2010年05月01日PTL光通信论文(二)

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2010年05月01日PTL光通信论文(二)
5、测量技术
我们知道，光纤中的色散效应来源于光纤材料或者光波导的色散联合效应，并将由于波长独立的群时延导致线性光脉冲的展宽。此外，光纤色散也在非线性光纤光子学和超高速光纤光子学领域有许多重要应用。目前，很多文献已经报道了不同的色散测量方法，这些方法可以被粗略地分为以下两大类：干涉测量法和非干涉测量法。时程延迟（TOF）技术和调制相位偏移技术（MPS）是业界众所周知的非干涉测量法，而近年来一些使用超连续谱脉冲光源的宽带测量方法也属于非干涉测量法。当然，干涉测量法也有许多，主要包括时域干涉法和具有窄带宽和宽带宽的连续波频域干涉法。值得注意的是，基于腔共振效应的特殊技术，例如自注入激光振荡方法也属于干涉测量法。通常而言，非干涉测量法在其安装简易性和测量稳定性上具有突出优势，但是干涉测量法在测量高灵敏性上具有突出优势。在上面提及的这些方法中，标准的调制相位偏移技术是最好的方法，因为它应用起来十分简便。然而，这种技术在应用过程中需要通过昂贵的射频（RF）网络分析仪来对射频调制的信号进行精确地测量，因此导致成本耗费过高。来自中国台湾新竹市国立交通大学光子学系的研究人员通过采用周期扫描波长脉冲光源的技术，提出了一种新型的光纤色散测量方法。采用射频谱分析仪和波长扫描的方法，研究人员能够直接检测脉冲序列的周期性脉冲时变。与此同时，研究人员采用一个异步锁模光纤孤子激光器作为波长扫描脉冲光源，成功进行了实验，从而验证了这种方法的可行性。图5.1所示是研究人员提出并设计的10GHz异步锁模（ASM）掺铒光纤孤子激光器的实验装置示意图。

图5.1 10GHz异步锁模（ASM）掺铒光纤孤子激光器的实验装置示意图
未来的光网络必须是复杂可重构的网络，以便实现动态数据流分配和减轻系统损伤的需要。因此，我们需要对其中的光通信系统参数进行实时的性能检测，当然也包括监测调制器的啁啾特性。例如，光纤的色度色散就是一个随着外部环境变化和网络路径重配置的物理变量。而强度调制器的残余相位调制过程也常被利用来调节光脉冲压缩的比例，以弥补色度色散的负面影响。正如我们所知，马赫-曾德尔外部调制器啁啾特性的出现，是来源于其结构中两块波导不对称的调制指数和驱动电压最终形成的干涉型消光比变化。因此，调制器也必须被设计为其啁啾可调的，以满足系统中动态色散补偿的需要。目前，较为流行的实验室分析外部调制啁啾的研究方法主要包括边带的光谱分析法和信号光纤响应电谱的分析法，但更有效的测量数据调制信号的动态啁啾损伤检测技术是使用单色仪和阵列波导光栅进行检测。来自美国国家标准技术局的研究人员提出并实验实现了一种基于线性光采样过程来监控外部调制器频率啁啾的网络检测技术。研究人员同时报道了他们同时测量强度和相位的数据调制信号波形关键参数的过程，也比较了数据调制和正弦波调制的测量过程。这一高灵敏度技术的提出可以解决23dB消光比对于马赫-曾德尔外部调制器频率啁啾的负面影响问题，与以往方法不同的是，研究人员实验过程中没有采用单色仪和用于分析色散的光纤。图5.2所示是研究人员为了测量外部马赫-曾德尔调制器啁啾提出并设计的线性光采样实验系统配置示意图。

图5.2测量外部马赫-曾德尔调制器啁啾的线性光采样实验系统配置示意图
6、传感器
表面等离子体共振（SPR）传感器主要组成部分是一块光波导，该波导当然也必须和常规的平面波导相兼容，但是因为它的尺寸更小，更结实和能够进行多信道传感因此引起了研究人员的极大关注。之前，人们对于表面等离子体共振传感器的研究仅局限于（2-D）二维模型，但二维模型并不能完全反映实际表面等离子体共振传感器的三维（3-D）特性，其原因是横向的一维常常没有被研究人员所考虑。因此来自日本东京法阵大学电子系的研究人员已经应用三维光束传播（BPM）的方法来估计表面等离子体共振传感器三维模型的基本特性。但是，三维模型的共振波长吸收压力包含了单模波导的特性，这在相应的二维模型中是少见的。因此从本质上而言，这种方法和以前的二维模型研究方法没有区别。所以，日本东京法阵大学电子系的研究人员在本期研究了一种光定向结构来改进表面等离子体共振传感器三维模型的三维光束传播方法，同时测量其共振波导的吸收压力。相比较二维模型而言，研究人员的计算结果显示支持高阶模式的宽芯光波导能导致强吸收效应的发生。图6.1所示是研究人员设计的表面等离子体共振光波导传感器的横截面示意图。

图6.1 表面等离子体共振光波导传感器的横截面示意图
7、光电探测和光电接收技术
近年来，基于镓氮（GaN）的半导体材料已经引起了研究人员的广泛关注。因为基于镓氮的半导体材料具有很高的直接带隙能量，所以它们在短波长应用领域的光发射机中具有特别的用途。实际上，基于气相沉积法（MOCVD）的镓氮半导体蓝绿发光二极管在我们的日常生活中已经得到了广泛应用。当然，这些材料也被使用在制造可见盲紫外（UV）光探测器（PD）的过程中。可见盲紫外光探测器是一个极其重要的光器件，因此它被广泛使用于例如导弹发射，空间光通信和可见盲紫外光探测等民用和军事领域。迄今为止，已经有许多不同类型的可见盲紫外光探测器结构被报道。其中，基于金属-半导体-金属结构（MSM）的镓氮光电探测器由于具有易制备和与晶体管可以有效集成的优点，因此具有潜在的发展优势。来自中国台湾国立成功大学先进光电子研究中心、微纳科学与技术研究中心、电子工程系和微电子研究所的研究人员设计和报道了一种基于常规平坦蓝宝石衬底和纳米模板的金属-半导体-金属镓氮光电探测器的制造过程。相比较以往采用常规平坦蓝宝石作为衬底的方案，这种基于纳米模板的设计方法由于改良了晶体质量，所以其制造的光电探测器中漏电流明显减少。采用这种方法，我们可以实现光敏增益的减少，并提升紫外光到可见光的抑制比。图7.1所示是研究人员设计并提出的基于纳米模板工艺制造光电探测器的示意图。

图7.1 基于纳米模板工艺制造光电探测器的示意图
高性能集成光子回路光器件，例如收发器和分叉复用器在目前和下一代光波分复用通信系统中将发挥不可替代的作用。基于硅和绝缘体上硅材料的平面光子回路通常被用来制造一些光器件，包括光波导、光滤波器、光交叉开关、可变衰减器和电光调制器。实际中，为了保证一些光子微系统稳定无误码的正常运行，需要一些光功率测试设备来测量整个光子回路的光功率。光功率监视器常常作为一个独立模块在局部光终端被连接到光纤上或者混合光器件上，其中的电子集成过程也提供了紧凑、价格低廉和更稳定性的集成特性。基于硅平面的近红外监测器的集成虽然目前是一项非常具有发展前景的技术，但在芯片上与电子器件的集成过程它仍然面临挑战。从某种程度上而言，基于硅锗材料外延生长的先进技术已经在近几年实现了很多成功的应用，其中一项就包括在带宽值达49GHz，1.55微米波长上，速率高达10Gb/s入射光检测器中的应用。导光硅锗光电探测器更适合光子集成回路应用的原因是它在1.55微米波长40GHz情形下工作时，响应度高达1A/W。来自意大利罗马大学电子工程系光子和光电子实验室的研究人员提出并在基于绝缘体的硅光芯片上实现了单片集成电路光功率监测器的集成和测试。这一设备包含具有互阻抗前置放大器的浓缩锗材料的近红外波导光电探测器。该设备在1微瓦和0.1微瓦运行时信号功率监测值低于10纳瓦，并且错误率低于0.2%和2%。图7.2所示是研究人员设计并提出的硅锗波导光电探测器及其响应度和暗电流关系的示意图。

图7.2硅锗波导光电探测器及其响应度和暗电流关系的示意图
8、模拟和射频光子学
人们对于宽带无线通信日益发展的提出带宽增加要求，必然导致超宽带（UWB）通信技术和毫米波（mm-wave）通信技术的发展。我们知道，毫米波信号在经过人造和天然物体之间存在非常高的路径损失和信号衰减，但是它在构建微微蜂窝小区时具有潜在的发展优势。然而，一个不容忽视的因素是极小尺寸微微蜂窝小区的构建需要数量巨大的远端天线单元（RAUs），从而形成有效的覆盖区域。正如我们所知，在许多建筑物中人们铺设的多模光纤（MMF）数量远远高于单模光纤（SMF）数量，因此微微蜂窝网络中怎么有效利用如此大量的现有多模光纤是一个值得关注的问题。近年来，有大量的实验证明了在不同长度单模光纤上数Gbit/s量级毫米波的信号传输过程。在这些通信系统中，幅移键控调制（ASK）具有较低的频谱效率，为了使用更多的带宽，载波将被搬移到毫米波段，面临的挑战则是未来需要产生更高频谱效率的光毫米波。另外，一些双向传输的实验也被报道，但它们关注的重点却是下行（DL）链路信号的传输，当然也有一些独立的下行和上行（UL）链路的实验被研究人员报道。目前，实验已经报道了基于单模光纤和多模光纤传输的中频（IF）调制多进制信号在远端天线单元附近被上变换成毫米波的过程。然而，这些实验仅仅报道了单载波的正交幅度调制（QAM），既没有使用正交频分复用（OFDM）无线信号，也没有使用实际的无线局域网（WLAN）信号。除此之外，所有报道的通信系统中，集成的无线传输链路仅仅是指定距离的无线传输链路，实际中在远端天线单元还包含有射频（RF）放大器，它可以保证更长距离的无线信号传输，这一点之前研究人员并没有考虑。因此，我们有必要定义一个在远端天线单元和移动终端（Mu）之间的最小信号传输距离，以确保移动终端内部的射频放大器不被在此范围内的远端天线重复驱动。来自英国卡特伯雷肯特州立大学宽带通信和无线通信研究中心的研究人员之前已经在在指定的无线信号覆盖范围内进行了多进制正交幅度调制（16,64,256正交幅度调制）信号的传输实验，并报道了在20公里长度光纤传输后，无线信号对办公区域的全覆盖实验过程。尽管研究人员之前进行的实验仅仅涉及到信号的下行链路传输，在本期文章中，研究人员使用了实时的符合IEEE802.11g标准来自接入设备（AP）的无线局域网信号，并进行了完整的双向传输实验，以全面考察其在通信网络中的传输性能。研究的目的是证明研究人员提出的毫米波通信系统有能力在相关的无线信号覆盖区域实现无线局域网的运行。实验中，研究人员将无线接入设备通过双向传输链路连接到远端天线单元。下行链路的远端天线单元工作在25.2GHz频段，上行链路的工作频率则是符合常规无线局域网要求的2.452GHz。研究人员设计的实验系统在12.8*7.2平方米的范围内工作，并不再受特定无线信号传输距离的限制。图8.1所示是研究人员设计并实验提出的全链路实验方案配置示意图。

图8.1全链路实验方案配置示意图
9、网络及子系统
随着宽带接入网络和交互式高带宽通信系统的广泛应用，互联网的流量在过去十年得到迅猛增长。因此，传输和交换必须重新规划以适应网络流量迅猛增长的迫切需求。最先进的密集波分复用（DWDM）通信技术在单根光纤上目前最高可以实现32Tb/s的数据流量传输。即便如此，采用最高速的光交换技术也无法跟上这一传输速度所要求达到的交换速度，最根本的限制来源于光分组交换的过程中缺乏可行的光随机存储器（RAM）以保证实现光信号的缓存，这也是光分组数据包在通信网络上光信号传输过程中解决其竞争和冲突的关键问题。因此，在光分组交换系统中进行有效的光缓存是全光分组交换网络进一步发展的瓶颈。目前最流行的波长路由光分组交换网络结构需要配置波长转换器，并根据传输控制协议转换将输入的光波长输出到指定的输出光波长上；另外，波长转换路由器还需要通过光纤延时线（FDL）或慢光器件获得近似的缓存时间，来保证路由转发的过程以完成波长变换后光数据分组信号的传输。在这样的光分组交换结构中，光分组交换数据流的控制强烈依赖于在光分组数据网络中应用的复杂有源器件。因此，实现光分组交换过程的主要目标是尽量缩减有源器件的数量，以尽可能简化光信号传输的控制过程，同时减少来自于这些有源设备间的信号冲突。来自中国台湾新竹国立清华大学光子技术研究所和通信工程研究所的研究人员提出并实验报道了在光缓存单元和输出端口分别采用宽带光纤布拉格光栅和阵列波导光栅以减少光器件数量，并同时简化光信号传输控制的一种新型多功能全光分组交换结构。这种新型多功能全光分组交换结构的光开关有三种不同的功能，它们是：光信号先进先出复用，光信号交换和光信号分插复用，这三种功能在实际的运行过程中都表现出可以忽略不计的功率代价消耗。图9.1所示是研究人员设计并实验提出的光分组交换网络结构和波长分配的示意图。

图9.1光分组交换网络结构和波长分配的示意图
在相干光通信系统中使用数字相位估计（PE）技术可以实现光信号的载波同步，并且其优点体现在采用数字相位估计技术不需要要光信号锁相环的配置，而仅仅只需要配置一个本地振荡光信号源。近年来，不同的数字相位估计算法被研究人员提出，同时研究人员也采用数值仿真或离线处理的方式证明了16进制正交幅度调制（16-QAM）方式是下一代100Gbit/s光通信传输系统最有发展潜力的调制格式。在14G波特率的偏振复用波分复用（WDM）光通信系统中，研究人员证明采用16进制正交幅度调制可以达到6.2b/s/Hz的谱效率。综上所述，16进制正交幅度调制是现有光纤网络中提高通信容量最具有发展潜力的调制方式。来自英国米德尔塞克斯郡特灵顿国立物理研究所的研究人员在16进制正交幅度调制相干光通信系统中，使用四相相移键调制控星座图分割法研究了激光器的线宽容限，这种方法的独特之处体现在把方形16进制正交幅度调制得到的星座图分割为四相相移键控调制的星座图来讨论载波相位的恢复。此外，这种算法应用于不同比特分辨率的模数转换过程也被研究人员展示出来。图9.2所示是研究人员设计并提出的将方形16进制正交幅度调制星座图分割为四相相移键控调制星座图的示意图。

图9.2将方形16进制正交幅度调制星座图分割为四相相移键控调制星座图
针对宽带服务的带宽增加需求，例如高清晰度互联网协议电视（HD-IPTV），数字电影，电子显示和在线游戏等通信服务，未来我们需要发展有更高数据传输速率的光接入网络。因此，无源光网络（PON）的结构对于最后一公里光信号的接入是最佳选择，其原因是无源光网络具有高容量和低成本的发展优势。目前，一些时分复用的无源光网络（TDM-PON）结构已经被研发成功并形成了标准化，例如宽带无源光网络（BPON），以太网无源光网络（EPON）和Gbit无源光网络（GPON）。今天，这些无源光网络都被用来作为互联网业务提供商（ISP）采用的业务承载网络。实际上，高达10Gb/s的时分复用无源光网络（TDM-PON）并不能充分满足未来多媒体业务持续增长的带宽需求。因此，下一代无源光网络支持的传输速率将达到40Gb/s甚至更高。当然，现在采用单信道传输速率为40Gb/s的光信号传输系统在技术上是可行的，然而这一传输速率将在光网络中限制开光键控（OOK）调制信号的传输距离，其原因是光纤色度色散的负面影响。此外，商业用途的40Gb/s突发模式的光信号接收机（Rx）运行不稳定也是40Gb/s传输速率时分复用无源光网络中系统运行的主要限制因素。进一步而言，为了缩减未来的光纤接入光网络的成本耗费，长距离（LR）无源光网络也被研究人员提出并开展相关的实验研究。来自中国台湾新竹工业技术研究中心（ITRI）和信息与通信研究实验室（ICL）的研究人员提出并实验报道了一种简单有效的方案，即采用四路波分复用10Gb/s外调制开关键控调制信号同时进行上行和下行光信号传输，来构造对称40Gb/s长距离（LR）时分复用无源光网络结构的方案。此外，在没有色散补偿的情形下，该网络结构中光通信系统的长距离传输性能和光信号功率比也被研究人员仔细分析和研究。图9.3所示是研究人员设计并实验提出的长距离时分复用无源光网络结构的示意图。

图9.3长距离时分复用无源光网络结构的示意图
众所周知，光正交频分复用（OFDM）技术在近年引起了研究人员的广泛关注，其原因是它具有可变的光谱效率并对光纤色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）负面影响具有超强的抵抗特性。迄今为止，人们研究的光正交频分复用系统不外乎是相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统和直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）系统。相比较相干光正交频分复用系统而言，直接检测光正交频分复用系统使用更简化的硬件设备和低复杂度的信号处理过程，但是其具有更差的接收灵敏度，当然，这两种光正交频分复用系统在下一代城域网络和长途陆地传输系统中都是一种可供选择的光通信系统。直接检测光正交频分复用系统的一个突出优势还体现在它可以降低对激光器的线宽（LW）要求，相比较相干光正交频分复用系统中高造价的外腔激光器（ECL）而言，低造价的分布反馈式（DFB）激光器有几兆的线宽，通常是更适合直接检测光正交频分复用系统的应用，因为在载波和边带之间可以更好地恢复相位。然而，由于光纤中色度色散的影响，随着传输距离的增加，光载波和边带间的走离效应将使得相位失配，从而在检测信号的过程中出现明显的相位噪声（PN）负面影响。这一现象被研究人员首先在12.5Gb/s数据传输速率光信号（32进制正交幅度调制（QAM））320公里的光纤传输实验中发现。然而，在直接检测光正交频分复用系统中，相位噪声特性是不同于相干光正交频分复用系统中相位噪声特性的，这一特性的差别应该从基于系统设计的角度进行细节上的区分。来自中国台湾新竹国立交通大学光电工程研究所和光子学系的研究人员在直接检测光正交频分复用系统中对激光器的相位噪声负面影响进行了深入研究，并将其和相干光正交频分复用系统中的相位噪声特性进行了比较。基于不同正交幅度调制格式的光正交频分复用系统中出现的相位噪声被研究人员详细分析，同时研究人员还设计并提出了保证光信号可靠接收的误比特率估计算法，而且研究人员提出的这种相位估计算法引入的光信噪比（OSNR）代价值低于2dB。图9.4所示是研究人员设计并提出的在直接检测光正交频分复用系统中检测激光器相位噪声的示意图。

图9.4直接检测光正交频分复用系统中检测激光器相位噪声的示意图
我们知道，在偏振复用四相相移键控（PDM-QPSK）光信号传输系统中，相干接收机的引入被证明能够有效地补偿光信号的线性失真。另一方面，高速光信号数字处理的过程是极其消耗功率的，并且需要研究人员花费大量的精力进行研发。迄今为止，相干光实时偏振复用四相相移键控光信号接收机已经实现单个光载波50Gb/s的调制速率，而更高光信号调制速率的数字信号处理过程则是离线的。由于在许多常规的光纤传输链路上需要补偿色度色散（CD）和适度补偿偏振模色散（PMD），应用差分四相相移键控光信号的直接干涉检测技术是更有效的方法。目前，实时偏振复用四相相移键控光信号传输系统的比特速率被实验证明最高可达200Gb/s。来自德国帕德博恩大学的研究人员提出并实验报道了50G波特率偏振复用归零码四相相移键控信号的实时传输方案，基于每符号四比特调制的实验中，研究人员配置了涵盖五个光纤传输段，总长度达430公里的光信号传输链路，来实现单载波200Gb/s实时光信号的有效传输。实验中，研究人员使用了一个光信号分离器和一个带有干涉检测功能的自动光增益控制器，以实现两路偏振复用四相相移键控光信号的解调。研究人员首次对速度高达40krad/s的偏振复用四相相移键控光信号进行了有效跟踪。研究结果还进一步证明了干涉型直接检测方法对偏振复用光信号检测的可行性。图9.5所示是研究人员设计并实验提出的传输速率高达200Gb/s，采用偏振复用四相相移键控调制的光信号传输系统的实验装置示意图。