10/11/2005，一、 光網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)：
讓我們先來看有關(guān)高速大容量傳輸方面的研究。曾多次提到提高光網(wǎng)絡(luò)信息容量一般有兩個(gè)渠道，一是提高復(fù)用密度，二是提高單通道調(diào)制速率。就后者而言，通常非線性噪聲不會(huì)對(duì)10Gb/s以下的單通道調(diào)制速率的信號(hào)產(chǎn)生大的影響。但對(duì)大于40Gb/s的調(diào)制速度，相應(yīng)的影響是非常劇烈的。而在單通道調(diào)制的研究上，也出現(xiàn)了兩個(gè)不同的分支，一是如何改進(jìn)調(diào)制格式，獲得更高的調(diào)制速度，二是如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，來抑制非線性噪聲對(duì)傳輸性能的影響，以便讓高速大容量通訊在長距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上發(fā)揮作用。以上是我對(duì)高速光通訊背景的一個(gè)簡單總結(jié)。
下面要介紹的來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究論文是關(guān)于改進(jìn)調(diào)制格式，以獲得高的單通道調(diào)制速度方面的研究。提到高的單通道調(diào)制速度，究竟有多高呢？到目前為止，普遍認(rèn)可的數(shù)量級(jí)應(yīng)該還是160Gb/s，而普遍采用的技術(shù)模式也是對(duì)差分正交相移鍵控(DQPSK)調(diào)制和偏振復(fù)用這兩種技術(shù)的有效結(jié)合。本期貝爾的研究，調(diào)制速度上并沒有突破，依然維持160Gb/s這個(gè)數(shù)量級(jí)，但卻基于對(duì)原有的載波抑制歸零（CSRZ）格式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了另一種技術(shù)方案，作者稱其為“群相位交替式的CSRZ格式”。其使用的主要技術(shù)原理是讓每四個(gè)連續(xù)的字節(jié)相位翻轉(zhuǎn)一次，這種操作采用40GHz的空間濾波就能輕易產(chǎn)生時(shí)鐘恢復(fù)脈沖序列，其定時(shí)抖動(dòng)也遠(yuǎn)低于170fs。而該技術(shù)最讓我們注目的還是其對(duì)非線性噪聲獨(dú)特的抑制力上，雖然不知道其抵御力具體來自哪里，但畢竟其實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)在38km的距離上顯示出了相當(dāng)優(yōu)越的性能。從這一點(diǎn)上看其現(xiàn)有的技術(shù)是優(yōu)于先前同類技術(shù)的。
再來看高速大容量研究的另一個(gè)方向，即探索高速大容量通訊在長距離通訊方面應(yīng)用的問題。其實(shí)此前針對(duì)40Gb/s的調(diào)制速度，采用WDM的網(wǎng)絡(luò)模型，已經(jīng)有不同面向長距離通訊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被報(bào)導(dǎo)。其中有些報(bào)導(dǎo)顯示了40Gb/s調(diào)制在超過3000km的WDM網(wǎng)絡(luò)里性能依然很好。但事實(shí)上這些研究并不具備應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樗麄兊木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，形式單一，說白了就是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式，沒有任何中間上下載環(huán)節(jié)。此外，由于他們的WDM系統(tǒng)普遍讓相鄰?fù)ǖ佬盘?hào)的光偏振正交，這也有意人為抑制了非線性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。而在實(shí)際通訊中，如果有了很多加減復(fù)用模塊，即便還是讓相鄰?fù)ǖ榔�振正交，也�?duì)非線性沒有任何抵御力了。本期快報(bào)還是以貝爾的另一篇研究論文為例，他們給出的測試更能說明問題，因?yàn)樗麄兊臏y試在2800km的傳輸距離上共進(jìn)行了7次加減復(fù)用操作（每400km一次），這顯然更接近于實(shí)用情況。他們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中采用了10Gb/s與40Gb/s兩種調(diào)制速度共存的方式。我想這主要有兩點(diǎn)技術(shù)考慮，其一這更接近實(shí)際需要，其二，很多研究證明這兩種速度的信號(hào)（調(diào)制方式不同）共同存在時(shí)會(huì)對(duì)非線性噪聲有更好的抑制性（這是一個(gè)有爭議的話題）。其WDM的頻帶間隔是50GHz（以前的報(bào)導(dǎo)普遍基于100GHz的復(fù)用）。注意其40Gb/s信號(hào)采用的是DQPSK的調(diào)制格式，這也是目前普遍認(rèn)同的對(duì)非線性具有最好的抑制力的調(diào)制格式。從最終的眼圖來看，這次實(shí)測很成功，其眼開非常大，2800km的傳輸距離，和7次OADM都對(duì)傳輸性能沒有明顯影響。這是目前為止在高速大容量系統(tǒng)實(shí)測上，我看到的最接近實(shí)用情況的案例，且其性能也是讓人倍感鼓舞的。
另外，談到DQPSK對(duì)非線性的抑制能力，以前已經(jīng)有不同的研究分別從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)其做了探討，本期臺(tái)灣大學(xué)的研究者再次設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)相關(guān)情況進(jìn)行了研究，也證明了原先的結(jié)論。
Purdue大學(xué)的研究者針對(duì)3GHz間隔的副載波復(fù)用（SCM），利用超密集波分復(fù)用技術(shù)提出了一種全光的探測方案。首先簡單介紹一下SCM，這是一種將多路信號(hào)在微波段經(jīng)不同的載波調(diào)制后經(jīng)由同一光波長在光纖中傳輸?shù)囊环N復(fù)用方式，其在接入網(wǎng)中可用于PON的雙向傳輸和多址接入。之所以采用SCM技術(shù)，主要是因?yàn)楣馔ㄓ嵞壳斑�不具備某些微波通訊的優(yōu)勢，例如振蕩的快速穩(wěn)定性，容易實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾波，應(yīng)用復(fù)雜調(diào)制形式的靈活度等方面。通常對(duì)SCM的系統(tǒng)進(jìn)行探測，也都結(jié)合了微波的技術(shù)方式，這產(chǎn)生了許多技術(shù)缺陷，如需要高響應(yīng)速度的光電二極管和其他微波元件，接收端電子分束帶來的較大損耗，以及對(duì)光纖偏振模式色散的敏感性等。而實(shí)現(xiàn)全光的探測是最佳的解決方案。Purdue的研究就是用WDM器代替了通常SCM探測模塊中的外差拍頻探測裝置，而采用了高精細(xì)的光學(xué)模塊進(jìn)行濾波，也實(shí)現(xiàn)了高于20dB的旁瓣抑制，這也是通常探測方式望塵莫及的。
再來看一個(gè)來自韓國Yonsei大學(xué)的有關(guān)WDM-SCM接入方式的研究，和上面的研究一樣，都聚焦于最終的探測上，不過這次不再是尋求實(shí)現(xiàn)全光的探測，而是仍立足于普遍采用的光電二極管探測方式，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。主要解決如下問題：當(dāng)信號(hào)到達(dá)二極管的時(shí)候，會(huì)由于拍頻干涉的作用，在不同頻率信號(hào)之間產(chǎn)生意想不到的拍頻信號(hào)，以噪聲的形式存在，從而嚴(yán)重干擾了探測。作者的研究也就是要對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行有效抑制，保證探測質(zhì)量。其利用的原理其實(shí)很簡單，就是利用拍頻干涉與相應(yīng)光信號(hào)帶寬成反比這一特性，而有意增大被調(diào)制光信號(hào)的帶寬，另外再讓不同的ONU具有不同的時(shí)間脈寬，從而可以徹底消除拍頻噪聲的干擾。
二、 有源器件：
   先來看半導(dǎo)體激光器方面的研究：曾談到過VCSEL激光器是面向WDM應(yīng)用的，綜合性能最具優(yōu)勢的光源。但目前成熟商用的的VCSEL激光器只能發(fā)射兩個(gè)可見光波段的波長，上下載需要波長轉(zhuǎn)換，不能在長距離通訊方面發(fā)揮優(yōu)勢。把VCSEL長波化是半導(dǎo)體激光器方面很熱門的研究方向之一，以前關(guān)于這方面的報(bào)導(dǎo)，我也介紹了很多，但也有一段時(shí)間沒再提到，原因是近來的研究成果與以前那些報(bào)導(dǎo)大同小異，沒有什么本質(zhì)的差別。而本期有一篇來自California大學(xué)的研究成果很值得我們關(guān)注。原因是他首次實(shí)現(xiàn)了1.3－1.6微米整個(gè)波段的波長發(fā)射（以前都是專門針對(duì)1.3或1.5某個(gè)波長附近實(shí)現(xiàn)的）。其主要器件基于InP材料，而用于將VCSEL發(fā)射推向長波段的分布反饋光柵則是基于AsSb材料，從工藝上看似乎都是標(biāo)準(zhǔn)的，沒有什么特殊工藝。除了其大的發(fā)射帶寬，其綜合性能也是相關(guān)研究中非常具有優(yōu)勢的一個(gè)，其閾值電流低于2mA，幾乎能實(shí)現(xiàn)完美的單模輸出。
光纖激光器方面：東南大學(xué)的研究者在拉曼環(huán)狀激光器中加入采樣Bragg光柵，實(shí)現(xiàn)了室溫多波長的連續(xù)光發(fā)射。通過調(diào)節(jié)采樣光柵的長度、周期等參數(shù)還可以改變輸出特性。
可調(diào)濾波器方面，讓我們來看一篇中科院半導(dǎo)體所的研究。半導(dǎo)體所近年來致力于硅材料的研究，認(rèn)為硅鍺材料是實(shí)現(xiàn)全光集成的最佳載體。本期快報(bào)關(guān)于可調(diào)濾波器的研究也是基于硅材料的。其使用多階級(jí)連的FP腔結(jié)構(gòu)，利用熱光效應(yīng)制作了可調(diào)激光器，其顯著特點(diǎn)是平頂、窄帶。另外需要指出的是其使用了曾經(jīng)提到的半導(dǎo)體鍵合工藝，該工藝半導(dǎo)體所已經(jīng)申請(qǐng)了相關(guān)專利。最終測試上，該濾波器實(shí)現(xiàn)了1dB帶寬1nm，3dB3nm的高平坦濾波，在4V的驅(qū)動(dòng)電壓下，可以實(shí)現(xiàn)4.6nm的可調(diào)濾波。
三、無源器件：
先來看集成器件：多次提到SOI材料是實(shí)現(xiàn)光電集成（OEIC）的首選材料，這里我們也簡單看一下本期快報(bào)有關(guān)基于SOI材料的器件研究。首先California大學(xué)的研究者基于SOI脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作了結(jié)構(gòu)緊湊的橢圓形共鳴器，其圓角半徑20微米。實(shí)際測試顯示其譜寬達(dá)到3nm，其Q因子高達(dá)28000。此外，不同偏振模斑的特性差別在論文中也有較細(xì)致的分析；加拿大Waterloo大學(xué)的研究者則利用SOI材料制作了偏振旋轉(zhuǎn)器，其主要利用了光在非對(duì)稱彎曲脊形波導(dǎo)中傳輸?shù)哪承┨厥庾兓�而設(shè)計(jì)。此外集成器件方面還有來自于OpTun公司的一篇研究，其對(duì)硅波導(dǎo)MZ干涉儀的偏振靈敏性做了研究。
再來看全光纖器件的研究：來自B&W TEK公司的研究人員研制了帶有無源的可以消除偏振相關(guān)損耗（PDL）模塊的全光纖聲光波長監(jiān)控器。其補(bǔ)償PDL主要是依賴一個(gè)Sagnac環(huán)狀干涉儀，通過這樣處理，可以使波長精度達(dá)到0.05nm，比起通常的器件，該指標(biāo)大致被改進(jìn)了30％；南洋理工大學(xué)的研究者使用了一種被稱為CMAES的算法對(duì)長度進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)了一種綜合性能優(yōu)異的低色散FBG濾波器；Washington大學(xué)的研究很新穎，其通過對(duì)光纖表面磨光，制作了一個(gè)環(huán)形共振器，比起通常的波導(dǎo)環(huán)形共振器，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，而且避免了光纖對(duì)波導(dǎo)的耦合損耗，使共振可調(diào)濾波直接在光纖上就實(shí)現(xiàn)了。相信這樣的器件在可調(diào)濾波、光纖傳感以及強(qiáng)度調(diào)制上都會(huì)得到有效應(yīng)用的。（浙江大學(xué) 宋軍博士）