08年06月PTL光通讯论文评析
发布时间：2008-07-09 08:39:47 热度：3043
1．格式转换系统：
差分相位漂移键控（DPSK）是一种能够有效抑制非线性和色散影响的调制格式。除了DPSK外，载波抑制归零（CSRZ）调制是另一种具有相似功效的调制方式。将它们组合便构成了CSRZ-DPSK调制。为了在同一个光网络里兼容各种调制格式，格式转换是一个非常重要的子系统。本期华中科技大学的研究者利用周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体实现了多种格式间的相互转换功能，这包括：NRZ对CSRZ转换，RZ对CSRZ，NRZ-DPSK对CSRZ-DPSK和RZ-DPSK对CSRZ-DPSK的格式转换，特别是后两种转换，是有报道以来首次提出的可用方案。在转换时，作者通过待转换信号与额外输入的载波抑制（CS）泵浦时钟信号相互作用，利用在PPLN晶体内的二阶级联非线性效应相互作用完成格式转换。
清华大学的研究者利用铌酸锂相位调制器存在的多波长相位漂移效应完成了全光模数转换操作。作者建议的系统使用具有N个波长的同步超短光脉冲序列经过波分复用器件复用后作为铌酸锂相位调制器的输入信号。其中N的大小决定了最终转换后数字信号的阶数。而待转换的电模拟信号作为电光调制器的电压信号输入。多波长脉冲序列在进入调制器前先经过一个偏振控制器，保持两个偏振态具有相等的强度。在经过调制器后，再经过一个偏振分束器可以发生偏振干涉效应。而相邻相位差直接来自于铌酸锂调制器外加电压即模拟信号强度变化。这样便将模拟信号的强度变化反应在相邻波长通道的相位差变化上，在经过解复用器后，使用光电探测器接受，可以恢复出数字信号。
2．光收发器：
NEC的研究者报导了其最新设计制作的30Gb/s光收发器。作者认为到2010年左右，20Gb/s的通讯速度将成为市场普遍要求。作者认为作为光收发器，垂直腔面发射激光器（VCSEL）仍是最有应用潜力的元件。首先其低功耗和高调制速率特性很适合光互联应用，其次VCSEL易于高密度集成为二维阵列，具有低串扰、低成本的优势。因此作者的收发器主要结构采用了使用InGaAs-GaAs量子阱的VCSEL作为发射源，其工作波长为1.1μm。使用大截面背照射的InGaAs PIN光电二极管做探测器，并集成了高增益的InP异质结双极晶体管作为跨阻放大器。在设计制作的时候，作者抑制了芯片电容和热阻抗，使得系统能够适应更高速的调制与响应。作者用制作的收发器，采用100米的多模光纤（G132）做测试，获得了非常清晰的眼开。
在接收器前使用电子色散补偿是近年来非常流行的技术，这样的接收器能够在未补偿前提下，让信号实现中长距离传输。对电子色散补偿的数字处理算法很多，最普遍被使用的是最大似然估计（MLSE）算法，基于该方法的四阶MLSE接收器已在2004年被成功商业化生产。本期意大利研究者对已有技术进行了改进研究。首先作者认为光的双二进制调制格式非常有应用潜力，因此其设计的MLSE接收器面向双二进制格式工作。作者认为，原有技术需要动态完成预估、存储和查表操作，因此不能使用更多阶数，色散/非线性补偿能力有限。这里作者建议使用参量分支度量技术，因为该技术拥有一套解析公式表征，因此可以使用更高阶，例如可实现32-64阶的MLSE操作，因此补偿能力更强。作者测试用其改进接收器可以实现10.7Gb/s信号550km的无补偿传输。
台湾大学的研究者设计制作了面向相干光正交频分复用（CO-OFDM）应用的光发射机。OFDM在无线通讯里是较为普遍使用的技术，例如IEEE 820.11a/g标准下的系统。在光互联中，使用CO-OFDM能有效抑制色散的影响，因此对色散敏感系统，很有应用前景。但作者指出这样的系统对非线性非常敏感，且指出该系统非线性主要来自MZ调制器部分。因此作者设计的发射器里额外使用了数字限幅和预失真处理功能，极大的抑制了调制器非线性的影响。作者证明当使用QPSK调制格式时，该发射器仅使用4字节的低精度数模转换就能稳定工作。发射机引起的Q因子恶化仅为0.3dB，额外调制引起的插入损耗小于6dB。
3．光路由与光交换：
Bell实验室的研究者对40Gb/s的PSK调制信号，利用单片集成的无源相关器，实现了对发射信号的头标签识别，这是全光分组交换的一个关键步骤。其相关系统的构成是：信号光经过一个分束器分为N份后，每一份都经过一根延时线，且每路都有独立的可调光衰减器（VOA）和相位偏移器。从最短到最长的延时线，能产生1比特的时延。之后各路信号再经过一个耦合器耦合到一路。只有当滤波器脉冲响应与入射信号的入射信号时延像相匹配时，才能获得匹配的自相关信号。依靠在自相关和交叉相关信号强度的比较，可以获得最大自相关峰，即识别后的头标签信号。由于每根延时线上的VOA和移相器都是独立控制的，因此该识别器具有可重构的特性。
California大学的研究者针对全光分组交换网络应用设计制作了可调光缓存器。器件基于硅基材料集成，使用若干个环形共振器级联。其结构为一根直波导，在波导同一侧放若干个连续的共振环，当共振环等效结构与直波导共振时，光在直波导中可被耦合进入共振环。每个共振器都采用独立的电压控制，改变共振条件，以选择是否与直波导共振。当进入共振环再耦合回到直波导就发生一次延时。这样作者采用八个共振环完成了对1.25Gb/s信号最大2483ps的延时缓存，采用32个共振环级联完成了对10Gb/s信号最大357ps的时延。由于器件采用硅基底二氧化硅材料制作，因此响应时间较慢，为1ms量级。作者指出通过改使用InP材料，或硅波导材料，可实现0.1ns的响应。
Columbia大学研究者对光分组交换（OPS）系统做了测试研究。作者基于一个4×4的SPINet OPS网络测试平台，融合使用了界面缓存技术。在测试平台中，多波长的输入信号可以无阻碍的缓存，并被动态路由。以6波长，单通道10Gb/s信号做测试，误码率低于10-12，路由功耗低于3.5dB。需要指出的是其界面缓存单元起到了信息输入控制（避免冲突）和队列管理（路由高效）的作用，因此被作者称为交叉层通讯，相比传统OPS系统更加灵活高效。但该路由方案在处理大量数据包路由时仍会面临竞争冲突问题。
4．系统灵活性与可靠性设计：
Bell实验室研究者对前向纠错（FEC）系统应对突发因素影响的能力做了测试研究。FEC能够在探测前识别并矫正误码，因此在全光传输系统里是很受关注的技术。这里作者所说的突发因素主要是指一些非线性影响，例如交叉相位调制或四波混频效应。作者表示此前尚不清楚FEC是否能足够响应这些因素带来的误码，并做出处理。作者测试系统，采用42.7Gb/s信号，分别对Reed-Solomon FEC（RS-FEC）和增强型FEC(E-FEC)两种商用系统做了测试，作者证明由FEC带来的信号增益会随着突发误差长度呈指数型恶化，也就是说FEC对长时间或大密度的突发误差缺乏足够的应对能力。但对小范围的突发误差仍能够很好校正。
在光通讯里，偏振是一个非常重要的物理参数。我们既利用它做了很多事情，也在很多场合必须提防它带来危害。例如偏振复用技术能够将单通道调制速率加倍，是大容量通讯很重要的一种技术。而对高速通讯，偏振模式色散（PMD）则是和色散具有同等危害的不利因素，必须被抑制。不管是利用偏振还是防止偏振影响的系统，偏振控制器都是很重要的子系统。本期德国研究者设计制作了一种动态偏振控制器。作者基于铌酸锂波导设计制作了Soleil-Babinet补偿器（SBC），该SBC被可编程电极控制，通过控制程序动态改变加载在门限阵列上的电压，可以调节SBC偏振轴变化，即这里SBC起到动态波片的作用，其光轴和等效厚度都动态可调。作者的偏振补偿系统能够实现9krad/s的补偿能力。
5．有源器件：
法国研究者制作了1.55μm波段的InAs-InP量子线激光器，采用直接调制工作模式。其特色是通过优化量子线和波导结构，将对连续波的调制带宽增加到了10GHz左右；韩国研究者基于InP基底制作了1.55μm波段高亮度的LD，同时为了增大对无源波导或光纤的耦合效率，芯片上集成了一个脊形波导的模斑转换器，该器件能够在14mA的低注入电流下，实现28mW的高功率输出；东京大学的研究者使用InP–InGaAsP材料制作了动态的1×5光开关阵列。其器件结构其实就是一个阵列波导光栅（AWG），其阵列波导部分每根都镀有电极，通过电控起到改变相移的作用。利用AWG环形频谱响应特性，可以在60mA的注入电流变化范围内，实现覆盖整个C波段的信号路由操作。
差分相位漂移键控（DPSK）是一种能够有效抑制非线性和色散影响的调制格式。除了DPSK外，载波抑制归零（CSRZ）调制是另一种具有相似功效的调制方式。将它们组合便构成了CSRZ-DPSK调制。为了在同一个光网络里兼容各种调制格式，格式转换是一个非常重要的子系统。本期华中科技大学的研究者利用周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体实现了多种格式间的相互转换功能，这包括：NRZ对CSRZ转换，RZ对CSRZ，NRZ-DPSK对CSRZ-DPSK和RZ-DPSK对CSRZ-DPSK的格式转换，特别是后两种转换，是有报道以来首次提出的可用方案。在转换时，作者通过待转换信号与额外输入的载波抑制（CS）泵浦时钟信号相互作用，利用在PPLN晶体内的二阶级联非线性效应相互作用完成格式转换。
清华大学的研究者利用铌酸锂相位调制器存在的多波长相位漂移效应完成了全光模数转换操作。作者建议的系统使用具有N个波长的同步超短光脉冲序列经过波分复用器件复用后作为铌酸锂相位调制器的输入信号。其中N的大小决定了最终转换后数字信号的阶数。而待转换的电模拟信号作为电光调制器的电压信号输入。多波长脉冲序列在进入调制器前先经过一个偏振控制器，保持两个偏振态具有相等的强度。在经过调制器后，再经过一个偏振分束器可以发生偏振干涉效应。而相邻相位差直接来自于铌酸锂调制器外加电压即模拟信号强度变化。这样便将模拟信号的强度变化反应在相邻波长通道的相位差变化上，在经过解复用器后，使用光电探测器接受，可以恢复出数字信号。
2．光收发器：
NEC的研究者报导了其最新设计制作的30Gb/s光收发器。作者认为到2010年左右，20Gb/s的通讯速度将成为市场普遍要求。作者认为作为光收发器，垂直腔面发射激光器（VCSEL）仍是最有应用潜力的元件。首先其低功耗和高调制速率特性很适合光互联应用，其次VCSEL易于高密度集成为二维阵列，具有低串扰、低成本的优势。因此作者的收发器主要结构采用了使用InGaAs-GaAs量子阱的VCSEL作为发射源，其工作波长为1.1μm。使用大截面背照射的InGaAs PIN光电二极管做探测器，并集成了高增益的InP异质结双极晶体管作为跨阻放大器。在设计制作的时候，作者抑制了芯片电容和热阻抗，使得系统能够适应更高速的调制与响应。作者用制作的收发器，采用100米的多模光纤（G132）做测试，获得了非常清晰的眼开。
在接收器前使用电子色散补偿是近年来非常流行的技术，这样的接收器能够在未补偿前提下，让信号实现中长距离传输。对电子色散补偿的数字处理算法很多，最普遍被使用的是最大似然估计（MLSE）算法，基于该方法的四阶MLSE接收器已在2004年被成功商业化生产。本期意大利研究者对已有技术进行了改进研究。首先作者认为光的双二进制调制格式非常有应用潜力，因此其设计的MLSE接收器面向双二进制格式工作。作者认为，原有技术需要动态完成预估、存储和查表操作，因此不能使用更多阶数，色散/非线性补偿能力有限。这里作者建议使用参量分支度量技术，因为该技术拥有一套解析公式表征，因此可以使用更高阶，例如可实现32-64阶的MLSE操作，因此补偿能力更强。作者测试用其改进接收器可以实现10.7Gb/s信号550km的无补偿传输。
台湾大学的研究者设计制作了面向相干光正交频分复用（CO-OFDM）应用的光发射机。OFDM在无线通讯里是较为普遍使用的技术，例如IEEE 820.11a/g标准下的系统。在光互联中，使用CO-OFDM能有效抑制色散的影响，因此对色散敏感系统，很有应用前景。但作者指出这样的系统对非线性非常敏感，且指出该系统非线性主要来自MZ调制器部分。因此作者设计的发射器里额外使用了数字限幅和预失真处理功能，极大的抑制了调制器非线性的影响。作者证明当使用QPSK调制格式时，该发射器仅使用4字节的低精度数模转换就能稳定工作。发射机引起的Q因子恶化仅为0.3dB，额外调制引起的插入损耗小于6dB。
3．光路由与光交换：
Bell实验室的研究者对40Gb/s的PSK调制信号，利用单片集成的无源相关器，实现了对发射信号的头标签识别，这是全光分组交换的一个关键步骤。其相关系统的构成是：信号光经过一个分束器分为N份后，每一份都经过一根延时线，且每路都有独立的可调光衰减器（VOA）和相位偏移器。从最短到最长的延时线，能产生1比特的时延。之后各路信号再经过一个耦合器耦合到一路。只有当滤波器脉冲响应与入射信号的入射信号时延像相匹配时，才能获得匹配的自相关信号。依靠在自相关和交叉相关信号强度的比较，可以获得最大自相关峰，即识别后的头标签信号。由于每根延时线上的VOA和移相器都是独立控制的，因此该识别器具有可重构的特性。
California大学的研究者针对全光分组交换网络应用设计制作了可调光缓存器。器件基于硅基材料集成，使用若干个环形共振器级联。其结构为一根直波导，在波导同一侧放若干个连续的共振环，当共振环等效结构与直波导共振时，光在直波导中可被耦合进入共振环。每个共振器都采用独立的电压控制，改变共振条件，以选择是否与直波导共振。当进入共振环再耦合回到直波导就发生一次延时。这样作者采用八个共振环完成了对1.25Gb/s信号最大2483ps的延时缓存，采用32个共振环级联完成了对10Gb/s信号最大357ps的时延。由于器件采用硅基底二氧化硅材料制作，因此响应时间较慢，为1ms量级。作者指出通过改使用InP材料，或硅波导材料，可实现0.1ns的响应。
Columbia大学研究者对光分组交换（OPS）系统做了测试研究。作者基于一个4×4的SPINet OPS网络测试平台，融合使用了界面缓存技术。在测试平台中，多波长的输入信号可以无阻碍的缓存，并被动态路由。以6波长，单通道10Gb/s信号做测试，误码率低于10-12，路由功耗低于3.5dB。需要指出的是其界面缓存单元起到了信息输入控制（避免冲突）和队列管理（路由高效）的作用，因此被作者称为交叉层通讯，相比传统OPS系统更加灵活高效。但该路由方案在处理大量数据包路由时仍会面临竞争冲突问题。
4．系统灵活性与可靠性设计：
Bell实验室研究者对前向纠错（FEC）系统应对突发因素影响的能力做了测试研究。FEC能够在探测前识别并矫正误码，因此在全光传输系统里是很受关注的技术。这里作者所说的突发因素主要是指一些非线性影响，例如交叉相位调制或四波混频效应。作者表示此前尚不清楚FEC是否能足够响应这些因素带来的误码，并做出处理。作者测试系统，采用42.7Gb/s信号，分别对Reed-Solomon FEC（RS-FEC）和增强型FEC(E-FEC)两种商用系统做了测试，作者证明由FEC带来的信号增益会随着突发误差长度呈指数型恶化，也就是说FEC对长时间或大密度的突发误差缺乏足够的应对能力。但对小范围的突发误差仍能够很好校正。
在光通讯里，偏振是一个非常重要的物理参数。我们既利用它做了很多事情，也在很多场合必须提防它带来危害。例如偏振复用技术能够将单通道调制速率加倍，是大容量通讯很重要的一种技术。而对高速通讯，偏振模式色散（PMD）则是和色散具有同等危害的不利因素，必须被抑制。不管是利用偏振还是防止偏振影响的系统，偏振控制器都是很重要的子系统。本期德国研究者设计制作了一种动态偏振控制器。作者基于铌酸锂波导设计制作了Soleil-Babinet补偿器（SBC），该SBC被可编程电极控制，通过控制程序动态改变加载在门限阵列上的电压，可以调节SBC偏振轴变化，即这里SBC起到动态波片的作用，其光轴和等效厚度都动态可调。作者的偏振补偿系统能够实现9krad/s的补偿能力。
5．有源器件：
法国研究者制作了1.55μm波段的InAs-InP量子线激光器，采用直接调制工作模式。其特色是通过优化量子线和波导结构，将对连续波的调制带宽增加到了10GHz左右；韩国研究者基于InP基底制作了1.55μm波段高亮度的LD，同时为了增大对无源波导或光纤的耦合效率，芯片上集成了一个脊形波导的模斑转换器，该器件能够在14mA的低注入电流下，实现28mW的高功率输出；东京大学的研究者使用InP–InGaAsP材料制作了动态的1×5光开关阵列。其器件结构其实就是一个阵列波导光栅（AWG），其阵列波导部分每根都镀有电极，通过电控起到改变相移的作用。利用AWG环形频谱响应特性，可以在60mA的注入电流变化范围内，实现覆盖整个C波段的信号路由操作。
