06年01月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-01-09 17:47:44 热度：2085
1/10/2006， 一.网络与系统：
先来看本期几个光网络系统的实测结果：
（1）为了节约运营成本，降低系统复杂度，并有效提高网络系统稳定性，越来越多的研究已经倾向于传输过程不使用色散补偿光纤（DCF）以及相关的光放大设备。通常要实现网络传输中不用色散补偿，显然只有两个途径，或者在发射端对色散进行“预补偿”，或在接收端通过电子色散补偿等方法，实现“后补偿”。本期Bell实验室的研究基于前者。谈到色散预补偿，无疑补偿强度是一个关键参数，预补偿能力强，可以支持更长距离的传输。Bell采用的方法是在发射端基于DCF，加了两个彼此互联的循环网，这样的结构可以在实现较大预补偿能力的前提下避免使用过长的DFC，进一步节省了成本。该结构色散补偿能力可以从-5440ps/nm变化到-21760ps/nm。实际测试中，基于一16通道（50GHz间隔）DWDM系统，使用标准单模光纤，单通道使用10Gb/s的NRZ码。对这样的系统，作者通过实测实现了从320km到1280km传输距离的100％预补偿。
（2）香港中文大学的研究者显示了其具有自愈合能力的CWDM城域网。谈到自愈合能力，通常都是采用两个光纤环，一个作为通常的传输用，一个作为保护用。显然这样的结构挺浪费的，因此有研究者提出了单光纤环的双向自愈合保护方案，在该方案中一般使用双向的OADM结构。现在的研究里，作者从对星型网络结构进行了进一步优化，将双向OADM简化为单向工作方式，大大简化了先前的设计。在实测中，作者的改进系统显示了对1.25Gb/sCWDM系统链路失败的快速自愈合能力。
（3）多伦多大学的研究者基于渐变折射率多模光纤的局域网，使用窄带高反射的多壳光纤光栅（FBG），实现了12个通道，300GHz间隔的WDM功能，其带间隔离度在30dB以上。该研究开拓了基于多模光纤的局域网拓展系统容量的一个新方向。通常在局域网实现WDM功能，均使用一些体器件，无疑增加了对光纤的耦合损耗，也增加了系统的不稳定性。而现在的结构实现了无接头的全光纤化应用。作者也显示了其多壳FBG的制作方法。
（4）在网络拓扑里，实现双向工作是提高系统容量，增强网络灵活性的有效手段，实现双向传输通常并不困难，但要实现双向放大就非常困难了，一般要为此增加许多器件，并使用多段EDFA，不仅复杂度大为增加，而且由于自振荡的影响，放大增益也受到了限制。本期台湾交通大学的研究者提出了一种新颖的改进方案，即使用一四个端口的interleaver，在确保双向工作的同时，可以仍采用单向放大的模式，避免了不必要的麻烦。在实际测试中，使用单模光纤，以10Gb/s的调制速率工作，在实现210km双向传输的同时，误码率维持在10^-9以下。
网络方面其他细节的研究还有：（1）清华的研究者提出基于相位调制的NRZ信号，对光纤非线性，及放大噪声引起的色散具有更大的容忍度，更适合40Gb/s的高速传输应用。作者也显示了对不同色散程度，最优的调制深度如何选择；（2）Columbia大学的研究者对多阶光互联网的效率与成本提供了一些建议，考虑交换节点的数目，建立了多阶网络成本计算的一般模型。作者还证明了3×3的交换节点比2×2的更加富有效率。
波长转换方面：（1）法国的研究者利用电吸收调制器，基于交叉吸收调制结构制作了应用于高速网络的波长转换系统，使用现在的系统，待转换信号中心波长会发生红移，从而可以降低调制器有限响应时间的影响；（2）意大利的研究者利用SOA的两阶交叉增益调制，制作了可应用于WDM网络的多波长转换系统，其实验使用10Gb/s信号，同时实现了一200GHz间隔WDM的8通道的波长转换，信噪比良好；（3）东京大学的研究者则自己制作了一段1米长的氧化铋高非线性光纤，利用交叉相位调制效应制作了可以应用于10Gb/sNRZ传输系统的可调波长转换器，特别的，由于其光纤受激布里渊散射SBS的阈值非常高，因此不会有SBS发生，使得性能更加稳定。
系统方面的研究有：（1）天津大学的研究者对多点交换系统作了改进研究，使用交叉点开关面阵，将原来1对N的广播式发送发展为2对N的多点式发送。其系统几乎消除了分束损耗，在2对4的多点交换中，功耗低于4.5dB，信噪比和交换信号质量等参数也都很好；（2）西班牙的研究者针对光标签交换网络（标签速率10Gb/s），显示了其全光的地址识别系统。其主要原理是通过使用半导体光放大器和MZ干涉仪，制作了二字节的异或门，进而通过级联异或门的方式构建了二字节的相关器。通过测试，该系统可以实现13dB的消光比；（3）韩国研究者基于CMOS工艺制作了可用于2.5Gb/s光互联网的双向收发器，在同一芯片上可同时完成发射与接收功能，且两者共用了放大和驱动模块，最大化利用了资源。（4）NTT的研究者研发出了可应用于光标签交换的时钟晶体管阵列，为高速异步的光标签和CMOS电路的结合提供了一个平台，可以完成“序列对平行”或“平行对序列”的转换。由于系统OEIC化，尺寸、功耗和价格都得到了合理的控制，实验测试显示该芯片能完成至少20Gb/s的转换。
二.无源器件：
先来看一些集成器件：
（1）浙大的研究者基于AWG设计了结构紧凑、性能优异的单纤三向器件Triplexer。单纤三向传输技术一般使用1310nm、1490nm和1550nm三个波长，将1550nm的波长用于下行模拟CATV传输，使用无制冷的半导体激光二极管光源发射1310nm波长，用于终端用户的上行传输，而1490nm的波长则用于下行的数字传输，通过波分复用的方式将三方向传输复用到一根光纤中传输。由于该技术采用了点对多点传输方式，因此成本低，系统简单，稳定性高。而Triplexer则是相关技术的关键器件，其成本和性能都制约着技术的实用。由于覆盖光谱范围过大，通常的AWG设计是很难应用于Triplexer结构的，在现在的研究里，作者让第一个波长工作在不同的衍射级，并能将波长转换至另两个通道中间，通过这样的交叉级设计，突破了自由光谱范围有限的设计限制，且让几个输出波导接近等间距，最小化了器件尺寸，提高了通道均匀性。
（2）在光纤器件里，时延功能可以简单的通过光纤延时线来实现。但是集成波导器件里，要实现时延功能就没那么容易了，缺乏简单有效的器件。已经有很多研究者利用环行共振腔来完成这种延时操作，但遇到一个关键问题，就是这种基于共振原理的结构，其时延量和损耗大小相关，不同峰值功率的脉冲通过共振环的时延不一样。本期快报California大学的研究者对该结构进行了改进，加了一个旁路波导，通过电压调节来补偿损耗，让经过共振器的不同脉冲具有相同的峰值功率，显然这样就可以实现独立于损耗的时延。
空间器件方面：（1）南洋理工的研究者依靠重复写入啁啾的光纤光栅，制作了自由光谱范围可调的FP滤波器，通过悬臂的调整，完成调节过程；（2）秋田大学的研究者在每个液晶单元上加三个电极，电极上加了两个不同的电压，通过电压调节，在液晶层面上产生对称的不均匀电场分布，靠这样的操作，他们制作了焦距可调的透镜，其焦距可以从负到正的变化。
三.有源器件：
半导体激光器方面：（1）California大学的研究者报道了其基于注入锁定的改进VCSEL激光器，在1550nm波段具有高消光比的输出。所谓注入锁定激光器是指发射的强度峰值波长是受另一个光源个别信号的注入所控制的一种激光器。除了消光比高达20dB以外， 其共振频率和信号放大也分别达到了30GHz和10dB以上，这两项指标在有报道以来是最优的；（2）中科院半导体所的研究者将一1550nm的DFB激光器与一电吸收调制器单片集成，两者之间为实现低损耗耦合，加了模斑转换器，其依赖局部生长、量子阱结构、双芯等工艺；（3）曾经谈到，由于量子效率限制，有源器件大多使用三五族材料，而利用现有半导体工艺优势，无源器件多集成在硅基底上，如何实现有无源的OEIC集成是一个难题。曾提到使用分子键合技术，可以把两者集成在一块芯片上。本期法国的研究者就发表了相关的研究。基于分子键合和纳米微细加工技术，将三五族的激光器和探测器与SOI材料的无源器件集成在一起，其有源对无源的耦合效率大致在35％左右。
其它有源器件还有：（1）Wisconsin-Madison大学的研究者研究了面向下一代光通讯网络的超连续光源，他们将硅光纤和氟化物光纤反复级联，并将商用的掺铒光纤激光器与其耦合，利用拉曼光孤子的自漂移现象，可以获得由1.8微米到3.4微米的超连续光源发射，其平均输出功率接近5mW左右；（2）国立新加坡大学的研究者基于MEMs技术制作了激光器，可以实现高速螺旋激光发射，比起通常的空间光调制器速度要快得多。（作者 浙江大学 宋军博士）
先来看本期几个光网络系统的实测结果：
（1）为了节约运营成本，降低系统复杂度，并有效提高网络系统稳定性，越来越多的研究已经倾向于传输过程不使用色散补偿光纤（DCF）以及相关的光放大设备。通常要实现网络传输中不用色散补偿，显然只有两个途径，或者在发射端对色散进行“预补偿”，或在接收端通过电子色散补偿等方法，实现“后补偿”。本期Bell实验室的研究基于前者。谈到色散预补偿，无疑补偿强度是一个关键参数，预补偿能力强，可以支持更长距离的传输。Bell采用的方法是在发射端基于DCF，加了两个彼此互联的循环网，这样的结构可以在实现较大预补偿能力的前提下避免使用过长的DFC，进一步节省了成本。该结构色散补偿能力可以从-5440ps/nm变化到-21760ps/nm。实际测试中，基于一16通道（50GHz间隔）DWDM系统，使用标准单模光纤，单通道使用10Gb/s的NRZ码。对这样的系统，作者通过实测实现了从320km到1280km传输距离的100％预补偿。
（2）香港中文大学的研究者显示了其具有自愈合能力的CWDM城域网。谈到自愈合能力，通常都是采用两个光纤环，一个作为通常的传输用，一个作为保护用。显然这样的结构挺浪费的，因此有研究者提出了单光纤环的双向自愈合保护方案，在该方案中一般使用双向的OADM结构。现在的研究里，作者从对星型网络结构进行了进一步优化，将双向OADM简化为单向工作方式，大大简化了先前的设计。在实测中，作者的改进系统显示了对1.25Gb/sCWDM系统链路失败的快速自愈合能力。
（3）多伦多大学的研究者基于渐变折射率多模光纤的局域网，使用窄带高反射的多壳光纤光栅（FBG），实现了12个通道，300GHz间隔的WDM功能，其带间隔离度在30dB以上。该研究开拓了基于多模光纤的局域网拓展系统容量的一个新方向。通常在局域网实现WDM功能，均使用一些体器件，无疑增加了对光纤的耦合损耗，也增加了系统的不稳定性。而现在的结构实现了无接头的全光纤化应用。作者也显示了其多壳FBG的制作方法。
（4）在网络拓扑里，实现双向工作是提高系统容量，增强网络灵活性的有效手段，实现双向传输通常并不困难，但要实现双向放大就非常困难了，一般要为此增加许多器件，并使用多段EDFA，不仅复杂度大为增加，而且由于自振荡的影响，放大增益也受到了限制。本期台湾交通大学的研究者提出了一种新颖的改进方案，即使用一四个端口的interleaver，在确保双向工作的同时，可以仍采用单向放大的模式，避免了不必要的麻烦。在实际测试中，使用单模光纤，以10Gb/s的调制速率工作，在实现210km双向传输的同时，误码率维持在10^-9以下。
网络方面其他细节的研究还有：（1）清华的研究者提出基于相位调制的NRZ信号，对光纤非线性，及放大噪声引起的色散具有更大的容忍度，更适合40Gb/s的高速传输应用。作者也显示了对不同色散程度，最优的调制深度如何选择；（2）Columbia大学的研究者对多阶光互联网的效率与成本提供了一些建议，考虑交换节点的数目，建立了多阶网络成本计算的一般模型。作者还证明了3×3的交换节点比2×2的更加富有效率。
波长转换方面：（1）法国的研究者利用电吸收调制器，基于交叉吸收调制结构制作了应用于高速网络的波长转换系统，使用现在的系统，待转换信号中心波长会发生红移，从而可以降低调制器有限响应时间的影响；（2）意大利的研究者利用SOA的两阶交叉增益调制，制作了可应用于WDM网络的多波长转换系统，其实验使用10Gb/s信号，同时实现了一200GHz间隔WDM的8通道的波长转换，信噪比良好；（3）东京大学的研究者则自己制作了一段1米长的氧化铋高非线性光纤，利用交叉相位调制效应制作了可以应用于10Gb/sNRZ传输系统的可调波长转换器，特别的，由于其光纤受激布里渊散射SBS的阈值非常高，因此不会有SBS发生，使得性能更加稳定。
系统方面的研究有：（1）天津大学的研究者对多点交换系统作了改进研究，使用交叉点开关面阵，将原来1对N的广播式发送发展为2对N的多点式发送。其系统几乎消除了分束损耗，在2对4的多点交换中，功耗低于4.5dB，信噪比和交换信号质量等参数也都很好；（2）西班牙的研究者针对光标签交换网络（标签速率10Gb/s），显示了其全光的地址识别系统。其主要原理是通过使用半导体光放大器和MZ干涉仪，制作了二字节的异或门，进而通过级联异或门的方式构建了二字节的相关器。通过测试，该系统可以实现13dB的消光比；（3）韩国研究者基于CMOS工艺制作了可用于2.5Gb/s光互联网的双向收发器，在同一芯片上可同时完成发射与接收功能，且两者共用了放大和驱动模块，最大化利用了资源。（4）NTT的研究者研发出了可应用于光标签交换的时钟晶体管阵列，为高速异步的光标签和CMOS电路的结合提供了一个平台，可以完成“序列对平行”或“平行对序列”的转换。由于系统OEIC化，尺寸、功耗和价格都得到了合理的控制，实验测试显示该芯片能完成至少20Gb/s的转换。
二.无源器件：
先来看一些集成器件：
（1）浙大的研究者基于AWG设计了结构紧凑、性能优异的单纤三向器件Triplexer。单纤三向传输技术一般使用1310nm、1490nm和1550nm三个波长，将1550nm的波长用于下行模拟CATV传输，使用无制冷的半导体激光二极管光源发射1310nm波长，用于终端用户的上行传输，而1490nm的波长则用于下行的数字传输，通过波分复用的方式将三方向传输复用到一根光纤中传输。由于该技术采用了点对多点传输方式，因此成本低，系统简单，稳定性高。而Triplexer则是相关技术的关键器件，其成本和性能都制约着技术的实用。由于覆盖光谱范围过大，通常的AWG设计是很难应用于Triplexer结构的，在现在的研究里，作者让第一个波长工作在不同的衍射级，并能将波长转换至另两个通道中间，通过这样的交叉级设计，突破了自由光谱范围有限的设计限制，且让几个输出波导接近等间距，最小化了器件尺寸，提高了通道均匀性。
（2）在光纤器件里，时延功能可以简单的通过光纤延时线来实现。但是集成波导器件里，要实现时延功能就没那么容易了，缺乏简单有效的器件。已经有很多研究者利用环行共振腔来完成这种延时操作，但遇到一个关键问题，就是这种基于共振原理的结构，其时延量和损耗大小相关，不同峰值功率的脉冲通过共振环的时延不一样。本期快报California大学的研究者对该结构进行了改进，加了一个旁路波导，通过电压调节来补偿损耗，让经过共振器的不同脉冲具有相同的峰值功率，显然这样就可以实现独立于损耗的时延。
空间器件方面：（1）南洋理工的研究者依靠重复写入啁啾的光纤光栅，制作了自由光谱范围可调的FP滤波器，通过悬臂的调整，完成调节过程；（2）秋田大学的研究者在每个液晶单元上加三个电极，电极上加了两个不同的电压，通过电压调节，在液晶层面上产生对称的不均匀电场分布，靠这样的操作，他们制作了焦距可调的透镜，其焦距可以从负到正的变化。
三.有源器件：
半导体激光器方面：（1）California大学的研究者报道了其基于注入锁定的改进VCSEL激光器，在1550nm波段具有高消光比的输出。所谓注入锁定激光器是指发射的强度峰值波长是受另一个光源个别信号的注入所控制的一种激光器。除了消光比高达20dB以外， 其共振频率和信号放大也分别达到了30GHz和10dB以上，这两项指标在有报道以来是最优的；（2）中科院半导体所的研究者将一1550nm的DFB激光器与一电吸收调制器单片集成，两者之间为实现低损耗耦合，加了模斑转换器，其依赖局部生长、量子阱结构、双芯等工艺；（3）曾经谈到，由于量子效率限制，有源器件大多使用三五族材料，而利用现有半导体工艺优势，无源器件多集成在硅基底上，如何实现有无源的OEIC集成是一个难题。曾提到使用分子键合技术，可以把两者集成在一块芯片上。本期法国的研究者就发表了相关的研究。基于分子键合和纳米微细加工技术，将三五族的激光器和探测器与SOI材料的无源器件集成在一起，其有源对无源的耦合效率大致在35％左右。
其它有源器件还有：（1）Wisconsin-Madison大学的研究者研究了面向下一代光通讯网络的超连续光源，他们将硅光纤和氟化物光纤反复级联，并将商用的掺铒光纤激光器与其耦合，利用拉曼光孤子的自漂移现象，可以获得由1.8微米到3.4微米的超连续光源发射，其平均输出功率接近5mW左右；（2）国立新加坡大学的研究者基于MEMs技术制作了激光器，可以实现高速螺旋激光发射，比起通常的空间光调制器速度要快得多。（作者 浙江大学 宋军博士）
