无源PIC是40G和100G系统的关键器件

40G和100G系统转而使用相位调制格式，推动了对无源器件技术的新需求。基于硅集成技术的平面集成光电路（PIC）为应对这些挑战打下了基础。

Anthony Ticknor、G. Ferris Lipscomb，NeoPhotonics

　　在过去的10年里，通过DWDM系统同时传送多个信道，以及每信道符号速率的增加，光通信网络的传输容量得以提升。人们已经定义了所有能够以较好的性能有效地在网络中传输的波长信道。尽管还有些争论，但现有网络能够传送信号的理论调制速率极限已经达到，近期内不太可能通过引入更多的信道，以增加波长复用密度的方式升级网络。我们正在进入每个符号的更多特征将被利用的阶段，它比起信号非通即断的二进制比特能够携带更多信息。

　　这一阶段的关键是如何让符号的相位携带信息。光检测器必须能够检测到每个符号的相位，然后与已知的参考相位比较。根据参考相位的不同，光相位调制可分为两类。

　　第一类调制技术参考之前的信号相位，一般是前一个符号。此类调制方法的名称前通常带有一个"d"，表示"差分"，例如差分移相键控（DPSK）和差分四相移相键控（DQPSK）。

　　第二类调制技术在接收端使用精确调谐到源激光器频率的本地激光器作为参考源。此类技术一般称为"相干"调制，因为它和早期的相干检测系统非常相似。相干调制技术的名称前没有"d"（因此为PSK，QPSK等等）。

　　这样的名称术语通常不能明确地表明技术的特征；自参考系统当然是相干系统，而自由参考系统又当然可能采用差分编码方式。某些传输技术只使用两个相位，每个符号携带1比特信息，此时比特率和传输速率是相等的。这样的方案有其可靠性和带宽方面的优势，但本文不做讨论。（D）QPSK的信号有4个相位，能够在仅增加少量带宽代价的情况下将比特率翻倍。

　　多比特符号的检测器不再仅是简单地检测信号电平，而是对接收到的信号进行更加复杂的分析。光传送的信号由接收端的光信号分析系统（复杂的干涉仪）接收，借助参考源将调制到相位上的信息解调为可以识别的信号。解调器由一组精密安装的无源光器件组成，这些器件必须是规模化大批量生产的，从而能够保证较高的性价比。

　　因此，它们非常适合光子集成、尤其是平面波导技术。而且，由于平面波导通过复制的方式制作，它为解调器提供复杂性的同时进一步提高了系统性能。由于具有这样的优点，在许多系统中在编码符号上增加了额外的特性，把每个符号的信息再增加一倍到4比特。因为这个原因，再加上相位调制带来的其它传输优势，下一代网络的链路速率将达到40G甚至100Gbps，而现有DWDM信道只支持10Gbps。

　　本文我们将讨论相干和差分调制系统中使用的基于硅集成技术的平面解调器的应用现状，着重关注偏振效应以及有源光电二极管如何直接集成到硅基底上的技术。

相干系统

　　对新出现的光信令技术各个方面的全面讨论超出了本文的范围，读者可以在参考文献1-3中找到大量的技术细节。然而，对于关键特性的概述还是很有指导意义的。

　　目前人们正在研究相干系统中的四相编码技术（QPSK）。由于平面波导平台能够为解调器提供足够的复杂性，该系统能够对4个偏振状态编码及识别。尽管容易引起混淆，它还是被冠名为"双偏振调制"或DP-QPSK。这与偏振保持（PM）技术完全不同，后者是在传输链路的两端维持独立的偏振状态。

　　DP方案除了把待传送信号调制到4个相位之一以外，还有均匀分布在庞加莱球的大圆上的4个偏振状态。例如，4个传送信号状态可能是线性水平、线性垂直、顺时针圆和逆时针圆。在传输过程中偏振状态可能发生旋转和交叠等现象，接收端可能接收到完全不同的4种信号状态，但仍保持均匀地分布在庞加莱球的大圆上，如图1。

　　庞加莱球可以解释光通信系统中的相位和偏振概念。

　　由于本地激光器和源激光器之间的绝对相位差无法确定，而且传输过程中的偏振状态转移也是未知的，所以系统接收到的每个符号都必须根据之前接收到的数据来分析。一旦链路已校准好，参考相位和偏振状态的漂移与符号速率相比是很慢的，通过对每个符号的分析，这些漂移是可以检测出来并加以补偿的。平面波导解调器¾¬过设计，能够直接对偏振状态和相位进行分析。

　　每个符号理论上都位于4个偏振状态和4个相位之一，总共有16种可能的状态，因此携带了4比特信息。通过这样的方式，相干链路上40Gbps的调制速率为10Gbps，而100Gbps的调制速率为25Gbps，提高了现有DWDM传送系统的容量。

　　图2示出了相位调制光传输系统的简单框图。在传输端点，信号通过铌酸锂或其它光电调制器以相位编码方式调制到光波上，然后在逐级放大的光纤链路上传送。

相位调制光传输系统框图。

　　在长距离传输过程中信号的偏振状态不再受到控制，信号的质量会受到色度色散和偏振模色散等效应的影响。借助上文提到的符号深度分析技术，多数影响可以在检测过程中纠正。

　　对相位编码技术的研究超出了本文的范围，上面提到的文献对其有详细的描述。

　　无源PIC解调器

　　相干光通信系统中的相位解调器是无源系统，其基本原理是把相位和偏振编码信息转换为普通光检测器可以检测的强度信息。解调器是由耦合器和分光器组成的干涉装置，光路信息被精确地设定，具体实现方案有早期的自由空间光子器件以及现在大多数厂家提供的集成光子器件。

　　平面集成光器件的实现方式是在平面基底上制出光波导，一般是由硅基底上玻璃波导组成，所用技术和制造工艺与DWDM系统中使用的阵列波导光栅（AWG）相同。平面光集成技术是半导体工业中大规模、低成本的生产制造技术，因此非常适用于制作相干系统中的解调器。

　　图3是一个DP-QPSK系统中使用的双同步四相解调器框图。输入信号的偏振状态是未知而且可变的，因此被分离为两个正交的偏振信号分别进行分析。每个偏振信号与一个本地激光振荡器混频，该激光器的频率被调谐到与输入信号相差仅有几兆赫兹，可用作偏振参考源。图中黑盒部分包含了集成的光分路器、耦合器和延时线。

PIQ解调器（相干混频器）。

　　在集成光子器件中，偏振状态比较单一，波长响应特性较平，因此偏振频率（波长）的独立性易于控制。若采用差分检测，则有8路输出到8个不同的光电检测器，如果是单端检测则是4路输出到4个检测器。借助数字信号处理芯片（DSP），传输过程中产生的失真能够得以纠正，从合成信号中恢复出4比特信号来。图3还示出了一个商用偏振同步四相解调器（PIQ）的照片。

　　差分系统

　　图3中的相干系统接收端多了一个可调激光器，增加了成本。为了去掉这个多出的单元，许多系统尤其是40Gbps系统中采用接收信号的延时信号作为参考，代替了本地的激光振荡器。

　　DQPSK系统结构图如图4，包含了两个延时线干涉仪（DLI），作用是把输入信号分成延时为t和t+90o的两个信号，从而得到同步四相信号。与相干解调中的混频器类似，DQPSK解调器也是由分路器、耦合器和受控的光路组成，用光集成技术实现非常合适。

　　DQPSK解调器与DLI偏振相关性的测量。

　　DQPSK的波长响应平坦度特性不佳，对于集成技术有着额外的要求。由于输入信号的偏振状态未知且不可控，而且又没有本地振荡器作为参考，DQPSK解调器必须对偏振状态高度敏感。

　　平面波导材料中通常有双折射效应，对于不同偏振状态响应不同，这种现象称为偏振相关频率（PDF，或偏振相关波长PDW）。在一个典型的AWG应用中PDF的主要效应就是偏振相关损耗（PDL），PDF必须控制在6GHz左右，从而使PDL小于0.5dB。DQPSK应用中的要求更加严格，PDF必须优于400MHz，比典型的AWG高出10倍以上。光集成技术已经有了显著进步，目前已可以实现400MHz的PDF，如图4所示。

　　差分系统采用两个偏振信号携带信息，信号进入DQPSK解调器之前偏振状态必须互相隔离。如前面所提到的，这样的系统被称为偏振保持（PM）系统。

　　混合集成
　　为了避免相干检测带来的复杂性，多数40Gbps系统采用DQPSK。与此相似，40Gbps的信号失真要求比较宽松，因此现有的多数相位调制系统采用分离的无源解调器和检测器组件，相互之间通过光纤连接。对于100Gbps相干系统以及性能更高的40Gbps差分系统，信号失真度和其它性能的高要求将需要解调器和检测器的集成方案。

　　目前信号失真对平衡检测的要求为小于1ps，将来肯定还要低，这就要求光路径差小于200µm。用集成光子芯片很容易达到这一指标，但是需要考虑方案的性价比，是否可以用两个分离的器件通过连接器或熔接光纤相连。

　　由于针对FTTH应用已经研制出了许多低成本规模化生产的双路和三路复用器件，混合集成技术已能够将光电二极管或激光器等半导体器件直接安装在集成光基底上。该技术目前正应用到把光电二极管直接安装在相干混频器和DQPSK解调器基底上。

　　总而言之，基于硅波导的无源PIC是以最低成本大规模制作复杂解调器的理想方案。无源PIC能够满足DQPSK苛刻的PDF要求，适用于可精确控制位置和性能的紧凑型接收机的检测器混合集成方案。

　　参考文献：
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.