06年10月PTL光通讯论文评析

作者：浙江大学 宋军 博士
一、 光网络与系统：
1.3R应用：
    对长距离光网络，实现3R功能，即对信号再生、再整形、再定时是必需的步骤，这样才能有效避免来自噪声、功耗、色散以及非线性对信号质量的损害。现在，要实现全光的3R功能，已经并不是什么难事。例如，使用基于MZ干涉仪结构的半导体光放大器，以及同步调制器、FP滤波器等元件就能实现全光3R和全光时钟恢复，且这样的方案，已经被许多研究者关注，技术已经较为成熟。因此，当前研究关注的重点已经不再是如何实现全光的3R，而是如何更加有效的利用该功能。本期，有两篇类似的研究，目标都是通过级联使用这类3R模块，以求光信号在光纤里获得超长距离的低误码传输。但它们也有细微的差别，最主要的体现是针对的信号格式不同。我们可以对照的来看它们的研究：首先来看Furukawa Electric Co., Ltd.的一项研究，他们针对10Gb/s的NRZ信号，探索了长距离通讯中3R模块应该如何更高效的使用。作者实验显示每隔66km使用一次3R模块，能够稳定保持对输入33dB的信噪比，以这个间隔，作者显示了66,000km的低误码传输。接着把3R使用间隔改为264km，作者证明可以维持25dB的信噪比，这样至少可以保证26，400km的低误码稳定传输；另一个研究来自California大学，系统和前面相似，所不同的是作者针对的是和上面同速率的RZ信号。另一个差别是，作者为了显示3R的优势，有意选用了色散较差的光纤，这种光纤传输125km后，累计色散可以达到531.25 ps/nm。在这样的光纤系统里，作者每隔125km使用一次3R模块，实现了125,000 km的低误码传输，且在整个传输过程里，没有使用任何色散补偿单元。再回过头来比较两项研究，可以发现他们立足点相似，后者显示了3R强大的色散补偿能力，而前者则针对目前使用最多的NRZ信号，应该对实用更具参考价值。
2．调制格式：
    首先还是看对DPSK的研究。在过去十多年内，DPSK格式之所以受到研究者的追捧，主要有两个原因，其一是其相对On-Off的键控方式，对3dB接收器具有更敏感的响应；其二，也是最关键之处在于其对非线性影响具有天然的抵抗力。但尽管如此，对长距离通讯，采用DPSK格式，信号仍多少会受到非线性的影响，这包括来自放大器线性噪声的影响，以及影响来自光纤非线性效应导致的非线性噪声的影响等。本期雅典大学的研究者，就试图研究如何有效抑制这些噪声，以让该格式能更稳定的应用于长距离高速系统里。换句话说，就是要利用DPSK的先天优势，再给予后天培养，让它变成未来光通讯调制格式的最佳主角。作者使用的是四波混频效应，两个远离中心波长频率的光子混合，生成两个使用频率的光子。也就是说要使用两个泵浦光。从作者结果上看，这样的信号再生，除了能补偿功耗，还能对相位进行恢复，当然这是对DPSK信号再生的必需条件；此外，三星的研究者研究了对DPSK信号的通道监控技术，即对每个通道同时传输一个小强度的指引信号。通过测试，作者证明该指导信号与DPSK信息信号之间的串扰可以非常小。而且作者也暗示，当DPSK用于WDM的调制格式时，也可采用这样的通道监控方式，不再需要使用解复用器的同时，且能实现低串扰的监控。
    为了提高单带通传输效率，很多人正在研究多级调制方法。在光通讯领域，全光的多级调制通常采用将基于强度调制的ASK格式与基于相位调制的DBPSK（或DQPSK）相混合的方案，以便在一个symbol内，编码多个字节。本期丹麦大学的研究者在40Gb/s特征频率码的基础上，采用DQPSK-ASK的多级调制方案，获得了120Gb/s的调制速率，之后再结合偏振复用技术，将调制速率进一步上升到了240Gb/s。并且作者对这样的多级信号做了测试，很多结果是有趣的。比如作者证明多级调制格式会比同速率的二进制信号具有更佳的色散抵御力。同时作者也实验证明了这种240Gb/s的高速信号在没有功耗补偿的情况下，也能维持50km左右的低误码传输。
3. 光交换：
    对光标签交换，采用SCM方式对标签进行编码是较多使用的方式。在交换过程里，由于使用了可调激光器，通常会让标签信号产生较大的旁瓣，在频谱上，该旁瓣会拖到载波频段，对光频的载荷信号产生影响。本期爱尔兰的研究者，针对这样的串扰对交换性能的影响，做了研究。实验中，作者使用了基于WDM-PON的光标签交换系统，标签采用SCM的编码方式，在40GHz的载波频率上使用155Mb/s的调制频率，而对有效载荷则采用40Gb/s的多进制键控信号。该篇的有用之处在于以前对光标签交换的研究大多只局限于单通道，但象WDM这样的多通道情况，研究的并不多。而作者的实验结果，也很值得我们关注，因为作者证明在交换中使用高速可调激光器虽增加了灵活性，但给两相邻通道带来的串扰也是相当可观的。此外，雅典大学的研究者利用商用的MZ光开关结合半导体光放大器实验成功展示了标签/有效载荷的快速分离。
4. 光收发机：
    光发射机方面：（1）首先，西班牙的研究者研究了用于混沌通讯的光发射源。所谓混沌通讯，是一种利用了非线性光学里的混沌效应的通讯方式。该效应对特定初始条件会产生确定的，但又近似随机的过程。因此它的表象非常接近噪音，显然这对通讯而言再好不过了，因为它能提高信息的安全性。混沌通信的基本过程是利用混沌信号作为载波,将传输信号隐藏在混沌载波中,或通过符号动力学分析赋予不同的波形以不同的信息序列,在接收端利用混沌的属性或同步特性再解调恢复出所传输的信息。这里这篇文章提出了用于混沌通讯的光发射机方案，作者使用两个具有腔内反馈放大的多阶激光器，两个激光器被作者分别命名为主人和随从激光器，主激光器的相位漂移能够从随从激光器下解调出来，靠优化两激光器的分离长度，可以让其解调信号最大相关度达到80%，最小达到30%。靠这种相关度的变化，作者认为可以让该系统用于On-Off的相移键控调制，从而用于保密性高的混沌通讯。（2） 韩国研究者对FP-LD结构做了改进，即在一个单元上同时使用两个紧密接触的FP-LD，它们共用一个阴极，但有不同的阳极。在这样变化后，作者制作了用于WDM-PON的光发射模块，显示的特殊之处在于其波长对温度的稳定性特别好。在20度的范围内，无论怎么改变温度，激光器的输出包络都能维持稳定不变，且能维持误差独立的传输。这样的结果是很有意义的，因为对WDM，特别是DWDM应用，保持波长对温度的稳定性至关重要。因为每个通道非常窄，因此小的波峰漂移都会引起探测功率的急速下降。当然让输出频谱平坦化能在一定程度上缓解这个问题，但效果绝对赶不上本文，能在这么大的温度范围内，保持频谱位置的绝对稳定，通常这是很难做到的。（3）韩国首尔大学的研究者也使用FP-LD作为WDM-PON的光源，并采用超连续的限幅光作注入，制作了专门针对WDM-PON上载信号使用的光发射机，上载信号调制速率为1.25Gb/s。
    光接收机方面，加拿大的研究者展示了他们研制的用于波长－时间编码的OCDMA系统的光接收机。接收机主要功能有：在消除多址串扰的情况下量化信号，时钟脉冲与数据的恢复，RZ-NRZ调制格式信号转换，同步信号提取，利用Reed–Solomon解调器完成前向纠错等。可见其功能相当全面，完全适应了OCDMA的数字逻辑模式。

二、有源器件：
    （1）芬兰的研究者在传统LD后加了位相共轭镜，并采用镀增反膜的光折变晶体组成反馈回路。共轭镜端也具有1:1分束的效果，可以在一端稳定输出，另一端经过反射模块后，重新回到共振腔内增益放大。位相共轭是非常重要的非线性光学现象，已经被广泛应用于抗干扰系统。应用在这里，显然可以让激光输出对机械缺陷、装配缺陷，以及环境变化都有良好的抵御力，且能够实现窄线宽，高稳定的运转；（2）韩国研究者研制了用于WDM的可调激光器。作者将有源的半导体激光器和无源的聚合物波导光栅混合集成在一块聚合物芯片上。两者之间有一个相控的加热器，用来对波导Bragg光栅区域加热，从而改变光栅周期。显然Bragg波导光栅对激光器起到一个选频的作用，不同的周期对应不同的反射Bragg频率，也就是可以选择不同的波长被共振腔激励放大输出。通过这样的调节，可以在光通讯中心波段实现26nm范围的可调输出；（3）IBM本期有篇文章是关于硅材料光接收器的，他们将SOI上的Ge激光二极管和CMOS的IC芯片键合在一起。在使用2.4V驱动电压下能实现对1.3μm波段信号15Gb/s的高速探测。这是目前硅锗材料探测器方面的两个世界之最，即探测速率最高和驱动电压最低；（4）西安光机所的研究者对传统采样光纤光栅做了改进，使其能产生两个强度均匀的反射峰，之后作者把这样的结构用在了光纤激光器中，可以实现稳定的双波长输出，而当对激光器作波长调节时，尽管两个输出波长都变了，但它们的间隔却能保持恒定；（5）类似的，新加坡的研究者将三个光纤光栅引入光纤激光器环行腔内，并优化调节参数设计，可以实现三个超小间隔（50pm），功率均衡的波长输出，这样的波长输出是面向超密集波分复用应用的。