06年05月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-05-23 00:42:44 热度：2132
5/22/2006,作者 浙江大学 宋军博士
一、网络与系统：
1. WDM-PON：
在学术领域WDM-PON普遍被认为是全光网络迈入实用化的最佳选择，也是技术发展的形式所趋。然而到目前为止，就其实用化程度来言，多少令人有点尴尬，其高昂的成本和复杂的色散管理、波长监控等也为系统运营增加了不少难度。到目前为止，真正成功商用的系统还多集中在日韩，美国应用的并不多，而欧洲则更少。不同地区的运营状况有差异，多多少少会影响该地区研究方向的变化。近两年有关WDM-PON技术改进研究的最热的也集中于日韩，他们想方设法降低系统复杂度，降低运营成本。这其中韩国的Advanced Institute of Science and Technology就是一个非常活跃的研究小组。在去年7月的评析中，曾介绍过他们面向WDM应用，将F-P腔引入了ASE光源，制成了成本很低的具有波长锁定功能的光源。本期他们继续对该方案做了改进，主要是使用了低噪声的宽频光源，去代替传统的基于EDFA的宽频光源。这样做的目的是为了在低波长间隔应用时（低于50GHz），降低经过复用/解复用器产生的信号质量恶化。利用其改进系统相对强度噪声低的特性，进而作者宣称利用该系统可以实现波长独立的工作。
2. 调制格式：
对基于RZ-DPSK格式的系统，定时调校是一个非常重要的系统性能指标。如该格式信号以10Gb/s传输，定时失配达到15ps，系统的功率损耗就会迅速增加。如调制速率提高到40Gb/s，系统允许的定时调校将精度应高于3.75ps。因此如何高效的对系统脉冲整形与相位调制间的时间错位进行精确测定，并有效自动调校是RZ-DPSK系统面向实用必须要解决的问题。已有两种方法可以实现这个目的，一个是利用保偏光纤对由于时间失配引起的偏振变化作测定；另一个是利用偏心滤波器对时间失配引起的频率啁啾进行测定。但两种方法都有缺陷。本期台湾交通大学的研究者提供了另一种方案。他们使用了一个探测波长在相位调制速率一半左右的微波探测器和一个光学鉴频器，利用这些器件来对由于时间失配引起的光谱展宽进行测定。比起前面提到的两种方法，该方案具有两个优势，其一是偏振无关，其二是动态探测范围大。
对长距离的DPSK系统，非线性仍是影响系统性能的关键因素。而其中最关键的效应是非线性相位漂移（来自于ASE和SPM）。本期Cornell大学的研究者提出了对使用DPSK格式长距离传输后信号的非线性后补偿技术。其补偿单元由偏振分束器PBS、可调光衰减器VOA、相位调制器和探测器组成。信号先由PBS按照偏振不同分为两束，然后各自被一个相位调制器调节，其驱动信号来自于输入信号经过探测器和射频放大器后的混合。其驱动信号的正负可以通过由克尔非线性效应引起的相位漂移方向变化来切换，大小则可以通过探测器来调节。这样对两个偏振分别利用其对应的相位调制器来补偿非线性的影响后，再使用一个PBS合成一束光。使用这样的系统可以让长距离传输后的信号等效为以准线性，甚至于孤子的方式进行传输。由于其使用了PBS后，系统对两偏振分别处理，因此系统还具有偏振不敏感的特性。当然其非线性补偿的带宽也是可以通过插入低通滤波器来调节的。
多进制调制是提升系统容量的有效手段，另外由于该格式信号能在保持相同bit率情况下，降低符号码率，这样有利于提高系统对色散和PMD的公差。本期东京大学的研究者对多阶相移键控M-ary PSK信号的相干检测系统做了研究。其信号先经过相移零差探测后，系统还可以通过数字信号处理来对信号载波相位进行精确估计，增加了这样的单元，探测系统会对载波相位噪声具有更好的抵御力。
3. PMD：
已经多次提到PMD补偿对高速系统的重要性，本期有关PMD的研究主要有：（1）墨尔本大学的研究者分别对ASE和热受限系统，研究了如何对各级PMD精确量化测量。以前的文献里都把调制带宽内偏振态的变化量称为“string length”。现在的研究里，研究者通过对PMD的量化测量后，研究了系统功耗对string length的依赖；（2）在高速长距离系统里，最受关注的两个因素是PMD和非线性，分别针对两个因素已经有了许多研究，然而两者同时存在会对系统产生怎样的影响呢？这样的研究还很少。本期以色列的研究者就对他们两者协同作用做了有益研究。作者指出，在长距离传输的前半段，PMD其实能够抑制非线性对信号的持续影响，但在长距离工作后，这样的抑制作用会消失，而且两者共同作用会让信号质量更严重的恶化。作者也证明在传输过程里使用光滤波器能有效抑制PMD的影响。
4. 光交换：
OPS和OBS是被认为全光网络最具吸引力的光交换技术。对光标签分组交换，通常标签和有效载荷使用不同的调制格式，对标签，通常采用DPSK调制，对有效载荷，不同的研究者分别使用了ASK、FSK、PSK或副载波调制等方式。对这样的系统，编解码都需要两套装置来分别对标签和有效信号进行处理。近两年很多研究开始简化这样的系统，前两年有人发现使用DPSK/IM（正交强度调制）的标签/有效信号的编码方式，可以仅使用一个接收器并以低误码率的同时对标签/有效信号进行解码。本期Bell实验室的研究者使用同样的调制格式，进一步简化了该系统，来验证是否可以仅使用一个发射机同时给标签和有效信号编码。作者提供了两种方案，一种是利用MZ调制器的RF端来对10Gb/s的有效信息编码，而用调制器的反偏端对标签进行155Mb/s的编码；第二种是仅使用RF端，而通过对RF驱动电压的动态调节来实现对标签和有效信号的独立编码。在通过仅使用一个接收器的方式来对信噪比、误码率进行测试分析后发现，作者提供的第二种方式能获得更好的综合性能。
二、有源器件：
1. 半导体激光器：
本期半导体激光器方面的文章非常多，然而大部分都是关于红光LED、GaN蓝光激光器和THz激光器的，真正与光通讯相关的有源器件却很少，现仅介绍有代表性的几篇：（1）Illinois大学的研究者对面向中短距离通讯的850nm的VCSEL激光器做了改进研究，主要是提高了器件的差分斜率，这样可以有效降低直接调制的系统损耗。其采用的技术思路是使用了两个氧化物限制腔，这样可以将差分斜率提高至6W/A；（2）硅激光器是很重要的一个研究方向，一方面由于硅对1.3－1.5微米波段良好的透明性使得它成为光通讯应用的首选介质，另一方面是因为它易于与无源器件集成，且适合半导体工艺加工。然而较低的量子效率限制了硅激光器的应用。本期Intel公司的研究很出色，他们竟然将AlGaInAs的量子阱结构嵌入到了硅激光器里面，提高了量子效率。其实键合技术以前的评析里也介绍过，但那通常是将三五族的有源器件与硅波导无源器件集成在一块芯片上，而像这样在一个有源器件里面，同时使用了三五族和硅材料的完美结合技术确实很罕见。Intel为此采用了一种被称为低温氧等离子辅助键合的技术；（3）NEC的研究者将传统外腔可调激光器的腔内标准具去掉了，这样他们获得了更佳具有连续性的波长调节，可以在C波段40nm波长范围实现25GHz频谱间隔的连续调节，这对未来的DWDM应用很有吸引力，而去掉了标准具必然带来波长稳定的问题，遗憾的是作者并没有对此做深入讨论。
2. VOA：
可调光衰减器VOA是光通讯应用中的重要元件之一，在光网络传送与接收端通常都需要VOA来控制光信号的强度。常见的VOA有基于液晶和集成材料两种。（1）本期California的研究者报导了其基于聚合物的集成VOA器件。以往已有基于聚合物波导的VOA报导，一般是基于热光效应。本期的研究比起以往创新之处在于其在波导上包层4微米宽的区域上镀上了Cr/Ai金属，一方面在电流变化下利用金属受限效应，可以改变芯层折射率，一方面也可作为加热器来对材料进行热光调节。可见其引起折射率变化的因素有两个，这就增大了动态衰减强度和范围；（2）本期台湾清华的研究者立足于MEMs技术制作了低驱动电压，无动态超越，抗振动性能好的VOA。其关键部分是一旋转式的梳状致动器，利用其转动方向刚性低于轴向的特性来抗振。为了降低驱动电压，作者采用了折曲式的弹簧，并在致动器转动的时候利用镜面在两度内的旋转来实现最高40dB以上的可调光衰减。整个器件基于SOI材料制作。
三、无源器件：
解复用器如AWG等，由于工艺误差等因素的影响，会发现制得的器件中心波长相对设计点会发生漂移，因此通过后期的校正，把中心波长移回来是一个有用的研究工作。对通常的器件，其实是可以通过温度调节来控制波长漂移的。可是现在商用的器件，很多已经采用了热无关的设计，即不会发生温漂。本期NTT就提出了针对这些器件的中心波长校准研究，其方法很容易理解，就是将制作好的硅基AWG芯片放在一个热容器内，腔内充满了Ar气，通过对温度和气压的优化选择，来对二氧化硅材料做稠化处理，通过这样的操作可以实现1nm左右的中心波长校准。
一、网络与系统：
1. WDM-PON：
在学术领域WDM-PON普遍被认为是全光网络迈入实用化的最佳选择，也是技术发展的形式所趋。然而到目前为止，就其实用化程度来言，多少令人有点尴尬，其高昂的成本和复杂的色散管理、波长监控等也为系统运营增加了不少难度。到目前为止，真正成功商用的系统还多集中在日韩，美国应用的并不多，而欧洲则更少。不同地区的运营状况有差异，多多少少会影响该地区研究方向的变化。近两年有关WDM-PON技术改进研究的最热的也集中于日韩，他们想方设法降低系统复杂度，降低运营成本。这其中韩国的Advanced Institute of Science and Technology就是一个非常活跃的研究小组。在去年7月的评析中，曾介绍过他们面向WDM应用，将F-P腔引入了ASE光源，制成了成本很低的具有波长锁定功能的光源。本期他们继续对该方案做了改进，主要是使用了低噪声的宽频光源，去代替传统的基于EDFA的宽频光源。这样做的目的是为了在低波长间隔应用时（低于50GHz），降低经过复用/解复用器产生的信号质量恶化。利用其改进系统相对强度噪声低的特性，进而作者宣称利用该系统可以实现波长独立的工作。
2. 调制格式：
对基于RZ-DPSK格式的系统，定时调校是一个非常重要的系统性能指标。如该格式信号以10Gb/s传输，定时失配达到15ps，系统的功率损耗就会迅速增加。如调制速率提高到40Gb/s，系统允许的定时调校将精度应高于3.75ps。因此如何高效的对系统脉冲整形与相位调制间的时间错位进行精确测定，并有效自动调校是RZ-DPSK系统面向实用必须要解决的问题。已有两种方法可以实现这个目的，一个是利用保偏光纤对由于时间失配引起的偏振变化作测定；另一个是利用偏心滤波器对时间失配引起的频率啁啾进行测定。但两种方法都有缺陷。本期台湾交通大学的研究者提供了另一种方案。他们使用了一个探测波长在相位调制速率一半左右的微波探测器和一个光学鉴频器，利用这些器件来对由于时间失配引起的光谱展宽进行测定。比起前面提到的两种方法，该方案具有两个优势，其一是偏振无关，其二是动态探测范围大。
对长距离的DPSK系统，非线性仍是影响系统性能的关键因素。而其中最关键的效应是非线性相位漂移（来自于ASE和SPM）。本期Cornell大学的研究者提出了对使用DPSK格式长距离传输后信号的非线性后补偿技术。其补偿单元由偏振分束器PBS、可调光衰减器VOA、相位调制器和探测器组成。信号先由PBS按照偏振不同分为两束，然后各自被一个相位调制器调节，其驱动信号来自于输入信号经过探测器和射频放大器后的混合。其驱动信号的正负可以通过由克尔非线性效应引起的相位漂移方向变化来切换，大小则可以通过探测器来调节。这样对两个偏振分别利用其对应的相位调制器来补偿非线性的影响后，再使用一个PBS合成一束光。使用这样的系统可以让长距离传输后的信号等效为以准线性，甚至于孤子的方式进行传输。由于其使用了PBS后，系统对两偏振分别处理，因此系统还具有偏振不敏感的特性。当然其非线性补偿的带宽也是可以通过插入低通滤波器来调节的。
多进制调制是提升系统容量的有效手段，另外由于该格式信号能在保持相同bit率情况下，降低符号码率，这样有利于提高系统对色散和PMD的公差。本期东京大学的研究者对多阶相移键控M-ary PSK信号的相干检测系统做了研究。其信号先经过相移零差探测后，系统还可以通过数字信号处理来对信号载波相位进行精确估计，增加了这样的单元，探测系统会对载波相位噪声具有更好的抵御力。
3. PMD：
已经多次提到PMD补偿对高速系统的重要性，本期有关PMD的研究主要有：（1）墨尔本大学的研究者分别对ASE和热受限系统，研究了如何对各级PMD精确量化测量。以前的文献里都把调制带宽内偏振态的变化量称为“string length”。现在的研究里，研究者通过对PMD的量化测量后，研究了系统功耗对string length的依赖；（2）在高速长距离系统里，最受关注的两个因素是PMD和非线性，分别针对两个因素已经有了许多研究，然而两者同时存在会对系统产生怎样的影响呢？这样的研究还很少。本期以色列的研究者就对他们两者协同作用做了有益研究。作者指出，在长距离传输的前半段，PMD其实能够抑制非线性对信号的持续影响，但在长距离工作后，这样的抑制作用会消失，而且两者共同作用会让信号质量更严重的恶化。作者也证明在传输过程里使用光滤波器能有效抑制PMD的影响。
4. 光交换：
OPS和OBS是被认为全光网络最具吸引力的光交换技术。对光标签分组交换，通常标签和有效载荷使用不同的调制格式，对标签，通常采用DPSK调制，对有效载荷，不同的研究者分别使用了ASK、FSK、PSK或副载波调制等方式。对这样的系统，编解码都需要两套装置来分别对标签和有效信号进行处理。近两年很多研究开始简化这样的系统，前两年有人发现使用DPSK/IM（正交强度调制）的标签/有效信号的编码方式，可以仅使用一个接收器并以低误码率的同时对标签/有效信号进行解码。本期Bell实验室的研究者使用同样的调制格式，进一步简化了该系统，来验证是否可以仅使用一个发射机同时给标签和有效信号编码。作者提供了两种方案，一种是利用MZ调制器的RF端来对10Gb/s的有效信息编码，而用调制器的反偏端对标签进行155Mb/s的编码；第二种是仅使用RF端，而通过对RF驱动电压的动态调节来实现对标签和有效信号的独立编码。在通过仅使用一个接收器的方式来对信噪比、误码率进行测试分析后发现，作者提供的第二种方式能获得更好的综合性能。
二、有源器件：
1. 半导体激光器：
本期半导体激光器方面的文章非常多，然而大部分都是关于红光LED、GaN蓝光激光器和THz激光器的，真正与光通讯相关的有源器件却很少，现仅介绍有代表性的几篇：（1）Illinois大学的研究者对面向中短距离通讯的850nm的VCSEL激光器做了改进研究，主要是提高了器件的差分斜率，这样可以有效降低直接调制的系统损耗。其采用的技术思路是使用了两个氧化物限制腔，这样可以将差分斜率提高至6W/A；（2）硅激光器是很重要的一个研究方向，一方面由于硅对1.3－1.5微米波段良好的透明性使得它成为光通讯应用的首选介质，另一方面是因为它易于与无源器件集成，且适合半导体工艺加工。然而较低的量子效率限制了硅激光器的应用。本期Intel公司的研究很出色，他们竟然将AlGaInAs的量子阱结构嵌入到了硅激光器里面，提高了量子效率。其实键合技术以前的评析里也介绍过，但那通常是将三五族的有源器件与硅波导无源器件集成在一块芯片上，而像这样在一个有源器件里面，同时使用了三五族和硅材料的完美结合技术确实很罕见。Intel为此采用了一种被称为低温氧等离子辅助键合的技术；（3）NEC的研究者将传统外腔可调激光器的腔内标准具去掉了，这样他们获得了更佳具有连续性的波长调节，可以在C波段40nm波长范围实现25GHz频谱间隔的连续调节，这对未来的DWDM应用很有吸引力，而去掉了标准具必然带来波长稳定的问题，遗憾的是作者并没有对此做深入讨论。
2. VOA：
可调光衰减器VOA是光通讯应用中的重要元件之一，在光网络传送与接收端通常都需要VOA来控制光信号的强度。常见的VOA有基于液晶和集成材料两种。（1）本期California的研究者报导了其基于聚合物的集成VOA器件。以往已有基于聚合物波导的VOA报导，一般是基于热光效应。本期的研究比起以往创新之处在于其在波导上包层4微米宽的区域上镀上了Cr/Ai金属，一方面在电流变化下利用金属受限效应，可以改变芯层折射率，一方面也可作为加热器来对材料进行热光调节。可见其引起折射率变化的因素有两个，这就增大了动态衰减强度和范围；（2）本期台湾清华的研究者立足于MEMs技术制作了低驱动电压，无动态超越，抗振动性能好的VOA。其关键部分是一旋转式的梳状致动器，利用其转动方向刚性低于轴向的特性来抗振。为了降低驱动电压，作者采用了折曲式的弹簧，并在致动器转动的时候利用镜面在两度内的旋转来实现最高40dB以上的可调光衰减。整个器件基于SOI材料制作。
三、无源器件：
解复用器如AWG等，由于工艺误差等因素的影响，会发现制得的器件中心波长相对设计点会发生漂移，因此通过后期的校正，把中心波长移回来是一个有用的研究工作。对通常的器件，其实是可以通过温度调节来控制波长漂移的。可是现在商用的器件，很多已经采用了热无关的设计，即不会发生温漂。本期NTT就提出了针对这些器件的中心波长校准研究，其方法很容易理解，就是将制作好的硅基AWG芯片放在一个热容器内，腔内充满了Ar气，通过对温度和气压的优化选择，来对二氧化硅材料做稠化处理，通过这样的操作可以实现1nm左右的中心波长校准。
