鈮酸鋰將主導(dǎo)40G調(diào)制器市場(共5).doc

1、鈮酸鋰將主導(dǎo)40G調(diào)制器市場40Gb/s傳送系統(tǒng)面世伊始所遭遇的眾多技術(shù)問題現(xiàn)在都已經(jīng)得到解決。其中推動DWDM網(wǎng)絡(luò)向40Gb/s傳送速率升級的關(guān)鍵因素之一便是光信號產(chǎn)生技術(shù)的進步。 調(diào)制器是產(chǎn)生光信號的關(guān)鍵器件。在TDM和WDM系統(tǒng)的發(fā)射機中，從連續(xù)波（CW）激光器發(fā)出的光載波信號進入調(diào)制器，高速數(shù)據(jù)流將迭加到光載波信號上從而完成調(diào)制。 近些年來，由于鈮酸鋰（LiNbO3）波導(dǎo)的低損耗、高電光效率等特性，鈮酸鋰在2.5Gb/s及更高速率的光調(diào)制器中得到越來越廣泛的使用?；隈R赫-曾德（MZ）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的LiNbO3行波調(diào)制器已經(jīng)成為現(xiàn)有系統(tǒng)中使用最廣泛的調(diào)制器。 LiNbO3調(diào)制器通常分為X切

2、和Z切兩種規(guī)格，各有優(yōu)缺點。前者的主要優(yōu)點在于工作時無啁啾產(chǎn)生，因而發(fā)送機設(shè)計比較簡單；后者的主要優(yōu)點是驅(qū)動電壓較低、帶寬較大。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，與Z切調(diào)制器相比，X切調(diào)制器由于帶寬和電光系數(shù)的限制，不適用于10Gb/s以上的調(diào)制。 即便如此，CorningOTI(現(xiàn)為Avanex)的調(diào)制器研究組仍然提出了用于40Gb/s傳送系統(tǒng)的X切調(diào)制器設(shè)計方案。通過多個高比特率傳送系統(tǒng)的實驗，我們發(fā)現(xiàn)，與其它基于LiNbO3的技術(shù)相比，單驅(qū)動的X切LiNbO3MZ調(diào)制器能夠在更高比特速率上支持性能更高、成本更低的傳送方案。X切調(diào)制器已經(jīng)通過了包括Mintera公司在內(nèi)眾多系統(tǒng)實驗室的40Gb/s傳送實驗的驗

3、證。 在去年三月的OFC2003上，Mintera公司的10,000km、40Gb/sDWDM傳送演示系統(tǒng)使用的就是X切調(diào)制器。Mintera公司評價說，單驅(qū)動的X切LiNbO3MZ調(diào)制器適用于需要無啁啾光調(diào)制的系統(tǒng)，例如基于差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制的超遠(yuǎn)程（ULH）傳送系統(tǒng)和基于雙二進制調(diào)制的超高譜效率傳送系統(tǒng)。 40G長距離DWDM傳送系統(tǒng)與高級調(diào)制技術(shù) “高級調(diào)制格式”可以克服常見的40Gb/s系統(tǒng)缺陷。40Gb/s技術(shù)最初將被用于中短距離傳送系統(tǒng)，因此簡單且?guī)捓寐瘦^高的不歸零碼(NRZ)比較適合。然而在長距離傳送系統(tǒng)中，歸零碼(RZ)由于不易受光纖非線性效應(yīng)和偏振模色散(PMD

4、)的影響，因而更具有吸引力。特定的RZ格式，例如載波抑制RZ(CS-RZ)，有助于消除RZ格式占用頻譜較寬的問題。 RZ-DPSK調(diào)制格式可以進一步提高ULH系統(tǒng)的傳送性能。與RZ和CS-RZ調(diào)制格式相比，這種格式的主要優(yōu)點是可以使接收機具有更高的靈敏度（提高3dB）。在特定系統(tǒng)中，最佳調(diào)制格式的選擇需要考慮到一整套系統(tǒng)參數(shù)，其中包括成本、傳送距離、比特率和PMD。因此器件提供商已經(jīng)開發(fā)出多種40Gb/s調(diào)制器。 由于需要更大的帶寬，在10Gb/s系統(tǒng)中使用的電RZ脈沖產(chǎn)生方式已經(jīng)不再適用于40Gb/s系統(tǒng)。因此，必須將NRZ數(shù)字調(diào)制器和一個光門級聯(lián)，以光的方式產(chǎn)生40Gb/s的RZ信號。光門

5、的開啟時長僅僅是NRZ比特時長的幾分之一。光RZ調(diào)制格式甚至可以降低對電帶寬的要求。在某些情況下，使用“半比特率”的RF信號來驅(qū)動20GHz調(diào)制器就可以產(chǎn)生40Gb/s的RZ光脈沖。額外的RZ脈沖時長可以用于實現(xiàn)多種基于RZ的復(fù)雜的調(diào)制方式，例如CS-RZ。MZ干涉儀（MZI）的固有特性也很適合于實現(xiàn)剛剛提到的RZ-DPSK傳送系統(tǒng)。 高質(zhì)量的信號產(chǎn)生方式 在40Gb/s傳送系統(tǒng)中，只能使用外調(diào)制方式對CW激光源進行調(diào)制。這是由于外調(diào)制方式對光載波（CW激光）的光譜特性的影響很小。而基于LiNbO3的電光控制MZI調(diào)制器是性能最好的工業(yè)用40Gb/s外調(diào)制器。 很多高級的調(diào)制格式都采用相位調(diào)制

6、而非幅度調(diào)制。MZI調(diào)制器是無啁啾CS-RZ-DPSK調(diào)制器的關(guān)鍵組成部分。這種調(diào)制器不僅可以完成DPSK調(diào)制，還具有CS-RZ脈沖形成功能。 而基于半導(dǎo)體的電吸收調(diào)制器（EAM）不適于產(chǎn)生如此復(fù)雜的調(diào)制格式。它具有啁啾較大和輸出功率較低兩大缺陷。因此決定了EAM不適用于長距離傳送系統(tǒng)。 LiNbO3調(diào)制器的工作方式與波長無關(guān)，因此它也適用于波長可調(diào)收發(fā)機。未來，基于LiNbO3的發(fā)射機的卓越性能將使之成為性價比最高的解決方案。因此，許多系統(tǒng)制造商正在計劃使用LiNbO3技術(shù)取代短距離通信中使用的傳統(tǒng)的EAM技術(shù)。這種改進可以使光功率至少提高10dB，從而延長無放大距離（100km）。 LiN

7、bO3調(diào)制器的性能要求 除了眼圖特性（圖1）之外，“啁啾”也是影響系統(tǒng)性能的重要調(diào)制參數(shù)。啁啾是在強度調(diào)制過程中引入的一種相位/頻率調(diào)制現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，啁啾將給傳送質(zhì)量帶來負(fù)面影響。最重要的是，啁啾會造成頻譜展寬，這將對WDM信道間隔提出嚴(yán)格限制，同時也使信號對色度色散更加敏感。如果在干涉儀的兩臂上信號推拉相位偏移量一樣，那么對于所有狀態(tài)的干涉，輸出信號的相位將是一個常量，因此也就不會發(fā)生相位調(diào)制。利用LiNbO3晶體的特殊取向（X切）能夠使MZI的配置達(dá)到完全對稱這是無啁啾信號產(chǎn)生的基本條件。因此可以采用X切LiNbO3調(diào)制器來實現(xiàn)無啁啾的調(diào)制。 在10Gb/s系統(tǒng)中，在特定系統(tǒng)配置下

8、啁啾可以對系統(tǒng)產(chǎn)生有益的影響。啁啾可以利用它的正色散系數(shù)來補償光纖中的脈沖展寬，從而將無中繼傳送距離從典型的80km延長到100km（單模光纖）。然而，當(dāng)傳送距離超過100km（例如LH/ULH）時，啁啾信號的脈沖展寬速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無啁啾信號。此外，在不斷變化或不可預(yù)測的復(fù)雜格形網(wǎng)傳送系統(tǒng)中，采用無啁啾信號有助于使網(wǎng)絡(luò)運行更加可靠。 Mintera公司發(fā)現(xiàn)，X切調(diào)制器由于其固有的無啁啾工作特性，更適合于大批量生產(chǎn)。而傳統(tǒng)的解決方案推拉Z切雙驅(qū)動MZ調(diào)制器，則要求放大器、波導(dǎo)電路以及調(diào)制器本身達(dá)到高度對稱。只有LiNbO3外調(diào)制器才可以充分滿足40Gb/s長途和超長途傳送系統(tǒng)的要求。 40GLi

9、NbO3調(diào)制面臨的挑戰(zhàn) 在“高端”應(yīng)用領(lǐng)域，LiNbO3仍然被認(rèn)為是最主要的調(diào)制技術(shù)。然而，合格的大批量生產(chǎn)必須經(jīng)過對材料性質(zhì)的深刻理解、設(shè)計、測試、投產(chǎn)、Telcordia鑒定、售后保障以及逐步量產(chǎn)等一系列長期過程。 40Gb/s調(diào)制器不僅僅是10Gb/s器件的演進。技術(shù)上的“量子飛躍”必須面臨設(shè)計上的挑戰(zhàn)。開發(fā)和生產(chǎn)40Gb/s調(diào)制器不僅需要設(shè)計光路和微波電路的綜合專業(yè)知識，還需要先進的封裝和組裝技術(shù)。 要提供產(chǎn)生40Gb/s信號所需要的30GHz以上的帶寬，最基本的條件是經(jīng)過波導(dǎo)的光波和毫米波必須完成嚴(yán)格的速率匹配。為了在最高頻率成分（約60GHz）中實現(xiàn)有效的相互作用，電脈沖沿電極傳播

10、的群速度必須和光脈沖傳播的群速度相同（容差2%）。對于超高頻帶則必須進一步要求在整個相互作用長度上始終保持轉(zhuǎn)換效率。因此，必須設(shè)計共面帶狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以保證電波傳播的超低損耗。此外，器件的封裝對器件的整體電光特性具有重大影響。 考慮到前向糾錯編碼會擴展數(shù)據(jù)速率，一些40Gb/sX切調(diào)制器的驅(qū)動電壓需要5.4V（Vamp），而且標(biāo)定帶寬為33GHz。而其光插入損耗僅有3dB。與X切調(diào)制器相比，原來單驅(qū)動的Z切調(diào)制器的驅(qū)動電壓優(yōu)勢將不復(fù)存在。在這些調(diào)制器中集成監(jiān)控PIN光電二極管已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)。在使用了商用驅(qū)動放大器之后，這些40Gb/sX切調(diào)制器可以將消光比提高到13dB以上，達(dá)到了10Gb/s調(diào)制器的標(biāo)準(zhǔn)水平。 成熟的技術(shù) 如何選擇40Gb/s調(diào)制的具體格式，將主要取決于特定的系