2010年03月01日PTL光通信论文评析

作者：邵宇丰博士后
    3/1/2010，2010年3月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体有机激光器、光纤激光器、调制技术、传输和光波导、无源器件、有源器件、波长转换、测量技术、传感器、模拟和射频光子学、网络及子系统，笔者将逐一评析。
1、 半导体有机激光器
    在金属材料的加工行业中，光谱稳定的高功率二极管激光器对于光纤激光器的高效泵浦起着不可替代的作用，例如在焊接钢制或者铝制材料的时候就是必需的。德国柏林的研究人员设计并实验了一种大范围分布式布拉格反射型（DBR）激光器，从设计上而言就是这种激光器的腔合并了一个无源布拉格光栅，如图1.1所示。这种光谱稳定的激光器有90 m的刻蚀条纹，并可提供高达14w的光功率和50%的最大转换效率，其中95%的能量被限制在不到1nm的波长范围内，阈值功率和最大输出光功率之间的光波长变化不超过3.5nm。当然，这种激光器的设计和制作在实际中具有低成本和大批量生产的潜在优势。

    图1.1 大范围分布式布拉格反射型（DBR）激光器示意图
    波长可选择性光源（WSLs）在现代光通信系统中是一个关键性器件，相比较传统的波长固定型二极管激光器而言，它的明显优点是：可以简单地重配置、降低发射机的成本和更方便地实现封装。中科院半导体所国家实验室设计并制作了一种基于取样光栅的八信道片上集成的阵列分布反馈式激光器。这种激光器的制作方法是采用常规的低压金属有机化学气相沉积生长技术,细节性波导结构剖面图如图1.2所示。这种激光器可以在不同的波长上进行选择性发光，它的具体运行指标是：相邻信道间的工作频率间隔大约是200GHz，开光电流约为30~40mA，当注入电流值是100mA时每信道的输出光功率约为10mW。毫无疑问，该激光器简单有效的制作过程也使得它的低造价批量生产成为可能。

        图1.2 阵列分布反馈式激光器的波导结构剖面图

2、光纤激光器
    掺镱光纤在产生高功率和高能量脉冲方面具有巨大的技术优势，是因为它具有高增益带宽、简单的能级结构和较低的量子负面效应。因此，掺镱锁模光纤激光器由于它产生的脉冲能量和脉冲宽度具有优良性能而被大力发展。然而，光纤中非线性相移的堆积限制了输出脉冲能量的增长，天津大学的科研人员使用大模场光子晶体光纤提出并实验研究了一种高能量掺镱光纤锁模激光器（基于线性腔体配置的光纤激光器如图2.1所示），在正常色散情形下，产生的超短脉冲具有46nJ的脉冲能量和1.9ps的时间周期。他们还发现，如果插入一个光谱滤波器，该激光器将产生具有39nJ能量和828fs宽度的脉冲，该脉冲的峰值功率将达到36.3kW。据笔者所知，这是目前最简单和具有最紧凑腔体结构的高功率大模场锁模光纤激光器。

          图2.1 基于线性腔体配置的光纤激光器

3、调制技术
    在发展大传输容量波分复用（WDM）系统的过程中，多级调制技术（包括多级相移键控（M-PSK），多级正交幅度调制（M-QAM）和正交频分复用（OFDM）技术）非常具有吸引力的主要原因是因为相比较常规的二进制调制技术而言，它能成倍地增加谱效率。其中，正交幅度调制（QAM）技术QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合，它的占用带宽通常由信号的符号率确定。M-QAM调制的优点就是在具有更大比特率的同时具有较低的符号率和较高的谱效率，但是在光信号域产生M-QAM信号却是一个挑战。日本NTT实验室和美国NEL实验的科研人员在本期提出并实验验证了一种在光信号域产生64QAM信号的新方法，他们使用硅基平面光波导（PLCs）和铌酸锂相位调制器阵列对三次正交相移键控（QPSK）调制进行了非对称的耦合（如图3.1所示），制造了比特率达60Gb/s带宽20GHz的64QAM调制器，显然这种调制器具有较宽松的电带宽要求和非常易于升级。

              图3.1 64QAM调制器的配置
4、传输和光波导
    近年来，光网络中日益增长的高比特率传输容量需求刺激着多级调制技术的发展，然而光纤中的色散、偏振膜色散和噪声对信号的负面影响也随着符号率的增长而增长，并逐渐成为光信号最大传输距离的限制性因素。对于传输过程中的色散限制因素，德国的科研人员提出采用一种解析的方法来计算单模光纤中的色散效应，即通过使用傅里叶级数表示一般脉冲的方法来计算任意脉冲形状的信号色散。与以前人们使用的方法不同之处是，他们的工作计算了有限冲击响应滤波均衡器的抽头数量，而不是根据经验值来设置数量。进一步，他们还验证了这种新解析方法和其他已发表的方法算出的结果是吻合的。因此，研究人员提出的这种方法能取代传统的经验值计算方法，从而更精确地建立了信号脉冲传输过程中计算色散效应的物理模型。所以，尽管该工作仅仅进行了理论上的大量推导，但具有非常重要的应用价值。
    正交变换（包括离散傅里叶变换、离散余弦变换、离散正弦变换，哈达玛变换）在光通信系统中是相当重要的信号处理技术。其中，离散余弦变换（DCT）和离散正弦变换（DST）被广泛应用在数字图像或视频处理及信号编码上，并且有报道称它们如果应用在正交频分复用（OFDM）系统中，比较基于离散傅里叶变换（DFT）的应用能提高OFDM传输系统的信噪比（SNR）和信号谱效率。同济大学的科研人员在本期中提出采用一种全光的新方法来实现离散余弦变换和离散正弦变换，这种方法仅需要一些多模干涉（MMI）耦合器和移相器就能实现，并且该方法没有输入数量的限制。通过恰当的配置多模耦合器的长度和调整移相器，就可以实现全光光离散余弦变换和离散正弦变换。因为该方法没有使用级联配置，并且理论和仿真结果证明它是有效的，所以它将在全光数字信号处理方面，尤其是在信道编码和解码的应用过程中上发挥作用。
5、无源器件
    在过去十年，微机电系统（MEMs）引起了光通信业界的广泛关注，许多光子器件，例如光开关、滤波器、透镜等许多基本器件都被成功地应用到微机电系统中。还有许多配置可重构的子系统，例如可调谐激光器、高速光调制器、可重构的波长分插复用器、光交叉连接器也使用了微机电系统。实际上，基于单片硅基建立的微机电系统不仅仅提高了光器件的光子性能，而且对各种电子器件、机械器件和光子器件进行了系统级的整合。新加坡的科研人员在本期报道了一种封装双晶片的新方法来整合基于硅基的光微机电系统设备和光子器件，这种片上结合方法的最大优点是能够保持光微机电系统器件的光轴和光子器件在同一轴线上，如图5.1所示。这种技术的潜在优势是可以用于硅基光子集成和光微机电系统的重构整合，科研人员进一步的研究工作将集中于微机电系统的设计、处理和硅基光子系统中微机电系统的重配置。

           图5.1 基于硅基整合的光微机电系统设备和光子器件

6、有源器件
   一个光电振荡器（OEO）能够同时产生一个低抖动的光短脉冲序列和一个高纯度的电时钟信号，其原因是光电振荡器的环形腔中包含一根光延时线和一根电缆，使用它们可以得到高Q值。近年来，使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光电振荡器结构也被报道，使用垂直腔面发射激光器的主要优点是：低阈值、单纵模运行、结构紧凑和低成本。此外，通过结合垂直腔面发射激光器和光子晶体光纤（PCF），工作在850nm光电振荡器中的光子晶体光纤的低弯曲损耗也能起到关键作用。日本的研究人员在本期报道了一种使用增益开关型垂直腔面发射激光器和单模光子晶体光纤，工作在1.1 m的自发光电振荡器（如图6.1所示），它的调制带宽和边模抑制比分别是7.2GHz和50dB。使用这种光电振荡器，成功地产生了一个时间抖动值仅为0.9ps的10GHz、11.5ps的光脉冲序列。研究人员指出，这种波长转换的方法能在频率标准化和芯片互联技术中得到应用。

   图6.1 结合垂直腔面发射激光器和光子晶体光纤的光电振荡器配置

7、波长转换
    对于在全光通信网络中发挥重要作用的光波分复用技术（WDM）而言，波长转换技术的引入不仅可以消除信道波长不连续的问题而且可以降低网络中的信号传输阻塞。然而，在全光领域波长转换技术依然是不成熟的。韩国的科研人员在本期报道了他们实验研制的一种使用单模法布里-珀罗激光器（SM FP-LD）来进行全光波长转换的新方法，这种方法是通过注入锁定和外接泵浦单模法布里-珀罗激光器的自锁定调制来实现的（如图7.1所示）。在静态测量时，10Gb/s转换后的信号消光比为11dB，边模抑制比（SMSR）为43dB。尤其值得注意的是，研究人员应用的法布里-珀罗激光器是可调谐激光器，它能在较宽的波长范围内发光。研究人员指出，在未来的全光波长可转换的波分复用网络中，这种全光波长转换的新方法具有非常大的应用价值。

                    图7.1波长转换的实验装置

8、测量技术
    近年来，高速光通信系统中的相移键控（PSK）调制引起了广泛关注，为了测量信号的传输质量，我们必须在整个通信网络中监测光信噪比（OSNR）。值得注意的是，在传输链路起始端自发辐射（ASE）噪声的引入对相移键控信号比开光键控（OOK）信号有更大的影响，这是因为它将导致随信号传输有害的非线性相位噪声。我们知道，在密集波分复用（DWDM）系统中进行带外测量是相当困难的，因为密集波分复用系统有很高的频带利用率并且其中应用的光滤波器导致带内噪声和带外噪声显著不同。爱尔兰的研究人员提出使用双光子吸收微腔结构技术来检测非归零相移键控（NRZ-DPSK）信号的带内光信噪比，如图8.1所示。研究人员通过在10Gb/s的相移键控系统进行实验发现：可以在超过20dB以上的光信噪比测量中达到±1dB准确的测量结果。研究人员指出，这种技术的优点是：结构简单、低成本、易于集成和对数据速率不敏感。

          图8.1 10Gb/s非归零相移键控信号的光信噪比监测

9、传感器
    空气硅微结构光纤（MF）在高灵敏度的空气测量和光谱分析中具有应用价值。香港理工大学的科研人员通过使用周期微通道分布的空芯光子能带型光纤研制出一种能快速响应的光纤甲烷传感器，如图9.1所示。在间距1cm分布含7个侧面开口的7cm传感光纤上，科研人员实现了将近3s的扩散时间响应和约647ppm的灵敏度。光纤侧面开口技术的引入实现了低损耗，并可能沿着长的传感光纤在实际应用中构造光纤气体传感器，从而实现分布式的高灵敏度传感而不需要考虑响应时间。

                    图9.1 甲烷监测的实验装置

10、模拟和射频光子学
    脉冲无线电超宽带（IR-UWB）通信引起了业界的较大关注是因为它是一种低发射功率能够在大容量短距离的无线链路中得到应用的技术，例如用于室内构建高清晰电视的无线网络。丹麦技术大学的科研人员分别采用电和光的两种方法（基于半导体激光器直接调制和外部光注入的光纤传输系统）提出和实验产生了2Gb/s脉冲来进行脉冲无线电超宽带的应用研究，实验的建立如图10.1所示。在经过后置无线传输过程的20km光纤传输后，他们还对这两种方法的传输性能进行了比较。在高速无线短距离的通信系统中，电和光的两种方法都能降低信号产生的复杂度并且可以和光纤链路有机结合。

          图10.1 采用电子学和光子学的两种实验方案
    基于光纤的无线（RoF）链路中光相位调制的相干检测是一种未来可以在低功耗、高带宽、信道可选择性的无线光网络中有很好发展前景的关键技术。我们知道，光相位调制的RoF链路有大动态范围、高容量和频带利用率、简化基站配置等优点。然而，为了有效检测和线性解调信号，相位调制光纤链路中采用的相干接收机中必须包含数字信号处理（DSP）模块。丹麦技术大学的研究人员实验研究了速率为2.5Gb/s应用相干检测技术的三信道QPSK调制地RoF上行链路（如图10.2所示），其中射频载波的频率是6GHz，信号在光纤中的传输距离是78.8km。尤其值得注意的是，研究人员使用了著名K-means算法来进行射频相位恢复，而且他们也指出这种算法对于高阶调制格式的灵活配置和简化信号数字处理过程都具有应用价值。

                          图10.2实验方案

11、网络及子系统
    最近几年，单波长超100Gb/s的光信号传输引起了人们的兴趣，其原因是互联网和多媒体业务的越来越普及导致了传输容量的持续增长。提高传输速率的同时最值得重视的问题是：不同的线性和非线性效应对信号传输质量的负面影响和较高的系统造价。美国亚利桑那大学的研究人员提出并验证了一种混合副载波、幅度、相位和偏振度（H-SAPP）的调制新方案来实现单波长240Gb/s的传输，并实验比较研究了基于50GS/s(S/s代表符号速率)的低密度奇偶校验（LDPC）编码产生的120Gb/s的8-HAPP信号、160Gb/s的16-HAPP信号和240Gb/s的20-HAPP信号的传输性能。实际上，这种方法对于未来单波长1Tb/s信号的调制和传输具有相当大的参考价值。
    高重复率光信号脉冲序列的产生对于光时分复用（OTDM）通信系统、光采样和光信号处理具有重要意义。加拿大麦吉尔大学的研究人员使用一块硅基平面光波导（PLC）制造了一个可调脉冲重复率的乘法器。他们使用的平面光波导是一个六级格子型的马赫-曾德尔干涉仪，当输入10GHz脉冲的时候通过调节它来产生20GHz和40GHz的输出脉冲序列。研究人员通过使用一个非线性光学环路镜作为波长转换器来实现在幅度域的脉冲转换以消除高比特率输出脉冲序列的相位抖动。并且，研究人员还使用波长多播机制（同时进行波长转换）实现了单个10GHz脉冲输入时成倍脉冲序列（如4×20GHz和4×40GHz）的输出。研究人员特别指出，研制这种产生可调多波长的脉冲源对于波分复用通信系统中信号的传输是非常有用的。