光通讯十年研究论文点评

    2/13/2008,已经到了二月中旬，可是一月的JLT还没有出版，所以只好暂时将一月的评析任务放在一边。每到年终都看到各种各样的点评，所以干脆我就在这期对十年来的光通讯研究论文做一个概要的点评。光通讯包括的研究内容不胜枚举，所以要做到总结回顾也并不容易。既然称为点评，索性就仿照电视上大大小小年终点评的格式，针对十年来研究最密集的几个主题，简单扼要的做个总结。
一．光网络与系统：
波分复用（WDM）：
技术概要：不同的波长载有不同的信息，通过波分复用器复用在一根光纤内传输。WDM技术已经广泛研究了二十多年，已经解决了主要的技术难题，正由实验室走向实用化。
论文数目：2280。十年内共有2280篇发表在英文国际核心期刊上的论文，可以称为光网络与系统方面研究最密集的一个主题。
研究焦点：回顾十年来的WDM研究论文，可以发现当前的研究有两个焦点，一是降低成本。二是提高系统灵活性。
成本是决定WDM技术能否真的走向实用化的关键，目前就如何降低WDM成本的研究主要有两个内容，一是降低光收发的成本，例如采用大范围可调发射器、光源中央化（仅在OLT使用一个光源）、光源无色化等；另一个是实现波长再利用，即下载信号波长被上载信号再利用。
网络系统灵活性是决定WDM能否提供更高服务质量的关键。关于这个问题的研究内容很多，如融入组播功能、增强安全性、与IP协议兼容等。
代表论文：之一Yijun Xiong, et al, “Control architecture in optical burst
 switched WDM networks”, IEEE journal of selected areas in communications, 
18(10): 1838-2071, 2000. 来自Alcatel公司的研究论文，是增强系统灵活性的典范。作者解决了直接在WDM链路上传输IP数据包的技术问题，并解决了如何在系统里实现光突发模式交换的细节问题。论文共被引用131次，是目前WDM相关研究上被最多关注的论文。
    之二 Biswanath Mukherjee, “WDM optical communication networks:
 progress and challenges”, IEEE journal of selected areas in communications,
 18(10): 1810-1824, 2000. 与上篇论文发表在同一期刊同一期上，这期是该杂质8年前办的一个关于WDM的专刊。该论文被引用96次，受关注度仅次于前面那篇。受关注原因在于其教科书式的知识普及，是从事WDM研究者的入门必读论文。此外其于八年前对WDM技术趋势的预测从今天看来也非常准确，这也是该篇文章备受推崇的亮点之一。
技术点评：技术无限好，成本是关键。
光码分多址复用接入（OCDMA）：
技术概要：是利用光纤的丰富带宽和高速的光信息处理技术，将数据信号扩频成光脉冲序列，经光纤传输后，再利用光学相关技术实现解码的技术；是将扩频多址射频同轴连接与大容量的光纤通信技术相结合的通信方式，能更有效地弥补微波通讯带宽不足的缺陷。与WDM相比优势在于简单灵活与高安全性。
论文数目：506。在光接入方案研究的广度上，OCDMA技术是十年内仅次于WDM的技术。但其真正火热的被研究仅起始于04年。
研究焦点：由于OCDMA研究历史短，因此需要解决的细节问题很多。主要研究方向包括：编解码方式的实现与改进，目前已经有的编解码技术有利用阵列波导光栅（AWG）和采样光纤光栅两种，大量研究正围绕这两种技术进行改进；提高安全性，OCDMA相比WDM的一个优势就在于其安全性高。因此大量研究针对其安全性做文章，力求锦上添花；系统实验，由于技术不成熟，因此大量的实验被开展，以对系统工作情况作实测研究。
代表论文：之一 Andrew Stok, et al, “The role of optical CDMA 
in access networks”, IEEE CommunicationsMagazine, 83-87, Sep., 2002. 文如其名，以最浅显的描述概况OCDMA在光接入网中的角色：灵活，不需要对现有光网络进行大的改变；网络控制管理简单，这决定了其有望实现低成本；安全性高，这决定了其具有独特的军事保密应用。
          之二 Zou Wei, et al, “Modified quadratic congruence codes for
 fiber Bragg grating based spectral amplitude coding optical CDMA systems ”,
 Journal of Lightwave Technology, 19(9): 1274-1281, 2001. 最受关注的OCDMA技术文章，作者针对谱相位编码的OCDMA应用，提出了一些新的码型，以抑制强度噪声，改进系统性能。并基于光纤光栅，构建了新的光收发模块。
技术点评：简单可靠，但问题多多，扮演迈向WDM时代过度技术的角色。
光交换：
技术概要：现在的光网络交换技术有光路交换（OCS）、光分组交换（OPS）和光突发交换（OBS）三种。简单总结三种交换模式的关系为，OCS简单但缺点多，OPS技术最被看好，但瓶颈较难突破，OBS为两者的过度技术。
论文数目：1335篇。光交换是光网络里研究密集度仅次于WDM的技术。而其中占一般比例的又是OBS技术的研究。因为研究者普遍认为，OBS是最有希望商用的性能较优的光交换技术。
研究焦点：OBS的具体应用，特别是针对IP基的WDM应用，有着广泛密集的研究；此外以光标签交换的OPS网络也是一个研究重点。
代表论文：Chunming Xiao, et al, “Optical burst switching (OBS) 
– a new paradigm for an optical Internet”, Journal of High Speed Networks
 8(1): 69-84, 1999. 该篇论文累积被引用265次，这在光通讯领域里是罕见的高引用率。文章发表在一个综合看来并不太好的期刊上，却得到了其应有的重视，可谓真金不怕火炼。该篇可看作OBS应用研究的开山之作，作者描述了OBS协议的一般性概念，并对面向IP基WDM应用阐明了一些基本问题。并重点描述了基于恰量时间（JET）的OBS协议性能，对延时线使用等具体问题也做了介绍。
技术点评：高效透明容量大是OBS的优势，大型城域网应用前景很受看好。
差分相移键控(DPSK)：
技术概要：如果留意过PTL和JLT评析的朋友都会知道，DPSK是近年来研究非常火热的技术。原因在于DPSK调制格式有两个显著优势，一是接收灵敏度很高，二是对各种信号损伤具有天然的抵御力。后者尤为重要，因为DPSK受到关注是伴随着近年来高速大容量网络的推广应用而开始的。在低于10Gb/s的系统里，非线性损伤的影响并不明显，但对40Gb/s及以上的高速网络，非线性成为决定系统性能的最关键因素，因此在未来高速大容量网络里，DPSK成为最具潜力的信号调制格式。
论文数目：336。关于光调制格式的论文有很多，但仅针对DPSK的就有336篇，足见其受关注度。
研究焦点：对DPSK的研究与别的技术不同，因为其研究焦点不在技术本身，而在其应用上，一大堆的论文都在证明一个道理，使用了DPSK格式，能够获得更好的性能，能够实现更远的传输距离。此外，DPSK的推广也诞生了另一个独特应用，即在强度调制信号基础上，再次进行DPSK的相位调制，这也是提高光谱利用效率的一个有效手段。
代表论文：之一 Hoon Kim, et al, “Experimental investigation of
 the performance limitation of DPSK systems due to nonlinear phasenoise”, 
IEEE Photonics Technology Letters, 15(2): 320-322, 2003. 以58次的引用位居该主题之首。论文从实验角度阐述了非线性如何影响DPSK，进一步指出虽然DPSK对非线性公差大，但仍会受其影响。
          之二 Peter Hoeher et al, “’Turbo DPSK’: iterative differential
 PSK demodulation and channel decoding”, IEEE Transcitions on Communications, 
47(6): 837-843, 1999. 多阶调制是进一步提高光谱效率的有效手段，该篇论文就从如何对多阶DPSK解调的角度来探讨这一问题。
    以上两篇论文都是从DPSK技术本身出发的研究代表。但正如前面所述，这类问题在整个DPSK论文中是凤毛麟角的。绝大多数在于其在高速大规模网络里的应用研究。但这些论文非常散乱，因此无法具体说哪篇具有代表性。
技术点评：是未来高速大容量网络不可或缺的信号调制方式。
偏振模式色散（PMD）：
技术概要：前面提到DPSK对高速大容量网络的重要性，原因在于其对信号损伤的良好抵御力。而在众多信号损伤因素里，PMD是最受研究者关注的一个。PMD来源于光纤的双折射，因两个偏振分量在光纤里具有不同的有效折射率，这样在传输一段距离以后，由于光程差的不同而让两个偏振的信号有了滞后，进而产生误码。以上只是一个简单描述，但事实上PMD对信号的作用异常复杂，是个高阶非线性问题。这些暂且抛在一边，如果查看早起的光纤技术指标，会发现经常忽略了这一项指标。而最近十年PMD被如此关注，其原因也在于高速大容量网络的推广。可见应用决定一切。
论文数目：411。单对一个网络损伤指标，十年就有411篇论文发表在主要英文期刊上，受关注度可见一斑。
研究焦点：和DPSK形成鲜明对比。对PMD的研究一多半以上围绕技术本身。分析其对信号影响的机理、各阶次的影响差异性、分析方法、如何测试以及如何补偿等等。PMD对信号影响的一个特色就在于会和其它信号损伤，如偏振相关损耗（PDL）交互作用，产生1+1>2的危害。这些都是研究焦点。因此凡遇到从事PMD研究的人，我都会异常佩服，因为实在需要非常深厚的数学功底。随便拿起一篇PMD相关的论文，几乎都会看到密密麻麻的公式，让人头大。
代表论文：J. P. Gordor, et al, “PMD fundamentals: polarization
 mode dispersion in optical fibers”, PNAS, 97(9): 4541-4550, 2000. 这是一篇典型的PMD入门指导，详细论述PMD的概念和计算分析方法，全篇都是公式推导。以154次的高引用率位居同类论文之首。
技术点评：随着近十五年的轰炸式研究，PMD的理论研究已趋成熟。关于缺陷本身的研究即将淡出江湖，对未来研究，如何有效补偿才是关键。

二．光无源器件：
光纤：
技术概要：标准单模光纤（SMF）作为整个光通讯的基础载体，本身已经没有什么太大的研究价值。因此光纤这部分的研究主要集中于非SMF的研制与运用。例如多模光纤在短距离传输中的运用，塑料光纤的制作工艺以及相关器件发展等。此外基于光纤本身的器件也层出不穷。
论文数目：5071。一个相当庞大的数字，把所有这些论文打印收集起来可以堆满整张桌子。
研究焦点：所有光纤相关研究内容里，多模光纤、塑料光纤和光子晶体光纤是研究最多的主题。此外特种光纤，如保偏光纤等也有许多研究。所有这些当中如果选出一个“最”受关注的，当属光子晶体光纤。光子晶体虽然被研究了好多年，但真的成功商用的只有光子晶体光纤一种，且其独特结构和光谱特性，推动了许多全新的光学应用。
代表论文：之一 J. C. Knight, et al, “Anomalous dispersion 
in photonic crystal fiber”, IEEE Photonics Technology Letters, 12(7): 807-809, 2000. 有关光子晶体光纤的最早期实验结果，研究了其群色散特性。对后期光子晶体光纤在光孤子传输，以及超快脉冲发射方面的众多应用具有启蒙意义，累积引用达212次。
          之二 B. J. Eggleton, et al, “Microstructured optical fiber devices,”
 Opt. Express 9, 698-713 (2001). 是对光子晶体光纤孔洞形状以及光学特性的最全面研究，最有指导意义的就是其探索了基于微结构光纤的改进加工工艺，例如写入光纤光栅等。从而为光子晶体光纤的应用打开了方便之门。
技术点评：光纤已经不再单纯以一个细小圆柱玻璃的形式展现在人类面前。光纤的材料和结构越来越多样化。其应用也不再仅局限在信号传输载体。光纤未来的发展有望迎来一个全光纤器件时代。
光纤光栅（FBG）：
技术概要：最初的FBG是利用掺锗光纤在紫外光照后芯层折射率会改变的原理，在光纤内通过掩膜紫外曝光让芯层产生周期性折射率变化，形成光栅结构。根据光栅周期的差异，短周期的为FBG，长周期的称为LPG。后者是光纤传感最重要的应用结构之一，而前者则是光通讯里最重要的无源器件之一，涉及从收发器到传输，到管理维护的方方面面应用。
论文数目：1418。涵盖了从光有源无源器件，到全光网络应用的各个层面。
研究焦点：最时髦的研究是具有任意折射率分布的FBG设计、制作以及应用。这种啁啾FBG能够获得各种特殊的光学特性，从而可以具有许多独特应用。工艺上，也力求抛弃掩膜曝光技术，而采用双光束干涉，并精确控制平台走位来实现各种复杂折射率分布。
代表论文：之一 Ricardo Feced, et al, “An efficient inverse 
scattering algorithm for the design of nonuniform fiber Bragg grating”,
 IEEE Journal of Quantum Electronics, 35(8): 1105-1115, 1999. 这是一篇就啁啾FBG设计的理论文章，被奉为非均匀FBG设计制作的经典之作。
    之二 Morten Ibsen, et al, “Sinc-sampled fiber Bragg gratings for 
identical multiple wavelength operation”, IEEE Photonics Technology Letters,
 10(6): 842-844, 1998. 非常规折射率分布的最初实验结果，引用超过百次，对后期色散补偿甚至OCDMA的编解码应用都有参考价值。
技术点评：在光纤内写入光栅，比外接平面波导器件具有更可靠的特性。特别随着啁啾采样Bragg光栅技术的成熟，FBG已经融入光通讯的方方面面，成为最重要的无源器件。
环形共振器：
技术概要：器件基于平面波导集成技术制作，结构很简单，两根直波导中间有一个圆环波导。当由一根直波导内输入的入射波长恰好与一定半径的圆环结构发生共振时，光便经过共振环进入了另一根直波导。简单的结构和简单的原理，却让该器件具有了难以想象的广阔应用。
论文数目：396。一个简单的结构被如此广泛的研究，足以证明其实用价值。
研究焦点：研究热点在应用，光学滤波，光开关，波分复用，以及光学信号处理等等。而结构设计上，也是以应用为目标，对现有简单结构进行拓展。所以翻开环形共振器的论文，经常看到的是直波导和圆环的各种排列组合。
代表论文：之一B. E. Little, “Ultra compact Si-SiO2 microring 
resonator optical channel dropping filters”, IEEE Photonics Technology Letters,
 10(4): 549-551, 1998. 环形共振器结构的最早期研究成果，面向滤波使用，以硅基底二氧化硅集成工艺制作了器件。
    之二 John E. Heebner, et al, “Enhanced all optical switching by use of
 a nonlinear fiber ring resonator”, Optics Letters, 24(12):847-849, 1999. 证明该共振环也可以用全光纤结构实现。
    之三 B. E. Little, “Very high order micrioring resonator filters for WDM 
applications”, IEEE Photonics Technology Letters, 16(10): 2263-2255, 2004.所谓高阶共振，就是在两根直波导间使用多个共振圆环。高阶滤波的作用就像通常的多层薄膜，薄膜镀多层不容易，但环形共振器你想制作多少个共振环都容易实现。这也是环形共振环得到重视的根本，其可以取代许多经典光学结构。
技术点评：简单的结构不简单的价值。

三．有源器件：
激光器（单纯指半导体激光器和光纤激光器）：
技术概况：光通讯方面应用的激光器有半导体激光器和光纤激光器两种。但细分的话，品种可以说是五花八门。但对光网络而言，光源的成本仍是整个系统成本的重头戏。因此尽管光源种类不少，但适合应用的却也不容易找。
论文数目：6144。是光通讯相关主题里研究最多的内容。有这么多论文其实并不奇怪，单就半导体激光器而言就横跨了光学、理论物理、材料、电子等多个研究学科。
研究焦点：理论和工艺都有不少研究。单就器件类型来看，目前最热的有垂直腔面辐射激光器（VCSEL）、量子点激光器、分布反馈激光器等研究内容。而最近两年，研究最多的则是量子阱和量子点激光器。
代表论文：K. Nakahara, et al, “1.3 μm continuous wave lasing 
operation in GaInNAs quantum well lasers”, IEEE Photonics Technology Letters,
 10(4): 487-489, 1998. 和D. L.Huffaker, “1.3 μm room temperature GaAs 
based quantum dot laser”, Applied Physics Letters,78(18): 2564-2566, 1998. 同年发表在同一波段实现的半导体激光器，分别基于量子阱和量子点结构，同时被奉为半导体激光器研究论文的经典，引用超过150次。
技术点评：种类虽多，但性能互有优劣，如何有效取长补短，是光源研究面临的最大问题。
光调制器：
技术概要：光调制器基于的原理有很多，如热光效应、电光效应等等。目前比较常用的有电光调制器和电吸收调制器两种。最常用的光调制器是基于铌酸锂材料的电光调制器，能用于40Gb/s以下的直接光调制。
论文数目：734。不大不小的数量，决定了不温不火的研究现状。
研究焦点：有两个，一个是高速，另一个是集成。都是针对现有商用的铌酸锂调制器而言，因为铌酸锂调制器很难实现超过40Gb/s的调制，也因为它的晶体结构，不利于半导体集成。对高速调制而言，有利用聚合物等材料实现200Gb/s调制速率的报导。而对集成而言，采用基于半导体材料的电吸收调制器是最受推崇的技术。
代表论文：Beck Mason, et al, “Widely tunable sampled grating
DBR laser with integrated electroabsorption modulator”, IEEE Photonics
Technology Letters, 11(6): 638-640, 1999.目前光调制器和激光器集成在一块芯片上共同组成光收发模块已经成为主流技术。调制器与光源已经成为不可分割的共同体。
技术点评：更快的速度更高的集成是永久的目标。
光接收器：
技术概况：在光通讯里，光接收器负责在光网络的最终端对调制的光信号进行探测解调。响应速度快和敏感是对该类器件的最根本要求。
论文数目：262。平均每年不到30篇的研究论文数目表面该主题的研究目前处于趋冷状态。
研究焦点：和光通讯里别的主题明显不同，光接收器的研究一直处于被动地位。可以说是别的技术研究的附属品。比如OCDMA技术火了后，就有人试图研究如何对OCDMA系统信号进行最高效的解调，再比如DPSK调制格式被广泛的研究了，就有人研究如何对该格式信号进行高灵敏度解调。
代表论文：Sina Zahedi, et al, “Analytical comparison of
various fiber optic CDMA receiver structures”, Journal of Lightwave Technology,
18(12):1718-1727, 2000. 和 A. H. Gnauck, et al,“Demonstration of 
42.7 Gb/s DPSK receiver with 45 photons/ bit sensitivity”, IEEE Photonics 
Technology Letters, 10(4): 487-489, 1998.如前所述，两篇论文分别从理论和实验角度对OCDMA系统和DPSK调制格式的接收器设计做了研究。
技术点评：新的光通讯应用总是带来改进的接收器结构，但对接收器技术而言，接下来几年也不会有更大的研究突破了。