1/10/2006,  本期JLT論文并不多，但有兩篇特邀論文，一個網絡方面，一個器件方面，且都面向相關領域的技術發(fā)展回顧，以及相關的關鍵技術介紹，在下面的評析里，給予重點關注。
一、網絡與系統(tǒng)：
Tyco Telecommunications是國際光網絡市場上，集批發(fā)容量、管理、服務和共享空間為一身的領先供貨商，在長距離光網絡運用與推廣上具有舉足輕重的地位。去年它投資興建的跨大西洋全光網絡，能提供從紐約市Hudson 大街60號至倫敦 Telehouse East 的直接連接，是跨洋光纖網絡建設的標志性工程之一。本期JLT有一篇來自Tyco電信的特邀論文，重點介紹了跨洋光網絡的發(fā)展現狀和相關核心技術。作者Neal S. Bergano早年曾作為技術主管工作于AT&T，現在Tyco系統(tǒng)研究部任職首席主管，在長距離光網絡應用領域有著豐富經驗。
在跨洋系統(tǒng)發(fā)展現回顧的部分，我們可以看到許多有趣的圖表，比如有目前世界范圍內已經鋪設的海底光纜分布，有海下網絡管理的示意圖等。特別的我們來看一些有意思的曲線，有點類似于IC的摩爾定律，橫坐標是年，縱坐標是容量、數量等，揭示了光網絡隨時間的高速發(fā)展歷程。舉個例子，來看一下90年代來商用系統(tǒng)傳輸容量隨時間的變化。90年代初，由于EDFA的出現，運營系統(tǒng)容量提高到2.5Gb/s，93年由于商業(yè)化色散管理技術的出現和WDM技術的推廣，這一數字已提高到10Gb/s，95年，領先的運營商普遍采用了增益均衡技術，可以將商用容量提高到40Gb/s，到98年為止，隨著前向糾錯技術和一些改進的調制格式的出現，該數字再次提升到了320Gb/s，再看2000年的商用化容量，借助于色散平坦光纖和全C帶放大的技術成熟，該容量已經飛躍到了1.8Tb/s，讓傳輸容量率先實現了3T目標。我們總結這10年，不難看到每年商用系統(tǒng)容量都在以翻倍的速度增加著，而促進增加的動力則在于技術的不斷革新。到05年為止，我們看到由于混合放大技術的出現和不斷優(yōu)化的調制格式的誕生，這一數字已經達到了3.73Tb/s。但回過頭看最近這五年，商用系統(tǒng)容量的提升速度明顯放慢了，這主要由于EDFA可用的放大帶寬基本已經被用盡了。顯然網絡系統(tǒng)想繼續(xù)高速擴容，要從換代的放大技術上做文章了。
再來簡要介紹一下跨洋系統(tǒng)設計必須注意的技術細節(jié)：（1）光放大：目前海底光纜工程基本都采用EDFA放大，以彌補光能量衰減，方式也很簡單，一般采用單模傳輸光纖與EDFA光纖分段串聯的形式，要特別注意的是如何有效做好增益壓制，最小化噪聲的影響，控制單個放大器的輸出功率；（2）色散與非線性管理：多次提到對40Gb/s以上的高速大容量系統(tǒng)，色散是制約系統(tǒng)性能的關鍵因素，另外跨海光纜經常要傳輸幾千公里，因此累計非線性對系統(tǒng)的影響非常大，因此跨海系統(tǒng)消除色散和非線性影響是一個關鍵的技術點。為實現這個目的，額外需要色散/非線性監(jiān)控與補償等多個子系統(tǒng)，顯然工程量非常繁重；（3）調制格式使用：從上面技術回顧的評析，我們很容易看到調制格式的變革在系統(tǒng)容量提升的過程里扮演著至關重要的角色。當前最受跨海系統(tǒng)青睞的調制格式有兩種，即DPSK與雙二進制，前者由于對公差具有良好的容忍度，進而在3dB接收上具有顯著優(yōu)勢，后者則優(yōu)化利用了有限帶寬；（4）系統(tǒng)性能測量：跨海網絡長傳輸距離的特質決定了有無數的技術細節(jié)需要考慮，對這樣的系統(tǒng)需要測評的最關鍵參數是Q因子，且需要分環(huán)節(jié)的對Q進出測定和預估，以便對噪聲極限、傳輸距離、終端損傷、系統(tǒng)老化以及前向糾錯能力提出實用要求；（5）前向糾錯（FEC）：對跨洋系統(tǒng)，FEC是不可或缺的一個技術環(huán)節(jié)，對提高系統(tǒng)容量、傳輸距離，增加兩放大器間的傳輸間隔，降低成本，抵御非線性損傷都有很大幫助。
網絡系統(tǒng)方面的其它文章還有：（1）DPSK格式的調制對帶間串擾具有較高的容忍度，因此在高速大容量傳輸網絡應用里得到廣泛重視。本期希臘的研究者在考慮了帶間串擾和自發(fā)輻射噪聲的影響下，對以DPSK格式傳輸系統(tǒng)的誤碼率提出了嚴格的預估模型；（2）偏振復用是能將單通道調制速度翻倍的有效手段之一，本期荷蘭的研究者就對相關領域進行了研究，指出由于PMD影響，伴隨產生的色散、非線性效應都能明顯惡化系統(tǒng)公差；（3）韓國的研究者提出了天氣不敏感的自由空間光通訊系統(tǒng)，其原理是使用一光放大器，讓其工作在增益飽和區(qū)域，這樣可以起到類似于調壓器的作用，當傳輸損耗太高的時候，它會隨之降低光數據包的發(fā)射頻率，或減小數據包的長度，進而表現為提高了發(fā)射入自由空間數據的平均功率；（4）馬來西亞的研究者在OCDMA系統(tǒng)每個編解碼裝置前都安裝了一個高速可調光濾波器，根據發(fā)射信號里預先設定的特征碼，可對中心波長信號進行某些調制，通過這樣的改進，提升了系統(tǒng)對相致強度噪聲的抵御力，提高了信噪比；（5）同樣為了提高OCDMA系統(tǒng)對相致強度噪聲的抵御力，臺灣大學的研究者則對調制格式作了改進，提出了被稱為“完美差分”的編碼方式，同時需要對發(fā)射機做一些改動，作者指出這樣的改進還可以有效抑制多用戶干擾，提高系統(tǒng)支持的用戶數量和系統(tǒng)有效傳輸距離；（6）東京大學的研究者報導了有史以來精度最高的色散分布測量系統(tǒng)，使用布里淵光時域分析的方法，還能探測四波混頻的強度，并刪除了噪聲的影響，通過對1.1km的光纖色散分布的實測顯示，其空間精度高達20m左右；（7）Stanford大學的研究者利用MZ調制器，以正交幅度調制實現了非二進制的編碼，有效提高了光譜效率，并研究了使用相干探測下的載波同步問題；（8）Maryland Baltimore大學的研究者針對光通訊系統(tǒng)，提出了最大后驗概率MAP的均衡器的設計方案，在考慮了PMD和強度自發(fā)輻射噪聲的影響下，推導了概率分布函數，證明其設計方案能有效降低PMD導致的誤碼率增加。
二、集成器件：
來看一篇來自Cornell大學的特邀論文，作者以17頁的篇幅多視角的介紹了基于硅材料的光子集成的發(fā)展，已經在傳輸、調制和光發(fā)射等領域的機遇和挑戰(zhàn)。其實以硅代替二氧化硅作為光集成載體的概念早在80年代就已經被提出，并在那時人們已經意識到，使用該技術可以做出亞微米大小的光器件，從而讓光集成技術更新換代，然而由于工藝技術限制，制得的波導邊壁粗糙，且對光纖耦合損耗大，此外硅波導較低的量子效率和低的電光系數，也使得該材料很難在光發(fā)射和調制上有所作為。直到最近兩三年，由于納米微細加工技術的成熟，用硅材料制得幾微米大小的低損耗無源器件已經成為可能，近一年來，甚至不斷有報導，用該技術制得了某些大型無源器件，如AWG等，長寬只有近0.1mm左右，而波導損耗也只有3dB/cm左右。此外基于硅的有源器件研究也取得了一系列重大突破，用硅制得10Gb/s調制器變得相對容易了。硅材料有無源兩方面的技術革新，注定了光電集成的最佳契機已經來臨，我們可以預計，在近幾年內，基于硅材料的光電子集成芯片將會被逐漸商用。
該論文非常詳盡，從內容上看分為三大塊，即傳輸、調制和光發(fā)射：（1）傳輸方面，作者立足于介紹硅無源器件的制作與設計，分別針對條形、脊形、光子晶體和狹縫四種波導結構，介紹了波導尺寸設計的方法，介紹如何減小耦合和散射損耗，并詳細介紹了相關工藝步驟。在器件層次上，作者以MMI、環(huán)行共振腔為例，介紹了設計需要注意的問題；（2）調制方面：如果調制速度不高（MHz量級），硅材料由于具有相當高的熱光系數，因此是非常好的熱光調制器載體，但熱光效應無法做到高速調制。通常高速調制都立足于電光效應，而硅材料的電光系數非常低，且對純硅，幾乎不存在一次電光效應，這也是硅在調制應用上，長期困擾研究者的難題。在90年代前后有些研究者為該難題提供了一種別開生面的解決方案，其實無論熱光效應還是一次電光效應，就本質上都是讓折射率隨某一變量呈線性變化，那么是否能找到另一種效應，讓硅材料折射率隨某一變量高速變化呢？答案找到了，就是利用硅材料空穴等離子色散來改變折射率，研究者發(fā)現用該效應實現10Gb/s的高速調制并不是什么難題；（3）光發(fā)射：盡管作者談到了一些硅材料作為光源的進展，如使用量子局限效應降低輻射壽命，或摻雜產生新的受主等。但比起調制上的革新，我認為硅材料光發(fā)射方面缺少讓人振奮的突破。因為不同于調制可以用多種效應，發(fā)光，且發(fā)相干性好的穩(wěn)頻光，目前能想到的原理只有不同能級之間的躍遷，而硅材料間接帶隙半導體的本質已經決定了其發(fā)光效率低，到目前為止所有努力似乎也只能圍繞在一些局部的改進上。(作者 浙江大學宋軍博士)