06年07月PTL光通讯论文评析

7/23/2006,   作者 浙江大学 宋军博士  一、光网络与系统：
   1. WDM:
   在WDM-PON里二次调制是保证ONT波长独立工作并节省资源的有效手段。所谓二次调制，就是直接在ONT下载信号后，对相应载波再次调制，以上载信号供传输。对这样的使用，反射式的半导体光放大器（RSOA）被认为是最佳的二次调制器。但是通常下载信号不能做得很彻底，因此载波会残留部分下载信号，直接在这样的载波上进行二次调制，上载信号会具有相对较低的消光比。此外上载信号质量还受到了RSOA注入功率大小的限制，因此做到优良的二次调制也并不容易。为了改进上载信号质量，前两年NTT报导了一项研究成果，他们依靠级联WDM滤波器，对二次调制信号有选择的进行了频谱滤波，进而改进了消光比。本期韩国的研究者在此基础上做了改进研究，想进一步改善上载信号质量。首先立足对眼图和功耗特性作研究，作者认为级联WDM滤波器对上载信号的作用主要来自两方面，即RSOA的增益饱和效应的影响（即增益饱和效应对上载信号起到强度谱压缩的作用，进而提高了消光比）和频率去谐作用的影响。实验中在中央节点作者使用了蝴蝶型的DFB-LD模块发射下载信号，复用器使用高斯频谱的AWG器件，经过四个AWG的四次级联滤波后，作者观测到上载信号已经完全去谐。为了进一步改善二次调制质量，作者在每个RSOA前又连接了一个FP标准具做滤波，作者证明这样可进一步改善消光比特性。此外如果级联滤波去谐过度，该标准具的加入也可起到矫枉过正的作用。
   2. 光交换：
   在全光网络中，光标签交换（OLS）是很受关注的技术，它在能维持较高比特率的同时，也能维持相对较低的营运成本。对OLS标签与有效载荷的调制方式有许多研究，但目前关注度最高的还是正交调制方式，例如对标签和有效载荷分别进行ASK/FSK编码，或分别进行ASK/DPSK编码。正交调制受到关注是因为它能提供最高的光谱效率。然而该方法也有一些缺点，最明显的是标签和有效载荷信号间的消光比不能很大，否则会引起两者信号的交互退化。为了克服这个缺陷，也有一些研究被开展，本期Princeton的一项研究使用了双臂的铌酸锂调制器来对发射信号进行调节，可以改变信号脉宽，进而调节消光比。思路简单的说是这样的：用NRZ信号来驱动双臂调制器，首先调节调制器的直流偏压到一个确定的值，以便让输出光信号的功率可以达到最大。再让NRZ电信号经过一个功分器，分为大小相等的两部分，且控制其大小小于铌酸锂调制器的半波电压。调节两路信号间的时延，再用两路信号去驱动调制器，最后可以获得具有较好消光比特性的RZ信号。依靠这样的方法，作者在实验中获得了2.5Gb/s的RZ标签，和10Gb/s的DPSK有效载荷，在标签交换过程里，实验显示使用SOA的增益饱和效应，标签信息几乎可以完全擦除，且标签和载荷信息可以以10-10的低误码率得到有效分离。

   二、无源器件：
   1. 集成器件：
   本期PTL有一篇我发表的论文是关于降低刻蚀衍射光栅波分复用器回损的。刻蚀衍射光栅光栅（EDG）和阵列波导光栅（AWG）都是重要的集成波分复用器。前者由于采用反射式结构，因此比AWG具有更紧凑的结构，且由于刻蚀光栅齿数可以做得远远多于AWG的阵列波导数，因此具有更高的频谱分辨率。但EDG光栅制作依赖深刻蚀工艺，制作难度大于AWG，因此远没有AWG商用化做得好。AWG工作时，光始终都是透射的，而EDG由于有一个反射单元，因此回损远大于AWG。回损能造成激光器抖动，进而影响波长控制。本期我对器件有两个改进设计，以便降低回损，一是放置输入波导在衍射谱强度极小位置；二是通过对光栅衍射级做啁啾设计，彻底压制来自相邻衍射级的能量，即近似得到只有一个自由光谱的频谱响应。通过两个设计，可以将EDG的回损压制在40dB以下，得到了和AWG相当的性能指标。类似的啁啾衍射级设计方法还可以用在其他领域，相关的研究正在进行中。
   就像光纤光栅一样，也可以在波导里写入波导Bragg光栅。且由于波导的灵活结构，波导Bragg光栅可以比光纤光栅具有更加灵活的写入方式，也可具有更多的应用。例如可以写入倾斜的光栅，也可以在一块波导内重复写入多个光栅。本期加拿大的研究者以硼酸盐玻璃的离子交换波导为基础，研究了用飞秒激光器写入Bragg光栅的工艺。相比光纤光栅，该方法写入的波导光栅具有大的多的折射率调制度。大的折射率调制度可以让波导光栅具有比光纤光栅更广的用途，比如可以直接集成在波分复用器后面，对信号作色散补偿。

   2. 光纤器件：
   Interleaver在WDM网络里是一种很重要的无源器件，利用干涉的原理可以将不同波长信号按照奇偶通道分开，这样缓解了对WDM窄通道间隔设计与应用的难度。例如将一200GHz的AWG与一个interleaver相连，可以起到100GHz间隔复用的效果。通常的interleaver都基于集成工艺制作，本期兰州交通大学的研究者报导了他们制作的全光纤interleaver。光先通过一个3×3的耦合器，耦合器上下两通道由一根环行光纤连接，中间一根光纤边缘有反射镜。中间光纤和光纤环都有偏振控制器。这样分束后的顺逆时针回程信号可具有相同偏振态，这些信号最终再经过一个2×2的耦合器干涉。之所以这样设计，是因为除了能依靠干涉分离相邻波长通道信号外，还能让频谱响应平坦化，降低波长控制的压力。作者也介绍了其器件的制作工艺，两个耦合器都可以通过熔融拉锥技术得到。
   很多光纤器件，如啁啾的光纤光栅等都能对周期性或非周期性脉冲进行色散补偿。然而当仅对周期性脉冲色散补偿的时候，会有一些更简单的实现方法。本期以色列的研究者就提出一种利用光纤延时线来对周期脉冲色散补偿的方案。原理上是利用时域上的泰伯效应，简单的说就是对特定的延时线结构，能让脉冲通过后周期性的成像，当然在成像的同时脉冲被加上了预定的时延或相移。作者首先从理论上推导了这一过程，然后开展了验证性实验。两者吻合的很好。

   三、有源器件：
   1. 半导体激光器：
   现在，依靠分子束外延技术，生长具有低电流阈值密度，高特征温度等品质优良的量子点激光器已经成为可能。本期St. Andrews大学的研究者指出，目前就温度如何影响锁模量子点激光器的性能，还没有系统性的研究。所以本期作者报导了其相关的研究工作。实验表明在20-70摄氏度范围内，锁模量子点激光器都能维持信噪比好于20dB，-3dB带宽也能维持在80kHz以下，可见在这个温度范围内器件工作性能基本稳定。但70摄氏度可以看作该器件性能保持稳定的临界点，当超过该温度，性能迅速恶化。当到了80摄氏度的时候，信噪比下降到了15dB，-3dB带宽更达到了700kHz。同时作者也指出，要想改善器件在高温区域的稳定性，必须降低吸收层的反向偏压。
   此外，Glasgow大学的研究者利用共振沟道二极管来做半导体激光器的驱动器，可以让器件以双稳态工作，这非常方便用该激光器来对高速NRZ信号进行调制；Southampton大学的研究者研究了利用非相干光源的限谱系统来压制半导体光放大器的噪声，并将这样的结构用在了光发射机里面，很好地抑制了激光发射的噪声。然而作者也指出这种噪声抑制的效果也会随着色散的增大或使用滤波器而下降。

   2. 光纤激光器：
   多波长光纤激光器是一种重要的全光纤器件，能够取代LD阵列，用在WDM网络里。现在很多多波长光纤激光器都是以稀土掺杂光纤激光器为基础，结合激光腔内的多层增益、时间－光谱复用、增益谱平坦化、以及多次四波混频等效应来实现的。再结合其他技术这些激光器还可做到波长可调。然而通常这些可调的光纤激光器由于腔长较长，而对环境变化敏感，因此脉冲强度时间稳定性不好。且也容易受到谱域高阶模噪声的影响。本期清华大学的研究者提出了一种新的多波长掺铒光纤激光器的设计方法，主要基于色散腔内的非线性偏振旋光效应，该效应既发生在单通道两正交偏振态之间，也存在于不同波长通道之间。利用该效应制作的多波长光纤激光器不仅性能更加稳定，而且可以有效抑制高阶模噪声的影响。

   3. 可调OADM：
   基于全光纤结构或氧化硅波导的OADM器，已经广泛利用热光效应来做到可重构应用。然而这些可调器件一般较长，最少几个厘米，而且调节效率也不高，在4.1 nm/W左右。本期NEC的研究者基于硅纳米线工艺制作了可调的OADM器，器件首先仍是一个MZ干涉仪结构，中间两个臂上都写入了Bragg光栅，且两长臂都镀了电极，依靠电极的电流来改变芯片温度，仍基于热光效应改变Bragg光栅的Bragg反射波长，以此来做到可调的加减复用。首先器件非常小，只有0.3mm×0.7mm左右。其次调节效率也很高，实验显示电流功率改变0.82W，波长就漂移了6.6nm。