2010年05月01日PTL光通信論文(二)
5、 測(cè)量技術(shù)
我們知道，光纖中的色散效應(yīng)來源于光纖材料或者光波導(dǎo)的色散聯(lián)合效應(yīng)，并將由于波長獨(dú)立的群時(shí)延導(dǎo)致線性光脈沖的展寬。此外，光纖色散也在非線性光纖光子學(xué)和超高速光纖光子學(xué)領(lǐng)域有許多重要應(yīng)用。目前，很多文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了不同的色散測(cè)量方法，這些方法可以被粗略地分為以下兩大類：干涉測(cè)量法和非干涉測(cè)量法。時(shí)程延遲（TOF）技術(shù)和調(diào)制相位偏移技術(shù)（MPS）是業(yè)界眾所周知的非干涉測(cè)量法，而近年來一些使用超連續(xù)譜脈沖光源的寬帶測(cè)量方法也屬于非干涉測(cè)量法。當(dāng)然，干涉測(cè)量法也有許多，主要包括時(shí)域干涉法和具有窄帶寬和寬帶寬的連續(xù)波頻域干涉法。值得注意的是，基于腔共振效應(yīng)的特殊技術(shù)，例如自注入激光振蕩方法也屬于干涉測(cè)量法。通常而言，非干涉測(cè)量法在其安裝簡(jiǎn)易性和測(cè)量穩(wěn)定性上具有突出優(yōu)勢(shì)，但是干涉測(cè)量法在測(cè)量高靈敏性上具有突出優(yōu)勢(shì)。在上面提及的這些方法中，標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制相位偏移技術(shù)是最好的方法，因?yàn)樗鼞?yīng)用起來十分簡(jiǎn)便。然而，這種技術(shù)在應(yīng)用過程中需要通過昂貴的射頻（RF）網(wǎng)絡(luò)分析儀來對(duì)射頻調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行精確地測(cè)量，因此導(dǎo)致成本耗費(fèi)過高。來自中國臺(tái)灣新竹市國立交通大學(xué)光子學(xué)系的研究人員通過采用周期掃描波長脈沖光源的技術(shù)，提出了一種新型的光纖色散測(cè)量方法。采用射頻譜分析儀和波長掃描的方法，研究人員能夠直接檢測(cè)脈沖序列的周期性脈沖時(shí)變。與此同時(shí)，研究人員采用一個(gè)異步鎖模光纖孤子激光器作為波長掃描脈沖光源，成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了這種方法的可行性。圖5.1所示是研究人員提出并設(shè)計(jì)的10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
 
圖5.1 10GHz異步鎖模（ASM）摻鉺光纖孤子激光器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
未來的光網(wǎng)絡(luò)必須是復(fù)雜可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流分配和減輕系統(tǒng)損傷的需要。因此，我們需要對(duì)其中的光通信系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的性能檢測(cè)，當(dāng)然也包括監(jiān)測(cè)調(diào)制器的啁啾特性。例如，光纖的色度色散就是一個(gè)隨著外部環(huán)境變化和網(wǎng)絡(luò)路徑重配置的物理變量。而強(qiáng)度調(diào)制器的殘余相位調(diào)制過程也常被利用來調(diào)節(jié)光脈沖壓縮的比例，以彌補(bǔ)色度色散的負(fù)面影響。正如我們所知，馬赫-曾德爾外部調(diào)制器啁啾特性的出現(xiàn)，是來源于其結(jié)構(gòu)中兩塊波導(dǎo)不對(duì)稱的調(diào)制指數(shù)和驅(qū)動(dòng)電壓最終形成的干涉型消光比變化。因此，調(diào)制器也必須被設(shè)計(jì)為其啁啾可調(diào)的，以滿足系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償?shù)男枰�。目前，較為流行的實(shí)驗(yàn)室分析外部調(diào)制啁啾的研究方法主要包括邊帶的光譜分析法和信號(hào)光纖響應(yīng)電譜的分析法，但更有效的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)的動(dòng)態(tài)啁啾損傷檢測(cè)技術(shù)是使用單色儀和陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行檢測(cè)。來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的研究人員提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種基于線性光采樣過程來監(jiān)控外部調(diào)制器頻率啁啾的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)技術(shù)。研究人員同時(shí)報(bào)道了他們同時(shí)測(cè)量強(qiáng)度和相位的數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)波形關(guān)鍵參數(shù)的過程，也比較了數(shù)據(jù)調(diào)制和正弦波調(diào)制的測(cè)量過程。這一高靈敏度技術(shù)的提出可以解決23dB消光比對(duì)于馬赫-曾德爾外部調(diào)制器頻率啁啾的負(fù)面影響問題，與以往方法不同的是，研究人員實(shí)驗(yàn)過程中沒有采用單色儀和用于分析色散的光纖。圖5.2所示是研究人員為了測(cè)量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾提出并設(shè)計(jì)的線性光采樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置示意圖。
 
圖5.2測(cè)量外部馬赫-曾德爾調(diào)制器啁啾的線性光采樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置示意圖
6、 傳感器
表面等離子體共振（SPR）傳感器主要組成部分是一塊光波導(dǎo)，該波導(dǎo)當(dāng)然也必須和常規(guī)的平面波導(dǎo)相兼容，但是因?yàn)樗�的尺寸更小，更結(jié)實(shí)和能夠進(jìn)行多信道傳感因此引起了研究人員的極大關(guān)注。之前，人們對(duì)于表面等離子體共振傳感器的研究僅局限于（2-D）二維模型，但二維模型并不能完全反映實(shí)際表面等離子體共振傳感器的三維（3-D）特性，其原因是橫向的一維常常沒有被研究人員所考慮。因此來自日本東京法陣大學(xué)電子系的研究人員已經(jīng)應(yīng)用三維光束傳播（BPM）的方法來估計(jì)表面等離子體共振傳感器三維模型的基本特性。但是，三維模型的共振波長吸收壓力包含了單模波導(dǎo)的特性，這在相應(yīng)的二維模型中是少見的。因此從本質(zhì)上而言，這種方法和以前的二維模型研究方法沒有區(qū)別。所以，日本東京法陣大學(xué)電子系的研究人員在本期研究了一種光定向結(jié)構(gòu)來改進(jìn)表面等離子體共振傳感器三維模型的三維光束傳播方法，同時(shí)測(cè)量其共振波導(dǎo)的吸收壓力。相比較二維模型而言，研究人員的計(jì)算結(jié)果顯示支持高階模式的寬芯光波導(dǎo)能導(dǎo)致強(qiáng)吸收效應(yīng)的發(fā)生。圖6.1所示是研究人員設(shè)計(jì)的表面等離子體共振光波導(dǎo)傳感器的橫截面示意圖。
 
圖6.1 表面等離子體共振光波導(dǎo)傳感器的橫截面示意圖
7、 光電探測(cè)和光電接收技術(shù)
近年來，基于鎵氮（GaN）的半導(dǎo)體材料已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。因?yàn)榛�于鎵氮的半�?dǎo)體材料具有很高的直接帶隙能量，所以它們?cè)诙滩ㄩL應(yīng)用領(lǐng)域的光發(fā)射機(jī)中具有特別的用途。實(shí)際上，基于氣相沉積法（MOCVD）的鎵氮半導(dǎo)體藍(lán)綠發(fā)光二極管在我們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，這些材料也被使用在制造可見盲紫外（UV）光探測(cè)器（PD）的過程中�？梢娒ぷ贤夤馓綔y(cè)器是一個(gè)極其重要的光器件，因此它被廣泛使用于例如導(dǎo)彈發(fā)射，空間光通信和可見盲紫外光探測(cè)等民用和軍事領(lǐng)域。迄今為止，已經(jīng)有許多不同類型的可見盲紫外光探測(cè)器結(jié)構(gòu)被報(bào)道。其中，基于金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)（MSM）的鎵氮光電探測(cè)器由于具有易制備和與晶體管可以有效集成的優(yōu)點(diǎn)，因此具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。來自中國臺(tái)灣國立成功大學(xué)先進(jìn)光電子研究中心、微納科學(xué)與技術(shù)研究中心、電子工程系和微電子研究所的研究人員設(shè)計(jì)和報(bào)道了一種基于常規(guī)平坦藍(lán)寶石襯底和納米模板的金屬-半導(dǎo)體-金屬鎵氮光電探測(cè)器的制造過程。相比較以往采用常規(guī)平坦藍(lán)寶石作為襯底的方案，這種基于納米模板的設(shè)計(jì)方法由于改良了晶體質(zhì)量，所以其制造的光電探測(cè)器中漏電流明顯減少。采用這種方法，我們可以實(shí)現(xiàn)光敏增益的減少，并提升紫外光到可見光的抑制比。圖7.1所示是研究人員設(shè)計(jì)并提出的基于納米模板工藝制造光電探測(cè)器的示意圖。
 
圖7.1 基于納米模板工藝制造光電探測(cè)器的示意圖
高性能集成光子回路光器件，例如收發(fā)器和分叉復(fù)用器在目前和下一代光波分復(fù)用通信系統(tǒng)中將發(fā)揮不可替代的作用�；�于硅和絕緣體上硅材料的平面光子回路通常被用來制造一些光器件，包括光波導(dǎo)、光濾波器、光交叉開關(guān)、可變衰減器和電光調(diào)制器。實(shí)際中，為了保證一些光子微系統(tǒng)穩(wěn)定無誤碼的正常運(yùn)行，需要一些光功率測(cè)試設(shè)備來測(cè)量整個(gè)光子回路的光功率。光功率監(jiān)視器常常作為一個(gè)獨(dú)立模塊在局部光終端被連接到光纖上或者混合光器件上，其中的電子集成過程也提供了緊湊、價(jià)格低廉和更穩(wěn)定性的集成特性。基于硅平面的近紅外監(jiān)測(cè)器的集成雖然目前是一項(xiàng)非常具有發(fā)展前景的技術(shù)，但在芯片上與電子器件的集成過程它仍然面臨挑戰(zhàn)。從某種程度上而言，基于硅鍺材料外延生長的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在近幾年實(shí)現(xiàn)了很多成功的應(yīng)用，其中一項(xiàng)就包括在帶寬值達(dá)49GHz，1.55微米波長上，速率高達(dá)10Gb/s入射光檢測(cè)器中的應(yīng)用。導(dǎo)光硅鍺光電探測(cè)器更適合光子集成回路應(yīng)用的原因是它在1.55微米波長40GHz情形下工作時(shí)，響應(yīng)度高達(dá)1A/W。來自意大利羅馬大學(xué)電子工程系光子和光電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出并在基于絕緣體的硅光芯片上實(shí)現(xiàn)了單片集成電路光功率監(jiān)測(cè)器的集成和測(cè)試。這一設(shè)備包含具有互阻抗前置放大器的濃縮鍺材料的近紅外波導(dǎo)光電探測(cè)器。該設(shè)備在1微瓦和0.1微瓦運(yùn)行時(shí)信號(hào)功率監(jiān)測(cè)值低于10納瓦，并且錯(cuò)誤率低于0.2%和2%。圖7.2所示是研究人員設(shè)計(jì)并提出的硅鍺波導(dǎo)光電探測(cè)器及其響應(yīng)度和暗電流關(guān)系的示意圖。
 
圖7.2硅鍺波導(dǎo)光電探測(cè)器及其響應(yīng)度和暗電流關(guān)系的示意圖
8、 模擬和射頻光子學(xué)
人們對(duì)于寬帶無線通信日益發(fā)展的提出帶寬增加要求，必然導(dǎo)致超寬帶（UWB）通信技術(shù)和毫米波（mm-wave）通信技術(shù)的發(fā)展。我們知道，毫米波信號(hào)在經(jīng)過人造和天然物體之間存在非常高的路徑損失和信號(hào)衰減，但是它在構(gòu)建微微蜂窩小區(qū)時(shí)具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。然而，一個(gè)不容忽視的因素是極小尺寸微微蜂窩小區(qū)的構(gòu)建需要數(shù)量巨大的遠(yuǎn)端天線單元（RAUs），從而形成有效的覆蓋區(qū)域。正如我們所知，在許多建筑物中人們鋪設(shè)的多模光纖（MMF）數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單模光纖（SMF）數(shù)量，因此微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)中怎么有效利用如此大量的現(xiàn)有多模光纖是一個(gè)值得關(guān)注的問題。近年來，有大量的實(shí)驗(yàn)證明了在不同長度單模光纖上數(shù)Gbit/s量級(jí)毫米波的信號(hào)傳輸過程。在這些通信系統(tǒng)中，幅移鍵控調(diào)制（ASK）具有較低的頻譜效率，為了使用更多的帶寬，載波將被搬移到毫米波段，面臨的挑戰(zhàn)則是未來需要產(chǎn)生更高頻譜效率的光毫米波。另外，一些雙向傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)也被報(bào)道，但它們關(guān)注的重點(diǎn)卻是下行（DL）鏈路信號(hào)的傳輸，當(dāng)然也有一些獨(dú)立的下行和上行（UL）鏈路的實(shí)驗(yàn)被研究人員報(bào)道。目前，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)報(bào)道了基于單模光纖和多模光纖傳輸?shù)闹蓄l（IF）調(diào)制多進(jìn)制信號(hào)在遠(yuǎn)端天線單元附近被上變換成毫米波的過程。然而，這些實(shí)驗(yàn)僅僅報(bào)道了單載波的正交幅度調(diào)制（QAM），既沒有使用正交頻分復(fù)用（OFDM）無線信號(hào)，也沒有使用實(shí)際的無線局域網(wǎng)（WLAN）信號(hào)。除此之外，所有報(bào)道的通信系統(tǒng)中，集成的無線傳輸鏈路僅僅是指定距離的無線傳輸鏈路，實(shí)際中在遠(yuǎn)端天線單元還包含有射頻（RF）放大器，它可以保證更長距離的無線信號(hào)傳輸，這一點(diǎn)之前研究人員并沒有考慮。因此，我們有必要定義一個(gè)在遠(yuǎn)端天線單元和移動(dòng)終端（Mu）之間的最小信號(hào)傳輸距離，以確保移動(dòng)終端內(nèi)部的射頻放大器不被在此范圍內(nèi)的遠(yuǎn)端天線重復(fù)驅(qū)動(dòng)。來自英國卡特伯雷肯特州立大學(xué)寬帶通信和無線通信研究中心的研究人員之前已經(jīng)在在指定的無線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行了多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16,64,256正交幅度調(diào)制）信號(hào)的傳輸實(shí)驗(yàn)，并報(bào)道了在20公里長度光纖傳輸后，無線信號(hào)對(duì)辦公區(qū)域的全覆蓋實(shí)驗(yàn)過程。盡管研究人員之前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)僅僅涉及到信號(hào)的下行鏈路傳輸，在本期文章中，研究人員使用了實(shí)時(shí)的符合IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)來自接入設(shè)備（AP）的無線局域網(wǎng)信號(hào)，并進(jìn)行了完整的雙向傳輸實(shí)驗(yàn)，以全面考察其在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸性能。研究的目的是證明研究人員提出的毫米波通信系統(tǒng)有能力在相關(guān)的無線信號(hào)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線局域網(wǎng)的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將無線接入設(shè)備通過雙向傳輸鏈路連接到遠(yuǎn)端天線單元。下行鏈路的遠(yuǎn)端天線單元工作在25.2GHz頻段，上行鏈路的工作頻率則是符合常規(guī)無線局域網(wǎng)要求的2.452GHz。研究人員設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在12.8*7.2平方米的范圍內(nèi)工作，并不再受特定無線信號(hào)傳輸距離的限制。圖8.1所示是研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)提出的全鏈路實(shí)驗(yàn)方案配置示意圖。
 
圖8.1全鏈路實(shí)驗(yàn)方案配置示意圖
9、 網(wǎng)絡(luò)及子系統(tǒng)
隨著寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和交互式高帶寬通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)的流量在過去十年得到迅猛增長。因此，傳輸和交換必須重新規(guī)劃以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量迅猛增長的迫切需求。最先進(jìn)的密集波分復(fù)用（DWDM）通信技術(shù)在單根光纖上目前最高可以實(shí)現(xiàn)32Tb/s的數(shù)據(jù)流量傳輸。即便如此，采用最高速的光交換技術(shù)也無法跟上這一傳輸速度所要求達(dá)到的交換速度，最根本的限制來源于光分組交換的過程中缺乏可行的光隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）以保證實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的緩存，這也是光分組數(shù)據(jù)包在通信網(wǎng)絡(luò)上光信號(hào)傳輸過程中解決其競(jìng)爭(zhēng)和沖突的關(guān)鍵問題。因此，在光分組交換系統(tǒng)中進(jìn)行有效的光緩存是全光分組交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前最流行的波長路由光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要配置波長轉(zhuǎn)換器，并根據(jù)傳輸控制協(xié)議轉(zhuǎn)換將輸入的光波長輸出到指定的輸出光波長上；另外，波長轉(zhuǎn)換路由器還需要通過光纖延時(shí)線（FDL）或慢光器件獲得近似的緩存時(shí)間，來保證路由轉(zhuǎn)發(fā)的過程以完成波長變換后光數(shù)據(jù)分組信號(hào)的傳輸。在這樣的光分組交換結(jié)構(gòu)中，光分組交換數(shù)據(jù)流的控制強(qiáng)烈依賴于在光分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的復(fù)雜有源器件。因此，實(shí)現(xiàn)光分組交換過程的主要目標(biāo)是盡量縮減有源器件的數(shù)量，以盡可能簡(jiǎn)化光信號(hào)傳輸?shù)目刂七^程，同時(shí)減少來自于這些有源設(shè)備間的信號(hào)沖突。來自中國臺(tái)灣新竹國立清華大學(xué)光子技術(shù)研究所和通信工程研究所的研究人員提出并實(shí)驗(yàn)報(bào)道了在光緩存單元和輸出端口分別采用寬帶光纖布拉格光柵和陣列波導(dǎo)光柵以減少光器件數(shù)量，并同時(shí)簡(jiǎn)化光信號(hào)傳輸控制的一種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)。這種新型多功能全光分組交換結(jié)構(gòu)的光開關(guān)有三種不同的功能，它們是：光信號(hào)先進(jìn)先出復(fù)用，光信號(hào)交換和光信號(hào)分插復(fù)用，這三種功能在實(shí)際的運(yùn)行過程中都表現(xiàn)出可以忽略不計(jì)的功率代價(jià)消耗。圖9.1所示是研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)提出的光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖。
 
圖9.1光分組交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和波長分配的示意圖
在相干光通信系統(tǒng)中使用數(shù)字相位估計(jì)（PE）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的載波同步，并且其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在采用數(shù)字相位估計(jì)技術(shù)不需要要光信號(hào)鎖相環(huán)的配置，而僅僅只需要配置一個(gè)本地振蕩光信號(hào)源。近年來，不同的數(shù)字相位估計(jì)算法被研究人員提出，同時(shí)研究人員也采用數(shù)值仿真或離線處理的方式證明了16進(jìn)制正交幅度調(diào)制（16-QAM）方式是下一代100Gbit/s光通信傳輸系統(tǒng)最有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制格式。在14G波特率的偏振復(fù)用波分復(fù)用（WDM）光通信系統(tǒng)中，研究人員證明采用16進(jìn)制正交幅度調(diào)制可以達(dá)到6.2b/s/Hz的譜效率。綜上所述，16進(jìn)制正交幅度調(diào)制是現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)中提高通信容量最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制方式。來自英國米德爾塞克斯郡特靈頓國立物理研究所的研究人員在16進(jìn)制正交幅度調(diào)制相干光通信系統(tǒng)中，使用四相相移鍵調(diào)制控星座圖分割法研究了激光器的線寬容限，這種方法的獨(dú)特之處體現(xiàn)在把方形16進(jìn)制正交幅度調(diào)制得到的星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制的星座圖來討論載波相位的恢復(fù)。此外，這種算法應(yīng)用于不同比特分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程也被研究人員展示出來。圖9.2所示是研究人員設(shè)計(jì)并提出的將方形16進(jìn)制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖的示意圖。
 
圖9.2將方形16進(jìn)制正交幅度調(diào)制星座圖分割為四相相移鍵控調(diào)制星座圖
針對(duì)寬帶服務(wù)的帶寬增加需求，例如高清晰度互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視（HD-IPTV），數(shù)字電影，電子顯示和在線游戲等通信服務(wù)，未來我們需要發(fā)展有更高數(shù)據(jù)傳輸速率的光接入網(wǎng)絡(luò)。因此，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的結(jié)構(gòu)對(duì)于最后一公里光信號(hào)的接入是最佳選擇，其原因是無源光網(wǎng)絡(luò)具有高容量和低成本的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。目前，一些時(shí)分復(fù)用的無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）結(jié)構(gòu)已經(jīng)被研發(fā)成功并形成了標(biāo)準(zhǔn)化，例如寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（BPON），以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）和Gbit無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）。今天，這些無源光網(wǎng)絡(luò)都被用來作為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）采用的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，高達(dá)10Gb/s的時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）并不能充分滿足未來多媒體業(yè)務(wù)持續(xù)增長的帶寬需求。因此，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)支持的傳輸速率將達(dá)到40Gb/s甚至更高。當(dāng)然，現(xiàn)在采用單信道傳輸速率為40Gb/s的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，然而這一傳輸速率將在光網(wǎng)絡(luò)中限制開光鍵控（OOK）調(diào)制信號(hào)的傳輸距離，其原因是光纖色度色散的負(fù)面影響。此外，商業(yè)用途的40Gb/s突發(fā)模式的光信號(hào)接收機(jī)（Rx）運(yùn)行不穩(wěn)定也是40Gb/s傳輸速率時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)運(yùn)行的主要限制因素。進(jìn)一步而言，為了縮減未來的光纖接入光網(wǎng)絡(luò)的成本耗費(fèi)，長距離（LR）無源光網(wǎng)絡(luò)也被研究人員提出并開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。來自中國臺(tái)灣新竹工業(yè)技術(shù)研究中心（ITRI）和信息與通信研究實(shí)驗(yàn)室（ICL）的研究人員提出并實(shí)驗(yàn)報(bào)道了一種簡(jiǎn)單有效的方案，即采用四路波分復(fù)用10Gb/s外調(diào)制開關(guān)鍵控調(diào)制信號(hào)同時(shí)進(jìn)行上行和下行光信號(hào)傳輸，來構(gòu)造對(duì)稱40Gb/s長距離（LR）時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方案。此外，在沒有色散補(bǔ)償?shù)那樾蜗�，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中光通信系統(tǒng)的長距離傳輸性能和光信號(hào)功率比也被研究人員仔細(xì)分析和研究。圖9.3所示是研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)提出的長距離時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。
 
圖9.3長距離時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖
眾所周知，光正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)在近年引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其原因是它具有可變的光譜效率并對(duì)光纖色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）負(fù)面影響具有超強(qiáng)的抵抗特性。迄今為止，人們研究的光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)不外乎是相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)和直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用（DDO-OFDM）系統(tǒng)。相比較相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)而言，直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)使用更簡(jiǎn)化的硬件設(shè)備和低復(fù)雜度的信號(hào)處理過程，但是其具有更差的接收靈敏度，當(dāng)然，這兩種光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)在下一代城域網(wǎng)絡(luò)和長途陸地傳輸系統(tǒng)中都是一種可供選擇的光通信系統(tǒng)。直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在它可以降低對(duì)激光器的線寬（LW）要求，相比較相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中高造價(jià)的外腔激光器（ECL）而言，低造價(jià)的分布反饋式（DFB）激光器有幾兆的線寬，通常是更適合直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的應(yīng)用，因?yàn)樵谳d波和邊帶之間可以更好地恢復(fù)相位。然而，由于光纖中色度色散的影響，隨著傳輸距離的增加，光載波和邊帶間的走離效應(yīng)將使得相位失配，從而在檢測(cè)信號(hào)的過程中出現(xiàn)明顯的相位噪聲（PN）負(fù)面影響。這一現(xiàn)象被研究人員首先在12.5Gb/s數(shù)據(jù)傳輸速率光信號(hào)（32進(jìn)制正交幅度調(diào)制（QAM））320公里的光纖傳輸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。然而，在直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，相位噪聲特性是不同于相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中相位噪聲特性的，這一特性的差別應(yīng)該從基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行細(xì)節(jié)上的區(qū)分。來自中國臺(tái)灣新竹國立交通大學(xué)光電工程研究所和光子學(xué)系的研究人員在直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中對(duì)激光器的相位噪聲負(fù)面影響進(jìn)行了深入研究，并將其和相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的相位噪聲特性進(jìn)行了比較�；�于不同正交幅度調(diào)制格式的光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中出現(xiàn)的相位噪聲被研究人員詳細(xì)分析，同時(shí)研究人員還設(shè)計(jì)并提出了保證光信號(hào)可靠接收的誤比特率估計(jì)算法，而且研究人員提出的這種相位估計(jì)算法引入的光信噪比（OSNR）代價(jià)值低于2dB。圖9.4所示是研究人員設(shè)計(jì)并提出的在直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中檢測(cè)激光器相位噪聲的示意圖。
 
圖9.4直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中檢測(cè)激光器相位噪聲的示意圖
我們知道，在偏振復(fù)用四相相移鍵控（PDM-QPSK）光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，相干接收機(jī)的引入被證明能夠有效地補(bǔ)償光信號(hào)的線性失真。另一方面，高速光信號(hào)數(shù)字處理的過程是極其消耗功率的，并且需要研究人員花費(fèi)大量的精力進(jìn)行研發(fā)。迄今為止，相干光實(shí)時(shí)偏振復(fù)用四相相移鍵控光信號(hào)接收機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)光載波50Gb/s的調(diào)制速率，而更高光信號(hào)調(diào)制速率的數(shù)字信號(hào)處理過程則是離線的。由于在許多常規(guī)的光纖傳輸鏈路上需要補(bǔ)償色度色散（CD）和適度補(bǔ)償偏振模色散（PMD），應(yīng)用差分四相相移鍵控光信號(hào)的直接干涉檢測(cè)技術(shù)是更有效的方法。目前，實(shí)時(shí)偏振復(fù)用四相相移鍵控光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的比特速率被實(shí)驗(yàn)證明最高可達(dá)200Gb/s。來自德國帕德博恩大學(xué)的研究人員提出并實(shí)驗(yàn)報(bào)道了50G波特率偏振復(fù)用歸零碼四相相移鍵控信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸方案，基于每符號(hào)四比特調(diào)制的實(shí)驗(yàn)中，研究人員配置了涵蓋五個(gè)光纖傳輸段，總長度達(dá)430公里的光信號(hào)傳輸鏈路，來實(shí)現(xiàn)單載波200Gb/s實(shí)時(shí)光信號(hào)的有效傳輸。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一個(gè)光信號(hào)分離器和一個(gè)帶有干涉檢測(cè)功能的自動(dòng)光增益控制器，以實(shí)現(xiàn)兩路偏振復(fù)用四相相移鍵控光信號(hào)的解調(diào)。研究人員首次對(duì)速度高達(dá)40krad/s的偏振復(fù)用四相相移鍵控光信號(hào)進(jìn)行了有效跟蹤。研究結(jié)果還進(jìn)一步證明了干涉型直接檢測(cè)方法對(duì)偏振復(fù)用光信號(hào)檢測(cè)的可行性。圖9.5所示是研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)提出的傳輸速率高達(dá)200Gb/s，采用偏振復(fù)用四相相移鍵控調(diào)制的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
 
圖1.22傳輸速率高達(dá)200Gb/s的偏振復(fù)用四相相移鍵控調(diào)制光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案圖

2010年05月01日PTL光通信論文(一)