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(dòng)了對(duì)無源器件技術(shù)的新需求�；�于硅集成技術(shù)的平面集成光電路（PIC）為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)打下了基礎(chǔ)。

Anthony Ticknor、G. Ferris Lipscomb，NeoPhotonics

　　在過去的10年里，通過DWDM系統(tǒng)同時(shí)傳送多個(gè)信道，以及每信道符號(hào)速率的增加，光通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)信道。盡管還有些爭(zhēng)論，但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能夠傳送信號(hào)的理論調(diào)制速率極限已經(jīng)達(dá)到，近期內(nèi)不太可能通過引入更多的信道，以增加波長(zhǎng)復(fù)用密度的方式升級(jí)網(wǎng)絡(luò)。我們正在進(jìn)入每個(gè)符號(hào)的更多特征將被利用的階段，它比起信號(hào)非通即斷的二進(jìn)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(hào)的相位攜帶信息。光檢測(cè)器必須能夠檢測(cè)到每個(gè)符號(hào)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(hào)相位，一般是前一個(gè)符號(hào)。此類調(diào)制方法的名稱前通常帶有一個(gè)“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?yàn)樗�和早期的相干檢測(cè)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(dāng)然是相干系統(tǒng)，而自由參考系統(tǒng)又當(dāng)然可能采用差分編碼方式。某些傳輸技術(shù)只使用兩個(gè)相位，每個(gè)符號(hào)攜帶1比特信息，此時(shí)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(shì)，但本文不做討論。（D）QPSK的信號(hào)有4個(gè)相位，能夠在僅增加少量帶寬代價(jià)的情況下將比特率翻倍。

　　多比特符號(hào)的檢測(cè)器不再僅是簡(jiǎn)單地檢測(cè)信號(hào)電平，而是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行更加復(fù)雜的分析。光傳送的信號(hào)由接收端的光信號(hào)分析系統(tǒng)（復(fù)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(shí)別的信號(hào)。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)�；�大批量生產(chǎn)的，從而能夠保證較高的性價(jià)比。

　　因此，它們非常適合光子集成、尤其是平面波導(dǎo)技術(shù)。而且，由于平面波導(dǎo)通過復(fù)制的方式制作，它為解調(diào)器提供復(fù)雜性的同時(shí)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。由于具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，在許多系統(tǒng)中在編碼符號(hào)上增加了額外的特性，把每個(gè)符號(hào)的信息再增加一倍到4比特。因?yàn)檫@個(gè)原因，再加上相位調(diào)制帶來的其它傳輸優(yōu)勢(shì)，下一代網(wǎng)絡(luò)的鏈路速率將達(dá)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(yīng)用現(xiàn)狀，著重關(guān)注偏振效應(yīng)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(duì)新出現(xiàn)的光信令技術(shù)各個(gè)方面的全面討論超出了本文的范圍，讀者可以在參考文獻(xiàn)1-3中找到大量的技術(shù)細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于關(guān)鍵特性的概述還是很有指導(dǎo)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(dǎo)平臺(tái)能夠?yàn)榻庹{(diào)器提供足夠的復(fù)雜性，該系統(tǒng)能夠?qū)?個(gè)偏振狀態(tài)編碼及識(shí)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(dú)立的偏振狀態(tài)。

　　DP方案除了把待傳送信號(hào)調(diào)制到4個(gè)相位之一以外，還有均勻分布在龐加萊球的大圓上的4個(gè)偏振狀態(tài)。例如，4個(gè)傳送信號(hào)狀態(tài)可能是線性水平、線性垂直、順時(shí)針圓和逆時(shí)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(hào)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(duì)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(gè)符號(hào)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(zhǔn)好，參考相位和偏振狀態(tài)的漂移與符號(hào)速率相比是很慢的，通過對(duì)每個(gè)符號(hào)的分析，這些漂移是可以檢測(cè)出來并加以補(bǔ)償?shù)�。平面波�?dǎo)解調(diào)器¾¬過設(shè)計(jì)，能夠直接對(duì)偏振狀態(tài)和相位進(jìn)行分析。

　　每個(gè)符號(hào)理論上都位于4個(gè)偏振狀態(tài)和4個(gè)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(jiǎn)單框圖。在傳輸端點(diǎn)，信號(hào)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(jí)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(zhǎng)距離傳輸過程中信號(hào)的偏振狀態(tài)不再受到控制，信號(hào)的質(zhì)量會(huì)受到色度色散和偏振模色散等效應(yīng)的影響。借助上文提到的符號(hào)深度分析技術(shù)，多數(shù)影響可以在檢測(cè)過程中糾正。

　　對(duì)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(xiàn)對(duì)其有詳細(xì)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(cè)器可以檢測(cè)的強(qiáng)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(shè)定，具體實(shí)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(shí)現(xiàn)方式是在平面基底上制出光波導(dǎo)，一般是由硅基底上玻璃波導(dǎo)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(dǎo)光柵（AWG）相同。平面光集成技術(shù)是半導(dǎo)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(gè)DP-QPSK系統(tǒng)中使用的雙同步四相解調(diào)器框圖。輸入信號(hào)的偏振狀態(tài)是未知而且可變的，因此被分離為兩個(gè)正交的偏振信號(hào)分別進(jìn)行分析。每個(gè)偏振信號(hào)與一個(gè)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(hào)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(shí)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(zhǎng)響應(yīng)特性較平，因此偏振頻率（波長(zhǎng)）的獨(dú)立性易于控制。若采用差分檢測(cè)，則有8路輸出到8個(gè)不同的光電檢測(cè)器，如果是單端檢測(cè)則是4路輸出到4個(gè)檢測(cè)器。借助數(shù)字信號(hào)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(hào)中恢復(fù)出4比特信號(hào)來。圖3還示出了一個(gè)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(gè)可調(diào)激光器，增加了成本。為了去掉這個(gè)多出的單元，許多系統(tǒng)尤其是40Gbps系統(tǒng)中采用接收信號(hào)的延時(shí)信號(hào)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(gè)延時(shí)線干涉儀（DLI），作用是把輸入信號(hào)分成延時(shí)為t和t+90o的兩個(gè)信號(hào)，從而得到同步四相信號(hào)。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(shí)現(xiàn)非常合適。

　　DQPSK解調(diào)器與DLI偏振相關(guān)性的測(cè)量。

　　DQPSK的波長(zhǎng)響應(yīng)平坦度特性不佳，對(duì)于集成技術(shù)有著額外的要求。由于輸入信號(hào)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(duì)偏振狀態(tài)高度敏感。

　　平面波導(dǎo)材料中通常有雙折射效應(yīng)，對(duì)于不同偏振狀態(tài)響應(yīng)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(zhǎng)PDW）。在一個(gè)典型的AWG應(yīng)用中PDF的主要效應(yīng)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(yīng)用中的要求更加嚴(yán)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(jìn)步，目前已可以實(shí)現(xiàn)400MHz的PDF，如圖4所示。

　　差分系統(tǒng)采用兩個(gè)偏振信號(hào)攜帶信息，信號(hào)進(jìn)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(cè)帶來的復(fù)雜性，多數(shù)40Gbps系統(tǒng)采用DQPSK。與此相似，40Gbps的信號(hào)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(cè)器組件，相互之間通過光纖連接。對(duì)于100Gbps相干系統(tǒng)以及性能更高的40Gbps差分系統(tǒng)，信號(hào)失真度和其它性能的高要求將需要解調(diào)器和檢測(cè)器的集成方案。

　　目前信號(hào)失真對(duì)平衡檢測(cè)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(dá)到這一指標(biāo)，但是需要考慮方案的性價(jià)比，是否可以用兩個(gè)分離的器件通過連接器或熔接光纖相連。

　　由于針對(duì)FTTH應(yīng)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(fù)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(dǎo)體器件直接安裝在集成光基底上。該技術(shù)目前正應(yīng)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(dǎo)的無源PIC是以最低成本大規(guī)模制作復(fù)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(jī)的檢測(cè)器混合集成方案。

　　參考文獻(xiàn)：
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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.