06年09月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-09-25 15:57:23 热度：2863
不支持该视频作者：浙江大学 宋军 博士
一、光网络与系统：
1.WDM
Princeton大学的研究者在已商用的WDM-PON上结合展频技术，来实现对某些特定波长通道的安全、免窃听传输。所谓展频，是扩展频谱(Spread Spectrum)的简称，其主要分为“跳频技术”及“直接序列”两种方式。这两种技术都是非常常用的无线通讯技术，因为它们容易保持信号的稳定性及保密性，所以在军事上也有比较广泛的运用。对于一个非特定的接收器，展频产生的跳动信号是和脉冲噪声是在一起的，无法分辨，因此靠这种工作模式，通讯的安全性能得到明显改善。作者的系统原理如下，首先将某些特定波长分配给一些保密要求高的信号通道，对这些通道的编码使用的是跳频技术，其采用可调延时线来实现对不同频率脉冲的延时调制。再将编码信号脉冲经过色散元件展宽后，可与通常的波分复用波长通道耦合到一根光纤内传输。在经过EDFA放大后，会发现保密通道已经在光纤平均噪声线以下，因此任何通常的探测器都难以从噪声信号里将这些保密信号分离探测出来。而在探测端，对通常信号仍使用相应波长的探测器解调。而对这些保密信号波长，则先经过色散补偿光纤等补偿元件作色散补偿，恢复脉冲后，再针对不同的频率使用可调延时线作解调，最终恢复出信号。
对超密集波分复用(UDWDM)技术，目前最受关注的应用在于要实现低色散、低非线性的大容量网络传输。道理很简单，在单通道调制速率超过10Gb/s，特别达到40Gb/s以后，传输过程当中，信号受非线性和色散的影响将非常严重，必须使用通道监控，非线性补偿、色散补偿等多个附加环节。而使用低通道调制速率的信号，如2.5Gb/s的调制速率则可简化这些附加系统，降低系统成本。而在使用低的单通道调制速率时要想保持较大的传输容量，对WDM网络而言，惟一的方法就是降低复用通道的间隔，以便在有限光源带宽内复用更多的波长通道。一般通道间隔低于25GHz的复用都可以被称为UDWDM。但要想维持低误码、低串扰的传输，对UDWDM要求还是很严格的，特别是对通带形状和频率稳定性的要求上。随之很多研究认为使用相干光通讯的模式可以避免这些局限。但我们知道相干光通讯也并不容易实现，特别是在信号的发射与检测上。不过到目前位置，已经有了一些相关的实验研究。例如早在94年就有成功的实验研究，基于相干光通讯实现了25GHz通道间隔，单通道2.5Gb/s调制速率的UDWDM应用，这里其对相干光信号检测采用的是外差探测的方式。本期意大利的研究者指出要想使用更窄的通道间隔，外差探测已不能满足要求，而必须改使用零差探测的方式。其它部分类似以前的系统，作者仅改用零差相干探测的方式，而信号调制采用二进制的相位漂移键控格式，从而实现了2.5Gb/s单通道传输，频带间隔5GHz的UDWDM应用，其零差探测的功耗大概是1dB左右。但必须承认的是相干光通讯的方式虽降低了对信号稳频的要求，但其探测复杂，就成本来言，并不会比激光器稳频的花费少。因此这些研究还仅能局限在实验室里。甚至会给人一种拆东墙补西墙的感觉。
2.OCDMA
OCDMA在历经两年左右持续火了一把以后，近期似乎又恢复了平静，主要的光通讯相关期刊有关OCDMA的文章都剧减了下来。从这个表面现象也可以看出，在解决了调制等问题后，要想让该技术面向实用还存在很多难题要解决。在我来到瑞典以后，这里一位从事光网络研究多年的老教授一口咬定OCDMA是纯粹的rubbish。他的理由是OCDMA需要比通常PON，如WDM，窄3个数量级的脉宽发射，这在他看来是impossible的，要应用起来光源等的附加成本也许并不比直接用WDM-PON省钱，甚至成本更高。前不久我也曾收到一封信，对方问OCDMA研究的潜力如何。这个问题真的很难回答，我们无法肯定的说它究竟多好或多坏。我的回复是应用动力有两个，首先是军用，其次是民用。之所以把军用放在首位是因为OCDMA比起其它PON毕竟还有些独特的优势，如良好的保密性。对军事应用，很多情况下是性能因素远高于成本因素，而民用恰恰相反。因此该技术至少对军用还是很有吸引力的。
这都是一些题外话，不过最近几期PTL或JLT有关OCDMA的研究确实少的可怜，零星的有一两篇，而研究焦点也更分散，多是针对一些细节开展的。例如本期Telcordia Technologies的研究者实验显示了一个6用户的谱对相位编码的OCDMA系统。其特点是在编码器上集成了可编程的环行共振腔，从而可以将所有用户应用谱宽压缩在80GHz左右，大大提高了光谱利用率（这样的利用率可以与100GHz间隔的WDM系统媲美）。此外作者使用了正交码，从而可以有效降低多用户串扰。
3.光收发机
对WDM-PON应用，常用的光发射器通常基于DFB-LD和FP-LD两种光源。后者价格便宜，但长距离性能不稳定，因此对中长距离通讯通常使用前者。FP-LD之所以不适合长距离工作，主要是其模斑质量太差，多模振荡严重，因此很容易产生模间色散。最近一些研究表明将FP-LD与限幅ASE光源结合使用能够起到选模的作用，形成稳定的单模工作。进而使得该激光器有希望应用于面向长距离工作的光发射机。但是必须值得关注的是，ASE光源本身很容易受到强度噪声的干扰，因此与FP-LD结合后的发射机同样对强度噪声非常敏感。本期新加坡的研究者对相关系统作了研究，作者首先证明了对特定灵敏度的接收器，存在一个最佳的限幅带宽，以获得最佳的旁瓣抑制。之后作者在光源后使用了SOA，证明可以有效抑制强度噪声的影响。
此外，韩国的研究者研制了专门针对强度/相位漂移键控数据的光接收机。其特色在于作者在系统里使用了三个互有1字节时延的干涉仪，从而可以避免SPM对系统性能的影响。
二、有源器件
1.半导体器件
在InP基底上生长的InGaAs PIN光电二极管是目前光通讯领域应用非常广泛的接收器。其主要特点是具有较低暗电流、适中的工作带宽和较大的光电转化效率。为了进一步降低器件成本，以便适合批量生产，现在很多研究改使用GaAs晶片做基底。当然为了要让晶格匹配，必须使用适当的缓冲层，常用的如InAlAs、InAs、InGaAlAs和InGaP。本期台湾交通大学的研究者就在GaAs晶片上，生长InGaP缓冲层，制得了面向OC-192光纤网络应用的In0 53Ga0 47As光电二极管。器件采用了廉价的TO-46封装标准，带宽达到8GHz，对10Gb/s信号的探测误码为10-9。其研究最大的价值在于器件工艺很适合批量生产。
此外，希腊的研究者对InGaAsP–InP微型激光器的低频相对强度噪声作了有效抑制；Central Florida大学的研究者将堆片激光二极管和主振荡器功率放大器集成在一起，用光栅实现两者的光耦合，得到了模斑质量非常好的半导体激光器；英国St. Andrews大学的研究者对量子点激光器制作中的表面复合率和扩散长度进行了测量，并对这些参数如何影响器件性能作了分析。
2.光纤器件
掺铒光纤激光器利用FBG做波长选择可以在一定范围内实现波长可调。但由于FBG的机械强度和温度灵敏性都有限，因此这样的可调激光器带宽并不大。安徽光机所的研究者曾报导，通过一定的途径可以让激光器在L带对一个较短波长和一个较长波长同时实现双稳输出，并通过对两个波长的独立调节，可以让可调激光器的输出波长覆盖整个L带。但这样双稳工作需要脉冲电流来触发泵浦源，这在一定程度上会缩短泵浦源的工作寿命。本期安光的研究组对以前系统做了进一步改进，作者通过3dB耦合器将一个偏振控制器连接到一个Sagnac光纤环里。通过对偏振控制器和FBG的共同调节，不仅能够增加器件灵活度，而且也避免了脉冲电流对泵浦源的损伤。
此外，清华大学的研究者在多波长DFB激光器里使用了啁啾相移结构，以对单波长进行独立的共振调节，这样可以获得更稳定的多波长输出；大阪大学的研究者使用掺铋光纤放大器，在1300nm附近，近75nm波长范围内可以同时实现对两个波长的及时放大。
三、无源器件
波导光栅是一种光通讯里很常用的无源器件，有许多应用，如可调滤波，可调延时、色散补偿等。波导光栅的制作工艺也有很多，如电子束写入，激光干涉，光折变效应写入、掩膜平板刻蚀等等。而从形成光栅种类上看也既可以制成强度光栅，也可以制成相位光栅。本期荷兰的研究者同时使用了平面刻蚀工艺和激光干涉原理，制作了高质量的脊形波导光栅。依靠对脊形波导宽度的优化刻蚀，可以实现对透射谱的变迹操作。此外，加拿大的研究者使用红外飞秒激光器在玻璃光子晶体光纤里写入了高折射率调制度的光纤光栅；另一个加拿大的研究组研制了周期性频率滤波的梳状滤波器，其原理是基于FBG在一定频谱范围内的泰伯效应（就是一定条件下光经过周期性结构而成像的现象）。同时作者通过光栅级联的模式，成功删除了该类器件固有的相位抖动现象。
一、光网络与系统：
1.WDM
Princeton大学的研究者在已商用的WDM-PON上结合展频技术，来实现对某些特定波长通道的安全、免窃听传输。所谓展频，是扩展频谱(Spread Spectrum)的简称，其主要分为“跳频技术”及“直接序列”两种方式。这两种技术都是非常常用的无线通讯技术，因为它们容易保持信号的稳定性及保密性，所以在军事上也有比较广泛的运用。对于一个非特定的接收器，展频产生的跳动信号是和脉冲噪声是在一起的，无法分辨，因此靠这种工作模式，通讯的安全性能得到明显改善。作者的系统原理如下，首先将某些特定波长分配给一些保密要求高的信号通道，对这些通道的编码使用的是跳频技术，其采用可调延时线来实现对不同频率脉冲的延时调制。再将编码信号脉冲经过色散元件展宽后，可与通常的波分复用波长通道耦合到一根光纤内传输。在经过EDFA放大后，会发现保密通道已经在光纤平均噪声线以下，因此任何通常的探测器都难以从噪声信号里将这些保密信号分离探测出来。而在探测端，对通常信号仍使用相应波长的探测器解调。而对这些保密信号波长，则先经过色散补偿光纤等补偿元件作色散补偿，恢复脉冲后，再针对不同的频率使用可调延时线作解调，最终恢复出信号。
对超密集波分复用(UDWDM)技术，目前最受关注的应用在于要实现低色散、低非线性的大容量网络传输。道理很简单，在单通道调制速率超过10Gb/s，特别达到40Gb/s以后，传输过程当中，信号受非线性和色散的影响将非常严重，必须使用通道监控，非线性补偿、色散补偿等多个附加环节。而使用低通道调制速率的信号，如2.5Gb/s的调制速率则可简化这些附加系统，降低系统成本。而在使用低的单通道调制速率时要想保持较大的传输容量，对WDM网络而言，惟一的方法就是降低复用通道的间隔，以便在有限光源带宽内复用更多的波长通道。一般通道间隔低于25GHz的复用都可以被称为UDWDM。但要想维持低误码、低串扰的传输，对UDWDM要求还是很严格的，特别是对通带形状和频率稳定性的要求上。随之很多研究认为使用相干光通讯的模式可以避免这些局限。但我们知道相干光通讯也并不容易实现，特别是在信号的发射与检测上。不过到目前位置，已经有了一些相关的实验研究。例如早在94年就有成功的实验研究，基于相干光通讯实现了25GHz通道间隔，单通道2.5Gb/s调制速率的UDWDM应用，这里其对相干光信号检测采用的是外差探测的方式。本期意大利的研究者指出要想使用更窄的通道间隔，外差探测已不能满足要求，而必须改使用零差探测的方式。其它部分类似以前的系统，作者仅改用零差相干探测的方式，而信号调制采用二进制的相位漂移键控格式，从而实现了2.5Gb/s单通道传输，频带间隔5GHz的UDWDM应用，其零差探测的功耗大概是1dB左右。但必须承认的是相干光通讯的方式虽降低了对信号稳频的要求，但其探测复杂，就成本来言，并不会比激光器稳频的花费少。因此这些研究还仅能局限在实验室里。甚至会给人一种拆东墙补西墙的感觉。
2.OCDMA
OCDMA在历经两年左右持续火了一把以后，近期似乎又恢复了平静，主要的光通讯相关期刊有关OCDMA的文章都剧减了下来。从这个表面现象也可以看出，在解决了调制等问题后，要想让该技术面向实用还存在很多难题要解决。在我来到瑞典以后，这里一位从事光网络研究多年的老教授一口咬定OCDMA是纯粹的rubbish。他的理由是OCDMA需要比通常PON，如WDM，窄3个数量级的脉宽发射，这在他看来是impossible的，要应用起来光源等的附加成本也许并不比直接用WDM-PON省钱，甚至成本更高。前不久我也曾收到一封信，对方问OCDMA研究的潜力如何。这个问题真的很难回答，我们无法肯定的说它究竟多好或多坏。我的回复是应用动力有两个，首先是军用，其次是民用。之所以把军用放在首位是因为OCDMA比起其它PON毕竟还有些独特的优势，如良好的保密性。对军事应用，很多情况下是性能因素远高于成本因素，而民用恰恰相反。因此该技术至少对军用还是很有吸引力的。
这都是一些题外话，不过最近几期PTL或JLT有关OCDMA的研究确实少的可怜，零星的有一两篇，而研究焦点也更分散，多是针对一些细节开展的。例如本期Telcordia Technologies的研究者实验显示了一个6用户的谱对相位编码的OCDMA系统。其特点是在编码器上集成了可编程的环行共振腔，从而可以将所有用户应用谱宽压缩在80GHz左右，大大提高了光谱利用率（这样的利用率可以与100GHz间隔的WDM系统媲美）。此外作者使用了正交码，从而可以有效降低多用户串扰。
3.光收发机
对WDM-PON应用，常用的光发射器通常基于DFB-LD和FP-LD两种光源。后者价格便宜，但长距离性能不稳定，因此对中长距离通讯通常使用前者。FP-LD之所以不适合长距离工作，主要是其模斑质量太差，多模振荡严重，因此很容易产生模间色散。最近一些研究表明将FP-LD与限幅ASE光源结合使用能够起到选模的作用，形成稳定的单模工作。进而使得该激光器有希望应用于面向长距离工作的光发射机。但是必须值得关注的是，ASE光源本身很容易受到强度噪声的干扰，因此与FP-LD结合后的发射机同样对强度噪声非常敏感。本期新加坡的研究者对相关系统作了研究，作者首先证明了对特定灵敏度的接收器，存在一个最佳的限幅带宽，以获得最佳的旁瓣抑制。之后作者在光源后使用了SOA，证明可以有效抑制强度噪声的影响。
此外，韩国的研究者研制了专门针对强度/相位漂移键控数据的光接收机。其特色在于作者在系统里使用了三个互有1字节时延的干涉仪，从而可以避免SPM对系统性能的影响。
二、有源器件
1.半导体器件
在InP基底上生长的InGaAs PIN光电二极管是目前光通讯领域应用非常广泛的接收器。其主要特点是具有较低暗电流、适中的工作带宽和较大的光电转化效率。为了进一步降低器件成本，以便适合批量生产，现在很多研究改使用GaAs晶片做基底。当然为了要让晶格匹配，必须使用适当的缓冲层，常用的如InAlAs、InAs、InGaAlAs和InGaP。本期台湾交通大学的研究者就在GaAs晶片上，生长InGaP缓冲层，制得了面向OC-192光纤网络应用的In0 53Ga0 47As光电二极管。器件采用了廉价的TO-46封装标准，带宽达到8GHz，对10Gb/s信号的探测误码为10-9。其研究最大的价值在于器件工艺很适合批量生产。
此外，希腊的研究者对InGaAsP–InP微型激光器的低频相对强度噪声作了有效抑制；Central Florida大学的研究者将堆片激光二极管和主振荡器功率放大器集成在一起，用光栅实现两者的光耦合，得到了模斑质量非常好的半导体激光器；英国St. Andrews大学的研究者对量子点激光器制作中的表面复合率和扩散长度进行了测量，并对这些参数如何影响器件性能作了分析。
2.光纤器件
掺铒光纤激光器利用FBG做波长选择可以在一定范围内实现波长可调。但由于FBG的机械强度和温度灵敏性都有限，因此这样的可调激光器带宽并不大。安徽光机所的研究者曾报导，通过一定的途径可以让激光器在L带对一个较短波长和一个较长波长同时实现双稳输出，并通过对两个波长的独立调节，可以让可调激光器的输出波长覆盖整个L带。但这样双稳工作需要脉冲电流来触发泵浦源，这在一定程度上会缩短泵浦源的工作寿命。本期安光的研究组对以前系统做了进一步改进，作者通过3dB耦合器将一个偏振控制器连接到一个Sagnac光纤环里。通过对偏振控制器和FBG的共同调节，不仅能够增加器件灵活度，而且也避免了脉冲电流对泵浦源的损伤。
此外，清华大学的研究者在多波长DFB激光器里使用了啁啾相移结构，以对单波长进行独立的共振调节，这样可以获得更稳定的多波长输出；大阪大学的研究者使用掺铋光纤放大器，在1300nm附近，近75nm波长范围内可以同时实现对两个波长的及时放大。
三、无源器件
波导光栅是一种光通讯里很常用的无源器件，有许多应用，如可调滤波，可调延时、色散补偿等。波导光栅的制作工艺也有很多，如电子束写入，激光干涉，光折变效应写入、掩膜平板刻蚀等等。而从形成光栅种类上看也既可以制成强度光栅，也可以制成相位光栅。本期荷兰的研究者同时使用了平面刻蚀工艺和激光干涉原理，制作了高质量的脊形波导光栅。依靠对脊形波导宽度的优化刻蚀，可以实现对透射谱的变迹操作。此外，加拿大的研究者使用红外飞秒激光器在玻璃光子晶体光纤里写入了高折射率调制度的光纤光栅；另一个加拿大的研究组研制了周期性频率滤波的梳状滤波器，其原理是基于FBG在一定频谱范围内的泰伯效应（就是一定条件下光经过周期性结构而成像的现象）。同时作者通过光栅级联的模式，成功删除了该类器件固有的相位抖动现象。
