06年11月PTL光通讯论文评析
发布时间：2006-11-23 10:17:51 热度：2378
不支持该视频一、光网络与系统：
1.调制格式：
在全光网络里，经常出现多种调制格式信号混合传输的情况。因此实现不同调制格式信号间的转换是非常重要的光学信号处理方法。目前已经可以容易的实现各种强度调制格式之间的转换，例如NRZ-RZ的转换等。然而就强度漂移键控对相位漂移键控（ASK-PSK）的转换技术却不成熟，已有的少数相关报导均采用了较为复杂的系统结构。本期上交大的研究者提出了仅利用一个半导体光放大器来实现NRZ格式对二相相移键控（BPSK）格式转化的方法。原理很简单，作者让具有一定消光比的NRZ格式信号作为SOA的输入，且让放大器工作于增益饱和区域，使得“0”获得比“1”更多的放大，这样输出信号强度的差别将趋向一致，而相位的差异则更加明显。靠这样的调制，可以实现几乎无功耗的格式转化。这样的系统显著优势是实现方法简单，但显然需要输入信号消光比较低才容易让输出信号强度均一化，对较大消光比则较难转化。
在全光网络里，不同的调制格式具有其特殊优势，从而可以应用在不同场合。因此很多研究者希望让光发射机可以同时实现对多种调制格式的信号进行发射，以增强系统灵活性。本期另一篇上交大的论文，就利用一个具有一对有MZ干涉臂的MZ干涉仪（即一个MZ干涉仪的两臂又各有一个MZ结构），通过对三个电极驱动和偏置条件的调节，可以利用同一个发射机实现双二进制码、归零信号交替反转码（RZ-AMI）和Manchester码三种格式的调制发射。对双二进制码，由于谱宽窄，色散公差大，因此很适合DWDM应用；而RZ-AMI码则具有非线性公差大的优势，因此适合长距离网络使用；而Manchester码在传输过程里各字节功耗均一，因此时钟恢复简单，非常适合具有突发模式的网络运用。两个干涉臂的MZ干涉仪均使用NRZ格式的驱动信号，两驱动完全相同，但存在一定时延。两干涉臂相位差的加减操作被大干涉仪的偏置电压控制。因此靠改变两驱动的时延和该偏置电压，可以在三种调制格式间完成切换，例如当时延为一个字节，而设置偏置电压使得相差为0的时候，系统可以输出双二进制格式信号。此外作者还特别研究了由于时延不同引起信号脉宽可调的现象。对双二进制格式，证明存在最佳的脉宽保证最大色散公差。而通过该时延调节，更可让RZ-AMI码脉宽在38-65ps间变化。
此外，北京邮电大学的研究者在一个高非线性光纤里，让两路使用不同波长载波的10Gb/s的DPSK信号四波混频，在不使用任何连续波光源的情况下完成了自泵浦的波长转换。并且作者证明，通过调节两路DPSK信号的调制深度，还可以在一个新的波长上混频生成DQPSK格式的信号。
2.OCDMA：
对OCDMA系统，在同一网络节点使用相同的波长范围，不同的用户间不仅具有多址干扰，而且经常会产生拍频噪声，系统性能退化相当严重。关于拍频噪声的影响，本期JLT有很多分析，在之前的评析中也多次介绍过。但我们可以发现，几乎所有研究都是理论上的，比如建立什么样的模型分析更精确等。本期有一篇Princeton大学的研究则是基于实验开展的，因此更直接，更具实际意义一些。作者仍基于最典型的二维波长－时间编码的OCDMA系统，且使用了具有4个波长，101个时间片的载波跳变素数码（CHPC）。总的来看，作者的贡献就是在实验上确认了拍频噪声真的是影响OCDMA系统性能的关键因素，正如之前理论上预测的那样。对其测试系统，在维持10-9的误码率要求下，由拍频噪声带来的功耗能高达10dB。同时作者建议在系统里使用时钟门控可以将拍频噪声带来的功耗降低一半。
3.WDM：
目前光网络的发展趋势是要应对日益多样化的业务服务。而对WDM-PON而言，由于成本问题一直是关键瓶颈，所以，尽量使用少的系统资源去支持日益复杂的网络业务成为技术发展的趋势。例如对多业务的WDM-PON，经常使用基频带信号做数据传输服务，而使用副载波复用（SCM）信号实现广播式业务。而为了降低成本，现在很多研究已经能成功实现用一个LD同时对基频带信号和SCM信号进行调制。本期韩国的研究者实验显示了这种共享式光源的扩展方案，作者使用反射式半导体光放大器（R-SOA），研制了面向双向WDM-PON的共享式光源，可以同时支持数据上下载以及广播式发送等服务。在每个ONU，基于基频带的数据信号和广播式SCM信号可以立即被解调，与此同时载波经过R-SOA，以及相应的激光器反馈回路，再次应用于上载信号的调制。这样不再需要额外的光源。实验中，用这样的系统，作者在10km的双向WDM-PON里成功实现了20Mb/s（2.2GHz）的SCM广播式服务，以及1Gb/s的数字信号的上下载运作，且上下载信号都没有发现性能退化。
Melbourne大学的另一篇研究也实现类似的功能。对每个波长，DFB激光器发射的波长经过直接信号调制后，多波长经过AWG复用后进入光纤传输。在中心节点，经过另一个AWG解复用信号，对每个ONU，下载信号经过分束器分为两部分，一部分直接接入探测器，另一部分锁模注入一中心波长1.5微米的VCSEL激光器内，并直接进行二次调制，将上载信号经过环路器上载至相应ONU。因为VCSEL的发射波长可以根据偏置电压和工作温度等因素的不同而进行调节，因此当接受到下载信号相应波长后，通过对该波长注入锁定，可以稳定发射相应波长的光，也就是能够维持在同一个ONU，上载信号使用和下载信号同样的波长。当然这样的结构必须谨慎处理分束器的分光比，既能保证接受敏感，也能提供稳定的注入锁定。
4.全光时钟恢复：
在光网络里，很多应用需要严格的时钟同步，典型的如OTDM和光分组交换等。因此全光时钟恢复是很重要的信号再生技术。而在3R里，信号再放大和再整形经常被称为2R可以一起完成，只有时钟再定时需要特别处理。本期想对两篇关于全光时钟恢复的文章进行介绍，他们各有特色。（1）第一篇来自希腊的研究者，第一次实现了对160Gb/s及更高调制速率信号的瞬时时钟恢复。首先信号经过FP滤波器（FPF），以部分填充数据流中的“0”，实现时钟恢复。之后信号经过高非线性光纤（HNLF）和带通滤波器（OBPF），利用自相位调制（SPM）效应来作功率限制，以消除经过FPF时信号大范围的强度变化。在使用的时候，作者设计HNLF和OBPF中心波长尽量一致，以便为滤波提供低阈值的传递函数。由于利用的是SPM效应，因此时钟恢复几乎是即时的，作者指出该系统甚至可以对640Gb/s的高速信号做时钟恢复。（2）第二篇来自华中科技大学的研究者，他们主要是针对NRZ-DPSK格式的信号实现时钟恢复。相比强度调制，NRZ-DPSK信号在强度上是均匀的，因此根本不包括时钟成分，不能直接进行任何针对强度的滤波。因此以前对NRZ-DPSK信号全光的时钟恢复还没有特别报导，这里作者的思路其实还是先将NRZ-DPSK信号转化为强度调制的信号，再进行时钟恢复。首先让NRZ-DPSK信号经过一个延时干涉计（具有梳状滤波的功能），转化为伪归零（PRZ）的强度调制信号，再经过主要由注入锁模SOA光纤激光器组成的全光时钟恢复单元提取时钟信号。实验中，作者对20Gb/s的NRZ-DPSK信号，成功恢复出消光比10dB左右的时钟信号。
二、有源器件：
1.半导体激光器：
（1）韩国研究者在VCSEL辐射面上制作了微透镜，可以让输出光斑尺寸聚焦，提高对光纤的耦合效率。作者采用AlGaAs–GaAs作为VCSEL激光器的分布反馈Bragg镜，利用AlGaAs较慢的氧化率，采用湿法氧化的工艺有选择的进行氧化，进而形成微透镜的效果。而且这样的工艺也很容易阵列化的在表面形成微透镜，且工艺简单，可一次成型；（2）由于老一代的10Gb/s系统通常使用300脚的模块设计，因此对光发射模块，小尺寸低驱动是应用的目标。本期韩国的研究者使用InGaAlAs多量子阱结构做有源区，以InGaAsP为主要材料做Bragg反射镜，制作了1.3微米附近辐射的DBR激光器，其结构非常紧凑，有源区仅75微米长，在14mA的峰对峰驱动电流下，能够保证输出功率在3dBm左右，这样的光源可稳定应用在10Gb/s系统中。
2.调制器：半导体或聚合物做调制器相比铌酸锂材料可能实现低成本、低驱动电压、低插损、大带宽和易啁啾调制等优势。但通常这些集成材料电光系数较低，要做电光调制必须作适当处理。本期California大学的研究者基于不掺杂的GaAs–AlGaAs材料，在电极区域附近，剥离了波导衬底，这样可以直接在波导两侧镀电极，因此仅使用很小的电压（3.7V）就可以形成非常强的电场（因为这里波导只有1.94微米厚）。
三、无源器件：
（1）芬兰研究者基于SOI材料设计制作了3dB耦合器，其特点是对两臂采用优化的不对称设计，使得器件具有绝热特性；（2）香港科大的研究者采用硅纳米线波导制作了两个垂直交叉的多模干涉（MMI）耦合器，即两个MMI十字交叉，存在一个共同传输区域，对通常波导，这样做尽管结构紧凑，且能实现二维互联，可是必定串扰明显。而现在由于使用了纳米硅波导，大大缩小了干扰的可能，使得串扰几乎可以忽略，且由于交叉带来的额外插损也只有0.4dB；（3）朗讯的研究者在AWG的输入端加入一个结构优化的三波导耦合器，以便在入射端形成三个的像，对应在每个输出端也形成三个像斑，利用AWG输出空间位置对波长的线性特性，在频谱上，表象为每个波长是三个子波长高斯谱的叠加，进而形成一个平顶分布的频谱。其实类似的思想以前早就有过，只不过这里换了一下实现方式而已。最终频谱1dB对20dB带宽的比值为0.62，即频谱响应接近理想矩形，这样作可以放宽系统对激光器波长稳定的要求。
1.调制格式：
在全光网络里，经常出现多种调制格式信号混合传输的情况。因此实现不同调制格式信号间的转换是非常重要的光学信号处理方法。目前已经可以容易的实现各种强度调制格式之间的转换，例如NRZ-RZ的转换等。然而就强度漂移键控对相位漂移键控（ASK-PSK）的转换技术却不成熟，已有的少数相关报导均采用了较为复杂的系统结构。本期上交大的研究者提出了仅利用一个半导体光放大器来实现NRZ格式对二相相移键控（BPSK）格式转化的方法。原理很简单，作者让具有一定消光比的NRZ格式信号作为SOA的输入，且让放大器工作于增益饱和区域，使得“0”获得比“1”更多的放大，这样输出信号强度的差别将趋向一致，而相位的差异则更加明显。靠这样的调制，可以实现几乎无功耗的格式转化。这样的系统显著优势是实现方法简单，但显然需要输入信号消光比较低才容易让输出信号强度均一化，对较大消光比则较难转化。
在全光网络里，不同的调制格式具有其特殊优势，从而可以应用在不同场合。因此很多研究者希望让光发射机可以同时实现对多种调制格式的信号进行发射，以增强系统灵活性。本期另一篇上交大的论文，就利用一个具有一对有MZ干涉臂的MZ干涉仪（即一个MZ干涉仪的两臂又各有一个MZ结构），通过对三个电极驱动和偏置条件的调节，可以利用同一个发射机实现双二进制码、归零信号交替反转码（RZ-AMI）和Manchester码三种格式的调制发射。对双二进制码，由于谱宽窄，色散公差大，因此很适合DWDM应用；而RZ-AMI码则具有非线性公差大的优势，因此适合长距离网络使用；而Manchester码在传输过程里各字节功耗均一，因此时钟恢复简单，非常适合具有突发模式的网络运用。两个干涉臂的MZ干涉仪均使用NRZ格式的驱动信号，两驱动完全相同，但存在一定时延。两干涉臂相位差的加减操作被大干涉仪的偏置电压控制。因此靠改变两驱动的时延和该偏置电压，可以在三种调制格式间完成切换，例如当时延为一个字节，而设置偏置电压使得相差为0的时候，系统可以输出双二进制格式信号。此外作者还特别研究了由于时延不同引起信号脉宽可调的现象。对双二进制格式，证明存在最佳的脉宽保证最大色散公差。而通过该时延调节，更可让RZ-AMI码脉宽在38-65ps间变化。
此外，北京邮电大学的研究者在一个高非线性光纤里，让两路使用不同波长载波的10Gb/s的DPSK信号四波混频，在不使用任何连续波光源的情况下完成了自泵浦的波长转换。并且作者证明，通过调节两路DPSK信号的调制深度，还可以在一个新的波长上混频生成DQPSK格式的信号。
2.OCDMA：
对OCDMA系统，在同一网络节点使用相同的波长范围，不同的用户间不仅具有多址干扰，而且经常会产生拍频噪声，系统性能退化相当严重。关于拍频噪声的影响，本期JLT有很多分析，在之前的评析中也多次介绍过。但我们可以发现，几乎所有研究都是理论上的，比如建立什么样的模型分析更精确等。本期有一篇Princeton大学的研究则是基于实验开展的，因此更直接，更具实际意义一些。作者仍基于最典型的二维波长－时间编码的OCDMA系统，且使用了具有4个波长，101个时间片的载波跳变素数码（CHPC）。总的来看，作者的贡献就是在实验上确认了拍频噪声真的是影响OCDMA系统性能的关键因素，正如之前理论上预测的那样。对其测试系统，在维持10-9的误码率要求下，由拍频噪声带来的功耗能高达10dB。同时作者建议在系统里使用时钟门控可以将拍频噪声带来的功耗降低一半。
3.WDM：
目前光网络的发展趋势是要应对日益多样化的业务服务。而对WDM-PON而言，由于成本问题一直是关键瓶颈，所以，尽量使用少的系统资源去支持日益复杂的网络业务成为技术发展的趋势。例如对多业务的WDM-PON，经常使用基频带信号做数据传输服务，而使用副载波复用（SCM）信号实现广播式业务。而为了降低成本，现在很多研究已经能成功实现用一个LD同时对基频带信号和SCM信号进行调制。本期韩国的研究者实验显示了这种共享式光源的扩展方案，作者使用反射式半导体光放大器（R-SOA），研制了面向双向WDM-PON的共享式光源，可以同时支持数据上下载以及广播式发送等服务。在每个ONU，基于基频带的数据信号和广播式SCM信号可以立即被解调，与此同时载波经过R-SOA，以及相应的激光器反馈回路，再次应用于上载信号的调制。这样不再需要额外的光源。实验中，用这样的系统，作者在10km的双向WDM-PON里成功实现了20Mb/s（2.2GHz）的SCM广播式服务，以及1Gb/s的数字信号的上下载运作，且上下载信号都没有发现性能退化。
Melbourne大学的另一篇研究也实现类似的功能。对每个波长，DFB激光器发射的波长经过直接信号调制后，多波长经过AWG复用后进入光纤传输。在中心节点，经过另一个AWG解复用信号，对每个ONU，下载信号经过分束器分为两部分，一部分直接接入探测器，另一部分锁模注入一中心波长1.5微米的VCSEL激光器内，并直接进行二次调制，将上载信号经过环路器上载至相应ONU。因为VCSEL的发射波长可以根据偏置电压和工作温度等因素的不同而进行调节，因此当接受到下载信号相应波长后，通过对该波长注入锁定，可以稳定发射相应波长的光，也就是能够维持在同一个ONU，上载信号使用和下载信号同样的波长。当然这样的结构必须谨慎处理分束器的分光比，既能保证接受敏感，也能提供稳定的注入锁定。
4.全光时钟恢复：
在光网络里，很多应用需要严格的时钟同步，典型的如OTDM和光分组交换等。因此全光时钟恢复是很重要的信号再生技术。而在3R里，信号再放大和再整形经常被称为2R可以一起完成，只有时钟再定时需要特别处理。本期想对两篇关于全光时钟恢复的文章进行介绍，他们各有特色。（1）第一篇来自希腊的研究者，第一次实现了对160Gb/s及更高调制速率信号的瞬时时钟恢复。首先信号经过FP滤波器（FPF），以部分填充数据流中的“0”，实现时钟恢复。之后信号经过高非线性光纤（HNLF）和带通滤波器（OBPF），利用自相位调制（SPM）效应来作功率限制，以消除经过FPF时信号大范围的强度变化。在使用的时候，作者设计HNLF和OBPF中心波长尽量一致，以便为滤波提供低阈值的传递函数。由于利用的是SPM效应，因此时钟恢复几乎是即时的，作者指出该系统甚至可以对640Gb/s的高速信号做时钟恢复。（2）第二篇来自华中科技大学的研究者，他们主要是针对NRZ-DPSK格式的信号实现时钟恢复。相比强度调制，NRZ-DPSK信号在强度上是均匀的，因此根本不包括时钟成分，不能直接进行任何针对强度的滤波。因此以前对NRZ-DPSK信号全光的时钟恢复还没有特别报导，这里作者的思路其实还是先将NRZ-DPSK信号转化为强度调制的信号，再进行时钟恢复。首先让NRZ-DPSK信号经过一个延时干涉计（具有梳状滤波的功能），转化为伪归零（PRZ）的强度调制信号，再经过主要由注入锁模SOA光纤激光器组成的全光时钟恢复单元提取时钟信号。实验中，作者对20Gb/s的NRZ-DPSK信号，成功恢复出消光比10dB左右的时钟信号。
二、有源器件：
1.半导体激光器：
（1）韩国研究者在VCSEL辐射面上制作了微透镜，可以让输出光斑尺寸聚焦，提高对光纤的耦合效率。作者采用AlGaAs–GaAs作为VCSEL激光器的分布反馈Bragg镜，利用AlGaAs较慢的氧化率，采用湿法氧化的工艺有选择的进行氧化，进而形成微透镜的效果。而且这样的工艺也很容易阵列化的在表面形成微透镜，且工艺简单，可一次成型；（2）由于老一代的10Gb/s系统通常使用300脚的模块设计，因此对光发射模块，小尺寸低驱动是应用的目标。本期韩国的研究者使用InGaAlAs多量子阱结构做有源区，以InGaAsP为主要材料做Bragg反射镜，制作了1.3微米附近辐射的DBR激光器，其结构非常紧凑，有源区仅75微米长，在14mA的峰对峰驱动电流下，能够保证输出功率在3dBm左右，这样的光源可稳定应用在10Gb/s系统中。
2.调制器：半导体或聚合物做调制器相比铌酸锂材料可能实现低成本、低驱动电压、低插损、大带宽和易啁啾调制等优势。但通常这些集成材料电光系数较低，要做电光调制必须作适当处理。本期California大学的研究者基于不掺杂的GaAs–AlGaAs材料，在电极区域附近，剥离了波导衬底，这样可以直接在波导两侧镀电极，因此仅使用很小的电压（3.7V）就可以形成非常强的电场（因为这里波导只有1.94微米厚）。
三、无源器件：
（1）芬兰研究者基于SOI材料设计制作了3dB耦合器，其特点是对两臂采用优化的不对称设计，使得器件具有绝热特性；（2）香港科大的研究者采用硅纳米线波导制作了两个垂直交叉的多模干涉（MMI）耦合器，即两个MMI十字交叉，存在一个共同传输区域，对通常波导，这样做尽管结构紧凑，且能实现二维互联，可是必定串扰明显。而现在由于使用了纳米硅波导，大大缩小了干扰的可能，使得串扰几乎可以忽略，且由于交叉带来的额外插损也只有0.4dB；（3）朗讯的研究者在AWG的输入端加入一个结构优化的三波导耦合器，以便在入射端形成三个的像，对应在每个输出端也形成三个像斑，利用AWG输出空间位置对波长的线性特性，在频谱上，表象为每个波长是三个子波长高斯谱的叠加，进而形成一个平顶分布的频谱。其实类似的思想以前早就有过，只不过这里换了一下实现方式而已。最终频谱1dB对20dB带宽的比值为0.62，即频谱响应接近理想矩形，这样作可以放宽系统对激光器波长稳定的要求。
