07年01月PTL光通讯论文评析

一、光网络与系统：
1． 无源光网络（PON）：
    PON是一种点对多点的光纤通讯组网模式。按照目前的技术差异，主要有APON、EPON、GPON、WDM-PON，以及几种的交叉和改进模式。本期比利时的研究者有个关于GPON的研究。先简单回顾一下GPON的一些基本情况。采用GPON技术，从OLT到ONT的传输距离可以达到37km；理论可支持的分束比可达到32个，即一个OLT可以广播式发送到32个ONT单元；下载比特率可达到2.5Gb/s左右，上载信号可以达到1.25Gb/s；采用CWDM技术，在单根光纤里可以支持8个波长的复用；为了维持较好的网络性能，必须采用光纤保护、网络保护以及前向纠错等子系统。本期这篇文章的主要研究内容是实验显示了Reed-Solomon前向纠错（FEC）后，对GPON光信号增益进行的改进，证明这样可以保证较高的分束比。Reed Solomon－FEC通常采用辅助信息和主信息同时传输，若主信息丢失或接收误码, 辅助信息可以重构主信息。作者证明采用这样的FEC后，可以将GPON的光学增益改进2.3-2.7 dB左右。有了这样的增益余量后，作者认为可以在发射端使用更便宜的FP激光器来降低系统成本。
    此外，对WDM-PON，NTT的研究者提出可以通过合理控制两个相邻波长通道间的相位，并采用锁相技术，这样，作者证明可以有效降低非线性带间串扰带来的波前扭曲。同时再采用预补偿等子系统，可以消除FWM带来的影响。这些工作非常有利于密集波分复用系统的推广和实用。
    2. 调制格式：
    在光通讯中，强度位移键控（ASK）和差分相移监控（DPSK）是分别针对强度和相位进行信号调制的技术。从宏观角度看，两种调制方式有本质区别，因此对同一个载波，可以同时进行两种调制，使得谱利用率达到最优化。这就是所谓的ASK－DPSK混合调制格式。本期香港中文大学的研究者对这样的混合调制格式做了研究。重点在于分析色散公差对该格式应用的影响。作者证明色散对信号质量的恶化，并不单单作用在ASK或DPSK子通道内部。而是对两种格式的交互作用更为突出。简单的说，就是使用了这种混合格式，色散对传输的影响会比单独使用两种格式任意一个都严重的多。还是通过如何高效利用该调制格式的思路，作者进一步探讨了如何避免色散对该混合格式的影响。作者演示了通过使用联合最大似然序列检测（J－MLSE），可以有效抑制两种格式间的信号串扰。所谓MLSE，是微波里应用非常广泛的信号检测技术。通过测量的信号，采用统计的方法对数据最大似然精确评估。利用系统输入数据符号等概率出现，则对应系统出错概率最小的原理，MLSE可被用来有效抑制信号串扰。作者使用该方法后证明，这样的混合格式还是能够应用于长距离光网络中的。
    此外，Arizona大学的研究者通过将RZ－OOK格式信号的初始相位选择到适当大小，证明可以有效抑制由四波混频（FWM）产生的“鬼脉冲”，并能将Q参数改进7.5dB左右。
    3. 系统性能：
    韩国的研究者报导了一项有关补偿光纤传输里FWM的研究方案。比如对一个WDM系统。使用了W1和W2两个波长。传输一定距离以后，由于FWM效应，在W1左侧和W2右侧各产生新的波长W3和W4。通常在W1（W2）与W3（W4）之间的消光比在20dB左右，这对长距离通讯是不够的，很容易产生误码。作者将这样的混频信号通过一段高非线性光纤（HNLF），并使用另一个泵浦激光器，其波长P1恰好在HNLF的零色散波长位置。这样，经过该系统后，继续产生混频，相继产生P2、P3，以及与P1对称位置的四个新波长C1、C2、C3和C4。其中C1和C2对应W1和W2，而C3和C4则对应原混频信号W3和W4。通过对发射波长功率以及泵浦功率的有效调节，作者可以将C1（C2）与C3（C4）的消光比调节到30dB以上。这样就降低了误码的几率。显然现在信号波长已经变化了，要维持原波长探测还需要波长转换器件。
    此外，德国的研究者研究了PDL与高阶PMD交互作用对系统性能的影响；西班牙的研究者研究了Rayleigh散射对双向通讯系统的影响，并建议使用一个导航信号来避免串扰。
    对网络性能监控，随着目前的技术发展，逐渐显现了三点主要技术要求，一是要求同一监控系统尽可能的监控更多的网络性能（如功耗、信噪比、色散、PMD等）；二是要求监控器的响应时间必须和网络交换响应时间一致，以便能够对突发信号进行监控；三是能对多通道同时监控。本期有篇监控器的文章来有：（1）College London大学的研究者对信噪比监控，其系统流程大致如下，将信号通过一个MZ单边带滤波器，在两个输出端有选择的以上（下）边带输出。其中一路经过电吸收调制器后可以将信号和噪声载入一中间频率载波。再通过低速探测器后，就可以将相应电信号数字化，这样通过简单的快速傅立叶变换等软件处理，计算出信噪比等参数。这里作者的思路其实就是变高速光信号为低速电信号来处理。因为通常直接对光信号检测需要单通道高速探测器，这样成本较高。现在的技术主要还是面向性价比改善而提出的，其另一个优势是可以对多种参数监控；（2）以色列的研究者基于双光子吸收研制了面向网络色散监控的系统。双光子吸收是一个很重要的非线性光学现象，简单的说就是某种半导体吸收两个光子产生一个电子－空穴对。而探测到光电流的大小一般正比于光强的平方。之所以把这样的效应用于光网络性能监控，主要是看重了它的高响应速度特性，对1550nm波段，其响应时间达到10-14s。然而通常该效应探测效率并不高，因此这里作者为了改进探测效率采用了半导体微腔结构，靠共振效应来提升光强。作者用这样的系统，已经成功对80Gb/s的OTDM网络进行了色散监控测试；（3）对PMD监控测量，主要有两种方法，一是求解微分方程，这样好处是不需要知道入射光偏振信息，坏处是受噪声影响强；二是基于转移矩阵方法求解，好处是低噪声，坏处是需要预知偏振信息，因此需要加可旋转的高精度偏振控制器。本期南洋理工的研究者对后者进行了改进，仍基于Mueller矩阵技术，但证明了在不知道入射光偏振信息情况下，仅通过手动的偏振控制器让输入形成三个共面、互成120度的偏振光，就可以求解Mueller矩阵方程，并提取PMD信息。作者实验显示了对PMD的监控，且利用非线性光纤，在系统中引入了一定的PDL，仍能保证低噪声，准确的PMD测定。
    4．子系统：
    Southern California大学的研究者使用相位调制器和保偏光纤制作了高速脉冲发射器。经过相位调制的光入射进保偏光纤，被分成功率相等的两个偏振量。对两个偏振输出提供不同的，合适大小的DGD，这样两个偏振分量相加，拍频光会产生倍频效果。如原入射偏振光同保偏光纤偏振度呈45度夹角，这样拍频光将是一个RZ脉冲序列，如原入射光与保偏光纤偏振度正交，则可以拍频生成载波抑制RZ （CSRZ）脉冲序列。
 
   二、有源器件：
    Sheffield大学的研究者利用分子束外延工艺，生长了七层的InAs–GaAs量子点LED，辐射波长在1.3μm。新颖点在于作者通过工艺条件对量子点阱间的GaAs隔离层厚度进行精确控制，明显降低了激光器阈值电流，提升了发射效率；Georgia理工的研究者用InGaN–GaN作量子阱材料，用SiCN做间隔层，利用两种材料应力和引力的差异性，在InGaN有源层内均匀生成了直径100nm，厚度4nm的“准”量子点结构，这样的LED比起通常器件发光效率提高了10％左右；以色列的研究者将通常LD的发射截面波导结构改作脊形，即在上包层刻蚀狭缝（不碰到有源区），通过对狭缝的数量和深度做一些优化控制，可以有效对激光模式进行微扰调节，可以做出很多性能改进的发射。比如作者显示了旁瓣抑制超过30dB的发射，以及对ASE噪声有良好抑制效果的发射等；Virginia大学的研究者则面向自由空间光通讯，研制了改良的雪崩二级管探测器，能有效抑制大气扰动对探测的影响。
 
   三、无源器件：
    台湾中山大学的研究者利用溶胶－凝胶的旋涂工艺制作了面向平面波导器件与光纤耦合的波导阵列。作者认为这样的工艺可以在刻蚀了V形槽后进行，可以很方便的改进耦合效率；浙大的研究者利用表面等离子波导，周期性的改变中间绝缘层的厚度，形成Bragg结构，显示了优异的滤波特性；Arizona大学的研究者在双模SOI波导上制作了反对称的Bragg光栅，可以应用于许多多通道应用，如OADM等场合。
作者：宋军博士