08年01月PTL光通讯相关论文评析

一．网络与系统：
    每年第一期PTL论文数量相比往常都会少很多，本期也一样，所以可圈可点的好文章并不太多。光网络方面主要有两篇关于WDM-PON的文章，两项研究侧重点有所不同。
    第一篇来自台湾交通大学，作者基于WDM-PON进行实验，上下载信号均使用DPSK调制格式，在无色散补偿下实现了20km的传送。而整个工作的新颖点在于其信号上载部分。和现在热门的研究一样，作者在实现“无色”传输的基础上，进一步采用对下载信号波长的再利用，以降低系统成本。所不同的是这里作者具体的波长再利用方案相比以往有了改善，避免了对下载信号消光比的要求。先来看下作者的整个系统构成和工作过程。信号下行发射是通过对DFB激光器1548nm波长的连续光进行预编码产生非归零（NRZ）数据后，再使用基于铌酸锂的相位调制器做调制，获得10Gb/s的DPSK信号。信号20km的传输分两段，后10km是普通下行光纤，而前10km采用双反馈架构，以减少瑞利散射对前端接收器（Rx）的影响。信号在进入ONU后，首先经过一个光环路器分为两部分，一路会有10%功率的下载信号先经过可调衰减器（VOA）进行增益均衡，再经过EDFA做预放，最后再经过一个延时干涉仪对DPSK信号进行解调。而另一路拥有约90%功率的下载光用于波长再利用，以再调制上载信号进行传输。再调制单元也在一个相位调制器上完成，而整个操作实质上是在待上载信号Dup与原下载信号Ddown之间做了一个“异或”（⊕）的逻辑门操作。利用Ddown⊕Ddown＝0，而0⊕Dup＝Dup的原理，让再调制信号里只包含待上载信号的相位信息。经过测试，作者证明当原下载信号消光比为11.7dB时，再调制的上载信号仍能维持7.2-8dB的较高消光比。在这之前的再调制方案都对下载信号具有较高消光比要求，因此作者现在的结构更适合未来DWDM的应用趋势。此外整个再调制过程的功耗大约0.6dB左右，产生定时抖动误差低于20ps。整个系统正常运转要求发射功率至少达到15dBm。
    第二篇研究来自香港大学，研究的侧重点是在传统提供点对点服务的WDM-PON基础上，融入了对下载信号的组播服务。在光发射部分，作者先使用一个商用与非门产生一个反转归零（IRZ）形状的波形，用它来驱动一个光强度调制器就产生了一路IRZ格式的信号，这些强度调制信号用于提供点对点传输服务。再将来自各收发模块的下载信息经过AWG波分复用，复用信号经过EDFA放大后，一起通过相位调制器，该相位调制器由预编码的待组播数字信号做驱动。这样待组播信号就可以以DPSK格式也被调制在点对点下行信号上。这样，就在同一个WDM-PON里，同时实现了点对点和组播两种服务。在这个基础上作者又进一步做了改进，如果将下行信号中，点对点传输信号先后经过一个与非门，和一个直接驱动的强度调制器，则点对点信号将以NRZ格式传输。然后类似前面的过程，也可以将待组播的信号以DPSK格式也调制在NRZ信号上。但对这种NRZ强度调制基础上的DPSK信号，在ONU，如果NRZ信号的消光比太大（高于4.7dB），则无法通过延时干涉仪对强度组播信号做正确相位解调。利用这个原理，作者在每个光收发模块上加了一个额外的电子模块，通过OLT上对每个收发模块进行电子控制，可以有选择的改变各NRZ信号的消光比，进而只让有需要的ONU能接收到较低消光比（低于4.7dB）NRZ信号，这样才能对其组播的DPSK信号作正确解调。在实用角度，也就是说通过对OLT每个收发模块电子控制，可以只对订阅服务的目标用户实现组播。
    光梳状发生器有许多应用，如任意波前发生、OCDMA系统的谱相位编码等。对这些应用，要求梳状信号发生器具有等间隔、光频稳定以及增益平坦等性能。利用光学方法实现梳状发生的渠道有很多，目前较受关注的一种是对连续光进行外部调制。本期Central Florida大学的研究者就采用了这种思路生成了超平坦的梳状信号。作者对连续光的外部调制是通过一个相位调制器实现的，利用两个正弦波来驱动该相位调制器，且两个驱动信号强度和频率都不同，通过对驱动信号进行优化选择，能够实现不同间隔和梳线数目。当梳线条数由9－11变换时，实验获得的梳状信号增益变换好于0.8－2dB。
    美国AZNA-FINISAR公司的研究者设计制作了专用于WDM应用的可调光发射模块。整个模块被封装在一个蝴蝶结型盒子内。该可调激光器能够在C波段实现30nm带宽内10.7 Gb/s的可调发射。作者实验证明使用该可调激光发射模块能够在无任何色散补偿的情况下实现200km的传输。当使用电子色散补偿模块后，传输距离还可以扩展到300km。来简单看一下作者设计发射模块的结构：首先10Gb/s的高速数据通过一根共面波导连接至一1×8的RF光开关（Hittite HMC323）。开关的八个输出通过微条线与八个DFB激光器阵列相连。每个DFB激光器是400微米长的掩埋型异质结激光器，且具有相位漂移光栅结构。通过光栅部分的热调节实现波长选择。DFB阵列的输出在电控MEMs转镜控制下，经过一共焦透镜聚焦，再经分束器，有5%能量用于功率控制，95%用于输出。这部分输出能量经过一个隔离器后，再连接一个分束器，一部分能量与跟踪探测器相连，用于波长锁定，另一部分能量经过光谱再成形滤波器后，经过透镜聚焦，耦合进入尾纤输出。
二．光有源器件：
   在半导体激光器中，量子点和量子阱激光器都是近年来广受关注的类型。相比之下两者互有优劣，量子点激光器温度稳定性比量子阱好，但增益水平不如量子阱激光器高。本期有两篇关于量子阱激光器的研究，都是面向WDM应用。但一个是实现多波长发射，另一个是实现波长可调输出。加拿大研究者在1.6微米波段实现了0.8nm间隔的24个波长发射。全部波长最大功率变化为8dB。比起通常的量子点激光器，作者的器件具有高信噪比特性，在采用了InAs-InGaAsP量子点结构后，其信噪比可以高达62dB。作者的激光器有源层由五层InAs量子点组成，以27nm为周期，以InGaAsP做缓冲层；另一项研究来自英国研究者，作者以InP为基底，制作了三段结构的可调分布Bragg反射激光器，能在1550nm波段实现8nm范围的可调发射，最大输出功率为20mW。其三段结构包括：500微米长的增益区域，100微米长的相位结构和700微米长的Bragg反射区。而有源区域是使用了六层8nm厚的嵌入在量子阱区域的InAs量子点结构。
    半导体环形激光器（SRL）因具有良好的自激双稳态特性，而在全光交换、光逻辑运算以及光信号处理等领域得到广泛应用。衡量SRL性能的最关键指标之一就是器件的尺寸，受到光子生命周期的限制，只有将该器件尺寸降到几十微米以下，才能达到皮秒量级的交换时间。本期英国的研究者设计制作了1.55微米波段的SRL器件。该器件采用两个新颖的抛物线型内反射镜构成激光腔，两反射镜被两个锯齿形脊形波导相连，构成封闭结构。该封闭结构可以等效为一个半径仅16微米的环，能够实现室温140微瓦的连续波发射，域值电流22mA。
    丹麦的研究者在980nm商用VCSEL激光器的基础上做了改进，在顶部DBR结构上加了亚波长光栅镜结构，两者以一层薄薄的氧化层相隔。该亚波长光栅实质上可以等效为一个大有效折射率材料，因此与有源层本身形成大折射率差，起到强限制作用，抑制了高阶横模，进而改善了器件的单模输出功率。而这一层薄氧化层则具有改善机械稳定性，以及进一步改善单模特性等用处。
三．光无源器件：
    在AWG设计里，通道平坦化和通道均匀性都是很重要的性能指标。实现接近矩形的平坦频谱响应，比起通常的高斯频谱响应，能有效降低波长漂移对探测的影响，从而不需要温度稳定元件，降低了系统要求。而在解复用的同时实现较好的通道均匀性也可以避免额外使用可调光衰减器，进一步降低成本。本期台湾大学的研究者在AWG每个输出波导前都使用了一个多模干涉区域和一个渐变锥形波导区域。通过两个额外波导结构的使用，能同时改善通道均匀性和频谱平坦性。最终设计的器件1dB带宽比通常器件大了44%，而20nm内的通道非均匀度也低于1dB。
   单纤三向器件（Triplexer）是FTTH的核心器件之一。最常用的Triplexer是采用1550nm波长下行传输模拟信号，采用1490nm窗口传输下行数字信号，而采用1310nm窗口做终端用户上行使用。因此通常的Triplexer实际上就是一个粗波分复用器，将三路波长分开或合在一根光纤上传输。本期有两篇关于Triplexer的设计，其实原理大致相似，都是通过两级结构的级联，即第一次先将1310nm波长分开，第二部分再分开1550nm和1490nm波长。韩国Kwangwoon大学的研究者是通过两个Mach-Zehnder干涉器级联，而韩国Hanyang大学的研究者则是通过两个多模干涉耦合器级联，相比后者结构更加紧凑。