07年09月PTL光通讯论文评析

10/1/2007,作者浙江大学 宋军博士
光网络与系统： 
性能损伤： 
    对光网络里色散（CD）和偏振相关色散（PMD）进行补偿，按已有的报导主要依赖三类技术：采用特别的信号调制格式增加信号对CD和PMD损伤的抵御力；采用电子色散补偿，对发射端或探测后的电信号作数字信号处理，以补偿损伤对信号的破坏；采用光学均衡系统补偿信号损伤。本期有篇来自意大利的研究论文对这些方法进行了系统的比较，对合理选择色散补偿方案，具有较强参考价值。首先作者研究了不同调制格式对信号损伤的容忍度贡献，作者暗示由于DQPSK调制格式带宽窄，符号时间长，因此对CD和PMD都有很好的抵御力，而强度－相位混合漂移键控码（CAPS），由于其谱型紧凑，因此具有和DQPSK相当的CD公差，但对PMD的抵御力则明显低于DQPSK格式。知道这些对合理选择信号调制是很有帮助的，比如一个光网络系统，如果CD是最主要的信号损伤来源，那么应优先选择CAPS调制格式，因为其与DQPSK格式具有相当的CD公差，但却明显比后者操作简单，更有利于降低系统成本。此外作者证明RZ格式由于脉冲短，因此更有利于增强对PMD损伤的抵御力。这样对PMD损伤较强的系统，应优先选择RZ-DQPSK调制格式。而对电子色散补偿，作者以采用最大似然估计（MLSD）算法为例，对采用不同的采样精度（即采用不同阶数的格状图）下对色散补偿的效果做了分析。证明格状图的阶数选取依赖于通道内存的大小，当PMD占主要地位时，采用四阶格状图足够进行补偿，而当CD占主导地位时，则需要更高阶的格状图。最后作者对采用光学均衡系统来补偿色散做了研究，这里的光学补偿就是通过保偏光纤、偏振控制器和一些PLC器件进行级联构成的。当使用单阶补偿时，其效果相当于一个一阶的PMD补偿器，且将对二阶PMD的公差提高了两倍，但对CD公差并没有改进。随着使用均衡器阶数的增加，系统对CD和PMD的公差都会得到明显改善，事实上从性能上说采用光学均衡能实现完美的色散补偿，但其代价是高昂的器件成本和复杂的控制系统。这也是最近电子色散补偿广受关注的根本原因。

    日本Oki Electric Industry Co. Ltd.的研究者则对OCDMA系统的色散补偿方法做了研究。这里作者采用的是基于时间展宽/波长跳变（TS-WH）的编解码方式。作者指出色散对系统的影响主要来自两方面，一方面会导致码片间的时间间隔漂移，另一方面可能导致码片脉宽展宽。通常采用色散补偿光纤和啁啾光纤光栅都可以消除这两个不利因素。但作者指出对OCDMA系统这些色散补偿方式并不合适，因为它们或者成本高或者可能带来较大插损。因此作者这里建议可以分别对两个不利因素进行补偿。首先为了消除码片时间间隔的漂移，作者在探测端使用分段的光纤光栅来转换时间延时的位置实现色散补偿。显然这是一种色散后补偿方案。采用这种方式作者可以实现40km无色散补偿OCDMA传输。但随着传输距离进步增加，作者指出由于脉宽展宽对眼图质量的恶化开始占主导地位。因此作者再基于光纤光栅，添加了一个色散斜率补偿器，来形成负的色散斜率以便对展宽的脉冲进行压缩。作者认为这样的色散斜率补偿器具有价格低、损耗低以及结构紧凑等多方面优势，因此很有推广潜力。在分别对两个不利因素做了补偿后，作者实验实现了10Gb/s，80km的稳定OCDMA传输。

    葡萄牙的研究者对40Gb/s的高速系统色散补偿做了研究，作者首先采用对色散具有较高公差的光学单边带调制（OSSB）信号格式，之后在色散端使用了可调的电子色散补偿器（AEDC）做动态色散补偿。为了增加对群速度色散（GVD）的补偿范围，作者在AEDC后额外使用了两段色散微条形传输线（DMTL），以对OSSB系统一定量的累积GVD做后补偿。通过测试作者证明这样的补偿系统能够对374ps/nm的GVD做动态补偿，而对差分群时延（DGD）也具有18ps的补偿能力，整个补偿系统对光信噪比的恶化不超过1.3dB。

光互联与光交换： 
   希腊的研究者设计制作了全光时隙交换机，它能成功应用于光分组交换（OPS）系统中，完成对数据包的可编程再排序工作，即满足动态可重构光交换功能需求。作者设计的时隙交换机实际上是一系列可调延时平台的级联。每个延时平台是由波长选择性转换器和具有前向反馈功能的延时线两部分构成。其中可调波长转换器是由单片集成的半导体光放大器和MZ干涉仪构成，延时线部分先对数据包时域解复用，每个数据包经过特定的光纤绕圈后再重新复用。事实上一个单阶的可调延时平台就可以完成对多个同时到达数据包的排队调度工作，而这里作者之所以使用多阶延时平台级联，主要是打算用系统的空间复杂性换取适当的频谱利用率。举个例子，如果同时需要处理49个数据包，当只使用一阶延时平台时，完成整个排队调度进程至少需要有97个可利用波长，而当使用三阶延时级联时，仅使用13个波长就可以完成整个调度进程，进一步，当采用五阶级联时，则只需要使用7个波长。显然综合谱效率和系统复杂性两个考虑因素后，可以认为对最大可处理49个数据包的系统，采用三阶可编程延时平台级联效果最理想。以这个三阶级联的时隙交换机为例，作者对10Gb/sNRZ数据包的调度做了测试，性能良好，产生的额外功耗大约为1.8dB。

   美国Georgia理工的研究者采用光载波抑制与分离（OCSS）技术生成了具有1bit/Hz/s高谱效率的光数据包信号，适合运用于100Gb/s的光标签交换网里。尽管100Gb/s的系统时有报导，但实验实现在分组交换系统里这还是第一次。其过程大致如下：作者首先使用一个20GHz正弦射频信号驱动的双臂铌酸锂强度调制器和一个光学interleaver来实现OCSS操作，产生波长分别为1546.36和1546.04nm的两个波，分别用于调制标签和有效载荷信息。对标签这路直接使用一强度调制器生成3.125Gb/s的标签信号，而另一路则先使用在50GHzRF信号驱动下的强度调制器转换为RZ信号后，先后通过另一个强度调制器和一相位调制器，生成12.5Gb/s的伪随机二进制序列信号，最后再通过复用器，生成100Gb/s的RZ-DQPSK格式信号以传输有效载荷信息，之后该路信号通过一个边带滤波器，其中心波长偏离ITU-T标准波长0.2nm左右，使用这个滤波器起到对有效载荷的限谱作用，以避免其和标签谱的重叠。最后标签信息和有效载荷再通过一个3dB耦合器混合在一起，最后信号再使用中心波长严格符合ITU-T 标准的interleaver，以确保数据包仅占据100GHz带宽。整个信号发生系统，标签信号大约具有2.5dB的额外功耗，有效载荷信号则具有2.9dB的额外功耗。

   Arizona大学的研究者使用1×2的微环形共振器为基本单元构造了横纵两个方向的可控开关面阵，适合可重构光交叉互联应用。对单个环形共振器单元，通过是否加电压来改变共振条件，让光可控的选择两个输出端口中的一个。作者将这样的单元做扩展，横纵方向使用等数目的开关，构成面阵，这样有利于在交叉互联中实现无阻塞路由。作者的芯片基于SOI集成技术制作，具有波长选择快速、功耗小、结构紧凑和容易采用标准CMOS技术制作等优势。

   二、光电器件：

有源器件： 
    半导体材料相对铌酸锂具有低得多的电光系数，但却具有折射率大、光波段色散小、易于灵活制作各种结构等优势。因此本期California大学的研究者采用GaAs-AlGaAs材料制作了电光调制器，为了克服电光系数低从而需要较大外加电压的不利因素，作者采用了衬底剥离技术，这样可以在半导体层上下同时加金属电极，进而实现了35GHz带宽，5V-cm低驱动电压的高品质电光调制器；台湾清华大学的研究者制作了焦距可调的聚合物微透镜，通过外加电极注入电流的改变，用不同的焦耳热给透镜加温，以便让透镜在相应温度下产生适当的形变，进而改变焦距。实验中作者将注入电流在0-30mA的范围内改变时，可以将微透镜焦距从1590μm变化到44μm。

无源器件： 
    荷兰的研究者基于InGaAsP–InP材料制作了具有偏振分束、转换多功能的集成器件。其设计结构基于两个多模干涉器（MMI）构成MZ干涉仪结构，在干涉仪的两臂上各使用一个偏振转换器。测量显式作者的器件能够实现高于95%的分束比；NTT的研究者将阵列波导光栅（AWG）的部分输入输出端口用波导连接，形成回路结构，通过连接节点的改变，作者证明可以变化波分复用器的传输容量。