2010年04月01日PTL光通信论文

作者：邵宇丰博士后
    5/31/2010,2010年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半导体有机激光器和放大器、调制器和光开关、传输和光波导、无源器件、有源器件、全光技术、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、 半导体有机激光器和放大器
    由于量子层叠（QC）激光器制造技术的发明，量子层叠微腔激光器已经引起了研究人员的广泛关注，其原因是它具有超小体积、高Q值和低阈值电流等优点。然而，在微谐振腔侧壁的所有内反射过程需要回应壁模式（WGM）下的模式光射线来取代在分布反馈式激光器中的光栅以进行弱反射。因此，在中红外回应壁模式微环激光器工作时，其模式特性对斜侧壁的影响是有必要彻底进行研究的一个问题。中国科学院集成光电子国家重点实验室和半导体研究所的研究人员基于有限差分时域方法（FDTD），研究了带有斜侧壁和含金属层微尺寸中红外共振器的模式特性，研究人员提出的带有斜侧壁和含金属层微尺寸中红外共振器的模式特性图如图1.1所示。
 
  图1.1 带有斜侧壁和含金属层的微尺寸中红外共振器的模式特性图
    众所周知，具有紧凑结构的相干光源所发出的红光对于许多实际应用起到关键作用，尤其是体现在光动力治疗方法、激光投影显示技术和生物光子学应用方面。一个光学泵浦半导体盘型激光器（OP-SDL）能够产生衍射受限的大功率光束，而且当掺杂恰当的半导体混合物时，它能被设计成可发射650纳米到中红外波长光波的泵浦半导体盘型激光器。来自芬兰坦佩雷技术大学光电子研究中心的研究人员采用周期极化化学计量比掺氧化镁LiTaO3晶体以实现一个光学泵浦半导体盘型激光器的频率倍增过程。其中，光学泵浦半导体盘型激光器的腔体配置图如图1.2所示。

  图1.2 光学泵浦半导体盘型激光器的腔体配置图
    对于短距离光纤通信技术而言，垂直腔面表面发射激光器（VCSEL）是一种非常合适的光源，其原因是它具有低成本、可批量生产和较小功率消耗等优点。实际中，垂直腔面表面发射激光器的高速率直接调制过程能进一步提高光纤通信网络中信光号的传输容量，尤其是它能对基于以太网的区域光网络和板级光互连技术的发展起到关键作用。近年来，许多不同的方法被研发出来以提高不同工作波长垂直腔面表面发射激光器的直接调制带宽。来自加拿大蒙特利尔McGill大学电子与计算机工程系的研究人员提出并设计了一种工作波长为850纳米，并且具有低密度注入空穴垂直腔面表面发射激光器，同时实现了高达25Gb/s速率的直接调制过程。研究人员采用的具有低密度注入空穴垂直腔面的表面发射激光器的照片如图1.3所示。

  图1.3 低密度注入空穴垂直腔面的表面发射激光器的照片
    白光发光二极管（LED）正逐步取代传统的白炽灯泡和具有紧凑结构的荧光灯占领照明市场，其原因是它有节能这一突出的发展优势。目前，有两种主要的方法被采用来制造白光发光二极管：其一是采用黄磷覆盖在蓝光发光二极管上（或者采用一个多磷的紫外发光二极管）的制造技术；其二是采用红色、绿色和蓝色分立发光二极管（RGB LED）的芯片颜色混合技术。来自中国香港大学电子和电器工系的研究人员报道了采用激光显微加工技术制造去顶圆锥（TC）白光发光二极管的方法。研究人员采用了一种改进激光显微加工的方法制造了一个具有50度倾斜角斜壁的圆盘形蓝光发光二极管。在制造工艺过程中，一层金属铝被涂覆在斜壁上并在其底部表面形成了一个完整的反射镜。由于实现了高质量的反射，侧面传播的光子也将重定向到向上直接发射的方向上，因此在法线方向上光子密度将有21.7%的增长值。相比较传统的光子发光器件而言，这种去顶圆锥发光二极管（TC-LED）发射的白光，被研究人员证明在其颜色均匀性上将有37%的大幅度提升。图1.4是研究人员采用三种不同方法进行发光二极管涂覆的实现方案图。

  图1.4 采用三种不同方法进行发光二极管涂覆的实现方案图
2、 调制器和光开关
    为了最大程度地提升光通信系统的传输系能，减少光学设备的损耗是一个不得不考虑的一个重要问题。随着单信道传输速率的增长，宽带光信号的光谱很容易受到滤波器件和色散效应的影响，从而必然导致光信号接收性能的下降。来自以色列耶路撒冷希伯来大学应用物理系的研究人员提出并设计了一种光学光谱处理器来处理具有任意相位和幅度的光谱，同时将该光学光谱处理器应用在具有100GHz谱宽无色波分复用（WDM）的自适应滤波技术中。研究人员提出的方案采用自由空间的光器件以发射来自光相位调制器上平面光波导回路的色散光。该光学光谱处理器能在75GHz的可用带宽上，557MHz的间隔尺寸上实现3GHz光学分辨率的工作。研究人员设计的光学光谱处理器（PSP）方案如图2.1所示。

  图2.1 光学光谱处理器（PSP）的方案图
3、 传输和光波导
    近年来，双光子微影技术（TPL）对于任意形状聚合体三维（3D）结构已经显示出其潜在的应用优势。双光子微影技术的主要优势体现在其直接处理的过程，该过程可以创造出非常复杂甚至是传统刻蚀技术所不能制造的结构。来自意大利Magna Graecia大学的研究人员设计并提出了一种采用双光子聚合的方法在光纤顶部构造不同微光结构的新型构造技术。研究人员证明该方法相比较以前的成形方法而言，只需要采用简单的配置就可以实现一般三维形状的快速构造过程。本文报道的一系列不同光学结构，不同光学功能的设计流程都证明了研究人员提出的该方法实现过程具有多功能性和良好的光学性能。图1.6是研究人员提出的在构造工艺过程中对光纤进行加工的实现方案图。

  图3.1研究人员提出的在构造工艺过程中对光纤进行加工的实现方案图
    随着表面等离子极化（SPP）现象的出现，表面等离子波（SPW）的传播过程代表了一种电磁波的传播模式，这种模式能最大程度地被限制在金属电介质界面上并且在金属电介质界面两壁呈现出指数级次衰退现象。表面等离子波的传播过程不可能存在于完美的电导体（PEC）和电介质界面的光滑表面上，除非电导体的表面被周期性地进行打孔加工。中国宁波大学理学系光子研究所的研究人员使用有限差分时域的方法研究了在一个带有垂直切口的金属周期凹槽光栅上，传播表面等离子波的谐振机理。图1.7所示为具有不同垂直切口的电导体光栅的色散特性图。

  图3.2 具有不同垂直切口的电导体光栅的色散特性图
    在微电子应用领域，多晶硅（polySi）是一种基本材料，由于多晶硅能被容易地沉积到几乎任意形状的衬底上，并且多晶硅上能灵活地承载有源光子器件，因此多晶硅在硅基光电的应用中起着不可或缺的作用。新加坡微电子研究所的研究人员设计并提出了一种基于硅基光电子集成回路的多晶硅光子器件，其中多晶硅线波导的工艺制作过程中采用了不同的低热固相结晶（SPC）方法。图1.8是研究人员采用不同的退火工艺程序获得硅沉积薄膜的拉曼光谱比较图。

  图3.3研究人员采用不同退火工艺程序获得硅沉积薄膜的拉曼光谱比较图
    目前在光信号域对光数据流完全处理的研究工作中，光子集成回路的设计和实现是一个重要并且具有挑战性的研究课题。实际中，硫系玻璃（ChGs）作为一种具有极好特性基片的出现对于集成非线性光子（NLO）器件的应用具有如下优势：超快速的宽带光响应时间、高的光学非线性效应、在电信级波长应用中低的线性和非线性损耗。澳大利亚国立大学激光物理研究中心高速宽带光系统研究所的研究人员提出并设计了一种亚微米尺寸三硫化二砷波导的工艺制作流程，并描述了该波导的特性。在原子能显微镜（AFM）下，图1.9显示了去光阻制程的结果是该波导的表面粗糙度增加了大约3倍。

  图3.4研究人员采用原子能显微镜显示出的波导表面粗糙度照片
4、 无源器件
    在中功率或大功率的光纤激光器中，作为一种窄线宽反馈式器件，光纤布拉格光栅（FBG）的应用引起了研究人员的广泛关注，其原因是光纤布拉格光栅能通过减少外部块状光子器件的使用来简化激光器的外部设计。来自澳大利亚悉尼大学化学系的研究人员设计和报道了一种内部含有活性介质II型布拉格光纤光栅的飞秒光纤激光器的搭建过程。这种激光器的设计和实验过程如图4.1所示。

  图4.1 内部含有活性介质II型布拉格光纤光栅的飞秒光纤激光器的搭建过程
    硅基集成回路技术的实现已经获得大量的赞誉，其原因是硅基集成回路的封装密度改善了光子器件的功能，并且可以降低成本耗费。基于SOI的硅基线波导因为能够实现超高密度微型光子器件的集成过程，因此被认为是一个具有发展优势的结构平面波导。然而，当研究人员将几百纳米尺度的硅基线波导直接耦合到芯径10微米的普通单模光纤中时，发现大的耦合损耗将是其不可忽视的工艺制作缺陷。来自中国北京半导体研究所的研究人员设计并验证了一种采用有机玻璃（PMMA）制作的，基于绝缘体的硅光光纤连接到波导的模斑转换器（SSC）。这种模斑转换器的结构图如图4.2所示。

  图4.2基于绝缘体的硅光光纤连接到波导的模斑转换器结构
5、 有源器件
    近年来，关于量子点半导体光放大器（QD-SOA）的一些研究结果已经显示，量子点半导体光放大器具有超过传统的体效应和量子阱（QW）放大器的优越性能。这些优越性能体现在量子点半导体光放大器可以提升饱和功率、实现大的增益、进行时钟恢复和提高带宽。来自日本大阪大学的研究人员提出并实验验证了在柱状量子点（CQD）半导体光放大器（SOA）中使用红移偏置滤波器的方法，基于自相位调制效应的10Gb/s、20Gb/s和40Gb/s归零码信号的再生放大。研究人员还研究了放大器入射功率和信号Q平方值的函数关系，并同时进行了一种采用量子阱半导体放大器作为比较的实验。研究结果显示仅可能在量子点放大器中才能实现基于自相位调制过程的信号再生放大。研究人员采用量子点半导体光放大器构建的实验系统如图5.1所示。

  图5.1采用量子点半导体光放大器构建的实验系统方案图
6、 全光技术
    在电子领域中，在信号处理系统中必须设计和应用的方波时钟信号，在电压坪和驱动函数电门之间实现了良好的预定义转移过程。与此类似，在光信号域中，尤其是在光子集成回路中，光方波时钟信号的实现也被期望可以实现相同的功能。美国罗彻斯特大学的研究人员提出并实现了基于全光触发器的光方波时钟信号的产生方案。研究人员通过在行波型半导体光放大器中，基于交叉增益调制的过程用输出来调制输入，将来自谐振型半导体光放大器的双稳态输出光功率在开或关的状态之间进行切换。其中，所有的有源器件都被直流电流驱动，并且它们的波长和时钟频率可以被选择。同时，在体材料的光子器件中一个3.5MHz工作频率的时钟信号被有效实现。研究人员还建议在光子集成回路和全光信号处理的过程中，应用具有潜在发展优势的光方波信号。图6.1所示为使用一个行波型放大器和一个谐振型放大器产生光方波时钟信号的方案图。

  图6.1 使用一个行波型放大器和一个谐振型放大器产生光方波时钟信号的方案
7、 测量技术
    微型的分光计之所以被广泛应用，是因为它可以实现光信号的谱检测。但是在常规的微型分光计设计过程中，我们必须对微型分光计的性能和尺寸进行折衷考虑。通常的设计包括：静电可调腔体的设计、波导分光计的设计、法布里—帕罗滤波器的设计。美国南加利福利亚大学生物工程系的研究人员采用了对生物标本的光谱和时域荧光性进行分析的方法，实现了一个有效的诊断过程。研究人员还指出，为了紧凑集成分光计的应用需要，微型光机电系统（MOEMS）的使用是一种可行方案。为了改善微型分光计的使用性能，研究人员提出采用多层层叠设计的方法来提升它的解析度和吞吐量。表7.1列出了不同种类微型分光计系统的性能比较。

  表7.1 不同种类微型分光计系统的性能比较
8、 传感器
    迄今为止，在安全领域，实现安全和可靠的人员鉴别是一项至关重要的技术。指纹识别是一种最常使用的方法，并且这项技术是一种易于采用和被人们广泛接纳的有效技术。此外，保存大量指纹的数据库也使人们可以更方便地使用这项技术进行人员鉴别。目前，无数的系统、传感器和算法因为采用了精确可靠的指纹鉴别技术而得以广泛应用。尽管如此，这些应用在针对欺骗性攻击，以及因为手指上的伤疤、刀痕、沾水后的手指、肮脏的手指和传感器上残留手指印记的存在方面缺乏有效地处理方法。而且，在实际应用中，硅材料或者假手指制作的虚假指纹印记也很难被有效区分。为了克服上述问题，一些新的生物学方法被提出进行研究。然而，这些方法由于完全依赖于手指或者其他肢体的内部组织结构，例如：手掌纹理、膝盖的X射线分析和手指内部结构的超声波分析，所以很难对付外部的欺骗性攻击。并且，这些生物学的人员鉴别方法大部分都缺乏数据库的支持，同时这些鉴别方法都需要准确且可靠的鉴定算法支持，这也是其具有的一个缺陷。来自瑞士伯尔尼应用科学大学电子与信息科学系光子实验室的研究人员通过分析手指的内部生理结构，提出采用一种新的方法来实现免受攻击的指纹识别过程。研究人员得到的指纹信息不再是基于容易伪造的外部皮肤图片信息，而是包含来自手指内部结构的信息。并且，研究人员还指出手指上外部凸起和凹陷的形成来源于手指的内部结构。研究人员通过采用频域光学相干断层成影（FD-OCT）技术，成功提取了反映手指内部信息的三维照片，并且指出如果采用商用的指纹鉴别程序，指纹内部95%的图片信息能够被成功获取。研究结果证明采用频域光学相干断层成影技术得到的指纹内部图片信息能够进行有效地实现指纹识别过程。图8.1所示为研究人员采用频域光学相干断层成影方法获得的三维图片。
 
     图8.1 研究人员采用频域光学相干断层成影方法获得的三维图片
9、 模拟和射频光子学
    近年来，毫米波（mm wave）光纤无线通信技术（RoF）技术因为能够为未来的蜂窝网络和室内无线接入系统提供宽带服务而引起了研究人员的广泛重视。通过光纤连接中心站（CO）和基站（BS），光纤无线通信技术能够使得未来的无线接入网络变得更加灵活和易于升级。此外，采用光纤无线通信技术也可以简化基站的配置，尤其是可以将基站中复杂的信号处理过程从基站转移到中心站。我们知道，60GHz带宽的毫米波信号因为在无线接入系统中可以满足更高的数据传输速率、降低频率带宽的竞争和短距离的空间无线通信需求等方面具有发展优势，而引起了许多研究机构的广泛关注。然而，在毫米波光纤无线通信系统中，标准单模光纤中的色散效应将会导致无线信号的接收功率衰退，尤其对于双边带（DSB）调制码型信号的影响更是如此。因此，许多单边带（SSB）调制技术被研究人员采用来解决这一关键问题。来自中国北京大学电子系先进光通信系统和网络国家重点实验室的研究人员提出并报道了一种采用注入锁模分布反馈式（DFB）激光器在60GHZ光纤无线通信系统中进行光学单边带调制的方法。在实现过程中，将两个具有60GHz频率间隔的外差光信号注入到分布反馈式激光器中，并且将其中的一个模式锁定。当分布反馈式激光器被直接调制时，锁模的调制系数值将比没有锁模的调制系数值大15dB。采用研究人员提出的单边带调制方案，一个基于60GHz传输速率为2.5Gbit/s的数据信号在50Km的单模光纤中传输并被有效接收。
 
  图9.1 研究人员提出的采用单边带调制传输系统的实验方案图
    众所周知，光学旋转接头有许多应用。它能被使用在光波导天线中和许多其他的军事或者商业应用的相关旋转接口之间来传输光信号。相比较电滑环装置而言，在电磁接口方面，光学旋转接头具有更好的免疫优势，这是因为常规的天线测量系统常常使用金属同轴线。常规的天线测量系统有如下问题：在电缆中信号的衰减大、受到外部表面的反射影响并且难于实施应用。而为了将光纤链路传输系统应用到射频天线的测量系统中，含光纤和收发设备（TRx）模块的光纤旋转接头（FORJs）是不可或缺的。来自韩国Yuseong-gu电子和电信研究所的研究人员提出并报道了一种可在实际天线测量技术测量中应用光纤旋转接头和光纤链路的协同工作方案。其中，光纤旋转接头的旋转变化损耗仅仅依赖于该器件的机械失配。为了实现0.2dB或者更小的旋转变化损耗，研究人员提出并研究了一种使用无透镜双尺寸失配的不接触接口的新配置，并使用了分布反馈式激光器、PIN光电探测器和单模光纤跳线。研究人员采用的光纤旋转接头有非常低的旋转变化损耗，并且他们采用的光纤链路在天线测量的应用中其工作过程是相当稳定的。最后，研究人员证明了这种光纤旋转接头和光纤链路可以应用在射频天线的测试方案中。图9.2所示为使用光纤旋转接头和光纤链路进行天线测量的系统方案图。

  图9.2使用光纤旋转接头和光纤链路进行天线测量的系统方案图
    工作在毫米波（mm wave）频段的光纤无线通信传输系统被认为是一种解决无线终端用户多媒体服务应用的有效通信系统而被许多研究机构广泛研究。为了使用毫米波信号来向无线终端用户提供更大的带宽，一种可行的方法是采用光纤无线通信技术（RoF），通过采用这种技术，载波频率上的无线信号能够在光通信网络中从中心站（CS）传输到基站（BS）。其中，毫米波的产生方法主要有以下几种：一是强度调制直接检测的方法（IMDD）；二是远端外差检测的方法（RHD）；三是谐波上变换的方法。来自中国北京交通大学光波技术研究所全光网络和先进电信网络国家重点实验室的研究人员提出并设计了一种使用三角型啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），基于强度调制直接检测方法的光纤无线通信系统。在这个方案中，首先使用一个毫米波驱动信号在强度调制器上实现光学双边带调制（DSB）过程，然后将经双边带调制的光信号输入一个三角型啁啾光纤布拉格光栅。由于三角型啁啾光纤布拉格光栅在光谱上具有负增长效应，所以它的低阶边带比高阶边带有更大的衰减，这意味着含有载波的光学单边带（OSSB+C）调制过程可以很容易地实现。通过平衡光学载波边带抑制比，三角型啁啾光纤布拉格光栅的信号处理过程能够改善链路的传输性能。研究人员特别指出，当采用他们的方案时，该系统可以在商业级应用上保证实现低成本的系统结构和良好的通信性能。图9.3所示为在强度调制直接检测的光纤无线通信系统中采用三角型啁啾光纤布拉格光栅的系统结构图。

  图9.3在强度调制直接检测的光纤无线通信系统中采用三角型啁啾光纤布拉格光栅的系统结构图

10、网络及子系统
    10Gbit 以太无源光网络（10G-EPON）系统是按照IEEE 802.3av的标准建立并发展至今的，关于10Gbit 以太无源光网络的可行性研究正在如火如荼地进行。另外，在10Gbit 以太无源光网络中进行突发模式上行数据传输时，突发模式的接收机和突发模式的时钟及数据恢复（CDRs）模块也被相关研究机构认为是其应用中的关键技术。近年来，采用交流耦合突发模式的接收机被认为是一种有效地解决方案，但是这种接收机的生产实现是相当困难的。来自日本神奈川三菱电气公司信息技术中心的研究人员首次设计并制造了一种为10Gbit 以太无源光网络服务，并能将速率高达82.5GS/s过抽样时钟和数据恢复的全自动增益控制光接收过程合并到10.3Gb/s突发模式下进行3R恢复的接收机。研究人员设计的突发模式预设放大器、限幅放大器和时钟数据恢复模块都被集成在0.13μm的锗硅双极性互补金属氧化半导体上以实现其工艺制造流程，其工艺流程完全符合IEEE 802.3av 10Gbit 以太无源光网络的建议标准。在误码率为10-3量级时，研究人员设计的10.3Gb/s突发模式下进行3R恢复的接收机成功地实现了-30.1dBm的接收灵敏度。图10.1为研究人员设计的10.3Gb/s突发模式下进行3R恢复的接收机配置图。

   图10.1研究人员设计的10.3Gb/s突发模式下进行3R恢复的接收机配置图
    基于光谱幅度编码的光码分复用多重接入（SAC-OCDMA）系统的性能严重受限于相似光源的非相干强度噪声的影响。为了减少强度噪声的影响，不同的解决方案被研究人员提出。来自加拿大魁北克Laval大学ECED系的研究人员首次报道了一种采用multicanonical蒙特卡洛算法基于光谱幅度编码的光码分复用多重接入系统的性能分析方法，并且在随着用户数量的增长时在基于光谱幅度编码的光码分复用多重接入系统中，检测了强度噪声抑制半导体光放大器（SOA）的功效。研究人员发现，随着用户数量的增长，半导体光放大器的功效随之减弱，此时噪声将增加，这与波分复用系统中的频率分配功效恰恰相反。研究人员还实现了采用高斯算法来研究噪声分布的过程，发现此时进行误码率预测是不准确的。研究人员证明他们的数值模拟结果和已发表的实验结果恰恰相反。图10.2所示为N个用户使用半导体光放大器的光码分复用多重接入系统的配置图。

  图10.2  N个用户使用半导体光放大器的光码分复用多重接入系统的配置图
    目前，互联网中数据流量的指数级增长拉动了光通信网络向高传输容量的方向发展。其中，高传输容量的光纤链路上承载的数据分组速率已经超过了100Gb/s，这些数据分组采用了不同的发送方式，例如：基于归零码的数据分组、具有高谱效率的多波长数据分组、基于差分四相相移键控码（DQPSK）的数据分组、基于正交频分复用技术（OFDM）的数据分组和基于正交幅度调制（QAM）的数据分组。另一方面，由于目前电路交换中交换矩阵的速度、可扩容性和光电转换的能量损耗，采用电路交换数据分组进行路由转发的功能将受到限制。而光数据分组在光信号域的透明交换消除了电路交换过程中光电转换的能量损耗问题。然而，为了实现这样的光分组交换过程还有几个问题值得我们去研究。首先，光分组交换系统应该有能力处理多种格式的数据交换，这意味着标记的处理器将决定数据分组的目的地并控制交换矩阵，同时在交换矩阵中，标记的数据格式和数据速率也必须能够被独立操控；其次，光分组交换系统应该可以被扩容，这意味着交换矩阵中输入和输出端口的数量不能受到交换结构的限制。而且，为了增加光分组交换网络中节点的吞吐量，光分组交换系统的反应时间应该是迅速的。来自荷兰Eindhoven技术大学COBRA研究中心的研究人员提出并证明了一种对多种数据格式和数据比特率透明的采用带内标记的光分组交换系统。研究人员实现了当改变数据分组的调制码格式和比特速率时，携带带内标记的数据分组并不需要在标记处理器中进行重新配置。同时，基于异步光信号处理的标记处理器和一个简单的电子处理网络相连，使得标记处理器有能力处理低延迟时间（小于3ns）的标记，而不需要进行复杂的和有功率耗费的高速数据时钟恢复操作和串行以及解除串行回路的操作。研究人员用实验证明了在1x64的光分组交换系统中，可以进行传输速率高达160Gb/s的基于归零开关键控调制码格式的多波长数据分组和120Gb/s的基于非归零差分相移键控调制码格式的多波长数据分组的无误码光分组交换操作。图10.3（a）和（b）所示分别为采用160Gb/s的基于归零开关键控调制码格式的多波长数据分组和120Gb/s的基于非归零差分相移键控调制码格式的多波长数据分组，结合六个基于开关键控调制码格式标记的分组交换实验方案图。

   图10.3采用160Gb/s的基于归零开关键控调制码格式的多波长数据分组（a）和120Gb/s的基于非归零差分相移键控调制码格式的多波长数据分组（b），结合六个基于开关键控调制码格式标记的分组交换实验方案图。
    近年来，正交频分复用技术（OFDM）因为可以抵抗光信号传输过程中色散和偏振模色散的负面影响，引起了研究人员的广泛关注。值得注意的是这一免疫优势同样体现在高达100Gb/s传输速率的大容量光传输网络上。此外，相干检测技术和偏振复用技术（PDM）也被采用来实现高的接收机灵敏度和大的通信传输容量。然而，为了降低系统的成本耗费，在光收发设备中的光子器件的设计应该被简化。与此同时，为了实现光正交频分复用信号的传输检测，直接检测技术（DD）也是一种可行的检测方案，其特点是光信号的参考光载波随着光正交频分复用信号的边带一起传送，从而使得接收设备中不再需要光子混合器件和本地振荡器。然而，由于频率域保护间隔的需要，基于直接检测的光正交频分复用信号的信道容量和频带利用率（SE）都将下降，因此在对光正交频分复用信号系统中避免信号的相互串扰是必须要考虑的。目前，采用偏振复用技术和高谱效率的高阶调制格式（例如16QAM）已经被应用在100Gb/s的基于直接检测的光正交频分复用信号的传输中。在这种方案中，传输光信号的偏振状态（SOP）被多输入多输出（MIMO）数字处理技术跟踪。这往往比单偏振的情形要求使用更长的训练符号（TS），并且要求在两个偏振支路上进行精确地时域匹配。来自日本琦玉市KDDI R&D实验室的研究人员设计并提出了一种简便易行的方法实现了偏振复用直接检测光正交频分复用传输信号的方法，这种方法不需要在接收机中进行数字多输入多输出的信号处理，并且其载波分量的光滤波允许简单偏振分离。研究人员使用16进制正交幅度调制和31GHz的可用带宽成功地实现了100Gb/s的光信号在80公里普通单模光纤上的传输过程。研究人员在此基础上还研究了这种100Gb/s光信号传输系统中激光器的频率偏差容忍度。图10.4所示为研究人员提出的100Gb/s的偏振复用直接检测光正交频分复用信号的传输系统方案图。

  图10.4 100Gb/s的偏振复用直接检测光正交频分复用信号的传输系统方案图
    近年来，基于环形光网络的可调光分插复用器（ROADM）在北美和日本拥有了大规模的商用市场。目前，在电信号域中拥有光—电和电—光转换（OE和EO）和电交换的环形互连已经实现了，同时使用光交叉连接器（OXC）来实现光信号的路由转发过程能够有效减少系统的成本耗费和电信号域的功率耗费。使用多重大规模1xN（N>6—16）的波长选择交换器（WSS）或者使用光交换矩阵中光交叉连接器的结构正被进行广泛研究，然而，在光网络中增加光交叉连接器的数量将造成很高的系统成本耗费，这一点将制约光交叉连接器的可用数量。来自日本名古屋NTT光通信实验室的研究人员设计并提出了一种有效的可调光分插复用器环形网络连接节点的结构，他们使用这种节点进行了可调带宽路由的选择，并且指出这种方法能够降低网络成本耗费。同时，研究人员在实验中还研究了使用平面光回路技术的关键器件性能。图10.5所示为研究人员提出的双环连接节点结构和三环连接节点结构的示意图。

  图10.5 双环连接节点结构和三环连接节点结构的示意图
    近年来，在光信号传输系统中为了改善差分相移键控（DPSK）信号的传输性能，多重差分相移键控（MC-DPSK）信号检测被研究人员提出并进行研究。对于常规的差分相移键控信号而言，多重差分相移键控信号的产生和解调过程也是相似的。不同的是，多重差分相移键控信号的接收设备是具有多重结构的，并且它还可以同时提取不同差分相移键控信号的相位信息。通过采用软件检测的方法，多重差分相移键控信号的检测性能优于常规的差分相移键控信号。正如我们所知，电域均衡的方法在克服色散（CD）和偏振模色散（PMD）的负面影响被证明是极其有效的。因此，结合多重差分相移键控信号的检测技术和最大似然序列估计（MLSE）算法能够进一步提高高速光信号传输系统抵抗色散和偏振模色散负面影响的能力。在这种技术中，来自多重差分相移键控调制产生的信号通过采用一个联合最大似然序列估计的均衡器来恢复输入的原始输入信号比特流。来自中国北京大学先进光通信系统和网络国家重点实验室的研究人员提出并采用多重差分相移键控信号传输来改善常规的差分相移键控信号的接收性能。在高速光信号传输系统中，研究人员采用系统仿真的方法研究了在完成多重差分相移键控信号检测后联合使用最大似然序列估计的均衡器来进一步提升传输光信号对色散和偏振模色散的免疫力。在此基础上，研究人员采用多输入多输出（MISO）判决反馈均衡器实现了多重差分相移键控信号的检测过程，并在电信号域对色散和偏振模色散进行了有效补偿。图10.6所示为研究人员采用多输入多输出判决反馈均衡器实现多重差分相移键控信号检测的接收机结构图。

     图10.6多输入多输出判决反馈均衡器实现多重差分相移键控信号的检测
    对于下一代光接入网而言，基于波分复用的无源光网络（WDM-PON）因为具有大的带宽和易于升级等优点而被认为是极有前途的一种可行性网络。为了降低波分复用无源光网络的成本耗费，在中心站（CO）集中光源（CLS）的方案是一种具有吸引力的解决方案，因为采用集中光源可以在用户网络单元中（ONU）取消特定波长光发送机的需要并可以去掉波长管理的过程。在现有的集中光源方案中，一种直接的方法是从中心站到光网络单元中直接对光载波进行上行调制。这意味着对下行信号的再调制将产生上行信号，从而可以通过波长再利用的方法提高可用波长资源和光源的数量。一些支持10Gb/s传输速率的载波再调制方案被研究人员提出来，它们包括：下行差分相移键控（DPSK）信号和上行开关键控信号（OOK），下行频移键控（FSK）信号和上行开关键控信号，下行反转归零码信号和上行开关键控信号，下行和上行都采用差分相移键控信号。然而，这些方案的缺点也是明显的，它们对于10Gb/s传输速率的信号上行具有较差的色散容忍度，并且载波重新调制的同步实现也是困难的。在实际中，建立一个无需色散补偿的波分复用无源光网络的结构，需要在每个光网络单元进行同步调制，这将使系统的配置更简单并可以减少系统成本耗费。来自中国香港大学电子信息系的研究人员提出并研究了减少下行链路调制差分相移键控信号的调制深度来增强下行链路信号色散容忍度的方案，并同时进行了载波重调制后的时间同步调整。在每一个光网络单元尽管实施了载波重调制，采用延时干涉仪对下行差分相移键控信号解调后，延时干涉仪的一个端口输出高消光比（ER）的解调信号，另一个端口输出低消光比的解调信号。其中，低消光比的信号很容易就可以完成上行信号的重调制过程。在无色散补偿和保持载波重调制同步的情形下，研究人员实现了20km光信号的无误码传输。图10.7所示为研究人员采用差分相移键控信号下行传输，采用开关键控信号上行传输的网络结构图。

  图10.7采用差分相移键控信号下行传输，采用开关键控信号上行传输的网络结构图
    在高速光传输系统中，保证光发送机稳定可靠工作的一个关键技术是进行自动功率控制（APC）。在常规的光发射机中，功率控制回路常使用一个可供监视的光电二极管（mPD），并且将它集成在标准半导体发光二极管的后面完成输出信号的捕获。来自监视型光电二极管监测电流被使用来反馈自动调节标准半导体发光二极管的驱动电流，从而保证激光器的输出功率值符合系统要求。常规的监视型光电二极管功率控制方法在高速光信号传输系统中被广泛用于独立的光发送机中，它也被直接应用于注入锁定的波分复用无源光网络中，并出现了意想不到的效果。来自韩国首尔国立大学计算机科学与电子工程系的研究人员设计并提出了一种支持注入锁定波分复用无源光网络结构且简单易行的自动功率控制结构。在中心站，研究人员通过在阵列波导光栅后放置光纤环路镜监视反射信号的变化，通常不可忽视的发射信号的功率起伏问题使用监视型光电二极管来解决。研究结果显示，当工作温度和注入功率值变动时，发射的峰值功率其抖动范围不会超过0.1dB。图10.8所示为研究人员研究的常规注入锁定波分复用无源光网络的结构示意图。

        图10.8 注入锁定波分复用无源光网络的结构示意图