07月JLT光通讯论文评析

作者，浙江大学 宋军博士
一、 光网络与系统：
    WDM－PON方面，前几期的评论曾经谈到单跳网络形式在相对较短的通讯传输网中以其特有的优良透明度很受运营商青睐。特别的，当中心使用一个AWG器件的时候，利用器件在波长上可周期、线性调节的特性，大大简化了网络结构，有效增大了网络系统的吞吐量，同时运营成本也可以得到有效控制。但是也正是因为使用了AWG做中心器件，网络各结点收发器的数量将严格等于结点总数，这样网络丧失了容差能力，网络的稳定性成为该技术应用过程中最大的瓶颈。为了解决这个问题，通常应用过程里，在核心结点和其他结点间需要加上耦合器或者分束器，然后将这些结点连接到同一个AWG端点上。但随之而来又产生了另一个问题，就是如何有效解决数据包冲突的问题，特别当业务负载较高的时候，问题更加严重。对现在的网络结构，加入介质访问控制（MAC）模块似乎已经是必须的了。但一旦这么做，系统成本无疑会成倍增加。本期来自NTT的研究者对此开展了很有成效的研究，通过在网络中设置自动的冲突避免装置，不再需要使用MAC，从而有效降低了运营成本（OPEX）。此外，对特定的数据包延迟要求，作者还提供了一种算法，最小化了耦合器数目（也就是进一步降低了OPEX）。
再来看最近谈的最多的OCDMA技术，多次提到相干光通讯面临的种种问题，因此在OCDMA应用的时候，通常都假设光源是非相干的。当然这种假设事实上是不成立的，正如大家知道的，对一个理想非相干光源，相干时间是零，也就是带宽无限大。而实际光源总是有着非零的相干时间（或有限大小的带宽）。对非零的相干时间，当脉冲混合的时候，总会有拍频现象出现。本期Purdue大学的Lehnert教授就对存在一定相干时间的光源，研究了其对OCDMA系统的性能影响。对使用存在放大自发辐射光源的发射器，作者测试比较了三种不同接收器的响应情况。结果证明对特定的带宽和传输速率，对最好的性能可以相应得到一个最佳的光源带宽要求。
多次提到光分组交换是目前光通讯诸多技术里相对最关键，但又是最不成熟的一个。提到该技术的研究状况，必须提到由英国三所著名大学（Strathclyde, Essex和Cambridge）合作研究的两个项目，即WASPNET计划和OPSnet计划。前者旨在解决将分组交换技术应用于光通讯过程里需要面对的一系列关键问题，其核心框架还是立足于同步数字体系（SDH）；而后者则是在Gbit以太接入技术得到发展的基础上开展的，是一种可变长度的非同步、高速、大容量光分组交换研究计划。如果有关心光分组交换技术的朋友，强烈推荐阅读发表在本期的OPSnet项目小组长达14页的研究总结。其对立项目的、设计要求和模块构建等内容都有很详细的阐述。
本期还有一篇由中美研究者利用光纤中的参量非线性效应，研制的可载入，也可擦除的光缓存的合作研究论文。首先其使用一个相敏放大器作为Sagnac干涉仪使用，实现参量增益。利用其和标准色散位移光纤的非线性相互作用，不需使用光学滤波和强度识别，就能在0和1之间实现信号稳定。由于在信号增益的同时，也起到了稳定作用，显然这优于通常的EDFA。外部信号写入缓存区是利用交叉相位调制（XPM）效应，特别由于其对输入信号相位不敏感的特性，使得系统不需要对输入信号进行相位追踪。系统通过使用相位移动光环型反射镜作为开关，也可以成功对缓存信号进行擦除，
二、 光集成：
在光器件实现平面光波集成（PLC）的过程里，有两个重要的指标，一个是器件的紧凑性，一个是损耗。但这两个指标往往是对立的，很难同时优化。通常要降低器件对光纤的耦合损耗，最好使用二氧化硅（即玻璃材料）波导，但是当存在波导弯曲（如AWG器件的阵列波导）时，由于材料包层和芯层的折射率差非常小，因此必须使用较大的弯曲半径，否则在弯曲处能量泄漏会非常严重。然而一般弯曲半径大了，器件尺寸会明显增加，因为这个原因，通常使用二氧化硅材料的光器件尺寸都在几毫米，甚至几厘米左右。而当使用SOI材料时，由于包层和芯层折射率差在2左右，非常的大，因此当有波导弯曲时，仅使用非常小的曲率半径，就可以实现低损耗传输，器件可以做的非常紧凑。特别最近使用硅做芯层、空气做包层的硅波导，已经制作出了几十纳米大小的AWG。然而该类器件的一个致命弱点就是对光纤耦合损耗太大（且难封装）。这两者之间一个有效的结合是在使用二氧化硅材料的时候，在有弯曲的时候刻上空气槽，这样在弯曲的地方折射率差被增大到0.5左右，可以有效降低曲率半径，获得相对紧凑的器件结构。然而实际也并不那么简单，不同的槽形和位置都会对器件性能有重大的影响。本期来自MIT的研究者就对利用刻蚀渐变的空气槽实现波导弯曲和分束做了深入的研究。
本期还有几篇文章是关于光集成方面数值方法的研究：台湾的研究者对脊形波导的偏振模提供了一种高效且精确的半矢量谱配置算法；Hosei大学的研究者对光波导分析中两种常见的时域方法，即时域束传播方法（TD-BPM）和时域有限差分方法（FDTD）做了一个详尽的比较；对弯曲波导的损耗计算，加拿大的研究人员提供了一种高效的解析分析方法；Ghent大学的研究者利用周期性格林函数方法，提出了对二维光子晶体器件的一种快速电磁分析方法。
三、有源器件：
VCSEL激光器已在中短途通讯中得到了广泛运用。但是关于其于光纤的耦合情况却没有被深入研究过。本期来自瑞士ETH的研究者分别利用50和62.5微米直径，不同数值孔径的多模光纤对其与VCSEL激光器的耦合情况进行了动静态的测量。研究证明光纤的数值孔径对眼开幅度（也就是误码率）有重要影响。同时作者也对其过程建立了数学模型，解释了相关的原因。认为眼开的幅度主要是由注入电流、载流子扩散和增益压缩等因素的交互作用综合影响的。
此外，三菱电子的研究者汇报了其最新研制的输出功率大于18mw，具有30nm谱宽的可调激光器。其LD前端使用了基于采样光栅的分布Bragg反射器（DBR），后端使用了基于上层结构光栅的DBR，从而在获得非常高纵向模式稳定度的同时，也保证了全部可调谱能量变化少于3dB。同时作者也将将激光器和半导体放大器集成在一起，并实现了独立于有效电流和SOA电流的输出，其放大后的输出功率大于45mw。对50GHz的频带间隔，其旁瓣压缩比优于40dB。
三、 光纤光缆：
    微结构光纤（就是光子晶体光纤），是一种单一介质构成，包层的折射率受到波长量级周期性的调制，这种调制一般通过在硅玻璃中引入沿轴向伸长的空气孔实现，光纤芯由一个破坏了折射率调制周期性的缺陷构成。与传统光纤不同，光子晶体光纤中的这种微结构从根本上改变了传统光纤的许多传输特性，可以具有传统光纤不具备的特性，它受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。在实际制作中，由于材料特性和图形复制条件的差异，很难达到预期的效果。如何有效衡量并抑制工艺因素对性能的恶化是微结构光纤制作中必须考虑的问题。本期来自悉尼大学的研究者就用上下两篇整整22页的篇幅对相关问题做了非常细致的研究。在上篇，作者先对微结构成形过程提供了一个有效的理论模型，并着重对基于玻璃和聚合物材料的微结构光纤在轴对称圆孔微结构的非绝热成形过程进行了分析。结果证明中心收缩区域来源于洞形变形和表面张力效应。下篇则利用上篇的分析方法，着重研究了稳态连续的微结构成形过程。证明孔洞尺寸突变主要来自于表面张力，而粘性效应能够保障孔洞成形。最终作者使用PMMA材料进行了相关的实验，证明理论分析和实验结果保持了高度的一致。此外针对微结构光纤，本期来自Arizona大学的研究者对不同微结构下的光束质量做了深入研究。
    此外，本期还有一篇来自山西大学的研究论文，作者设计了一种新的光纤截面形式，其在通常的玻璃光纤中间挖了一个小的空气孔，然后小孔四周正方形的区域被填充了较高折射率的玻璃介质，由于四个方角的作用，可以保证光束被限制在正中心的空气孔内，形成类似于直角的全内反射。作者指出这样的光纤可以用于通讯、传感、受激拉曼散射等情况。但作者在文末也提到了问题的要害，即设计要求的空气孔和方槽区域尺寸太小，工艺很难获得理论设计那么优良的结构，因此工艺引起的损耗估计会非常大，甚至工艺根本无法实现这样的结构。