2010年05月01日PTL光通信論文(二)
發(fā)布時間：2010-09-08 08:54:13 熱度：8177
2010年05月01日PTL光通信論文(二)
5、 測量技術(shù)
我們知道，光纖中的色散效應來源于光纖材料或者光波導的色散聯(lián)合效應，并將由于波長獨立的群時延導致線性光脈沖的展寬。此外，光纖色散也在非線性光纖光子學和超高速光纖光子學領(lǐng)域有許多重要應用。目前，很多文獻已經(jīng)報道了不同的色散測量方法，這些方法可以被粗略地分為以下兩大類：干涉測量法和非干涉測量法。時程延遲（TOF）技術(shù)和調(diào)制相位偏移技術(shù)（MPS）是業(yè)界眾所周知的非干涉測量法，而近年來一些使用超連續(xù)譜脈沖光源的寬帶測量方法也屬于非干涉測量法。當然，干涉測量法也有許多，主要包括時域干涉法和具有窄帶寬和寬帶寬的連續(xù)波頻域干涉法。值得注意的是，基于腔共振效應的特殊技術(shù)，例如自注入激光振蕩方法也屬于干涉測量法。通常而言，非干涉測量法在其安裝簡易性和測量穩(wěn)定性上具有突出優(yōu)勢，但是干涉測量法在測量高靈敏性上具有突出優(yōu)勢。在上面提及的這些方法中，標準的調(diào)制相位偏移技術(shù)是最好的方法，因為它應用起來十分簡便。然而，這種技術(shù)在應用過程中需要通過昂貴的射頻（RF）網(wǎng)絡(luò)分析儀來對射頻調(diào)制的信號進行精確地測量，因此導致成本耗費過高。來自中國臺灣新竹市國立交通大學光子學系的研究人員通過采用周期掃描波長脈沖光源的技術(shù)，提出了一種新型的光纖色散測量方法。采用射頻譜分析儀和波長掃描的方法，研究人員能夠直接檢測脈沖序列的周期性脈沖時變。與此同時，研究人員采用一個異步鎖模光纖孤子激光器作為波長掃描脈沖光源，成功進行了實驗，從而驗證了這種方法的可行性。圖5.1所示是研究人員提出并設(shè)計的10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實驗裝置示意圖。
圖5.1 10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實驗裝置示意圖
未來的光網(wǎng)絡(luò)必須是復雜可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，以便實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)流分配和減輕系統(tǒng)損傷的需要。因此，我們需要對其中的光通信系統(tǒng)參數(shù)進行實時的性能檢測，當然也包括監(jiān)測調(diào)制器的啁啾特性。例如，光纖的色度色散就是一個隨著外部環(huán)境變化和網(wǎng)絡(luò)路徑重配置的物理變量。而強度調(diào)制器的殘余相位調(diào)制過程也常被利用來調(diào)節(jié)光脈沖壓縮的比例，以彌補色度色散的負面影響。正如我們所知，馬赫-曾德爾外部調(diào)制器啁啾特性的出現(xiàn)，是來源于其結(jié)構(gòu)中兩塊波導不對稱的調(diào)制指數(shù)和驅(qū)動電壓最終形成的干涉型消光比變化。因此，調(diào)制器也必須被設(shè)計為其啁啾可調(diào)的，以滿足系統(tǒng)中動態(tài)色散補償?shù)男枰Ｄ壳?，較為流行的實驗室分析外部調(diào)制啁啾的研究方法主要包括邊帶的光譜分析法和信號光纖響應電譜的分析法，但更有效的測量數(shù)據(jù)調(diào)制信號的動態(tài)啁啾損傷檢測技術(shù)是使用單色儀和陣列波導光柵進行檢測。來自美國國家標準技術(shù)局的研究人員提出并實驗實現(xiàn)了一種基于線性光采樣過程來監(jiān)控外部調(diào)制器頻率啁啾的網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)。研究人員同時報道了他們同時測量強度和相位的數(shù)據(jù)調(diào)制信號波形關(guān)鍵參數(shù)的過程，也比較了數(shù)據(jù)調(diào)制和正弦波調(diào)制的測量過程。這一高靈敏度技術(shù)的提出可以解決23dB消光比對于馬赫-曾德爾外部調(diào)制器頻率啁啾的負面影響問題，與以往方法不同的是，研究人員實驗過程中沒有采用單色儀和用于分析色散的光纖。圖5.2所示是研究人員為了測量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾提出并設(shè)計的線性光采樣實驗系統(tǒng)配置示意圖。
圖5.2測量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾的線性光采樣實驗系統(tǒng)配置示意圖
6、 傳感器
表面等離子體共振（SPR）傳感器主要組成部分是一塊光波導，該波導當然也必須和常規(guī)的平面波導相兼容，但是因為它的尺寸更小，更結(jié)實和能夠進行多信道傳感因此引起了研究人員的極大關(guān)注。之前，人們對于表面等離子體共振傳感器的研究僅局限于（2-D）二維模型，但二維模型并不能完全反映實際表面等離子體共振傳感器的三維（3-D）特性，其原因是橫向的一維常常沒有被研究人員所考慮。因此來自日本東京法陣大學電子系的研究人員已經(jīng)應用三維光束傳播（BPM）的方法來估計表面等離子體共振傳感器三維模型的基本特性。但是，三維模型的共振波長吸收壓力包含了單模波導的特性，這在相應的二維模型中是少見的。因此從本質(zhì)上而言，這種方法和以前的二維模型研究方法沒有區(qū)別。所以，日本東京法陣大學電子系的研究人員在本期研究了一種光定向結(jié)構(gòu)來改進表面等離子體共振傳感器三維模型的三維光束傳播方法，同時測量其共振波導的吸收壓力。相比較二維模型而言，研究人員的計算結(jié)果顯示支持高階模式的寬芯光波導能導致強吸收效應的發(fā)生。圖6.1所示是研究人員設(shè)計的表面等離子體共振光波導傳感器的橫截面示意圖。
圖6.1 表面等離子體共振光波導傳感器的橫截面示意圖
7、 光電探測和光電接收技術(shù)
近年來，基于鎵氮（GaN）的半導體材料已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。因為基于鎵氮的半導體材料具有很高的直接帶隙能量，所以它們在短波長應用領(lǐng)域的光發(fā)射機中具有特別的用途。實際上，基于氣相沉積法（MOCVD）的鎵氮半導體藍綠發(fā)光二極管在我們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛應用。當然，這些材料也被使用在制造可見盲紫外（UV）光探測器（PD）的過程中?？梢娒ぷ贤夤馓綔y器是一個極其重要的光器件，因此它被廣泛使用于例如導彈發(fā)射，空間光通信和可見盲紫外光探測等民用和軍事領(lǐng)域。迄今為止，已經(jīng)有許多不同類型的可見盲紫外光探測器結(jié)構(gòu)被報道。其中，基于金屬-半導體-金屬結(jié)構(gòu)（MSM）的鎵氮光電探測器由于具有易制備和與晶體管可以有效集成的優(yōu)點，因此具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。來自中國臺灣國立成功大學先進光電子研究中心、微納科學與技術(shù)研究中心、電子工程系和微電子研究所的研究人員設(shè)計和報道了一種基于常規(guī)平坦藍寶石襯底和納米模板的金屬-半導體-金屬鎵氮光電探測器的制造過程。相比較以往采用常規(guī)平坦藍寶石作為襯底的方案，這種基于納米模板的設(shè)計方法由于改良了晶體質(zhì)量，所以其制造的光電探測器中漏電流明顯減少。采用這種方法，我們可以實現(xiàn)光敏增益的減少，并提升紫外光到可見光的抑制比。圖7.1所示是研究人員設(shè)計并提出的基于納米模板工藝制造光電探測器的示意圖。
圖7.1 基于納米模板工藝制造光電探測器的示意圖
高性能集成光子回路光器件，例如收發(fā)器和分叉復用器在目前和下一代光波分復用通信系統(tǒng)中將發(fā)揮不可替代的作用?；诠韬徒^緣體上硅材料的平面光子回路通常被用來制造一些光器件，包括光波導、光濾波器、光交叉開關(guān)、可變衰減器和電光調(diào)制器。實際中，為了保證一些光子微系統(tǒng)穩(wěn)定無誤碼的正常運行，需要一些光功率測試設(shè)備來測量整個光子回路的光功率。光功率監(jiān)視器常常作為一個獨立模塊在局部光終端被連接到光纖上或者混合光器件上，其中的電子集成過程也提供了緊湊、價格低廉和更穩(wěn)定性的集成特性。基于硅平面的近紅外監(jiān)測器的集成雖然目前是一項非常具有發(fā)展前景的技術(shù)，但在芯片上與電子器件的集成過程它仍然面臨挑戰(zhàn)。從某種程度上而言，基于硅鍺材料外延生長的先進技術(shù)已經(jīng)在近幾年實現(xiàn)了很多成功的應用，其中一項就包括在帶寬值達49GHz，1.55微米波長上，速率高達10Gb/s入射光檢測器中的應用。導光硅鍺光電探測器更適合光子集成回路應用的原因是它在1.55微米波長40GHz情形下工作時，響應度高達1A/W。來自意大利羅馬大學電子工程系光子和光電子實驗室的研究人員提出并在基于絕緣體的硅光芯片上實現(xiàn)了單片集成電路光功率監(jiān)測器的集成和測試。這一設(shè)備包含具有互阻抗前置放大器的濃縮鍺材料的近紅外波導光電探測器。該設(shè)備在1微瓦和0.1微瓦運行時信號功率監(jiān)測值低于10納瓦，并且錯誤率低于0.2%和2%。圖7.2所示是研究人員設(shè)計并提出的硅鍺波導光電探測器及其響應度和暗電流關(guān)系的示意圖。
圖7.2硅鍺波導光電探測器及其響應度和暗電流關(guān)系的示意圖
8、 模擬和射頻光子學
人們對于寬帶無線通信日益發(fā)展的提出帶寬增加要求，必然導致超寬帶（UWB）通信技術(shù)和毫米波（mm-wave）通信技術(shù)的發(fā)展。我們知道，毫米波信號在經(jīng)過人造和天然物體之間存在非常高的路徑損失和信號衰減，但是它在構(gòu)建微微蜂窩小區(qū)時具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。然而，一個不容忽視的因素是極小尺寸微微蜂窩小區(qū)的構(gòu)建需要數(shù)量巨大的遠端天線單元（RAUs），從而形成有效的覆蓋區(qū)域。正如我們所知，在許多建筑物中人們鋪設(shè)的多模光纖（MMF）數(shù)量遠遠高于單模光纖（SMF）數(shù)量，因此微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中怎么有效利用如此大量的現(xiàn)有多模光纖是一個值得關(guān)注的問題。近年來，有大量的實驗證明了在不同長度單模光纖上數(shù)Gbit/s量級毫米波的信號傳輸過程。在這些通信系統(tǒng)中，幅移鍵控調(diào)制（ASK）具有較低的頻譜效率，為了使用更多的帶寬，載波將被搬移到毫米波段，面臨的挑戰(zhàn)則是未來需要產(chǎn)生更高頻譜效率的光毫米波。另外，一些雙向傳輸?shù)膶嶒炓脖粓蟮溃鼈冴P(guān)注的重點卻是下行（DL）鏈路信號的傳輸，當然也有一些獨立的下行和上行（UL）鏈路的實驗被研究人員報道。目前，實驗已經(jīng)報道了基于單模光纖和多模光纖傳輸?shù)闹蓄l（IF）調(diào)制多進制信號在遠端天線單元附近被上變換成毫米波的過程。然而，這些實驗僅僅報道了單載波的正交幅度調(diào)制（QAM），既沒有使用正交頻分復用（OFDM）無線信號，也沒有使用實際的無線局域網(wǎng)（WLAN）信號。除此之外，所有報道的通信系統(tǒng)中，集成的無線傳輸鏈路僅僅是指定距離的無線傳輸鏈路，實際中在遠端天線單元還包含有射頻（RF）放大器，它可以保證更長距離的無線信號傳輸，這一點之前研究人員并沒有考慮。因此，我們有必要定義一個在遠端天線單元和移動終端（Mu）之間的最小信號傳輸距離，以確保移動終端內(nèi)部的射頻放大器不被在此范圍內(nèi)的遠端天線重復驅(qū)動。來自英國卡特伯雷肯特州立大學寬帶通信和無線通信研究中心的研究人員之前已經(jīng)在在指定的無線信號覆蓋范圍內(nèi)進行了多進制正交幅度調(diào)制（16,64,256正交幅度調(diào)制）信號的傳輸實驗，并報道了在20公里長度光纖傳輸后，無線信號對辦公區(qū)域的全覆蓋實驗過程。盡管研究人員之前進行的實驗僅僅涉及到信號的下行鏈路傳輸，在本期文章中，研究人員使用了實時的符合IEEE802.11g標準來自接入設(shè)備（AP）的無線局域網(wǎng)信號，并進行了完整的雙向傳輸實驗，以全面考察其在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能。研究的目的是證明研究人員提出的毫米波通信系統(tǒng)有能力在相關(guān)的無線信號覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線局域網(wǎng)的運行。實驗中，研究人員將無線接入設(shè)備通過雙向傳輸鏈路連接到遠端天線單元。下行鏈路的遠端天線單元工作在25.2GHz頻段，上行鏈路的工作頻率則是符合常規(guī)無線局域網(wǎng)要求的2.452GHz。研究人員設(shè)計的實驗系統(tǒng)在12.8*7.2平方米的范圍內(nèi)工作，并不再受特定無線信號傳輸距離的限制。圖8.1所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的全鏈路實驗方案配置示意圖。
圖8.1全鏈路實驗方案配置示意圖
9、 網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
隨著寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和交互式高帶寬通信系統(tǒng)的廣泛應用，互聯(lián)網(wǎng)的流量在過去十年得到迅猛增長。因此，傳輸和交換必須重新規(guī)劃以適應網(wǎng)絡(luò)流量迅猛增長的迫切需求。最先進的密集波分復用（DWDM）通信技術(shù)在單根光纖上目前最高可以實現(xiàn)32Tb/s的數(shù)據(jù)流量傳輸。即便如此，采用最高速的光交換技術(shù)也無法跟上這一傳輸速度所要求達到的交換速度，最根本的限制來源于光分組交換的過程中缺乏可行的光隨機存儲器（RAM）以保證實現(xiàn)光信號的緩存，這也是光分組數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡(luò)上光信號傳輸過程中解決其競爭和沖突的關(guān)鍵問題。因此，在光分組交換系統(tǒng)中進行有效的光緩存是全光分組交換網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的瓶頸。目前最流行的波長路由光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要配置波長轉(zhuǎn)換器，并根據(jù)傳輸控制協(xié)議轉(zhuǎn)換將輸入的光波長輸出到指定的輸出光波長上；另外，波長轉(zhuǎn)換路由器還需要通過光纖延時線（FDL）或慢光器件獲得近似的緩存時間，來保證路由轉(zhuǎn)發(fā)的過程以完成波長變換后光數(shù)據(jù)分組信號的傳輸。在這樣的光分組交換結(jié)構(gòu)中，光分組交換數(shù)據(jù)流的控制強烈依賴于在光分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中應用的復雜有源器件。因此，實現(xiàn)光分組交換過程的主要目標是盡量縮減有源器件的數(shù)量，以盡可能簡化光信號傳輸?shù)目刂七^程，同時減少來自于這些有源設(shè)備間的信號沖突。來自中國臺灣新竹國立清華大學光子技術(shù)研究所和通信工程研究所的研究人員提出并實驗報道了在光緩存單元和輸出端口分別采用寬帶光纖布拉格光柵和陣列波導光柵以減少光器件數(shù)量，并同時簡化光信號傳輸控制的一種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)。這種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)的光開關(guān)有三種不同的功能，它們是：光信號先進先出復用，光信號交換和光信號分插復用，這三種功能在實際的運行過程中都表現(xiàn)出可以忽略不計的功率代價消耗。圖9.1所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖。
圖9.1光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖
在相干光通信系統(tǒng)中使用數(shù)字相位估計（PE）技術(shù)可以實現(xiàn)光信號的載波同步，并且其優(yōu)點體現(xiàn)在采用數(shù)字相位估計技術(shù)不需要要光信號鎖相環(huán)的配置，而僅僅只需要配置一個本地振蕩光信號源。近年來，不同的數(shù)字相位估計算法被研究人員提出，同時研究人員也采用數(shù)值仿真或離線處理的方式證明了16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）方式是下一代100Gbit/s光通信傳輸系統(tǒng)最有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制格式。在14G波特率的偏振復用波分復用（WDM）光通信系統(tǒng)中，研究人員證明采用16進制正交幅度調(diào)制可以達到6.2b/s/Hz的譜效率。綜上所述，16進制正交幅度調(diào)制是現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)中提高通信容量最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制方式。來自英國米德爾塞克斯郡特靈頓國立物理研究所的研究人員在16進制正交幅度調(diào)制相干光通信系統(tǒng)中，使用四相相移鍵調(diào)制控星座圖分割法研究了激光器的線寬容限，這種方法的獨特之處體現(xiàn)在把方形16進制正交幅度調(diào)制得到的星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制的星座圖來討論載波相位的恢復。此外，這種算法應用于不同比特分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程也被研究人員展示出來。圖9.2所示是研究人員設(shè)計并提出的將方形16進制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖的示意圖。
圖9.2將方形16進制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖
針對寬帶服務(wù)的帶寬增加需求，例如高清晰度互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視（HD-IPTV），數(shù)字電影，電子顯示和在線游戲等通信服務(wù)，未來我們需要發(fā)展有更高數(shù)據(jù)傳輸速率的光接入網(wǎng)絡(luò)。因此，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的結(jié)構(gòu)對于最后一公里光信號的接入是最佳選擇，其原因是無源光網(wǎng)絡(luò)具有高容量和低成本的發(fā)展優(yōu)勢。目前，一些時分復用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）結(jié)構(gòu)已經(jīng)被研發(fā)成功并形成了標準化，例如寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（BPON），以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和Gbit無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）。今天，這些無源光網(wǎng)絡(luò)都被用來作為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）采用的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。實際上，高達10Gb/s的時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）并不能充分滿足未來多媒體業(yè)務(wù)持續(xù)增長的帶寬需求。因此，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)支持的傳輸速率將達到40Gb/s甚至更高。當然，現(xiàn)在采用單信道傳輸速率為40Gb/s的光信號傳輸系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，然而這一傳輸速率將在光網(wǎng)絡(luò)中限制開光鍵控（OOK）調(diào)制信號的傳輸距離，其原因是光纖色度色散的負面影響。此外，商業(yè)用途的40Gb/s突發(fā)模式的光信號接收機（Rx）運行不穩(wěn)定也是40Gb/s傳輸速率時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)運行的主要限制因素。進一步而言，為了縮減未來的光纖接入光網(wǎng)絡(luò)的成本耗費，長距離（LR）無源光網(wǎng)絡(luò)也被研究人員提出并開展相關(guān)的實驗研究。來自中國臺灣新竹工業(yè)技術(shù)研究中心（ITRI）和信息與通信研究實驗室（ICL）的研究人員提出并實驗報道了一種簡單有效的方案，即采用四路波分復用10Gb/s外調(diào)制開關(guān)鍵控調(diào)制信號同時進行上行和下行光信號傳輸，來構(gòu)造對稱40Gb/s長距離（LR）時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方案。此外，在沒有色散補償?shù)那樾蜗?，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中光通信系統(tǒng)的長距離傳輸性能和光信號功率比也被研究人員仔細分析和研究。圖9.3所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的長距離時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖9.3長距離時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖
眾所周知，光正交頻分復用（OFDM）技術(shù)在近年引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其原因是它具有可變的光譜效率并對光纖色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）負面影響具有超強的抵抗特性。迄今為止，人們研究的光正交頻分復用系統(tǒng)不外乎是相干光正交頻分復用（CO-OFDM）系統(tǒng)和直接檢測光正交頻分復用（DDO-OFDM）系統(tǒng)。相比較相干光正交頻分復用系統(tǒng)而言，直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)使用更簡化的硬件設(shè)備和低復雜度的信號處理過程，但是其具有更差的接收靈敏度，當然，這兩種光正交頻分復用系統(tǒng)在下一代城域網(wǎng)絡(luò)和長途陸地傳輸系統(tǒng)中都是一種可供選擇的光通信系統(tǒng)。直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)的一個突出優(yōu)勢還體現(xiàn)在它可以降低對激光器的線寬（LW）要求，相比較相干光正交頻分復用系統(tǒng)中高造價的外腔激光器（ECL）而言，低造價的分布反饋式（DFB）激光器有幾兆的線寬，通常是更適合直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)的應用，因為在載波和邊帶之間可以更好地恢復相位。然而，由于光纖中色度色散的影響，隨著傳輸距離的增加，光載波和邊帶間的走離效應將使得相位失配，從而在檢測信號的過程中出現(xiàn)明顯的相位噪聲（PN）負面影響。這一現(xiàn)象被研究人員首先在12.5Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率光信號（32進制正交幅度調(diào)制（QAM））320公里的光纖傳輸實驗中發(fā)現(xiàn)。然而，在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中，相位噪聲特性是不同于相干光正交頻分復用系統(tǒng)中相位噪聲特性的，這一特性的差別應該從基于系統(tǒng)設(shè)計的角度進行細節(jié)上的區(qū)分。來自中國臺灣新竹國立交通大學光電工程研究所和光子學系的研究人員在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中對激光器的相位噪聲負面影響進行了深入研究，并將其和相干光正交頻分復用系統(tǒng)中的相位噪聲特性進行了比較。基于不同正交幅度調(diào)制格式的光正交頻分復用系統(tǒng)中出現(xiàn)的相位噪聲被研究人員詳細分析，同時研究人員還設(shè)計并提出了保證光信號可靠接收的誤比特率估計算法，而且研究人員提出的這種相位估計算法引入的光信噪比（OSNR）代價值低于2dB。圖9.4所示是研究人員設(shè)計并提出的在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中檢測激光器相位噪聲的示意圖。
圖9.4直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中檢測激光器相位噪聲的示意圖
我們知道，在偏振復用四相相移鍵控（PDM-QPSK）光信號傳輸系統(tǒng)中，相干接收機的引入被證明能夠有效地補償光信號的線性失真。另一方面，高速光信號數(shù)字處理的過程是極其消耗功率的，并且需要研究人員花費大量的精力進行研發(fā)。迄今為止，相干光實時偏振復用四相相移鍵控光信號接收機已經(jīng)實現(xiàn)單個光載波50Gb/s的調(diào)制速率，而更高光信號調(diào)制速率的數(shù)字信號處理過程則是離線的。由于在許多常規(guī)的光纖傳輸鏈路上需要補償色度色散（CD）和適度補償偏振模色散（PMD），應用差分四相相移鍵控光信號的直接干涉檢測技術(shù)是更有效的方法。目前，實時偏振復用四相相移鍵控光信號傳輸系統(tǒng)的比特速率被實驗證明最高可達200Gb/s。來自德國帕德博恩大學的研究人員提出并實驗報道了50G波特率偏振復用歸零碼四相相移鍵控信號的實時傳輸方案，基于每符號四比特調(diào)制的實驗中，研究人員配置了涵蓋五個光纖傳輸段，總長度達430公里的光信號傳輸鏈路，來實現(xiàn)單載波200Gb/s實時光信號的有效傳輸。實驗中，研究人員使用了一個光信號分離器和一個帶有干涉檢測功能的自動光增益控制器，以實現(xiàn)兩路偏振復用四相相移鍵控光信號的解調(diào)。研究人員首次對速度高達40krad/s的偏振復用四相相移鍵控光信號進行了有效跟蹤。研究結(jié)果還進一步證明了干涉型直接檢測方法對偏振復用光信號檢測的可行性。圖9.5所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的傳輸速率高達200Gb/s，采用偏振復用四相相移鍵控調(diào)制的光信號傳輸系統(tǒng)的實驗裝置示意圖。
圖1.22傳輸速率高達200Gb/s的偏振復用四相相移鍵控調(diào)制光信號傳輸系統(tǒng)的實驗方案圖
2010年05月01日PTL光通信論文(一)
5、 測量技術(shù)
我們知道，光纖中的色散效應來源于光纖材料或者光波導的色散聯(lián)合效應，并將由于波長獨立的群時延導致線性光脈沖的展寬。此外，光纖色散也在非線性光纖光子學和超高速光纖光子學領(lǐng)域有許多重要應用。目前，很多文獻已經(jīng)報道了不同的色散測量方法，這些方法可以被粗略地分為以下兩大類：干涉測量法和非干涉測量法。時程延遲（TOF）技術(shù)和調(diào)制相位偏移技術(shù)（MPS）是業(yè)界眾所周知的非干涉測量法，而近年來一些使用超連續(xù)譜脈沖光源的寬帶測量方法也屬于非干涉測量法。當然，干涉測量法也有許多，主要包括時域干涉法和具有窄帶寬和寬帶寬的連續(xù)波頻域干涉法。值得注意的是，基于腔共振效應的特殊技術(shù)，例如自注入激光振蕩方法也屬于干涉測量法。通常而言，非干涉測量法在其安裝簡易性和測量穩(wěn)定性上具有突出優(yōu)勢，但是干涉測量法在測量高靈敏性上具有突出優(yōu)勢。在上面提及的這些方法中，標準的調(diào)制相位偏移技術(shù)是最好的方法，因為它應用起來十分簡便。然而，這種技術(shù)在應用過程中需要通過昂貴的射頻（RF）網(wǎng)絡(luò)分析儀來對射頻調(diào)制的信號進行精確地測量，因此導致成本耗費過高。來自中國臺灣新竹市國立交通大學光子學系的研究人員通過采用周期掃描波長脈沖光源的技術(shù)，提出了一種新型的光纖色散測量方法。采用射頻譜分析儀和波長掃描的方法，研究人員能夠直接檢測脈沖序列的周期性脈沖時變。與此同時，研究人員采用一個異步鎖模光纖孤子激光器作為波長掃描脈沖光源，成功進行了實驗，從而驗證了這種方法的可行性。圖5.1所示是研究人員提出并設(shè)計的10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實驗裝置示意圖。
圖5.1 10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實驗裝置示意圖
未來的光網(wǎng)絡(luò)必須是復雜可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，以便實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)流分配和減輕系統(tǒng)損傷的需要。因此，我們需要對其中的光通信系統(tǒng)參數(shù)進行實時的性能檢測，當然也包括監(jiān)測調(diào)制器的啁啾特性。例如，光纖的色度色散就是一個隨著外部環(huán)境變化和網(wǎng)絡(luò)路徑重配置的物理變量。而強度調(diào)制器的殘余相位調(diào)制過程也常被利用來調(diào)節(jié)光脈沖壓縮的比例，以彌補色度色散的負面影響。正如我們所知，馬赫-曾德爾外部調(diào)制器啁啾特性的出現(xiàn)，是來源于其結(jié)構(gòu)中兩塊波導不對稱的調(diào)制指數(shù)和驅(qū)動電壓最終形成的干涉型消光比變化。因此，調(diào)制器也必須被設(shè)計為其啁啾可調(diào)的，以滿足系統(tǒng)中動態(tài)色散補償?shù)男枰Ｄ壳?，較為流行的實驗室分析外部調(diào)制啁啾的研究方法主要包括邊帶的光譜分析法和信號光纖響應電譜的分析法，但更有效的測量數(shù)據(jù)調(diào)制信號的動態(tài)啁啾損傷檢測技術(shù)是使用單色儀和陣列波導光柵進行檢測。來自美國國家標準技術(shù)局的研究人員提出并實驗實現(xiàn)了一種基于線性光采樣過程來監(jiān)控外部調(diào)制器頻率啁啾的網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)。研究人員同時報道了他們同時測量強度和相位的數(shù)據(jù)調(diào)制信號波形關(guān)鍵參數(shù)的過程，也比較了數(shù)據(jù)調(diào)制和正弦波調(diào)制的測量過程。這一高靈敏度技術(shù)的提出可以解決23dB消光比對于馬赫-曾德爾外部調(diào)制器頻率啁啾的負面影響問題，與以往方法不同的是，研究人員實驗過程中沒有采用單色儀和用于分析色散的光纖。圖5.2所示是研究人員為了測量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾提出并設(shè)計的線性光采樣實驗系統(tǒng)配置示意圖。
圖5.2測量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾的線性光采樣實驗系統(tǒng)配置示意圖
6、 傳感器
表面等離子體共振（SPR）傳感器主要組成部分是一塊光波導，該波導當然也必須和常規(guī)的平面波導相兼容，但是因為它的尺寸更小，更結(jié)實和能夠進行多信道傳感因此引起了研究人員的極大關(guān)注。之前，人們對于表面等離子體共振傳感器的研究僅局限于（2-D）二維模型，但二維模型并不能完全反映實際表面等離子體共振傳感器的三維（3-D）特性，其原因是橫向的一維常常沒有被研究人員所考慮。因此來自日本東京法陣大學電子系的研究人員已經(jīng)應用三維光束傳播（BPM）的方法來估計表面等離子體共振傳感器三維模型的基本特性。但是，三維模型的共振波長吸收壓力包含了單模波導的特性，這在相應的二維模型中是少見的。因此從本質(zhì)上而言，這種方法和以前的二維模型研究方法沒有區(qū)別。所以，日本東京法陣大學電子系的研究人員在本期研究了一種光定向結(jié)構(gòu)來改進表面等離子體共振傳感器三維模型的三維光束傳播方法，同時測量其共振波導的吸收壓力。相比較二維模型而言，研究人員的計算結(jié)果顯示支持高階模式的寬芯光波導能導致強吸收效應的發(fā)生。圖6.1所示是研究人員設(shè)計的表面等離子體共振光波導傳感器的橫截面示意圖。
圖6.1 表面等離子體共振光波導傳感器的橫截面示意圖
7、 光電探測和光電接收技術(shù)
近年來，基于鎵氮（GaN）的半導體材料已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。因為基于鎵氮的半導體材料具有很高的直接帶隙能量，所以它們在短波長應用領(lǐng)域的光發(fā)射機中具有特別的用途。實際上，基于氣相沉積法（MOCVD）的鎵氮半導體藍綠發(fā)光二極管在我們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛應用。當然，這些材料也被使用在制造可見盲紫外（UV）光探測器（PD）的過程中?？梢娒ぷ贤夤馓綔y器是一個極其重要的光器件，因此它被廣泛使用于例如導彈發(fā)射，空間光通信和可見盲紫外光探測等民用和軍事領(lǐng)域。迄今為止，已經(jīng)有許多不同類型的可見盲紫外光探測器結(jié)構(gòu)被報道。其中，基于金屬-半導體-金屬結(jié)構(gòu)（MSM）的鎵氮光電探測器由于具有易制備和與晶體管可以有效集成的優(yōu)點，因此具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。來自中國臺灣國立成功大學先進光電子研究中心、微納科學與技術(shù)研究中心、電子工程系和微電子研究所的研究人員設(shè)計和報道了一種基于常規(guī)平坦藍寶石襯底和納米模板的金屬-半導體-金屬鎵氮光電探測器的制造過程。相比較以往采用常規(guī)平坦藍寶石作為襯底的方案，這種基于納米模板的設(shè)計方法由于改良了晶體質(zhì)量，所以其制造的光電探測器中漏電流明顯減少。采用這種方法，我們可以實現(xiàn)光敏增益的減少，并提升紫外光到可見光的抑制比。圖7.1所示是研究人員設(shè)計并提出的基于納米模板工藝制造光電探測器的示意圖。
圖7.1 基于納米模板工藝制造光電探測器的示意圖
高性能集成光子回路光器件，例如收發(fā)器和分叉復用器在目前和下一代光波分復用通信系統(tǒng)中將發(fā)揮不可替代的作用?；诠韬徒^緣體上硅材料的平面光子回路通常被用來制造一些光器件，包括光波導、光濾波器、光交叉開關(guān)、可變衰減器和電光調(diào)制器。實際中，為了保證一些光子微系統(tǒng)穩(wěn)定無誤碼的正常運行，需要一些光功率測試設(shè)備來測量整個光子回路的光功率。光功率監(jiān)視器常常作為一個獨立模塊在局部光終端被連接到光纖上或者混合光器件上，其中的電子集成過程也提供了緊湊、價格低廉和更穩(wěn)定性的集成特性。基于硅平面的近紅外監(jiān)測器的集成雖然目前是一項非常具有發(fā)展前景的技術(shù)，但在芯片上與電子器件的集成過程它仍然面臨挑戰(zhàn)。從某種程度上而言，基于硅鍺材料外延生長的先進技術(shù)已經(jīng)在近幾年實現(xiàn)了很多成功的應用，其中一項就包括在帶寬值達49GHz，1.55微米波長上，速率高達10Gb/s入射光檢測器中的應用。導光硅鍺光電探測器更適合光子集成回路應用的原因是它在1.55微米波長40GHz情形下工作時，響應度高達1A/W。來自意大利羅馬大學電子工程系光子和光電子實驗室的研究人員提出并在基于絕緣體的硅光芯片上實現(xiàn)了單片集成電路光功率監(jiān)測器的集成和測試。這一設(shè)備包含具有互阻抗前置放大器的濃縮鍺材料的近紅外波導光電探測器。該設(shè)備在1微瓦和0.1微瓦運行時信號功率監(jiān)測值低于10納瓦，并且錯誤率低于0.2%和2%。圖7.2所示是研究人員設(shè)計并提出的硅鍺波導光電探測器及其響應度和暗電流關(guān)系的示意圖。
圖7.2硅鍺波導光電探測器及其響應度和暗電流關(guān)系的示意圖
8、 模擬和射頻光子學
人們對于寬帶無線通信日益發(fā)展的提出帶寬增加要求，必然導致超寬帶（UWB）通信技術(shù)和毫米波（mm-wave）通信技術(shù)的發(fā)展。我們知道，毫米波信號在經(jīng)過人造和天然物體之間存在非常高的路徑損失和信號衰減，但是它在構(gòu)建微微蜂窩小區(qū)時具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。然而，一個不容忽視的因素是極小尺寸微微蜂窩小區(qū)的構(gòu)建需要數(shù)量巨大的遠端天線單元（RAUs），從而形成有效的覆蓋區(qū)域。正如我們所知，在許多建筑物中人們鋪設(shè)的多模光纖（MMF）數(shù)量遠遠高于單模光纖（SMF）數(shù)量，因此微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中怎么有效利用如此大量的現(xiàn)有多模光纖是一個值得關(guān)注的問題。近年來，有大量的實驗證明了在不同長度單模光纖上數(shù)Gbit/s量級毫米波的信號傳輸過程。在這些通信系統(tǒng)中，幅移鍵控調(diào)制（ASK）具有較低的頻譜效率，為了使用更多的帶寬，載波將被搬移到毫米波段，面臨的挑戰(zhàn)則是未來需要產(chǎn)生更高頻譜效率的光毫米波。另外，一些雙向傳輸?shù)膶嶒炓脖粓蟮溃鼈冴P(guān)注的重點卻是下行（DL）鏈路信號的傳輸，當然也有一些獨立的下行和上行（UL）鏈路的實驗被研究人員報道。目前，實驗已經(jīng)報道了基于單模光纖和多模光纖傳輸?shù)闹蓄l（IF）調(diào)制多進制信號在遠端天線單元附近被上變換成毫米波的過程。然而，這些實驗僅僅報道了單載波的正交幅度調(diào)制（QAM），既沒有使用正交頻分復用（OFDM）無線信號，也沒有使用實際的無線局域網(wǎng)（WLAN）信號。除此之外，所有報道的通信系統(tǒng)中，集成的無線傳輸鏈路僅僅是指定距離的無線傳輸鏈路，實際中在遠端天線單元還包含有射頻（RF）放大器，它可以保證更長距離的無線信號傳輸，這一點之前研究人員并沒有考慮。因此，我們有必要定義一個在遠端天線單元和移動終端（Mu）之間的最小信號傳輸距離，以確保移動終端內(nèi)部的射頻放大器不被在此范圍內(nèi)的遠端天線重復驅(qū)動。來自英國卡特伯雷肯特州立大學寬帶通信和無線通信研究中心的研究人員之前已經(jīng)在在指定的無線信號覆蓋范圍內(nèi)進行了多進制正交幅度調(diào)制（16,64,256正交幅度調(diào)制）信號的傳輸實驗，并報道了在20公里長度光纖傳輸后，無線信號對辦公區(qū)域的全覆蓋實驗過程。盡管研究人員之前進行的實驗僅僅涉及到信號的下行鏈路傳輸，在本期文章中，研究人員使用了實時的符合IEEE802.11g標準來自接入設(shè)備（AP）的無線局域網(wǎng)信號，并進行了完整的雙向傳輸實驗，以全面考察其在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能。研究的目的是證明研究人員提出的毫米波通信系統(tǒng)有能力在相關(guān)的無線信號覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線局域網(wǎng)的運行。實驗中，研究人員將無線接入設(shè)備通過雙向傳輸鏈路連接到遠端天線單元。下行鏈路的遠端天線單元工作在25.2GHz頻段，上行鏈路的工作頻率則是符合常規(guī)無線局域網(wǎng)要求的2.452GHz。研究人員設(shè)計的實驗系統(tǒng)在12.8*7.2平方米的范圍內(nèi)工作，并不再受特定無線信號傳輸距離的限制。圖8.1所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的全鏈路實驗方案配置示意圖。
圖8.1全鏈路實驗方案配置示意圖
9、 網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
隨著寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和交互式高帶寬通信系統(tǒng)的廣泛應用，互聯(lián)網(wǎng)的流量在過去十年得到迅猛增長。因此，傳輸和交換必須重新規(guī)劃以適應網(wǎng)絡(luò)流量迅猛增長的迫切需求。最先進的密集波分復用（DWDM）通信技術(shù)在單根光纖上目前最高可以實現(xiàn)32Tb/s的數(shù)據(jù)流量傳輸。即便如此，采用最高速的光交換技術(shù)也無法跟上這一傳輸速度所要求達到的交換速度，最根本的限制來源于光分組交換的過程中缺乏可行的光隨機存儲器（RAM）以保證實現(xiàn)光信號的緩存，這也是光分組數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡(luò)上光信號傳輸過程中解決其競爭和沖突的關(guān)鍵問題。因此，在光分組交換系統(tǒng)中進行有效的光緩存是全光分組交換網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的瓶頸。目前最流行的波長路由光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要配置波長轉(zhuǎn)換器，并根據(jù)傳輸控制協(xié)議轉(zhuǎn)換將輸入的光波長輸出到指定的輸出光波長上；另外，波長轉(zhuǎn)換路由器還需要通過光纖延時線（FDL）或慢光器件獲得近似的緩存時間，來保證路由轉(zhuǎn)發(fā)的過程以完成波長變換后光數(shù)據(jù)分組信號的傳輸。在這樣的光分組交換結(jié)構(gòu)中，光分組交換數(shù)據(jù)流的控制強烈依賴于在光分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中應用的復雜有源器件。因此，實現(xiàn)光分組交換過程的主要目標是盡量縮減有源器件的數(shù)量，以盡可能簡化光信號傳輸?shù)目刂七^程，同時減少來自于這些有源設(shè)備間的信號沖突。來自中國臺灣新竹國立清華大學光子技術(shù)研究所和通信工程研究所的研究人員提出并實驗報道了在光緩存單元和輸出端口分別采用寬帶光纖布拉格光柵和陣列波導光柵以減少光器件數(shù)量，并同時簡化光信號傳輸控制的一種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)。這種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)的光開關(guān)有三種不同的功能，它們是：光信號先進先出復用，光信號交換和光信號分插復用，這三種功能在實際的運行過程中都表現(xiàn)出可以忽略不計的功率代價消耗。圖9.1所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖。
圖9.1光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖
在相干光通信系統(tǒng)中使用數(shù)字相位估計（PE）技術(shù)可以實現(xiàn)光信號的載波同步，并且其優(yōu)點體現(xiàn)在采用數(shù)字相位估計技術(shù)不需要要光信號鎖相環(huán)的配置，而僅僅只需要配置一個本地振蕩光信號源。近年來，不同的數(shù)字相位估計算法被研究人員提出，同時研究人員也采用數(shù)值仿真或離線處理的方式證明了16進制正交幅度調(diào)制（16-QAM）方式是下一代100Gbit/s光通信傳輸系統(tǒng)最有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制格式。在14G波特率的偏振復用波分復用（WDM）光通信系統(tǒng)中，研究人員證明采用16進制正交幅度調(diào)制可以達到6.2b/s/Hz的譜效率。綜上所述，16進制正交幅度調(diào)制是現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)中提高通信容量最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制方式。來自英國米德爾塞克斯郡特靈頓國立物理研究所的研究人員在16進制正交幅度調(diào)制相干光通信系統(tǒng)中，使用四相相移鍵調(diào)制控星座圖分割法研究了激光器的線寬容限，這種方法的獨特之處體現(xiàn)在把方形16進制正交幅度調(diào)制得到的星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制的星座圖來討論載波相位的恢復。此外，這種算法應用于不同比特分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程也被研究人員展示出來。圖9.2所示是研究人員設(shè)計并提出的將方形16進制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖的示意圖。
圖9.2將方形16進制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖
針對寬帶服務(wù)的帶寬增加需求，例如高清晰度互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視（HD-IPTV），數(shù)字電影，電子顯示和在線游戲等通信服務(wù)，未來我們需要發(fā)展有更高數(shù)據(jù)傳輸速率的光接入網(wǎng)絡(luò)。因此，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的結(jié)構(gòu)對于最后一公里光信號的接入是最佳選擇，其原因是無源光網(wǎng)絡(luò)具有高容量和低成本的發(fā)展優(yōu)勢。目前，一些時分復用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）結(jié)構(gòu)已經(jīng)被研發(fā)成功并形成了標準化，例如寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（BPON），以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和Gbit無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）。今天，這些無源光網(wǎng)絡(luò)都被用來作為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）采用的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。實際上，高達10Gb/s的時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）并不能充分滿足未來多媒體業(yè)務(wù)持續(xù)增長的帶寬需求。因此，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)支持的傳輸速率將達到40Gb/s甚至更高。當然，現(xiàn)在采用單信道傳輸速率為40Gb/s的光信號傳輸系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，然而這一傳輸速率將在光網(wǎng)絡(luò)中限制開光鍵控（OOK）調(diào)制信號的傳輸距離，其原因是光纖色度色散的負面影響。此外，商業(yè)用途的40Gb/s突發(fā)模式的光信號接收機（Rx）運行不穩(wěn)定也是40Gb/s傳輸速率時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)運行的主要限制因素。進一步而言，為了縮減未來的光纖接入光網(wǎng)絡(luò)的成本耗費，長距離（LR）無源光網(wǎng)絡(luò)也被研究人員提出并開展相關(guān)的實驗研究。來自中國臺灣新竹工業(yè)技術(shù)研究中心（ITRI）和信息與通信研究實驗室（ICL）的研究人員提出并實驗報道了一種簡單有效的方案，即采用四路波分復用10Gb/s外調(diào)制開關(guān)鍵控調(diào)制信號同時進行上行和下行光信號傳輸，來構(gòu)造對稱40Gb/s長距離（LR）時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方案。此外，在沒有色散補償?shù)那樾蜗?，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中光通信系統(tǒng)的長距離傳輸性能和光信號功率比也被研究人員仔細分析和研究。圖9.3所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的長距離時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖9.3長距離時分復用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖
眾所周知，光正交頻分復用（OFDM）技術(shù)在近年引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其原因是它具有可變的光譜效率并對光纖色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）負面影響具有超強的抵抗特性。迄今為止，人們研究的光正交頻分復用系統(tǒng)不外乎是相干光正交頻分復用（CO-OFDM）系統(tǒng)和直接檢測光正交頻分復用（DDO-OFDM）系統(tǒng)。相比較相干光正交頻分復用系統(tǒng)而言，直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)使用更簡化的硬件設(shè)備和低復雜度的信號處理過程，但是其具有更差的接收靈敏度，當然，這兩種光正交頻分復用系統(tǒng)在下一代城域網(wǎng)絡(luò)和長途陸地傳輸系統(tǒng)中都是一種可供選擇的光通信系統(tǒng)。直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)的一個突出優(yōu)勢還體現(xiàn)在它可以降低對激光器的線寬（LW）要求，相比較相干光正交頻分復用系統(tǒng)中高造價的外腔激光器（ECL）而言，低造價的分布反饋式（DFB）激光器有幾兆的線寬，通常是更適合直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)的應用，因為在載波和邊帶之間可以更好地恢復相位。然而，由于光纖中色度色散的影響，隨著傳輸距離的增加，光載波和邊帶間的走離效應將使得相位失配，從而在檢測信號的過程中出現(xiàn)明顯的相位噪聲（PN）負面影響。這一現(xiàn)象被研究人員首先在12.5Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率光信號（32進制正交幅度調(diào)制（QAM））320公里的光纖傳輸實驗中發(fā)現(xiàn)。然而，在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中，相位噪聲特性是不同于相干光正交頻分復用系統(tǒng)中相位噪聲特性的，這一特性的差別應該從基于系統(tǒng)設(shè)計的角度進行細節(jié)上的區(qū)分。來自中國臺灣新竹國立交通大學光電工程研究所和光子學系的研究人員在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中對激光器的相位噪聲負面影響進行了深入研究，并將其和相干光正交頻分復用系統(tǒng)中的相位噪聲特性進行了比較。基于不同正交幅度調(diào)制格式的光正交頻分復用系統(tǒng)中出現(xiàn)的相位噪聲被研究人員詳細分析，同時研究人員還設(shè)計并提出了保證光信號可靠接收的誤比特率估計算法，而且研究人員提出的這種相位估計算法引入的光信噪比（OSNR）代價值低于2dB。圖9.4所示是研究人員設(shè)計并提出的在直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中檢測激光器相位噪聲的示意圖。
圖9.4直接檢測光正交頻分復用系統(tǒng)中檢測激光器相位噪聲的示意圖
我們知道，在偏振復用四相相移鍵控（PDM-QPSK）光信號傳輸系統(tǒng)中，相干接收機的引入被證明能夠有效地補償光信號的線性失真。另一方面，高速光信號數(shù)字處理的過程是極其消耗功率的，并且需要研究人員花費大量的精力進行研發(fā)。迄今為止，相干光實時偏振復用四相相移鍵控光信號接收機已經(jīng)實現(xiàn)單個光載波50Gb/s的調(diào)制速率，而更高光信號調(diào)制速率的數(shù)字信號處理過程則是離線的。由于在許多常規(guī)的光纖傳輸鏈路上需要補償色度色散（CD）和適度補償偏振模色散（PMD），應用差分四相相移鍵控光信號的直接干涉檢測技術(shù)是更有效的方法。目前，實時偏振復用四相相移鍵控光信號傳輸系統(tǒng)的比特速率被實驗證明最高可達200Gb/s。來自德國帕德博恩大學的研究人員提出并實驗報道了50G波特率偏振復用歸零碼四相相移鍵控信號的實時傳輸方案，基于每符號四比特調(diào)制的實驗中，研究人員配置了涵蓋五個光纖傳輸段，總長度達430公里的光信號傳輸鏈路，來實現(xiàn)單載波200Gb/s實時光信號的有效傳輸。實驗中，研究人員使用了一個光信號分離器和一個帶有干涉檢測功能的自動光增益控制器，以實現(xiàn)兩路偏振復用四相相移鍵控光信號的解調(diào)。研究人員首次對速度高達40krad/s的偏振復用四相相移鍵控光信號進行了有效跟蹤。研究結(jié)果還進一步證明了干涉型直接檢測方法對偏振復用光信號檢測的可行性。圖9.5所示是研究人員設(shè)計并實驗提出的傳輸速率高達200Gb/s，采用偏振復用四相相移鍵控調(diào)制的光信號傳輸系統(tǒng)的實驗裝置示意圖。
圖1.22傳輸速率高達200Gb/s的偏振復用四相相移鍵控調(diào)制光信號傳輸系統(tǒng)的實驗方案圖
2010年05月01日PTL光通信論文(一)
