1/10/2006,  本期JLT論文并不多，但有兩篇特邀論文，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)方面，一個(gè)器件方面，且都面向相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展回顧，以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)介紹，在下面的評析里，給予重點(diǎn)關(guān)注。
一、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)：
Tyco Telecommunications是國際光網(wǎng)絡(luò)市場上，集批發(fā)容量、管理、服務(wù)和共享空間為一身的領(lǐng)先供貨商，在長距離光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)建設(shè)的標(biāo)志性工程之一。本期JLT有一篇來自Tyco電信的特邀論文，重點(diǎn)介紹了跨洋光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)核心技術(shù)。作者Neal S. Bergano早年曾作為技術(shù)主管工作于AT&T，現(xiàn)在Tyco系統(tǒng)研究部任職首席主管，在長距離光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域有著豐富經(jīng)驗(yàn)。
在跨洋系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)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(nèi)已經(jīng)鋪設(shè)的海底光纜分布，有海下網(wǎng)絡(luò)管理的示意圖等。特別的我們來看一些有意思的曲線，有點(diǎn)類似于IC的摩爾定律，橫坐標(biāo)是年，縱坐標(biāo)是容量、數(shù)量等，揭示了光網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間的高速發(fā)展歷程。舉個(gè)例子，來看一下90年代來商用系統(tǒng)傳輸容量隨時(shí)間的變化。90年代初，由于EDFA的出現(xiàn)，運(yùn)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(shù)的出現(xiàn)和WDM技術(shù)的推廣，這一數(shù)字已提高到10Gb/s，95年，領(lǐng)先的運(yùn)營商普遍采用了增益均衡技術(shù)，可以將商用容量提高到40Gb/s，到98年為止，隨著前向糾錯(cuò)技術(shù)和一些改進(jìn)的調(diào)制格式的出現(xiàn)，該數(shù)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(shù)成熟，該容量已經(jīng)飛躍到了1.8Tb/s，讓傳輸容量率先實(shí)現(xiàn)了3T目標(biāo)。我們總結(jié)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(jìn)增加的動(dòng)力則在于技術(shù)的不斷革新。到05年為止，我們看到由于混合放大技術(shù)的出現(xiàn)和不斷優(yōu)化的調(diào)制格式的誕生，這一數(shù)字已經(jīng)達(dá)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(jīng)被用盡了。顯然網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)想繼續(xù)高速擴(kuò)容，要從換代的放大技術(shù)上做文章了。
再來簡要介紹一下跨洋系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須注意的技術(shù)細(xì)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(bǔ)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(lián)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(gè)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(guān)鍵因素，另外跨海光纜經(jīng)常要傳輸幾千公里，因此累計(jì)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(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，額外需要色散/非線性監(jiān)控與補(bǔ)償?shù)榷鄠�(gè)子系統(tǒng)，顯然工程量非常繁重；（3）調(diào)制格式使用：從上面技術(shù)回顧的評析，我們很容易看到調(diào)制格式的變革在系統(tǒng)容量提升的過程里扮演著至關(guān)重要的角色。當(dāng)前最受跨海系統(tǒng)青睞的調(diào)制格式有兩種，即DPSK與雙二進(jìn)制，前者由于對公差具有良好的容忍度，進(jìn)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(wǎng)絡(luò)長傳輸距離的特質(zhì)決定了有無數(shù)的技術(shù)細(xì)節(jié)需要考慮，對這樣的系統(tǒng)需要測評的最關(guān)鍵參數(shù)是Q因子，且需要分環(huán)節(jié)的對Q進(jìn)出測定和預(yù)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(cuò)能力提出實(shí)用要求；（5）前向糾錯(cuò)（FEC）：對跨洋系統(tǒng)，F(xiàn)EC是不可或缺的一個(gè)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面的其它文章還有：（1）DPSK格式的調(diào)制對帶間串?dāng)_具有較高的容忍度，因此在高速大容量傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用里得到廣泛重視。本期希臘的研究者在考慮了帶間串?dāng)_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(yán)格的預(yù)估模型；（2）偏振復(fù)用是能將單通道調(diào)制速度翻倍的有效手段之一，本期荷蘭的研究者就對相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，指出由于PMD影響，伴隨產(chǎn)生的色散、非線性效應(yīng)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(diào)壓器的作用，當(dāng)傳輸損耗太高的時(shí)候，它會隨之降低光數(shù)據(jù)包的發(fā)射頻率，或減小數(shù)據(jù)包的長度，進(jìn)而表現(xiàn)為提高了發(fā)射入自由空間數(shù)據(jù)的平均功率；（4）馬來西亞的研究者在OCDMA系統(tǒng)每個(gè)編解碼裝置前都安裝了一個(gè)高速可調(diào)光濾波器，根據(jù)發(fā)射信號里預(yù)先設(shè)定的特征碼，可對中心波長信號進(jìn)行某些調(diào)制，通過這樣的改進(jìn)，提升了系統(tǒng)對相致強(qiáng)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(qiáng)度噪聲的抵御力，臺灣大學(xué)的研究者則對調(diào)制格式作了改進(jìn)，提出了被稱為“完美差分”的編碼方式，同時(shí)需要對發(fā)射機(jī)做一些改動(dòng)，作者指出這樣的改進(jìn)還可以有效抑制多用戶干擾，提高系統(tǒng)支持的用戶數(shù)量和系統(tǒng)有效傳輸距離；（6）東京大學(xué)的研究者報(bào)導(dǎo)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(shí)域分析的方法，還能探測四波混頻的強(qiáng)度，并刪除了噪聲的影響，通過對1.1km的光纖色散分布的實(shí)測顯示，其空間精度高達(dá)20m左右；（7）Stanford大學(xué)的研究者利用MZ調(diào)制器，以正交幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了非二進(jìn)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(xué)的研究者針對光通訊系統(tǒng)，提出了最大后驗(yàn)概率MAP的均衡器的設(shè)計(jì)方案，在考慮了PMD和強(qiáng)度自發(fā)輻射噪聲的影響下，推導(dǎo)了概率分布函數(shù)，證明其設(shè)計(jì)方案能有效降低PMD導(dǎo)致的誤碼率增加。
二、集成器件：
來看一篇來自Cornell大學(xué)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(jīng)在傳輸、調(diào)制和光發(fā)射等領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。其實(shí)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(jīng)被提出，并在那時(shí)人們已經(jīng)意識到，使用該技術(shù)可以做出亞微米大小的光器件，從而讓光集成技術(shù)更新?lián)Q代，然而由于工藝技術(shù)限制，制得的波導(dǎo)邊壁粗糙，且對光纖耦合損耗大，此外硅波導(dǎo)較低的量子效率和低的電光系數(shù)，也使得該材料很難在光發(fā)射和調(diào)制上有所作為。直到最近兩三年，由于納米微細(xì)加工技術(shù)的成熟，用硅材料制得幾微米大小的低損耗無源器件已經(jīng)成為可能，近一年來，甚至不斷有報(bào)導(dǎo)，用該技術(shù)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(dǎo)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(diào)制器變得相對容易了。硅材料有無源兩方面的技術(shù)革新，注定了光電集成的最佳契機(jī)已經(jīng)來臨，我們可以預(yù)計(jì)，在近幾年內(nèi)，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(nèi)容上看分為三大塊，即傳輸、調(diào)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(shè)計(jì)，分別針對條形、脊形、光子晶體和狹縫四種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，介紹了波導(dǎo)尺寸設(shè)計(jì)的方法，介紹如何減小耦合和散射損耗，并詳細(xì)介紹了相關(guān)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(shè)計(jì)需要注意的問題；（2）調(diào)制方面：如果調(diào)制速度不高（MHz量級），硅材料由于具有相當(dāng)高的熱光系數(shù)，因此是非常好的熱光調(diào)制器載體，但熱光效應(yīng)無法做到高速調(diào)制。通常高速調(diào)制都立足于電光效應(yīng)，而硅材料的電光系數(shù)非常低，且對純硅，幾乎不存在一次電光效應(yīng)，這也是硅在調(diào)制應(yīng)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(shí)無論熱光效應(yīng)還是一次電光效應(yīng)，就本質(zhì)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(yīng)，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(xiàn)用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)10Gb/s的高速調(diào)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(jìn)展，如使用量子局限效應(yīng)降低輻射壽命，或摻雜產(chǎn)生新的受主等。但比起調(diào)制上的革新，我認(rèn)為硅材料光發(fā)射方面缺少讓人振奮的突破。因?yàn)椴煌�于調(diào)制可以用多種效應(yīng)，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(dǎo)體的本質(zhì)已經(jīng)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(jìn)上。(作者 浙江大學(xué)宋軍博士)