07年05月PTL光通讯论文评析

一、光网络与系统：
1．无源光网络（PON）
    近年来，由于视频以及HDTV等业务的高速发展，迫切需求对现有光网络系统进行升级，以提供高于100Mb/s的大容量接入。对现有系统进行升级，最佳的解决方案无外乎是在最大限度的保留现有网络结构的同时，最大限度的提升系统信息容量，简单的，可以概括为“兼容性扩容”。本期韩国高等技术研究院的研究者发表论文，旨在对现有TDM-PON提供一种“兼容性扩容”方案。作者建议系统采用1490nm的DFB激光器作为OLT端光源，而在ONT端DFB和F-P激光器则都可以使用。系统中下载数据使用1480nm-1500nm波段波长，上载则使用1260nm-1360nm波段波长。针对视频业务的扩容是采取使用不同波长带的方式来实现的。实现这个功能的核心器件是一个三端口的波长联合器（WC），该器件由两个边带滤波器和一个CWDM滤波器组成。两个边带滤波器起到波长分离的作用，可以反射长波段（大于1415nm）的波长以支持信号下载，并让短波波长（小于1360nm）被透射，以支持信号上载，需要注意的是这两个滤波器的级联使用，会使得系统在1390nm波段有个大的吸收峰，使得这附近的波长不能被使用。经过两个边带滤波器后，再使用CWDM滤波器对波长带进一步细化利用，对第一边带滤波器反射的波长，经过CWDM滤波器作用，让1480nm-1500nm波段波长再次反射作为下载信号，而这些波段的信号都被用来支持传统数据业务。而未被作用的波段，即1415nm-1470nm波段，以及波长大于1510nm的波段，都可以被作为扩容波段，以传输视频业务。在整个波段使用WC器件的最大插损为1dB左右。
    此外韩国三星的研究者认为，在PON里传输有线电视信号，对性能影响最大的是受激拉曼散射（SRS）带来的串扰。之后作者证明通过在发射端加入一个偏振扰频器可以让信号在光纤中传输变得偏振无关，进而抑制SRS带来的信号串扰大约9dB左右。
2．光交换
    对全光交换网络，公认的最佳光交换方案是光突发模式交换（OBS）和光分组交换（OPS）。关于这两种交换模式，经过这几年的技术发展，都有了较成熟的技术方案。近期的研究主要围绕在让交换更灵活，更人性化上。本期东京大学的研究者，基于OBS的交换模式，旨在让系统实现比特率无关，即可让不同比特率的混合突发信号，同时完成交换操作。和通常的交换系统一样，作者的实验系统包括光开关面阵和波长转换器两个部分。对光开关，作者采用的是5×5的PLZT（一种Zr、Ti酸盐晶体）开关面阵，基于这种材料的开关，可实现微秒量级的交换速度，开关面阵被基于电控可编程的门限阵列控制。而波长转换单元仍使用基于MZ干涉仪结构的半导体光放大器，该放大器被优化设计，以便对40Gb/s信号具有较高的增益恢复速度。入射的突发信号首先进入由色散漂移光纤组成的光纤延时线，然后读取标签信息再安排信号路由。作者的实验系统里，在1527.7nm波长调制10Gb/s信号，在1550.9nm波长调制40Gb/s信号，以作为交换系统的混合比特率输入信号做测试。结果显示，作者的系统能在3.5μs内完成一次交换，对10Gb/s和40Gb/s信号完成一次交换的插损分别为1dB和5dB左右。
    此外，法国研究者面向OPS应用，基于SOA中的XPM效应，制作了3×8的全光解码器。可实现消光比在7.9-12dB的信号解码；意大利的研究者则对使用DPSK格式信号的OPS应用制作了全光异步的串行－并行转换器，其优势是仅使用了两个光开关，结构很简单。
3．光纤射频（RoF）系统
    RoF作为微波和光纤通讯技术的结合，充分利用了两者的优势，对实现现有系统扩容，为未来全光通讯做技术铺垫都有重要意义。随着较密集的研究被开展，近几年RoF已经从实验室走向了市场。目前对这方面的研究主要集中于提高系统性能（如增加传输距离，提高网络灵活性）和提高系统性价比两个方面。就提高系统性价比而言，目前较受关注的是波长再利用技术，对下载信号解调后直接在载波上调制上载信号，以降低系统成本。而对前者，本期NEC的研究者建议了一种全双工的RoF系统方案。首先在CW光载波上通过使用偏振调制器实现DPSK格式的信号调制。接着使用光载波抑制（OCS）技术生成40GHz的毫米波信号，并升频转换为2.5Gb/s的下行信号。在基站，使用偏振分束器将信号分为两部分，一路作为下载信号被MZ干涉仪解调后由高速PD探测，另一路则做上载应用，被强度调制On-Off格式的强度上载信号后发射回中央工作站，对上载OOK信号则可使用较便宜的低频接收器做探测，以降低成本。作者建议的双线双工RoF系统工作40km后对上下载信号，功耗均低于2dB。
4．调制格式
    依靠选择合适的调制格式，可以有效提高光通讯系统的频谱利用率。当然最受关注的方法是采用正交相位漂移键控，或采用PSK和ASK结合的方式来提高谱效率。本期日本Tohoku大学的研究者认为正交幅度调制(QAM)也是对提高光通讯系统频谱利用效率非常有用的调制格式。所谓的QAM就是在同一光频上同时进行正交调幅和相位键控的调制方法，该方法既可以用于下行，也可以用于上行。如果每路载波的幅度有n个不同幅度，则QAM信号的星座图上有2n个状态点。靠增加n，可以提高光谱效率，这里作者采用的是26 QAM格式、速率1Gb/s的调制，并让信号实现相干发射，发射端光源为线宽4kHz的C2H2稳频光纤激光器。传输150km后，在接收端作者采用光锁相环技术来实现对相干信号的外差探测。系统可以实现3Bit/s/Hz的光谱利用效率。但需要指出的是，这个数字并不真实。因为这里作者仅是在2GHz带宽内实现了6Gb/s的发射，如结合WDM技术，考虑到相邻波长的带间串扰影响，实际可以实现的光谱利用率显然会降低。
5．子系统
    香港理工大学的研究者研制了一个10GHz的全光时钟恢复系统。系统由一个掺铒光纤激光器、一线性光放大器（LOA）、一掺铒光纤放大器（EDFA）和一个电吸收调制器(EAM)组成。其中LOA和EDFA都对注入信号进行放大，而LOA有助于改进EDFA的增益平坦性。在外部信号注入后，将作为EAM的驱动信号，此时EAM起到模式锁定的作用。即让光纤激光器在外部信号驱动下获得同步和稳定的激光发射，进而恢复获得时钟信号。测试显示，当输入信号强度变化在60%以内时，都可以获得较为稳定的时钟输出，时钟信号功率可稳定在200mW左右，脉宽6ps。系统也具有良好的波长独立性，在整个C波段都显示了稳定的性能。
此外，California大学的研究者基于采样锁相环设计了相干解调器。靠使用采样，可以将高频射频信号下行频移到基带信号频率范围，方便了解调。但作者并没有对设计系统进行进一步实验验证。
二、有源器件
1．光源与接收器：
    爱尔兰的研究者面向WDM-PON上载信号应用，制作了多波长发射的F-P激光器。基于F-P腔的多波长激光器以前已有很多相关研究，面向WDM应用，当使用频带间隔较小时，需要的注入功率通常都较高，一般在-6到-14dBm之间。这里作者在腔尾部加入一些狭缝以对谐振过程形成微扰，这些狭缝位于0.39-0.82倍腔长之间，狭缝间隔37μm。通过这样的微扰可以将外部注入的光功率降低到-20dBm，器件旁瓣抑制比也可以高于25dB。作者最终制作的器件可以在1510nm-1565nm这样较大波长带宽内依靠温度变化或驱动电流改变来实现波长间隔8nm的可调发射。
    此外，西安光机所的研究者设计了室温下的双波长光纤激光器。器件的核心结构是一段采样光栅。光栅区域分两端，前一段相位由0到π采样，后一般则由π到0采样。这样整个激光器近似形成两个分离的共振腔，最终选择稳定输出两个发射波长。作者基于该原理制作了铒镱共掺的双频光纤激光器，波长间隔440pm；Michigan大学的研究者基于分子束外延和有选择性的离子束刻蚀工艺，在硅基底上单片集成了In0.5Ga0.5As–GaAs量子点激光器和In0.2Ga0.8As–GaAs量子阱电吸收调制器。这样激光器对调制器的耦合效率高于20%，在3V的偏压下调制深度也可达到45%。
接收器方面，三菱电子的研究者基于AlInAs的雪崩二极管制作了面向2.5Gb/s光通讯系统的高灵敏度接收器。
2．调制器
    中科院半导体所的研究者基于量子阱混合技术和双芯集成技术将一个浅脊形电吸收调制器和一掩埋的脊－条形双芯模斑尺寸转换器单片集成在了一起。整个器件制作使用了两阶低压金属－有机物气相外延、光刻和湿法刻蚀等工艺。最终器件对光纤插损7.5dB，在0到-3V之间的直流消光比为16dB。