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：調制技術，光網絡及其子系統，激光器，光纖技術，光傳輸等，筆者將逐一評析。

1.調制技術

由于基于白光發(fā)光二極管（LED）可見光通信（VLC）是一種具有很多獨特的優(yōu)勢（如低成本，帶寬豐富，無電磁干擾）的新興技術，因此成為下一代室內無線接入通信的候選技術。然而，VLC系統的一個關鍵缺陷是LED的調制帶寬較小，從而導致VLC的數據傳輸速率受到限制。迄今為止，研究人員已提出各種技術來提高VLC系統的通信容量（如多輸入多輸（MIMO），正交幅度調制（QAM）的正交頻率分頻復用（OFDM），非正交多址（NOMA）等）。在實際的VLC系統中，通常是引入多個光單元（其中每個LED創(chuàng)建一個光學單元）并向多個用戶提供服務，這種蜂窩VLC系統被稱為多單元VLC系統。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)域內的用戶將受到小區(qū)間干擾（ICI）的影響，導致多單元VLC系統的總體頻譜效率的降低。我們知道，正交頻分多址（OFDMA）技術已經被應用于多單元VLC系統中以提高頻譜效率；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，與OFDMA技術相比，上述方案可以大大提高頻譜效率。雖然上述方案可以對典型VLC系統進行相當大的容量改進，且若干頻譜也不會占用或僅部分占用，但其他一些用戶需要更多的頻譜資源來滿足其對服務質量（QoS）的要求。由于頻譜訪問機制效率低下，在上述情況下，有效頻譜利用率和VLC系統的整體頻譜效率受到限制。為了提高頻譜利用率，認知無線電（CR）技術已作為高速無線通訊的候選技術，其工作原理是通過應用兩種傳輸模式即覆蓋模式和底層模式，二級用戶（SU）被允許與主用戶（PU）共享頻譜資源。在覆蓋模式下，如果當時PU沒有頻段，SU可以訪問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在相同頻段內共存。

最近，研究人員對自由空間光通信（FSO）雙跳CR的網絡性能進行了測試；而且，他們基于認知VLC系統的用戶位置來定義PUs和SUs，但上述技術僅僅使用了簡單的等功率分配重疊模式，且ICI未被考慮在內。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知VLC（C-VLC）下行鏈路系統，并基于不同用戶的服務需求重新定義PU和SU；考慮滿足到VLC系統的獨特光學約束和最低速率要求的同時要保持PUs的性能低于給定閾值。在此基礎上研究人員設計了一種基于多單元C-VLC系統的靈活混合底層/覆蓋子信道和功率分配的方案。仿真研究結果表明，與非C-VLC系統、僅具有底層模式C-VLC系統和只有重疊模式的C-VLC系統相比，C-VLC混合系統實現了信號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系統的配置框圖

2.光網絡及其子系統

極坐標碼作為一種新型糾錯碼其通信容量接近二進制輸入離散無記憶信道（B-DMC）的香農極限。極坐標碼生成設計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行的，因此極坐標碼的構造不同于傳統的線性分組碼，B-DMC被分成無差錯信道和競爭噪聲信道以傳遞信息位和凍結比特位。相關參數與信道可靠性的測量誤差概率上限有關，因此需基于參數進行信道選擇。通過將二進制信號輸入加性高斯白噪聲信道( AWGN )對下述信道選擇方法進行分析（如蒙特卡洛估計方法，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方法具有很高的計算復雜度，難以和計算精度實現權衡；塔爾法和瓦迪法是一種相對簡化的量化方法，該方案復雜度較低但誤碼率較高；高斯法計算極坐標（與巴特夏里亞參數成比例）的對數似然概率（LLR）的平均值（類似基于低密度奇偶校驗( 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算復雜度；逐次取消（SC）方法由于遞歸函數具有極低的復雜性被用作極性碼的解碼算法，但是其對信道偏振后的短至中等碼長的解碼效果并不理想；逐次取消列表（SCL）解碼法從SC碼的基礎上發(fā)展而來，其解碼性能得以提高；當循環(huán)冗余校驗( CRC )與SCL組合時，可以得到比期望更好的性能，仿真結果顯示SCL-CRC極坐標代碼具有比LDPC碼更好的解碼性能。

可見光通信（VLC）是一種將照明設備與光無線通信技術結合在一起的新型技術。目前在世界各地廣泛使用的發(fā)光二極管（LED）使得VLC在無線通信領域中的應用更為廣泛。VLC中有許多常用的調制格式，如開關鍵控（OOK），可變脈沖位置調制（VPPM）和正交頻分復用（OFDM）。其中，OOK是一種簡單易用的調制方式，因為它可以很容易地通過開/關脈沖發(fā)送0、1碼型。而且，為了保證DC平衡，在VLC中定義了三種運行長度限制( RLL )碼，包括曼徹斯特代碼，4B6B代碼和8B10B代碼。VLC系統中有一些應用難點，例如調光和干擾。研究人員提出了使用改進的里德-穆勒( RM )代碼來實現調光控制的前向糾錯碼（FEC）編碼方法，它可以為多個調光目標值提供的最小補償符號（CS）；此外，改進的RM代碼設計由彎曲函數構成且可提供調光控制�；�于LDPC碼設計的自適應FEC代碼和極坐標碼也用來調光，但RLL碼可用于保持DC平衡和50％的調光。研究人員設計了比特級RLL解碼的解碼過程，該方案顯示出比符號RLL解碼和硬判決RLL解碼更好的性能。但是關于消除干擾方法相關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制過程，尤其是針對不同類型OFDM信號的調制過程。同時研究人員也分析了視場（FOV）對干擾的影響主要來源于LED的位置，反射壁參數，位間隔等因素，符號間干擾（ISI）等。當相同的信號通過VLC系統中多徑傳輸時將引起ISI。一般來說，緩解ISI的方法包括均衡技術和糾錯碼，而研究重點在于糾錯碼應用方面。研究人員采用極化代碼模型并基于無記憶信道進行分析。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程，因此在記憶信道中使用極坐標編碼是可行的。研究人員設計了一種應用于VLC系統中新型極坐標碼解碼算法（用GA方法構造極坐標代碼而不考慮ISI過程）。但是，考慮記憶信道更符合實際情況，因此研究人員分析了ISI的詳細效應并導出其不同于OOK調制的特性，在考慮記憶信道時列表解碼被用作解碼極坐標代碼。如果專注于糾錯碼方面而未考慮應用均衡技術以減少ISI的影響，則必須在VLC系統中采用極化碼。VLC系統中不同ISI路徑下分析模型如圖2所示。
 

圖2. VLC系統中的兩類ISI模型：（a）來自兩個LED的多路徑，（b）來自信號反射的多路徑。

3.激光器

目前，納秒級光纖激光器在材料處理、生物醫(yī)學診斷和激光雷達系統等領域的廣泛應用引起了人們的關注。隨著工業(yè)需求的迅速增長，簡單、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情況下是通過主動調Q、被動調Q或增益轉換技術來實現的。由于電光調制器（EOM）或聲光調制器（AOM）的誘導，主動電光調Q光纖激光器的結構設計過程相對復雜。采用增益轉換技術制備的脈沖激光器由于其輸出功率低，通常需要放大器進一步的放大，從而導致了系統結構復雜和所需成本較高。采用被動調Q的飽和吸收體（SAS）被認為是一種有前途的方法，其具有集成簡單和緊湊的優(yōu)勢。然而，實驗中常用的SAS（如SESAM、石墨烯和碳納米管）具有相對較低的損傷閾值，且其應用性能有隨使用時間增加而減弱的傾向，使其在工業(yè)領域的應用受到限制。除上述方法外，類噪聲脈沖（NLPS）也可以實現納米級應用。NLPS不是固定的，而是一個混沌脈沖形成的一個穩(wěn)定時間包絡的內部結構波動。NLPS的一種典型特征是光學自相關，且其可以通過引入反向飽和吸收效應產生。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400nJ，它能在不進一步放大的情況下顯著降低成本和運行復雜度。NLPS主要在基于非線性偏振旋轉（NPR）或非線性光學環(huán)路鏡（NOLM）的光纖激光器中實現。在應用中，控制光的偏振態(tài)非常重要，因為其受到機械誘導的雙折射影響。NOLM因其結構簡單、緊湊、全光纖結構的優(yōu)勢而受到廣泛關注。雖然全光纖結構簡單緊湊，但在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性和可靠性沒有得到很好的解決，因此所有PM光纖技術由于其對偏振擾動的強抵抗力而被優(yōu)先選用以解決環(huán)境敏感性問題。然而，基于NPR的激光器需要對偏振進行調控，這也限制了其在所有PM光纖激光器配置中的應用。近年來，NOLM因其可實現配置在所有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)境干擾能力而被認為是一種商用應用候選技術，并期望能同時實現工業(yè)級的穩(wěn)定性和可靠性。最近，研究人員設計了一種自啟動雙包層E_r/Y_b共摻雜全光纖激光器，并在985KHz和402KHz的重復頻率下分別獲得了穩(wěn)定的納秒NLPS操作（分別對應于210m和510m的腔長，所產生NLPS的最大脈沖能量能夠達到1.54nJ）。他們還在1616nm和1612.3nm處獲得了兩個不同腔的中心波長，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用于乙烷氣體檢測過程。研究人員同時還進行了仿真研究工作，數值模擬結果與實驗結果吻合較好。激光腔體的實驗方案框圖如圖3所示。
 

圖3激光器腔體的實驗方案框圖

4.光纖技術

近年來，基于少模光纖（FMFS）開展的光通信、傳感和成像的應用已被廣泛研究。然而，在FMFS中模態(tài)耦合的存在會顯著增加數據處理的復雜度。因此，對于基于FMF的應用來說，減少模態(tài)耦合的影響并控制沿FMF的光信號的模態(tài)組成是至關重要的。為了實現上述目標，研究人員已經提出了幾種模式控制技術。一般而言，相關技術在三個可能的位置執(zhí)行：光纖輸入端口，光纖內部以及基于FMF應用的光纖輸出端口。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可以使用相位板、光子燈和空間光調制器（SLM）。相比之下，FMF中的模式控制可以在光學傳感中找到相關應用，例如可以使用光纖布拉格光柵（FBG）來實現。此外，在光學顯微鏡和成像應用中，在FMF輸出端口控制光線是必需的。已有報道指出，通過光纖傳輸矩陣（TM）反演或數字相位共軛可以控制輸出端口的模式配置過程。然而，光纖傳輸矩陣（TM）計算不容許環(huán)境干擾，數字相位共軛也需要仔細的光學對準過程。研究人員已經證明了基于自適應光學（AO）的模式控制方法能兼顧擾動容限和實現復雜度的影響。最近，研究人員擴展了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，可以通過使用基于圖像提取不同LP模式的復振幅，并將其應用于分析四模光纖獲得的實驗結果中�；�于AO的方法與傳統方法不同，后者依靠傅里葉變換將SLM生成的全息圖與光學遠場中所需的模式相關聯；而前者是將整個光學系統視為一個黑盒子，它可以自適應地激發(fā)所需的光場分布并且受系統不穩(wěn)定性的影響較小，相關實驗裝置圖如圖4所示。
 

圖4 實驗裝置圖（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；PC：電腦）

5.光傳輸

眾所周知，室外光無線通信（OWC）系統的吞吐量可以通過傳輸多個并行光束來提高。由于受天氣條件將導致信道損傷，因此接收的光束信號的接收信噪比（SNR）隨時間變化。自適應傳輸（AT）是一種有效的改善方案，對于單通道室外光無線通信（OWC）系統，已有研究人員提出恒功率可變速率（CPVR）自適應傳輸（AT）、聯合功率以及調制適應等有效結合方案。研究人員針對在湍流衰落信道上采用波分復用的OWC系統，設計了一種基于閾值的光信號選擇方案。他們指出在容量達到編碼和平均/峰值強度極限約束的情況下，可以采用具有多個平行光束的自適應強度分配方案；然而，上述方案沒有考慮傳輸鏈路層延遲服務質量（QoS）的約束。對于實時業(yè)務，鏈路層延遲限制是一個關鍵的QoS度量。由于湍流場的隨機行為，在OWC的應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，統計延遲QoS適用于湍流衰落信道上的實時業(yè)務的分析。統計延遲QoS約束過程可以通過保持與無線通信系統的有效速率（ER）相等的最大業(yè)務到達速率來實現。為了改善衰落信道上的ER，自適應傳輸（AT）方案需要考慮傳輸業(yè)務的統計延遲QoS約束。已有研究提出了一種雙信道相干OWC系統的統計延遲QoS分析方案。與之相比，最近研究人員設計了一種自適應傳輸（AT）方案，用以改善具有多個平行光束的相干OWC系統的ER。研究人員比較了獨立信道優(yōu)化（ICO）、聯合信道優(yōu)化（JCO）以及獨立信道優(yōu)化與波束選擇（ICO/BS）技術。通過實驗分析獲得了AT方案在高SNR和低SNR情況下的QoS約束性能。