光通讯热点：2004年第12期JLT评析

一、全光网络热点技术：WDM-PON、光交换技术
在上期JLT评析中，个人已对WDM-PON进行了简要评析，这里不再重复。本期JLT光网络部分的文章仅两篇，但其中新加坡南洋技术大学的Hai Yuan等关于双向光交叉连接（BOXC）的研究正好是热门方向，下面略加分析。
众所周知，当前全光网络的主要技术瓶颈是光交换技术，而OXC和OADM又是其核心技术。OXC主要用于长途网路和大型都会网路连接，OADM则在大型城域网络中广泛使用，两者搭配起来可以取代DCS在电层的管理模式，直接在光层进行交叉联结、保护和恢复，以及光通道管理。由于双向WDM技术具有最灵活高效的网络拓扑结构，能有效降低系统成本，且能最有效的在节点故障的情况下快速自愈，保护承载业务，因此BOXC是目前很有发展潜力的技术。据我了解，该技术在98年被提出以来，已有几十篇论文和专利对其发展和改进，但其技术无非是对AWG、FBG、MEMs、PBS、循环器等器件组合使用，其目标是采用最少的元件实现最优的性能。但目前为止无论那种组合均有明显的缺陷，使用AWG会增大插损，使用PBS会增加PMD，而使用MEMs拓扑结构变得死板，仅能称为准双向。Hai Yuan此次的研究是利用FBG和循环器的组合，虽然避免了很多不利因素，可是其需要波长小范围可调等因素在使用中也不可避免会带来问题。因此个人还是较推崇Sangin Kim等01年8月在EL上基于一个AWG和FBG构建的BOXC结构，其性能更加可靠，且由于仅使用了一个AWG，插损也改善了很多。
二、光集成热点技术：PLC、SOI和polymer材料、光子晶体、interleaver、DWDM
PLC和OEIC是光集成发展的目标，这在前几次评析中已多次提到。因为它包含技术内容很广（标题提到的其他技术都可以涵盖在PLC内），所以真正意义的PLC芯片并不多。本期JLT贝尔实验室Doerr等的研究很出色，基本代表了当前光集成的最高水平，其在一块芯片上实现了波长可选的光交叉连接，且能实现可调光衰减等功能。另外值得注意的是其使用了interleaver这一热点技术。该技术利用干涉的原理使复用信号按照奇偶通道分开，这一方面有效缓解了光通讯对越来越窄的通道间隔的需求，另一方面也降低了对光源波长稳定性控制的压力。例如Doerr的芯片使用200G的频宽实现了实际100G的标准间隔复用。当然采用interleaver技术也会明显增大芯片的尺寸。
密集波分复用器是最核心的光无源器件，同样在平面光集成中，以AWG和EDG为代表的平面集成波分复用器也是最受关注的研究方向。其中EDG（刻蚀衍射光栅）理论上具有比AWG更优的性能，但由于深刻蚀的工艺复杂性限制了其广泛使用，目前加拿大科学院代表了其最高技术水平。而AWG采用阵列波导的形式产生类似光栅的色散特性，避免了深刻蚀的要求，从而被广泛商用和研究。关心AWG发展的朋友建议看看此期JLT西班牙Pascual Muñoz等的研究论文，虽然其主旨是对先前理论结果的实验验证，但其15页的长篇幅基本涵盖了AWG研究的所有热点问题，如频谱平坦化等。
光子晶体已经被研究了10余年，其研究方向也已经从前些年不同周期结构的禁带计算发展到现在不同器件的设计，虽然其技术一直很热，但是令人信服的实验成果却少的可怜。本期JLT上有意大利INFM的Stefano Boscolo等对三维光子晶体多重散射特性进行了分析；日本东京大学的Y. Tanaka等对基于SOI材料的二维光子晶体存在线缺陷时不同偏振间的耦合进行了分析；亚利桑那大学的Tao Liu等对传统多模干涉耦合器（MMI）改用光子晶体结构后进行了优化设计，这些分析都侧重于理论模拟，并没有特别吸引人的结论。当前光子晶体研究热的最主要原因是其相对于传统波导器件优异的性能和更紧凑的结构。目前较为成熟的光子晶体商用产品仅限于光子晶体光纤。
另一项热点技术在材料上，目前最热的材料当属聚合物和SOI两种。前者吸引人的是其相对于二氧化硅波导低廉很多的制作成本，后者则是因为其直接在半导体Si上通光，是我们可选的最佳的有无源集成材料。由于SOI波导外包层直接采用空气，决定了其波导结构应主要采用脊形。而如何有效对其结构进行设计一直以来都是难点，此次JLT中，英国诺丁汉大学的Carl Styan等对传统基因算法进行了改进，动态修改目标函数，从而提供了一种对脊形波导的快速设计方法。
三、有源器件热点技术：VCSEL、DFB、QW
垂直共振腔面发射激光器（VCSEL）是近年来广受关注的一项技术，其与通常激光器的区别在于其发射面与共振腔垂直，模斑为圆形，其独特的结构决定了其易与光纤耦合，工作寿命长，易检测，可做阵列，价格低廉等特有优势。然而现在商用最成熟的VCSEL激光器局限在850nm和980nm这两个波段，通讯应用上下载需要转换波长，因此仅在短途通讯里被使用。值得关注的是近两年使用InGaNAs/GaAs材料的VCSEL激光器，非常有希望拓展到整个光通讯波段，因此VCSEL技术在中长途的使用已经指日可待。在此期JLT报导中，希腊国家科学中心的K. Minoglou等对高速VCSEL激光器，考虑了非线性效应和寄生效应等因素，建立了一种等效电路的分析和性能模拟方法，其结果与测量保持了高度一致。
通常的分布布拉格反馈（DFB）激光器和VCSEL相反，是端面发射激光，模斑为椭圆，现广泛商用DFB激光器已涵盖了1310nm和1550nm两波段，可用于中长距离通讯。本期JLT中，法国Avanex公司的研究者对DFB激光器中的偏振消光比特性进行了研究，并对实际使用的影响程度进行了评估。采用DFB技术可以使发散激光具有非常窄的谱宽和良好热稳定性。另外，目前还有一类商用成熟的LD是基于FP腔，其性能比DFB差，但极低的价格优势仍很据吸引力，其1310nm的波长输出在中距离通讯中应用较广。
通常的半导体激光是多波长多模式的，当耦合到光纤中时会产生强烈的色散，脉冲展开明显。量子阱结构（QW）具有的量子尺寸效应和DFB的选模效应都可以改善激光质量，获得单模，线宽小于0.5nm的激光，这非常有利于DWDM应用。
综合VCSEL、DFB和QW三者的优势，在VCSEL激光器中，使用上下两层分布布拉格反射镜 (DBR)选模，有源区选用QW结构是目前的主流也是热点技术。本期JLT上来自台湾交通大学的研究者就对VCSEL的MQW激光器（850nm）输出进行了深入研究，并优化了部分性能，例如获得了极低的阈值电流。
但是必须指出，目前该技术的瓶颈是在长波段激光发射。刚刚提到最有希望实现全光通讯波段发射的材料，如InGaAsP /InP和InGaNAs/GaAs等非常难制得高反射率的DBR。目前对这一难点主要有两个研究方向，一是使用键和技术（见11期PTL评析），DBR使用GaAs材料，而有源区使用高反射的InP材料，二者键和在一起，文献报导的用该技术获得的器件性能非常优越，但制作非常困难，废品率高；另一个是采用单向外延技术，直接将DBR和有源层长于GaAs基底上，虽然性能不如前者，但工艺相对简单，特性温度较高，个人认为这是近期最有商用前景的方案。
以上是我对本期JLT的一个评析和相关技术的一个简要讨论，希望能对大家有所帮助。（作者：浙江大学 宋军）