光电子技术展望：06年12月JLT

    通常人们认为“光电子学”这个名称诞生于1966年。那是在庆祝激光诞生五周年的一个会议上，有人提出，代表光学领域的权威学会，美国光学学会（OSA）和微波通讯方面最有影响力的IEEE，应该开展广泛的交流合作，加快光电融合技术的发展。象现在的JLT，就是在这样的背景下，由OSA和IEEE共同资助创建的期刊。据最新的统计，OSA和IEEE下LEOS这两个学会拥有三分之一以上的共同会员，足见光电技术融合交叉的快速发展。本期的JLT旨在庆祝光电子诞生40周年，编辑邀请部分这一领域最权威的研究人员，共同回顾展望光电子学的快速发展和对未来生活的影响。和以往的专刊不同，本次专刊全部都是特邀论文，没有自由投稿。因此所有论文具有一定的学术权威性。虽然不能涵盖光电子技术的方方面面，但足以揭示光电子学在现代科学技术中占据的重要地位。下面按内容评析如下：

一、 基本光电子技术：
1． 集成光波导材料：
   对最经典的硅基二氧化硅集成材料，本期有篇来自朗讯长达27页的论文。详细总结了氧化硅波导器件的过去现在和未来。作者指出氧化硅是光通讯发展过程里应用最成功的集成材料，其主要优势是可靠性好、低插损、易与光纤耦合、集成度高、易实现较高精度等。对基于该材料的器件，在商用市场上占主导销售地位的是光耦合器和功分器，这和近年来来势汹涌的光纤到户有密切关联。作者也指出，更复杂的氧化硅器件如AWG等，在1990年以后的销量也呈快速增长趋势。而最近，一些更复杂的元器件，如VOA、ROADM等也已经成功商用。另外，尽管基于硅基氧化硅材料的内部控制器件，如光均衡器、脉冲整形器和解调器等却还没有商用化。但作者暗示它们的商用化也就在不久以后。而光集成最具代表性器件，一般认为是AWG，一方面它是集成度的代表，因为整个器件都是由波导组成。因此对一个AWG，单位面积上波导的数目会反映集成工艺的进展状况。另一方面，AWG和不同器件结合，能实现各种复杂的功能。因此作者以较大篇幅回顾了AWG技术的发展。性能上主要谈到了通道平坦化、色散抑制和旁瓣抑制等。应用上主要谈到了基于AWG的拓展器件和系统，如OADM器、时域脉冲发生器、光色散补偿器等等。
    对硅波导（这里主要指SOI材料），早先的吸引力主要在于其可以有效利用成熟的IC工艺来制造光器件，近年来主要是由于研究者看重了其半导体特性，试图将有无源器件单片集成在一块芯片上。本期有一篇来自California大学的特邀论文回顾该技术的发展。正如前面说的那些特性，决定了硅光子材料不同于氧化硅材料，其应用已远超出光通讯的范围。从使用方式上看，主要有基于SOI的单片集成应用，和与CMOS电子器件的互联应用两种。前者作者提到了Luxtera公司的最新发射机，其利用90nm的SOI CMOS加工工艺，单片集成了包括滤波器。探测器、电子放大器和驱动器等元件。但这里激光器部分仍是InP材料做的。两部分通过键合工艺集成在单片上。对后者作者谈到SONY的Playstation 3的游戏控制平台就采用了类似技术。之所以采用该技术，主要是因为其25Gb/s的数据读取能力是通常的铜线缆吃不消的。而类似技术目前的主要缺陷是功耗太大。对SOI的具体应用方向,作者主要谈到：（1）无源器件，这是最通常的应用，就不多介绍了；（2）调制器：由于硅的电光效应远低于铌酸锂，因此目前硅调制器主流是基于等离子体色散效应。目前Intel公司已经基于该技术制作了10Gb/s的硅调制器；（3）探测器：这是硅材料应用历史最久的一个领域。但由于硅在光通讯波段的透明特性，使得其做探测器很难在这一波段使用。而掺入锗或炭等元素则会明显增大其光吸收特性；（4）硅材料目前最热门的一个研究方向，必定是非线性应用。由于硅的拉曼增益大约是光纤的一千到一万倍，且由于波导高折射率差特性，能将能量约束在非常小的区域。因此可以在单芯片尺度内利用受激拉曼实现光发射、放大等多种功能。这本来是偶然的发现，却让该材料在光放大、激光发射、波长转换等众多领域有了新的应用潜力。而这一研究方向仅仅始于2002年，显然拥有很大的研究空间。
2． 光子晶体：
    从90年代开始，光子晶体经历了一个空前火热的研究阶段。这在整个光学发展过程里都是一个奇迹。所谓光子晶体，我认为最通俗的解释就是“光的半导体”。也就是说对电子材料，存在天然的半导体结构，即对电子－空穴载流子对，存在导带、禁带和价带。那么对光是否也存在类似结构呢，是否也存在禁带，光不能传输呢？实现这个的载体就叫光子晶体。
   首先Stanford大学的研究者对光子晶体的理论发展做了回顾。既谈到了能带结构计算，也谈到了解析，以及严格电磁场数值计算对光传输机理的探讨和仿真。作者指出，随着对光子晶体复杂物理现象的揭示，许多结构新颖的器件必将光学信息处理推向一个新的研究高度；
而京都大学的研究者主要探讨了二维、三维光子晶体的发展现状。对二维光子晶体，作者谈到利用硅技术的成熟，能够制作更多结构紧凑，且光电集成的光子晶体器件。而利用光子晶体还可以实现大面积的单波长、单偏振激光发射。而对三维光子晶体，作者谈到了制作的难度，但作者认为这是目前能够实现对光场自由控制的最好媒介；
最后德国Erlangen-Nuremberg大学的研究者回顾了光子晶体光纤（PCF）的发展、理论以及应用。在应用方面，作者主要强调了以下方面：（1）实现高功率传输，这主要利用了PCF能对所有波长维持单模传输的特性；（2）光纤激光器和放大器，和前面类似，也主要是在大功率应用方面。特别是针对传统玻璃光纤无法承受的功率段；（3）利用其内部的非线性效应，制作相关元器件，如超连续脉冲发射、参量放大、孤子传输等；（4）通讯应用。首先PCF具有很低的克尔效应，因此比起SMF，其不容易受导非线性噪声的影响，因此具有长距离传输的潜力。其次PCF制作过程灵活，很容易实现任意GVD设计，因此可以应用于光通讯的色散补偿；（5）最后作者谈到了PCF做光镊和光传感的应用。
3．垂直腔面发射激光器（VCSEL）的应用：
    VCSEL激光器的概念是由Tokyo Institute of Technology的Emeritus教授于1977年提出的。所以本期关于VCSEL的特邀论文来自同一课题组。作者认为当前VCSEL的市场主要面向Gbit的以太网以及光通讯两个方向。同样，长波VCSEL激光器仍是作者关注的重点。此外作者谈到其它相关应用主要有：（1）快速调制，作者暗示基于GaInAs的VCSEL激光器最高可以实现25Gb/s的调制；（2）利用MEMs技术，实现可调发射；（3）利用其非线性特性，实现全光信号处理，例如格式转换、相位和群速度调节等。1

二、 光传输：
1． 调制格式：
    关于调制格式的特邀论文来自Bell实验室。作者首先谈到了调制格式受到研究关注的背景，重点强调了网格状可重构光网络的快速发展以及当前对单通道40Gb/s以上大传输容量要求。之后作者详细论述了调制格式的分类。从可利用的光特征量上来看，分为强度调制、相位调制以及偏振调制。而后者由于需要稳定可靠的偏振管理，而偏振这个量随着传输距离增加，经常又是随机可变的，所以通常所说的调制格式只针对强度和相位。而两者又都可以分为二进制编码和多进制编码两种，再往下，根据是否归零，又可分为RZ和NRZ两种。而对强度调制则还有许多更复杂的子分类，如脉冲是否啁啾，是否占有较多的存储单元，是单边带还是残留边带调制等等。这样一来总共便有了十几种调制格式。但考虑到实际应用效果，真正受到关注的格式就不多了。比如由于探测器很难检测多进制的强度信号，所以对多进制调制，通常只是对相位调制，即通常所说的差分求积相差键控（DQPSK）格式。类似较常用的格式还有：最简单的RZ（NRZ）－OOK格式；为了提高谱利用率的“伪多进制”强度格式CSRZ；为抑制色散而提出的载波抑制强度调制CB和AMI；最后就是目前最受关注的差分相移监控，如是二进制调制，则简写作DBPSK（或直接称DPSK），如是多进制调制，则成为DQPSK。
2． 自由空间光通讯：
    对自由空间光通讯，尽管早先在实验上已经取得了很多进展。但限于成本问题，普遍认为其实用价值不高。本期MIT的研究者就这个主题有一篇文章。文章用很大的篇幅介绍了目前该技术的两个主要革新。一个是靠使用光子计数的接收器来从物理层将通讯效率提高了一个数量级，这样可以大大降低空间通道的要求，降低系统复杂性和重量，也降低对功耗的要求；另一个重要技术革新是使用了相干系统来避免空气扰动对传输效率的影响，通过相干的处理也降低了多址干扰的影响。为了使自由空间光通讯的网络结构更高效，作者认为有三个问题必须被重点关注，即由空气扰动带来的相位扭曲和退化、多址干扰和那些延误率较大的设施。对前两个问题，作者认为可以通过使用相干系统来改进性能。而对后一个问题，作者认为需要选取合适的传输层协议。而对两种接入链路，即RF接入系统和光接入系统，作者提到，出于性价比考虑，仅几个非常大的用户使用光接入。而对小流量和突发接入，均采用RF接入。
3． 光网络容量增长：
    对这个问题法国的研究者提供了一份非常详细的数据统计。作者主要统计了从1998年到2006年光网络应用的各种数据，从而对近来光网络市场做评估，最后通过数据曲线拟合，来对今后两年的发展做预测。首先对全球网络业务分类看，近年来流量增长最大的还是Internet，其增长率率为157％，相比下语音业务的增长仅为8％；而对全球IP流量，却呈明显增长放缓趋势，从2000年的157％到05年的112％，而刚结束的06年，却仅增长了22－45％左右。而对IP业务，地区增长也很不平衡，亚洲明显增速高于欧美；再来看海底光缆的传输容量，增长最快的是美国－欧洲的，到06年，主干线已经达到3Tb/s，其次美国－亚洲的海底光缆传送量也达到1.45Tb/s。而发展最慢的则是欧洲到亚非大陆的海底光缆业务，到06年，仅达到88Gb/s；在对光纤铺设增长率来看，近年美国的增速则远高于世界平均水平；最后在对FTTP到户数量来看，欧洲增长仍相对缓慢，美国已经度过快速增长期，而日本则呈现高速增长。预计2010年，其使用数量将超越美国。
    此外，对光传输问题，还涉及到慢光、微波光子学以及偏振效应等话题。这些问题或者由于前面已经有专刊介绍，或者由于问题过于理论化，因此限于篇幅就不再介绍这些子话题了。

三、 光网络技术：
1． 光纤到户（FTTH）：
    本期FTTH的文章来自韩国科技学院，作者首先回顾了近年FTTH的进展情况。首先作者认为促进FTTH建设进程的是视频业务，例如近来高清晰度电视（HDTV）的发展就明显要求较大的传输容量。另据Telcordia预测，到2010年，超过一半的电话公司将以视频电话为主要业务。这都加快了FTTH建设进程。之后作者提到，随着近年技术的发展，FTTH的建设成本也在急剧下降。从00年到05年，费用大致降了四倍，而单用户的年维护费也降了125美元左右。到最近，日本FTTH用户数量已突破两百万，美国突破三百万。之后作者则详细比较了支持FTTH的四种光接入技术，即TDMA、WDMA、SCMA和CDMA。作者比较倾向于前两项技术。而对当前的市场，显然TDM仍是最通用的技术。要实现TDM接入，主要需注意两点，一是OLT对ONT应该有足够精确的时间延迟信息，二是为保持系统高效工作，在OLT必须有能应对突发模式的光接收器。此外，对TDM一个显著优势是灵活性高，即当一些ONT没数据发送时，空闲时间段可以相对容易的分配给其它繁忙ONT。
2． 光交换：
    对光交换的回顾文章，来自California大学。作者仍高度评价了分组交换（OPS）和光突发交换（OBS）两项技术。对两种交换模式，作者主要从交换协议、边界路由、应用的开关等几个角度做论述。对各种交换技术，作者的主要衡量指标有三个，即信号质量、交换网结构和交换性能。由于这部分涉及技术内容过多，且在以往文献里都有过介绍，就不详细评析了。
    此外，网络这部分还有几篇有意思的文章，例如康宁公司研究者对美国光网络发展的回顾以及英国研究者对近期光网络发展的预估等。但知识点多少都和以上谈的的有些重合，限于篇幅也不详细论述了。但总之这期的JLT是很难得的一期，并没有很多枯燥的理论性文章，而都是生动有趣的回顾性评论。很值得阅读。
作者：宋军博士