05年12月JLT光通讯论文评析

1/10/2006,  本期JLT论文并不多，但有两篇特邀论文，一个网络方面，一个器件方面，且都面向相关领域的技术发展回顾，以及相关的关键技术介绍，在下面的评析里，给予重点关注。
一、网络与系统：
Tyco Telecommunications是国际光网络市场上，集批发容量、管理、服务和共享空间为一身的领先供货商，在长距离光网络运用与推广上具有举足轻重的地位。去年它投资兴建的跨大西洋全光网络，能提供从纽约市Hudson 大街60号至伦敦 Telehouse East 的直接连接，是跨洋光纤网络建设的标志性工程之一。本期JLT有一篇来自Tyco电信的特邀论文，重点介绍了跨洋光网络的发展现状和相关核心技术。作者Neal S. Bergano早年曾作为技术主管工作于AT&T，现在Tyco系统研究部任职首席主管，在长距离光网络应用领域有着丰富经验。
在跨洋系统发展现回顾的部分，我们可以看到许多有趣的图表，比如有目前世界范围内已经铺设的海底光缆分布，有海下网络管理的示意图等。特别的我们来看一些有意思的曲线，有点类似于IC的摩尔定律，横坐标是年，纵坐标是容量、数量等，揭示了光网络随时间的高速发展历程。举个例子，来看一下90年代来商用系统传输容量随时间的变化。90年代初，由于EDFA的出现，运营系统容量提高到2.5Gb/s，93年由于商业化色散管理技术的出现和WDM技术的推广，这一数字已提高到10Gb/s，95年，领先的运营商普遍采用了增益均衡技术，可以将商用容量提高到40Gb/s，到98年为止，随着前向纠错技术和一些改进的调制格式的出现，该数字再次提升到了320Gb/s，再看2000年的商用化容量，借助于色散平坦光纤和全C带放大的技术成熟，该容量已经飞跃到了1.8Tb/s，让传输容量率先实现了3T目标。我们总结这10年，不难看到每年商用系统容量都在以翻倍的速度增加着，而促进增加的动力则在于技术的不断革新。到05年为止，我们看到由于混合放大技术的出现和不断优化的调制格式的诞生，这一数字已经达到了3.73Tb/s。但回过头看最近这五年，商用系统容量的提升速度明显放慢了，这主要由于EDFA可用的放大带宽基本已经被用尽了。显然网络系统想继续高速扩容，要从换代的放大技术上做文章了。
再来简要介绍一下跨洋系统设计必须注意的技术细节：（1）光放大：目前海底光缆工程基本都采用EDFA放大，以弥补光能量衰减，方式也很简单，一般采用单模传输光纤与EDFA光纤分段串联的形式，要特别注意的是如何有效做好增益压制，最小化噪声的影响，控制单个放大器的输出功率；（2）色散与非线性管理：多次提到对40Gb/s以上的高速大容量系统，色散是制约系统性能的关键因素，另外跨海光缆经常要传输几千公里，因此累计非线性对系统的影响非常大，因此跨海系统消除色散和非线性影响是一个关键的技术点。为实现这个目的，额外需要色散/非线性监控与补偿等多个子系统，显然工程量非常繁重；（3）调制格式使用：从上面技术回顾的评析，我们很容易看到调制格式的变革在系统容量提升的过程里扮演着至关重要的角色。当前最受跨海系统青睐的调制格式有两种，即DPSK与双二进制，前者由于对公差具有良好的容忍度，进而在3dB接收上具有显著优势，后者则优化利用了有限带宽；（4）系统性能测量：跨海网络长传输距离的特质决定了有无数的技术细节需要考虑，对这样的系统需要测评的最关键参数是Q因子，且需要分环节的对Q进出测定和预估，以便对噪声极限、传输距离、终端损伤、系统老化以及前向纠错能力提出实用要求；（5）前向纠错（FEC）：对跨洋系统，FEC是不可或缺的一个技术环节，对提高系统容量、传输距离，增加两放大器间的传输间隔，降低成本，抵御非线性损伤都有很大帮助。
网络系统方面的其它文章还有：（1）DPSK格式的调制对带间串扰具有较高的容忍度，因此在高速大容量传输网络应用里得到广泛重视。本期希腊的研究者在考虑了带间串扰和自发辐射噪声的影响下，对以DPSK格式传输系统的误码率提出了严格的预估模型；（2）偏振复用是能将单通道调制速度翻倍的有效手段之一，本期荷兰的研究者就对相关领域进行了研究，指出由于PMD影响，伴随产生的色散、非线性效应都能明显恶化系统公差；（3）韩国的研究者提出了天气不敏感的自由空间光通讯系统，其原理是使用一光放大器，让其工作在增益饱和区域，这样可以起到类似于调压器的作用，当传输损耗太高的时候，它会随之降低光数据包的发射频率，或减小数据包的长度，进而表现为提高了发射入自由空间数据的平均功率；（4）马来西亚的研究者在OCDMA系统每个编解码装置前都安装了一个高速可调光滤波器，根据发射信号里预先设定的特征码，可对中心波长信号进行某些调制，通过这样的改进，提升了系统对相致强度噪声的抵御力，提高了信噪比；（5）同样为了提高OCDMA系统对相致强度噪声的抵御力，台湾大学的研究者则对调制格式作了改进，提出了被称为“完美差分”的编码方式，同时需要对发射机做一些改动，作者指出这样的改进还可以有效抑制多用户干扰，提高系统支持的用户数量和系统有效传输距离；（6）东京大学的研究者报导了有史以来精度最高的色散分布测量系统，使用布里渊光时域分析的方法，还能探测四波混频的强度，并删除了噪声的影响，通过对1.1km的光纤色散分布的实测显示，其空间精度高达20m左右；（7）Stanford大学的研究者利用MZ调制器，以正交幅度调制实现了非二进制的编码，有效提高了光谱效率，并研究了使用相干探测下的载波同步问题；（8）Maryland Baltimore大学的研究者针对光通讯系统，提出了最大后验概率MAP的均衡器的设计方案，在考虑了PMD和强度自发辐射噪声的影响下，推导了概率分布函数，证明其设计方案能有效降低PMD导致的误码率增加。
二、集成器件：
来看一篇来自Cornell大学的特邀论文，作者以17页的篇幅多视角的介绍了基于硅材料的光子集成的发展，已经在传输、调制和光发射等领域的机遇和挑战。其实以硅代替二氧化硅作为光集成载体的概念早在80年代就已经被提出，并在那时人们已经意识到，使用该技术可以做出亚微米大小的光器件，从而让光集成技术更新换代，然而由于工艺技术限制，制得的波导边壁粗糙，且对光纤耦合损耗大，此外硅波导较低的量子效率和低的电光系数，也使得该材料很难在光发射和调制上有所作为。直到最近两三年，由于纳米微细加工技术的成熟，用硅材料制得几微米大小的低损耗无源器件已经成为可能，近一年来，甚至不断有报导，用该技术制得了某些大型无源器件，如AWG等，长宽只有近0.1mm左右，而波导损耗也只有3dB/cm左右。此外基于硅的有源器件研究也取得了一系列重大突破，用硅制得10Gb/s调制器变得相对容易了。硅材料有无源两方面的技术革新，注定了光电集成的最佳契机已经来临，我们可以预计，在近几年内，基于硅材料的光电子集成芯片将会被逐渐商用。
该论文非常详尽，从内容上看分为三大块，即传输、调制和光发射：（1）传输方面，作者立足于介绍硅无源器件的制作与设计，分别针对条形、脊形、光子晶体和狭缝四种波导结构，介绍了波导尺寸设计的方法，介绍如何减小耦合和散射损耗，并详细介绍了相关工艺步骤。在器件层次上，作者以MMI、环行共振腔为例，介绍了设计需要注意的问题；（2）调制方面：如果调制速度不高（MHz量级），硅材料由于具有相当高的热光系数，因此是非常好的热光调制器载体，但热光效应无法做到高速调制。通常高速调制都立足于电光效应，而硅材料的电光系数非常低，且对纯硅，几乎不存在一次电光效应，这也是硅在调制应用上，长期困扰研究者的难题。在90年代前后有些研究者为该难题提供了一种别开生面的解决方案，其实无论热光效应还是一次电光效应，就本质上都是让折射率随某一变量呈线性变化，那么是否能找到另一种效应，让硅材料折射率随某一变量高速变化呢？答案找到了，就是利用硅材料空穴等离子色散来改变折射率，研究者发现用该效应实现10Gb/s的高速调制并不是什么难题；（3）光发射：尽管作者谈到了一些硅材料作为光源的进展，如使用量子局限效应降低辐射寿命，或掺杂产生新的受主等。但比起调制上的革新，我认为硅材料光发射方面缺少让人振奋的突破。因为不同于调制可以用多种效应，发光，且发相干性好的稳频光，目前能想到的原理只有不同能级之间的跃迁，而硅材料间接带隙半导体的本质已经决定了其发光效率低，到目前为止所有努力似乎也只能围绕在一些局部的改进上。(作者 浙江大学宋军博士)