06年03月PTL光通讯论文评析

一、网络与系统：
1. DPSK调制格式：
    DPSK调制比起通常的强度调制，能更有效的抑制噪声和非线性的影响，提升信号传输的信噪比，从以往的评析里，我们可以看到这样一个常见的研究思路：某种潜在技术相比目前通用技术可以获得更佳优异的网络传输性能，但受限于非线性等因素的影响，很难实用，但改使用DPSK调制格式信号以后，利用该调制格式自身对非线性的良好抵御力，使得潜在技术产生了实用价值。这样的实例很多，例如使用DPSK调制信号实现了长距离无色散补偿传输；再比如Tbit大容量网络里，160Gb/s的高速单通道信号也使用了RZ-DPSK调制格式来抑制PMD效应。本期让我们再来看一个类似的研究实例：SOA相比EDFA或拉曼放大有着功耗低，易集成，宽放大谱等许多优势，但由于其自身快速的增益特性，很容易受到非线性的影响。利用DPSK对非线性良好的抵御能力，很自然的会想到该格式的信号能用SOA放大。本期英国Aston大学的研究者就利用SOA做放大器，研究了40Gb/s的DPSK信号传输的特性。特别的，作者利用SOA能提供自相位（强度）调制的特性，能让RZ-DPSK信号维持孤子的形式传输，当然要做到这样，还需要有良好的色散补偿方案来配合。
    通常对NRZ-DPSK信号相位调制会导致频率啁啾现象，进而在光纤传输过程里会导致峰值强度发生漂移。研究表明RZ脉冲相比NRZ能有效防止频率啁啾的产生。此外，另一些研究者认为RZ-DPSK格式能更有效抵御PMD的影响。因此，通常认为RZ-DPSK格式更有应用潜力。对RZ-DPSK信号传输过程进行信号质量监控，及时分析色散及信噪比的变化，是避免误码产生的必要手段。在相位-强度调制的过程里，在异步强度柱状图（AAHE）上会有三个高斯分布，其高斯分布的半宽直接与强度自发辐射的大小有关，而两个高斯分布之间的间距与累积色散大小也是单调关系。利用这个原理已经有研究者对NRZ-DPSK调制格式进行了信号质量监控。本期Central Florida大学的研究者仍利用AAHE方法对RZ-DPSK的信号质量作了监控。同时作者对探测方法作了改进，仅从其中一个高斯分布上就可以恢复出残余色散以及信噪比等相关信息。
    2. 光发射机：
    本期有一篇来自Stanford大学研究者的论文，他们比较了垂直共振腔面发射型激光（VCSEL）和量子阱调制器（QWM）在光发射机应用方面各自的优劣。事实上两种器件都对未来光网络应用有着重大意义，可以说它们互有优劣，彼此互补。通常来说基于VCSEL的发射机具有很高的集成度，且比起QWM能获得更好的对比度。但是目前VCSEL发射机的可靠性不如QWM，特别在高温环境下，性能变化尤为剧烈。本文作者通过研究进一步指出，对较大带宽或较长传输距离的传输网络，VCSEL比QWM更具优势，并且作者对不同发射机的功率消耗情况给出了量化的衡量方法。
    3. 光网络性能：
    大家都知道光信噪比（OSNR）是衡量信号在光网络里传输性能的重要参数，在进行通道性能监控的时候，OSNR也是最重要的监控目标，通过该参数能够知道系统Q因数以及误码率等信息。然而最近有些研究指出单纯测量OSNR并不能精确反映网络工作状态，因为在存在一定大小PDL的情况下，受激自发辐射噪声（ASE）会被部分极化，在该效应影响下，从OSNR估计Q因子会产生很大的误差。因此有研究者指出要进行精确的网络性能监控，必须同时对OSNR和ASE的偏振度进行测量。然而ASE的偏振度是一个非常难精确测量的量，本期韩国的研究者提出了一个折中的方案，既然该偏振度无法测定，不如分析仅测量OSNR的情况下，能精确预估Q因子的概率是多大。作者指出大多数情况只测量OSNR都是可以的。例如，对0.2dB的PDL，直接从OSNR来估计Q因子的话，产生大于1dB误差的概率仅为0.001％。
    相位编码的光双二进制调制，在具有和通常二进制调制相同灵敏度的情况下，只占据一半的带宽。此外该调制格式谱效高、操作简单、具有良好的色散容忍度，因此很适合WDM网络应用。目前该技术主要用于40Gb/s的WDM网络中，可将40Gb/s的频谱压缩，使其能适用于低调制速率的系统。本期Central Florida大学的研究者分析了色散对该调制格式的影响，通过该研究可以对色散导致的双二进制编码信号扭曲程度有一个量化的感知。比如使用10Gb/s的双二进制信号，传输213km后，接收端就可以探测到封闭的眼图，如改用相干光探测，眼闭距离可以提高到283km。
    此外，韩国的研究者提出对WDM系统损耗监控的方案也很有价值。通常对WDM系统进行通道损耗监控，均要使用额外的一些波长相关的器件，如光纤光栅等。现在的研究，作者使用一受激自发辐射信号做参考，将该参考信号与其经过网络里反射元件反射回的信号作比较，也能精确测量不同传输位置载波信号的损耗情况。
    二、有源器件：
    双波长激光器是一种很重要的光通讯有源器件，特别是1310/1550nm的双波长激光器，是目前单纤三向传输技术应用过程中最核心的器件。本期Central Florida大学的研究者对此作了研究，基于光集成技术，光栅耦合器被集成在有源区的p端，而反馈光栅则被集成在n区。反馈光栅分上下两部分，具有两种不同的周期，从而实现对两个不同波长的反馈。通过谐振腔的来回振荡，两种波长以稳定功率被输出。由于两个反馈光栅周期非常的小，因此一级衍射光具有较大衍射角，大部分能量被反射到波导衬底方向，被n区接收。因此器件避免了增镀高反射层的工艺步骤。该双波长激光器具有较大的输出功率。
    980nm的高功率激光二极管作为EDFA的泵浦源，是很重要也是很基本的一种有源器件。通常具有脊形波导截面的InGaAs–AlGaAs激光二极管能具有接近十万小时的工作寿命。然而随着器件的逐渐老化，单横模的输出会变得不再稳定，进而影响输出功率。本期瑞士的研究者对该类激光器不同条件下的模式识别作了研究。研究认为脊形波导区域的残余导层厚度是影响器件性能的重要因素，只要该厚度小于一定值，就能保证器件长期稳定、具有低阈值电流的工作。作者还发现当出现多横模现象时，加大注入电流密度虽然会引起非线性的输出，但也会明显改善模式的可识别性，这有利于实用中通过简单调整再次恢复器件以单模方式运转。
    光子晶体激光器是理论研究的热点，其紧凑的尺寸和低损耗特性是光集成的发展趋势。围绕着这一问题，各国研究者目前为止已经开展了很多有益的实验研究，然而美中不足的是基于光子晶体，实验上一直很难实现室温下大范围的连续波输出。本期Southern California大学的研究者在兰宝石基底上生长240nm厚的InGaAsP包覆层，这一方面是为了能以较低折射率的形式形成波导结构，另一方面也起到了散热片的作用。靠优化选择点缺陷的数目，作者实验获得了室温下的连续波输出。
    中远红外波段是重要的大气窗口，然而普通激光器发射均立足于电子空穴对的跃迁过程，因此发射波长完全依赖于材料自身能级大小。依赖传统的方法很难获得中远红外的激光发射。94年Bell实验室首先研制出了量子级联激光器，突破中远红外半导体激光器研究长期停滞的局面，与通常的半导体激光器原理明显有区别的是，量子级联激光器没有PN结，辐射只依赖于电子，通过量子阱导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量，发射光子可以在多个级联势阱中隧穿，辐射波长也直接依赖于前后激发态的能量差。自94年以来，量子级联激光器受到国内外研究者的普遍关注，成为焦点性研究方向之一。目前该类器件商业化做得最好的应该是英国的Cascade公司。在我国，中科院半导体所对该类器件也进行了许多富有成效的研究，其中多项成果也都是世界领先的。本期瑞士的研究者报导了其最新制作的量子级联激光器，其具有的显著特点是波导截面（或激光腔）大、波导损耗低、高饱和强度和很低的光束发射。其辐射波长在4.3－5.2微米之间，室温峰值功率接近5W。对远场模斑的测量显示，其相对峰值功率下降一半的发射角范围在30度以内。
    高重复率的激光器是未来高速大容量光网络应用不可缺少的器件，然而受到可获得的商用电子元器件限制，在现实中我们很难直接获得太高频率的信号发射，目前该类激光器普遍采用外部倍增的办法来实现。本期香港城市大学的研究者就采用光纤倍增的办法制作了具有高重复率的多波长脉冲发射器。作者还使用了双折射光纤制作的环镜滤波器，依赖滤波器大带宽的特性，可以对多个波长同时信号倍增。（作者 浙江大学 宋军博士）