2005年4月PTL光通讯论文评析

4/11/2005， 一、光网络与系统：
    1. 非线性对差分正交相移键控(DQPSK)调制的影响及抑制：采用DQPSK技术并结合偏振复用技术可以将光纤传输容量提高四倍，至160-Gb/s，这一技术显然是近来网络系统方面的研究热点，连续三期PTL上均有不同研究机构的研究者报导了他们对此技术的最新研究成果。然而此前的研究也表明此技术会带来相当大的非线性噪声，增大误码。本期快报来自台湾科学院的研究者就对在DQPSK传输中，非线性效应引起的误码概率有了较深入的分析。同样快报里，来自德国Paderborn大学德研究者却证明如果采用前向纠错编码（FEC），可以有效降低误码，改善系统的噪声容忍度。他们在使用FEC的前提下，采用RZ-DQPSK技术，在仍使用100GHz频带间隔的情况下，遍及整个C波段，实现了40×160-Gb/s＝5.94-Tb/s的总传输容量，系统传输324km后，误码率均非常低。另外，可以看到如果进一步减少频带间隔，他们的系统传输容量增加的空间仍非常大，我们应予以关注。仍是为了降低使用DPSK编码后严重的非线性噪声，特别是Gordon–Mollenauer噪声的影响，荷兰Eindhoven大学的研究者采用了谱反转（SI）的技术，即在传输过程中将数据信号的谱形反转。同时他们证明将这个SI操作放在传输回路正中效果最好，可以将误码率降低四倍以上。
    2. 光交叉点交换（OXC）的实现：已有不同的拓扑被用来提供光纤通道端口之间的连接。现在所使用的两种基本拓扑是光纤通道仲裁环路和光纤交换。交换结构允许多个节点同时相互通信，因此，当增加节点时，可分步提高集合数据的吞吐能力。这样交换结构需要交叉点交换功能和智能来进行连接。两年前，飞利浦已成功采用QUBiC4'G'生产世界首个单芯片12.5Gbps OXC芯片-TZA2060。其低噪音值和低电流消耗等先进性能使QUBiC4'G'适于先进的微波和光通讯应用。此期快报中英国Bristol大学的研究者就基于一个4×4的OXC，成功实现了多节点操作，同时由于其采用了有源的垂直耦合器，因此没有引入任何额外的分束损耗，同时对其在不同交换实验验证下，品质因数均很优秀。
3. 光学位相共扼（OPC）的运用：使用OPC是光通讯系统里是降低噪声对信号影响的有效手段，而当使用了OPC后，相位不稳定一直是限制光纤传输容量的主要因素，为了解决这一问题，法国国家通讯实验室的研究者使用中继色散补偿的办法，有效降低了相位不稳定的影响；光学双二进制调制在本质上仍然是二进制信号。在光通讯上应用上可通过一个MZ调制器，采用特殊的偏置点，在进行强度调制的同时引入有规律的相位调制。这种相位调制在改善色散的同时，抗光损伤的能力也得到改善。已有很多研究者使用LiNbO3作为光调制，从而有效降低了系统性价比。此期快报贝尔实验室的研究者使用普通商用的10-Gb/s LiNbO3调制器实现了42.7 Gb/s的双二进制传输，同时也证明该设计可以有效降低系统对信噪比的要求，增加了对公差的容忍度。
二、有源器件：
1.光发射器：通过几期的评析，已经知道1550nm波段的适合集成的半导体激光器技术已经相对成熟，目前的研究者主要致力于改善模斑质量，提高输出功率。例如，许多研究者分别通过使用渐变式输出波导、使用掩埋式脊形波导，以及使用非对称包层结构等都实现了1.5微米附近大于500mw的单模输出。本期快报MIT林肯实验室的Joseph P. Donnelly教授拓展了Marcatili’s无源器件的耦合模理论，使用大尺寸的半导体平板波导，结合量子阱结构，设计了一种新颖的平面耦合型半导体激光器，成功实现了1.5微米波段的860mw的稳定单模输出。特别有益的是由于其优化的结构设计和量子阱结构的作用，使得即便使用了大尺寸的波导，仍然能够单模工作，而其4×8平方微米的模斑尺寸可以极大的降低与单模光纤耦合的损耗，这是通常的半导体激光器无法做到的。
2.光纤激光器和放大器：现在较长使用的波长转换器基本都是基于半导体光放大器（SOA），结合交叉增益调制、交叉相位调制等方式实现的。而本期快报，韩国研究者利用注入式掺铒光纤环形激光器和分布反馈LD组成了一个新颖的波长转换装置。实验上靠调节注入光功率大小和偏振态，从而FP、DFB和双波长模式振荡都稳定的被观察到。从测试结果看，器件实现了在1550nm中心波长附件间隔0.8nm的稳定波长转换，均保持了较好的通道均匀性。
尽管目现适合WDM应用的长波段可调光纤激光器技术还不成熟，但其优越的特性仍广受研究者的关注。通常为了保证光纤激光器保持均匀线宽，掺铒光纤激光器（EDFL）必须用液氮在77K下冷却。许多研究者一直致力于降低成本，让EDFL在室温下工作。本期快报日本电子科技大学的研究者利用线性腔进行相位调制实现了EDFL室温下稳定的多波长输出，极大改善了其综合性能。
光纤脉冲激光器（FPL）是一种重要的全光器件，在光通讯、信号处理方面都有重要应用。然而通常的FPL脉冲频率很难做到很高，仅几十MHz，此次东京大学的研究者在通常的FP光纤激光器基础上，改用碳纳米管做饱和吸收器，实现了5.86GHz的脉冲输出，特别其光纤腔长仅2cm，是目前有报导以来最短的飞秒光纤激光器。
3. 光电探测器：波导光电探测器（WPD）在光通讯中有重要应用，提高WPD光电转换效率，提高探测光电流大小是众多研究者努力的目标。通常的研究都立足于改变探测器波导结构，如使用局域衰竭型吸收层，以及使用速率匹配型分布PD结构等。然而本期快报韩国研究者却仍使用传统WPD结构，而对其四层吸收层的厚度进行优化，将光电转换效率相对于传统器件提高了3倍；雪崩PD（APD）是另一类重要的探测器，本期快报上美国固体科学公司的研究者在GaAs上外延生长InGaAs–InP，制作出了高性能的APD；而对另一种PD，金属-半导体-金属光电探测器（MSMP-PD），本期快报上来自台湾成功大学的研究者对基于InGaN的MSMP-PD，通过优化其电极结构，使用优化的凹面电极结构，使其光电转换效率大幅提高，暗电流也大幅降低。特别的，研究者也给出了器件较详细的ICP刻蚀加工工艺流程。
三、无源器件：
1. 集成波导器件：通常的集成光学器件都是使用金属掩膜，然后通过光刻，将图形转移到波导表面。然而由于通常金属掩膜制作时使用电子束刻蚀精度有限，在光刻时会给器件引入不同程度的强度和相位误差。例如对100nm的掩膜精度，引起的相位误差可以使一个波分复用器产生35dB左右的串扰。掩膜精度问题已经成为制作高性能集成波导器件最大的障碍。本期快报中，日本Gunma大学的研究者针对这个问题提出了一种简单易行的解决办法，他们利用金属掩膜感光发生折射率变化的特性，仅使用的商用的inkjet打印设备，对掩膜相位进行修整，明显降低了AWG器件的串扰。然而值得关注的是其并不高的修整精度，很可能对器件的其他特性造成伤害。提到AWG器件，另一组日本研究者使用了新颖的V型波导弯曲结构，在不恶化器件性能的同时，令其尺寸压缩到仅有通常的十分之一。
其余集成器件方面有益的研究有：利用多模干涉耦合器（MMI）的空间结构，实现准三维面阵式输出近两年来一直是研究热点。此前虽已多次有实验结果被报导，然而其多址分束的均衡度均不太让人满意。此次香港科技大学的研究者在100×100平方微米的输出截面上，却成功实现了8×8=64束的分束，特别是其均衡度是近年有报导以来最好的；法国研究者在InP基底上生长了InGaAlAs薄膜，并通过加载机械应力改变其厚度，可以实现较大范围的可调滤波，拓宽了其在波分复用等领域的应用。
2. 光纤光栅：光纤光栅是最成熟的全光纤器件，利用其制作的滤波器插损相当小，且可靠性相对波导结构大为提高。本期快报有多篇文章涉及利用光纤光栅来实现可调滤波的，其中来自新加坡网络技术研究中心的研究论文最具代表性。通过使用一对长周期光纤光栅（LPG），组成类似于MZ干涉仪的结构，通过改变应力，影响其透射谱，实现了适合WDM应用的，波长间隔0.8nm的连续可调滤波。特别应提到的是其可调带宽有20nm，这在已有报导里算是比较好的了。此外，韩国的研究者利用聚合物材料的长周期波导光栅，通过热光效应改变其滤波特性，也实现了动态可调的滤波。但就可靠性而言，明显使用长周期光纤光栅更具潜力。（浙江大学 宋军博士）