08年08月PTL光通讯论文评析

 一、信号调制技术：
    差分相移键控（DPSK）由于是对相位进行调制的信号格式，因此对40Gb/s以上的高速调制，在保持常数强度包络的同时，能够有效抑制非线性损伤对信号的影响。但该调制格式以0和π的相位变化来表征数值信号“0”和“1”的差异，因此仍是一种典型的二进制调制，信号的频谱效率仍不高。如要将DPSK的频谱效率提高，可以有两种方案，一是与偏振复用结合，二是进行双二进制的DQPSK进化，依靠两种方法，都可以将频谱效率翻倍，让每symbol承载2字节信息。相比之下DQPSK更有竞争力，因为多进制调制比二进制调制具有更窄的信号频谱，要知道信号的色散损伤与谱宽的平方成正比，因此多进制调制的DQPSK能大幅度提高DPSK对色散、PMD以及非线性的公差。此外，偏振复用系统对偏振敏感，受PMD变化影响也较大。当然，如果能将偏振复用与DQPSK相结合，那将获得最高的频谱效率，在一个symbol承载4字节的信息。
    近几期的PTL和JLT频繁的出现偏振复用和DQPSK的研究，因此我在上面简要总结了一下相关技术背景。本期关于信号调制格式的研究，也不外乎围绕这些主题展开。
   本期意大利研究者就相干偏振复用的DQPSK系统检测做了研究。相干探测相比直接探测复杂很多，但该方法却特别适合具有偏振复用的DQPSK解调应用，因为可以有效利用相干探测高光学增益以及能够对相位探测的特性，对该调制格式做高灵敏的探测解调。并且在对相位检测后，将光信号转换为电信号后，可以直接经过数字信号处理DSP模块进行对信号的电子偏振解复用，因此大大简化了系统，且可以结合使用电子色散补偿来抑制偏振模式色散的影响，降低了系统光学要求。因此偏振复用＋DQPSK＋相干检测是40Gb/s以上系统最佳组合方案。本期作者对25Gb/sDPSK先后经过偏振复用＋DQPSK进化后，得到了100Gb/s的信号，之后作者对信号的相干解调进行了研究测试。作者使用四个单边光电二极管进行检测，而依靠电子信号处理来消除信号损伤，比起通常相干探测方案在获得相当性能前提下，具有低成本优势。
      Bell实验室研究者对40Gb/s相干偏振复用QPSK与10Gb/sNRZ混合传输系统的非线性公差做了研究。作者对不同的系统做了比较。首先对20Gb/sQPSK信号和40Gb/s偏振复用的QPSK信号做了比较，证明由于偏振复用会让QPSK信号Q2因子下降2dBm左右；对1600km的系统，单波长偏振复用QPSK信号，受非线性影响变化不大，但在结合了波分复用后，系统非线性公差会随着输入功率增大快速下降；使用了40Gb/s偏振复用QPSK和10Gb/sNRZ信号的混合系统，Q2因子相比单纯使用40Gb/s偏振复用QPSK信号时会下降4dBm左右。
     加拿大研究者则对20Gb/s的DQPSK调制和探测做了实验研究。通常要实现DQPSK格式调制，需要经过预编码和编码转换两个步骤，这里作者在编码步骤上，使用的是一个双驱动的Mach–Zehnder干涉仪。信号解调时，先经过一个0.25nm的带通滤波器，再使用延时干涉仪完成对相位信号的解调。作者的系统接收灵敏度为32.25dBm左右，这是一个比较高的数值。
     除了DQPSK，光正交频分复用（OFDM）是另一个能对色散、非线性损伤起到良好抑制作用的信号调制格式。澳大利亚研究者本期报导了其相干OFDM系统的研究结果，作者建议的系统能够根据用户要求动态调节信号传输的比特率，同时能够通过对负载功率的优化调节来改进系统性能。
二、电子色散补偿
    对中长接入距离的光接入传输系统，光纤色散是引起信号展宽，导致误码的最根本原因，因此对光接入系统，补偿色散是最重要的环节之一。对色散补偿又分光学补偿和电子补偿两类。光学补偿是采用光学方法对信号色散进行补偿，常见的元件有声光光学元件、可调光纤光栅、色散补偿光纤、液晶等。光学方法补偿彻底，可调范围大，经常能实现正负1500ps/nm的色散补偿，但是光学色散补偿方法价格昂贵。电子色散补偿是近些年来最受关注的光通讯技术之一，因为它有效，且相比光学方法要廉价很多，因此非常适合下一代PON商用推广应用。
     本期一篇北京大学的研究立足通过电子色散补偿来消除偏振复用系统由于对偏振模式色散（PMD）敏感带来的信号质量恶化。前面提到对偏振复用系统，采用相干探测可以有效消除非线性、PMD损伤。这里作者采用更为简单的直接探测方式（有利于降低应用成本），而采用电子色散补偿来提高系统PMD公差。作者认为偏振复用系统，PMD不仅引起了码间扭曲，而且会导致带间串扰，因此仅对单个通道PMD补偿不够，必须兼顾相邻通道的影响。因此，作者采用了反馈判决均衡和Viterbi均衡的联合色散均衡方案，证明可以在直接探测下，非常有效的用于对偏振复用的OOK和DPSK等多种调制格式信号进行PMD补偿。
     电子色散补偿主要有前向反馈补偿和后向补偿两种。目前较多使用的是接收端的后向补偿，特别是基于最大似然估计（MLSE）算法的DSP芯片，直接与接受器集成，在接受器将光信号转换为电信号后，通过使用MLSE算法的芯片做数字信号处理，补偿色散以及非线性的影响。本期Corning公司研究者使用MLSE电子色散补偿接受器，对由于系统中半导体光放大器（SOA）使用造成的非线性影响应对能力做了研究。SOA中能产生包括交叉增益调制、自增益调制、四波混频在内的多种非线性效应，比较复杂。作者证明对NRZ格式信号，使用MLSE接受器能降低传输信噪比要求5dB左右，而对光学双二进制调制，也能降低信噪比要求2dB左右。
三、光放大器与相关系统：
    光放大器是很重要的光有源器件，如果接入距离超过60km，通常都需要使用光放大器来做中继，以维持低误码传输。常用的光放大器有掺杂光纤放大器、SOA和Raman放大器三种，就性能来说三种互有优劣，其中SOA综合性价比最高，但其噪声谱特性较差，伴随放大常具有恶化的噪声响应特性。本期日本富士通公司的研究者通过在SOA有源区使用GaInNAs–GaInAs多量子阱结构有效降低了伴随波长增益峰而来的噪声恶化。同时器件能够实现1510到1600nm波长范围，达90nm的大带宽放大，增益斜率也小于1.2dB，此外器件还具有偏振不敏感的优势。
     加州大学的研究者应用一个泵浦的参量放大器实现了波分复用多波长信号的组播功能。其组播原理是使用连续光做泵浦，采用调制信号的光做种子，利用泵浦光和信号光间的连续参量交互（如四波混频）作用，实现种子信号光对连续泵浦波长的信号复制。作者实验系统的非线性媒介是一段高非线性光纤，为了产生足够的非线性效应，泵浦光先后经过两阶EDFA放大，具有了足够的功率。作者经过实验证实，可以通过该系统实现10Gb/sNRZ信号，1-40个通道的组播操作。其功耗仅0.5dB，注意通常组播是经过分束器实现的，但功耗会非常大，作者建议系统除了适合波分复用系统组播外，最大的优势就是功耗很低。
四、激光器：
    IBM研究者基于SOI芯片混合集成了四个InP的微盘激光器，因此能在微盘自由光谱范围内实现四个波长峰发射的多波长激光器。器件导光部分是SOI波导，目的是以较大光截面增大耦合效率。但器件四个微盘在相同驱动电流下，四个输出峰功率变化却高达8dB的变化。当然通过使用不同驱动电流，可以让四个峰值趋于相同。作者建议也可以通过改变微盘厚度来实现这一目标。此外，本期剑桥大学的研究者也做了相似器件，只不过其无源波导是SiN波导，有源部分采用的是微共振环，而不是前面的微盘。
    Cornell大学研究者制作了1.55μm波长，基于InP/InGaAsP材料的基频、分频谐波混合锁模激光器，其输出功率达到220mW；日立公司的研究者在短腔分布Bragg反馈（DBR）激光器里，通过在有源DBR结构里掺入n型单量子阱，靠在低DBR注入电流下，快速调节增益变化，能够让激光器具有6.4nm的波长连续调节能力。这样的激光器可以用于光交换网络中。
五、光探测器：
    新加坡研究者基于SOI芯片，使用简单的低温CMOS工艺制作了Schottky阻碍的金属－半导体－金属（MSM）光电探测器。作者的器件相比同类器件，删除了重掺杂和厚氧化物欧姆接触层两个工艺步骤，因此更加简单，降低了器件成本。并且由于使用了MSM，探测器灵敏度更加高，具有大的波长响应带宽，非常适合宽带高速光通讯应用。经过测试，器件在-3V偏压下，具有7GHz的3dB带宽，在-1V偏压下，具有约19mA/W的响应度。