07年1月JLT:06年OFC/NFOEC技术回顾

    4/26/2007,宋军博士翻译整理，转眼07年也已经过去了三分之一，今年的JLT不知道什么原因，迟了一个大到，1月的文章到现在才出版。按照JLT一贯的规律，每年的第一期都是一个关于上年度OFC/NFOEC的专刊。今年也一样，是对去年三月在Anaheim召开的OFC/NFOEC大会的技术回顾。整个专刊有30篇文章左右，基本总结了上届OFC/NFOEC大会的技术趋势。总的来说，这次大会在器件方面关注较多的内容有，光子晶体光纤应用、基于波导的光发射设施、波长转换器件；在子系统方面关注较多的主要是面向高光谱效率的调制格式，以及慢光发生器这两个内容；在长距离传输系统方面，仍和以往一样，面向更长的传输距离、更大的数据容量、改进的光谱效率和较好的网络灵活性，围绕这些目标，有一些40-100Gb/s的传输系统被展示；而在骨干网上，研究主流仍聚焦于大范围的无源光网络，以及光接入技术变革这些内容。
一、光电器件与设施：
    1．收发器
    在器件方面文章量最大的是收发器这一块。而从实现方式上看又与前面提到的光子晶体光纤应用、半导体器件应用，以及特种光纤应用等内容相交叉。
    首先加拿大McMaster大学的研究者就面向FTTP应用的光收发机给了一个tutorial。作者提到基于不同的PON形式，对收发机设计具有相似的波长标准，但具有不同的速率要求。 但对各种PON形式的收发机设计，目前有两个共性的要求，首先是要求系统能灵活应对突发模式，因此需要在ONT发射端对光源驱动有一定的动态特性要求，而在OLT接收端具有动态预放要求；另外，随着PON用户数量的增加，将具有越来越明显的高分束比特性，这相应需要发射机具有更高的发射功率，需要接收机具有更高的灵敏性。当然具体到特定的PON形式，这些共性要求又有一定的差异，比如在应对突发模式上，GPON比起BPON和EPON就有更加苛刻的时间要求，其TOFF和TON时间都要短到13ns左右。而在面向FTTP应用光收发机实现方式上，作者谈到的仍主要是基于分立元件组装和基于PLC集成两种。综合来看，两者互有优势，但后者是技术的主流。基于PLC的收发机结构紧凑，性能可靠，但在偏振和温度不敏感上，现在技术还没有分立元件那么好。
    近年来光子晶体光纤（PCF）已经成功商业化，尽管成本高的吓人，但由于其潜在的性能优势，仍驱使越来越多研究者探讨PCF的新应用，对这方面的热度，从去年的OFC/NFOEC可见一斑。如果应用PCF做传输光纤，相比通常的玻璃光纤，其在1000nm波段具有一个160THz的大带宽低损耗低色散波段，这是一个非常理想的高容量大带宽光通讯波段。面向这个波段研发的掺Yb光纤放大器（YDFA）已经能实现从1μm到1.2μm的大带宽平坦放大，相应的一些基于YDFA和PCF的在1000nm附近的短距离光网络系统也不断被测试报导。从以往研究看，尚欠缺的技术还是光发射这一块，在这个波段还没有能实现高速脉冲发射的光发生器。这里NTT的研究者先利用锁模掺Yb光纤激光器发射1063nm波段，重复率11ps的脉冲光，之后使用一段190m长的PCF做锁相环，利用脉冲在PCF中的“高阶孤子效应”对原脉冲做压缩，最终可获得重复率0.5ps左右的脉冲序列，这样的脉冲源已经能成功应用于1000nm波段，基于OTDM模式工作的网络中。
    此外，Furukawa电子公司的一篇研究论文采用的技术思路和前面一样，所不同的是，它是仍基于标准单模光纤作为传输载体的网络应用。作者首先使用可调激光器发射种子脉冲，然后使用一段低色散斜率的高非线性光纤和一段零色散斜率非零相位漂移光纤构成锁相环，对种子脉冲进行压缩和整形，最终分别在1530nm、1570nm和1610nm三个波段都可获得重复率为0.1ps的稳定脉冲发射。
    墨尔本大学的研究者基于自种子的反射式半导体光放大器（RSOA）制作了面向WDM-PON上载信号的光发射机。在作者建议的发射器里，每个远程节点（RN）均统一使用了一样的宽带ASE光源，因此在一定程度上讲，作者建议的系统是一个“无色”光源 。之后在每个RN，均使用AWG做波长复用和解复用。这里对上载信号和下载信号使用了不同的波长段，它们分别对应在该AWG的两个不同自由光谱范围的中心波长位置。经过AWG后，上载信号的连续光变成了具有一些窄带分立波长的谱，复用后的光经过环形器时，采用带通滤波器（BPF），仅选择一个特定的波长发送到相应的ONU。可以看到选择哪个波长上载到ONU，完全由AWG的频谱特性和BPF的滤波特性决定，因此对光源部分可以不需要温控装置。对系统实测后作者证明，上载信号的噪声大小直接和使用RSOA光源功率相关，为了保证低于10-9的误码率，应要求输入功率至少为-30.5dBm。
    集成电吸收调制器的光源以结构紧凑、性价比高、低驱动电压和大调制带宽等独特优势，成为半导体型高速光发射机最有应用潜力的类型之一。这里California大学的研究者将电吸收调制器和大带宽可调激光器集成在一起，制作了发射机，无论从制作工艺还是系统性能上，都促使技术由研究到商用化迈出了一大步。这里作者采用的工艺被称为多边带量子阱表面混合技术，它依靠覆盖层再生长的方法将器件制作在两块不同的多量子阱有源区域。而通常的工艺通常在轴向会切断芯片。作者制作的发射机波长可调范围达到30nm，平均输出功率35mW。
德国西门子网络部和几个德国大学的研究者共同撰文称，依靠光传输的以太网是未来骨干光网络里非常有潜力的技术，技能保证了高速大容量的接入，又能维持较高的性价比。作者称，100Gb/s的长距离以太网实现起来并不难，但关键还在于降低成本。作者认为，在网络中采用一些高速电子电路来代替光学方法是降低成本的最好方法。为此目的，作者设计制作了基于电子时分复用的接收器，其主要结构为一个一分二的解复用器和一个时钟数据恢复器，两者被集成在一块芯片上。该接收器是面向80Gb/s的时分复用信号发射设计的，但在使用了前向纠错系统后，作者证实该器件可成功用在107Gb/s的系统里。
    Virginia大学的研究者对面向远程通讯应用的雪崩光电二极管（APD）的近期发展做了一个回顾。作者称在光通讯应用上，如果累计噪声不那么高，使用APD，其灵敏度至少比使用PIN作探测时要高5-10dB左右。但价格方面，传统APD工艺需要比PIN更加复杂的外延层结构和偏置电路，因此成本也更高。但作者认为随着近期制作材料和结构的改进，有望大大降低APD器件的制作成本。材料方面的进展主要有三类，一是很多研究者发现Hg0.7Cd0.3Te是一种很理想的APD材料，既能在长波段工作，又能获得很低的工作噪声；二是对Si材料进行改进，在倍增区域加入了In0.53Ga0.47As材料做吸收层，既维持了硅探测器的高速低噪声特性，又将其工作波长推移到了光通讯应用的长波段；三是用In0.52Al0.48As来作基于InP等三五族材料的APD的替代材料，也可以获得很低的噪声。而在结构上的改变主要有两点，一是通过适当缩短倍增区域厚度来降低噪声；二是靠适当加入合适的异质结结构来改进性能。
    2．波长转换
    利用半导体光放大器（SOA）中的非线性效应，是制作波长转换器最普遍的原理。对高速大容量光网络，有两个方向来提高信息容量，一是提高单通道调制速率，二是提高复用通道数量。因此在波长转换角度，一方面就要求能面向160Gb/s以上的高速系统转换波长，另一方面则要求波长转换器具有大带宽，能覆盖较大波长范围。然而基于SOA的波长转换器在这两方面都尚待提高。
    （1）首先，SOA的恢复时间通常比较长，一般在几十到几百皮秒左右，因此利用SOA作波长转换，一般只适用于40Gb/s的系统。后来，一些研究者不断对该类转换器进行一些附加改进，也研制出了面向160Gb/s系统的波长转换器。本期荷兰的研究者证明通过在SOA后级联两个全光带通滤波器（OBF），可以对SOA恢复时间起到很好的压缩作用。实验里作者使用的SOA恢复时间为56ps，但在使用了两个OBF后，这个系统的恢复时间等效为1.8ps。这样，作者设计制作了面向320Gb/s高速系统的波长转换器。
    （2）其次，利用SOA中的XGM和XPM作波长转换时，由于在增益带宽的短波方向存在很大的吸收，因此将短波转化为长波较容易，而长波转化为短波则困难的多。对此东京电子通讯大学的研究者提出了一种改进的级联SOA设计方案。对短波向长波的转换，仍然一次性完成，而长波向短波转换则分级进行。将两个待转换的波长，按照波长差的大小，选用具有适当增益带宽的SOA，让待转换信号和中间转换信号a分别位于第一个SOA增益带宽的边缘，完成一次转换，而第二个SOA增益带宽的边缘又恰好与信号a波长位置重合，另一个边缘为中间信号b，依次类推，最终转换为目标波长。
    3．无源器件
    LightSmyth Technologies Inc.的研究者在硅基二氧化硅平面波导材料上基于深紫外全息工艺，写入光栅制作了一八通道的粗波分复用（CWDM）器。就原理上看，其解复用仍是基于多次干涉效应，因此其实就是将通常的薄膜复用器集成在了单片波导材料上。作者制作的CWDM器具有低插损、高平坦频谱响应的特点。
二、子系统
    1．调制格式
    调制格式方面的研究都面向高速大容量网络运用。
首先荷兰的研究者认为多进制调制格式是最有希望进一步提高光谱频带利用效率的技术。但作者也提到由于多进制调制格式受非线性损伤影响大，因此会降低传输距离。于是作者的研究旨在测试多进制调制格式在长距离传输中运用的可行性。首先作者采用了对非线性容忍度最强的DQPSK调制格式，并结合偏振复用的方式进一步提高频带利用率，作者测试网络基于WDM构建，以50GHz频带间隔，复用40个波长通道，采用了偏振复用的单通道DQPSK信号调制速率为85.6Gb/s，这样频带利用率达到1.6 b/s/Hz。作者证明这样的频谱利用率仍可实现1700km的长距离稳定传输。但作者同时也谈到这样的系统，受PMD影响也较为严重。
    而日本KDDI公司的研究者则探讨了单通道100Gb/s的DQPSK信号（没有使用时分复用）在以太网工作的可行性。先对2km的工作距离做了测试，主要讨论了误码率、色散、接收灵敏度等特性，系统工作情况良好。接着在增加传输距离测试后，作者认为单通道100Gb/s的DQPSK信号有希望在50km的以太网中的得到良好运用。
    2．慢光
    所谓慢光就是通过特定的物理机制让光的群速度降低，达到放慢的效果，慢光的实现可让光存储相关的所有应用得到技术突破。慢光近些年有许多研究成果被人们关注，然而这些技术一方面使用器件成本较高，一方面只针对很窄的波长范围，因此在光通讯领域受到的关注不大。然而就在05年，有两个独立的研究组几乎同时报导了自己的研究成果，他们利用光纤中受激布里渊散射（SBS）产生的共振峰来降低光纤介质的群折射率，进而放慢光的传输。这是第一次利用光通讯商用元器件实现的慢光效应，因此受到广泛关注，于是乎慢光就成了去年OFC颇受关注的一个技术问题。
    首先Southampton大学的研究者使用一段2米长的掺氧化铋的高非线性光纤（Bi-HNLF），利用布里渊放大效应来实现慢光传输，可以将光在光纤中的传输速度降低到29,000km/s，这是光纤中实现慢光效应的最新记录。此外作者对布里渊放大的泵浦光功率也仅400mW，也是相当低的；此外Southern California大学的研究者则致力于提高利用SBS实现慢光的谱宽。这是一个很有意义的工作，因为SBS共振的谱宽非常窄，通常只有几十MHz左右。这对光通讯几乎没有太大的实用价值。这里作者采用的思路是展宽泵浦光的谱宽，进而提高Stokes放大的谱宽，最终提高慢光的谱宽。作者证明如果将Stokes放大的谱宽恰好调节到布里渊频移的1.3倍左右的时候，Stokes和Anti-Stokes放大的谱宽将发生部分重叠，此时可以实现最佳的慢光谱宽。作者测试证明采用其建议的方法可以将光纤中的发生慢光效应的谱宽从30MHz提高到12GHz左右。
三、长距离传输系统
    对长距离传输系统，在去年的OFC上有许多实测系统的报导，归纳一下可以看出其代表了最近最受关注的几项技术（40Gb/s系统的商用推广、100Gb/s的以太网接入以及OCDMA技术）。现各举一最有代表性的例子予以说明。
    1．40Gb/s系统：
    从10Gb/s到40Gb/s的系统跨越，一直是最近几年OFC的焦点。从目前走向来看，40Gb/s的系统在标准制定和关键技术上都日趋成熟，走向大规模商业化只是时日问题。尽管最近几个月一些系统运营商已经接到订单把某些区域的骨干网提升为40Gb/s的系统，但从大的走向来看，40Gb/s系统的推广仍处在现场测试和试验阶段，以探讨从目前10Gb/s的系统直接升级为40Gb/s系统的可行性。这方面的工作国内外都在开展。例如，国内教育科技网在05年就从北京到天津间就40Gb/s系统工作情况做了测试。
去年OFC上Verizon、Mintera、Xtera三家公司对40Gb/s系统工作距离为2560km/3040km的现场试验则创造了最新的距离记录。作者在现有10Gb/s系统中，通过WDM，同时传输了68路10Gb/s的NRZ信号和40Gb/s的CS-RZ和RZ-DPSK信号各一路。为了让原有的ULH系统支持现在加入的40Gb/s信号，作者在3040km的传输距离内，并没有对网络构成做任何改变的前提下，通过长达三周的现场测试，证实了两种格式的40Gb/s信号都能维持稳定传输。需要指出的是这里作者采用的是Raman放大，以便提供最大化的放大带宽和动态增益补偿。
    2. 100Gb/s以太网：
    Bell实验室的研究者也对100Gb/s以太网的工作模式给予了很高的评价，认为非常有应用潜力，并在去年的OFC上对其100Gb/s以太网的实测结果做了报导。作者的实测系统通过电子时分复用，实现了107Gb/s的单通道NRZ信号发射，再结合WDM技术，复用10个波长通道，其光谱利用率为0.7-b/s/Hz。鉴于光调制带宽较低的现状，作者采用单片集成的光均衡器来对调制信号进行实时补偿。作者先后对长度为400km的直线网络系统，和总长度为1000km的回路系统做了测试。从眼图上看，这样的工作距离仍维持了一定大小的眼开，但也基本接近了传输极限。
    3．OCDMA:
    OCDMA系统受到的关注在以往的评析中多次谈到，这里就不多说了。本期California大学的研究者对基于谱-相位编码的OCDMA系统做了实测。作者的系统能支持32个用户实现10Gb/s的网络接入，实现方法是靠共享OCDMA的8段扩展码。OCDMA实用的难点在于信号受相干拍频噪声影响严重，作者在测试后证明使用前向纠错系统能够很好的抑制信号和多址干扰间的拍频噪声。此外作者也证明采用某些特殊的编码方式也有利于降低误码率，例如使用Reed-Solomon码、turbo码、LDPC码等。最后作者也谈到OCDMA系统还可以结合时分复用、偏振复用、波分复用等方式实现信息容量的进一步扩容。