06年05月JLT光通讯论文评析

6/26/2006，    一、光网络与系统：
   1. WDM:
   基于波分复用实现网络扩容是持续被关注了多年的研究方向。对采用WDM技术实现大容量（Tbit）传输，主要有三个途径，即增加可利用的波长带宽、提高单通道调制速率和进一步减小通道间隔。对第一点，大家都知道光通讯可利用的波长带宽受限于光纤损耗和色散，现在很难再做改变。因此增加可利用波长带宽核心关注点是放大技术，即实现高平坦、大带宽的放大是关键。现在使用稀土掺杂的光纤放大器已经可以做到100nm的大谱宽放大，而利用分布式的拉曼放大器最高也能实现130nm带宽的平坦放大；对第二点，提高单通道调制速率至160Gb/s目前也是技术上容易做到的了，但这样做必然要求配备复杂的色散、非线性和PMD监控、补偿系统；对第三点，减小波长间隔方面，根据ITU标准，目前已经有报导实现了25GHz、12.5GHz，甚至6.25GHz的超密度波分复用。使用小带宽间隔和较低单通道调制速率是一种很容易想到的既能获得大容量传输，又避免使用复杂的色散补偿系统的有效手段。然而这样做的难点在于对波长稳定性要求极高，适合该方向应用的WDM光源难阵列化，且价格昂贵。
   本期有一篇NTT的研究论文，是基于上述第三个方向，即超精细DWDM应用的研究，其实验显示了波长间隔12.5GHz，512×2.5Gb/s的DWDM系统，在无色散补偿的情况下稳定工作了320km。诚如上面分析的，要想实现稳定的工作，必然该系统要拥有稳定的光源。其发射器由DFB-LD阵列、一个AWG和一个边带发生器组成。由LD先发射100GHz的初始载波，分奇偶序列（即200GHz）被AWG复用后，作为初始信号输入到边带发生器里面。该发生器由一个相位调制器、一个强度调制器、一个12.5GHz的振荡器和电子放大器组成。通过调节驱动电压和两个调制器的相位，可以实现稳定的12.5GHz间隔的边带信号发射。可以注意到其利用的所有器件都是商业化的，因此系统成本可以得到有效控制。从最终的测试眼图来看，无色散补偿工作320km以后，眼开仍旧很大，因此其实际无色散补偿工作距离还可以更长一些。其实现的总传输容量为1.28Tb/s。
   另一项WDM-PON的研究来自NTT关于网络保护的。作者提到通常WDM网的链路保护都要使用一个3dB耦合器，将信号分别耦合到工作光纤和保护光纤里，这样做既增加了成本也导致了工作信号3dB的功耗。本期作者建议使用一2×N的环行AWG，一个输入端对应输出信号可以链接到工作光纤，当然在发生故障后，使用另一个输入端，利用器件的线性和波长循环的工作特性，可以及时切换到保护光纤内。当然，作者提到的以往通道保护都使用3dB分束器这一说法并不确切，事实上类似作者现在思路的方案以前也有过报导。

   2. 调制格式：
   多次谈到，对40Gb/s以上的光网络系统，进行非线性进行抑制与补偿是避免传输误码的必要手段。在众多非线性因素里，一般认为信道间交叉相位调制（IXPM）是导致定时抖动的关键因素，对IXPM，已证实可以通过合适的色散管理来很好的抑制其对传输的影响。而信道间四波混频（IFWM）则是导致信号强度抖动的最主要非线性效应，对这一点，通常认为使用交替相位归零（APRZ）格式能有效抑制IFWM引起的信号非线性失真。要实现APRZ调制，通常需要使用三个调制器，一个用来脉冲整形，一个用来做相位调制，另一个用来做编码调制。本期，瑞典的研究者认为仅使用一个单一的MZ调制器也能同时实现脉冲整形和相位调制功能，从而降低系统成本与复杂度。要实现这点，作者暗示既可以通过对CSRZ信号发生器做相位延迟，也可以同时使用双驱动（失衡）的驱动信号。通过对实际系统的理论与实验研究，作者证明APRZ信号的负载循环率选为67％是可行的，能获得最好的性能。同时作者也证明了交替相位为π/2，即相位正交情况，对非线性抑制的效果最好。
   意大利研究者系统对在存在非线性下单通道使用DPSK/DQPSK格式信号的传输性能做了理论分析，并建立了简单实用的理论模型。作者证明即使ASE噪声在时间上是可变的，在理论建模上色散分布仍可以假定为高斯分布的。作者利用其建立的模型证实在map strength较小的时候参量增益是造成系统性能损伤的关键，对RZ信号的影响尤为强烈。作者还暗示了以往利用DQPSK调制格式来提升谱利用率，实际上必然带来一定的功耗，这些功耗也来自于参量增益的影响。
   对一特定的光信号，除了频率以外，主要表征信息包括强度、相位和偏振态。这三个与光信号直接相关的自由度都可以作为光信号调制的载体，相应的分别被称为强度位移键控（ASK）、相位位移键控（PSK）和偏振位移键控（POLSK）。就实用角度来看，其实三种调制方式互有优势，且这种差异在不同调制比特率下更为明显。因此也有人来研究同时在网络里使用其中两种或全部的调制方式，以实现优势互补，这样的混合调制通常基于差分格式，被称为多块差分态调制，也就是说在对不同的时间段，逐块的对信号进行不同格式的调制。这样做最大的困难来自于接收解调端，要对不同调制格式的信号同时解调，且保证低误码率，并不是一件容易的事。本期以色列的研究者探索对这种混合调制模式进行统一的探测，作者使用的是POLSK探测器，并依据与信号强度、相位相关的四个斯托克斯偏振态，来逐块的对信号进行探测。但这样探测有一个先决条件就是，相位必须是慢变的。总的来看作者的研究还是在探索阶段。

   3. OCDMA：
   OCDMA的研究热度已经持续了好一段时间，似乎凭借该技术又让许多人对光网络的实用重新产生了热情。比较以往的评析，不难发现，这些研究普遍还仅停留在物理层，本期加拿大的研究者对此做了探索性深入研究，在物理层使用OCDMA技术，而在链路层采用了分隙阿罗哈冲突协议（Slotted-Aloha)。从系统吞吐量和平均分组延时两个角度分析了网络性能。作者证实现在的混合网性能比起通常的CDMA网无论从流量还是从稳定性上都得到了明显的改善。

   4. 非线性：
   多次谈到对高速长距离系统，非线性是影响网络性能的关键因素，因此非线性管理是光网络运营里的一个重要环节。按补偿的位置不同，非线性管理分为三种，其一是直接在信号发射后进行预补偿，其二是在传输过程里使用中继器来内线补偿，其三则是在接收解调前开展后补偿。针对三种不同方式定义了三个参数来衡量补偿的效果，分别为预补偿量、单段残余色散（RDPS）和网络残余色散（NRD）。对主要受SPM影响的系统，优化NRD的大小对提高系统性能非常重要，本期清华大学的研究者对此开展了研究。类似的工作以前已经被开展过，此次研究最大的特色在于作者对相关关系给出了解析的推导，尽管推导中做了一些近似，但解析的表达更直观，对揭示整个过程的原理也更有帮助。
   香农(Shannon)定理告诉我们，信号传输的极限数据率与信道的带宽成正比。对通常的标准单模光纤，如果信号信噪比为40dB，那么根据该定理，光纤传输的极限容量大约为13 bits/s/Hz。然而考虑了SPM、XPM、FWM等非线性因素后，Shannon定理变得不那么精确了，如何确定非线性光纤的极限传输容量目前还是一个基础研究方向。本期加州工学院的研究者对此开展了探索性研究。考虑了不同情况，作者也提供了解析的推导，最终证明现在DWDM 1 bit/s/Hz的利用率还远远没达到光纤的极限容量。作者也建议，如果采用光位相共轭（OPC）技术，还可进一步提升光纤的极限容量。

   二、有源器件：
   1. 调制器：
   高速光调制器方面，目前应用最多的还是基于铌酸锂材料的电光效应，虽然也有其他的研究基于不同介质和不同效应，如聚合物的热光效应和电光效应。但要么因为调制速率太慢，要么因为不稳定，都没有被广泛采用。目前铌酸锂调制器主要有两个缺陷，一是半波电压较高，二是很难突破40Gb/s的调制极限。对后者除了换材料，还没有显著的突破方案，而对前者则有许多方法，其中使用共振增强型电极是最通用的。本期关于铌酸锂调制器的研究主要有：（1）瑞士的一项研究立足于降低半波电压，提高调制效率，采用的技术方案是在铌酸锂调制器上级联了4个共振电极。依靠电极的共振增强效应，可以显著降低输入电压，据测试，其半波电压相对标准铌酸锂调制器，同等有源区长度下，至少可降低8.7dB左右；（2）澳大利亚的研究者则对使用共振增强型电极的工艺误差做了分析，认为使用大的沟状电极，对降低误差敏感性很有帮助；（3）日本NGK INSULATORS公司的研究者则优化了铌酸锂调制器的结构，让两臂不对称度达到.0.65，在不使用氧化硅缓冲层的情况下，实现20GHz调制带宽，驱动电压仅2.5V，这是相当低的了。
   此外，NTT基于三五族材料制作了电吸收调制器，使用InGaAlAs/InAlAs的多量子阱结构的有源层，狭窄的芯层掩埋在聚酰亚胺材料里，对光电信号都产生了较强的约束效应，因此能实现较高的消光比。其另一个显著特点是驱动电压极低，仅0.79V。

   2. 激光器：
   英国的研究者采用保偏的掺铒光纤作为饱和吸收材料，制作了稳定的窄线宽的线偏振光纤激光器。使用94mW的泵浦光，该激光器能实现1535nm、4.7mW的稳定输出。其消光比和信噪比分别达到24.8dB和45dB。(作者 浙江大学 宋军博士)