05年6月PTL光通讯论文评析
发布时间：2005-07-13 08:07:23 热度：2270
一、 网络与系统：
近几个月来，JLT和PTL关于OCDMA的报导越来越密集，该技术的火热程度由此可见一斑。OCDMA和光相干复用这两项技术近来都被研究者认为是下一代光接入和局域网的最佳候选技术。尽管综合性能不及WDM网络，但其扩容成本低的优势显然易受运营商的青睐。在使用中系统可以不需要时间同步设备，不需要带宽管理设备，甚至于我们可以连网络管理的相关设备都不要。但显然世界上并不存在十全十美的技术，OCDMA或是相干复用技术同样不能例外。目前，由于纠错编码及相干管理带来的频谱展宽，进而引发的对系统不断增加的带宽需求，是两项技术迈入实用化最明显的软肋。而在技术硬伤不得到良好解决之前，其很难在长距离通信中发挥优势。本期快报，以色列的研究者对此做了颇有创新意义的研究，使用自拍滤波，在实用过程里可以对通道使用或据用做出动态调整，这样更窄线宽的光源可以被使用，光谱展宽也得到有效抑制。此外其传输过程建议使用波长漂移键控（WSK）技术，实验实现了4个通道高品质因数的传输。作者预测其建议的系统至少可以容纳15个通道以1GHz的bit率传输。本期关于OCDMA的其它研究还有：台湾研究者使用SAC编码，并混合了WDM的技术特征对现有OCDMA系统做了改进，一方面码长的选择变得更加灵活，一方面了避免了大量光纤光栅的使用，系统变得更加简单。此外，系统对噪声的容纳程度也得到了提升，因此也为系统扩容提供了良好空间；马来西亚的研究者则对光纤中存在的色散对OCDMA系统的影响做了定性的分析。
本期贝尔实验室的一篇研究论文很有意思，其题目是个问句，“40-Gb/s的双二进制信号能被用于50GHz的密集波分复用网里吗？”。大家知道双二进制码具有相对较窄的频宽，进而对色散具有较强的抑制能力。然而已经有人证明双二进制码对色散的容忍力在10Gb/s的网络里，由于自相位调制的作用会变差。但另一方面双二进制码却受另一种非线性效应－四波混频的影响较小。而在40Gb/s的传输网络里，四波混频相对自相位调制恰恰占据了绝对优势，这样我们不禁要想，40-Gb/s双二进制信号能否在DWDM网里发挥优势呢？通过贝尔的研究，尽管我们可以获得一个肯定的答案，但必须有一个前提，即严格控制群时延纹（GDR）。其测试结果表明，在40-Gb/s双二进制信号传输过程里，其要求的GDR补偿能力至少要是10Gb/s时的6倍。如果能够满足这一要求，现有的基于10Gb/s传输使用的DWDM系统完全可以改用40Gb/s的双二进制信号传输。
在提高单通道调制容量的技术中，从近来的研究看，正交相移调制(QPSK)和偏振复用（PolMUX）是两项并重的技术，都很受看好。后者对一个波长通道，通过使用正交的两种偏振态，可以将传输容量提高两倍。然而到目前为止，PolMUX技术最长的工作距离还未突破300km。一般来说，造成长距离PolMUX应用性能恶化的因素都来自非线性效应的影响，但对不同的调制速度，具体来看却也来自不同的效应。对10Gb/s的低速调制，引起偏振态改变的因素主要是交叉相位调制（XPM），而对40Gb/s的高速调制，主要影响因素却是偏振模色散（PMD）。因此要真的想让PolMUX技术在长距离通信中有所作为，必然要对非线性效应严格控制，并对传输过程中偏振的变化给予及时补偿。本期荷兰研究者对10Gb/s调制应用了PolMUX技术（这样实际速度为2×10Gb/s），他们改进了原有的偏振复用方式，采用了被称为偏振interleaving的复用方式，有效抑制了XPM效应对偏振态的改变。但这样做的代价同样巨大，其导致系统对PMD效应更加敏感，因此是否其研究真的对长距离应用有帮助还有待商榷。
在信号调制格式上，有限的bit率内，单通道带宽越窄，意味着可容纳的信息量也就越大，也正是因为这个原因，刚刚提到的双二进制编码受到了研究者的极大关注。本期，法国的研究者就基于DPSK调制信号采用了双二进制的格式，显然比起传统的DPSK，由于使用了更窄的带宽，大大提高了传输容量。另一方面，研究者还发现使用了这种调制格式，系统对GVD的容忍度也得到了明显改善。然而其代价却是是背对背灵敏度至少恶化了3.5dB。
网络系统方面其它的研究还有：Cisco Systems Inc.的研究者使用不对称的窄带滤波器改进了商用直接调制的分布反馈激光器的谱形，使用通常的负色散光纤，在没有任何色散补偿的情况下将40Gb/s信号无失真的传输了25km；Bristol大学的研究者对40Gb/s的高速调制网络提供了一种高效的分组编码技术，其使用幅移键控（ASK）做信号调制，采用DPSK做标签调制，相互之间的串扰极低。在对一个4通道WDM系统实测中，在完成了标签交换等功能后，有效载荷的损耗仅3.3dB，标签的损耗仅0.3dB，性能相当可靠；台湾清华大学的研究者则通过interleaving级连的方法，对网络色散补偿进行了研究。
二、有源器件：
1.半导体激光器：台湾交通大学的研究者在基于InGaN的LED阵列表面刻蚀了许多小的孔洞，证明当孔洞尺寸在7微米左右时，LED的发光效率大幅提高，而孔洞尺寸进一步增加时发光效率则又会明显下降；Sheffield大学的研究者则对1.3微米激光发射的多层InAs-GaAs量子点激光器的输出特性做了改进，其在高温下生长GaAs隔离层，并使用高反射效率包覆层，使得LD的室温阈值电流大幅降低，在实现100mw输出的时候，其阈值电流仅1.5mA；同样为了降低室温下的阈值电流，西班牙的研究者利用分子束外延技术制造了1.34–1.44微米发射的GaInNAs–GaAs量子阱激光器，其制作中一个显著特点是在量子阱生长过程里用Sb作为表面活性剂，这样省去了使用应力补偿层的麻烦。
2.光纤放大器：掺铒光纤放大器已经在远程通讯里成功使用很多年了，但其放大带宽窄的缺陷也已逐渐成为未来大容量高带宽光通讯网络的一个主要瓶颈。近来，研究受激拉曼散射（SRS）光纤放大器的人逐渐多了起来，原因就在于其相对EDFA能提供更大的放大带宽，且放大速度也相对平和的多，能获得更小的信号失真。但其需要多波长泵浦的特性也注定了其造价必定十分高昂，这无疑会让许多运营商望而却步。本期韩国的一个研究很有意思，他们在光纤包层中掺铒，掺铝，进而实用中可对C波段信号进行放大，而在光纤芯层内掺锗，利用SRS对S波段进行放大，这样仅利用单一泵浦源同时实现了C＋S波段的放大，而通过对掺杂浓度、光纤长度、光纤损耗以及泵浦功率等进行优化，放大谱也可获得良好的增益平坦度。不足的是研究还处于理论阶段，缺少必要的实验结果，但其为我们提供的一条思路却是有益的；对光纤拉曼放大，本期加拿大的一篇研究快报也很有益，其将泵浦光改用非相干光后，发现其增益平坦度明显得到了改进，这样在获得与相干光泵浦同样的增益平坦度的时候，只需使用更少的泵浦波长，这也为我们降低拉曼放大的成本提供了另一条思路。
3.接收器：德国研究者针对850nm发射，制作了单片集成的空间调制探测器，响应速度2Gb/s，器件比较适用于短距离通信系统；本期有一篇来自上海微系统所的研究论文，其使用分子束外延技术制作的AlInP–GaInP–GaAs光伏探测器具有红外零吸收，紫外、可见波段敏感的特性；Stanford大学的研究论文相比非常有意义，其基于金属-半导体（GaAs）-金属材料，并结合CMOS驱动和接收装置，制作了波长可调的光接受器。在其对460-Mb/s (2.17-ns的字节周期)的非归零信号进行探测的时候发现，其波长切换时间大约1ns，注意，在已有的波长可调的接收器中这是最快的响应速度了。
三、无源器件：
1.单片集成器件：贝尔实验室对2×2的平面波导耦合器提出了一种优化设计方法，相比同类器件能够获得偏振、波长不敏感的分束，同时器件造价也大幅降低；伦敦城市大学的研究靠生长层状结构成功消除了硅基二氧化硅波导的应力双折射；利用248nm的深紫外光刻技术，成功制作了光子晶体线缺陷波导，并与一耦合腔波导实现了绝热耦合；使用光子晶体波导实现90度的大角度弯曲是常见的研究内容，本期丹麦的研究者使用拓扑学对其结构进行了进一步优化，但值得推荐的是其基于SOI材料成功在实验上再现了其设计，在200nm的波长范围内，90度弯曲最大的损耗也不超过1dB；曾提到过，现有的以AWG为代表的密集波分复用器在大带宽应用中已经显现了技术缺陷，显然用光栅来代替AWG的阵列波导结构是有效的解决手段，然而受深刻蚀工艺影响，单片集成的凹面光栅性能并不理想。本期加拿大的研究者建议了一种新结构的集成波分复用器，其使用平面光栅，而改使用凹面波导区域，形成类似透镜的作用。但从其性能上看，串扰和损耗都远不如AWG。
2.光纤器件：使用spun光纤是消除传输中PMD效应影响的有效手段之一，而本期快报加拿大研究者的一项研究很有趣，他们在spun光纤上写入了光纤光栅，并观察到许多有趣的性能变化，例如其在Bragg波长附近的群时延几乎小到可以忽略。但是其反射谱的旁瓣却变大了，对偏振也敏感了许多，这对远程通讯显然是不利的。
近几个月来，JLT和PTL关于OCDMA的报导越来越密集，该技术的火热程度由此可见一斑。OCDMA和光相干复用这两项技术近来都被研究者认为是下一代光接入和局域网的最佳候选技术。尽管综合性能不及WDM网络，但其扩容成本低的优势显然易受运营商的青睐。在使用中系统可以不需要时间同步设备，不需要带宽管理设备，甚至于我们可以连网络管理的相关设备都不要。但显然世界上并不存在十全十美的技术，OCDMA或是相干复用技术同样不能例外。目前，由于纠错编码及相干管理带来的频谱展宽，进而引发的对系统不断增加的带宽需求，是两项技术迈入实用化最明显的软肋。而在技术硬伤不得到良好解决之前，其很难在长距离通信中发挥优势。本期快报，以色列的研究者对此做了颇有创新意义的研究，使用自拍滤波，在实用过程里可以对通道使用或据用做出动态调整，这样更窄线宽的光源可以被使用，光谱展宽也得到有效抑制。此外其传输过程建议使用波长漂移键控（WSK）技术，实验实现了4个通道高品质因数的传输。作者预测其建议的系统至少可以容纳15个通道以1GHz的bit率传输。本期关于OCDMA的其它研究还有：台湾研究者使用SAC编码，并混合了WDM的技术特征对现有OCDMA系统做了改进，一方面码长的选择变得更加灵活，一方面了避免了大量光纤光栅的使用，系统变得更加简单。此外，系统对噪声的容纳程度也得到了提升，因此也为系统扩容提供了良好空间；马来西亚的研究者则对光纤中存在的色散对OCDMA系统的影响做了定性的分析。
本期贝尔实验室的一篇研究论文很有意思，其题目是个问句，“40-Gb/s的双二进制信号能被用于50GHz的密集波分复用网里吗？”。大家知道双二进制码具有相对较窄的频宽，进而对色散具有较强的抑制能力。然而已经有人证明双二进制码对色散的容忍力在10Gb/s的网络里，由于自相位调制的作用会变差。但另一方面双二进制码却受另一种非线性效应－四波混频的影响较小。而在40Gb/s的传输网络里，四波混频相对自相位调制恰恰占据了绝对优势，这样我们不禁要想，40-Gb/s双二进制信号能否在DWDM网里发挥优势呢？通过贝尔的研究，尽管我们可以获得一个肯定的答案，但必须有一个前提，即严格控制群时延纹（GDR）。其测试结果表明，在40-Gb/s双二进制信号传输过程里，其要求的GDR补偿能力至少要是10Gb/s时的6倍。如果能够满足这一要求，现有的基于10Gb/s传输使用的DWDM系统完全可以改用40Gb/s的双二进制信号传输。
在提高单通道调制容量的技术中，从近来的研究看，正交相移调制(QPSK)和偏振复用（PolMUX）是两项并重的技术，都很受看好。后者对一个波长通道，通过使用正交的两种偏振态，可以将传输容量提高两倍。然而到目前为止，PolMUX技术最长的工作距离还未突破300km。一般来说，造成长距离PolMUX应用性能恶化的因素都来自非线性效应的影响，但对不同的调制速度，具体来看却也来自不同的效应。对10Gb/s的低速调制，引起偏振态改变的因素主要是交叉相位调制（XPM），而对40Gb/s的高速调制，主要影响因素却是偏振模色散（PMD）。因此要真的想让PolMUX技术在长距离通信中有所作为，必然要对非线性效应严格控制，并对传输过程中偏振的变化给予及时补偿。本期荷兰研究者对10Gb/s调制应用了PolMUX技术（这样实际速度为2×10Gb/s），他们改进了原有的偏振复用方式，采用了被称为偏振interleaving的复用方式，有效抑制了XPM效应对偏振态的改变。但这样做的代价同样巨大，其导致系统对PMD效应更加敏感，因此是否其研究真的对长距离应用有帮助还有待商榷。
在信号调制格式上，有限的bit率内，单通道带宽越窄，意味着可容纳的信息量也就越大，也正是因为这个原因，刚刚提到的双二进制编码受到了研究者的极大关注。本期，法国的研究者就基于DPSK调制信号采用了双二进制的格式，显然比起传统的DPSK，由于使用了更窄的带宽，大大提高了传输容量。另一方面，研究者还发现使用了这种调制格式，系统对GVD的容忍度也得到了明显改善。然而其代价却是是背对背灵敏度至少恶化了3.5dB。
网络系统方面其它的研究还有：Cisco Systems Inc.的研究者使用不对称的窄带滤波器改进了商用直接调制的分布反馈激光器的谱形，使用通常的负色散光纤，在没有任何色散补偿的情况下将40Gb/s信号无失真的传输了25km；Bristol大学的研究者对40Gb/s的高速调制网络提供了一种高效的分组编码技术，其使用幅移键控（ASK）做信号调制，采用DPSK做标签调制，相互之间的串扰极低。在对一个4通道WDM系统实测中，在完成了标签交换等功能后，有效载荷的损耗仅3.3dB，标签的损耗仅0.3dB，性能相当可靠；台湾清华大学的研究者则通过interleaving级连的方法，对网络色散补偿进行了研究。
二、有源器件：
1.半导体激光器：台湾交通大学的研究者在基于InGaN的LED阵列表面刻蚀了许多小的孔洞，证明当孔洞尺寸在7微米左右时，LED的发光效率大幅提高，而孔洞尺寸进一步增加时发光效率则又会明显下降；Sheffield大学的研究者则对1.3微米激光发射的多层InAs-GaAs量子点激光器的输出特性做了改进，其在高温下生长GaAs隔离层，并使用高反射效率包覆层，使得LD的室温阈值电流大幅降低，在实现100mw输出的时候，其阈值电流仅1.5mA；同样为了降低室温下的阈值电流，西班牙的研究者利用分子束外延技术制造了1.34–1.44微米发射的GaInNAs–GaAs量子阱激光器，其制作中一个显著特点是在量子阱生长过程里用Sb作为表面活性剂，这样省去了使用应力补偿层的麻烦。
2.光纤放大器：掺铒光纤放大器已经在远程通讯里成功使用很多年了，但其放大带宽窄的缺陷也已逐渐成为未来大容量高带宽光通讯网络的一个主要瓶颈。近来，研究受激拉曼散射（SRS）光纤放大器的人逐渐多了起来，原因就在于其相对EDFA能提供更大的放大带宽，且放大速度也相对平和的多，能获得更小的信号失真。但其需要多波长泵浦的特性也注定了其造价必定十分高昂，这无疑会让许多运营商望而却步。本期韩国的一个研究很有意思，他们在光纤包层中掺铒，掺铝，进而实用中可对C波段信号进行放大，而在光纤芯层内掺锗，利用SRS对S波段进行放大，这样仅利用单一泵浦源同时实现了C＋S波段的放大，而通过对掺杂浓度、光纤长度、光纤损耗以及泵浦功率等进行优化，放大谱也可获得良好的增益平坦度。不足的是研究还处于理论阶段，缺少必要的实验结果，但其为我们提供的一条思路却是有益的；对光纤拉曼放大，本期加拿大的一篇研究快报也很有益，其将泵浦光改用非相干光后，发现其增益平坦度明显得到了改进，这样在获得与相干光泵浦同样的增益平坦度的时候，只需使用更少的泵浦波长，这也为我们降低拉曼放大的成本提供了另一条思路。
3.接收器：德国研究者针对850nm发射，制作了单片集成的空间调制探测器，响应速度2Gb/s，器件比较适用于短距离通信系统；本期有一篇来自上海微系统所的研究论文，其使用分子束外延技术制作的AlInP–GaInP–GaAs光伏探测器具有红外零吸收，紫外、可见波段敏感的特性；Stanford大学的研究论文相比非常有意义，其基于金属-半导体（GaAs）-金属材料，并结合CMOS驱动和接收装置，制作了波长可调的光接受器。在其对460-Mb/s (2.17-ns的字节周期)的非归零信号进行探测的时候发现，其波长切换时间大约1ns，注意，在已有的波长可调的接收器中这是最快的响应速度了。
三、无源器件：
1.单片集成器件：贝尔实验室对2×2的平面波导耦合器提出了一种优化设计方法，相比同类器件能够获得偏振、波长不敏感的分束，同时器件造价也大幅降低；伦敦城市大学的研究靠生长层状结构成功消除了硅基二氧化硅波导的应力双折射；利用248nm的深紫外光刻技术，成功制作了光子晶体线缺陷波导，并与一耦合腔波导实现了绝热耦合；使用光子晶体波导实现90度的大角度弯曲是常见的研究内容，本期丹麦的研究者使用拓扑学对其结构进行了进一步优化，但值得推荐的是其基于SOI材料成功在实验上再现了其设计，在200nm的波长范围内，90度弯曲最大的损耗也不超过1dB；曾提到过，现有的以AWG为代表的密集波分复用器在大带宽应用中已经显现了技术缺陷，显然用光栅来代替AWG的阵列波导结构是有效的解决手段，然而受深刻蚀工艺影响，单片集成的凹面光栅性能并不理想。本期加拿大的研究者建议了一种新结构的集成波分复用器，其使用平面光栅，而改使用凹面波导区域，形成类似透镜的作用。但从其性能上看，串扰和损耗都远不如AWG。
2.光纤器件：使用spun光纤是消除传输中PMD效应影响的有效手段之一，而本期快报加拿大研究者的一项研究很有趣，他们在spun光纤上写入了光纤光栅，并观察到许多有趣的性能变化，例如其在Bragg波长附近的群时延几乎小到可以忽略。但是其反射谱的旁瓣却变大了，对偏振也敏感了许多，这对远程通讯显然是不利的。
