06年06月PTL光通讯论文评析

6/26/2006，作者 浙江大学 宋军博士，
   一、网络与系统：
   1. WDM:

   对利用WDM组网的研究上，一般有两种研究方向，分别立足于相干和非相干光源。当然目前已有的商用WDM网，都是基于非相干光通讯的，原因在于适合WDM应用的相干光源难获得，且相干光通讯在应用上还有很多具体问题没有解决。但在原理上，相干光通讯具有更好的性能，这点是毫无争议的。原因很简单，对非相干通讯，每个波长使用独立的激光器，因此不同波长信号具有独立的相位，临近通道间的时延也是随机的，这就导致了串扰也是以随机噪声的形式存在，因此从非相干网的频谱图上看，总会在某个特定的dB值下，对应同一平均强度的随机噪声，谱宽越精细，随机串扰的影响越严重。这是光源的本质造成的，没有办法改变，因此对非相干WDM网，研究者能做的就是想方设法降低非相干噪声的影响，例如使用对噪声具有更强抵御力的特殊调制格式，使用偏振交叉技术，使用预先滤波，使用前向纠错技术等等。使用相干WDM技术，显然可以从本质上抑制这种随机串扰。在去年2月的PTL上爱尔兰的一个研究组曾报导了他们关于相干WDM的实验研究，他们采用最简单的方法，实验上构建了较便宜较简单的相干WDM网络。本期有了他们的后续研究报导。为了实现相干通讯，即让不同波长通道的相位差恒定，作者用42.6GHz的时钟信号驱动两个连续的MZ调制器，这样发射部分有了一个梳状的发生器，相位实现稳定是依靠反馈器的作用。这样在频谱上看，就可以发射一系列相位稳定的梳状信号，再使用一个AWG，就可以让这些相干的窄带波长信号分开了。作者对各波长做了NRZ编码，在没有预先滤波的情况下进行了80km的传输，其眼图上，眼开情况明显要好于非相干实验。

   WDM-PON的高昂成本很大一部分来自于对光源的管理，上下载信号，波长转换都需要不同的光源，因此在一个长距离网络里，分散的光源给时钟同步等许多环节造成压力，直接导致系统成本和复杂度的增加。因此研究光源独立的WDM网络应用，也是一个热门的方向。以前已有许多研究被开展，旨在实现光源独立的工作模式，例如使用未调制的时间段来下载信号，使用注入锁定式的FP激光器，使用反射式的半导体光放大器，使用频率位移键控格式作下载信号等等。但这些方案都有各自的不足，如操作复杂，功耗大，带宽利用率低等。本期National ICT Australia Ltd.的研究者提供了一种新的方法。他们使用副载波发射信号，以方便下载波长同时能够被上载信号再次利用，避免了使用新的光源。RF的副载波信号在经过循环器和光纤光栅后，被过滤出来，而光载波可以再一次被上载RF副载波信号使用。

   此外台湾交大的一项研究也很有意思，作者使用了一个四个端口的interleaver，来实现了八个波长WDM网的双向工作，八个波长经过interleaver，奇偶通道分别对应于两个传输方向，而其他网络器件都是共用模式，例如作者仅使用了一个单向的EDFA，当然逆向利用该放大器必然经过一个环路，会产生大约2.5dB的功耗。采用该系统，作者进行了单通道10Gb/s，传输500km的传输实验，网络性能优良。

   2. OCDMA:

   OCDMA技术受到持续关注的根本在于编解码技术的不断成熟，使用超精细结构的FBG对OCDMA系统编解码是最关键的技术之一。本期Southampton大学的研究者对相关技术做了改进研究，目标是让系统进一步具有可重构性。其实原理很简单，作者使用固定周期的光纤光栅，长度大约4cm，在下面放了一直径18μm的钨丝，通过改变钨丝的电流大小来控制温度，利用光纤的热光效应来改变折射率，进而可以改变编码信号的相位。因为通常玻璃光纤的热光系数并不大，因此可调的范围也不会很明显，最多在两个相位编码间产生2s的延时时间，但这已经给系统增加了较可观的灵活度。

   对OCDMA系统，编码跳跃（Code hopping）是提升系统安全性的一个有效手段，使用了编码跳跃，偷听者需要在监听编码本身的同时还要发现跳码的次序，这就增加偷听的难度，因此系统安全性大大提高。除了安全因素以外，对OCDMA系统，如果用户出现较强多址干扰现象，允许用户跳码也是改善服务质量的有效手段。本期Southern California大学的研究者利用GT标准具结合MEMs技术完成了对OCDMA的跳码操作。利用GT标准具波长环行可调的特性，以及MEMs快速切换的特点，可以很容易的实现跳码操作。从实验测试上来看，两个用户之间的跳码可以在10μs内完成。

   3. 光收发机：

   台湾中央大学有个超快速光电元件实验室，他们在InP高速PIN光探测器研究上做得很不错，且主要面向40Gb/s或更高速1550nm光波段长距离光纤通讯应用和开发，本期有一篇来自该实验室的论文，是有关单片集成的耦合式光探测器研究的。系统采用侧面接收光的工作模式，并改良了传统系统制作复杂且有高能量散射损耗的缺陷。设计也结合了单电子传输光探测器的设计理念，并改良了其较低光响应度的缺点，依靠这些设计与改进作者使得该光接收机具有了高响应度，高速度以及极高功率的特性。其响应带宽也很大，达到了37GHz。

   4. 波长转换：

   波长转换是增加光交换网络灵活性，降低阻塞的必要手段，对光网络波长转换节点的设计方案也有很多。最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。一些波长转换器的共享方案，也被陆续提出，常见的有节点共享式（SPN）和链路共享式（SPL）两种。对前一种共享方案，通常需要较大的光开关以便在单节点可以共享同一个波长转换器。本期香港城市大学的研究者对此做了改进研究，旨在使用更小更便宜的光开关，替换用在同样的系统里，却能获得和原来一样的性能。主要思路是预设一定数量的小尺寸光开关，来支持同样通道数的波长转换。当任意一波长的输入信号要进行波长转换时，它先被切换到一个共享的波长转换通道，以这种方式节点仅需要几个小的光开关，且能共享昂贵的波长转换器。

   此外，西电的研究者理论研究了使用有限数量波长转换器的异步光突发交换网络的阻塞概率。

   5. DPSK：

   本期有一篇来自朗讯科技的研究论文，是关于170Gb/s单偏振或偏振交替式RZ-DPSK格式信号传输实验的，其传输距离再次改写了历史记录，利用色散管理光纤和拉曼放大，在接收端没有使用检偏器的情况下，有效传输距离达到了4000km以上。此前这一记录大约是2000km。对单偏振情况，工作距离2880km后，测量得到的误码率大约是1.6×10-4。而使用交替式偏振，传输4320km后，误码率仅为5×10-5。

   丹麦研究者则报导了其对40Gb/sDPSK信号相位－强度调制转换的研究成果。作者主要使用了一个偏振相关的MZ延时干涉仪和一段2.4m长的高双折射光子晶体光纤。转换原理也是基于偏振分光，DPSK信号先经过偏振控制器来作偏振旋转，以便它能等量的耦合入光子晶体光纤的两个本征轴方向。依靠光纤的高双折射特性，来累计两偏振间的时延，经过光纤后再使用偏振分束器，让两偏振光干涉，另一个偏振片被用来控制两偏振光夹角至45度左右，这样相位调制信号可以被转换为强度调制信号。

   二、有源器件：

   1. 半导体激光器：

   （1）德国的研究者显示了其对几个GHz谱宽内可调激光器发射的直接调制实验，这种调制是通过调节采样光栅上的控制电流来实现的；（2）Michigan大学的研究者实验上利用分子束外延在InP基底上生长了InAs量子线激光器，在单位带宽里，作者的实验方法明显提升了同类激光器的光致发光效率；（3）Tokai大学的研究者报导了其在VCSEL激光器输出端自写入波导阵列的实验方法，写入波导可以让VCSEL激光器的输出功率提高，且更容易与光纤阵列耦合。制作方法仍是基于紫外曝光，一束非常宽孔径的光照射到掩膜上面，在掩膜下面填充了可再生树脂，对紫外光敏感。依靠写入波导，可以让VCSEL激光器输出功率提高16％左右。

   2. 探测器：

   （1）三菱电子的研究者使用分子束外延技术制作了应用于10Gb/s光通讯的雪崩光电二极管，并对该类器件的性能从理论和实验角度做了详细的分析；（2）台湾中央大学的研究者报导了其研制的新型边缘耦合光电二极管。该类器件降低了原有器件对本征耦合波导剥离长度的依赖性。此外作者将泄漏波导层与DBR和部分p掺的光吸收层集成在了一起，这使得现在的器件比通常的光敏二极管具有高高的增益饱和和灵敏度。

   三、无源器件：

   （1）西南交大的研究者面向多路梳状滤波研制了周期性啁啾的采样光纤光栅，现在的结构比起通常的采样光栅在具有相同时延特性下，能获得更窄的通道间隔；（2）Massachusetts工学院的研究者单片集成制作了偏振独立的环行器，其在712μm长的InP芯片上集成了多模干涉器，半波片和法拉第旋光器等元件，该环行器具有高于25dB的通道隔离度；（3）Si纳米线波导是最近两年很受关注的技术，依靠不断更新的集成工艺，制作超小的光电器件已经成为可能，本期北海道大学的研究者基于该材料，使用多模干涉原理制作了1×2的分束器，其器件尺寸只有3μm×26μm。同时作者也建议使用一sandwiched结构来降低器件的双折射效应。