04年OFC专题：2005年1月JLT评析

OFC是由OSA与IEEE主办的世界上最大的光通信技术年会，JLT主编邀请04年OFC的组织者Patrick Iannone博士等5人为新年第一期的特邀编辑，办了一个OFC专刊。该专刊会聚了04年OFC的28篇优秀论文，涵盖了9个分会主题，代表了当前光通讯最前沿的技术动向。现按内容评析如下：
一、 面向高速大容量的下一代光网络：
     光纤用于通信传输线路，主要原因之一是由于光纤本身有很大潜在传输能力可供发掘利用。关注历年OFC的朋友，总会留意今年光纤带宽利用，传输速度，最大容量，每对光纤传输数字信号的速率等在数值上的变化。例如就最大容量，每年几乎都有一倍的提高。在此期OFC专刊中，我摘选了几篇具有代表性的文章，面对不同的技术方向进行介绍，
1、6Tb/s的WDM传输：由法国和德国的研究人员合作，在此次专刊中报导了其基于WDM-PON的，总容量6Tbit/s的传输，其工作距离为6120km，测试性能良好。系统基于129个通道，50GHz频带间隔的复用，基本覆盖了C＋L波段。对这样一个DWDM系统，129路不同波长的光载波同时在光纤中传输，每路光载波的激光管各自受到通信信息电的数字信号的调制，也就是依次排列的光载波各自载荷互不相同的电数字信号向前传送。这些电的数字信号就是参照国际上的SDH各级数字群，由电的时分多路TDM组成，最高一级是42.7-Gb/s，至于每路使用数字信号的编码技术，该系统仍采用了归零的差分移相链控技术（RZ-DPSK）。要注意尽管这样的传输容量在上一年度基础上并没有明显提高，但是其系统综合性能和稳定性则更加优越，特别是研究者侧重点放在降低系统复杂性和成本上，使得系统应用前景非常光明。 此外，荷兰研究者报导的其基于OTDM的160Gb/s传输速率的光网络，综合性能也很引人注目。
2、NTT光子晶体光纤的使用：NTT的研究员Kazuhide Nakajima等采用光子晶体光纤（PCF）进行的超宽带(ultra wideband)通信试验中实现了190Gbit/秒的传输速度。系统在853nm～1560nm这一极宽的波长范围内，给19束光分别加载10Gbit/秒的信息，通过WDM装置进行复用后在PCF上传送。其使用的PCF直径为125μm，其构造为中心轴（芯线）的周围排列着60根直径为2.8μm的管状小孔。 请注意：如果使用WDM的话，实现190Gbit/秒的带宽并不困难。而我重点介绍的原因是因为其使用的波长范围极宽。通常使用传统的SMF时，受材料损耗和色散的限制，WDM使用的波长范围限制在红外。而现在NTT利用PCF，可用波长向短波方向进行了扩展，达到了原来范围的两倍，所以称其为超宽带。但限于PCF的高昂成本，这样的系统短期不会有商用前景。
    二、适合长距离传输的关键技术：
1. 先进的调制格式：信号的调制格式会影响最终的接收质量，通常载波抑制归零（CSRZ）码具有较宽的频谱范围，能抑制非线性的影响，适合于在大功率条件下工作，特别是对于密集信道间隔，但它的缺点是展宽了信号的频谱，从而限制了信道的间隔，而且受色散的影响更为严重，所以色散容限减小了。此次OFC专刊里唯一的一篇有中国人参与的论文就是上交大的苏翼凯教授与贝尔实验室合作，在此方面的改进研究。论文提出了一种结对相位交换式的载波抑制归零（PAP-CSRZ）码，使用两套强度分布相同，但相位分布相异的调制码，各以160Gb/s的速度传输，其综合性能都明显超越了通常的CSRZ，甚至于破纪录的首次基于CSRZ技术实现了320Gb/s的调制。
相对于CSTZ，在此次专刊中提到最多的仍是差分移相链控技术（DPSK）。采用DPSK系统可以压缩传输频带，使频带利用率提高到0.8bit/Hz（一般0.4bit/Hz）。特别被广泛使用的是RZ－DPSK，其前后两个信号的载波相位，相同是“1”，相反是“0”，光作为载波。采用光RZ－DPSK调制的优点是：比通常的二进制光开关OOK调制的S/N比好3dB，同时可减少XPM的影响。专刊中日本NTT研究出一项新的技术，能够对载波频带再压缩，其原理大同小异，与DPSK相比较又可得到1dB的改善。当然，这些系统比较复杂，在大容量长距离传输的情况才能显示其经济性的优势。此外，专刊中贝尔实验室的Gnauck对当前的DPSK技术进行了非常详尽的overview。
2.PMD补偿：当每信道传输速率达到10Gbps或更高时，偏振模式色散（PMD）成为高速长距离光传输系统的主要障碍。PMD补偿器需时时监测链路状态并对新状态做出动态调整，使之能跟得上最快PMD或偏振变化，从而保证系统的无差错传输。目前已经公布了几种尝试方法，用以跟踪实际操作条件下最快PMD或偏振变化。一个主要问题是如何检测极高速且大幅度PMD变化。长期经验发现这种情况每周甚至每月只会出现一次，取决于有限的数据库和有效概念。当PMD补偿器能够在几毫秒跟踪PMD变化时则补偿效果明显。此次OFC专刊报导了德国的Sven Kieckbusch等利用电光偏振器和磁光旋转器设计制作了一种自适应式的PMD动态补偿器，在一个160-Gb/s 的基于DPSK的系统里，工作性能非常优越。    
3．放大技术：.光放大器的出现促进了长距离传输的发展，降低了成本。特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的出现可以称为光通讯发展的一个里程碑，但随之而来的问题是放大器引入的ASE噪声积累对信号的影响以及放大器增益范围和平坦度问题。此期OFC专刊有韩国科学院的研究者利用掺铒nc-Si纳米晶体增强光敏感性，实现了每厘米3dB的放大。值得一提的是其泵浦光使用价格低廉的470nmLED，为光放大家族提供了一种新颖可靠，结构紧凑和高性价比的选择。
    三、面向低价、灵活可靠的实用化网络：
    此专刊的技术论文明显呈现两个迥异的研究方向，一个是前面提到的追求高带宽、高速、大容量和长距离，进展所能为未来的光网络发展铺平道路；而另一方面也有很多研究者面向眼前的光通讯实用化而努力，让系统降低成本，灵活可靠，更充分的考虑多变的使用环境。
1、一种可靠的CWDM器件：当前宽带城域网的建设正逐渐成为电信和网络建设的热点。由于DWDM的巨大带宽和传输数据的透明性，人们自然希望能把DWDM作为城域网中的传输平台。但是，由于城域网传输距离短，业务接口复杂多样化，如果照搬主要应用于长途传输的DWDM，会带来成本上的大幅度提高。而粗波分复用（CWDM）技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有优势,正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。对CWDM技术，专刊里两项有意义的研究均来自贝尔实验室。器件方面，有Doerr等使用一个波导透镜链接两个波导光栅成功制作了一个8通道CWDM器，其损耗相对同类器件低了很多，最高仅3.9dB，且频谱响应非常漂亮，接近矩形。另外值得注意的是鉴于CWDM技术单通道1dB带宽有16nm左右，温漂的影响几乎可以忽略，因此CWDM器相对DWDM器而言，不再需要温控装置，封装要求也明显降低，器件成本大幅下降。系统方面，贝尔的Winzer等希望CWDM通讯仍利用现有的标准SMF，将单通道速率从2.5提高到10Gb/s，并着重依赖电子均衡和前向纠错（FEC）技术来克服使用SMF带来的色散。并证明使用FEC可以明显改进带间串扰，从而为双向CWDM网络铺平了道路。遗憾的是目前尚没有适合该系统的全谱商用光源，这一定程度限制了系统的推广。
2、灵活可靠的网络：另一些研究者基于现有光网络，致力于使系统可靠化，适应灵活多变的实际通信。同样来自贝尔的Chowdhury利用铌酸锂晶体的位相共扼特性，对现有系统的传输非线性进行了校正，将误码率降到了原来的5％，使系统工作距离大幅提高；英国南安普顿大学的Yelen等对现有DFB激光器进行了改进，提高了效率减小了器件尺寸，更加适合通讯使用。另外非常值得一读的是这两篇文章：美国CIENA公司的Jeff Livas对近一年来的典型系统和模块进行了测试，比较其性价比，并做了一个评价；另外专刊还对2004OFC全部特邀论文涉及网络系统损伤改进的论文进行了一个overview（pp.131-142）。