06年04月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-04-22 00:07:10 热度：4183
4/21/2006,自从05年年底PTL更换主编后，我们可以发现该期刊无论从形式还是从内容上都发生了不小的转变。首先从形式上PTL由原来的月刊改为了半月刊（为了评述方便，我仍每月评析一次）；而内容上的变化同样显著，这点从评析顺序上大家也许可以留意到，以往评论PTL的时候，第一部分我习惯以半导体激光器开始，因为前主编是这方面的权威，每期PTL有1/3是这方面的内容。然而新主编Christopher R. Doerr博士，来自朗讯，是网络与系统领域的专家，这点也反映到了期刊内容的选取方面，现在单期网络与系统方面的篇数已经取代了半导体激光器，成为PTL的重头内容。这也是最近我的评析开始把网络与系统放在第一部分的直接原因。
一、 光网络与系统：
1. OCDMA：网络方面论文增多最直接的表象就是有关OCDMA的研究开始增多，该技术受到的关注程度由此可见一斑。本期有关该技术的研究主要有：（1）目前的OCDMA系统，普遍采用最简单的On-Off键控的调制格式，该格式信号质量容易受到相干拍频噪声和多址干扰的影响。我们也多次提到很多研究者认为改用DPSK格式信号，可以有效改进系统的噪声公差。本期来自大阪大学的研究者就对使用DPSK格式的相干OCDMA系统作了实测，认为比起On-Off键控，现在的调制格式具有如下优势：具有更高的接收灵敏度、具有对多址干扰和拍频噪声更大的容忍度、不需用动态阈值设定（通常为适应用户数目动态改变而设置）和更高的系统安全性；（2）在OCDMA系统里，每个用户被分配一个码片，如何高效的实现编解码是一个关键问题，最近的一些研究普遍使用AWG、FBG和环路器组合实现这样的功能。本期Arizona大学的研究者提供了一个更为简便的结构，其在SOI材料上制作了一个不对称的Y分支波导，并在波导上制作了左右有二分之一周期错位的Bragg光栅，这样不对称的光栅能够使反射光由奇模向偶模转换，且只有发生这样的转换才能满足Bragg反射条件。另外其两个Y分支波导壁宽度也不对称，入射端窄（只传输奇模），而光栅反射后的输出壁则较宽，正好可以满足让偶模传输，因此既避免了回损对输入的影响，也不再需要使用环行器；（3）已有的OCDMA系统，单用户速率一般维持在2.5Gb/s左右，本期普林斯顿大学的研究者报导了其单用户5Gb/s的实测OCDMA系统。为实现波长对时间的编码，作者采用了超连续的光源，且多个这样的编码器被使用以形成一个星型网络。对每个用户使用可调的集成光延时线实现有选择的解调，且每个用户使用了一个光闸，以抑制多址干扰。其测试系统里同时使用了八个用户，且每个用户码列上载时没有使用同步装置；（4）基于多波长正交码的OCDMA系统，容易受到电流损伤的影响。本期葡萄牙的研究者提出了一种新的多波长光正交OCDMA方案。该方案使用了环行码，这样让相邻两波长正交的话，就可以直接使用临近的波长，从而简化了发射装置，使得两个用户同时使用一个编解码器成为可能。要实现这样的波长正交，作者使用了基于高双折射光纤制作的FBG。
2. DPSK调制格式：（1）利用差分相移键控对噪声和非线性的抵御力，可以有效提升光网络单通道传输速率。近年来单通道调制速率不断的从10Gb/s－20－40－80－160Gb/s。然而值得注意的是现在通用的研究或商用系统很少有单通道速率超过40Gb/s的。这是因为通常40－80 Gb/s的跨越是通过偏振复用的方式实现的。这就需要使用相对原来两倍的发射或接收单元，且整个系统调控变得更复杂，因此系统成本会随着传输距离指数上升。另外不要说80Gb/s，就连40Gb/s也很难实现长距离操作。前年朗讯利用单偏振实现了单通道42.7Gb/s，共2800km的长距离传输，本期来自Bell实验室的研究者对同一系统，研究了系统公差（如色散、PMD和窄带滤波等）对单通道42.7Gb/s的DQPSK信号传输的影响。实测表明传输性能稳定，该格式的信号已经具有商用化的潜力了；（2）对使用DPSK格式的传输系统，由于探测器干涉计频率相对光源时常发生偏移，直接影响到探测效率和误码率。本期三星电子的研究者将相位调制的信号在进入干涉计前转换为强度调制信号，然后对其频率相对光源频率的漂移进行了实时监控，这样可以及时进行频漂补偿，提高探测效率。其探测范围从10MHz到2GHz，基本覆盖了可能引起的频漂范围。
3.网络系统方面的论文主要还有：（1）NTT的研究者将光时钟晶体管阵列与金属-氧化物-半导体电子元器件集成在一块InP芯片上，这样的OEIC模块被用来实现并列变串行，或串行变并列的光标签交换；（2）日本Electro-Communications大学的研究者将三个基于半导体光放大器的波长转换器级联，其中每个转换器针对不同的增益带宽，这样他们实现了从1320nm到1610nm的大范围波长转换；（3）加州大学的研究者研究了对双二进制信号，使用不同相干探测方案下的量子效率极限。结果证明对零差、外差同步和外差异步三种探测方式，其量子极限分别为15、30和31photons/bit；（4）介绍过很多DQPSK调制格式的应用，其实连续相位频移键控信号（CPFSK）也是在长距离通讯系统里很有应用潜力的一种调制格式。与DQPSK的调制方式相比，CPFSK式使接收机易于实现，对相位稳定度要求不高， 不易受外界温度噪声的影响，且具有较低的信号解调功耗。本期日本国家信息技术研究院的研究者对10Gb/s外部调制的CPFSK信号提供了一种同步控制技术。其主要利用了上下边带的FSK信号在同相时能够漂移到其他边带区域的原理实现同步，这样的同步控制可以让时钟信号和数据信号间的失配低于25％。
二、有源器件：
1. 量子点激光器：与量子线或量子阱激光器相比，量子点激光器具有更低的阈值电流密度，更高的特征温度和更高的增益等许多优势。这些优势主要来自于量子点结构三维受限而引起的一系列有趣物理效应，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等。对这些效应的合理运用都有助于改善材料的性能，制作出许多性能优良的器件。本期有关量子点激光器的研究主要有：（1）以InP为基底的量子阱激光器制作成本高，室温性能较差。特别由于缺少适合于制作Bragg反射镜的半导体材料，而使得制作适合中长距离应用的长波VCSEL激光器异常困难。因此工作在1.3μm的以GaAs为基底的量子点激光器，很有希望取代InP为基底的量子阱激光器。本期台湾成功大学的研究者就报导了其相关研究，作者基于GaAs材料，制作了1.3μm的量子点VCSEL激光器。其量子点结构仍采用最普遍的自复合技术，其激光器室温功率为330μW，通过边模抑制，实现了消光比为30dB的单模输出；（2）英国Cardiff大学的研究者就GaAs基底上生长基于InAs的1.3μm量子点激光器作了研究，侧重点在于研究无辐射复合工艺，作者证明在300K的温度，即使注入电流密度很低的情况下，也有80％的复合过程以无辐射形式发生；（3）Wisconsin-Madison大学的研究者研究了以MOCVD工艺生长量子点激光器过程里温度所扮演的角色。作者指出，对五层的量子点激光器，达到外腔差分量子效率所对应的特征温度，至少比通常的量子阱激光器要高400K，而阈值电流密度对应下的特征温度则比量子阱激光器要低100K；（4）德国研究者则使用InP–GaP材料制作了量子点LED，获得了绿光辐射（550nm）。另一个有趣现象是通过对电流密度调节可以让光从绿向红逐渐转变。
2. 调制器：（1）电吸收调制器现在已经被广泛应用于从2.5Gb/s-10Gb/s的传输系统中。然而比起MZ调制器，电吸收调制器有相对较大的啁啾系数，因此容易受到色散的影响。通常对未经过色散补偿的10Gb/s系统，采用电吸收调制器一般只能维持80km的传输距离。本期三星电子的研究者对此作了改进研究。作者通过电吸收调制器实现了CPFSK-ASK格式的调制，利用该格式信号每个间隔处大小为π的相位漂移来及时完成对频率漂移的补偿，靠这样的办法，可以将无色散补偿传输距离提高25％－75％左右；（2）对基于电吸收调制器的发射机，由于易受到量子受限的Stark效应影响，因此必须加上热冷却装置，以维持输出的稳定性。本期德国Ulm大学的研究者基于InGaAlAs–InP材料，单片集成了电吸收调制器和激光器，且它们共享一个有源层，靠动态调节调制器的偏压，实现了从20－70摄氏度的温度独立的工作。其调制速率为40Gb/s，在上述温度范围内动态消光比至少为8dB，对光纤耦合后的功率平均为0.85mW。
三、无源器件：
（1）环行共振器是一种非常重要的无源器件，在光加减复用、光交换中都有广泛的应用。本期意大利的研究者仍基于该结构制作了偏振转换器。其显著特点是通过共振频率和结构自由光谱范围的调整可以实现适应WDM应用的周期性频谱响应，这个特性可以让器件应用在偏振复用网络里；（2）丹麦的研究者基于SOI材料制作了2×8的功分器。有特色的是其采用了紫外直写技术制作波导结构，这是一种被认为相对通常半导体工艺更简单高效的技术。靠该技术制作的功分器显示了低损耗、均匀性好的特征。紫外直写是一种性价比很高的集成器件制作工艺，美中不足的是技术尚不成熟，只能制作结构相对简单的器件，迄今为止，利用该技术制作的器件仅局限于分束器、耦合器等简单结构。（作者 浙江大学宋军博士）
一、 光网络与系统：
1. OCDMA：网络方面论文增多最直接的表象就是有关OCDMA的研究开始增多，该技术受到的关注程度由此可见一斑。本期有关该技术的研究主要有：（1）目前的OCDMA系统，普遍采用最简单的On-Off键控的调制格式，该格式信号质量容易受到相干拍频噪声和多址干扰的影响。我们也多次提到很多研究者认为改用DPSK格式信号，可以有效改进系统的噪声公差。本期来自大阪大学的研究者就对使用DPSK格式的相干OCDMA系统作了实测，认为比起On-Off键控，现在的调制格式具有如下优势：具有更高的接收灵敏度、具有对多址干扰和拍频噪声更大的容忍度、不需用动态阈值设定（通常为适应用户数目动态改变而设置）和更高的系统安全性；（2）在OCDMA系统里，每个用户被分配一个码片，如何高效的实现编解码是一个关键问题，最近的一些研究普遍使用AWG、FBG和环路器组合实现这样的功能。本期Arizona大学的研究者提供了一个更为简便的结构，其在SOI材料上制作了一个不对称的Y分支波导，并在波导上制作了左右有二分之一周期错位的Bragg光栅，这样不对称的光栅能够使反射光由奇模向偶模转换，且只有发生这样的转换才能满足Bragg反射条件。另外其两个Y分支波导壁宽度也不对称，入射端窄（只传输奇模），而光栅反射后的输出壁则较宽，正好可以满足让偶模传输，因此既避免了回损对输入的影响，也不再需要使用环行器；（3）已有的OCDMA系统，单用户速率一般维持在2.5Gb/s左右，本期普林斯顿大学的研究者报导了其单用户5Gb/s的实测OCDMA系统。为实现波长对时间的编码，作者采用了超连续的光源，且多个这样的编码器被使用以形成一个星型网络。对每个用户使用可调的集成光延时线实现有选择的解调，且每个用户使用了一个光闸，以抑制多址干扰。其测试系统里同时使用了八个用户，且每个用户码列上载时没有使用同步装置；（4）基于多波长正交码的OCDMA系统，容易受到电流损伤的影响。本期葡萄牙的研究者提出了一种新的多波长光正交OCDMA方案。该方案使用了环行码，这样让相邻两波长正交的话，就可以直接使用临近的波长，从而简化了发射装置，使得两个用户同时使用一个编解码器成为可能。要实现这样的波长正交，作者使用了基于高双折射光纤制作的FBG。
2. DPSK调制格式：（1）利用差分相移键控对噪声和非线性的抵御力，可以有效提升光网络单通道传输速率。近年来单通道调制速率不断的从10Gb/s－20－40－80－160Gb/s。然而值得注意的是现在通用的研究或商用系统很少有单通道速率超过40Gb/s的。这是因为通常40－80 Gb/s的跨越是通过偏振复用的方式实现的。这就需要使用相对原来两倍的发射或接收单元，且整个系统调控变得更复杂，因此系统成本会随着传输距离指数上升。另外不要说80Gb/s，就连40Gb/s也很难实现长距离操作。前年朗讯利用单偏振实现了单通道42.7Gb/s，共2800km的长距离传输，本期来自Bell实验室的研究者对同一系统，研究了系统公差（如色散、PMD和窄带滤波等）对单通道42.7Gb/s的DQPSK信号传输的影响。实测表明传输性能稳定，该格式的信号已经具有商用化的潜力了；（2）对使用DPSK格式的传输系统，由于探测器干涉计频率相对光源时常发生偏移，直接影响到探测效率和误码率。本期三星电子的研究者将相位调制的信号在进入干涉计前转换为强度调制信号，然后对其频率相对光源频率的漂移进行了实时监控，这样可以及时进行频漂补偿，提高探测效率。其探测范围从10MHz到2GHz，基本覆盖了可能引起的频漂范围。
3.网络系统方面的论文主要还有：（1）NTT的研究者将光时钟晶体管阵列与金属-氧化物-半导体电子元器件集成在一块InP芯片上，这样的OEIC模块被用来实现并列变串行，或串行变并列的光标签交换；（2）日本Electro-Communications大学的研究者将三个基于半导体光放大器的波长转换器级联，其中每个转换器针对不同的增益带宽，这样他们实现了从1320nm到1610nm的大范围波长转换；（3）加州大学的研究者研究了对双二进制信号，使用不同相干探测方案下的量子效率极限。结果证明对零差、外差同步和外差异步三种探测方式，其量子极限分别为15、30和31photons/bit；（4）介绍过很多DQPSK调制格式的应用，其实连续相位频移键控信号（CPFSK）也是在长距离通讯系统里很有应用潜力的一种调制格式。与DQPSK的调制方式相比，CPFSK式使接收机易于实现，对相位稳定度要求不高， 不易受外界温度噪声的影响，且具有较低的信号解调功耗。本期日本国家信息技术研究院的研究者对10Gb/s外部调制的CPFSK信号提供了一种同步控制技术。其主要利用了上下边带的FSK信号在同相时能够漂移到其他边带区域的原理实现同步，这样的同步控制可以让时钟信号和数据信号间的失配低于25％。
二、有源器件：
1. 量子点激光器：与量子线或量子阱激光器相比，量子点激光器具有更低的阈值电流密度，更高的特征温度和更高的增益等许多优势。这些优势主要来自于量子点结构三维受限而引起的一系列有趣物理效应，如量子效应、量子隧穿、非线性光学等。对这些效应的合理运用都有助于改善材料的性能，制作出许多性能优良的器件。本期有关量子点激光器的研究主要有：（1）以InP为基底的量子阱激光器制作成本高，室温性能较差。特别由于缺少适合于制作Bragg反射镜的半导体材料，而使得制作适合中长距离应用的长波VCSEL激光器异常困难。因此工作在1.3μm的以GaAs为基底的量子点激光器，很有希望取代InP为基底的量子阱激光器。本期台湾成功大学的研究者就报导了其相关研究，作者基于GaAs材料，制作了1.3μm的量子点VCSEL激光器。其量子点结构仍采用最普遍的自复合技术，其激光器室温功率为330μW，通过边模抑制，实现了消光比为30dB的单模输出；（2）英国Cardiff大学的研究者就GaAs基底上生长基于InAs的1.3μm量子点激光器作了研究，侧重点在于研究无辐射复合工艺，作者证明在300K的温度，即使注入电流密度很低的情况下，也有80％的复合过程以无辐射形式发生；（3）Wisconsin-Madison大学的研究者研究了以MOCVD工艺生长量子点激光器过程里温度所扮演的角色。作者指出，对五层的量子点激光器，达到外腔差分量子效率所对应的特征温度，至少比通常的量子阱激光器要高400K，而阈值电流密度对应下的特征温度则比量子阱激光器要低100K；（4）德国研究者则使用InP–GaP材料制作了量子点LED，获得了绿光辐射（550nm）。另一个有趣现象是通过对电流密度调节可以让光从绿向红逐渐转变。
2. 调制器：（1）电吸收调制器现在已经被广泛应用于从2.5Gb/s-10Gb/s的传输系统中。然而比起MZ调制器，电吸收调制器有相对较大的啁啾系数，因此容易受到色散的影响。通常对未经过色散补偿的10Gb/s系统，采用电吸收调制器一般只能维持80km的传输距离。本期三星电子的研究者对此作了改进研究。作者通过电吸收调制器实现了CPFSK-ASK格式的调制，利用该格式信号每个间隔处大小为π的相位漂移来及时完成对频率漂移的补偿，靠这样的办法，可以将无色散补偿传输距离提高25％－75％左右；（2）对基于电吸收调制器的发射机，由于易受到量子受限的Stark效应影响，因此必须加上热冷却装置，以维持输出的稳定性。本期德国Ulm大学的研究者基于InGaAlAs–InP材料，单片集成了电吸收调制器和激光器，且它们共享一个有源层，靠动态调节调制器的偏压，实现了从20－70摄氏度的温度独立的工作。其调制速率为40Gb/s，在上述温度范围内动态消光比至少为8dB，对光纤耦合后的功率平均为0.85mW。
三、无源器件：
（1）环行共振器是一种非常重要的无源器件，在光加减复用、光交换中都有广泛的应用。本期意大利的研究者仍基于该结构制作了偏振转换器。其显著特点是通过共振频率和结构自由光谱范围的调整可以实现适应WDM应用的周期性频谱响应，这个特性可以让器件应用在偏振复用网络里；（2）丹麦的研究者基于SOI材料制作了2×8的功分器。有特色的是其采用了紫外直写技术制作波导结构，这是一种被认为相对通常半导体工艺更简单高效的技术。靠该技术制作的功分器显示了低损耗、均匀性好的特征。紫外直写是一种性价比很高的集成器件制作工艺，美中不足的是技术尚不成熟，只能制作结构相对简单的器件，迄今为止，利用该技术制作的器件仅局限于分束器、耦合器等简单结构。（作者 浙江大学宋军博士）
