光纖在線特邀編輯：邵宇豐，陳烙，陳福平，趙云杰
    2016年11月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光調(diào)制與光信號處理、光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)、無源光子器件、調(diào)制技術(shù)、波長轉(zhuǎn)換等，筆者將逐一評析。
1.光調(diào)制與光信號處理
    在短距離無線通信領(lǐng)域中，超寬帶無線脈沖通信（IR-UWB）技術(shù)被普遍認(rèn)為是一種很有潛力的應(yīng)用技術(shù)，因?yàn)樗�可以在不干擾其它通信服務(wù)的情況下，在現(xiàn)有的窄帶無線通信服務(wù)基礎(chǔ)上繼續(xù)添加新的通信業(yè)務(wù)。UWB具有超過500MHz的瞬時頻譜占用特性，由于其載波脈沖的周期非常短，使得UWB無線傳輸表現(xiàn)出一些獨(dú)特的優(yōu)勢，如穿透障礙物、抗多徑衰落、系統(tǒng)尺寸規(guī)模小、功耗低以及其高傳輸數(shù)據(jù)速率會隨著用戶數(shù)量的增加而不斷提升。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）就無線通信的應(yīng)用進(jìn)行了定義：當(dāng)功率譜密度限制在41.3dBm/MHz以內(nèi)時可使用的免許可證頻譜范圍為3.1-10.6GHz。如果天線輻射功率密度較低時，無線UWB信號的通信范圍只能維持在數(shù)十米以內(nèi)，所以在這一點(diǎn)上，光纖UWB通信是解決IR-UWB信號傳輸?shù)母咝Т胧�。由于IR-UWB信號實(shí)在光域中生成和發(fā)送，所以進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的成本。在遠(yuǎn)程天線單元中實(shí)施IR-UWB信號到射頻（RF）信號的轉(zhuǎn)換，這樣就可以避免了IR-UWB信號在生成和傳送過程中冗雜的信號轉(zhuǎn)換過程（電信號-光信號-電信號，E/O/E））。這種IR-UWB光信號的生成和無線傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)論證，特別是在RoF系統(tǒng)中IR-UWB光信號的生成技術(shù)。近年來，有很多關(guān)于UWB信號生成技術(shù)被不斷報道出來。一些傳統(tǒng)的技術(shù)如單周期和雙峰波形信號的生成，它們是基于相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換（PM-IM）方法，并在光纖或硅微環(huán)調(diào)制器上采用光學(xué)鑒頻器了來實(shí)現(xiàn)的。還有一些方案如利用微波光子濾波器的負(fù)抽頭在半導(dǎo)體光放大器（SOA）中非線性放大過程中實(shí)現(xiàn)UWB信號的生成，以及基于光譜整形和色散誘導(dǎo)的頻域到時域映射方法來生成UWB信號。在UWB信號無線傳輸過程中，最大的一個問題就是無線通信的頻率普遍都比較低，這是因?yàn)镕CC針對全球定位系統(tǒng)GPS的周邊帶寬（0.96-1.61GHz）提出了更為嚴(yán)格的功率譜限制。高階脈沖的產(chǎn)生已經(jīng)被證實(shí)它可以充分利用UWB的有效頻譜，并且能夠大幅度地提升UWB無線信號的覆蓋范圍。一些文獻(xiàn)中也提到過生成UWB信號的方法，如基于使用不同激光器和色散元件的微波光子濾波以及SOA-MZI中的交叉相位調(diào)制的方法。同時，高階UWB脈沖也可以通過經(jīng)典單周期和雙峰波形的組合來實(shí)現(xiàn)。除了充分考慮FCC頻譜掩模要求外，還需要考慮系統(tǒng)對UWB調(diào)制格式的適應(yīng)性，這在無疑在UWB通信中成為人們新的關(guān)注焦點(diǎn)。然而，大部分與之相關(guān)報道的研究方案都僅僅只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)鍵控（OOK）的調(diào)制。OOK調(diào)制無法抵抗多徑衰落，隨著原始脈沖的回波影響，則很難判定原本不存在的脈沖信號。不過，雙相調(diào)制（BPM）能夠避免上述不足，并且可以提升3dB的信噪比。最近，來自西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)通訊和多媒體應(yīng)用研究所研究人員，提出了一種利用UWB-BPM調(diào)制技術(shù)，采用色散元件并基于非相干信號處理過程實(shí)現(xiàn)IR-UWB信號生成的方案。研究人員通過控制光信號功率譜密度分布，得到了完整的可重構(gòu)波形，通過對非相干光譜進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣�形就可以很容易的獲得正負(fù)脈沖信號，這些光脈沖的振幅和極性能夠被獨(dú)立控制。脈沖信號在色散元件中傳輸時，相互之間會產(chǎn)生不同的時間延遲，從而生成了不同的UWB波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的光功率譜密度以及生成的波形的雙峰波形、三峰波形和四峰波形的電功率譜如圖2所示。通過調(diào)整光功率的分配額度能夠降低合成波形的基帶帶寬，這對于提高UWB系統(tǒng)頻譜利用率具有重要意義。UWB BPM調(diào)制格式完全適應(yīng)于上述系統(tǒng)，因?yàn)橥ㄟ^控制光源功率分配可以得到其相關(guān)的反相波形。

圖1 IR-UWB脈沖生成的實(shí)驗(yàn)方案圖

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的光功率譜密度以及生成波形的電功率譜，(a,b,c)雙峰波形，（d,e,f）三峰波形，（g,h,i）四峰波形。
    在一些基于數(shù)字信號處理（DSP）方案中，數(shù)字反向傳輸（DBP）技術(shù)也許是補(bǔ)償光纖非線性失真最好的方法，大多數(shù)DBP方案都是依據(jù)光纖已知的參數(shù)特性而設(shè)計(jì)的，不過，當(dāng)系統(tǒng)重新配置或光纖參數(shù)在動態(tài)環(huán)境下隨時間變化時，卻難以準(zhǔn)確地確定光纖參數(shù)，因此會降低DBP的處理性能。在這種情況下，自適應(yīng)DBP（A-DBP）起著至關(guān)重要的作用，它能夠有效地獲取光纖參數(shù)。在已有的幾種基于A-DBP方案中，強(qiáng)度方差、相位方差和誤差向量幅度（EVM）都分別用于光纖非線性系數(shù)γopt的估計(jì)。但是，在基于相位方差的A-DBP迭代中，需要額外的載波恢復(fù)（CR）處理過程。在這些方案中，強(qiáng)度方差和戈達(dá)德的誤差可以直接被計(jì)算出來，并且由于其符號幅度的差異，采用M階相移鍵控（M-PSK）調(diào)制技術(shù)要優(yōu)于M階正交幅度調(diào)制技術(shù)。此外，在上述方案中使用最速下降法（SDM）時，需要更多的迭代次數(shù)來確定γopt。最近，來自華中科技大學(xué)的研究人員，提出了一種基于強(qiáng)度方差修正技術(shù)的A-DBP方案。在該方案中，對強(qiáng)度方差進(jìn)行計(jì)算之前，碼元會不斷地分割和重映射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用二次插值法（QIM）比SDM更適合用于估計(jì)γopt值。

圖3 基于DPS的A-DBP系統(tǒng)框圖
2.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
    相干光正交頻分復(fù)（CO-OFDM）因其高效的頻譜利用率（SE）、對光纖色度色散和偏振膜色散（PMD）具有很好的魯棒性、高容量、適合于長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)而受到廣泛的研究和應(yīng)用。眾所周知，由于激光相位噪聲與激光線寬相關(guān)，使得CO-OFDM系統(tǒng)比較容易受到公共相位誤差（CPE）和載波間干擾（ICI）的影響。盡管可以通過插入導(dǎo)頻的方式來對CPE進(jìn)行很好地補(bǔ)償，不過，由相位噪聲（PN）引起的載波間干擾則很難處理，這是因?yàn)榻庹{(diào)符號上加性隨機(jī)噪聲會隨著QAM調(diào)制階數(shù)的增加而增大。在已有的用于降低CO-OFDM系統(tǒng)的PN-ICI的方案中，最簡單的一種解決方案就是擴(kuò)大載波頻率的間隔。該方案中，采用交織和部分傳輸來使子載波間隔加倍，由于采用了減小循環(huán)前綴長度的方法來提高頻譜利用率，從而降低了系統(tǒng)的色散容限。另外一種簡單而高效的方案是，利用數(shù)字相干疊加技術(shù)來抑制PN-ICI效應(yīng)，但它的頻譜利用率會降低到原來的一半。還有一些方案是在不影響頻譜利用率的前提下來降低系統(tǒng)的相位噪聲，不過其FFT數(shù)量比較大，這會增加系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。最實(shí)用的方案就是在OFDM頻帶中間插入射頻導(dǎo)頻（RFP）來跟蹤相位的變化，傳統(tǒng)的RFP方案中，是在接收器中通過低通濾波器（LPF）來獲取RFP，然后將接收的信號與時域中獲取的導(dǎo)頻共軛相乘，以實(shí)現(xiàn)相位噪聲的估計(jì)和補(bǔ)償。然而，窄帶LPF的使用會引起長脈沖響應(yīng)，從而導(dǎo)致濾波器需要具備更多數(shù)量的抽頭，提高了計(jì)算復(fù)雜度，如果采用多級抽取濾波器（MDIF）則能夠降低計(jì)算復(fù)雜度。最近，來自湖南大學(xué)的研究人員，提出了一種具有低復(fù)雜度的新型的對CO-OFDM系統(tǒng)中相位噪聲進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨�。該方案是在頻域（FD）中采用射頻導(dǎo)頻來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相位噪聲的估計(jì)和補(bǔ)償，與傳統(tǒng)導(dǎo)頻估計(jì)相比，它受到的非理想低通濾波器帶來的影響可以被忽略掉。另外，由于沒有使用窄帶濾波器，使得系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度得到進(jìn)一步的降低。在頻域中對PN進(jìn)行補(bǔ)償是相當(dāng)困難的，這是因?yàn)闀r域（TD）中相乘便會導(dǎo)致頻域中的循環(huán)卷積，即使采用了高效的FFT/IFFT算法，也會增加計(jì)算復(fù)雜度。不過，可以通過利用PN的低通特性將循環(huán)卷積簡化成頻域中的分塊濾波。分塊濾波器在性能上可以與理想的LPF相媲美，而且對載波間干擾具有很好的魯棒性。仿真研究結(jié)果表明，F(xiàn)D-RPF在性能和計(jì)算復(fù)雜度上都比傳統(tǒng)的TD-RPF表現(xiàn)的更佳。

圖4 FD-RPF CO-OFDM 方案實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 FD-RPF方案中分塊濾波器結(jié)構(gòu)圖
    波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)方案（WDM PON）是下一代無源光網(wǎng)絡(luò)中很有競爭力的技術(shù)方案，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶需要借助反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）來作為無色光信號發(fā)射機(jī)，但是，RSOA的調(diào)制帶寬一般小于3GHz。在這之前，有許多有關(guān)解決調(diào)制帶寬限制的技術(shù)被報道出來，例如采用電域均衡器、光域均衡器和多階調(diào)制格式技術(shù)方案。來自韓國大田市電氣工程學(xué)院的研究人員，最近研究一種在RSOA-WDM-PON系統(tǒng)中進(jìn)行電域和光域均衡的方案。在該方案中，光域均衡器是以電域均衡器和延遲干涉儀為基礎(chǔ)，使用RSOA在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）上傳輸雙極性歸零（RZ）N階脈沖幅度調(diào)制(PAM-N)的信號，實(shí)驗(yàn)中光纖長度為20公里，傳輸數(shù)據(jù)速率為28Gb/s。在該實(shí)驗(yàn)中，以波長為1552nm的激光作為種子光源，光信號通過光循環(huán)器被送入SSMF上，然后被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）中，AWG的-3dB帶寬為0.6nm。在RSOA中傳輸?shù)姆N子光源光功率設(shè)置為-6dBm，以確保上行信號的光信噪比值維持不變。當(dāng)光源光功率設(shè)置為-6dBm，偏置電流為80mA時，RSOA可獲得9dB的增益。采用任意波形產(chǎn)生器（帶寬：20GHz，采樣率為65 Gsample/s）分別產(chǎn)生速率為28-Gb/s的雙極性RZ PAM-N（N為2,3,4）信號，驅(qū)動信號的峰峰值為3.2V。結(jié)果表明，以延遲干涉儀為基礎(chǔ)的光域均衡器，能夠補(bǔ)償RSOA因帶寬限制和色散引起的波長失真，而不會引起信噪比的惡化。在另一方面，由于采用了直接檢測接收機(jī)，導(dǎo)致電域均衡器無法對色散進(jìn)行有效的補(bǔ)償，不過，它可以在犧牲信噪比的前提下，來補(bǔ)償RSOA帶寬限制造成的失真，電域均衡器還可以對于經(jīng)過光域均衡器之后的殘余波形的失真進(jìn)行有效的補(bǔ)償。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果在接收端使用這兩種均衡器，當(dāng)傳輸距離低于15km時，傳輸速率為28-Gb/s的雙極性RZ PAM-2調(diào)制信號獲得靈敏度最佳，當(dāng)傳輸距離為20km時，使用雙極性RZ PAM-3調(diào)制信號會獲得獲得靈敏度最佳。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置圖
    無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)是未來寬帶接入網(wǎng)中最具前景的技術(shù)，有多種復(fù)用技術(shù)被用于提高PON的靈活性和容量，如正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，由于其具有高譜效率，高色散容限和簡易的均衡等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，由于功率分配器之間和頻繁的服務(wù)交互，與應(yīng)用OFDM-PON相關(guān)的安全問題變得越來越突出。終端用戶數(shù)量不斷增加，使得密鑰管理變得復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，物理層可以為所有的數(shù)據(jù)提供透明的加密和統(tǒng)一的物理實(shí)現(xiàn)平臺，而且在OFDM信號中，傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理（DSP）特性對物理層的安全性更具優(yōu)勢。許多針對物理層安全性能的研究也在不斷地展開，如光學(xué)信息隱藏技術(shù)、異或干擾和光碼分多址（OCDM）技術(shù)。但是在接收端，光學(xué)信息隱藏技術(shù)的相干性和時延與OFDM信號不相匹配，一般的異或干擾技術(shù)也可以輕易地被破譯，OCDM技術(shù)則具有較高的峰均比（PAPR），不過，以混沌為基礎(chǔ)的物理層安全技術(shù)方案被認(rèn)為是在OFDM-PON中最有前景的解決方案。北京郵電大學(xué)的研究人員，首次提出一種新型的提高物理層安全的方案，該方案采用離散混沌間隔技術(shù)保證OFDM-PON物理層的安全，相比較連續(xù)混沌間隔技術(shù)，離散混沌間隔可以實(shí)現(xiàn)精確的幾何動力學(xué)特征，并能夠改變相位圖的分布規(guī)律，因此可以利用簡單的結(jié)構(gòu)來提高物理層的安全性。為了直接實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制，需要對OFDM信號進(jìn)行軟件上變頻，OFDM信號的中心頻率為4.6GHz，傳送至光線路終端（OLT）的隨機(jī)密鑰用于破解關(guān)鍵密鑰，然后OLT將破譯的密鑰傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)單元（ONU）,從而完成數(shù)據(jù)通訊。實(shí)驗(yàn)中，加密后的16QAM-OFDM信號進(jìn)行了成功的傳輸，在傳輸速率為26.33 Gb/s，獲得的靈敏度較高。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，研究人員提出的方案可以為OFDM接入網(wǎng)物理層安全提供有效的解決措施。

圖7 實(shí)驗(yàn)方案原理圖

3.無源光子器件
    短距離光通信鏈路中通常用到直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），其工作波長為850 nm，多模光纖（MMF）作為傳輸媒介。VCSEL有多種優(yōu)勢，如低損耗，有關(guān)研究稱在傳輸40G數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)能量損耗為73 fJ/bit，在傳輸50G數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)能量損耗為95 fJ/bit。VCSEL也可以調(diào)制高速率信號。有報道指出，在不使用均衡技術(shù)的前提下，開關(guān)鍵控 (OOK)信號傳輸速率達(dá)到了57Gbps，若使用則可達(dá)到71Gbps。許多高階調(diào)制格式像四階脈幅調(diào)制（4-PAM），也被應(yīng)用在以VCSEL為基礎(chǔ)的光學(xué)互聯(lián)應(yīng)用中。在使用850 nm VCSEL傳輸未進(jìn)行前向誤碼糾錯（FEC）以及未均衡的4-PAM信號的最高傳輸速率可達(dá)60Gbps，如果在接收端使用FEC和均衡技術(shù)，則可以達(dá)到70Gbps。一些研究結(jié)果也表明采用多階PAM調(diào)制格式可以拓展多模光纖（MMF）傳輸距離，如使用波長分別為850 nm 和880 nm的VCSEL，傳輸4-PAM調(diào)制信號的速率為52Gbp時，傳輸距離可達(dá)50米。來自瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員，首次利用850 nm VCSEL在幾米MMF中實(shí)現(xiàn)了傳輸速率接近100Gbps的數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)采用了模擬預(yù)加重和數(shù)字均衡技術(shù)，其中，使用的靜態(tài)模擬均衡器在靜態(tài)鏈路功耗小且復(fù)雜度較低，濾波器的插入損耗為7.7dB，后續(xù)可以通過放大器進(jìn)行補(bǔ)償。預(yù)加重的4-PAM信號峰峰值為1.1V(調(diào)制電流大約為14mA)，VCSEL在偏置電流處的相對噪音強(qiáng)度為−140 dB/Hz。實(shí)驗(yàn)方案中，VCSEL在活性區(qū)使用了過濾的銦鎵砷量子阱，以獲得較高的微分增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最低誤碼率可以低于10-5，誤碼率值會隨著均衡器的抽頭系數(shù)增加而減小，最后趨于一個確定值。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案圖
    作為未來無線寬帶通信領(lǐng)域比較有潛力的光纖無線通信技術(shù)（RoF）,能夠?qū)⒐馔ㄐ藕蜔o線通信系統(tǒng)性地結(jié)合到一起，該技術(shù)在過去幾年中得到人們深入的研究。依靠光纖通信原本的特性，RoF表現(xiàn)出大帶寬、高移動性和低傳輸損耗的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)射頻信號在光域中傳輸時，通常會生成雙邊帶調(diào)制信號（DSB）。然而，光纖色散會提高接收到的RF信號的功率損耗。為了盡可能的降低這種衰落的影響，可以采用單邊帶調(diào)制（SSB）。使用雙電級馬赫曾德爾調(diào)制器（DEMZM）可以獲得單邊帶調(diào)制信號，其工作原理是利用受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)濾出單邊帶，或者使用邊帶注入鎖定（SIL）半導(dǎo)體激光器。但是， DEMZM在接收器靈敏度較低時性能會受到限制，因?yàn)樵诖蠊β实墓廨d波和小功率的邊帶上的能量有很大的差別，并且利用受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)生成單邊帶的系統(tǒng)配置比較復(fù)雜，其它兩種方法因?yàn)橐�使用波長可變器件而搜到限制。在另一方面，由于無線頻譜資源稀缺，在RoF系統(tǒng)中引入矢量調(diào)制信號可以提頻譜利用率和無線傳輸速率，但傳統(tǒng)的射頻矢量信號都有一些不足，如帶寬受限，非線性特性和轉(zhuǎn)換損耗高。在現(xiàn)代光子學(xué)中所采用的RF信號都具高頻率和大帶寬的優(yōu)點(diǎn)，因此射頻矢量信號也可以直接在光域中生成。如在同向（I）通道和正交（Q）通道之間使用90°的相位偏轉(zhuǎn)器來實(shí)現(xiàn)，不過，基帶I/Q數(shù)據(jù)流仍然需要在電子領(lǐng)域中提前進(jìn)行上變頻。另外，I / Q數(shù)據(jù)流直接應(yīng)用于QPSK調(diào)制器中，并在光域中上變頻到RF，但是為了實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，要利用光濾波器濾出邊帶。通過MZM可以生成兩個相干光載波并用陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行分開，其中一路光載波直接經(jīng)過QPSK調(diào)制生成矢量基帶信號，再與另外一路光載波耦合生成等效的SSB信號，該方案的主要缺點(diǎn)是，由于兩路光載波在物理層上被隔開，會受環(huán)境干擾而引起的相位波動。同時，這兩路光載波也可以由兩個激光器生成，因?yàn)閮陕饭廨d波互不相干，所以生成的RF信號有很大的相位噪聲，從而需要對數(shù)字信號處理器（DSP）的算法進(jìn)行改進(jìn)，算法的效率取決于RF信號的相位噪聲，因而兩個激光器的線寬越窄越好。
    來自南京大學(xué)微波光子學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究人員，提出了一種基于集成的雙極性正交相移鍵控調(diào)制器（DP-QPSK）的新型可生成等效雙邊帶調(diào)制的光矢量信號的方案，該方案最初被應(yīng)用于相干光通信系統(tǒng)中。DP-QPSK調(diào)制器由兩個偏振分復(fù)用QPSK調(diào)制器組成，其中一個QPSK調(diào)制器由I/Q數(shù)據(jù)流驅(qū)動，并且可以生成矢量信號，另一個QPSK調(diào)制器由單頻調(diào)頻的RF信號驅(qū)動，可以生成單邊帶載波抑制信號（SSB-CS）。在DP-QPSK后使用偏振片，以便將兩路光信號偶合成一路正交偏振信號。然后，基帶矢量信號成為邊帶信號，SSB-CS信號成為光載波信號，生成等效的SSB信號。通過調(diào)整偏振片的角度，可以靈活地調(diào)整光載波-邊帶比（CSR)，從而以最大限度提升傳輸效率。在該實(shí)驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了1.25Gbaud QPSK信號的生成，其頻率為10.5GHz，當(dāng)接收光功率為-12dBm時，可以在單模光纖無差錯傳輸距離超過25公里。試驗(yàn)結(jié)果表明，在光域中可以同時生成基帶矢量信號以及上變頻后的射頻信號，能夠克服電域瓶頸問題。


圖9 實(shí)驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)圖