作者：邵宇豐博士后
    5/31/2010,2010年4月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：半導(dǎo)體有機激光器和放大器、調(diào)制器和光開關(guān)、傳輸和光波導(dǎo)、無源器件、有源器件、全光技術(shù)、測量技術(shù)、傳感器、模擬和射頻光子學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)，筆者將逐一評析。 
1、 半導(dǎo)體有機激光器和放大器
    由于量子層疊（QC）激光器制造技術(shù)的發(fā)明，量子層疊微腔激光器已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其原因是它具有超小體積、高Q值和低閾值電流等優(yōu)點。然而，在微諧振腔側(cè)壁的所有內(nèi)反射過程需要回應(yīng)壁模式（WGM）下的模式光射線來取代在分布反饋式激光器中的光柵以進行弱反射。因此，在中紅外回應(yīng)壁模式微環(huán)激光器工作時，其模式特性對斜側(cè)壁的影響是有必要徹底進行研究的一個問題。中國科學(xué)院集成光電子國家重點實驗室和半導(dǎo)體研究所的研究人員基于有限差分時域方法（FDTD），研究了帶有斜側(cè)壁和含金屬層微尺寸中紅外共振器的模式特性，研究人員提出的帶有斜側(cè)壁和含金屬層微尺寸中紅外共振器的模式特性圖如圖1.1所示。
 
  圖1.1 帶有斜側(cè)壁和含金屬層的微尺寸中紅外共振器的模式特性圖
    眾所周知，具有緊湊結(jié)構(gòu)的相干光源所發(fā)出的紅光對于許多實際應(yīng)用起到關(guān)鍵作用，尤其是體現(xiàn)在光動力治療方法、激光投影顯示技術(shù)和生物光子學(xué)應(yīng)用方面。一個光學(xué)泵浦半導(dǎo)體盤型激光器（OP-SDL）能夠產(chǎn)生衍射受限的大功率光束，而且當(dāng)摻雜恰當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體混合物時，它能被設(shè)計成可發(fā)射650納米到中紅外波長光波的泵浦半導(dǎo)體盤型激光器。來自芬蘭坦佩雷技術(shù)大學(xué)光電子研究中心的研究人員采用周期極化化學(xué)計量比摻氧化鎂LiTaO3晶體以實現(xiàn)一個光學(xué)泵浦半導(dǎo)體盤型激光器的頻率倍增過程。其中，光學(xué)泵浦半導(dǎo)體盤型激光器的腔體配置圖如圖1.2所示。

  圖1.2 光學(xué)泵浦半導(dǎo)體盤型激光器的腔體配置圖
    對于短距離光纖通信技術(shù)而言，垂直腔面表面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種非常合適的光源，其原因是它具有低成本、可批量生產(chǎn)和較小功率消耗等優(yōu)點。實際中，垂直腔面表面發(fā)射激光器的高速率直接調(diào)制過程能進一步提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)中信光號的傳輸容量，尤其是它能對基于以太網(wǎng)的區(qū)域光網(wǎng)絡(luò)和板級光互連技術(shù)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。近年來，許多不同的方法被研發(fā)出來以提高不同工作波長垂直腔面表面發(fā)射激光器的直接調(diào)制帶寬。來自加拿大蒙特利爾McGill大學(xué)電子與計算機工程系的研究人員提出并設(shè)計了一種工作波長為850納米，并且具有低密度注入空穴垂直腔面表面發(fā)射激光器，同時實現(xiàn)了高達25Gb/s速率的直接調(diào)制過程。研究人員采用的具有低密度注入空穴垂直腔面的表面發(fā)射激光器的照片如圖1.3所示。

  圖1.3 低密度注入空穴垂直腔面的表面發(fā)射激光器的照片
    白光發(fā)光二極管（LED）正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈泡和具有緊湊結(jié)構(gòu)的熒光燈占領(lǐng)照明市場，其原因是它有節(jié)能這一突出的發(fā)展優(yōu)勢。目前，有兩種主要的方法被采用來制造白光發(fā)光二極管：其一是采用黃磷覆蓋在藍光發(fā)光二極管上（或者采用一個多磷的紫外發(fā)光二極管）的制造技術(shù)；其二是采用紅色、綠色和藍色分立發(fā)光二極管（RGB LED）的芯片顏色混合技術(shù)。來自中國香港大學(xué)電子和電器工系的研究人員報道了采用激光顯微加工技術(shù)制造去頂圓錐（TC）白光發(fā)光二極管的方法。研究人員采用了一種改進激光顯微加工的方法制造了一個具有50度傾斜角斜壁的圓盤形藍光發(fā)光二極管。在制造工藝過程中，一層金屬鋁被涂覆在斜壁上并在其底部表面形成了一個完整的反射鏡。由于實現(xiàn)了高質(zhì)量的反射，側(cè)面?zhèn)鞑サ墓庾右矊⒅囟ㄏ虻较蛏现苯影l(fā)射的方向上，因此在法線方向上光子密度將有21.7%的增長值。相比較傳統(tǒng)的光子發(fā)光器件而言，這種去頂圓錐發(fā)光二極管（TC-LED）發(fā)射的白光，被研究人員證明在其顏色均勻性上將有37%的大幅度提升。圖1.4是研究人員采用三種不同方法進行發(fā)光二極管涂覆的實現(xiàn)方案圖。

  圖1.4 采用三種不同方法進行發(fā)光二極管涂覆的實現(xiàn)方案圖
2、 調(diào)制器和光開關(guān)
    為了最大程度地提升光通信系統(tǒng)的傳輸系能，減少光學(xué)設(shè)備的損耗是一個不得不考慮的一個重要問題。隨著單信道傳輸速率的增長，寬帶光信號的光譜很容易受到濾波器件和色散效應(yīng)的影響，從而必然導(dǎo)致光信號接收性能的下降。來自以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)應(yīng)用物理系的研究人員提出并設(shè)計了一種光學(xué)光譜處理器來處理具有任意相位和幅度的光譜，同時將該光學(xué)光譜處理器應(yīng)用在具有100GHz譜寬無色波分復(fù)用（WDM）的自適應(yīng)濾波技術(shù)中。研究人員提出的方案采用自由空間的光器件以發(fā)射來自光相位調(diào)制器上平面光波導(dǎo)回路的色散光。該光學(xué)光譜處理器能在75GHz的可用帶寬上，557MHz的間隔尺寸上實現(xiàn)3GHz光學(xué)分辨率的工作。研究人員設(shè)計的光學(xué)光譜處理器（PSP）方案如圖2.1所示。

  圖2.1 光學(xué)光譜處理器（PSP）的方案圖
3、 傳輸和光波導(dǎo)
    近年來，雙光子微影技術(shù)（TPL）對于任意形狀聚合體三維（3D）結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯示出其潛在的應(yīng)用優(yōu)勢。雙光子微影技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在其直接處理的過程，該過程可以創(chuàng)造出非常復(fù)雜甚至是傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)所不能制造的結(jié)構(gòu)。來自意大利Magna Graecia大學(xué)的研究人員設(shè)計并提出了一種采用雙光子聚合的方法在光纖頂部構(gòu)造不同微光結(jié)構(gòu)的新型構(gòu)造技術(shù)。研究人員證明該方法相比較以前的成形方法而言，只需要采用簡單的配置就可以實現(xiàn)一般三維形狀的快速構(gòu)造過程。本文報道的一系列不同光學(xué)結(jié)構(gòu)，不同光學(xué)功能的設(shè)計流程都證明了研究人員提出的該方法實現(xiàn)過程具有多功能性和良好的光學(xué)性能。圖1.6是研究人員提出的在構(gòu)造工藝過程中對光纖進行加工的實現(xiàn)方案圖。

  圖3.1研究人員提出的在構(gòu)造工藝過程中對光纖進行加工的實現(xiàn)方案圖
    隨著表面等離子極化（SPP）現(xiàn)象的出現(xiàn)，表面等離子波（SPW）的傳播過程代表了一種電磁波的傳播模式，這種模式能最大程度地被限制在金屬電介質(zhì)界面上并且在金屬電介質(zhì)界面兩壁呈現(xiàn)出指數(shù)級次衰退現(xiàn)象。表面等離子波的傳播過程不可能存在于完美的電導(dǎo)體（PEC）和電介質(zhì)界面的光滑表面上，除非電導(dǎo)體的表面被周期性地進行打孔加工。中國寧波大學(xué)理學(xué)系光子研究所的研究人員使用有限差分時域的方法研究了在一個帶有垂直切口的金屬周期凹槽光柵上，傳播表面等離子波的諧振機理。圖1.7所示為具有不同垂直切口的電導(dǎo)體光柵的色散特性圖。

  圖3.2 具有不同垂直切口的電導(dǎo)體光柵的色散特性圖
    在微電子應(yīng)用領(lǐng)域，多晶硅（polySi）是一種基本材料，由于多晶硅能被容易地沉積到幾乎任意形狀的襯底上，并且多晶硅上能靈活地承載有源光子器件，因此多晶硅在硅基光電的應(yīng)用中起著不可或缺的作用。新加坡微電子研究所的研究人員設(shè)計并提出了一種基于硅基光電子集成回路的多晶硅光子器件，其中多晶硅線波導(dǎo)的工藝制作過程中采用了不同的低熱固相結(jié)晶（SPC）方法。圖1.8是研究人員采用不同的退火工藝程序獲得硅沉積薄膜的拉曼光譜比較圖。

  圖3.3研究人員采用不同退火工藝程序獲得硅沉積薄膜的拉曼光譜比較圖
    目前在光信號域?qū)�光�?shù)據(jù)流完全處理的研究工作中，光子集成回路的設(shè)計和實現(xiàn)是一個重要并且具有挑戰(zhàn)性的研究課題。實際中，硫系玻璃（ChGs）作為一種具有極好特性基片的出現(xiàn)對于集成非線性光子（NLO）器件的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢：超快速的寬帶光響應(yīng)時間、高的光學(xué)非線性效應(yīng)、在電信級波長應(yīng)用中低的線性和非線性損耗。澳大利亞國立大學(xué)激光物理研究中心高速寬帶光系統(tǒng)研究所的研究人員提出并設(shè)計了一種亞微米尺寸三硫化二砷波導(dǎo)的工藝制作流程，并描述了該波導(dǎo)的特性。在原子能顯微鏡（AFM）下，圖1.9顯示了去光阻制程的結(jié)果是該波導(dǎo)的表面粗糙度增加了大約3倍。

  圖3.4研究人員采用原子能顯微鏡顯示出的波導(dǎo)表面粗糙度照片
4、 無源器件
    在中功率或大功率的光纖激光器中，作為一種窄線寬反饋式器件，光纖布拉格光柵（FBG）的應(yīng)用引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其原因是光纖布拉格光柵能通過減少外部塊狀光子器件的使用來簡化激光器的外部設(shè)計。來自澳大利亞悉尼大學(xué)化學(xué)系的研究人員設(shè)計和報道了一種內(nèi)部含有活性介質(zhì)II型布拉格光纖光柵的飛秒光纖激光器的搭建過程。這種激光器的設(shè)計和實驗過程如圖4.1所示。

  圖4.1 內(nèi)部含有活性介質(zhì)II型布拉格光纖光柵的飛秒光纖激光器的搭建過程
    硅基集成回路技術(shù)的實現(xiàn)已經(jīng)獲得大量的贊譽，其原因是硅基集成回路的封裝密度改善了光子器件的功能，并且可以降低成本耗費�；�于SOI的硅基線波導(dǎo)因為能夠?qū)崿F(xiàn)超高密度微型光子器件的集成過程，因此被認(rèn)為是一個具有發(fā)展優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)平面波導(dǎo)。然而，當(dāng)研究人員將幾百納米尺度的硅基線波導(dǎo)直接耦合到芯徑10微米的普通單模光纖中時，發(fā)現(xiàn)大的耦合損耗將是其不可忽視的工藝制作缺陷。來自中國北京半導(dǎo)體研究所的研究人員設(shè)計并驗證了一種采用有機玻璃（PMMA）制作的，基于絕緣體的硅光光纖連接到波導(dǎo)的模斑轉(zhuǎn)換器（SSC）。這種模斑轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。

  圖4.2基于絕緣體的硅光光纖連接到波導(dǎo)的模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
5、 有源器件
    近年來，關(guān)于量子點半導(dǎo)體光放大器（QD-SOA）的一些研究結(jié)果已經(jīng)顯示，量子點半導(dǎo)體光放大器具有超過傳統(tǒng)的體效應(yīng)和量子阱（QW）放大器的優(yōu)越性能。這些優(yōu)越性能體現(xiàn)在量子點半導(dǎo)體光放大器可以提升飽和功率、實現(xiàn)大的增益、進行時鐘恢復(fù)和提高帶寬。來自日本大阪大學(xué)的研究人員提出并實驗驗證了在柱狀量子點（CQD）半導(dǎo)體光放大器（SOA）中使用紅移偏置濾波器的方法，基于自相位調(diào)制效應(yīng)的10Gb/s、20Gb/s和40Gb/s歸零碼信號的再生放大。研究人員還研究了放大器入射功率和信號Q平方值的函數(shù)關(guān)系，并同時進行了一種采用量子阱半導(dǎo)體放大器作為比較的實驗。研究結(jié)果顯示僅可能在量子點放大器中才能實現(xiàn)基于自相位調(diào)制過程的信號再生放大。研究人員采用量子點半導(dǎo)體光放大器構(gòu)建的實驗系統(tǒng)如圖5.1所示。

  圖5.1采用量子點半導(dǎo)體光放大器構(gòu)建的實驗系統(tǒng)方案圖
6、 全光技術(shù)
    在電子領(lǐng)域中，在信號處理系統(tǒng)中必須設(shè)計和應(yīng)用的方波時鐘信號，在電壓坪和驅(qū)動函數(shù)電門之間實現(xiàn)了良好的預(yù)定義轉(zhuǎn)移過程。與此類似，在光信號域中，尤其是在光子集成回路中，光方波時鐘信號的實現(xiàn)也被期望可以實現(xiàn)相同的功能。美國羅徹斯特大學(xué)的研究人員提出并實現(xiàn)了基于全光觸發(fā)器的光方波時鐘信號的產(chǎn)生方案。研究人員通過在行波型半導(dǎo)體光放大器中，基于交叉增益調(diào)制的過程用輸出來調(diào)制輸入，將來自諧振型半導(dǎo)體光放大器的雙穩(wěn)態(tài)輸出光功率在開或關(guān)的狀態(tài)之間進行切換。其中，所有的有源器件都被直流電流驅(qū)動，并且它們的波長和時鐘頻率可以被選擇。同時，在體材料的光子器件中一個3.5MHz工作頻率的時鐘信號被有效實現(xiàn)。研究人員還建議在光子集成回路和全光信號處理的過程中，應(yīng)用具有潛在發(fā)展優(yōu)勢的光方波信號。圖6.1所示為使用一個行波型放大器和一個諧振型放大器產(chǎn)生光方波時鐘信號的方案圖。

  圖6.1 使用一個行波型放大器和一個諧振型放大器產(chǎn)生光方波時鐘信號的方案
7、 測量技術(shù)
    微型的分光計之所以被廣泛應(yīng)用，是因為它可以實現(xiàn)光信號的譜檢測。但是在常規(guī)的微型分光計設(shè)計過程中，我們必須對微型分光計的性能和尺寸進行折衷考慮。通常的設(shè)計包括：靜電可調(diào)腔體的設(shè)計、波導(dǎo)分光計的設(shè)計、法布里—帕羅濾波器的設(shè)計。美國南加利福利亞大學(xué)生物工程系的研究人員采用了對生物標(biāo)本的光譜和時域熒光性進行分析的方法，實現(xiàn)了一個有效的診斷過程。研究人員還指出，為了緊湊集成分光計的應(yīng)用需要，微型光機電系統(tǒng)（MOEMS）的使用是一種可行方案。為了改善微型分光計的使用性能，研究人員提出采用多層層疊設(shè)計的方法來提升它的解析度和吞吐量。表7.1列出了不同種類微型分光計系統(tǒng)的性能比較。

  表7.1 不同種類微型分光計系統(tǒng)的性能比較
8、 傳感器
    迄今為止，在安全領(lǐng)域，實現(xiàn)安全和可靠的人員鑒別是一項至關(guān)重要的技術(shù)。指紋識別是一種最常使用的方法，并且這項技術(shù)是一種易于采用和被人們廣泛接納的有效技術(shù)。此外，保存大量指紋的數(shù)據(jù)庫也使人們可以更方便地使用這項技術(shù)進行人員鑒別。目前，無數(shù)的系統(tǒng)、傳感器和算法因為采用了精確可靠的指紋鑒別技術(shù)而得以廣泛應(yīng)用。盡管如此，這些應(yīng)用在針對欺騙性攻擊，以及因為手指上的傷疤、刀痕、沾水后的手指、骯臟的手指和傳感器上殘留手指印記的存在方面缺乏有效地處理方法。而且，在實際應(yīng)用中，硅材料或者假手指制作的虛假指紋印記也很難被有效區(qū)分。為了克服上述問題，一些新的生物學(xué)方法被提出進行研究。然而，這些方法由于完全依賴于手指或者其他肢體的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，例如：手掌紋理、膝蓋的X射線分析和手指內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲波分析，所以很難對付外部的欺騙性攻擊。并且，這些生物學(xué)的人員鑒別方法大部分都缺乏數(shù)據(jù)庫的支持，同時這些鑒別方法都需要準(zhǔn)確且可靠的鑒定算法支持，這也是其具有的一個缺陷。來自瑞士伯爾尼應(yīng)用科學(xué)大學(xué)電子與信息科學(xué)系光子實驗室的研究人員通過分析手指的內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)，提出采用一種新的方法來實現(xiàn)免受攻擊的指紋識別過程。研究人員得到的指紋信息不再是基于容易偽造的外部皮膚圖片信息，而是包含來自手指內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。并且，研究人員還指出手指上外部凸起和凹陷的形成來源于手指的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究人員通過采用頻域光學(xué)相干斷層成影（FD-OCT）技術(shù)，成功提取了反映手指內(nèi)部信息的三維照片，并且指出如果采用商用的指紋鑒別程序，指紋內(nèi)部95%的圖片信息能夠被成功獲取。研究結(jié)果證明采用頻域光學(xué)相干斷層成影技術(shù)得到的指紋內(nèi)部圖片信息能夠進行有效地實現(xiàn)指紋識別過程。圖8.1所示為研究人員采用頻域光學(xué)相干斷層成影方法獲得的三維圖片。
 
     圖8.1 研究人員采用頻域光學(xué)相干斷層成影方法獲得的三維圖片
9、 模擬和射頻光子學(xué)
    近年來，毫米波（mm wave）光纖無線通信技術(shù)（RoF）技術(shù)因為能夠為未來的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)無線接入系統(tǒng)提供寬帶服務(wù)而引起了研究人員的廣泛重視。通過光纖連接中心站（CO）和基站（BS），光纖無線通信技術(shù)能夠使得未來的無線接入網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活和易于升級。此外，采用光纖無線通信技術(shù)也可以簡化基站的配置，尤其是可以將基站中復(fù)雜的信號處理過程從基站轉(zhuǎn)移到中心站。我們知道，60GHz帶寬的毫米波信號因為在無線接入系統(tǒng)中可以滿足更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、降低頻率帶寬的競爭和短距離的空間無線通信需求等方面具有發(fā)展優(yōu)勢，而引起了許多研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。然而，在毫米波光纖無線通信系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中的色散效應(yīng)將會導(dǎo)致無線信號的接收功率衰退，尤其對于雙邊帶（DSB）調(diào)制碼型信號的影響更是如此。因此，許多單邊帶（SSB）調(diào)制技術(shù)被研究人員采用來解決這一關(guān)鍵問題。來自中國北京大學(xué)電子系先進光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出并報道了一種采用注入鎖模分布反饋式（DFB）激光器在60GHZ光纖無線通信系統(tǒng)中進行光學(xué)單邊帶調(diào)制的方法。在實現(xiàn)過程中，將兩個具有60GHz頻率間隔的外差光信號注入到分布反饋式激光器中，并且將其中的一個模式鎖定。當(dāng)分布反饋式激光器被直接調(diào)制時，鎖模的調(diào)制系數(shù)值將比沒有鎖模的調(diào)制系數(shù)值大15dB。采用研究人員提出的單邊帶調(diào)制方案，一個基于60GHz傳輸速率為2.5Gbit/s的數(shù)據(jù)信號在50Km的單模光纖中傳輸并被有效接收。
 
  圖9.1 研究人員提出的采用單邊帶調(diào)制傳輸系統(tǒng)的實驗方案圖
    眾所周知，光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭有許多應(yīng)用。它能被使用在光波導(dǎo)天線中和許多其他的軍事或者商業(yè)應(yīng)用的相關(guān)旋轉(zhuǎn)接口之間來傳輸光信號。相比較電滑環(huán)裝置而言，在電磁接口方面，光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭具有更好的免疫優(yōu)勢，這是因為常規(guī)的天線測量系統(tǒng)常常使用金屬同軸線。常規(guī)的天線測量系統(tǒng)有如下問題：在電纜中信號的衰減大、受到外部表面的反射影響并且難于實施應(yīng)用。而為了將光纖鏈路傳輸系統(tǒng)應(yīng)用到射頻天線的測量系統(tǒng)中，含光纖和收發(fā)設(shè)備（TRx）模塊的光纖旋轉(zhuǎn)接頭（FORJs）是不可或缺的。來自韓國Yuseong-gu電子和電信研究所的研究人員提出并報道了一種可在實際天線測量技術(shù)測量中應(yīng)用光纖旋轉(zhuǎn)接頭和光纖鏈路的協(xié)同工作方案。其中，光纖旋轉(zhuǎn)接頭的旋轉(zhuǎn)變化損耗僅僅依賴于該器件的機械失配。為了實現(xiàn)0.2dB或者更小的旋轉(zhuǎn)變化損耗，研究人員提出并研究了一種使用無透鏡雙尺寸失配的不接觸接口的新配置，并使用了分布反饋式激光器、PIN光電探測器和單模光纖跳線。研究人員采用的光纖旋轉(zhuǎn)接頭有非常低的旋轉(zhuǎn)變化損耗，并且他們采用的光纖鏈路在天線測量的應(yīng)用中其工作過程是相當(dāng)穩(wěn)定的。最后，研究人員證明了這種光纖旋轉(zhuǎn)接頭和光纖鏈路可以應(yīng)用在射頻天線的測試方案中。圖9.2所示為使用光纖旋轉(zhuǎn)接頭和光纖鏈路進行天線測量的系統(tǒng)方案圖。

  圖9.2使用光纖旋轉(zhuǎn)接頭和光纖鏈路進行天線測量的系統(tǒng)方案圖
    工作在毫米波（mm wave）頻段的光纖無線通信傳輸系統(tǒng)被認(rèn)為是一種解決無線終端用戶多媒體服務(wù)應(yīng)用的有效通信系統(tǒng)而被許多研究機構(gòu)廣泛研究。為了使用毫米波信號來向無線終端用戶提供更大的帶寬，一種可行的方法是采用光纖無線通信技術(shù)（RoF），通過采用這種技術(shù)，載波頻率上的無線信號能夠在光通信網(wǎng)絡(luò)中從中心站（CS）傳輸?shù)交�站（BS）。其中，毫米波的產(chǎn)生方法主要有以下幾種：一是強度調(diào)制直接檢測的方法（IMDD）；二是遠端外差檢測的方法（RHD）；三是諧波上變換的方法。來自中國北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所全光網(wǎng)絡(luò)和先進電信網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出并設(shè)計了一種使用三角型啁啾光纖布拉格光柵（CFBG），基于強度調(diào)制直接檢測方法的光纖無線通信系統(tǒng)。在這個方案中，首先使用一個毫米波驅(qū)動信號在強度調(diào)制器上實現(xiàn)光學(xué)雙邊帶調(diào)制（DSB）過程，然后將經(jīng)雙邊帶調(diào)制的光信號輸入一個三角型啁啾光纖布拉格光柵。由于三角型啁啾光纖布拉格光柵在光譜上具有負(fù)增長效應(yīng)，所以它的低階邊帶比高階邊帶有更大的衰減，這意味著含有載波的光學(xué)單邊帶（OSSB+C）調(diào)制過程可以很容易地實現(xiàn)。通過平衡光學(xué)載波邊帶抑制比，三角型啁啾光纖布拉格光柵的信號處理過程能夠改善鏈路的傳輸性能。研究人員特別指出，當(dāng)采用他們的方案時，該系統(tǒng)可以在商業(yè)級應(yīng)用上保證實現(xiàn)低成本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和良好的通信性能。圖9.3所示為在強度調(diào)制直接檢測的光纖無線通信系統(tǒng)中采用三角型啁啾光纖布拉格光柵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

  圖9.3在強度調(diào)制直接檢測的光纖無線通信系統(tǒng)中采用三角型啁啾光纖布拉格光柵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

10、網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
    10Gbit 以太無源光網(wǎng)絡(luò)（10G-EPON）系統(tǒng)是按照IEEE 802.3av的標(biāo)準(zhǔn)建立并發(fā)展至今的，關(guān)于10Gbit 以太無源光網(wǎng)絡(luò)的可行性研究正在如火如荼地進行。另外，在10Gbit 以太無源光網(wǎng)絡(luò)中進行突發(fā)模式上行數(shù)據(jù)傳輸時，突發(fā)模式的接收機和突發(fā)模式的時鐘及數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDRs）模塊也被相關(guān)研究機構(gòu)認(rèn)為是其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，采用交流耦合突發(fā)模式的接收機被認(rèn)為是一種有效地解決方案，但是這種接收機的生產(chǎn)實現(xiàn)是相當(dāng)困難的。來自日本神奈川三菱電氣公司信息技術(shù)中心的研究人員首次設(shè)計并制造了一種為10Gbit 以太無源光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并能將速率高達82.5GS/s過抽樣時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)的全自動增益控制光接收過程合并到10.3Gb/s突發(fā)模式下進行3R恢復(fù)的接收機。研究人員設(shè)計的突發(fā)模式預(yù)設(shè)放大器、限幅放大器和時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊都被集成在0.13μm的鍺硅雙極性互補金屬氧化半導(dǎo)體上以實現(xiàn)其工藝制造流程，其工藝流程完全符合IEEE 802.3av 10Gbit 以太無源光網(wǎng)絡(luò)的建議標(biāo)準(zhǔn)。在誤碼率為10-3量級時，研究人員設(shè)計的10.3Gb/s突發(fā)模式下進行3R恢復(fù)的接收機成功地實現(xiàn)了-30.1dBm的接收靈敏度。圖10.1為研究人員設(shè)計的10.3Gb/s突發(fā)模式下進行3R恢復(fù)的接收機配置圖。

   圖10.1研究人員設(shè)計的10.3Gb/s突發(fā)模式下進行3R恢復(fù)的接收機配置圖
    基于光譜幅度編碼的光碼分復(fù)用多重接入（SAC-OCDMA）系統(tǒng)的性能嚴(yán)重受限于相似光源的非相干強度噪聲的影響。為了減少強度噪聲的影響，不同的解決方案被研究人員提出。來自加拿大魁北克Laval大學(xué)ECED系的研究人員首次報道了一種采用multicanonical蒙特卡洛算法基于光譜幅度編碼的光碼分復(fù)用多重接入系統(tǒng)的性能分析方法，并且在隨著用戶數(shù)量的增長時在基于光譜幅度編碼的光碼分復(fù)用多重接入系統(tǒng)中，檢測了強度噪聲抑制半導(dǎo)體光放大器（SOA）的功效。研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著用戶數(shù)量的增長，半導(dǎo)體光放大器的功效隨之減弱，此時噪聲將增加，這與波分復(fù)用系統(tǒng)中的頻率分配功效恰恰相反。研究人員還實現(xiàn)了采用高斯算法來研究噪聲分布的過程，發(fā)現(xiàn)此時進行誤碼率預(yù)測是不準(zhǔn)確的。研究人員證明他們的數(shù)值模擬結(jié)果和已發(fā)表的實驗結(jié)果恰恰相反。圖10.2所示為N個用戶使用半導(dǎo)體光放大器的光碼分復(fù)用多重接入系統(tǒng)的配置圖。

  圖10.2  N個用戶使用半導(dǎo)體光放大器的光碼分復(fù)用多重接入系統(tǒng)的配置圖
    目前，互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級增長拉動了光通信網(wǎng)絡(luò)向高傳輸容量的方向發(fā)展。其中，高傳輸容量的光纖鏈路上承載的數(shù)據(jù)分組速率已經(jīng)超過了100Gb/s，這些數(shù)據(jù)分組采用了不同的發(fā)送方式，例如：基于歸零碼的數(shù)據(jù)分組、具有高譜效率的多波長數(shù)據(jù)分組、基于差分四相相移鍵控碼（DQPSK）的數(shù)據(jù)分組、基于正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）的數(shù)據(jù)分組和基于正交幅度調(diào)制（QAM）的數(shù)據(jù)分組。另一方面，由于目前電路交換中交換矩陣的速度、可擴容性和光電轉(zhuǎn)換的能量損耗，采用電路交換數(shù)據(jù)分組進行路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能將受到限制。而光數(shù)據(jù)分組在光信號域的透明交換消除了電路交換過程中光電轉(zhuǎn)換的能量損耗問題。然而，為了實現(xiàn)這樣的光分組交換過程還有幾個問題值得我們?nèi)パ芯俊Ｊ紫�，光分組交換系統(tǒng)應(yīng)該有能力處理多種格式的數(shù)據(jù)交換，這意味著標(biāo)記的處理器將決定數(shù)據(jù)分組的目的地并控制交換矩陣，同時在交換矩陣中，標(biāo)記的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)速率也必須能夠被獨立操控；其次，光分組交換系統(tǒng)應(yīng)該可以被擴容，這意味著交換矩陣中輸入和輸出端口的數(shù)量不能受到交換結(jié)構(gòu)的限制。而且，為了增加光分組交換網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的吞吐量，光分組交換系統(tǒng)的反應(yīng)時間應(yīng)該是迅速的。來自荷蘭Eindhoven技術(shù)大學(xué)COBRA研究中心的研究人員提出并證明了一種對多種數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)比特率透明的采用帶內(nèi)標(biāo)記的光分組交換系統(tǒng)。研究人員實現(xiàn)了當(dāng)改變數(shù)據(jù)分組的調(diào)制碼格式和比特速率時，攜帶帶內(nèi)標(biāo)記的數(shù)據(jù)分組并不需要在標(biāo)記處理器中進行重新配置。同時，基于異步光信號處理的標(biāo)記處理器和一個簡單的電子處理網(wǎng)絡(luò)相連，使得標(biāo)記處理器有能力處理低延遲時間（小于3ns）的標(biāo)記，而不需要進行復(fù)雜的和有功率耗費的高速數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)操作和串行以及解除串行回路的操作。研究人員用實驗證明了在1x64的光分組交換系統(tǒng)中，可以進行傳輸速率高達160Gb/s的基于歸零開關(guān)鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組和120Gb/s的基于非歸零差分相移鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組的無誤碼光分組交換操作。圖10.3（a）和（b）所示分別為采用160Gb/s的基于歸零開關(guān)鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組和120Gb/s的基于非歸零差分相移鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組，結(jié)合六個基于開關(guān)鍵控調(diào)制碼格式標(biāo)記的分組交換實驗方案圖。

   圖10.3采用160Gb/s的基于歸零開關(guān)鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組（a）和120Gb/s的基于非歸零差分相移鍵控調(diào)制碼格式的多波長數(shù)據(jù)分組（b），結(jié)合六個基于開關(guān)鍵控調(diào)制碼格式標(biāo)記的分組交換實驗方案圖。
    近年來，正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）因為可以抵抗光信號傳輸過程中色散和偏振模色散的負(fù)面影響，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。值得注意的是這一免疫優(yōu)勢同樣體現(xiàn)在高達100Gb/s傳輸速率的大容量光傳輸網(wǎng)絡(luò)上。此外，相干檢測技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù)（PDM）也被采用來實現(xiàn)高的接收機靈敏度和大的通信傳輸容量。然而，為了降低系統(tǒng)的成本耗費，在光收發(fā)設(shè)備中的光子器件的設(shè)計應(yīng)該被簡化。與此同時，為了實現(xiàn)光正交頻分復(fù)用信號的傳輸檢測，直接檢測技術(shù)（DD）也是一種可行的檢測方案，其特點是光信號的參考光載波隨著光正交頻分復(fù)用信號的邊帶一起傳送，從而使得接收設(shè)備中不再需要光子混合器件和本地振蕩器。然而，由于頻率域保護間隔的需要，基于直接檢測的光正交頻分復(fù)用信號的信道容量和頻帶利用率（SE）都將下降，因此在對光正交頻分復(fù)用信號系統(tǒng)中避免信號的相互串?dāng)_是必須要考慮的。目前，采用偏振復(fù)用技術(shù)和高譜效率的高階調(diào)制格式（例如16QAM）已經(jīng)被應(yīng)用在100Gb/s的基于直接檢測的光正交頻分復(fù)用信號的傳輸中。在這種方案中，傳輸光信號的偏振狀態(tài)（SOP）被多輸入多輸出（MIMO）數(shù)字處理技術(shù)跟蹤。這往往比單偏振的情形要求使用更長的訓(xùn)練符號（TS），并且要求在兩個偏振支路上進行精確地時域匹配。來自日本琦玉市KDDI R&D實驗室的研究人員設(shè)計并提出了一種簡便易行的方法實現(xiàn)了偏振復(fù)用直接檢測光正交頻分復(fù)用傳輸信號的方法，這種方法不需要在接收機中進行數(shù)字多輸入多輸出的信號處理，并且其載波分量的光濾波允許簡單偏振分離。研究人員使用16進制正交幅度調(diào)制和31GHz的可用帶寬成功地實現(xiàn)了100Gb/s的光信號在80公里普通單模光纖上的傳輸過程。研究人員在此基礎(chǔ)上還研究了這種100Gb/s光信號傳輸系統(tǒng)中激光器的頻率偏差容忍度。圖10.4所示為研究人員提出的100Gb/s的偏振復(fù)用直接檢測光正交頻分復(fù)用信號的傳輸系統(tǒng)方案圖。

  圖10.4 100Gb/s的偏振復(fù)用直接檢測光正交頻分復(fù)用信號的傳輸系統(tǒng)方案圖
    近年來，基于環(huán)形光網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)光分插復(fù)用器（ROADM）在北美和日本擁有了大規(guī)模的商用市場。目前，在電信號域中擁有光—電和電—光轉(zhuǎn)換（OE和EO）和電交換的環(huán)形互連已經(jīng)實現(xiàn)了，同時使用光交叉連接器（OXC）來實現(xiàn)光信號的路由轉(zhuǎn)發(fā)過程能夠有效減少系統(tǒng)的成本耗費和電信號域的功率耗費。使用多重大規(guī)模1xN（N>6—16）的波長選擇交換器（WSS）或者使用光交換矩陣中光交叉連接器的結(jié)構(gòu)正被進行廣泛研究，然而，在光網(wǎng)絡(luò)中增加光交叉連接器的數(shù)量將造成很高的系統(tǒng)成本耗費，這一點將制約光交叉連接器的可用數(shù)量。來自日本名古屋NTT光通信實驗室的研究人員設(shè)計并提出了一種有效的可調(diào)光分插復(fù)用器環(huán)形網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)，他們使用這種節(jié)點進行了可調(diào)帶寬路由的選擇，并且指出這種方法能夠降低網(wǎng)絡(luò)成本耗費。同時，研究人員在實驗中還研究了使用平面光回路技術(shù)的關(guān)鍵器件性能。圖10.5所示為研究人員提出的雙環(huán)連接節(jié)點結(jié)構(gòu)和三環(huán)連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的示意圖。

  圖10.5 雙環(huán)連接節(jié)點結(jié)構(gòu)和三環(huán)連接節(jié)點結(jié)構(gòu)的示意圖
    近年來，在光信號傳輸系統(tǒng)中為了改善差分相移鍵控（DPSK）信號的傳輸性能，多重差分相移鍵控（MC-DPSK）信號檢測被研究人員提出并進行研究。對于常規(guī)的差分相移鍵控信號而言，多重差分相移鍵控信號的產(chǎn)生和解調(diào)過程也是相似的。不同的是，多重差分相移鍵控信號的接收設(shè)備是具有多重結(jié)構(gòu)的，并且它還可以同時提取不同差分相移鍵控信號的相位信息。通過采用軟件檢測的方法，多重差分相移鍵控信號的檢測性能優(yōu)于常規(guī)的差分相移鍵控信號。正如我們所知，電域均衡的方法在克服色散（CD）和偏振模色散（PMD）的負(fù)面影響被證明是極其有效的。因此，結(jié)合多重差分相移鍵控信號的檢測技術(shù)和最大似然序列估計（MLSE）算法能夠進一步提高高速光信號傳輸系統(tǒng)抵抗色散和偏振模色散負(fù)面影響的能力。在這種技術(shù)中，來自多重差分相移鍵控調(diào)制產(chǎn)生的信號通過采用一個聯(lián)合最大似然序列估計的均衡器來恢復(fù)輸入的原始輸入信號比特流。來自中國北京大學(xué)先進光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室的研究人員提出并采用多重差分相移鍵控信號傳輸來改善常規(guī)的差分相移鍵控信號的接收性能。在高速光信號傳輸系統(tǒng)中，研究人員采用系統(tǒng)仿真的方法研究了在完成多重差分相移鍵控信號檢測后聯(lián)合使用最大似然序列估計的均衡器來進一步提升傳輸光信號對色散和偏振模色散的免疫力。在此基礎(chǔ)上，研究人員采用多輸入多輸出（MISO）判決反饋均衡器實現(xiàn)了多重差分相移鍵控信號的檢測過程，并在電信號域?qū)ι�散和偏振模色散進行了有效補償。圖10.6所示為研究人員采用多輸入多輸出判決反饋均衡器實現(xiàn)多重差分相移鍵控信號檢測的接收機結(jié)構(gòu)圖。

     圖10.6多輸入多輸出判決反饋均衡器實現(xiàn)多重差分相移鍵控信號的檢測
    對于下一代光接入網(wǎng)而言，基于波分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）因為具有大的帶寬和易于升級等優(yōu)點而被認(rèn)為是極有前途的一種可行性網(wǎng)絡(luò)。為了降低波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的成本耗費，在中心站（CO）集中光源（CLS）的方案是一種具有吸引力的解決方案，因為采用集中光源可以在用戶網(wǎng)絡(luò)單元中（ONU）取消特定波長光發(fā)送機的需要并可以去掉波長管理的過程。在現(xiàn)有的集中光源方案中，一種直接的方法是從中心站到光網(wǎng)絡(luò)單元中直接對光載波進行上行調(diào)制。這意味著對下行信號的再調(diào)制將產(chǎn)生上行信號，從而可以通過波長再利用的方法提高可用波長資源和光源的數(shù)量。一些支持10Gb/s傳輸速率的載波再調(diào)制方案被研究人員提出來，它們包括：下行差分相移鍵控（DPSK）信號和上行開關(guān)鍵控信號（OOK），下行頻移鍵控（FSK）信號和上行開關(guān)鍵控信號，下行反轉(zhuǎn)歸零碼信號和上行開關(guān)鍵控信號，下行和上行都采用差分相移鍵控信號。然而，這些方案的缺點也是明顯的，它們對于10Gb/s傳輸速率的信號上行具有較差的色散容忍度，并且載波重新調(diào)制的同步實現(xiàn)也是困難的。在實際中，建立一個無需色散補償?shù)牟ǚ謴?fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，需要在每個光網(wǎng)絡(luò)單元進行同步調(diào)制，這將使系統(tǒng)的配置更簡單并可以減少系統(tǒng)成本耗費。來自中國香港大學(xué)電子信息系的研究人員提出并研究了減少下行鏈路調(diào)制差分相移鍵控信號的調(diào)制深度來增強下行鏈路信號色散容忍度的方案，并同時進行了載波重調(diào)制后的時間同步調(diào)整。在每一個光網(wǎng)絡(luò)單元盡管實施了載波重調(diào)制，采用延時干涉儀對下行差分相移鍵控信號解調(diào)后，延時干涉儀的一個端口輸出高消光比（ER）的解調(diào)信號，另一個端口輸出低消光比的解調(diào)信號。其中，低消光比的信號很容易就可以完成上行信號的重調(diào)制過程。在無色散補償和保持載波重調(diào)制同步的情形下，研究人員實現(xiàn)了20km光信號的無誤碼傳輸。圖10.7所示為研究人員采用差分相移鍵控信號下行傳輸，采用開關(guān)鍵控信號上行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

  圖10.7采用差分相移鍵控信號下行傳輸，采用開關(guān)鍵控信號上行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
    在高速光傳輸系統(tǒng)中，保證光發(fā)送機穩(wěn)定可靠工作的一個關(guān)鍵技術(shù)是進行自動功率控制（APC）。在常規(guī)的光發(fā)射機中，功率控制回路常使用一個可供監(jiān)視的光電二極管（mPD），并且將它集成在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的后面完成輸出信號的捕獲。來自監(jiān)視型光電二極管監(jiān)測電流被使用來反饋自動調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，從而保證激光器的輸出功率值符合系統(tǒng)要求。常規(guī)的監(jiān)視型光電二極管功率控制方法在高速光信號傳輸系統(tǒng)中被廣泛用于獨立的光發(fā)送機中，它也被直接應(yīng)用于注入鎖定的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中，并出現(xiàn)了意想不到的效果。來自韓國首爾國立大學(xué)計算機科學(xué)與電子工程系的研究人員設(shè)計并提出了一種支持注入鎖定波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且簡單易行的自動功率控制結(jié)構(gòu)。在中心站，研究人員通過在陣列波導(dǎo)光柵后放置光纖環(huán)路鏡監(jiān)視反射信號的變化，通常不可忽視的發(fā)射信號的功率起伏問題使用監(jiān)視型光電二極管來解決。研究結(jié)果顯示，當(dāng)工作溫度和注入功率值變動時，發(fā)射的峰值功率其抖動范圍不會超過0.1dB。圖10.8所示為研究人員研究的常規(guī)注入鎖定波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖10.8 注入鎖定波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖