05年10月PTL光通讯论文评析

10/11/2005，一、 光网络与系统：
让我们先来看有关高速大容量传输方面的研究。曾多次提到提高光网络信息容量一般有两个渠道，一是提高复用密度，二是提高单通道调制速率。就后者而言，通常非线性噪声不会对10Gb/s以下的单通道调制速率的信号产生大的影响。但对大于40Gb/s的调制速度，相应的影响是非常剧烈的。而在单通道调制的研究上，也出现了两个不同的分支，一是如何改进调制格式，获得更高的调制速度，二是如何对网络系统进行改进，来抑制非线性噪声对传输性能的影响，以便让高速大容量通讯在长距离网络应用上发挥作用。以上是我对高速光通讯背景的一个简单总结。
下面要介绍的来自贝尔实验室的研究论文是关于改进调制格式，以获得高的单通道调制速度方面的研究。提到高的单通道调制速度，究竟有多高呢？到目前为止，普遍认可的数量级应该还是160Gb/s，而普遍采用的技术模式也是对差分正交相移键控(DQPSK)调制和偏振复用这两种技术的有效结合。本期贝尔的研究，调制速度上并没有突破，依然维持160Gb/s这个数量级，但却基于对原有的载波抑制归零（CSRZ）格式进行了改进，提出了另一种技术方案，作者称其为“群相位交替式的CSRZ格式”。其使用的主要技术原理是让每四个连续的字节相位翻转一次，这种操作采用40GHz的空间滤波就能轻易产生时钟恢复脉冲序列，其定时抖动也远低于170fs。而该技术最让我们注目的还是其对非线性噪声独特的抑制力上，虽然不知道其抵御力具体来自哪里，但毕竟其实验上已经在38km的距离上显示出了相当优越的性能。从这一点上看其现有的技术是优于先前同类技术的。
再来看高速大容量研究的另一个方向，即探索高速大容量通讯在长距离通讯方面应用的问题。其实此前针对40Gb/s的调制速度，采用WDM的网络模型，已经有不同面向长距离通讯的实验结果被报导。其中有些报导显示了40Gb/s调制在超过3000km的WDM网络里性能依然很好。但事实上这些研究并不具备应用价值，因为他们的网络结构相对简单，形式单一，说白了就是一个点对点的形式，没有任何中间上下载环节。此外，由于他们的WDM系统普遍让相邻通道信号的光偏振正交，这也有意人为抑制了非线性对网络性能的影响。而在实际通讯中，如果有了很多加减复用模块，即便还是让相邻通道偏振正交，也对非线性没有任何抵御力了。本期快报还是以贝尔的另一篇研究论文为例，他们给出的测试更能说明问题，因为他们的测试在2800km的传输距离上共进行了7次加减复用操作（每400km一次），这显然更接近于实用情况。他们在网络中采用了10Gb/s与40Gb/s两种调制速度共存的方式。我想这主要有两点技术考虑，其一这更接近实际需要，其二，很多研究证明这两种速度的信号（调制方式不同）共同存在时会对非线性噪声有更好的抑制性（这是一个有争议的话题）。其WDM的频带间隔是50GHz（以前的报导普遍基于100GHz的复用）。注意其40Gb/s信号采用的是DQPSK的调制格式，这也是目前普遍认同的对非线性具有最好的抑制力的调制格式。从最终的眼图来看，这次实测很成功，其眼开非常大，2800km的传输距离，和7次OADM都对传输性能没有明显影响。这是目前为止在高速大容量系统实测上，我看到的最接近实用情况的案例，且其性能也是让人倍感鼓舞的。
另外，谈到DQPSK对非线性的抑制能力，以前已经有不同的研究分别从理论和实验上对其做了探讨，本期台湾大学的研究者再次设计了一个简单的实验方案，对相关情况进行了研究，也证明了原先的结论。
Purdue大学的研究者针对3GHz间隔的副载波复用（SCM），利用超密集波分复用技术提出了一种全光的探测方案。首先简单介绍一下SCM，这是一种将多路信号在微波段经不同的载波调制后经由同一光波长在光纤中传输的一种复用方式，其在接入网中可用于PON的双向传输和多址接入。之所以采用SCM技术，主要是因为光通讯目前还不具备某些微波通讯的优势，例如振荡的快速稳定性，容易实现的可调滤波，应用复杂调制形式的灵活度等方面。通常对SCM的系统进行探测，也都结合了微波的技术方式，这产生了许多技术缺陷，如需要高响应速度的光电二极管和其他微波元件，接收端电子分束带来的较大损耗，以及对光纤偏振模式色散的敏感性等。而实现全光的探测是最佳的解决方案。Purdue的研究就是用WDM器代替了通常SCM探测模块中的外差拍频探测装置，而采用了高精细的光学模块进行滤波，也实现了高于20dB的旁瓣抑制，这也是通常探测方式望尘莫及的。
再来看一个来自韩国Yonsei大学的有关WDM-SCM接入方式的研究，和上面的研究一样，都聚焦于最终的探测上，不过这次不再是寻求实现全光的探测，而是仍立足于普遍采用的光电二极管探测方式，并对其进行改进。主要解决如下问题：当信号到达二极管的时候，会由于拍频干涉的作用，在不同频率信号之间产生意想不到的拍频信号，以噪声的形式存在，从而严重干扰了探测。作者的研究也就是要对这种效应进行有效抑制，保证探测质量。其利用的原理其实很简单，就是利用拍频干涉与相应光信号带宽成反比这一特性，而有意增大被调制光信号的带宽，另外再让不同的ONU具有不同的时间脉宽，从而可以彻底消除拍频噪声的干扰。
二、 有源器件：
   先来看半导体激光器方面的研究：曾谈到过VCSEL激光器是面向WDM应用的，综合性能最具优势的光源。但目前成熟商用的的VCSEL激光器只能发射两个可见光波段的波长，上下载需要波长转换，不能在长距离通讯方面发挥优势。把VCSEL长波化是半导体激光器方面很热门的研究方向之一，以前关于这方面的报导，我也介绍了很多，但也有一段时间没再提到，原因是近来的研究成果与以前那些报导大同小异，没有什么本质的差别。而本期有一篇来自California大学的研究成果很值得我们关注。原因是他首次实现了1.3－1.6微米整个波段的波长发射（以前都是专门针对1.3或1.5某个波长附近实现的）。其主要器件基于InP材料，而用于将VCSEL发射推向长波段的分布反馈光栅则是基于AsSb材料，从工艺上看似乎都是标准的，没有什么特殊工艺。除了其大的发射带宽，其综合性能也是相关研究中非常具有优势的一个，其阈值电流低于2mA，几乎能实现完美的单模输出。
光纤激光器方面：东南大学的研究者在拉曼环状激光器中加入采样Bragg光栅，实现了室温多波长的连续光发射。通过调节采样光栅的长度、周期等参数还可以改变输出特性。
可调滤波器方面，让我们来看一篇中科院半导体所的研究。半导体所近年来致力于硅材料的研究，认为硅锗材料是实现全光集成的最佳载体。本期快报关于可调滤波器的研究也是基于硅材料的。其使用多阶级连的FP腔结构，利用热光效应制作了可调激光器，其显著特点是平顶、窄带。另外需要指出的是其使用了曾经提到的半导体键合工艺，该工艺半导体所已经申请了相关专利。最终测试上，该滤波器实现了1dB带宽1nm，3dB3nm的高平坦滤波，在4V的驱动电压下，可以实现4.6nm的可调滤波。
三、无源器件：
先来看集成器件：多次提到SOI材料是实现光电集成（OEIC）的首选材料，这里我们也简单看一下本期快报有关基于SOI材料的器件研究。首先California大学的研究者基于SOI脊形波导结构制作了结构紧凑的椭圆形共鸣器，其圆角半径20微米。实际测试显示其谱宽达到3nm，其Q因子高达28000。此外，不同偏振模斑的特性差别在论文中也有较细致的分析；加拿大Waterloo大学的研究者则利用SOI材料制作了偏振旋转器，其主要利用了光在非对称弯曲脊形波导中传输的某些特殊变化而设计。此外集成器件方面还有来自于OpTun公司的一篇研究，其对硅波导MZ干涉仪的偏振灵敏性做了研究。
再来看全光纤器件的研究：来自B&W TEK公司的研究人员研制了带有无源的可以消除偏振相关损耗（PDL）模块的全光纤声光波长监控器。其补偿PDL主要是依赖一个Sagnac环状干涉仪，通过这样处理，可以使波长精度达到0.05nm，比起通常的器件，该指标大致被改进了30％；南洋理工大学的研究者使用了一种被称为CMAES的算法对长度进行优化，从而设计了一种综合性能优异的低色散FBG滤波器；Washington大学的研究很新颖，其通过对光纤表面磨光，制作了一个环形共振器，比起通常的波导环形共振器，其结构相当紧凑，而且避免了光纤对波导的耦合损耗，使共振可调滤波直接在光纤上就实现了。相信这样的器件在可调滤波、光纤传感以及强度调制上都会得到有效应用的。（浙江大学 宋军博士）