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半导体激光器在超高速光网络中的应用

2013-05-30 00:51
冷血の爱
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  光通信的快速发展对光电子器件提出了更高的要求。基于超高速光传输网络、光以太网及接入网对通信用半导体激光器的性能要求,结合中国光电子器件具体情况,对半导体激光器的性能、研究状态及应用进行了探讨。

  1 光网络的发展趋势及对激光器的要求

  由于因特网业务的爆炸式增长,全球对网络带宽的需求日益增加。因此,作为信息承载和传输的光纤通信网络发展呈现一个重要趋势:即业界对超高速率、超大容量光纤通信系统的需求愈加急迫。在骨干光传输网方面,在相干检测和先进的多级调制技术的推动下,目前商用密集波分复用(DWDM)系统中每个通道的速率也从10 Gb/s 上升到40 Gb/s,并快速越过40 Gb/s 技术直接向100 Gb/s甚至更高速率的系统升级[1-3];在光以太网方面,由于大量视频业务导致的带宽需求急剧增加,40G/100G 以太网的标准化被迅速提上了日程;而在光接入网方面,基于波分复用技术的无源光网络(WDM-PON)系统被大规模应用从而提高用户的接入带宽,部分系统的速率已经能够到达10 Gb/s 以上[4]。而光网络的飞速发展毫无疑问地对相关光电器件的性能提出了更高的要求。

  1.1 基于多级调制格式的相干光通信系统

  在骨干光传输网方面,有关组织已经规定了基于相干检测技术的偏振复用正交相移键控(PM-QPSK)调制格式作为100 Gb/s 超长距离传输侧的首选。采用PM-QPSK 的系统具有灵敏度高、传输距离远的优点;另外,相干检测对接收端的信号进行线性的变换,因此光纤线路中引入的线性损伤,如色度色散、偏振模色散以及偏振相关损耗等都可以通过数字信号处理的方式进行补偿,也就是说基于相干检测技术的PM-QPSK 系统对这些损伤有更大的容限。

  虽然相干检测技术能够带来诸多好处,但它对相关的光电器件要求较高。最为典型的就是在相干光通信系统中,一般用载波的相位来携带传输的比特信息,而系统的发送和接收端都需要一个激光光源,因此,具有低相位噪声的可调谐激光器才是相干光通信系统中的理想光源[5]。考虑到激光器的线宽与相位噪声成正比关系,为了保证相干光通信系统的性能,窄线宽可调谐激光器变得不可或缺。在40 Gb/s 的相干光通信系统中,如果使用经典的M 阶相位估计方法,为保证在误码率(BER)为10-4 时线宽引入的光信噪比(OSNR)代价小于1 dB,使用QPSK 调制格式对线宽的容限是4.4 MHz。系统对线宽的容限会随着调制格式复杂度的增加而降低,特别是当相位状态数多于8 种状态时,比如对于8-PSK、16-PSK 调制,系统需要激光器的线宽分别小于330 kHz、50 kHz。在100 Gb/s 的PM-QPSK 系统的实际应用中,为了保险起见,一般要求激光器的线宽小于500 kHz。另外,除了对激光器的线宽有较为严格的要求外,对于50 GHz的DWDM 系统,还需要激光器的输出波长精确度能够在±2.5 GHz 范围内,这就需要在激光器模块中加入波长锁定的装置。

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