光纖在線特邀編輯：邵宇豐 陳烙 陳福平 申世魯
2016年4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、無源光子器件、光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)等，筆者將逐一評析。
1.激光器和放大器
    為了降低符號間干擾（ISI）的負面效應和提升光信號的頻譜效率，研究人員已提出了使用高分辨率快速數(shù)模（D/A）變換模塊和支持數(shù)字預矯正的復雜數(shù)字處理（DSP）模塊的方案，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率不斷的增加，系統(tǒng)成本和功耗補償也急劇上升，而對于短距離傳輸，增加數(shù)據(jù)率的同時簡化系統(tǒng)成本將是一個不可避免的問題。實際應用中，當奈奎斯特成形信號頻譜寬度減小到一半時，滾降系數(shù)值為零，因此在相同帶寬分配的情形下，可以利用光電器件來獲得較低帶寬和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。如何實現(xiàn)在以不犧牲頻譜效率為代價的前提下，實現(xiàn)沒有DSP構(gòu)成的發(fā)射機呢？有研究人員指出，可以在光域?qū)π盘栴l譜進行整形，但需要專用的外部組件，這樣反而會增加系統(tǒng)的復雜度。最近，來自德國柏林弗勞恩霍夫海因里希-赫茲研究所的研究人員提出了利用分段馬赫增德爾調(diào)制器（SEMZM）對頻譜進行整形的有效方案，他們通過實驗，將將40G波特雙載波偏振四進制脈沖幅度信號（4PAM）在80公里標準單模光纖上成功地進行了傳輸。如圖1所示，他們采用兩個外腔激光器產(chǎn)生間隔為50GHz的兩束光波，然后通過3dB耦合器后輸入調(diào)制器，同時采用兩路40G波特PAM-4信號驅(qū)動SEMZM輸出光信號。信號傳輸前，利用臺式梳狀濾波器對兩路光載波解相關(guān)，與陣列波導光柵相比，使用梳狀濾波器能夠保證輸入的兩路波長信號的光譜分量不會被抑制，接收端采用極化分集相干接收技術(shù)來檢測接收的信號。數(shù)字處理過程包括前端糾錯、輔助數(shù)據(jù)載波頻率恢復和信道估計等幾個步驟，信道估計又包括色散補償、維特比-維特比載波相位恢復以及錯誤比特計算等步驟。為了進一步研究載波間的串擾問題，研究人員分別測試對比了臨近子載波作為干擾源的情況下的誤碼率，其子載波間隔部分為50GHz，部分為零。實驗結(jié)果證明，該方案在發(fā)射端可以不需要任何數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理過程；由于采用了頻譜整形技術(shù)，雙載波4PAM信號在傳輸過程中，間隔50GHz的相鄰載波沒有串擾的影響，誤碼率在光信噪比(OSNR)大于23dB時低于硬判決-前向糾錯碼的極限值（HD-FEC）。
 
圖1  40G波特雙載波雙偏振PAM-4光信號測試的實驗裝置圖
近幾年來，研究人員不斷地對垂直外腔激光器（VECSEL）進行研究，該激光器的工作性能也得到顯著的提升（這些性能包括輸出光功率、相干性、波長可調(diào)諧性和鎖模性能等）。研究人員進行的相關(guān)工作使得VECSEL的應用領(lǐng)域更加廣泛，如光譜學、微波和太赫茲激光學、醫(yī)用光子學等領(lǐng)域。正如我們所知，在VECSEL中哪怕很小的增益也需要較高反射率的反射鏡，這就要求用到具有高對比度折射率的半導體材料來實現(xiàn)所需要的反射率�；�于砷化鎵基板的VECSEL在功率和效率方面的良好性能已經(jīng)眾所周知，其發(fā)射波長介于900nm~1100nm之間，而在這個波長范圍之內(nèi)，要求鋁砷化鎵/砷化鋁的折射率>99.9%，對于更長的波長，就必須改變使用其它的材料了，例如基于磷化銦材料的設計要求發(fā)射波長在1.3um~1.6um之間，銻化鎵的材料的發(fā)射波長在2um~3um之間。雖然磷化銦材料可以獲得較高的光增益，但分布式布拉格反射鏡（DBR）的折射率在低對比度時，會降低導電性能，從而使功率受限。為了克服這種限制，有研究人員利用晶片縫合技術(shù)將鋁砷化鎵/砷化鋁DBR和磷化銦的量子阱活性區(qū)進行熔合，但這個過程都必須經(jīng)過分離式增長和密集后處理的過程，使系統(tǒng)變的復雜。來自美國亞利桑那大學光學科學院的研究人員設計并制造了一種新的混合金屬半導體反射鏡的VECSEL,其中包括一個DBR和一個純金面的反光鏡，如圖2所示。研究人員采用圖案掩模的方法沉淀純金在芯片上，不僅降低了DBR的厚度，也減少了熱阻抗，同時金屬鏡還可補償折射率的衰減。實驗結(jié)果證明，光學效率達到19%時激光器輸出功率超過4W，并且可以保持較低的熱阻抗。

 圖2 VECSEL結(jié)構(gòu)布局及其表面的光電激發(fā)過程
2.無源光子器件
在傳輸速率超過100Gbps的數(shù)字相干光通信系統(tǒng)中，使用高階正交振幅調(diào)制（M-QAM）來進一步提高頻譜效率（SE）并獲得更長傳輸距離的方案成為目前光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。同時，降低系統(tǒng)功耗、集成化以壓縮光電子器件占用空間并降低系統(tǒng)整體成本日益成為通信設備商的追求目標。但與典型的二進制輸入信號不同的是，M-QAM要求多路信號輸入，從而也就增加了相干光收發(fā)系統(tǒng)的復雜度和成本。處理多路相干光傳輸?shù)谋姸喾椒ó斨�，其中一種比較有吸引力的方法是，采用基于任意波形發(fā)生器（AWG）或者基于數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）的方法來實現(xiàn)相干光信號傳輸?shù)姆桨�。這種方法是使用高速的DAC來產(chǎn)生多路電信號輸入，然后驅(qū)動偏振-同向正交（DP-IQ）QAM調(diào)制器，形成多路相干光信號的輸出。一種典型的DP-IQ調(diào)制器是由4個MZM組成，每一個MZM分別對應著兩個正交偏振中的I路和Ｑ路。不過，將電信號映射到光信號上必然引起信號的畸變，這是實施該技術(shù)的一個重要挑戰(zhàn)，而每一個MZM對正弦光域信號的響應特性正是引起信號畸變的最主要來源。雖然MZM強度響應的線性化問題已經(jīng)被人們研究了十幾年，但這并不是問題的根本，光域信號響應的線性化問題才是該技術(shù)的癥結(jié)所在。信號的非線性響應會導致光信號大幅度衰減，也降低了DAC的分辨率，以及大大提升了基于DAC多路傳輸系統(tǒng)的失真幅度。
為了解決這些問題，來自美國Nasfine光電子公司的研究人員提出了使用線性光域調(diào)制器（LOFM）的方案。這是一種用于基于數(shù)模轉(zhuǎn)換的多路相干光傳輸系統(tǒng)的方案，它具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低的特點，同以往的LOFM相比較，它有4種明顯的優(yōu)勢：1，僅僅只用到一個MZM作為帶通調(diào)制器來使光域響應成線性化；2，當非對稱耦合的功率分流比r設置為0.113，在歸一化達到 0.8%的偏差值時，表現(xiàn)出完美的線性特性；3，它本身固有的補償功能可以降低參數(shù)r因制造工藝的誤差引起的信號失真；4，它可以將射頻功率減小到原來的一半。雖然這種方案可以很好地提升光域的線性性能，但也不可避免地增加了系統(tǒng)的復雜度。因為有兩個正交偏振光信號，DP-IQ QAM調(diào)制器中的MZM的數(shù)量會從原來的4個增加到8個，自然加倍了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的占用空間，而且它還需要額外的射頻電壓和電信號來驅(qū)動和偏置附加的MZM，這些MZM使得整個射頻功耗大范圍的增加。此外，還可能需要用到多個射頻組件，如射頻信號分配器和反相器，從而無意之中加大了整個射頻信號的損耗，又不得不引入額外的射頻放大器，所有這些因素最終會使整個系統(tǒng)的成本上升。

 圖3 傳統(tǒng)的LOFM方案以及線性輸出響應圖（r=0.12）

圖4 提出的LOFM方案圖以及線性輸出響應圖（r=0.113）

光纖無線通信技術(shù)（RoF）主要應用于長距離傳輸應用中，但也有人們嘗試將其運用在短距離接入應用的系統(tǒng)中，如飛機狀態(tài)確定系統(tǒng)、分布式天線系統(tǒng)（DAS）、相位陣列天線系統(tǒng)等。在上述系統(tǒng)中，都是將遠程天線單元（RAU）與中心單元（CU）相連接。為了降低系統(tǒng)成本，RAU也盡可能的簡化設計。波長復用技術(shù)與雙向傳輸技術(shù)聯(lián)合使用可以減少額外的光源發(fā)生器和驅(qū)動器的使用。為了有效地濾除下行信號的信息，光下行信號的消光比要相對地減小，頻率也要低于10 GHz。波長選擇光濾波器或者梳狀濾波器可以用來實現(xiàn)波長復用，但是，當下行信號的頻率不是很高時，光載波的精確選擇會很困難，而且這種方法也增加了系統(tǒng)的成本。另一種實現(xiàn)波長復用的方法是，對下行鏈路中利用相位調(diào)制或偏振調(diào)制，對上行鏈路使用強度調(diào)制，但該方法使光載波仍然承載著下行數(shù)據(jù)，從而可能會使上行信號惡化。最近，來自南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術(shù)重點實驗室的研究人員提出了一種成本低廉的全雙工RoF通信系統(tǒng)方案。如圖5所示，一束連續(xù)激光波被送入雙偏振馬赫增德爾調(diào)制器（DPol-MZM）(該調(diào)制器包含一個偏振光分束器、兩個馬赫增德爾調(diào)制器和一個偏振光合束器)中，光載波被均勻地分成正交偏振的兩路光波，其中一路經(jīng)下行信號調(diào)制，然后和未經(jīng)調(diào)制的光載波通過偏振光合束器進行耦合，再被送到RAU中。研究人員還做了相關(guān)的驗證性實驗，他們在下行鏈路中采用18GHz的射頻載波承載50M波特的16QAM數(shù)據(jù)，上行采用18GHz的射頻載波承載2Gb/s的偽隨機序列數(shù)據(jù)(PRBS)，然后通過光纖進行雙向傳輸。最終的結(jié)果表明，對于下行鏈路，當接收光功率為−4 dBm時，誤差向量幅度為2.2%，對于上行鏈路，在接收靈敏度大約為−24 dBm誤碼率達到了10e−9。

 圖5 全雙工RoF鏈路方案圖
3.光網(wǎng)絡及其子系統(tǒng)
最近幾年，微波光子信號的應用引起了人們極大的興趣，如雷達系統(tǒng)、無線通信、醫(yī)學影像處理、無線電臺和現(xiàn)代儀器儀表等。在光子領(lǐng)域，微波光子因其本身固有的特性，像低損耗、高帶寬、抗電磁波干擾以及可調(diào)諧特性和可重配置能力，還有用于產(chǎn)生該信號的微波光子處理（MWP）技術(shù)不僅提升了系統(tǒng)的性能，也為光子領(lǐng)域帶來了新的特色。人們基于MWP已經(jīng)研究了不同的用于獲取各種的信號（從電子振蕩器到任意波形發(fā)生器）的方法，例如在不使用參考微波信號的情況下，使用光電振蕩器（OEO）來產(chǎn)生高帶寬純凈的微波信號，還有使用其它的包括MWP在內(nèi)的更具靈活的方法來產(chǎn)生信號（如超寬帶信號）。啁啾脈沖可以構(gòu)成一種很有特色的信號，這種信號的主要特點是，在大帶寬信號處理過程中，它的頻率會隨著脈沖持續(xù)時間變化而變化，也是經(jīng)常被應用在雷達系統(tǒng)中，特別是脈沖壓縮雷達系統(tǒng)。從某種意義上講，使用啁啾脈沖可以提升雷達分辨率的瞬時頻率的非恒定特性，而且，可以通過波形輸出的能量來確定雷達覆蓋的范圍。利用光譜中的啁啾效應，在光電探測器中通過光電轉(zhuǎn)換形成微波波形的方法在大多數(shù)資料中都可以查到，況且，相干光源的光譜整形和波長-時間的映射也都是比較常見的技術(shù)。實際中，有兩種常用的產(chǎn)生啁啾脈沖的方法，一種是使用濾波器（具有非均勻的自由頻譜范圍）將超短光脈沖的頻譜給濾出來，然后經(jīng)色散元件線性地映射到時域上來；另外一種是，使用濾波器（具有均勻自由頻譜范圍）以及緊隨其后的色散元件來產(chǎn)生啁啾脈沖，這種色散元件對非線性的波長-時間映射具有高階的色散特點。還有一些其它的利用相干光源來產(chǎn)生啁啾脈沖的方法，但形成的脈沖整形都不是很理想。以前基本上所有的技術(shù)都是基于相干光源來對輸出波形進行整形，為了克服這些不足，非相干光信號為其提供了一個合適的方案。來自西班牙瓦倫西亞科技大學的研究人員，提出了基于不同的光子學技術(shù)來產(chǎn)生啁啾微波脈沖的方案，并通過實驗驗證了采用非均勻間隔的微波光子延遲線濾波器來產(chǎn)生微波的方法，如圖6所示。基于類似于光學相干的技術(shù)，其瞬時頻率隨時間變化，采用高斯波形包絡并通過使用非線性色散元件對非相干光信號進行處理來產(chǎn)生啁啾脈沖，如圖7所示為高斯包絡波形、信號頻譜以及瞬時頻率。關(guān)于脈沖壓縮雷達技術(shù)，要求控制脈沖包絡以提升傳輸信號的覆蓋范圍和系統(tǒng)的空間分辨率，因此，研究人員根據(jù)不同的情況（漸近線，雙曲線正切，光功率譜密度均衡）使用包絡控制信號波形的生成，同時，也實驗性地就如何提升脈沖壓縮雷達系統(tǒng)中所有信號波形的分辨率和傳輸距離進行了探究。方案中的超短波光脈沖是采用了一個馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）和兩個色散元件來產(chǎn)生，啁啾微波脈沖是使用光子微波技術(shù)，通過色散元件結(jié)合差分檢測的原理進行非相干光處理來實現(xiàn)的，此外，該方法還可以解決光信號收發(fā)過程中的功率分配問題。

 圖6 使用非線性色散元件對非相干光信號進行處理產(chǎn)生啁啾微波脈沖的系統(tǒng)圖

 圖7 高斯包絡波形、信號頻譜以及瞬時頻率圖

    相比較傳統(tǒng)的熒光燈，發(fā)光二極管（LED）有著更高的閃爍頻率，這使得用LED來直接調(diào)制數(shù)據(jù)進行傳輸成為可能，即照明和通信可以同時進行。對于室內(nèi)可見光通信（VLC）系統(tǒng)而已，陣列LED可以通過多輸入多輸出 (MIMO)技術(shù)來獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸容量。來自香港中文大學信息工程部門的研究人員，已經(jīng)在預編碼多用戶VLC系統(tǒng)中利用傾斜接收器來提高了用戶終端的誤碼率性能，并對傾斜技術(shù)和連接塊技術(shù)進行了比較。在相關(guān)研究人員已經(jīng)提出的MIMO VLC 系統(tǒng)中，因為使用的是固定的調(diào)制格式，而且只在LED光源與光電檢測器之間進行視距傳輸，所以系統(tǒng)性能難以提高。如果LED的帶寬限制特性和非線性因素沒有考慮在內(nèi)，會導致信道狀態(tài)信息（CSI）的錯誤估計。圖8為研究人員提出的一種自適應室內(nèi)MIMO-OFDM  VLC系統(tǒng)。系統(tǒng)性能會因相關(guān)特性受到限制，研究人員采用了有四個接收磁頭的接收模塊，根據(jù)CSI使數(shù)據(jù)源先進行自適應分配，經(jīng)埃爾米特對稱后，再通過反向快速傅里葉變換(IFFT)、并串變換、循環(huán)前綴插入后得到時域信號進行傳輸。在接收端，使用導頻來對信道進行估計。在經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波之前，信號會被歸一化到-0.5~+0.5之間，因為這一范圍是由任意信號發(fā)生器輸出的信號所限制。同時，研究人員也考慮到了LED的非線性效應、帶寬限制和多重反射的作用，他們的實驗結(jié)果表明，通過使用有角度分集接收模塊的自適應加載技術(shù)，系統(tǒng)的誤碼率得到明顯的提高。

 圖8  自適應室內(nèi)MIMO-OFDM VLC系統(tǒng)方框圖
光子脈沖微波信號被廣泛應用于雷達系統(tǒng)、微波斷層攝影技術(shù)、寬帶無線接入網(wǎng)絡和現(xiàn)代戰(zhàn)爭系統(tǒng)等領(lǐng)域。與電子脈沖微波信號相比，它具有更多的優(yōu)勢，如大帶寬、傳輸損耗低、功耗小、無電磁干擾。到目前為止，研究人員已經(jīng)提出了多種有關(guān)產(chǎn)生光子脈沖微波信號的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)主要是基于激光技術(shù)而設計的。像高頻微波脈沖產(chǎn)生方案，是利用多個低頻微波脈沖進行簡單倍乘，然后在時域上通過截斷連續(xù)波來產(chǎn)生脈沖。高頻微波脈沖也可利用頻譜整形的方式，以頻率-時間映射方式形生，其中光譜整形器是比較關(guān)鍵的部分。光譜整形器一般是由光纖梳狀濾波器或空間光調(diào)制器構(gòu)成，而空間光調(diào)制器的傳輸響應在時域上可以靈活重構(gòu)，所以很容易產(chǎn)生任意的波形，但該調(diào)制器會增加系統(tǒng)的體積以及結(jié)構(gòu)的復雜度。光纖梳狀濾波器具有穩(wěn)定性高、低功耗等特點，但它在制造完成后其頻率響應是無法改變的。有研究人員提出了一種有效的產(chǎn)生高頻微波脈沖的方案，該方案使用非均衡光脈沖整形（TPS），包括兩個對立的色散器件，兩個器件的大小不同，且在它們中間還有一個電光調(diào)制器。該方案產(chǎn)生微波脈沖過程中會附帶產(chǎn)生部分基帶頻率，它會對窄帶頻率造成干擾；也有研究人員提出利用偏振脈沖整形來限制基帶部分的方法，這個方法雖然很奏效，但同時會使系統(tǒng)體積變得過于龐大。來自中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室的研究人員，提出一種用于產(chǎn)生脈沖微波信號新的方法，如圖9所示，該方法是基于不均衡TPS和均衡光電檢測來實現(xiàn)的。研究人員用一段色散補償光纖和單模光纖作為色散器件，其節(jié)點上有偏振調(diào)制器（PolM）、偏振控制器和偏振束分離器等器件作為強度調(diào)制器，可以通過改變TPS的殘留色散來調(diào)節(jié)脈沖微波信號的頻率。

 圖9 產(chǎn)生脈沖微波信號的原理圖

    在無線通信系統(tǒng)里，如果接收天線和發(fā)射天線距離過近，接收機會直接從發(fā)射機接收部分傳輸信號。事實上，由于存在高功率的干擾信號，接收機接收到的信號不能直接利用，是因為干擾信號和傳輸信號在同一工作頻帶內(nèi)，很難被濾除掉。為了消除接收信號里的干擾信號，有研究人員提出利用電子干擾消除的方法，但這些方法總是存在帶寬過窄、高損耗、時間延遲精確低等問題，為了克服這些問題，光干涉消除方法又被提出來。光干涉消除方法是基于非相干差分方法實現(xiàn)的，例如利用馬赫增德爾調(diào)制器、電吸附調(diào)制器或雙臂偏振調(diào)制器將受干擾的信號和已知的干擾信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕饭庑盘枺�然后利用光可調(diào)諧延遲線（OTDL）調(diào)制器和光可調(diào)諧衰減器(OVA)來實現(xiàn)信號延遲和振幅微調(diào)，兩個光信號耦合成一路并由光電檢測器直接檢測，可以精確地將干擾信號分辨出來。不過，在上述的方法中，并沒有考慮干擾信號可能是由周圍環(huán)境導致原信號反射、散亂、衍射引起的，接收機也因此會接收到多個干擾信號副本。為了解決多徑干涉問題，一個直接有效的方法就是產(chǎn)生具有相同延遲和衰減的多個干涉副本，然后再利用反相位消除法進行濾除。過去，有研究人員提出采用OTDLs和OVAs陣列的方案，其中OTDL和OVA對不同路徑上受干擾信號的振幅和延遲實行微調(diào)，同時為避免嚴重的拍平噪聲，就需要把單模到多模組合器也插入進去，但上述過程實現(xiàn)起來很困難，且這些方案沒有考慮因色散引起的射頻功率衰減問題。來自中國南京航天航空大學雷達成像和微波光子學重點實驗室的研究人員，提出了一種新的光學模擬多徑干涉消除方案，該方案包括一個可調(diào)諧激光器陣列（TLs）、兩個偏振調(diào)制器、兩個偏振器、一個色散補償結(jié)構(gòu)和一個光電探測器，如圖10所示。因為存在色散補償結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)TLs的波長和光功率可分別實現(xiàn)信號的延遲和功率衰減。此外，在系統(tǒng)因色散引起的射頻功率衰減可以通過偏振調(diào)制器和偏光鏡進行彌補，實驗結(jié)果證明：該系統(tǒng)能實現(xiàn)超過44dB消除深度影響的寬帶信號傳輸。

 圖10  光信號多徑干涉效應消除系統(tǒng)框圖