8月PTL光通讯论文评析

作者，浙江大学 宋军 博士
   一、网络与系统：

   对长距离通讯，使用EDFA或拉曼放大器都是保证系统性能所必须的。但对短距离通讯，往往成本的权重高于性能，这时候很多人认为使用半导体光放大器SOA更有吸引力，因为它具有尺寸小，功耗低，高放大率，大带宽、且方便于双向工作等优势。然而以往的实验显示SOA很难用于具有强度调制格式的光网络中，因为在WDM相邻通道间使用SOA，很容易产生交叉增益调制XGM效应，既产生了功耗损伤，也容易产生第三波长导致串扰。本期有两篇来自意大利的研究均探索了中段距离使用SOA作放大器的可行性。（1）其中一篇主要采取了两项改进技术，其一是在基于DPSK格式调制信号的同时，使用SOA接近饱和的部分来放大，既保持了较高的输出增益，也能避免大的XGM效应；其二是使用窄带通的光滤波器来实现对DPSK信号的快速解调，这可以有效提升系统对色散的公差，使得不需要色散补偿的极限距离提高到250km以上。显然对100km上下的中短距离通讯不再需要色散补偿，因此成本会得到有效压缩。实验里，作者测试了一个16×10Gb/s的WDM网络，在140km的工作距离内，仅使用了两个商用的SOA做放大器，信号最大功耗仅为1.4dB；（2）另外一篇采用和上述相似的系统和新技术，但聚焦于WDM网采用SOA做放大来实现双向工作模式的实现，其双向工作距离120km后，最大功耗为1.8dB，这也是采用SOA作放大器实现的最长双向WDM传输的记录。当然稳定的性能还要归功于DPSK调制格式的使用，因为它有效抑制了短距离内色散的影响，也避免了XGM效应对信号的影响。

   尽管本质上还有许多劣势，但比起其它协议，以太网还具有简单、成本低、高速等相对优势，因此该协议在某些小范围的局域网，如校园网等还是很有应用潜力的。目前面向以太网的1－10Gb/s的网卡都已商用化了。且传输速度正以10Gb/s为台阶在跳跃性增加。但一般来说100Gb/s的调制速度是以太网的工作上限。考虑到适合这样调制速度应用的关键电子元件，如调制器和探测器都没有成熟的产品，所以目前主流研究方向还是使用积分相位漂移键控（QPSK）的调制格式来实现。本期Arizona大学的研究者则提供了另一种方案，作者采用正交频分复用（OFDM）技术并使用一些商用元件实现了100Gb/s的以太网工作。OFDM是一种典型的多载波传输模式，即把信息流发送到几个低比特率的子通道进行传输。作者的系统在25GHz带宽上使用了64个子载波通道，其中50个通道用来传输每个2Gb/s的有效信息，信息采用QPSK调制。另外16个通道用于传输前向纠错等键控信号。作者实验也发现，其实这样的键控信号最多只占用4个子通道就可以了。因此同样的系统实际可以有60个子通道用于传输有效信息，这样系统传输容量可以达到120Gb/s。在实验里，作者用该系统传输同上速率信号3480km后，系统综合性能仍较好。

   在光网络里，特别是光交换网里对信号的再恢复有个著名的简称，叫3R，即reamplification, reshaping和 retiming。对一个长距离网络，多次级联（多跳）以后，损耗、自发辐射噪声、串扰、色散以及非线性效应都会被累计，进而对信号质量造成损伤。而3R操作是抑制这些影响，保证系统稳定工作的关键。本期California大学的研究者利用基于MZ干涉仪结构的SOA来完成reamplification, reshaping操作，而使用FP滤波器来做全光时钟恢复，可以实现retiming操作。将这样的3R系统应用于10Gb/s的光标签交换OLS网络里，在传输经过101次级联（即101 hops）后，系统仍能有效避免信号质量退化；此外本期里还有一篇日本科学院的研究，作者对160Gb/s的高速传输网实现retiming提供了可行的技术方案，其主要利用了注入锁模技术和光时分复用技术。

   网络系统方面的研究主要还有：（1）在PON方面，为了增大网络传输容量，降低系统成本，韩国的研究者采用了WDM与多副载波接入（SMCA）结合的技术方案。系统让三个副载更适合高速网络的应用；（3）Columbia大学的研究者基于涡轮拓扑结构建立了12×12的光分组交换网络，采用这样的拓扑结构可以让分组交换变得更佳灵活高效，例如可以让载荷长度从48到384字节发生变化；（4）香港Baptist的研究者对城域WDM-PON做了研究，其网络中心没有使用常用的AWG，而使用了多个星型耦合器，这样除了能实现和AWG同样的功能外，还依靠不对称的在各耦合器间分配流量来实现流量不均匀的传输，此外由于星型耦合器的结构，很适合系统拓展。如果需要获得更大的通讯容量，只要再多连接几个这样的耦合器就好了。

   二、有源器件：

   1. 半导体激光器：

   以前曾提到过将VCSEL激光器辐射向长波化发展是该方向研究的热点，本期韩国RayCan Co., Ltd.公司的一项研究很值得推荐，他们利用MOCVD的全外延工艺，能够生产辐射完全覆盖1.3到1.6微米的大光谱范围的VCSEL激光器。当然器件中也使用了量子阱结构。这样宽谱的辐射，使得器件可以应用于CWDM网络里。工艺上，作者在一块InP基底上，无源层依靠低压MOCVD工艺一次性沉积出来。而只有半波长厚的有源区域却包含了7对带有应力补偿的量子阱结构。经过测试，激光器能获得相当优越的性能，其单模输出功率大于1.1mW，旁瓣抑制比大于37dB。

   此外，半导体激光器的相关研究主要还有：（1）韩国Photonics Technology Institute的研究者将基于Rowland圆结构的刻蚀光栅波分复用器的输入端与有源激光器集成在一起，而输出端装配可调的SOA来对输出波长来调节，这样成功制作了具有大调节范围的可调激光器，能用于WDM网络；（2）Australian National大学的研究者则对量子点激光器进行局域有选择性的外延生长，在输出端附近得到了低损耗的无源光波导。这样的激光器更容易与光纤实现低损耗的稳定连接；（3）意大利的研究者探索了利用分子束外延生长高效率量子点激光器的工艺，实验里也是在有源区先后长了7对量子阱结构，这和前面刚谈到的的MOCVD工艺生长的量子阱数量相同，但现在工艺获得的发射效率却高很多。

   2. 空间器件：

   动态可调的光谱滤波器，通常由光栅和一些分立光学器件组成，现已广泛应用在光交换、光谱平坦化以及频谱监控等领域。典型的可调滤波器分为两类，第一类是单通可调滤波器。它一般由带通滤波器、分光计，转镜、空间滤波器等元件组成。这里空间滤波器是固定的，但滤波的中心波长可以通过转镜偏转来调节。而第二类可调滤波器的核心元件通常是具有波长选择性的开关组和光谱均衡器，区别于第一类滤波器，该类滤波被称为双通模式。空间滤波器本身由MEMs阵列或液晶组成，能够进行可重构的滤波，然后信号再经过光栅得到一个或多个输出。本期JDSU的研究者针对第二类滤波器做了改进，以使滤波器结构更加紧凑。作者采用的是一个典型的4f光学系统，其中心平面放了一个光栅，光栅后紧紧跟着MEMs反射镜，通过镜子转动可以实现对光栅闪耀波长进行选择，从而控制反射回的波长，在4f系统的初始端放置了空间滤波器，来对反馈信号作选择滤波。这样的系统可以实现36nm谱宽的滤波。

   为了实现对DPSK格式信号的有效解调，目前有一种基于MZ干涉仪改良结构的解调器被称为MZ延时干涉仪（MZDI），与通常MZ干涉仪相比，该类器件明显差别是一个干涉臂远远长于另一个，大约可以造成两臂信号间一个字节左右的延时。目前这样的结构在集成波导或光纤上都很容易实现。本期朗讯的研究者对该器件做了拓展研究，器件中集成了一个光开关，这样可以切换解调速率，因此器件可以同时对10.7Gb/s和43Gb/s两种调制速率的信号进行解调。另外器件里也集成了一个VOA，用以使输出信号的功率均衡化。该器件一个明显性能优势是对低调制速率信号能够实现偏振无关的解调。

   三、无源器件：

   CWDM使用20nm的频谱间隔，且本身谱宽较大，易设计获得平坦的频谱响应。因此CWDM完全可以避免由于激光器温漂对探测功率的影响，避免了温控部分的使用。通常的CWDM器有两种结构，一类是光栅型，如AWG，而另一类为滤波型，如薄膜滤波器、interleave滤波器等。Interleave滤波器相对AWG具有更加简单的结构，但由于其对频率具有周期性滤波作用，所以很难精确实现等波长间隔的滤波。最大波长差异甚至能到4nm左右，尽管CWDM具有大的平顶3dB带宽，但4nm的波长漂移仍然无法被系统接受，会引起大的探测损耗。本期NTT的研究者对该结构滤波器做了改进，在两个interleave滤波器间加入调相耦合器，即用几个小的耦合器级联，通过控制每个耦合器的臂长差异来对interleave滤波相位进行微调，这样能够补偿波长漂移。靠这样的方法，作者使用氧化硅材料，制作了一个20nm波长间隔的8通道CWDM器，其波长漂移可以控制在正负0.5nm左右，这样全部通道最大插损也仅1.7dB。