無源PIC是40G和100G系統(tǒng)的關(guān)鍵器件

40G和100G系統(tǒng)轉(zhuǎn)而使用相位調(diào)制格式，推動了對無源器件技術(shù)的新需求。基于硅集成技術(shù)的平面集成光電路（PIC）為應對這些挑戰(zhàn)打下了基礎。

Anthony Ticknor、G. Ferris Lipscomb，NeoPhotonics

　　在過去的10年里，通過DWDM系統(tǒng)同時傳送多個信道，以及每信道符號速率的增加，光通信網(wǎng)絡的傳輸容量得以提升。人們已經(jīng)定義了所有能夠以較好的性能有效地在網(wǎng)絡中傳輸?shù)牟ㄩL信道。盡管還有些爭論，但現(xiàn)有網(wǎng)絡能夠傳送信號的理論調(diào)制速率極限已經(jīng)達到，近期內(nèi)不太可能通過引入更多的信道，以增加波長復用密度的方式升級網(wǎng)絡。我們正在進入每個符號的更多特征將被利用的階段，它比起信號非通即斷的二進制比特能夠攜帶更多信息。

　　這一階段的關(guān)鍵是如何讓符號的相位攜帶信息。光檢測器必須能夠檢測到每個符號的相位，然后與已知的參考相位比較。根據(jù)參考相位的不同，光相位調(diào)制可分為兩類。

　　第一類調(diào)制技術(shù)參考之前的信號相位，一般是前一個符號。此類調(diào)制方法的名稱前通常帶有一個“d”，表示“差分”，例如差分移相鍵控（DPSK）和差分四相移相鍵控（DQPSK）。

　　第二類調(diào)制技術(shù)在接收端使用精確調(diào)諧到源激光器頻率的本地激光器作為參考源。此類技術(shù)一般稱為“相干”調(diào)制，因為它和早期的相干檢測系統(tǒng)非常相似。相干調(diào)制技術(shù)的名稱前沒有“d”（因此為PSK，QPSK等等）。

　　這樣的名稱術(shù)語通常不能明確地表明技術(shù)的特征；自參考系統(tǒng)當然是相干系統(tǒng)，而自由參考系統(tǒng)又當然可能采用差分編碼方式。某些傳輸技術(shù)只使用兩個相位，每個符號攜帶1比特信息，此時比特率和傳輸速率是相等的。這樣的方案有其可靠性和帶寬方面的優(yōu)勢，但本文不做討論。（D）QPSK的信號有4個相位，能夠在僅增加少量帶寬代價的情況下將比特率翻倍。

　　多比特符號的檢測器不再僅是簡單地檢測信號電平，而是對接收到的信號進行更加復雜的分析。光傳送的信號由接收端的光信號分析系統(tǒng)（復雜的干涉儀）接收，借助參考源將調(diào)制到相位上的信息解調(diào)為可以識別的信號。解調(diào)器由一組精密安裝的無源光器件組成，這些器件必須是規(guī)模化大批量生產(chǎn)的，從而能夠保證較高的性價比。

　　因此，它們非常適合光子集成、尤其是平面波導技術(shù)。而且，由于平面波導通過復制的方式制作，它為解調(diào)器提供復雜性的同時進一步提高了系統(tǒng)性能。由于具有這樣的優(yōu)點，在許多系統(tǒng)中在編碼符號上增加了額外的特性，把每個符號的信息再增加一倍到4比特。因為這個原因，再加上相位調(diào)制帶來的其它傳輸優(yōu)勢，下一代網(wǎng)絡的鏈路速率將達到40G甚至100Gbps，而現(xiàn)有DWDM信道只支持10Gbps。

　　本文我們將討論相干和差分調(diào)制系統(tǒng)中使用的基于硅集成技術(shù)的平面解調(diào)器的應用現(xiàn)狀，著重關(guān)注偏振效應以及有源光電二極管如何直接集成到硅基底上的技術(shù)。

相干系統(tǒng)

　　對新出現(xiàn)的光信令技術(shù)各個方面的全面討論超出了本文的范圍，讀者可以在參考文獻1-3中找到大量的技術(shù)細節(jié)。然而，對于關(guān)鍵特性的概述還是很有指導意義的。

　　目前人們正在研究相干系統(tǒng)中的四相編碼技術(shù)（QPSK）。由于平面波導平臺能夠為解調(diào)器提供足夠的復雜性，該系統(tǒng)能夠?qū)?個偏振狀態(tài)編碼及識別。盡管容易引起混淆，它還是被冠名為“雙偏振調(diào)制”或DP-QPSK。這與偏振保持（PM）技術(shù)完全不同，后者是在傳輸鏈路的兩端維持獨立的偏振狀態(tài)。

　　DP方案除了把待傳送信號調(diào)制到4個相位之一以外，還有均勻分布在龐加萊球的大圓上的4個偏振狀態(tài)。例如，4個傳送信號狀態(tài)可能是線性水平、線性垂直、順時針圓和逆時針圓。在傳輸過程中偏振狀態(tài)可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)和交疊等現(xiàn)象，接收端可能接收到完全不同的4種信號狀態(tài)，但仍保持均勻地分布在龐加萊球的大圓上，如圖1。

　　龐加萊球可以解釋光通信系統(tǒng)中的相位和偏振概念。

　　由于本地激光器和源激光器之間的絕對相位差無法確定，而且傳輸過程中的偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)移也是未知的，所以系統(tǒng)接收到的每個符號都必須根據(jù)之前接收到的數(shù)據(jù)來分析。一旦鏈路已校準好，參考相位和偏振狀態(tài)的漂移與符號速率相比是很慢的，通過對每個符號的分析，這些漂移是可以檢測出來并加以補償?shù)摹Ｆ矫娌▽Ы庹{(diào)器¾¬過設計，能夠直接對偏振狀態(tài)和相位進行分析。

　　每個符號理論上都位于4個偏振狀態(tài)和4個相位之一，總共有16種可能的狀態(tài)，因此攜帶了4比特信息。通過這樣的方式，相干鏈路上40Gbps的調(diào)制速率為10Gbps，而100Gbps的調(diào)制速率為25Gbps，提高了現(xiàn)有DWDM傳送系統(tǒng)的容量。

　　圖2示出了相位調(diào)制光傳輸系統(tǒng)的簡單框圖。在傳輸端點，信號通過鈮酸鋰或其它光電調(diào)制器以相位編碼方式調(diào)制到光波上，然后在逐級放大的光纖鏈路上傳送。

相位調(diào)制光傳輸系統(tǒng)框圖。

　　在長距離傳輸過程中信號的偏振狀態(tài)不再受到控制，信號的質(zhì)量會受到色度色散和偏振模色散等效應的影響。借助上文提到的符號深度分析技術(shù)，多數(shù)影響可以在檢測過程中糾正。

　　對相位編碼技術(shù)的研究超出了本文的范圍，上面提到的文獻對其有詳細的描述。

　　無源PIC解調(diào)器

　　相干光通信系統(tǒng)中的相位解調(diào)器是無源系統(tǒng)，其基本原理是把相位和偏振編碼信息轉(zhuǎn)換為普通光檢測器可以檢測的強度信息。解調(diào)器是由耦合器和分光器組成的干涉裝置，光路信息被精確地設定，具體實現(xiàn)方案有早期的自由空間光子器件以及現(xiàn)在大多數(shù)廠家提供的集成光子器件。

　　平面集成光器件的實現(xiàn)方式是在平面基底上制出光波導，一般是由硅基底上玻璃波導組成，所用技術(shù)和制造工藝與DWDM系統(tǒng)中使用的陣列波導光柵（AWG）相同。平面光集成技術(shù)是半導體工業(yè)中大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)制造技術(shù)，因此非常適用于制作相干系統(tǒng)中的解調(diào)器。

　　圖3是一個DP-QPSK系統(tǒng)中使用的雙同步四相解調(diào)器框圖。輸入信號的偏振狀態(tài)是未知而且可變的，因此被分離為兩個正交的偏振信號分別進行分析。每個偏振信號與一個本地激光振蕩器混頻，該激光器的頻率被調(diào)諧到與輸入信號相差僅有幾兆赫茲，可用作偏振參考源。圖中黑盒部分包含了集成的光分路器、耦合器和延時線。

PIQ解調(diào)器（相干混頻器）。

　　在集成光子器件中，偏振狀態(tài)比較單一，波長響應特性較平，因此偏振頻率（波長）的獨立性易于控制。若采用差分檢測，則有8路輸出到8個不同的光電檢測器，如果是單端檢測則是4路輸出到4個檢測器。借助數(shù)字信號處理芯片（DSP），傳輸過程中產(chǎn)生的失真能夠得以糾正，從合成信號中恢復出4比特信號來。圖3還示出了一個商用偏振同步四相解調(diào)器（PIQ）的照片。

　　差分系統(tǒng)

　　圖3中的相干系統(tǒng)接收端多了一個可調(diào)激光器，增加了成本。為了去掉這個多出的單元，許多系統(tǒng)尤其是40Gbps系統(tǒng)中采用接收信號的延時信號作為參考，代替了本地的激光振蕩器。

　　DQPSK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4，包含了兩個延時線干涉儀（DLI），作用是把輸入信號分成延時為t和t+90o的兩個信號，從而得到同步四相信號。與相干解調(diào)中的混頻器類似，DQPSK解調(diào)器也是由分路器、耦合器和受控的光路組成，用光集成技術(shù)實現(xiàn)非常合適。

　　DQPSK解調(diào)器與DLI偏振相關(guān)性的測量。

　　DQPSK的波長響應平坦度特性不佳，對于集成技術(shù)有著額外的要求。由于輸入信號的偏振狀態(tài)未知且不可控，而且又沒有本地振蕩器作為參考，DQPSK解調(diào)器必須對偏振狀態(tài)高度敏感。

　　平面波導材料中通常有雙折射效應，對于不同偏振狀態(tài)響應不同，這種現(xiàn)象稱為偏振相關(guān)頻率（PDF，或偏振相關(guān)波長PDW）。在一個典型的AWG應用中PDF的主要效應就是偏振相關(guān)損耗（PDL），PDF必須控制在6GHz左右，從而使PDL小于0.5dB。DQPSK應用中的要求更加嚴格，PDF必須優(yōu)于400MHz，比典型的AWG高出10倍以上。光集成技術(shù)已經(jīng)有了顯著進步，目前已可以實現(xiàn)400MHz的PDF，如圖4所示。

　　差分系統(tǒng)采用兩個偏振信號攜帶信息，信號進入DQPSK解調(diào)器之前偏振狀態(tài)必須互相隔離。如前面所提到的，這樣的系統(tǒng)被稱為偏振保持（PM）系統(tǒng)。

　　混合集成
　　為了避免相干檢測帶來的復雜性，多數(shù)40Gbps系統(tǒng)采用DQPSK。與此相似，40Gbps的信號失真要求比較寬松，因此現(xiàn)有的多數(shù)相位調(diào)制系統(tǒng)采用分離的無源解調(diào)器和檢測器組件，相互之間通過光纖連接。對于100Gbps相干系統(tǒng)以及性能更高的40Gbps差分系統(tǒng)，信號失真度和其它性能的高要求將需要解調(diào)器和檢測器的集成方案。

　　目前信號失真對平衡檢測的要求為小于1ps，將來肯定還要低，這就要求光路徑差小于200µm。用集成光子芯片很容易達到這一指標，但是需要考慮方案的性價比，是否可以用兩個分離的器件通過連接器或熔接光纖相連。

　　由于針對FTTH應用已經(jīng)研制出了許多低成本規(guī)模化生產(chǎn)的雙路和三路復用器件，混合集成技術(shù)已能夠?qū)⒐怆姸�極管或激光器等半導體器件直接安裝在集成光基底上。該技術(shù)目前正應用到把光電二極管直接安裝在相干混頻器和DQPSK解調(diào)器基底上。

　　總而言之，基于硅波導的無源PIC是以最低成本大規(guī)模制作復雜解調(diào)器的理想方案。無源PIC能夠滿足DQPSK苛刻的PDF要求，適用于可精確控制位置和性能的緊湊型接收機的檢測器混合集成方案。

　　參考文獻：
1. Ip, Pak, Lau, Barros, and Kahn, “Coherent detection in optical fiber systems,” Optics Express, 16 (2008) p. 753.
2. K. P. Ho, Phase-Modulated Optical Systems, Springer Science and Business Media.
3. I. P. Kaminow, T. Li, and A. E. Wilner, editors, Optical Fiber Telecommunications V B, Academic Press/Elsevier.