9月PTL光通讯论文评析
发布时间：2005-09-16 09:06:42 热度：3432
作者 浙江大学 宋军博士
一、 光网络与系统：
1. 先来看WDM-PON的相关研究：
随着数字通讯的不断发展，人们对通讯的要求不在仅仅局限于语音和数据信号。当前，已有越来越多的服务终端可以接收数字视频信号了。WDM是数据容量扩充的有效技术手段，而通常的网络的拓扑结构都具有广播式的特点，因此无论终端客户是否订阅了数字视频信息，都会有信号下载到相应接收端。而且现实中客户需求更加复杂，比如有些客户只要某一特定的时段才需要接收数字视频信号，除了这些时间，即便有信号下载下来，也不会有人为之买单。很显然，广播式的视频传输不仅造成了浪费，更占用了不必要的带宽资源。要想解决问题，思路也很简单，就是需要这些视频信号的传输过程能够被动态调节，有选择的传输给某些特定用户。Melbourne大学的研究者就开展了相关的研究。其核心技术在于使用了商用的光调制器作基带调制用，进而在网络中融合了副载波复用技术，在光线路终端控制单个激光的偏转。这样在总传输容量1Gb/s的WDM-PON里，可以即时、有选择的传输155Mb/s的数字视频信号。测试中功耗小于0.5dB。
在复杂的WDM-PON里，误码对信号形变的影响非常剧烈，一般应保证误码率低于10^-9，另外在实际通讯中，由于使用波长数量必定是有限的，当没用空闲波长时，信号阻塞也会时常发生。为了避免这些劣势，许多改进设计已经把比特率调节作为一个重要突破点。相对于高比特率下非线性引起的剧烈误码效应，Reed-Solomon码适合在低比特错误率的情形下工作。在这种工作状态下，Reed-Solomon译码器能更正大部分的错误而产生，进而获得小于10^-10的比特错误率。因此许多网络实用中都采纳了高比特率编码与Reed-Solomon码并用的方式，这被称为相连码。本期成都电子科技大学的一位老师就使用Reed–Solomon RS(255,239)码做内部码，来更正误码，选用Golay(23,12)码作外码，利用其独特的自相关特性来效抑制噪声，提高灵敏度。通过这些改进，在获得满意的性能的同时，可以将传输距离提高两倍。
相关的研究还有：（1）贝尔实验室的研究者针对高通道密度的DWDM系统，同时使用10Gb/s和40Gb/s两种比特率传输信号，并为此设计了新的色散补偿系统，大大提高了传输中信号对非线性影响的容忍性，对长距离DWDM应用很有帮助；（2）美国Calient网络的研究者实验测试了一个面向中短距离城域网应用的DWDM系统（32×10Gb/s）。其核心器件都使用了动态可重构的三维微机电结构，从而系统具有波长可选择的交叉互连功能。值得注意的是其也使用了Reed–Solomon码，利用其优良的纠错特性，可以实现10^-15的极低误码的传输。（3）乔治工学院的研究者在高非线性光纤里利用基于Raman效应的四波混频作升频转换，实现了8×2.5Gb/s的WDM-PON与ROF接入系统的无缝对接。其系统通过残留边带滤波，可以将色散限制范围延长到20km以上。
2. 编码形式：
在高速大容量的WDM系统中，非线性效应和PMD效应是影响传输性能的关键因素。NRZ码对调制和解调设备的要求比较简单，能有效降低系统成本。但对高速通讯系统，一般认为采用RZ码能对非线性有更好的抑制能力。DPSK(差分相位调制)技术与RZ、NRZ结合可以使得抗非线性效应的能力明显改善，同时对接收的灵敏性提高也有一定帮助。然而现在就RZ-DPSK与NRZ-DPSK两种码孰优孰劣的问题现在还是有争议的。有一些研究者认为NRZ-DPSK在实用中更加灵活，系统性能更可靠（这方面的研究在近两年的OFC上都有体现）。但大多数研究者都对RZ-DPSK在抵御非线性和PMD上的表现大嘉赞赏。
在相位-强度调制的过程里，在强度柱状图上会有三个高斯分布，其高斯分布的半宽直接与强度自发辐射的大小相关，而两个高斯分布之间的间距与累积色散大小也是单调关系。利用这个原理，本期College of Optics and Photonics的研究者使用异步柱状强度谱对NRZ-DPSK的in-service信号质量做了监控。其从柱状图中可以直接提取出色散大小和光信噪比等相关信息。
然而，当前限制DPSK调制性能的主要因素是强度自发辐射噪声和光纤克尔效应。因此在现有基础上很多研究者也在试图对DPSK进行改进，以便降低高非线性光纤对传输的影响。其中以色列研究者提出的基于多芯片技术的DPSK就是很受瞩目的一项成果，关于该成果的持续性研究最近两年已经有很多报导，本期快报证明了其基于三芯片的DPSK调制格式，在单波长非线性相位受限光纤里传输时，比起通常的DPSK调制，误码率至少可以下降两个数量级，相应的Q参数可以提高1dB左右。这样的多芯片DPSK调制不仅在高非线性光纤中可以改进性能，即使在线性度很好的光纤里，Q参数也至少得到了0.2dB左右的改善。
二、 有源器件：
1. 面向WDM-PON的光源：
WDM-PON需要灵活可靠的波长配给，要实现这个目的仅依靠简单的多波长激光器还是不够的，这就给相应的光源设计带来了不少压力。目前主要有两种方式来实现波长灵活配给，其一是使光源“无色化”，其二是使波长可调。对前者的研究不多，主要是基于注入自发辐射的FP-LD，和反射式的SOA两种技术方案。实现光源“无色”技术并不复杂，但在网络终端必须配置另外的单波长光源。对波长可调的研究相对就热门多了，实现方法也千奇百怪，相关报导也不胜枚举。其中不乏性能优化，结构紧凑的设计方案。但高昂的成本无疑限制了其大规模的商用。本期有很多波长可调的研究，其中有两篇来自都是来自韩国电子与通讯研究院的，现评述如下，可以让您对可调激光器的研究现状有个初步认识：
（1）基于聚合物波导制作了波长可调的外腔激光器，从其材料选择上可以看出这是一项面向WDM-PON的低成本（这是最可贵的）可调激光器。再来看它的性能：靠加热改变Bragg光栅反射谱，激光器可以实现连续的13nm带宽的波长调节（能支持16通道100GHz频带间隔的WDM使用）；旁瓣抑制比超过30dB；实测中1.25Gb/s的信号可以在单模光纤上低误码传输20km以上，可以说性能也相当不错；（2）另一项研究是一种单片集成型的光栅腔可调激光器，在同一半导体芯片上集成了一个半导体放大器，一色散原件，一相位控制原件和一个刻蚀衍射光栅。通过对色散原件和色散匹配部分进行电控，可改变光束相位，进而让光偏移，通过刻蚀衍射光栅的线性波长选择特性来调节波长，总共可以实现8.5nm的连续波长调节，旁瓣压缩比也优于35dB。但其刻蚀光栅部分加工工艺要求比较高（需高的掩膜精度和高垂直度的深刻蚀工艺），除非大规模批量的生产，否则器件成本压力仍会很高。
2. 光纤放大器：
光纤放大器方面的研究一直以来都很热，主要面向大带宽和高平坦两个方向。首先来看大带宽的研究，仍是一篇来自南韩的研究，其C波段使用EDFA技术，L＋S波段利用拉曼散射效应，并能有效控制受激辐射在两者之间转换，从而实现了C＋L＋S，共105nm的整个光通讯波段的宽带放大；再来看高平坦，法国的研究者设计了掺铥的氟化光纤放大器，通过对其包层折射率分布新颖的分层设计，可以实现L波段高增益（20dB），高平坦（带通纹波小于0.7dB）的放大；此外，巴西的研究者在双泵浦光参量放大器中使用色散漂移光纤，设计了47nm增益带宽，平坦度较好（带通纹波小于1.5dB），具有37dB高增益的光纤放大器。
3. 接收器方面：
尽管基于半导体材料的硅锗探测器更有利于光电集成，但毕竟其量子效率比三五族材料还低几个量级，因此商用的高速探测器仍以三五族材料为主。特别，基于InGaAsN的PIN探测器以其响应速度高，易阵列化，暗电流低的特性很受关注。有人证明提高I层厚度能有效提高探测效率，但由于局域较高浓度N的的影响，能够让晶格参数变动，降低量子效率。因此在增大I层厚度的同时，也必须有效稀释N的浓度。本期新加坡的研究者使用基于固态材料的分子束外延生长了厚厚的InGaAsNSb作为芯层，依靠Sb的表面活性效应，可以在生长厚的有源层的同时，稀释局域过浓的N。
三、无源器件：
限于篇幅，仅对几项研究简单评析如下：意大利研究者研究了光纤光栅级连滤波过程里的多路干扰问题，对确定的带外反射和眼开幅度要求，可以确定最大的滤波器数目，相关的研究以前还没有过；提高大数值孔径光纤对波导的耦合效率是常见的研究方向，本期巴西的研究者相关研究还是挺出色的，其使用脊形的SOI波导设计了taper结构，从其实验结果来看，耦合损耗的降低还是很明显的。
一、 光网络与系统：
1. 先来看WDM-PON的相关研究：
随着数字通讯的不断发展，人们对通讯的要求不在仅仅局限于语音和数据信号。当前，已有越来越多的服务终端可以接收数字视频信号了。WDM是数据容量扩充的有效技术手段，而通常的网络的拓扑结构都具有广播式的特点，因此无论终端客户是否订阅了数字视频信息，都会有信号下载到相应接收端。而且现实中客户需求更加复杂，比如有些客户只要某一特定的时段才需要接收数字视频信号，除了这些时间，即便有信号下载下来，也不会有人为之买单。很显然，广播式的视频传输不仅造成了浪费，更占用了不必要的带宽资源。要想解决问题，思路也很简单，就是需要这些视频信号的传输过程能够被动态调节，有选择的传输给某些特定用户。Melbourne大学的研究者就开展了相关的研究。其核心技术在于使用了商用的光调制器作基带调制用，进而在网络中融合了副载波复用技术，在光线路终端控制单个激光的偏转。这样在总传输容量1Gb/s的WDM-PON里，可以即时、有选择的传输155Mb/s的数字视频信号。测试中功耗小于0.5dB。
在复杂的WDM-PON里，误码对信号形变的影响非常剧烈，一般应保证误码率低于10^-9，另外在实际通讯中，由于使用波长数量必定是有限的，当没用空闲波长时，信号阻塞也会时常发生。为了避免这些劣势，许多改进设计已经把比特率调节作为一个重要突破点。相对于高比特率下非线性引起的剧烈误码效应，Reed-Solomon码适合在低比特错误率的情形下工作。在这种工作状态下，Reed-Solomon译码器能更正大部分的错误而产生，进而获得小于10^-10的比特错误率。因此许多网络实用中都采纳了高比特率编码与Reed-Solomon码并用的方式，这被称为相连码。本期成都电子科技大学的一位老师就使用Reed–Solomon RS(255,239)码做内部码，来更正误码，选用Golay(23,12)码作外码，利用其独特的自相关特性来效抑制噪声，提高灵敏度。通过这些改进，在获得满意的性能的同时，可以将传输距离提高两倍。
相关的研究还有：（1）贝尔实验室的研究者针对高通道密度的DWDM系统，同时使用10Gb/s和40Gb/s两种比特率传输信号，并为此设计了新的色散补偿系统，大大提高了传输中信号对非线性影响的容忍性，对长距离DWDM应用很有帮助；（2）美国Calient网络的研究者实验测试了一个面向中短距离城域网应用的DWDM系统（32×10Gb/s）。其核心器件都使用了动态可重构的三维微机电结构，从而系统具有波长可选择的交叉互连功能。值得注意的是其也使用了Reed–Solomon码，利用其优良的纠错特性，可以实现10^-15的极低误码的传输。（3）乔治工学院的研究者在高非线性光纤里利用基于Raman效应的四波混频作升频转换，实现了8×2.5Gb/s的WDM-PON与ROF接入系统的无缝对接。其系统通过残留边带滤波，可以将色散限制范围延长到20km以上。
2. 编码形式：
在高速大容量的WDM系统中，非线性效应和PMD效应是影响传输性能的关键因素。NRZ码对调制和解调设备的要求比较简单，能有效降低系统成本。但对高速通讯系统，一般认为采用RZ码能对非线性有更好的抑制能力。DPSK(差分相位调制)技术与RZ、NRZ结合可以使得抗非线性效应的能力明显改善，同时对接收的灵敏性提高也有一定帮助。然而现在就RZ-DPSK与NRZ-DPSK两种码孰优孰劣的问题现在还是有争议的。有一些研究者认为NRZ-DPSK在实用中更加灵活，系统性能更可靠（这方面的研究在近两年的OFC上都有体现）。但大多数研究者都对RZ-DPSK在抵御非线性和PMD上的表现大嘉赞赏。
在相位-强度调制的过程里，在强度柱状图上会有三个高斯分布，其高斯分布的半宽直接与强度自发辐射的大小相关，而两个高斯分布之间的间距与累积色散大小也是单调关系。利用这个原理，本期College of Optics and Photonics的研究者使用异步柱状强度谱对NRZ-DPSK的in-service信号质量做了监控。其从柱状图中可以直接提取出色散大小和光信噪比等相关信息。
然而，当前限制DPSK调制性能的主要因素是强度自发辐射噪声和光纤克尔效应。因此在现有基础上很多研究者也在试图对DPSK进行改进，以便降低高非线性光纤对传输的影响。其中以色列研究者提出的基于多芯片技术的DPSK就是很受瞩目的一项成果，关于该成果的持续性研究最近两年已经有很多报导，本期快报证明了其基于三芯片的DPSK调制格式，在单波长非线性相位受限光纤里传输时，比起通常的DPSK调制，误码率至少可以下降两个数量级，相应的Q参数可以提高1dB左右。这样的多芯片DPSK调制不仅在高非线性光纤中可以改进性能，即使在线性度很好的光纤里，Q参数也至少得到了0.2dB左右的改善。
二、 有源器件：
1. 面向WDM-PON的光源：
WDM-PON需要灵活可靠的波长配给，要实现这个目的仅依靠简单的多波长激光器还是不够的，这就给相应的光源设计带来了不少压力。目前主要有两种方式来实现波长灵活配给，其一是使光源“无色化”，其二是使波长可调。对前者的研究不多，主要是基于注入自发辐射的FP-LD，和反射式的SOA两种技术方案。实现光源“无色”技术并不复杂，但在网络终端必须配置另外的单波长光源。对波长可调的研究相对就热门多了，实现方法也千奇百怪，相关报导也不胜枚举。其中不乏性能优化，结构紧凑的设计方案。但高昂的成本无疑限制了其大规模的商用。本期有很多波长可调的研究，其中有两篇来自都是来自韩国电子与通讯研究院的，现评述如下，可以让您对可调激光器的研究现状有个初步认识：
（1）基于聚合物波导制作了波长可调的外腔激光器，从其材料选择上可以看出这是一项面向WDM-PON的低成本（这是最可贵的）可调激光器。再来看它的性能：靠加热改变Bragg光栅反射谱，激光器可以实现连续的13nm带宽的波长调节（能支持16通道100GHz频带间隔的WDM使用）；旁瓣抑制比超过30dB；实测中1.25Gb/s的信号可以在单模光纤上低误码传输20km以上，可以说性能也相当不错；（2）另一项研究是一种单片集成型的光栅腔可调激光器，在同一半导体芯片上集成了一个半导体放大器，一色散原件，一相位控制原件和一个刻蚀衍射光栅。通过对色散原件和色散匹配部分进行电控，可改变光束相位，进而让光偏移，通过刻蚀衍射光栅的线性波长选择特性来调节波长，总共可以实现8.5nm的连续波长调节，旁瓣压缩比也优于35dB。但其刻蚀光栅部分加工工艺要求比较高（需高的掩膜精度和高垂直度的深刻蚀工艺），除非大规模批量的生产，否则器件成本压力仍会很高。
2. 光纤放大器：
光纤放大器方面的研究一直以来都很热，主要面向大带宽和高平坦两个方向。首先来看大带宽的研究，仍是一篇来自南韩的研究，其C波段使用EDFA技术，L＋S波段利用拉曼散射效应，并能有效控制受激辐射在两者之间转换，从而实现了C＋L＋S，共105nm的整个光通讯波段的宽带放大；再来看高平坦，法国的研究者设计了掺铥的氟化光纤放大器，通过对其包层折射率分布新颖的分层设计，可以实现L波段高增益（20dB），高平坦（带通纹波小于0.7dB）的放大；此外，巴西的研究者在双泵浦光参量放大器中使用色散漂移光纤，设计了47nm增益带宽，平坦度较好（带通纹波小于1.5dB），具有37dB高增益的光纤放大器。
3. 接收器方面：
尽管基于半导体材料的硅锗探测器更有利于光电集成，但毕竟其量子效率比三五族材料还低几个量级，因此商用的高速探测器仍以三五族材料为主。特别，基于InGaAsN的PIN探测器以其响应速度高，易阵列化，暗电流低的特性很受关注。有人证明提高I层厚度能有效提高探测效率，但由于局域较高浓度N的的影响，能够让晶格参数变动，降低量子效率。因此在增大I层厚度的同时，也必须有效稀释N的浓度。本期新加坡的研究者使用基于固态材料的分子束外延生长了厚厚的InGaAsNSb作为芯层，依靠Sb的表面活性效应，可以在生长厚的有源层的同时，稀释局域过浓的N。
三、无源器件：
限于篇幅，仅对几项研究简单评析如下：意大利研究者研究了光纤光栅级连滤波过程里的多路干扰问题，对确定的带外反射和眼开幅度要求，可以确定最大的滤波器数目，相关的研究以前还没有过；提高大数值孔径光纤对波导的耦合效率是常见的研究方向，本期巴西的研究者相关研究还是挺出色的，其使用脊形的SOI波导设计了taper结构，从其实验结果来看，耦合损耗的降低还是很明显的。
