JLT：2008 OFC/NFOEC核心技术专刊

（作者：深圳朗光科技　宋军）
    2/27/2009,2009年的OFC/NFOEC将于三月在San Diego, CA.召开。和往年一样，JLT在新一年OFC/NFOEC召开前夕，都会推出一个前一年度的核心技术专刊。对上一年度大会里最受瞩目的技术，以及最新提出的概念，邀请作者提供8-12页的长篇论文，更详细的将其研究介绍给读者。粗略的看一下本期专刊，可以看到08年OFC/NFOEC无源器件方面，主要围绕新型光纤和低弯曲损耗光纤开展研究，而有源方面最受关注的是适合光接入的高速光收发元件；子系统及技术层面，相干探测技术，偏振复用技术，QPSK调制格式，以及正交频分复用（OFDM）都是出现频率较高的名词；长距离传输方面，和往年没有差别，提高光谱效率和传输容量都是最为突出的主题；而光接入方面，大量研究就PON拓展应用展开研究，而最核心的是“兼容”这两个字，追求低成本、高灵活的接入实现方式成为目标；此外一些新概念如微波光子学也可作为本次专刊一个较为独立的主题。下面让我们分内容简要浏览下本次专刊：

1、相干检测技术与系统实验：
   本次专刊有许多采用相干检测系统的研究，他们都有一个共性，就是面向超大光谱效率系统，为了追求超大容量，避免系统损伤的影响，且维持较低的系统成本，相干探测是首选的技术之一。下面列举的一些结果都证明了这一点：
   首先AT&T实验室和NEC公司的一项联合研究，旨在进行高谱效率系统实验。作者实验系统采用RZ-8PSK这样的多进制相位调制格式，再结合偏振复用技术，达到了单通道114Gb/s的调制速率，再使用8个WDM通道，频带间隔为25GHZ，这样总的谱效率达到4.2 bit/s/Hz。系统实验工作距离为640km，传输过程中没有使用任何色散补偿及放大系统。所有补偿功能位于接受端。首先作者采用了单终端内差检测技术，但这样的单级相干检测系统还不足以弥补这样高谱效率下的信号扭曲，因此作者在将光信号转换为电信号后，又结合了功能强大的电子色散补偿模块，利用DSP模块的算法优化，实现了该传输距离内的无误码传输。
   另一项来自AT&T实验室的研究立足于和上面相似的系统，实验使用双偏振46Gb/s的QPSK调制格式，使用外差相干检测方式，同样终端使用DSP模块增强系统公差。但重点在于考察这样的系统对偏振模式色散（PMD）的免疫力。作者证实，随着单波长和多波长（即WDM系统）的不同工作模式，由于PMD带来的信噪比变化略有不同，但总体来说，这样的系统对PMD有较大公差，例如当使用8个波长通道，传输100km后，由于大PMD产生的信噪比恶化仅约为1.2dB。
   Alcatel-Lucent的一项实验研究，同样是在追求大容量、长距离传输的数字记录。同样作者采用了偏振复用的QPSK调制格式，单通道速率100Gb/s，以50GHz为频带间隔，同时使用了C段和L段全部可利用波长，这样达到了16.4Tb/s的总传输容量，系统工作距离更高达2550km。这样的超大容量系统，采用相干探测也是必然的选择。作者的相干检测系统含有两个关键部件，一个是相干混频器，用于将滤波后的待检测波长信号经过本地振荡的连续激光混频，混频器有四个输出端口，靠偏振调节来产生不同强度的衰减来实现多进制检测；另一个主要部件是平衡线性光电接收器，该器件的使用实际上方便了后面衍生的电子数字信号处理功能。
   专刊里东京大学的研究者更明确定义了相干检测系统的功能。认为光通信里的相干检测实际上就是集成了相位漂移的零差接收器和DSP数字信号处理这样双重功能的系统模块，非常适合用于对高谱效率、多进制调制的信号进行解调。DSP模块有许多灵活性优势，靠算法优化也拥有强大功能。但显然，和任何电子系统一样，存在速率瓶颈，特别当需要模数转换的时候，直接影响可探测的单通道速率。作者在实验接受系统里，探测信号经分束器分为两束，两束间有π/2的延时，再分别与一个本地振荡激光混频。进而更容易恢复出相位信息，并适用于多进制解调。其实，使用本地振荡混频，上面阿朗的研究也有类似概念。只不过这里作者阐述的更详细，再通过优化DSP模块功能，作者能实现对640Gb/s的超高速调制信号解调。

2、全光正交频分复用（OFDM）： 
   08年的OFC中，OFDM是出现频率非常高的一个名词。在无线和有线通讯里，OFDM都是一种非常流行的信号调制方式（如WiMax, DVB-T, ADSL等），非常有利于抑制码间串扰。近些年，OFDM在光通信中的应用，也越来越被看好，这一点主要应是看重其良好的光谱效率。
   OFDM的概念很简单，但真的应用在光通信里面，还有很多细节需要考虑，要处理好这些并不容易。专刊里有篇特邀论文来自Monash大学的Armstrong教授。这位女教授可以算作OFDM领域最富盛名的专家了。作者详细阐述了OFDM应用于光通信的许多细节问题，包括概念、算法、收发端设计、优缺点等。一些比较有益的观点包括：在每个OFDM字符中加入一个环形前缀，能帮助容易的消除带间线性扭曲；面对光通信，根据使用单模、多模光纤的差别，以及一些具体技术的不同，常需要对基本的OFDM算法做一些调整，从而发展出许多衍生格式；OFDM应用于光通信还有很多缺点，最主要表现为峰值对平均功率的比值过高，对频率漂移、相位噪声过于敏感等。
   Melbourne大学的研究者通过将几个OFDM频带复用，提出了被称为OBM-OFDM这样的衍生调制模式，该模式能用相同的快速傅里叶变换（FFT）单元，实现对几个带的处理，大大提高了光谱利用效率，使用的循环前缀也可以比较短。这样作者利用较低速的DA/AD模块，就能实现对107Gb/s这样的高速OFDM信号解调了。
   此外，诺基亚西门子网络的研究者，也提出了和前面非常相近的研究思路，通过对几个并行OFDM带的复用，有效降低了DA/AD速率和循环前缀长度。实验系统里，作者使用了四个OFDM频带复用，并结合了偏振复用技术，实现了121.9Gb/s的单通道调制速率，再以50GHz为间隔，复用了10个波长通道，实现了1000km的单模光纤传输。为了简化系统，提高公差，作者同样在探测终端结合运用了DSP模块来做数据处理和恢复。
   NEC的研究者则从网络架构的层面，探讨了OFDM在全球网络创新环境（GENI），以及未来光网络接入领域可能具有的重要应用，目标是实现带宽的虚拟化和拓扑虚拟化。例如，对PON架构，专门针对OFDM调制的特点，作者建议了如何构建VPON，以支持不同客户接入要求的一些想法。此外，作者也指出OFDM与WDM技术相结合，会具有灵活性高，可靠性强，性价比高等优势，且依靠对副载波资源的合理配置，有望大幅降低WDM的建设成本，当然这里的成本比较是相对于TDM-WDM而言。对OFDM-WDM这个概念，作者在文章里也有不错的实验结果给出。

3、3R模块： 
    每年的OFC/NFOEC大会有一大部分的研究都是面向超大容量、超高速度、超高频谱效率，以及超长传输距离而开展的。对于这些系统应用，信号的再放大、再定时和再整形（3R）模块是非常重要的子系统。在每年OFC/NFOEC中都占有较大分量。但近些年来，有突破性的想法不多，因此专刊里收录的这方面研究也不多，下面仅以一篇丹麦研究者的论文为例：作者使用有脊形波导结构的铌酸锂波导，通过周期性极化后，对信号光产生的准相位匹配效应，实现了对640Gb/s超高速信号的时钟恢复功能。这里周期性极化的铌酸锂波导形式上是一个和频器，功能上则相当于一个相位比较器，通过比较信号光和本地时钟，产生一个强度正比于两者相差的误差信号。这个误差信号再用来对信号频率进行锁环操作。作者以640Gb/s的时分复用信号做测试，在单模光纤中传输50km后，恢复出时钟，当系统动态范围为16dB时，定时抖动小于100fs。

4、光网络技术：
    在OFC/NFOEC大会中，分网络技术和光传输技术两个主要方向。这两个方向的研究走的道路完全相反，在光传输方面，前面已经提到，OFC/NFOEC在永无止境的追求大容量，长距离的数字记录；而光网络技术层面，研究者近年来则谨慎的多。多数研究致力于寻找最有实用价值的技术，即性能灵活化，成本低廉化，功能兼容化，用户多元化，简称“四化”。让我们简要看一下，本次专刊里，光网络构成的一些研究：
    首先就IP基的WDM应用，专刊里有一篇来自Melbourne大学的特邀论文，作者旨在探寻IP-WDM接入的成本以及能耗，与不断增加的容量需求间的关系。作者谈到，到目前为止，我们研究和应用的起始点还是点对点的WDM接入，路由器多借助于电子元件。而目标是实现全光的分组交换，甚至光突发模式交换，以获得光环形交换这样的复杂功能。总的来看，随着网络容量的增加，网络建设和升级的成本都在快速增加，要想提高网络运营的性价比，优化网络结构是非常重要的环节。对IP-WDM，较重要的网络优化渠道如流量疏导，通过最大化光传输系统和光通道的利用率，来最小化路由器的数量。这是提高性价比，非常有效的方式。作者也讨论了随着网络容量增长，流量疏导的系统价格变化。除了建设成本，网络功耗则是影响运营成本最主要的因素，对现在的接入，通常用户调制器是功耗的重头，显然使用PON架构，能有效降低网络能耗。在这个角度，WDM网络更具优势，即使未来使用了全光分组交换，或全光突发模式交换，网络能耗也不会有大的提升。
    专刊里有一篇来自英国BT, Ipswich，长达19页的特邀论文，详细回顾了近年来长距离无源光网络（PON）的技术趋势。作者的研究主要从目前普遍商用的EPON和GPON为起点，探寻增加接入距离的方式。对PON，通常扩展接入距离最有效的方式就是使用中继传输，例如分段的使用EDFA。这里作者强调了半导体光放大器（SOA）在扩展GPON接入距离上的重要性。原因是SOA可以很容易的实现对1310 nm（O带）和1490nm（S带）波长的光放大，且具有高增益、低噪声、低偏振相关损耗、动态响应快，以及结构紧凑等优势。作者在文中详细介绍了摩托罗拉为他们设计的基于SOA的GPON中继器。全部系统立足于ITU-T G.984.6.标准设计。该中继器被安放在一个可以埋入地下的盒子内，并成功进行了60km接入距离，128路分束比的GPON系统测试。此外，作者也介绍了面向下一代PON的拓展中继器样机，即可支持10Gb/s，512路分束比，最大100km接入距离的传输。最后，作者强调了，随着带宽的需求不断增加，有效增加PON的接入长度是非常关键的内容。
    日本信息通信研究所(NICT)的研究者面向10Gb/s的光接入应用，提出了OCDMA-WDM的混合接入技术。在OLT作者使用16*16的多端口编解码器，在ONU则使用超结构光纤光栅（SSFBG）实现对码分信号的编解码操作。在系统里，对单通道，作者使用DPSK-OCDMA的编码和复用格式，再使用8个波长通道，实现了总量10*10Gb/s的容量，传输距离100km。这里由于作者采用了混合复用模式，并使用了矩阵化的编解码模块，因此所有通道支持异步传输。
    此外，日本Oki Electric Industry Company的研究者则结合了时分和码分复用模式，以实现Gbit容量的光无源网络（PON）接入。本质上这可以看做是对目前GPON的一次技术升级探索，和前面研究不同，升级不使用新的波长，而在同个波长上增加码分复用功能，系统能让CDM-PON和GPON维持最小7dB，最大22dB的隔离度，后向噪声影响也并不显著。因此系统除了扩充容量外，还能利用码分复用的特殊优势，提高接入距离。总的来看，两种方法复用，成本上明显低于上面的CDM-WDM复用方式，毕竟现在系统考虑的是对目前GPON的兼容，而不是重建。但是，性能上，由于两种复用信号的隔离度太差，在一定程度上显现了其可靠性的不足。

5、微波光子学： 
    顾名思义，微波光子学是一个交叉学科，研究微波和光学的交互作用，及相关应用。具体应用主要包括光子发生、信号处理、微波毫米波信号控制和传送等。具体到光通信应用，诞生的子学科主要包括：相位阵列天线的光学控制、无线光纤（radio over fiber, RoF）系统、光子模数转换等。作为近年来出现的新概念，微波光子学在08年的OFC中受到了较多的关注，专刊里，相关论文主要包括：
    Ottawa大学的一篇特邀论文，对学科发展做了概括性描述，除了上述提到的各种应用介绍，还包括技术面临的主要挑战，和新的应用展望等。就微波光子学而言，诞生的初衷我认为是两个学科优势的互补，至少到目前为止，全光网络不太现实，抛开高昂的成本不说，光学还有好多技术性问题没有解决好，应用起来并不那么灵活。但成熟的微波技术，以及电子模块的大规模集成化都使得微波通信应用简单多元化，这是光通信还无法望其项背的。然而光有着最突出的优势，带宽大，损耗低，因此微波光子学说白了就是以光为载体，解决电子瓶颈问题。作者描述的各种应用，也都体现了这一理念，例如信号发生，通常是用两个波长的光通过外差探测，产生拍频效应，他们的微小波长差，实质上就是一个微波信号频率。其他应用也都类似，例如光通信里最主要的RoF应用，也通常是采用副载波调制，让光频调制信号上，额外再调制一个类似于包络结构的微波频率信号，进而实现在光纤中传输RF信号。再比如模数转换功能，也是因为通常电子器件转换速度上不去，才结合使用光学的方法，如利用级联的Mach–Zehnder干涉仪来实现光频的高速转换。此外作者也谈到一些新概念应用，如慢光效应等。
    Essex大学的研究者实验显示了他们双向工作的RoF系统测试结果。其微波信号是多带OFDM信号，系统主要使用一个反射式的电吸收传感器（REAT），可以将1564nm波长载波反向调制信号，也可以对1308nm的光实现光电检测。两波长的光，都产生自带宽4.8GHz，商用的VCSEL激光器。系统支持480Mb/s的双向宽带微波信号光纤传输。
    Cambridge大学的一项研究，实现了电子CDMA（ECDMA）技术的光接入与传输。研究开发的模块潜在可支持7个用户，每用户1.25Gb/s的传输速率。其传输容量可和现在广泛研究的全光CDMA，即OCDMA相比拟，但价格要便宜的多。作者的系统中，在CO生成为每个用户编码的信号，并下行发送。在接收端，每个用户都配有一个独立的调制器，用于解调本地信号，并过滤其他用户的信号。同时使用该调制器上载信号，发射回CO。这里接收端的modem都是电子模块，其核心器件为有限冲激响应数字滤波器（FIR）。

6、光收发器件与系统：
    NTT研究者面向10Gb/s的GPON拓展应用，基于基线漂移共模抑制技术，研发了交流耦合的突发模式发射机。所采用的技术能有效消除交流耦合界面的电容瞬态响应，生成高速的光突发模式信号。其差分调制格式有利于抑制电子串扰。作者对开发系统进行了可靠性测试，信号反转时间小于500ps，输出功率可达4.4dBm，消光比为7.9dB。该模块的测试值，超越了IEEE 802.3标准的规定值。
    Georgia理工的研究者面向40Gb/s的WDM-PON研发了功能强大的光发射模块。其发射机主要由商用直接调制的分布Bragg反馈（DFB）激光器，和一系列光滤波器组成。这些滤波器功能上能对调制脉冲进行相位校正操作，从而让信号脉冲产生微小的啁啾。通过抑制“0”信号的绝对功率值，进而改善了信号消光比，提高了信号传输的色散公差。作者对该发射模块在一个40Gb/s的WDM-PON中进行了测试，使用标准单模光纤，无色散补偿下传输了超过20km，而240km的系统测试作者也正在开展中。
    Virginia大学的一篇特邀论文，对面向高速光通信应用的InP光电探测器应用和发展做了系统回顾。作者主要谈到的探测器类型包括：单向载流子传输光电探测器（UTC-PD）、p-i-n波导光电二极管（WG-PD）、行波光电探测器（TWPD）等。作者谈到这些器件合理设计和制作后都可以实现160Gb/s的响应速率。一些单片集成的InP探测器件也能实现80Gb/s的响应。

7、光交换技术：
    08年OFC在光交换这一块，非常新颖的研究不多，本次专刊收录的这方面内容也非常有限，这里仅以荷兰研究者的一篇研究论文为例：作者的研究目标是实现全光分组交换，并支持模块集成化。其使用的带间标签是一种具有弹性的标签交换技术。作者使用N个可获得的波长，要实现对2N个地址信息的编码操作。相应的标签处理器，在硬件上是依靠N个光开关面阵式实现的。作为实验系统，他们研发了一个1*4的全光分组交换模块，成功实现了对160Gb/s信息的交换操作。交换中，对标签擦除，或插入新的标签信息，会产生大约0.5dB的额外损耗，作者认为其开发的模块非常适合于未来多hop光交换网络运用。

8、光纤与光缆： 
     光纤应用方面：California大学的研究者通过对四光子混频的位置变化测定，可以精确测量任意光纤的非线性参数；Corning公司的研究者在光纤中制作了纳米尺度的空气孔洞，进而制造出了弯曲损耗极低的单模光纤，光纤弯曲一个半径5mm的圈，损耗也仅0.1dB。