07年03月PTL光通讯论文评析

  光网络与系统： 
光交换： 
    波长作为最小粒度的光交换模式已经不再满足容量日益增大，信息交换日益细化的下一代光网络应用。使用光分组交换（OPS），有希望进一步将交换粒度细化到数据包大小，提高网络灵活性。当前就OPS的应用，尚面临许多难题，比如标签互换方法、连接精度选取、数据缓存方法等，此外面向未来光通讯要求，要实现对高速、异步、可变长度数据包的交换也是当前面临的一个技术难题。为了实现对高速异步标签互换操作，首先需要对标签编码方式作出合理选择，最普遍的是使用基频串行编码的方式，以便引导可变的有效载荷信号，并抑制色散的影响。此外，对这样的异步交换过程，通常需要使用CMOS电路来实现高速的数据处理，这使得交换产生的功耗较大，且应对高速异步的突发信号也有一定难度。为了解决这些问题，NTT研究者本期采用的方案是使用串并转换来降低信号处理难度。首先光信号经过一个1×2的光开关，通过适当时延将有效载荷信号和标签信号分离开。分离的标签经过串并行的转换，经过分束器按字节分开，每个字节对应传输到相应的光纤中，且对应的光纤阵列有光纤延时线，将信号按特定时间间隔输入CMOS模块。在进入CMOS模块之前，每个字节信号要经过一个光触发的电开关。而待交换的标签则首先经过一个光电二极管，转化为电信号，相应的电信号按字节分开后，作为前面提到电开关的触发信号。经过这样的处理新的标签信号能够被生成，再经过并串转换，变成串行的电信号，经过电光调制变成串行光标签信号，作为新的标签再与原有效载荷信息合在一起。实验里，作者通过光电集成，将时钟发生器、串并转换、并串转换集成在单片上。作者指出这样的标签交换具有低功耗、偏振不敏感、能应对突发信号等优势，缺点也很明显，串并转换部分限制了输入数据包的字节数目。在测试里，作者已经显示这样的模块能成功用在八字节40Gb/s的光分组交换网络里。
    在众多网络交换结构里，Crossbar是一种典型的单级交换结构，通过输入输出之间交叉点的闭合，能实现严格的非阻塞交换。且交换提供多条数据通路，能够方便地实现组播。但Crossbar的可扩展性较差，增加一个端口就可导致交叉点的指数增长，并且数据流通过交换结构的传输延时不定；而Banyan网络则是一种典型的多级交换结构，其特点在于可伸缩性、固定交换时延、数据传输的自路由性与有序性。由于自路由性，其数据转发过程非常简单，当超过一个信元在同一时刻到达一个交换单元的话，就会产生冲突。本期天津大学的研究者结合以上两种优缺点互补的交换结构，并做了改进，应用一个8×8的光开关面阵，制作了可重构、非阻塞的交换网。模块基于PLC工艺制作，因此为了避免三条波导的交叉，作者在设计时仅允许两种交叉，一是产生在水平线、蝴蝶结线之间的交叉，二是产生在两个蝴蝶结线间的交叉。最终制作的芯片插损4.6dB，偏振相关损耗0.4dB，串扰平均-38dB，交换时间少于1ms。
    全光波长转换是全光交换网络里重要的技术环节。通常的全光波长转换要么基于SOA中的相位调制效应，要么基于非线性光纤中的四波混频效应。本期日本信息技术研究院的研究者建议使用周期性极化的铌酸锂（PPLN）来实现对高速RZ信号的全光波长转换，利用其周期性极化结构，在实现准相位匹配后能获得很大的二阶非线性效应，因此可以通过和差频效应完成波长转换。这样的转换原理具有速度高、低噪声的主要优势。此外作者使用了级联的和差频发生器，以便能让通讯波段的光作为泵浦光输入波导结构。通过调节泵浦光的波长，就可以实现可调的波长转换。这个装置也有一个明显缺点，就是当相位匹配条件满足的不是很好时，信号会发生扭曲。这里作者使用信号再整形装置来弥补这一缺点。在实验测试过程里，作者在C波段23nm的波长范围内，实现了对160Gb/s的高速RZ信号的可调波长转换。
    韩国光子技术研究院的研究者制作了面向光互联的平面印刷式连接模块。模块有两层，将光纤连接在中间，每根光纤两端采用90°弯曲的模式，接口在平板的上端，这样的弯曲是为了方便和VCSEL阵列相连接。整个模块主要包含光纤、光纤90度弯曲连接器、二维光收发模块三个部分。模块分两层，大小40cm×17.5cm×3.2cm，每层支持四个通道、四个并行连接，单连接速度3Gb/s，因此芯片共可实现96Gb/s的通讯容量。这样的面阵交叉互联非常适合光交换使用。

全光3R操作： 
    对大功率浮动的NRZ-DPSK信号，本期意大利的研究者给出了一套3R信号再生方案。作者强调其时钟恢复信号和输入数据包长度保持了严格一致，这样对时钟和信号的同步，仅使用固定长度的光纤延时线就能做到，大大简化了系统结构和操作。同时这样的时钟恢复也方便了信号探测和接收。作者的实验装置为：先让NRZ-DPSK信号经过SOA，利用增益饱和效应实现功率均衡。且SOA的前后都有偏振控制元件，对不同的入射偏振调整SOA的状态；强度均衡的信号被耦合器分为两部分，一部分直接进入时钟恢复单元（记为信号A），另一部分（信号B）先经过EDFA放大，经过一个环形器，大部分经过环形器水平方向作为输出信号输出（信号C），而另一部分则经过环形器垂直端口进入一个由特殊设计的FBG组成的解调器，可将NRZ信号转变为RZ信号（信号D）。最后信号D也进入时钟恢复单元。而整个时钟恢复单元又主要由时钟提取和噪声提取两部分模块组成。前面提到的信号A将进入噪声提取单元。通过偏振控制单元可以仅将信号A固定在一个偏振方向，之后经过SOA后，有PBS选择仅含ASE噪声的偏振分量输出（标志为信号E）。最后经过另一个环路其信号D做输入，信号E做门限信号进入时钟提取模块。该模块主要由FP滤波器、偏振控制器，隔离器和SOA组成。门限信号E由SOA反向输入，而输入信号D由正向输入，最终输出信号经环形器水平端口输出获得与信号C等长度的时钟信号F。通过测试，这样的系统能够对15dB左右功耗浮动的DPSK信号做成功再生。
    在3R操作里，需要特别面对的一种情况是全光交换网里突发模式信号。因为对突发信号，在到达目标节点前通常经历了不同的光路径，因此功率起伏变化大，因此对这类信号的3R再生需要系统拥有较大的动态功率范围，并拥有超快的响应特性。本期希腊研究者实验显示了对40Gb/s的异步突发模式信号的3R再生操作。作者的系统主要由四个Mach-Zehnder干涉仪（MZI）级联组成，且所有MZI两臂都有SOA和相应的驱动电路。但四个MZI具有不同的功效，分别被用作功率均衡、波长转换、时钟恢复和信号重整。系统工作波长为1553nm。对第一个MZI，输入端耦合器分束比控制在7:3左右，且两臂SOA的驱动电流也不同，通过这样的差异化，能够让系统对低功耗输入信号高增益放大，而对高功率输入信号低增益放大，实现功率均衡化。最终均衡化的信号经功分器被分成两部分，一部分作为信号重整的输入信号进入第四个MZI。另一部分则作为输入信号进入第二个MZI，利用SOA中的相位调制将波长转化到1556nm。该波长正好在由第三个MZI组成的时钟恢复模块FP滤波器的中心波长位置。波长转换的信号进入第三个MZI模块后变成时钟恢复的数据包，将这部分信号做第四个MZI的触发信号，对上面提到经功率均衡后分出到第四个MZI的那部分输入信号作调制。这样最终获得消除时间抖动，且强度均衡的信号。测试显示，这样的系统能用于40Gb/s的异步突发信号再生，能处理的最大信号功率浮动在9.3dB左右。
    而Osaka大学的研究者则提供了一种针对DPSK信号的全光纤3R处理器。首先对DPSK信号，由于是相位调制，因此通常对信号进行再放大、再整形的操作（即2R）有两种方法，其一是使用相位敏感的放大器，其二是将相位调制信号转化为强度调制信号后再处理。这里作者采用的是后者，首先DPSK信号经过一个具有1字节时延的光纤干涉仪，转化为OOK格式的强度信号。此时相位噪声也被一起转化为了强度噪声。强度信号被放大后，再经过一段高非线性光纤（HNLF），利用信号通过光纤后的频谱展宽，以及并发的偏中心限谱效应，可以抑制强度噪声，并对信号整形。稳定的强度信号再和时钟信号一起进入由另一段HNLF组成的相位调制器，其中强度信号作调制器的控制信号，用它来对时钟信号做调制。两者具有不同的波长，且具有适当的走离时间差。调制是基于交叉相位调制（XPM）效应，且作者选择调制的波长差恰好等于前面2R过程里偏中心限谱的波长漂移量，以让整个3R过程波长保持恒定。作者这里的系统最大的优势是全光纤结构，不需要波导器件，因此功耗低，且避免了连接不稳定因素。

WDM-PON：
    对WDM-PON，降低系统成本，减少装备、器件的数量是关键。比如最近很多报导，使用较便宜的FP-LD阵列作光源，不使用放大器和色散补偿光纤来实现WDM传输。尽管系统简单了很多，但传输距离并不能很长。这一方面受到宽带光源（BLS）输入功率的限制，另一方面是受到上载信号与BLS后向散射间的拍频噪声影响。为了克服这些缺点，很多研究者在研究具有高输入功率的BLS，并想办法抑制BLS的后向散射。本期韩国高等科技学院（KAIST）的研究者却换了一个解决问题的思路，比较有意思。作者将上载信号用的BLS从中央处理器转移到某个远程节点，并通过其位置的优化选择来改进系统性能。作者的实验装置是基于一个50GHz频带间隔，64通道，传输距离80km的WDM系统。通过将上载信号用的BLS放在远程节点，作者测试证明输出功耗能降低10dBm，后向散射噪声的影响也降低了很多。

光纤无线通讯：
    对光纤无线通讯（ROF），降低基站系统成本是技术面向实用的关键。近来许多研究围绕在这方面被开展，例如对上下载信号使用同样的光源来降低成本等。本期湖南大学的研究者实验显示了其面向ROF上载信号，波长再利用的研究，也旨在降低系统成本。在作者实验采用的系统中，中央交换机先经过DFB-LD发射连续波，经有双臂结构的铌酸锂调制器，以RF信号做驱动，完成光载波抑制调制后，经过一个interleaver被分为两束，一束被调制上基站的下载信号，另一路没有使用，两者再经过光耦合器后一起经光纤传输。而在基站，前面那部分未经调制的载波被用来调制基站的上载信号，并耦合到上载光纤里，以传送回中央处理器。而另一部分已调制信号则经过光电转换后，经过天线使用微波的方式进行传输。因此这个过程对上载信号不再需要使用激光源，既降低了成本，也简化了系统结构。性能上，下载信号在经过40km光纤传输后功耗大约0.3dB，而上载信号功耗更几乎可以忽略。

调制格式： 
    在下一代光网络里，经常同一网络会使用多种信号格式，如何让各种格式完成转换是一个很有实用价值的研究方向。本期意大利的研究者使用增益钳制的半导体光放大器（GC-SOA）实现了从RZ格式信号向NRZ格式信号的全光转换。这里使用的GC-SOA内部有一DBR激光器。其内部激光功率随入射信号强度变化，呈现相反的变化趋势。当接收RZ信号的脉冲时，每接收一个脉冲，激光器会有一段驰豫响应时间，而驰豫时间也受到接收信号强度的影响。例如当入射信号是功率不大的两个连续脉冲时，由于驰豫时间较短，在两个脉冲时间间隔中激光器已能再次发射，这样激光发出的光只是相对原信号被时间展宽了的两个方波。但当入射信号强度高于一定值时，在SOA接收两个连续脉冲时，激光器接收第一个脉冲尚在驰豫时间内，第二个脉冲又接收到了，这样重新开始第二次驰豫过程。这样表现为激光器在两次脉冲间被关掉了，没有激光发射。直到RZ信号出现一个零信号，即激光器再次接到强脉冲的时间间隔增大到足以让激光器度过驰豫时间，激光器再次发射。这样，只要保证输入功率大于一定值，例如先使用光放大，再经过该模块，就能让信号实现了从RZ到NRZ的转换。

网络性能： 
    信噪比（OSNR）是全光网络里非常重要的性能参数。通常的光信道监测都把OSNR的测量放在关键位置。通常的测量方法都是使用窄带滤波器扫描最终信号的频谱响应，然后在信号峰值平台和噪声平台间取差值，获得OSNR的大小。对DWDM应用，时间上信号调制速度较高，频率上波长间隔通常在0.8nm，或0.4nm，因此对这样的系统作监控时，读取信号在谱域上可能非常拥挤。因此如果对这样的系统作信道监控，必然要使用非常窄的滤波器。但显然滤波器谱宽越窄器件成本也就越高，此外测量的响应速度也会减慢。本期Melbourne大学的研究者提出使用较宽带滤波器扫描作监测，获得粗糙的频谱后，通过后期数据处理，精细化频谱，最终测得OSNR的方法。这里作者主要使用了Tikhonov正则化方法和最小二乘法，两种算法。Tikhonov正则化方法是一种常用的反演算法，在图像处理上用于对带噪声图像的缩放。通过选择合适的正则参数,和正则矩阵，细化图像细节。而最小二乘法是一种最常用的曲线拟和算法，作者将两种方法结合，将粗糙的频谱信息细化，提高噪声平台的分辨率，进而给出OSNR的大小。通过对50GHz频带间隔，单通道10Gb/s调制的WDM系统做实验测试，在使用谱宽35GHz的FP滤波器先获得粗糙频谱图后，后期处理精细化噪声平台，证明可以获得最大误差0.6dB的OSNR测量。
    韩国信息通讯大学（ICU）的研究者针对DWDM系统，考虑偏振相关损耗（PDL）影响时，对使用放大器的要求做了研究。作者的研究，我认为主要有两个结果比较重要。一是作者证明，对DWDM系统，信噪比OSNR特性在信号被放大前就基本确定了。即放大后信号的OSNR主要由输入信号的OSNR决定。当然放大器本身也会对OSNR起到一些改变。因此作者第二个工作就是要探索，应该如何对放大器本身提出要求，在保证网络正常工作的前提下，选择合适放大器，以便为最终OSNR特性提供一些余量。作者认为影响OSNR变化的最关键因素是PDL。并证明对局域网络，当存在0.3dB的PDL时，放大器选用需要为OSNR保留1.4dB的余量。而对长距离光网络，同样的PDL则要求为最后的OSNR特性，留有2.2dB的余量。并且PDL每增加0.1dB，OSNR余量就要相应增加0.7dB左右。

有源器件： 
半导体激光器： 
    VCSEL激光器之所以被广泛应用，主要是因为其具有制作测试成本低、高光纤耦合效率、低功耗、适合高速调制、驱动电流低等优势。为了将VCSEL应用于长距离光网络，主要要求有三点，一是辐射波长长波化，在1.3μm和1.55μm波段；二是要求发射光斑单模，以便维持对光纤的高耦合效率；三是要求激光器具有较高的输出功率。本期瑞典的研究者实验研究了面向长距离光通讯应用的VCSEL激光器制作方法。首先，为了让发射波长漂移到1.3μm附近，作者器件在有源区使用了InGaAs量子阱结构；其次为了让输出具有良好单模特性，在有源区上方加了一层厚度40nm的氧化限制层，起到模式选择的作用；最后作者在分布Bragg反射镜的顶端额外加了四分之一波长厚的GaAs层以缓解工艺误差的影响，维持较高输出功率。
    而韩国Inha大学的研究者则研究了使用1.55μmVCSEL在不同网络结构里的工作情况。对使用单模光纤的长距离光网络，使用这种VCSEL作光源时，在不放大，无色散补偿下作出测试认为最长工作距离为30km。而多模光纤由于数值孔径大，特别适合有数据上载操作的局域网。当使用同样激光器作光源时，作者测试最长工作距离为2.7km。而对同时使用单模和多模光纤的混合组网模式，受到两者接头损耗的影响，当使用同样光源时，作出测试得到两种光纤的最长工作距离分别变为25km和2.2km。

光纤激光器： 
    对脉冲激光器，通常脉冲重复率等于调制频率。而受到调制器带宽瓶颈以及驱动电流有限等因素的限制，光纤激光器很难获得较高调制频率。最近一种被称为有理数谐波锁模的技术很受关注，因为它通过选用不同级次的谐波锁模，可以将脉冲重复率加倍。然而要实现这样的锁模光纤激光器，通常需要几十甚至几百米长的光纤做谐振腔，机械应力以及温度变化都会对激光器工作情况产生影响。本期加拿大Ottawa大学的研究者对这样的光纤激光器做了研究。首先作者为了防止偏振对性能的影响，将光纤腔全部改用保偏光纤；并有一段光纤绑定在压电延伸器上，以在外界因素变化引起腔长改变时，通过压电调节补偿腔长变化。通过这些改变，可以让激光器发射较高重复率的类孤子脉冲。

无源器件： 
    现有的有源器件大都制作在三五族材料上，因此研究三五族半导体波导对光纤的高效耦合很有实用意义。通常在波导波段使用渐变波导结构可以让光纤与半导体波导水平直接耦合，且维持较高耦合效率。但渐变波导结构增大了器件尺寸，降低了集成度。英国St. Andrews大学的研究者在波导末端使用一段10μm长的倾斜光栅，让光在这段光栅波导内传输后，可以垂直的向上耦合出来，从而可以让光纤对波导垂直耦合。作者使用光栅倾斜角为45°，最终测试显示耦合效率大约16％左右。
    美国空军实验室的研究者使用SU-8光敏胶将一块基于多晶硅的MEMs模块和一基于AlGaAS-GaAs的分布Bragg反射镜（DBR）芯片粘贴键合在了一起。通过在0-10V范围调节MEMs区域的静电偏压，可以让DBR区域在一定范围内伸缩，进而可以获得滤波波长在53nm范围可调的滤波器。
    德国Paderborn大学的研究者对铌酸锂脊形波导的湿法刻蚀工艺做了研究。作者使用Cr做掩膜，使用HF和HNO3的混合液作刻蚀剂。作者证明在刻蚀剂里加入适量酒精能够让刻蚀端面变得更加光滑；同时作者也证明当有了Cr掩膜的铌酸锂在刻蚀前先经过一定时间的退火再进行刻蚀，能有效避免刻蚀过度情况的发生。
    日本Nippon Paint Co.的研究者在硅基底上制作了聚硅烷波导，这是一种感光材料，因此作者采用双光束干涉的方法，让两束He-Cd激光在波导内干涉漂白形成Bragg光栅。最终制作光栅能对1.55μm入射波长形成带宽0.4nm的窄带滤波，适合OADM应用。此外，这样的波导光栅温度系数为0.096nm/°C，因此通过适当温度调节，也可以实现可调的窄带滤波。