05年09月JLT光通讯论文评析

10/11/2005，一、 光网络与系统：
在光网络迈向实用化的道路上，无疑光纤到户（FTTH）是我们听到最多的一个名词。现在关于FTTH的相关技术不胜枚举。许多试点工程也在陆续开展中，但技术要走向大规模推广，无疑还面临许多问题。总的来看，问题应该主要来自三方面：（1）成本问题；（2）容量问题；（3）终端信号上载难的问题。首先第二个问题是我们解决的比较好的，从每年OFC的技术统计上看，我们的光网络可承载的信息容量在不断升级，可用的技术也非常多，如提高单通道调制速度的正交相移键控(DQPSK)技术，再如WDM、OCDMA、OTDM等信号复用技术等，都是针对提升信息容量的。但解决所有这些技术问题的同时，最让运营商头痛的无疑是价格因素，众所周知现在涉及到光网络与光系统的核心部件，成本都高的惊人。此外，第三个问题，个人用户信息的上载问题也不那么容易实现。例如我们来看使用WDM技术的简单模型，最理想情况，每个终端用户被安排一个波长（这就像我们现在的个人IP）。使用DWDM技术可以较容易的将信息发送到用户终端。但每个用户终端如何高效的把信息上载上去呢？要知道单模光纤截面那么小，而各个用户情况又不同，可能要面临许多光纤转接、弯曲的情况，如果分别给每个用户完成这些工作，显然不切实际。怎么办呢？其实很容易想到，解决的办法就是改单模为多模，利用多模光纤大孔径的特性有效降低装配难度，同时多模光纤对弯曲引起的公差改变也是很不敏感。说了这些背景，下面来看本期JLT的一篇来自NTT的研究论文，该研究号称实现了低成本大容量的网络构建，同时也在终端使用了多模光纤，解决了FTTH后，用户信息上载难的问题。来看下他的实现方案：
首先在其WDM网络上，他们采用的是服务器复用的模式。先来简单介绍一下这个名词，刚刚提到最理想情况一个用户分配一个波长，其实就现有可利用带宽来看，完全可以做到这样。但目前的技术还无法这样作，比如我们可用于动态可调WDM网络的光源，其可调带宽最多也就20几纳米，而超密集波分复用在实用中还面临许多技术难题，我们现在普遍使用的仍是0.8nm间隔，即100GHz的复用。这样看来我们可用的波长总数并不那么多，无法实现一个用户用一个波长的复用模式。退而求其次，就出现了服务器复用的模式。很简单，就是一个局域网服务器共用一个波长，远距离传输的多波长信号到了服务器终端，如果该服务器需要某一个波长上的信号，就使用一个可调滤波器，将该波长信号滤下来。显然每个终端服务器都需要一个可调滤波器，整个网络成本会很高。此次NTT的改进方案是这样的：首先多波长复用信号经过一个分束器，然后所有波长信号都被分为多份，每一份通过一根光纤连接到局域网服务器，所有服务器将拥有同样数量的波长，然后他们共用一个解复用器，将信号分别传送到终端用户那里。在局域服务器和终端用户之间使用的就是多模光纤，来解决上载问题。
还要说明的是其各个服务器怎么共用一个解复用器的问题：他们采用的解复用器也是通常的刻蚀衍射光栅器件，但其厚度非常厚，也就是在厚度方向实现并等复用，在同一厚度方向上排列多根与分束器相连的光纤，这样在解复用端实际上形成了一个面阵，横向是解复用开的不同波长信号，纵向其实对应的都是同一个波长，被多模光纤引向不同的服务器用户。
他们的模型在实验中也实现了，也做了相关性能的测试。看起来一切都很完美，但我认为这样的网络主要有两个缺陷：其一由于使用了分束器，信号能力大幅度衰减，如果服务器少还没什么表现，如局域网数量大于8个，可能产生的误码将成倍增加（这也包括了通常分束具有一定程度波长敏感的问题，如果波长多很难保证各个波长分束都是均匀的），当然如果分束后的信号再通过EDFA放大，能有效解决这个问题，但这样带来的成本增加并不会比采用可调滤波器小很多；其二他的解复用器造价应该非常高，因为工艺很难实现。要知道现在集成光学器件最难的一道工序应该就是厚薄膜的生长，通常的技术生长50微米厚的二氧化硅薄膜差不多已经到了极限，而现在要在厚度方向上实现复用，无疑要对厚薄模生长提出很大的工艺考验。现在论文里的实验结果采用的是4×（4×4）模式的复用，这就恰恰回避了我所提出的这两个置疑，首先1×4的分束基本不会产生大的问题，其次4根光纤排列的厚度采用某些特殊的工艺还是可以实现相应厚度的薄膜制造的，但如果想再厚应该很难了，也就是说他们的技术似乎只能实现4×（4×4）的容量，很难进行大容量推广。但毕竟NTT的研究还是非常出色的，为我们的FTTH实用化提供了许多启示，同时也再次为我们展现了NTT在微细加工方面的精湛工艺。
网络方面其他的研究还有：（1）斯坦福大学的研究者采用他们设计的谱形线性码，对先前的PON进行了性能改进，其无需对现有光网络进行改变，只需对终端用户的设备进行升级，其技术核心采用的一种分级的编码形式；（2）马里兰大学的研究者对WDM/TDM的混合系统提出了一种新的波长与时间段的分配算法，有效优化了网络性能；（3）台湾成功大学的研究者提出了一个基于WDM技术的全新的光纤-无线通讯环形网络模型，实现了动态可调的光加减复用功能，也分析了信噪比等性能参数。
系统方面的研究主要有：（1）Chalmers工学院的研究者在实验上实现了对OTDM信号的加减复用，其使用了一根长50m左右的高非线性光纤，技术上利用的是交叉相位调制（XPM）效应。其只需一个单一的时钟信号，输入端也无需进行波长转换。实验上其已经对80Gb/s的OTDM信号成功演示了加减复用操作，信噪比也非常低。理论上其还对160Gb/s信号的加减复用情况进行了数值模拟；（2）台湾大学的研究者利用非对称的干涉仪和均衡接收器实现了对DPSK调制格式信号的直接探测，同时其也对外差探测的理论进行了研究，精确化了信噪比补偿与串扰之间的数量关系；（3）韩国国家实验室的研究人员对10Gb/sDPSK和NRZ信号的波长转换进行了研究。其分别利用了基于半导体光放大器（SOA）的四波混频（FWM）和基于相位调制过程中的频率梳这两种效应，并进行了对比研究。结果演示如果采用基于SOA的FWM效应，DPSK调制格式在波长转换中的功率损耗要明显低于NRZ的。但如果采用另一种效应进行波长转换，对两种调制格式，信号的功率损耗是相当的。其也指出如果采用DPSK格式的信号，对任何一种转换方式，功率消耗都可以低于0.4dB。
二、 无源器件：
先来看集成光学方面：集成波导器件与光纤的封装问题一直都是一个麻烦事，围绕如何降低耦合损耗已经开展了很多的研究。此次来自台湾中央大学的研究者提供了另一种方案，他们直接在平面波导末端写入了固体浸没透镜。先来介绍一下相关背景：固体浸没透镜通常采用高折射率材料制成，虽然没有突破衍射极限，但是通过增大数值孔径的办法，使得空间分辨能力提高了数倍，能够很容易地实现亚微米尺度的聚焦。并且由于这种方法没有对光束本身进行限制，因而有很高的光传输效率。该透镜目前已经在近场光存储、显微镜、照相、磁场记录等许多领域得到了广泛运用。本期台湾研究者将这种透镜直接写入波导末端又有什么优势呢？显然，是利用了其高数值孔径的优势，这样可以将波导末端输出的光斑有效聚焦，直到亚微米量级。这样无论波导是什么类型的，直接和单模光纤耦合几乎都不会产生任何耦合损耗了。当然透镜的侧面形状是要经过精心设计的。性能虽然理想，但其写入工艺相对繁琐，能否得到推广，还需要时间来印证。
此外波导表面粗糙带来的影响究竟怎样，也是一个热门的研究课题。通常的分析方法都是基于二维的模型，本期Massachusetts工学院的研究者改用更精确的三维模型对相关特性进行了分析，却得出了一个意想不到的结论，即通常使用的二维模型明显高估了表面粗糙对波导性能的影响，实际的影响并不显著。这个结论是否准确呢？我想这是很难检验的，因为在实际测试中波导的工艺误差是非常多的，除了侧壁粗糙，还有杂质缺陷、厚度不均匀，应力影响，热效应等等多方面的因素，我们无法分辨最终的损耗具体来自哪个因素，因此暂时我们还不能说这个研究正确与否，但它确实给了我们一个意外的结论。
本期还有一个很有趣的关于光纤的研究也来自NTT。它探讨的是这样一个问题，通常使用的单模光纤，或者掺锗的色散漂移光纤在强光情况下，稳定性究竟如何呢？于是他们让两种光纤传输8－8.5W的大功率连续光。结果在经历了长达2000小时的连续测试后发现这些商用光纤在强光下性能也没什么明显变化，证明现有光纤即便在高功率应用上，也可以放心使用。
本期基本没有什么关于有源器件的有趣研究，因此我也不再进行相关介绍了。
（浙江大学 宋军博士）