作者 浙江大學(xué) 宋軍博士
一、 光網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)：
1. 先來看WDM-PON的相關(guān)研究：
隨著數(shù)字通訊的不斷發(fā)展，人們對(duì)通訊的要求不在僅僅局限于語音和數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)前，已有越來越多的服務(wù)終端可以接收數(shù)字視頻信號(hào)了。WDM是數(shù)據(jù)容量擴(kuò)充的有效技術(shù)手段，而通常的網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都具有廣播式的特點(diǎn)，因此無論終端客戶是否訂閱了數(shù)字視頻信息，都會(huì)有信號(hào)下載到相應(yīng)接收端。而且現(xiàn)實(shí)中客戶需求更加復(fù)雜，比如有些客戶只要某一特定的時(shí)段才需要接收數(shù)字視頻信號(hào)，除了這些時(shí)間，即便有信號(hào)下載下來，也不會(huì)有人為之買單。很顯然，廣播式的視頻傳輸不僅造成了浪費(fèi)，更占用了不必要的帶寬資源。要想解決問題，思路也很簡(jiǎn)單，就是需要這些視頻信號(hào)的傳輸過程能夠被動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有選擇的傳輸給某些特定用戶。Melbourne大學(xué)的研究者就開展了相關(guān)的研究。其核心技術(shù)在于使用了商用的光調(diào)制器作基帶調(diào)制用，進(jìn)而在網(wǎng)絡(luò)中融合了副載波復(fù)用技術(shù)，在光線路終端控制單個(gè)激光的偏轉(zhuǎn)。這樣在總傳輸容量1Gb/s的WDM-PON里，可以即時(shí)、有選擇的傳輸155Mb/s的數(shù)字視頻信號(hào)。測(cè)試中功耗小于0.5dB。
在復(fù)雜的WDM-PON里，誤碼對(duì)信號(hào)形變的影響非常劇烈，一般應(yīng)保證誤碼率低于10^-9，另外在實(shí)際通訊中，由于使用波長(zhǎng)數(shù)量必定是有限的，當(dāng)沒用空閑波長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)阻塞也會(huì)時(shí)常發(fā)生。為了避免這些劣勢(shì)，許多改進(jìn)設(shè)計(jì)已經(jīng)把比特率調(diào)節(jié)作為一個(gè)重要突破點(diǎn)。相對(duì)于高比特率下非線性引起的劇烈誤碼效應(yīng)，Reed-Solomon碼適合在低比特錯(cuò)誤率的情形下工作。在這種工作狀態(tài)下，Reed-Solomon譯碼器能更正大部分的錯(cuò)誤而產(chǎn)生，進(jìn)而獲得小于10^-10的比特錯(cuò)誤率。因此許多網(wǎng)絡(luò)實(shí)用中都采納了高比特率編碼與Reed-Solomon碼并用的方式，這被稱為相連碼。本期成都電子科技大學(xué)的一位老師就使用Reed–Solomon RS(255,239)碼做內(nèi)部碼，來更正誤碼，選用Golay(23,12)碼作外碼，利用其獨(dú)特的自相關(guān)特性來效抑制噪聲，提高靈敏度。通過這些改進(jìn)，在獲得滿意的性能的同時(shí)，可以將傳輸距離提高兩倍。
相關(guān)的研究還有：（1）貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究者針對(duì)高通道密度的DWDM系統(tǒng)，同時(shí)使用10Gb/s和40Gb/s兩種比特率傳輸信號(hào)，并為此設(shè)計(jì)了新的色散補(bǔ)償系統(tǒng)，大大提高了傳輸中信號(hào)對(duì)非線性影響的容忍性，對(duì)長(zhǎng)距離DWDM應(yīng)用很有幫助；（2）美國(guó)Calient網(wǎng)絡(luò)的研究者實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一個(gè)面向中短距離城域網(wǎng)應(yīng)用的DWDM系統(tǒng)（32×10Gb/s）。其核心器件都使用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的三維微機(jī)電結(jié)構(gòu)，從而系統(tǒng)具有波長(zhǎng)可選擇的交叉互連功能。值得注意的是其也使用了Reed–Solomon碼，利用其優(yōu)良的糾錯(cuò)特性，可以實(shí)現(xiàn)10^-15的極低誤碼的傳輸。（3）喬治工學(xué)院的研究者在高非線性光纖里利用基于Raman效應(yīng)的四波混頻作升頻轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了8×2.5Gb/s的WDM-PON與ROF接入系統(tǒng)的無縫對(duì)接。其系統(tǒng)通過殘留邊帶濾波，可以將色散限制范圍延長(zhǎng)到20km以上。
2. 編碼形式：
    在高速大容量的WDM系統(tǒng)中，非線性效應(yīng)和PMD效應(yīng)是影響傳輸性能的關(guān)鍵因素。NRZ碼對(duì)調(diào)制和解調(diào)設(shè)備的要求比較簡(jiǎn)單，能有效降低系統(tǒng)成本。但對(duì)高速通訊系統(tǒng)，一般認(rèn)為采用RZ碼能對(duì)非線性有更好的抑制能力。DPSK(差分相位調(diào)制)技術(shù)與RZ、NRZ結(jié)合可以使得抗非線性效應(yīng)的能力明顯改善，同時(shí)對(duì)接收的靈敏性提高也有一定幫助。然而現(xiàn)在就RZ-DPSK與NRZ-DPSK兩種碼孰優(yōu)孰劣的問題現(xiàn)在還是有爭(zhēng)議的。有一些研究者認(rèn)為NRZ-DPSK在實(shí)用中更加靈活，系統(tǒng)性能更可靠（這方面的研究在近兩年的OFC上都有體現(xiàn)）。但大多數(shù)研究者都對(duì)RZ-DPSK在抵御非線性和PMD上的表現(xiàn)大嘉贊賞。
在相位-強(qiáng)度調(diào)制的過程里，在強(qiáng)度柱狀圖上會(huì)有三個(gè)高斯分布，其高斯分布的半寬直接與強(qiáng)度自發(fā)輻射的大小相關(guān)，而兩個(gè)高斯分布之間的間距與累積色散大小也是單調(diào)關(guān)系。利用這個(gè)原理，本期College of Optics and Photonics的研究者使用異步柱狀強(qiáng)度譜對(duì)NRZ-DPSK的in-service信號(hào)質(zhì)量做了監(jiān)控。其從柱狀圖中可以直接提取出色散大小和光信噪比等相關(guān)信息。
然而，當(dāng)前限制DPSK調(diào)制性能的主要因素是強(qiáng)度自發(fā)輻射噪聲和光纖克爾效應(yīng)。因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上很多研究者也在試圖對(duì)DPSK進(jìn)行改進(jìn)，以便降低高非線性光纖對(duì)傳輸?shù)挠绊�。其中以色列研究者提出的基于多芯片技術(shù)的DPSK就是很受矚目的一項(xiàng)成果，關(guān)于該成果的持續(xù)性研究最近兩年已經(jīng)有很多報(bào)導(dǎo)，本期快報(bào)證明了其基于三芯片的DPSK調(diào)制格式，在單波長(zhǎng)非線性相位受限光纖里傳輸時(shí)，比起通常的DPSK調(diào)制，誤碼率至少可以下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相應(yīng)的Q參數(shù)可以提高1dB左右。這樣的多芯片DPSK調(diào)制不僅在高非線性光纖中可以改進(jìn)性能，即使在線性度很好的光纖里，Q參數(shù)也至少得到了0.2dB左右的改善。
二、 有源器件：
1. 面向WDM-PON的光源：
WDM-PON需要靈活可靠的波長(zhǎng)配給，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的僅依靠簡(jiǎn)單的多波長(zhǎng)激光器還是不夠的，這就給相應(yīng)的光源設(shè)計(jì)帶來了不少壓力。目前主要有兩種方式來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)靈活配給，其一是使光源“無色化”，其二是使波長(zhǎng)可調(diào)。對(duì)前者的研究不多，主要是基于注入自發(fā)輻射的FP-LD，和反射式的SOA兩種技術(shù)方案。實(shí)現(xiàn)光源“無色”技術(shù)并不復(fù)雜，但在網(wǎng)絡(luò)終端必須配置另外的單波長(zhǎng)光源。對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)的研究相對(duì)就熱門多了，實(shí)現(xiàn)方法也千奇百怪，相關(guān)報(bào)導(dǎo)也不勝枚舉。其中不乏性能優(yōu)化，結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)方案。但高昂的成本無疑限制了其大規(guī)模的商用。本期有很多波長(zhǎng)可調(diào)的研究，其中有兩篇來自都是來自韓國(guó)電子與通訊研究院的，現(xiàn)評(píng)述如下，可以讓您對(duì)可調(diào)激光器的研究現(xiàn)狀有個(gè)初步認(rèn)識(shí)：
（1）基于聚合物波導(dǎo)制作了波長(zhǎng)可調(diào)的外腔激光器，從其材料選擇上可以看出這是一項(xiàng)面向WDM-PON的低成本（這是最可貴的）可調(diào)激光器。再來看它的性能：靠加熱改變Bragg光柵反射譜，激光器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的13nm帶寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)（能支持16通道100GHz頻帶間隔的WDM使用）；旁瓣抑制比超過30dB；實(shí)測(cè)中1.25Gb/s的信號(hào)可以在單模光纖上低誤碼傳輸20km以上，可以說性能也相當(dāng)不錯(cuò)；（2）另一項(xiàng)研究是一種單片集成型的光柵腔可調(diào)激光器，在同一半導(dǎo)體芯片上集成了一個(gè)半導(dǎo)體放大器，一色散原件，一相位控制原件和一個(gè)刻蝕衍射光柵。通過對(duì)色散原件和色散匹配部分進(jìn)行電控，可改變光束相位，進(jìn)而讓光偏移，通過刻蝕衍射光柵的線性波長(zhǎng)選擇特性來調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，總共可以實(shí)現(xiàn)8.5nm的連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，旁瓣壓縮比也優(yōu)于35dB。但其刻蝕光柵部分加工工藝要求比較高（需高的掩膜精度和高垂直度的深刻蝕工藝），除非大規(guī)模批量的生產(chǎn)，否則器件成本壓力仍會(huì)很高。
2. 光纖放大器：
光纖放大器方面的研究一直以來都很熱，主要面向大帶寬和高平坦兩個(gè)方向。首先來看大帶寬的研究，仍是一篇來自南韓的研究，其C波段使用EDFA技術(shù)，L＋S波段利用拉曼散射效應(yīng)，并能有效控制受激輻射在兩者之間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了C＋L＋S，共105nm的整個(gè)光通訊波段的寬帶放大；再來看高平坦，法國(guó)的研究者設(shè)計(jì)了摻銩的氟化光纖放大器，通過對(duì)其包層折射率分布新穎的分層設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)L波段高增益（20dB），高平坦（帶通紋波小于0.7dB）的放大；此外，巴西的研究者在雙泵浦光參量放大器中使用色散漂移光纖，設(shè)計(jì)了47nm增益帶寬，平坦度較好（帶通紋波小于1.5dB），具有37dB高增益的光纖放大器。
3. 接收器方面：
盡管基于半導(dǎo)體材料的硅鍺探測(cè)器更有利于光電集成，但畢竟其量子效率比三五族材料還低幾個(gè)量級(jí)，因此商用的高速探測(cè)器仍以三五族材料為主。特別，基于InGaAsN的PIN探測(cè)器以其響應(yīng)速度高，易陣列化，暗電流低的特性很受關(guān)注。有人證明提高I層厚度能有效提高探測(cè)效率，但由于局域較高濃度N的的影響，能夠讓晶格參數(shù)變動(dòng)，降低量子效率。因此在增大I層厚度的同時(shí)，也必須有效稀釋N的濃度。本期新加坡的研究者使用基于固態(tài)材料的分子束外延生長(zhǎng)了厚厚的InGaAsNSb作為芯層，依靠Sb的表面活性效應(yīng)，可以在生長(zhǎng)厚的有源層的同時(shí)，稀釋局域過濃的N。
三、無源器件：
限于篇幅，僅對(duì)幾項(xiàng)研究簡(jiǎn)單評(píng)析如下：意大利研究者研究了光纖光柵級(jí)連濾波過程里的多路干擾問題，對(duì)確定的帶外反射和眼開幅度要求，可以確定最大的濾波器數(shù)目，相關(guān)的研究以前還沒有過；提高大數(shù)值孔徑光纖對(duì)波導(dǎo)的耦合效率是常見的研究方向，本期巴西的研究者相關(guān)研究還是挺出色的，其使用脊形的SOI波導(dǎo)設(shè)計(jì)了taper結(jié)構(gòu)，從其實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，耦合損耗的降低還是很明顯的。