4.44 GHz和 3f=13.32 GHz。通过调节电功率衰减器，使上述两个频率处的功率差被控制在19.1dB，从而对应的振幅比就非常接近于9：1。OEO的震荡频率是可以通过改变TBPF的通带来调节，因此产生的三角脉冲的重复率也是可以调节的。实验结果表明，研究人员提出的方案可以产生只有一次谐波和三次谐波的清晰频谱，两个谐波之间的相位噪声也相对良好，产生的脉冲和理想的三角波形非常相似，两者之间的均方根误差(RMSE)很小，为5.145×10-4，验证了产生的三角脉冲的良好性能。良好的RMSE归因于两个谐波之间精确的振幅比以及无多余频率成分的纯净谱。研究人员在提出的OEO中使用更长的单模光纤（SMF）时，虽然相位噪声有所提升，但三角脉冲的时态特性几乎没有改变。在该实验中，由于两个TBPF的频率可调范围受限，重复率可调谐性就难以衡量出来。与重复率相关的一个潜在问题是两个TBPF和移相器需要同时进行调节，这就会相应地增加系统复杂度以及限制调谐速率，不过，研究人员提出的新型的微波光子滤波器可以很好地解决该问题。

图3. 三角脉冲发生器的系统应用原理图

复用/解复用（MUX/DEMUX）技术是密集波分复用（DWDM）光通信系统的重要组成部分，传统的MUX/DEMUX设备是基于电介质薄膜（DTF）、光纤布拉格光栅（FBG）或波导门阵列（AWG）制造的，这样的产品体积较大，难以满足现在光电设备的集成要求。在过去的几十年里，光子晶体（PHCs）引起了研究人员的注意，它可以用于制造光子集成电路，且可以作为一个高集成度的光电电路平台。到目前为止，已经有几个科研团队开始研究基于2-D PHCs MUX/DEMUX的WDM系统。滤波器是这些系统中重要的器件，其性能直接影响到MUX/DEMUX性能。基于2-D PHCs的滤波器主要分为两类：一是表面发射类滤波器，二是平面类滤波器。表面发射类滤波器包含一个腔体和一个波导，光子通过波导进入腔中，然后沿垂直方向发射，最佳腔结构的Q因子比较高，其下降效率要小于25%。平面类滤波器结构则比较简单，有研究人员提出了一个四端口模式的平面滤波器，它包含一个谐振腔，支持两个不同对称性的简并模。虽然这种设计能被实现，但强制简并两个不同对称性的谐振模会使的器件结构变得较复杂。相比于四端口，三端口更加适合多信道的MUX/DEMUX，有研究人员提出具有反射反馈的三端口设计，理论上可以获得100%下降效率。然而除了在谐振频率处外，其它部分光信号会返回到输入端，产生很严重的噪声。为了解决噪声问题，研究人员设计了具有波长选择性反射腔的三端口滤波器。虽然平面类滤波器的下降效率很理想，但谐振腔的Q值因子不是太高，DWDM的函数不能实现。最近，来自南京邮电大学的研究人员提出一个新的DWDM MUX/DEMUX器件设计方案，该方案包括一个窄带滤波器和基于2-D PhCs的环形器，不仅有三种频率可以用于复用/解复用，并且插入损耗低，隔离度高，可以很好地应用于DWDM光通信系统。

3.光网络及其子系统
目前，高速光纤通信系统的应用普及率非常高，在用户端只需要通过一个“光猫”就可以实现光信号和电信号的转换。高速光纤通信不仅给用户带来更大的带宽和速度，而且成本低廉，极大地提升了终端用户的体验效果。自由空间光通信（FSO）不仅具备光纤通信的优点，又具有自己独特的优势，如搭建周期短、无需频谱许可、可以跨越任意地形等，是可以作为射频无线通信的一种很好的补充方案。FSO是一种利用激光进行视距传输的技术，其信号在传输过程中会受到大气湍流的影响，由于大气中温度和气压存在不均匀性，信号在空间传输过程中会出现波动和衰减的情况，即使在天气晴朗的时候，大气信道对FSO链路的影响依然存在，尤其是当传输距离超过1公里时FSO链路衰减尤为明显。有研究人员提出多次反射传输方案，以减缓因传输距离过长而引起的衰减，该方案也引起了很多人的研究，但大多都围绕在孔径平均效应的研究上，而忽视了因对准误差对信号传输造成的影响。对准误差是由发射器和接收器不能准确对准引起的，收发器一般都安装在高处，轻微震动和风吹都可能造成收发器之间的对准误差。有研究人员在研究对准误差统计模型时主要集中在震动影响上，而忽略了孔径效应，实际中对准误差的来源是包括两个部分：震动和孔径。大部分人研究FSO系统性能主要集中在点对点通信模式上，只有个别研究人员研究分析了多分布多反射FSO系统的中断性能。众所周知，指数威布尔（EW）衰落信道模型比正态分布和gamma-gamma模型要好，它的依据来源于仿真和实验数据，而EW湍流信道多反射FSO系统的平均误码率（ABER）性能还没有人进行研究。来自西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室的研究人员，最近提出了一种指数威布尔衰落信道的多反射FSO通信方案，如图4所示。该方案主要研究多反射FSO通信系统的端对端平均误码率（EE ABER）性能，其信道模型考虑了非零孔径对准误差的存在。依据高斯-拉盖尔求积公式，研究人员获得了多维相移键控副载波强度调制下EE ABER解析式。实验结果证明对大孔径接收器ABER性能的影响主要是由非零孔径对准误差造成的。

图 4. 多反射FSO通信系统示意图

从雷达前端天线接收到的射频（RF）信号需要下变频为中频（IF）信号或基带信号，才可以进行数字化信号处理，下变频通常是采用电子混频器来实现，由于该过程存在非线性效应，从而使整个前端的无杂散动态范围（SFDR）受到限制。研究人员利用双臂马赫-增德尔调制器（MZM）调制、光外差技术、光学抽样和非线性光相位调制等光学技术来实现RF信号下变频，因为采用上述技术可以提高无杂散动态范围高以及降低变频损耗。电信号下变频调制后，先进行优化处理，再使用传统的马赫-增德尔干涉仪对光相位进行解调，与传统的MZM相比，由于前者降低了光相位和马赫-增德尔干涉仪之间的非线性，这使得其线性度表现的更好。不过，以上这些利用光学技术下变频方案会造成系统体积、整体重量和功耗都偏大，是因为光纤与激光器之间以及调制器和探测器之间的耦合都要用到光耦合器。来自麻省理工大学电子与计算机工程系的研究人员，最近提出了一种光子集成电路（PIC）实现混频的方案，包括了分布式布拉格反馈（DBR）激光源、半导体光放大器（SOA），非线性光相位调制器和探测器。该方案是用于对射频信号进行下变频，并利用MZM来实现RF信号频率变换，通过降低光相位和MZM的非线性来提升频率变换的线性度，其无杂散动态范围可以超过-110dB•Hz2/3 。

图5. 混频器PIC的结构示意图

前传网络不仅连接着射频拉远模块（RRUs）和基带处理单元（BBUs），还能够传输射频信号。光网络在集中化的无线接入网络（CRAN）前传中表现出很大的优势，特别是光网络还可以使用高效的复用技术，如波分复用（WDM），这能满足终端用户大容量的网络需求。新的前传网络架构可以支持射频网络演进，相比较传统的宏蜂窝网，5G网络表现的更加密集，而在RRU和移动设备之间的天线的机动性能比较差，所以天线远程控制的问题亟待解决。对光纤上射频信号直接中继转发可以有效避免带宽扩展，因此被考虑用于模拟前传。光载无线技术能够实现射频信号在RRU和BBU之间进行传输，但是由于激光二极管固有的非线性、色散和光纤的非线性损伤等性质，使得传输信号容易受到非线性失真影响。最近，来自意大利米兰理工大学的研究人员提出了一种新的光纤前传架构，使用的是脉冲宽度调制(PWM)格式，如图6所示。任意波形发生器(AWG)生成脉冲宽度调制的信号，直接驱动反射式半导体光放大器（RSOA），以RSOA为基础的发射端模块可以被放置在一个小封装可插拔收发器(SFP)。宽带光源先通过远程节点(RN)波分复用器(MUX)分配，接着送入不同的ONUs-RRU。检测完后，不同的上行信号由PWM解调器分别处理。由于缺少RRU数字化的带宽展宽过程，光-电设备和电-光设备的带宽都较低。低带宽模拟电路可以在光网络中用来完成脉冲宽度调制和解调。实验结果表明，在空气链路信噪比小于25dB的情况下,PWM前传对于100MHz宽带射频信号的影响是可以忽略的，而对于更高的信噪比，系统需要满足长期演进技术的规格。当64QAM信号在标准单模光纤（SMF）上传输20km时,误差矢量幅度(EVM)小于8%，而256QAM信号在SMF上传输10km时, EVM则小于3.5%。由于采用了针对瑞利散射（RS）损伤的新折回构架，研究人员成功地实现了100MHz的64QAM和256QAM单载波信号分别在SMF上传输了20km和10km。研究人员所提出的方案通过在RRU处理模数转化，展示了一种新的分配方式，充分利用了可选择的光传输调制方案。

图6. WDM PON支持PWM移动前传网络架构的系统示意图

人们在研究如何提升单通道信号传输能力过程中，提出了可见光波分复用（WDM）技术，该技术可以用于有效提升阶跃型塑料光纤（SI-POF）的传输容量。到目前为止，有关研究人员提出的一些调制技术如光谱网格和MUX/DEMUX，在SI-POF传输链路上，其传输速率可以达到几个Gb/s。例如基于光谱网格的可见光WDM系统方案，它采用激光二极管（LD）作为发射器，其传输波长在400-700nm之间。一些研究人员把脱机处理-离散多音（DMT）调制技术应用于可见光WDM系统上，使用4-6个传输通道，当信号传输速率达到了14.77-21.4Gb/s时其传输距离超过了50米，其中，当速率为8.26Gb/s时传输距离超过75米。上述技术是基于耦合器的多路转换器来降低MUX/DEMUX的插损，但它们都只适用于单向信号传输。来自西班牙卡洛斯三世大学电子技术部门的研究人员，最近提出了一种在SI-POF链路上进行实时信号双向传输的可见光WDM系统方案，如图 7所示。研究人员在实时以太网链路上采用最短和最长波长信号对该系统的性能进行测试，并利用了具有高频谱效率的16阶脉幅调制（PAM-16）技术和低损耗的MUX/DEMUX器件。测试结果表明，在考虑TCP/IP网络误码率的情况下，每传输比特的光功率低于5.8pj/b(Mux/Demux插损低于4dB的情况)。