05年2月PTL光通讯论文评析

一、光网络与系统：
    本期快报关于网络部分论文不到器件部分的1/4，但质量都较高，现对个人认为较有价值的研究评析如下：
    曾经提到过，追求高速大容量是光通讯发展永恒的目标。曾经提到过interleaver技术可以在不增加过多运营成本的同时将可利用的通道数增加一倍。而对一个单一波长通道，也有两项流行的调制格式，可以有效将单通道频带利用翻倍。其一是正交相移调制(QPSK)，其载波可以承载四种不同的相移(4个码片)，每个码片又代表2个二进制字节，这样同一载波能传送2比特的信息，从而使载波的频带利用率提高了一倍。类似的PolDM技术通过偏振复用的方式也可以起到类似效果。这样如果我们将QPSK和PolDM结合起来使用，显然单通道信息量有望提高4倍。很多成功的网络系统利用该结合技术已轻松实现了4×10Gb/s的单通道传输，而光网络研究者们努力的方向是要在这个数字基础上更进一步，实现4×40Gb/s的单通道传输，这样即便使用CWDM，总传输容量也可达到Tb的目标。但这一目标实现起来并非易事，因为从10Gb/s到40Gb/s，系统对公差的容忍度已经降低到原来的7％左右，小的温漂都可能产生大的误码，而实现动态色散补偿可以有效的缓解这些不利因素。本期PTL中德国Paderborn大学的研究者利用光纤光栅做动态色散补偿，第一次实现了单通道4×40Gb/s的传输，并在230km的传输测试中综合性能非常优越，个人认为该研究称得上是相关领域上一次里程碑似的飞跃。但值得关注的是尚不知其动态色散补偿在中长距离传输时效果如何。
    其它网络方面有益的研究还有：（1）贝尔实验室的研究员们对PMD补偿过程里的非线性效应影响进行了研究，一个有趣结果是SPM可以是PMD补偿效果恶化，然而适当的XPM却可以对PMD进行遏制；（2）丹麦的Siahlo等设计了一个二级色散补偿方案，在信号接受前可以一次性补偿累计4ps/nm的色散；（3）爱尔兰的Andrew D. Ellis等通过理论模拟和实验论证了只要合理控制WDM临近通道的相位，通道复用的密集度可以大幅度提高。
    二、有无源器件：
    有源器件方面，VCSEL技术长波化，DFB动态可调化，以及配合QW技术改善光束质量一直以来都是研究热点，这在本期PTL有源部分的论文内容上也得到了印证：（1）大家知道在信息数字化调制时，归零（RZ）调制比非归零调制在公差容忍度，非线性抑制性等方面都具有明显优势，因此在调制中被广泛使用。一个较普遍的实现方式是在光或电参考脉冲作用下，实现双模同步发射。这就要求生产出双模锁定发射的激光器，尽管该技术已相对成熟，但是覆盖波段较窄，急需大范围的动态可调。显然再配合DFB技术，一切都更加可行了，加州大学的L. A. Johansson等就利用SG-DFB实现了40nm大波段动态可调的40GHzRZ脉冲发射，并在相位和强度调制两种模式下均取得了不错的效果；（2）英国St. Andrews大学的研究者对Yb :KYW激光器使用量子点饱和吸收装置实现了稳定的锁模脉冲输出；武汉大学的研究者利用多量子阱效应制作的激光器也实现了低阈值高功率的输出；（3）多伦多大学的Tropper等对VCSEL技术在长波高速通讯方面的研究非常出色，代表了该方向最高水平，此次快报上他们就无源锁模的VCSEL激光器进行了研究，其在10 GHz以上的复制率下锁模，实现了持续的486fs的脉冲输出，其采用的磷化物材料使其输出波长移到了1.5微米附近，从而适合了长距离高速通讯的使用。
    无源器件方面，WDM技术、FBG、SOI材料等热点问题在本期快报中也同样得到了体现：（1）关于WDM器件，来自美国Purdue大学研究者的超精细复用很引人注目，其利用虚拟成像相位阵列（VIPA）技术做色散补偿器（其优点是集成度高）实现了3GHz频带间隔，0.75GHz3dB带宽的多波长复用，其复用密集度又创了历史新高；NTT的Hidenobu Hirota等利用二氧化硅材料掺入二氧化钛材料的方法，并优化掺杂的浓度和退火时间，从而制成了热稳定的AWG器件，其每变化1摄氏度，仅产生0.7pm的温漂；（2）英国Aston大学的研究者利用FBG，基于Michelson–Gires–Tournois干涉仪结构，制成了高集成低插损的全光纤平顶多通道滤波器；香港城市大学的吴强等提供了一种设计方案，利用FBG不仅补偿了色散，也降低了色散斜率；（3）香港大学的T. K. Liang等，利用SOI材料脊形波导的结构特性，改变脊宽，从而影响双折射程度，制作了一个高消光比的偏振分束器；上海微系统所的研究者利用SOI材料制作了AWG，其特点是使用可调微反射镜阵列代替原器件弯曲波导结构，使器件更加紧凑，但从测试结果看，其关键性能还有待进一步提高。
    三、探测器，光开关及调制器，测试：
    快报中涉及这些内容的论文都不多，现分主题对有益论文概括如下：
    探测器和接受器方面有益的研究：常用探测器有APD和PIN-PD两种。APD虽有倍增作用，但因频响限制，使用较少。使用最多的是低电容、低暗电流的PIN-PD，但它与FET集成较为困难。为适应高速率、宽频带响应的要求，人们研制出具有高速能力的金属-半导体-金属（MSM）PD，其电容更低、工艺简单，但暗电流稍大（10nA以上）。此期快报台湾的李清庭教授直接在MSM-PD电极附近通过光电化学的方法生长出了一个缓冲层，使暗电流大幅降低，并增大了截止电压，综合性能更加优越。
    光开关方面荷兰Twente大学的研究者利用微共振腔结构，通过热光效应使共振波长改变，实现了一个Gbit的光开关，其消光比高于12dB，通道隔离度好于20dB，在10Gb/s的单环传输测试下，误码率小于10.^-12。同样基于微共振腔结构，南加州大学的研究者研制了一种低电压高带宽的调制器，其共振腔基于InP材料，通过载流子注入的方式，调制速度有了极大提升；西班牙Collado等理论分析了共振增强型电光调制器由于电光效应引发的相位漂移，理解论文建立的理论模型对我们很有帮助，可以知道电极多长才好，也可知道如何优化电极才能让电光速率失配程度最小。
    波导传输损耗的测试是光器件制作中必须的，通常的仪器如棱镜耦合器（国内上交大物理系做的较好）等都可以实现，但适用范围相对有限，测量灵活性不高。此期快报印度科学院的研究者利用两个3dB耦合器，一个微处理器，一台电耦合照相机，实现了一种测量波导损耗的新颖装置，从报导效果来看，灵活性和可靠性都很好；信噪比测量是光通讯中预估误码率的有效手段，此期快报，AT&T实验室的研究者对信噪比测量过程中，自发辐射的影响进行了理论和实验的分析，证明自发辐射较大的情况下，信噪比已经不能像常态那样估计出误码率，高的信噪比也可能产生大的误码率；日本东京农艺大学的研究者利用一个AWG，在其曲线型输出表面集成微反射阵列，并使用一台线性的图像传感器，制成了一台光谱分析仪，并对1550nm附近连续和脉冲的光谱都成功的进行了探测，该仪器很适合于高速光通讯系统的使用。（作者浙江大学 宋军博士）