光纖在線特邀編輯：邵宇豐，趙云杰，龍穎，胡政欽
    2018年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：電光調(diào)制技術(shù)，光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)，光互連系統(tǒng)，筆者將逐一評析。

1.電光調(diào)制技術(shù)
    隨著通信業(yè)務(wù)的帶寬需求越來越高，越來越多的移動(dòng)終端通過使用短程通信系統(tǒng)以突破帶寬瓶頸，如采用近程光傳接入系統(tǒng)。盡管相干檢測技術(shù)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但是基于強(qiáng)度調(diào)制（IM）和直接檢測（DD）的方案因?yàn)槌杀竞馁M(fèi)低成為短程光接入系統(tǒng)的優(yōu)選方案；同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)對傳輸速度無止境的需求正推動(dòng)高速IM/DD系統(tǒng)調(diào)制帶寬的進(jìn)一步發(fā)展。增加調(diào)制帶寬會(huì)帶來兩個(gè)嚴(yán)重問題：1）傳輸組件的費(fèi)用高，如電光調(diào)制器，驅(qū)動(dòng)器和TIA的購置成本高; 2）嚴(yán)重的色散引起的符號(hào)間干擾（ISI將極大地影響傳輸距離。基于上述考慮，研究人員對結(jié)合正交幅度調(diào)制（QAM）生成的正交頻分復(fù)用（OFDM）IM/DD系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的研究興趣，該系統(tǒng)具有高譜效率且對ISI具有影響具有一定的魯棒性。電吸收調(diào)制激光器（EML）和直接調(diào)制DFB激光器（DML）是常見IM / DD系統(tǒng)的光源，但DML的輸出功率高于EMLs；此外EML和DML的調(diào)制會(huì)誘發(fā)頻率啁啾效應(yīng)，其中基于DML的調(diào)制會(huì)誘發(fā)兩類啁啾：瞬態(tài)啁啾和非瞬態(tài)啁啾，與EML僅誘發(fā)瞬態(tài)啁啾。研究人員演示了基于100Gbps 調(diào)制DML的OFDM數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作過程；然而，生成的光信號(hào)在C波段上的傳輸被限制在約10公里內(nèi)，其原因是傳輸距離受到色散引起的功率衰落效應(yīng)限制，這往往會(huì)減少可用傳輸帶寬。較強(qiáng)的正瞬態(tài)啁啾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率嚴(yán)重衰落，傳輸距離也會(huì)受到非線性失真的限制，這是色散影響信號(hào)傳輸?shù)谋厝唤Y(jié)果。隨著啁啾的增加，非線性負(fù)面影響變得越來越嚴(yán)重。OFDM信號(hào)傳輸過程中的非線性失真已被研究人員建模為子載波-子載波混合干擾（SSII）模型�？紤]到非瞬態(tài)啁啾的影響，研究人員提出了SSII補(bǔ)償方案用以消除基于DML的系統(tǒng)中的非線性失真。研究人員還設(shè)計(jì)了非線性沃爾泰拉濾波算法補(bǔ)償系統(tǒng)中的非線性失真。對于二階非線性失真，SSII補(bǔ)償與非線性沃爾泰拉濾波算法的補(bǔ)償效果相當(dāng)；相比之下，SSII補(bǔ)償?shù)挠?jì)算復(fù)雜性與色散無關(guān)。中國臺(tái)灣高雄大學(xué)光學(xué)系的研究人員對基于DML的OFDM光信號(hào)傳輸進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的傳輸距離為0-150 km，同時(shí)改變激光器的偏置電流以分析有無SSII補(bǔ)償?shù)膬煞N情況下非瞬態(tài)啁啾對傳輸性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非瞬態(tài)啁啾是導(dǎo)致非線性失真產(chǎn)生的主要原因；此外，色散和瞬態(tài)啁啾之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致功率衰減。在上述情況下，非瞬態(tài)啁啾會(huì)加劇非線性失真但也可能提供相關(guān)功率增益。當(dāng)SSII補(bǔ)償過程減弱導(dǎo)致非線性失真時(shí)，控制特定的非瞬態(tài)啁啾可改善系統(tǒng)的傳輸性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在SSII補(bǔ)償之后，當(dāng)功率增益的影響超過非線性失真的影響，一定的非瞬態(tài)啁啾量可以帶來更好的傳輸性能。另一方面，對于單載波調(diào)制（如多級(jí)脈沖幅度調(diào)制（PAM）），基于DML的信號(hào)傳輸也會(huì)遇到類似的非線性失真問題，所以非線性補(bǔ)償過程是必要的，例如可應(yīng)用沃爾泰拉濾波方案。由于缺乏獨(dú)立調(diào)制每個(gè)頻率分量的能力，在單載波傳輸過程中，仍需對影響非瞬態(tài)啁啾相關(guān)增益的因素和相關(guān)參數(shù)的取值進(jìn)行進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在進(jìn)行50-100公里的傳輸 時(shí)，SSII補(bǔ)償可以改善OFDM光信號(hào)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率可達(dá)11Gbps，其補(bǔ)償原理如圖1所示。

圖1.SSII補(bǔ)償原理圖

2.光網(wǎng)絡(luò)及其子系統(tǒng)
支持無線數(shù)據(jù)接入的可見光載無線通信（Li-Fi）技術(shù)被視為新興寬帶接入技術(shù)之一，正日益受到人們的重視。在Li-Fi系統(tǒng)中，待傳輸數(shù)據(jù)通常對發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的可見光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生的可見光信號(hào)通過視距傳播并由光電二極管（PD）檢測。研究人員已經(jīng)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)確定了可見光無線信道模型，在模型中LED接入點(diǎn)通常被設(shè)計(jì)為規(guī)則的幾何形狀排列以形成有效的Li-Fi 網(wǎng)絡(luò)，其中，LED同時(shí)發(fā)出不同色度或光波長的可調(diào)制光。值得注意的是，如果LED發(fā)射相同的光波長可產(chǎn)生同頻干擾，在下行鏈路中同頻干擾是導(dǎo)致下行鏈路信息吞吐量降低的限制因素，當(dāng)然接收光信號(hào)受到的干擾還有用戶室內(nèi)的干擾源和視場（FOV）的相對位置。當(dāng)FOV相對角度小于π/2弧度， LED和PD在FOV范圍內(nèi)可建立視距鏈接；但是當(dāng)FOV相對角度等于π/2弧度時(shí)，視距傳播受到限制并顯著影響可見光信號(hào)收發(fā)。因此，對于FOV的兩種相對位置，信號(hào)干擾特性和表征噪聲比（SINR）對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其中覆蓋概率和區(qū)域頻譜效率是必須考慮的因素。印度研究人員基于泊松求和定理提出了一種解析過程來分析近似于一維和二維Li-Fi 網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾過程。這種分析方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠以準(zhǔn)確計(jì)算給定長度可見光鏈路的存在的干擾功率，同時(shí)分析計(jì)算如覆蓋率，面積光譜效率，最佳LED間距等重要指標(biāo)，研究人員分析的可見光傳輸方案如圖2所示。

圖2. 自由空間視線（LOS）可見光傳播過程（LED源處于高度h和距離d的天花板）。

3. 光互連系統(tǒng)
    隨著各類型信息業(yè)務(wù)的迅速增加導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信帶寬的需求日益提升，光互連技術(shù)對數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算機(jī)的新應(yīng)用起著越來越重要的重要。由于光互連過程需要對信號(hào)進(jìn)行大容量傳輸和低功耗收發(fā)，因此采用先進(jìn)的調(diào)制格式和改進(jìn)已有的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方案變得更加迫切。我們了解，硅光子（SiP）技術(shù)的應(yīng)用有望以低成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子器件的集成且功耗低，該技術(shù)一直被認(rèn)為是未來光互連有希望的候選技術(shù)。其中，硅基微環(huán)調(diào)制器（Si-MRM）具有優(yōu)異的特性（如體積小，調(diào)制速度高和能耗低）而受到人們的重視。但是，由于自由載流子分散效應(yīng)和硅基微環(huán)調(diào)制器具備的洛倫茲光譜形狀會(huì)引起調(diào)制非線性效應(yīng)，這會(huì)對于多階調(diào)制格式信號(hào)的應(yīng)用帶來負(fù)面影響此外，Si-MRM的高Q因子使其對共振漂移過程具有較強(qiáng)敏感性，這意味著調(diào)制過程容易受到外界溫度變化和激光波長漂移的影響�？蒲腥藛T已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試來解決調(diào)制非線性失真的問題，其中預(yù)失真是一種可行的方法；還有一些研究人員已經(jīng)證明了幾種均衡方法解決接收機(jī)的調(diào)制非線性失真問題。最近，有研究人員展示了一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以減在光互連鏈路中的PAM-4和PAM-8信號(hào)的非線性失真問題。該類基于支持向量（SVM）機(jī)器學(xué)習(xí)的方法選擇在接收器中執(zhí)行是因?yàn)樗�可以適應(yīng)不同發(fā)射機(jī)性能帶來的調(diào)制非線性問題；針對Si-MRM，該技術(shù)可以自適應(yīng)對抗調(diào)制失真過程，從而解決共振和漂移對信號(hào)調(diào)制的影響。研究人員通過機(jī)器學(xué)習(xí)過程來改善接收信號(hào)靈敏度并降低調(diào)制非線性失 真，并研究自適應(yīng)處理技術(shù)支持穩(wěn)定的MRM光學(xué)互連過程。
    上海交通大學(xué)電子與信息工程系的研究人員設(shè)計(jì)了基于CBT-SVM的機(jī)器學(xué)習(xí)方法用于減輕在Si-MRM上進(jìn)行PAM-4調(diào)制的非線性失真影響。研究人員根據(jù)PAM信號(hào)電平分布定義相關(guān)參數(shù)，并分析LD在100Gbps下波長漂移對PAM-4信號(hào)的影響。采用該方案后，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2.7 dB的接收信號(hào)靈敏度增益，并且克服了較大的非線性調(diào)制失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)光信號(hào)以50 Gbps的傳輸速率在2公里單模光纖上傳輸后，調(diào)制非線性負(fù)面影響得到緩解，接收靈敏度提高3.63 dB，Si-MRM的調(diào)制非線性響應(yīng)曲線如圖3所示。


圖3.基于Si-MRM的調(diào)制非線性響應(yīng)曲線圖