06年02月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-02-27 23:02:28 热度：2465
02/28/2006
一、光网络与系统：
先来看两篇有关RZ-DPSK格式信号使用的文章：
（1）加拿大的研究者利用10Gb/s的RZ-DPSK调制格式，结合电子色散补偿（EDC）技术，实现了5120km的无色散补偿传输。通常对长距离通讯系统，色散补偿是必须解决的一个关键问题，最传统的补偿方法是使用色散补偿光纤，并和传输光纤交替使用实现长距离的中继色散补偿。而所谓的“无色散补偿”，并不是真的不对色散进行补偿，只是说不在传输过程中进行补偿。其实这个概念在前面的一些评析中已经谈到过，并提到必然采用发射端对色散的“预补偿”或接收端的“后补偿”两种方式。同样我们也不只一次提到过RZ-DPSK调制格式相比通常的强度调制，对噪声和色散具有良好的抵御力，能获得很高的信噪比。因此很容易理解，在无色散补偿传输里，采用RZ-DPSK格式信号可大大缓解色散预补偿或后补偿的压力。曾经的评析里介绍过有研究者采用一米长的高非线性光纤实现了对色散的预补偿，本期加拿大的研究者采用的是另一种常用方案，即使用EDC方法，其针对电领域里的光信号进行色散补偿。其实色散效应还会随着传输速率的提升而增强，而对10Gb/s以下的调制速度，EDC方法的色散补偿力还是非常强的，因此在这些调制速度以下，EDC都是IEEE或OIF色散补偿的技术基础。本期加拿大研究者就使用了RZ-DPSK格式信号，并采用了EDC方法进行色散预补偿，因此实现了5120km的长距离无色散补偿传输，该距离也是有报导以来最长的。但是我们必须注意，对更高的调制速度如40Gb/s，采用以前报导的高非线性光纤来预补偿就更加合适了，因为此时PMD和模间色散都很严重，依赖EDC很难保证这么长的传输距离。
（2）还是因为RZ-DPSK调制格式对噪声和非线性良好的抵御力，在高传输速率应用方面，该调制方式也成为首选。本期日本国家通讯研究院就报导了其基于RZ-DPSK调制格式的8×160Gb/s的WDM网实验结果。其实单通道实现160Gb/s调制已经多次被介绍，而将这样高速的单通道调制应用于WDM网上，成功的实验系统却并不多，和以往一些报导对比，该研究的特点是在发射端使用了单一偏振，这样PMD效应的影响就不再强烈，因此只使用简单的PMD补偿就实现了200km的传输。
再来看WDM技术：
（1）Atlanta工学院的研究者利用载波抑制与分离（OCSS）技术，实现了利用单一激光器的双向WDM脉冲发射。原理很简单，对一个DFB激光器，当使用OCSS技术后，可以得到波长相差0.2nm的两个谱峰。当一个波长用于WDM的上载信号调制的时候，另一个波长可以伴随的进行下载调制，这样就实现了双向的OADM操作，比起通常的方法，由于仅使用了一个激光器，显然节省了成本，也提高了系统稳定性。作者使用类似的波长对，实验显示了32通道的WDM应用，在短距离测试上实现了无误差的传输。
（2）Corning的研究者报导了其高通道均匀性的粗波分复用CWDM系统。通过对由拉曼放大器和SOA组成的混合放大系统进行优化设计，可以实现高平坦高增益的宽带放大。实验中作者利用该技术实现了70nm以上带宽的高平坦放大。这样，其可支持20nm间隔的四个通道的CWDM应用，其测量值除显示出了优良的通道均匀性外，还具有偏振不敏感等优势。单就该混合放大技术而言，作者预计通过技术推广，还可以对1300nm－1650nm的超宽波长范围的WDM应用实现高平坦放大。
光交换方面：
（1）在动态光分组交换过程里，一个复杂的问题是待交换的信息块长度是可变的，如果网络要能支持IP协议，那么必须要实现长度从40bit到1500bit的动态数据组交换。然而实际操作过程里要实现长度可变的光信号交换并不容易，因为目前为止，最容易实现的光缓冲方式只有使用光纤延时线。通常我们能想到的方法有三个，一是维持数据包不变，而使用不同长度的光纤延时线，但显然系统会很复杂；二是将数据包拆分成等长的小块，而使用同等长度的光纤延时线，但显然信息块延时的调度算法会比较复杂，而且容易出错；三是借鉴光突发交换（OBS）的模式，这要对系统终端进行改进。本期California大学的研究者实验显示了其最新的研究，他们基于固定的光纤延时线，但使用一个可触发的光纤环，将40－1500bit范围内长度可变的数据包压缩成2.5－10Gb/s可变调制速度但等长度的数据包，进而解决了这一问题。
（2）光标签交换OLS作为一种光交换技术，将标签转发的速度优势、光网络的带宽优势，以及电子处理的功能灵活性很好的结合了起来。本期California大学的研究者实验显示了其支持多点广播的OLS系统。对10Gb/s的调制信号，作者使用SOA基MZ干涉仪，利用交叉相位调制效应，实现了面向多点广播的多波长转化。
（3）空间光交换是为了适用将来更复杂的光网络系统而提出的一种三维光交换技术，已有的研究都基于MEMs技术来实现，一般系统较复杂，本期加拿大的研究者利用电子微马达来取代MEMs元件，并结合光栅等元件，能同时对15个通道实现速度12ms的光交换。
本期系统方面的研究还有：
（1）我们知道在无线电通讯里，调幅产生的上下两个完全对称的边带同时会被保留下来，它们所携带的信息相同，造成了载波功率和传输频带的浪费。因此在无线电通讯中，经常通过滤波滤除一个边带，实现单边带信号的传输。然而对要实现光信号的单边带传输，就没那么容易了，因为相比于无线电信号，光频要求滤波具有陡峭的边缘，这通常实现起来比较困难。本期葡萄牙的研究者对此作了研究。他们通过对输入光信号进行相位调制，降低了信号在滤波过程里的强度扭曲，进而实现了光信号的单边带滤波调制，该方法的另一个显著优势是具有波长独立性，这非常适合WDM应用。通过单边带调制，光信号非常容易进行电子色散补偿操作，因此这样的系统也可用于长距离的无色散补偿传输应用中。
（2）对高速系统，除了色散补偿，对色散变化进行实时监控也是保障系统正常工作的重要环节。对一个光网络，色散主要会因为季节性温度变化、系统节点维护、波长敏感元件的波长漂移、可重构网络的信息实时容量改变等因素而发生变化。本期Southern California大学的研究者为40Gb/s的高速系统提供了一种简便的色散监控方法，其在传输光纤里耦合入一个RZ调制格式的单色探测波，利用探测波与信号波之间交叉相位调制得到信号强度随系统色散大小变化的特性来对色散实时监控，其监控范围在正负42ps/nm左右。
二、有源器件：
（1）调制频率响应是LD最重要的性能参数之一，此前对二极管激光器，实验可获得的最高的调制频率响应约31GHz，而对VCSEL激光器，该值仅有15GHz。本期加拿大研究者利用光注入锁相技术，消除了基本的共振极限，将1.55微米VCSEL激光器的调制频率提高到了50GHz，将长波VCSEL激光器技术推向一个全新高度，根据其测试结果，该器件至少可以用在短距离WDM网络中。然而比起以往的报到，其注入锁相技术需要非常大的注入强度，这也是其技术面向推广的最大瓶颈。
（2）半导体激光器在光电集成应用上的一个主要缺点是对回损很敏感。在一块芯片里，很多其他元件都会将或多或少的光返回激光器，Mount Holyoke学院的研究者就利用热压效应来对PIC芯片里激光器的反馈光大小做出了定量的测量。
（3）台湾成功大学的研究者对长波VCSEL的制作工艺作了改进，利用MBE工艺生长了AlGaAs的PN结和Bragg反射器，其器件在室温下能发射1.3微米波段，峰值功率0.33mW的连续波，旁瓣抑制比也达到了28dB，其最大的特点还是简化了工艺步骤，避免了共面欧姆接触部分的制作。
三、无源器件：
（1）聚合物材料因为其低廉的价格，和简单的旋涂工艺而在光子集成上受到广泛关注。但材料本身热光系数高，偏振敏感，所以很难获得高品质的聚合物器件，特别是高通道密度的DWDM器件。但如果降低要求，用聚合物制作粗波分复用CWDM器件，还是很有应用前景的。本期加拿大的研究者就制作了5通道的聚合物CWDM器件，包括对光纤耦合损耗后，全部损耗低于6dB，通道均匀性维持在正负0.5dB，特别是中心波长热漂移，温度每变化1摄氏度，波长仅漂移0.045nm，这对CWDM应用已经没有大的影响了。（2）环状共振腔是一种非常重要的集成器件，可以用在可调滤波，光交换，光电调制等多个领域。本期基于SOI材料，加拿大的研究者报导了其旨在降低双折射的偏振不敏感型共振腔，而土耳其研究者则基于该共振腔制作了低功耗的热光交换器。
（3）MZ干涉仪现在被广泛应用于一些复杂的周期性滤波场合，如光频标准具，以及DPSK信号接收端的光频滤波等。但在实际制作过程里很难获得滤波周期完全与ITU标准吻合的器件。本期NTT的研究者利用相位载波耦合器来产生频率相关的非线性相位，可以调节MZ滤波周期恰好与ITU栅格频率相吻合，其误差小于正负0.3GHz。
(作者：浙江大学宋军博士)
一、光网络与系统：
先来看两篇有关RZ-DPSK格式信号使用的文章：
（1）加拿大的研究者利用10Gb/s的RZ-DPSK调制格式，结合电子色散补偿（EDC）技术，实现了5120km的无色散补偿传输。通常对长距离通讯系统，色散补偿是必须解决的一个关键问题，最传统的补偿方法是使用色散补偿光纤，并和传输光纤交替使用实现长距离的中继色散补偿。而所谓的“无色散补偿”，并不是真的不对色散进行补偿，只是说不在传输过程中进行补偿。其实这个概念在前面的一些评析中已经谈到过，并提到必然采用发射端对色散的“预补偿”或接收端的“后补偿”两种方式。同样我们也不只一次提到过RZ-DPSK调制格式相比通常的强度调制，对噪声和色散具有良好的抵御力，能获得很高的信噪比。因此很容易理解，在无色散补偿传输里，采用RZ-DPSK格式信号可大大缓解色散预补偿或后补偿的压力。曾经的评析里介绍过有研究者采用一米长的高非线性光纤实现了对色散的预补偿，本期加拿大的研究者采用的是另一种常用方案，即使用EDC方法，其针对电领域里的光信号进行色散补偿。其实色散效应还会随着传输速率的提升而增强，而对10Gb/s以下的调制速度，EDC方法的色散补偿力还是非常强的，因此在这些调制速度以下，EDC都是IEEE或OIF色散补偿的技术基础。本期加拿大研究者就使用了RZ-DPSK格式信号，并采用了EDC方法进行色散预补偿，因此实现了5120km的长距离无色散补偿传输，该距离也是有报导以来最长的。但是我们必须注意，对更高的调制速度如40Gb/s，采用以前报导的高非线性光纤来预补偿就更加合适了，因为此时PMD和模间色散都很严重，依赖EDC很难保证这么长的传输距离。
（2）还是因为RZ-DPSK调制格式对噪声和非线性良好的抵御力，在高传输速率应用方面，该调制方式也成为首选。本期日本国家通讯研究院就报导了其基于RZ-DPSK调制格式的8×160Gb/s的WDM网实验结果。其实单通道实现160Gb/s调制已经多次被介绍，而将这样高速的单通道调制应用于WDM网上，成功的实验系统却并不多，和以往一些报导对比，该研究的特点是在发射端使用了单一偏振，这样PMD效应的影响就不再强烈，因此只使用简单的PMD补偿就实现了200km的传输。
再来看WDM技术：
（1）Atlanta工学院的研究者利用载波抑制与分离（OCSS）技术，实现了利用单一激光器的双向WDM脉冲发射。原理很简单，对一个DFB激光器，当使用OCSS技术后，可以得到波长相差0.2nm的两个谱峰。当一个波长用于WDM的上载信号调制的时候，另一个波长可以伴随的进行下载调制，这样就实现了双向的OADM操作，比起通常的方法，由于仅使用了一个激光器，显然节省了成本，也提高了系统稳定性。作者使用类似的波长对，实验显示了32通道的WDM应用，在短距离测试上实现了无误差的传输。
（2）Corning的研究者报导了其高通道均匀性的粗波分复用CWDM系统。通过对由拉曼放大器和SOA组成的混合放大系统进行优化设计，可以实现高平坦高增益的宽带放大。实验中作者利用该技术实现了70nm以上带宽的高平坦放大。这样，其可支持20nm间隔的四个通道的CWDM应用，其测量值除显示出了优良的通道均匀性外，还具有偏振不敏感等优势。单就该混合放大技术而言，作者预计通过技术推广，还可以对1300nm－1650nm的超宽波长范围的WDM应用实现高平坦放大。
光交换方面：
（1）在动态光分组交换过程里，一个复杂的问题是待交换的信息块长度是可变的，如果网络要能支持IP协议，那么必须要实现长度从40bit到1500bit的动态数据组交换。然而实际操作过程里要实现长度可变的光信号交换并不容易，因为目前为止，最容易实现的光缓冲方式只有使用光纤延时线。通常我们能想到的方法有三个，一是维持数据包不变，而使用不同长度的光纤延时线，但显然系统会很复杂；二是将数据包拆分成等长的小块，而使用同等长度的光纤延时线，但显然信息块延时的调度算法会比较复杂，而且容易出错；三是借鉴光突发交换（OBS）的模式，这要对系统终端进行改进。本期California大学的研究者实验显示了其最新的研究，他们基于固定的光纤延时线，但使用一个可触发的光纤环，将40－1500bit范围内长度可变的数据包压缩成2.5－10Gb/s可变调制速度但等长度的数据包，进而解决了这一问题。
（2）光标签交换OLS作为一种光交换技术，将标签转发的速度优势、光网络的带宽优势，以及电子处理的功能灵活性很好的结合了起来。本期California大学的研究者实验显示了其支持多点广播的OLS系统。对10Gb/s的调制信号，作者使用SOA基MZ干涉仪，利用交叉相位调制效应，实现了面向多点广播的多波长转化。
（3）空间光交换是为了适用将来更复杂的光网络系统而提出的一种三维光交换技术，已有的研究都基于MEMs技术来实现，一般系统较复杂，本期加拿大的研究者利用电子微马达来取代MEMs元件，并结合光栅等元件，能同时对15个通道实现速度12ms的光交换。
本期系统方面的研究还有：
（1）我们知道在无线电通讯里，调幅产生的上下两个完全对称的边带同时会被保留下来，它们所携带的信息相同，造成了载波功率和传输频带的浪费。因此在无线电通讯中，经常通过滤波滤除一个边带，实现单边带信号的传输。然而对要实现光信号的单边带传输，就没那么容易了，因为相比于无线电信号，光频要求滤波具有陡峭的边缘，这通常实现起来比较困难。本期葡萄牙的研究者对此作了研究。他们通过对输入光信号进行相位调制，降低了信号在滤波过程里的强度扭曲，进而实现了光信号的单边带滤波调制，该方法的另一个显著优势是具有波长独立性，这非常适合WDM应用。通过单边带调制，光信号非常容易进行电子色散补偿操作，因此这样的系统也可用于长距离的无色散补偿传输应用中。
（2）对高速系统，除了色散补偿，对色散变化进行实时监控也是保障系统正常工作的重要环节。对一个光网络，色散主要会因为季节性温度变化、系统节点维护、波长敏感元件的波长漂移、可重构网络的信息实时容量改变等因素而发生变化。本期Southern California大学的研究者为40Gb/s的高速系统提供了一种简便的色散监控方法，其在传输光纤里耦合入一个RZ调制格式的单色探测波，利用探测波与信号波之间交叉相位调制得到信号强度随系统色散大小变化的特性来对色散实时监控，其监控范围在正负42ps/nm左右。
二、有源器件：
（1）调制频率响应是LD最重要的性能参数之一，此前对二极管激光器，实验可获得的最高的调制频率响应约31GHz，而对VCSEL激光器，该值仅有15GHz。本期加拿大研究者利用光注入锁相技术，消除了基本的共振极限，将1.55微米VCSEL激光器的调制频率提高到了50GHz，将长波VCSEL激光器技术推向一个全新高度，根据其测试结果，该器件至少可以用在短距离WDM网络中。然而比起以往的报到，其注入锁相技术需要非常大的注入强度，这也是其技术面向推广的最大瓶颈。
（2）半导体激光器在光电集成应用上的一个主要缺点是对回损很敏感。在一块芯片里，很多其他元件都会将或多或少的光返回激光器，Mount Holyoke学院的研究者就利用热压效应来对PIC芯片里激光器的反馈光大小做出了定量的测量。
（3）台湾成功大学的研究者对长波VCSEL的制作工艺作了改进，利用MBE工艺生长了AlGaAs的PN结和Bragg反射器，其器件在室温下能发射1.3微米波段，峰值功率0.33mW的连续波，旁瓣抑制比也达到了28dB，其最大的特点还是简化了工艺步骤，避免了共面欧姆接触部分的制作。
三、无源器件：
（1）聚合物材料因为其低廉的价格，和简单的旋涂工艺而在光子集成上受到广泛关注。但材料本身热光系数高，偏振敏感，所以很难获得高品质的聚合物器件，特别是高通道密度的DWDM器件。但如果降低要求，用聚合物制作粗波分复用CWDM器件，还是很有应用前景的。本期加拿大的研究者就制作了5通道的聚合物CWDM器件，包括对光纤耦合损耗后，全部损耗低于6dB，通道均匀性维持在正负0.5dB，特别是中心波长热漂移，温度每变化1摄氏度，波长仅漂移0.045nm，这对CWDM应用已经没有大的影响了。（2）环状共振腔是一种非常重要的集成器件，可以用在可调滤波，光交换，光电调制等多个领域。本期基于SOI材料，加拿大的研究者报导了其旨在降低双折射的偏振不敏感型共振腔，而土耳其研究者则基于该共振腔制作了低功耗的热光交换器。
（3）MZ干涉仪现在被广泛应用于一些复杂的周期性滤波场合，如光频标准具，以及DPSK信号接收端的光频滤波等。但在实际制作过程里很难获得滤波周期完全与ITU标准吻合的器件。本期NTT的研究者利用相位载波耦合器来产生频率相关的非线性相位，可以调节MZ滤波周期恰好与ITU栅格频率相吻合，其误差小于正负0.3GHz。
(作者：浙江大学宋军博士)
