10/11/2005，一、 光網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)：
在光網(wǎng)絡(luò)邁向?qū)嵱没�的道路上，無(wú)疑光纖到戶（FTTH）是我們聽(tīng)到最多的一個(gè)名詞�，F(xiàn)在關(guān)于FTTH的相關(guān)技術(shù)不勝枚舉。許多試點(diǎn)工程也在陸續(xù)開(kāi)展中，但技術(shù)要走向大規(guī)模推廣，無(wú)疑還面臨許多問(wèn)題。總的來(lái)看，問(wèn)題應(yīng)該主要來(lái)自三方面：（1）成本問(wèn)題；（2）容量問(wèn)題；（3）終端信號(hào)上載難的問(wèn)題。首先第二個(gè)問(wèn)題是我們解決的比較好的，從每年OFC的技術(shù)統(tǒng)計(jì)上看，我們的光網(wǎng)絡(luò)可承載的信息容量在不斷升級(jí)，可用的技術(shù)也非常多，如提高單通道調(diào)制速度的正交相移鍵控(DQPSK)技術(shù)，再如WDM、OCDMA、OTDM等信號(hào)復(fù)用技術(shù)等，都是針對(duì)提升信息容量的。但解決所有這些技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，最讓運(yùn)營(yíng)商頭痛的無(wú)疑是價(jià)格因素，眾所周知現(xiàn)在涉及到光網(wǎng)絡(luò)與光系統(tǒng)的核心部件，成本都高的驚人。此外，第三個(gè)問(wèn)題，個(gè)人用戶信息的上載問(wèn)題也不那么容易實(shí)現(xiàn)。例如我們來(lái)看使用WDM技術(shù)的簡(jiǎn)單模型，最理想情況，每個(gè)終端用戶被安排一個(gè)波長(zhǎng)（這就像我們現(xiàn)在的個(gè)人IP）。使用DWDM技術(shù)可以較容易的將信息發(fā)送到用戶終端。但每個(gè)用戶終端如何高效的把信息上載上去呢？要知道單模光纖截面那么小，而各個(gè)用戶情況又不同，可能要面臨許多光纖轉(zhuǎn)接、彎曲的情況，如果分別給每個(gè)用戶完成這些工作，顯然不切實(shí)際。怎么辦呢？其實(shí)很容易想到，解決的辦法就是改單模為多模，利用多模光纖大孔徑的特性有效降低裝配難度，同時(shí)多模光纖對(duì)彎曲引起的公差改變也是很不敏感。說(shuō)了這些背景，下面來(lái)看本期JLT的一篇來(lái)自NTT的研究論文，該研究號(hào)稱實(shí)現(xiàn)了低成本大容量的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，同時(shí)也在終端使用了多模光纖，解決了FTTH后，用戶信息上載難的問(wèn)題。來(lái)看下他的實(shí)現(xiàn)方案：
首先在其WDM網(wǎng)絡(luò)上，他們采用的是服務(wù)器復(fù)用的模式。先來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)名詞，剛剛提到最理想情況一個(gè)用戶分配一個(gè)波長(zhǎng)，其實(shí)就現(xiàn)有可利用帶寬來(lái)看，完全可以做到這樣。但目前的技術(shù)還無(wú)法這樣作，比如我們可用于動(dòng)態(tài)可調(diào)WDM網(wǎng)絡(luò)的光源，其可調(diào)帶寬最多也就20幾納米，而超密集波分復(fù)用在實(shí)用中還面臨許多技術(shù)難題，我們現(xiàn)在普遍使用的仍是0.8nm間隔，即100GHz的復(fù)用。這樣看來(lái)我們可用的波長(zhǎng)總數(shù)并不那么多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶用一個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用模式。退而求其次，就出現(xiàn)了服務(wù)器復(fù)用的模式。很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)局域網(wǎng)服務(wù)器共用一個(gè)波長(zhǎng)，遠(yuǎn)距離傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)信號(hào)到了服務(wù)器終端，如果該服務(wù)器需要某一個(gè)波長(zhǎng)上的信號(hào)，就使用一個(gè)可調(diào)濾波器，將該波長(zhǎng)信號(hào)濾下來(lái)。顯然每個(gè)終端服務(wù)器都需要一個(gè)可調(diào)濾波器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本會(huì)很高。此次NTT的改進(jìn)方案是這樣的：首先多波長(zhǎng)復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)分束器，然后所有波長(zhǎng)信號(hào)都被分為多份，每一份通過(guò)一根光纖連接到局域網(wǎng)服務(wù)器，所有服務(wù)器將擁有同樣數(shù)量的波長(zhǎng)，然后他們共用一個(gè)解復(fù)用器，將信號(hào)分別傳送到終端用戶那里。在局域服務(wù)器和終端用戶之間使用的就是多模光纖，來(lái)解決上載問(wèn)題。
還要說(shuō)明的是其各個(gè)服務(wù)器怎么共用一個(gè)解復(fù)用器的問(wèn)題：他們采用的解復(fù)用器也是通常的刻蝕衍射光柵器件，但其厚度非常厚，也就是在厚度方向?qū)崿F(xiàn)并等復(fù)用，在同一厚度方向上排列多根與分束器相連的光纖，這樣在解復(fù)用端實(shí)際上形成了一個(gè)面陣，橫向是解復(fù)用開(kāi)的不同波長(zhǎng)信號(hào)，縱向其實(shí)對(duì)應(yīng)的都是同一個(gè)波長(zhǎng)，被多模光纖引向不同的服務(wù)器用戶。
他們的模型在實(shí)驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了，也做了相關(guān)性能的測(cè)試�？雌饋�(lái)一切都很完美，但我認(rèn)為這樣的網(wǎng)絡(luò)主要有兩個(gè)缺陷：其一由于使用了分束器，信號(hào)能力大幅度衰減，如果服務(wù)器少還沒(méi)什么表現(xiàn)，如局域網(wǎng)數(shù)量大于8個(gè)，可能產(chǎn)生的誤碼將成倍增加（這也包括了通常分束具有一定程度波長(zhǎng)敏感的問(wèn)題，如果波長(zhǎng)多很難保證各個(gè)波長(zhǎng)分束都是均勻的），當(dāng)然如果分束后的信號(hào)再通過(guò)EDFA放大，能有效解決這個(gè)問(wèn)題，但這樣帶來(lái)的成本增加并不會(huì)比采用可調(diào)濾波器小很多；其二他的解復(fù)用器造價(jià)應(yīng)該非常高，因?yàn)楣に嚭茈y實(shí)現(xiàn)。要知道現(xiàn)在集成光學(xué)器件最難的一道工序應(yīng)該就是厚薄膜的生長(zhǎng)，通常的技術(shù)生長(zhǎng)50微米厚的二氧化硅薄膜差不多已經(jīng)到了極限，而現(xiàn)在要在厚度方向上實(shí)現(xiàn)復(fù)用，無(wú)疑要對(duì)厚薄模生長(zhǎng)提出很大的工藝考驗(yàn)�，F(xiàn)在論文里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用的是4×（4×4）模式的復(fù)用，這就恰恰回避了我所提出的這兩個(gè)置疑，首先1×4的分束基本不會(huì)產(chǎn)生大的問(wèn)題，其次4根光纖排列的厚度采用某些特殊的工藝還是可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)厚度的薄膜制造的，但如果想再厚應(yīng)該很難了，也就是說(shuō)他們的技術(shù)似乎只能實(shí)現(xiàn)4×（4×4）的容量，很難進(jìn)行大容量推廣。但畢竟NTT的研究還是非常出色的，為我們的FTTH實(shí)用化提供了許多啟示，同時(shí)也再次為我們展現(xiàn)了NTT在微細(xì)加工方面的精湛工藝。
網(wǎng)絡(luò)方面其他的研究還有：（1）斯坦福大學(xué)的研究者采用他們?cè)O(shè)計(jì)的譜形線性碼，對(duì)先前的PON進(jìn)行了性能改進(jìn)，其無(wú)需對(duì)現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改變，只需對(duì)終端用戶的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，其技術(shù)核心采用的一種分級(jí)的編碼形式；（2）馬里蘭大學(xué)的研究者對(duì)WDM/TDM的混合系統(tǒng)提出了一種新的波長(zhǎng)與時(shí)間段的分配算法，有效優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能；（3）臺(tái)灣成功大學(xué)的研究者提出了一個(gè)基于WDM技術(shù)的全新的光纖-無(wú)線通訊環(huán)形網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)的光加減復(fù)用功能，也分析了信噪比等性能參數(shù)。
系統(tǒng)方面的研究主要有：（1）Chalmers工學(xué)院的研究者在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)OTDM信號(hào)的加減復(fù)用，其使用了一根長(zhǎng)50m左右的高非線性光纖，技術(shù)上利用的是交叉相位調(diào)制（XPM）效應(yīng)。其只需一個(gè)單一的時(shí)鐘信號(hào)，輸入端也無(wú)需進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)上其已經(jīng)對(duì)80Gb/s的OTDM信號(hào)成功演示了加減復(fù)用操作，信噪比也非常低。理論上其還對(duì)160Gb/s信號(hào)的加減復(fù)用情況進(jìn)行了數(shù)值模擬；（2）臺(tái)灣大學(xué)的研究者利用非對(duì)稱的干涉儀和均衡接收器實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPSK調(diào)制格式信號(hào)的直接探測(cè)，同時(shí)其也對(duì)外差探測(cè)的理論進(jìn)行了研究，精確化了信噪比補(bǔ)償與串?dāng)_之間的數(shù)量關(guān)系；（3）韓國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)10Gb/sDPSK和NRZ信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。其分別利用了基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的四波混頻（FWM）和基于相位調(diào)制過(guò)程中的頻率梳這兩種效應(yīng)，并進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果演示如果采用基于SOA的FWM效應(yīng)，DPSK調(diào)制格式在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中的功率損耗要明顯低于NRZ的。但如果采用另一種效應(yīng)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，對(duì)兩種調(diào)制格式，信號(hào)的功率損耗是相當(dāng)?shù)�。其也指出如果采用DPSK格式的信號(hào)，對(duì)任何一種轉(zhuǎn)換方式，功率消耗都可以低于0.4dB。
二、 無(wú)源器件：
先來(lái)看集成光學(xué)方面：集成波導(dǎo)器件與光纖的封裝問(wèn)題一直都是一個(gè)麻煩事，圍繞如何降低耦合損耗已經(jīng)開(kāi)展了很多的研究。此次來(lái)自臺(tái)灣中央大學(xué)的研究者提供了另一種方案，他們直接在平面波導(dǎo)末端寫(xiě)入了固體浸沒(méi)透鏡。先來(lái)介紹一下相關(guān)背景：固體浸沒(méi)透鏡通常采用高折射率材料制成，雖然沒(méi)有突破衍射極限，但是通過(guò)增大數(shù)值孔徑的辦法，使得空間分辨能力提高了數(shù)倍，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)亞微米尺度的聚焦。并且由于這種方法沒(méi)有對(duì)光束本身進(jìn)行限制，因而有很高的光傳輸效率。該透鏡目前已經(jīng)在近場(chǎng)光存儲(chǔ)、顯微鏡、照相、磁場(chǎng)記錄等許多領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。本期臺(tái)灣研究者將這種透鏡直接寫(xiě)入波導(dǎo)末端又有什么優(yōu)勢(shì)呢？顯然，是利用了其高數(shù)值孔徑的優(yōu)勢(shì)，這樣可以將波導(dǎo)末端輸出的光斑有效聚焦，直到亞微米量級(jí)。這樣無(wú)論波導(dǎo)是什么類型的，直接和單模光纖耦合幾乎都不會(huì)產(chǎn)生任何耦合損耗了。當(dāng)然透鏡的側(cè)面形狀是要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的。性能雖然理想，但其寫(xiě)入工藝相對(duì)繁瑣，能否得到推廣，還需要時(shí)間來(lái)印證。
此外波導(dǎo)表面粗糙帶來(lái)的影響究竟怎樣，也是一個(gè)熱門(mén)的研究課題。通常的分析方法都是基于二維的模型，本期Massachusetts工學(xué)院的研究者改用更精確的三維模型對(duì)相關(guān)特性進(jìn)行了分析，卻得出了一個(gè)意想不到的結(jié)論，即通常使用的二維模型明顯高估了表面粗糙對(duì)波導(dǎo)性能的影響，實(shí)際的影響并不顯著。這個(gè)結(jié)論是否準(zhǔn)確呢？我想這是很難檢驗(yàn)的，因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試中波導(dǎo)的工藝誤差是非常多的，除了側(cè)壁粗糙，還有雜質(zhì)缺陷、厚度不均勻，應(yīng)力影響，熱效應(yīng)等等多方面的因素，我們無(wú)法分辨最終的損耗具體來(lái)自哪個(gè)因素，因此暫時(shí)我們還不能說(shuō)這個(gè)研究正確與否，但它確實(shí)給了我們一個(gè)意外的結(jié)論。
本期還有一個(gè)很有趣的關(guān)于光纖的研究也來(lái)自NTT。它探討的是這樣一個(gè)問(wèn)題，通常使用的單模光纖，或者摻鍺的色散漂移光纖在強(qiáng)光情況下，穩(wěn)定性究竟如何呢？于是他們讓兩種光纖傳輸8－8.5W的大功率連續(xù)光。結(jié)果在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)2000小時(shí)的連續(xù)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)這些商用光纖在強(qiáng)光下性能也沒(méi)什么明顯變化，證明現(xiàn)有光纖即便在高功率應(yīng)用上，也可以放心使用。
本期基本沒(méi)有什么關(guān)于有源器件的有趣研究，因此我也不再進(jìn)行相關(guān)介紹了。
（浙江大學(xué) 宋軍博士）