05年11月PTL光通讯论文评析

11/24/2005， 一、无源器件：
    先来看我自己在本期PTL发表的一篇论文，是关于平面波导制作过程中工艺误差分析的，主要是在器件进一步加工前对波导沉积过程里引入的灰尘、气泡等缺陷对波导性能（主要是损耗）的影响做出预先判断。结论和我们的常规想象不太一样，并不是缺陷尺寸越大带来的损耗越大，某些缺陷即便尺寸达到波长量级可是带来的损耗却并不明显，而只有某些具有特定结构参数（包括形状、尺寸和折射率等）的缺陷才能带来大的损耗。对这一结论，我使用缺陷结构和入射光间的共振来做出解释，并针对气泡和灰尘颗粒两种不同的缺陷，采用FP共振模型对其中一个共振峰做了正确的解释。之所以要做这个工作，我主要是考虑到集成器件制作的繁缛工艺步骤带来了器件高昂的成本，如果在沉积过程里带来的缺陷足以对器件使用带来致命伤，那么如果做出合理判断的话，我们可以避免芯片在后续刻蚀工艺里继续被使用，从而有效降低废品率。当然再考虑到实际缺陷的复杂性，后续还要做的研究工作还有很多。
谈到波导沉积，目前普遍使用的工艺有两种，其一是火焰水解沉积（FHD），其二是等离子增强型化学气相沉积（PECVD）。前者在国际上使用并不多，主要集中在东亚的一些公司，其中韩国和台湾的几个大公司都有使用。而后者无论在实验室还是企业里都被广泛使用，比较著名的仪器卖家主要有STS和Oxford。从技术层次比较，一般前者由于直接使用高温火焰枪喷射，因此可以在几分钟内沉积几十微米的厚膜，但比较疏松，需要严格的退火过程，均匀性一般较差，后者由于在等离子射频状态下沉积，因此均匀性较好，性能稳定。从价格上看，前者却具有显著优势，一般只有后者一半甚至更低的成本。本期韩国三星就对原有FHD工艺做出了改进，通过调节原料气体配比和火焰枪结构得到了与PECVD性能相近甚至更好的高性能厚氧化硅层。膜层均匀有什么好处呢？它决定着器件的损耗、串扰以及通道均匀性等关键性能参数。显然如果FHD能得到与PECVD相似的膜层，再加上其仪器的低成本优势，该技术甚至有取代PECVD的可能。三星用原先的FHD技术，改进的技术，以及PECVD技术分别做了一个AWG，并对其性能进行比较研究。结果很鼓舞人心，使用改进技术插损和通道均匀性均与PECVD相当，而串扰比起原有技术更有了明显改进，与PECVD的接近。如其关键改进适合推广的话，技术影响力必然得到明显提升。
接着来看日立公司对硅基AWG的一个改进研究，相对于先前的研究其新颖点主要有两个，其一是通过改进工艺（PECVD），使得芯层和包层的折射率查达到2.5%左右，将器件尺寸较通常器件降低了至少10％，其二是在自由扩散区使用了凹槽，实现热不敏感器件设计，这并不是日立的创新，十年前已经有人这么干了还申请了专利。日立是对原有技术进行了改进，其实很简单，就是在原有的空气凹槽中填充进了一种树脂，其好处无非是改进了波导均匀性。效果还是很明显的，相对于空气凹槽，热不敏感带来的损耗牺牲降低到了0.9dB左右，这是一个通常应用可以接受的值。
二、有源器件：
先来看VCSEL长波化的研究，从一年多来对PTL和JLT的评析过程里可以看到，这是一个热门研究课题，已取得的成果有很多，但也具有这样那样的问题，总的来看把这样廉价的优势技术向中长距离推广的过程中，还有好长一段路要走。以前介绍过使用InAlGaAs的有源区，和合适的分布反馈层可以获得综合性能相当不错的长波连续输出，可是其分布光栅区很难通过通常的外延技术实现，这明显扼杀了技术推广的可能。本期来看California大学的采用InP基底AsSb分布反馈层的1.3微米连续光发射VCSEL激光器的研究，其显著特点是反馈层与基底具有良好匹配性，因此整个工艺均通过分子外延实现，从技术前提上看，首先其具有批量生产的可能。其性能也还是很不错的，偏置电流仅5.9mA，消光比好于8dB。实际测试中，已经实现了3.125Gb/s的无误码工作。
半导体激光器方面，中科院半导体所关于1.55微米单片集成模班转换的DFB激光器的研究也很值得一提。采用模班转换后可实现对单模光纤低损耗耦合，其单横模单纵模的输出实现了38dB的旁瓣抑制比。制作过程里其采用了低能离子注入式量子阱混合（QWI）技术。这里简要提一下QWI的技术背景。QWI是由Intense光子公司近年提出的，用于在单芯片上集成大量多功能光元件的SOC制作技术，其可以实现稳定的集成生产，可以在单个芯片上集成所有的光元件，从而使OEM可以构思出基于高集成度光元件的系统架构。例如Intense已经研制出一种用于EFDA的泵浦的砷化镓激光器阵列集成芯片，其每个元件都可以被单独设置定位，可以传送超过220mW的输出功率，在每一个激光元件的两侧放置两个无源波导元件，该技术也通过提高光损害阀值来改善产量，放宽了机械分裂和封装校准的误差限度。
三、系统与子系统：
来看韩国研究者制作的1.25Gb/s的双向光收发模块。其无源部分如方向耦合器，有源部分如模班转换、FP-LD和波导光电探测器等均被集成在一块硅基芯片上。之所以在系统部分先提到这个工作，主要是感叹于其精湛的集成技术。从它的实际测试结果，在没有任何功率补偿的前提下，1.25Gb/s双向工作都可以获得非常完美的眼图和25.5dBm的最低接收灵敏度，综合性能相当不错。
其余的系统还有：比利时研究者针对GPON突发模式光发射机设计的高速、“智能化”自动功率控制（APC）设备也很有意思。其合适的算法选择使得回路工作精确而快速，其整体概念非常适合GPON标准；韩国的研究者用光栅方向耦合器做外腔激光器的外腔镜，制作了一个小的系统，可以改进旁瓣抑制比，使该指标可以达到60dB以上，类似的尝试以前还没有过。
四、光网络：
先来看OCDMA的研究。在CDMA系统中，扩频编码都是使用Walsh码。对此很多专家建议用新的编码效率更高的码来代替它。目前，国际上的重点是研究多维编码技术（配合正在研究的多维计算机技术），以期成倍的提高编码效率，提高CDMA系统的容量。在OCDMA方面，目前已经有基于波长-时间的成功多维编码案例，有效增加了用户数量，数据容量，设计灵活度也得到有效提高。本期加拿大McGill大学的研究者演示了基于差分检测的二维波长-时间混合编码模式的OCDMA系统，其使用的主要元件，如WDM器等，都是现有的商用元件。此前相关的理论研究也有过，但实验上实现这还是第一次；还是针对波长-时间的混合编码，加拿大研究者对1.25Gb/s的四用户OCDMA系统进行实验，分别使用宽带掺铒光纤光源和多波长发射两种光源，对其相关特性进行了比较研究。结果证明光源选择对光电探测噪声有重要的影响，通常使用分立谱线的多波长激光器比使用连续的宽带激光器更有利于获得优良的性能。
光交换方面：光标记交换（OLS）是指利用各种方法在光包上打上标记，即把光包的头地址信号用各种方法加载在光数据包上，根据光标记实现光交换节点的全光交换。常用的OLS基于OCDM、SCM和WDM三种接入技术，其中WDM接入上依靠波长滤波，可以实现无功耗的字节-字节的标记分离。本期东京工学院的研究者基于WDM接入，提出了一种新颖的标记格式，实现了有效载荷在时间上分离，和波长上的交叠，实现了10Gb/sNRZ格式有效载荷的无误码交换。
差分相移键控(DPSK)在以前的评析中曾多次提到，其扩展技术多阶差分相位（MDP）格式在单根光纤上，对有限的带宽，有效的复用差分相位编码和强度调制两种模式，有效提高了数据吞吐量。本期以色列的研究者对这种较新的调制格式性能极限做了研究，即主要探讨相对于传统系统，MDP格式对给定误码率的量子极限。
来看WDM-PON：在WDM网络中，链路故障造成的网络停顿是时常出现的，有效抑制，实现自愈合是常见的研究方向。本期香港大学的研究者就基于全光环状探测，提出了一种单光纤双向自愈合的WDM网络结构，可应用于高速城域网；韩国的研究者在光网络终端应用波长独立的反射式增益饱和半导体光放大器，构建了双向WDM-PON。其RSOA模块输入饱和功率低于13dBm，对任意偏振态，在C带内的饱和增益超过13dB。上载信号是通过对下载信号再调制而得到的，其调制强度收到RSOA的抑制。其实验上，成功实现了20km，1.25Gb/s上载和2.5Gb/s下载的双向工作。