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铌酸锂将主导40G调制器市场

40Gb/s传送系统面世伊始所遭遇的众多技术问题现在都已经得到解决。其中推动DWDM网络向40Gb/s传送速率升级的关键因素之一便是光信号产生技术的进步。

调制器是产生光信号的关键器件。在TDM和WDM系统的发射机中，从连续波（CW）激光器发出的光载波信号进入调制器，高速数据流将迭加到光载波信号上从而完成调制。

近些年来，由于铌酸锂（LiNbO3）波导的低损耗、高电光效率等特性，铌酸锂在2.5Gb/s及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫-曾德（MZ）波导结构的LiNbO3行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。

LiNbO3调制器通常分为X切和Z切两种规格，各有优缺点。前者的主要优点在于工作时无啁啾产生，因而发送机设计比较简单；后者的主要优点是驱动电压较低、带宽较大。传统观点认为，与Z切调制器相比，X切调制器由于带宽和电光系数的限制，不适用于10Gb/s以上的调制。

即便如此，CorningOTI(现为Avanex)的调制器研究组仍然提出了用于40Gb/s传送系统的X切调制器设计方案。通过多个高比特率传送系统的实验，我们发现，与其它基于LiNbO3的技术相比，单驱动的X切LiNbO3MZ调制器能够在更高比特速率上支持性能更高、成本更低的传送方案。X切调制器已经通过了包括Mintera公司在内众多系统实验室的40Gb/s传送实验的验证。

在去年三月的OFC2003上，Mintera公司的10,000km、40Gb/sDWDM传送演示系统使用的就是X切调制器。Mintera公司评价说，单驱动的X切LiNbO3MZ调制器适用于需要无啁啾光调制的系统，例如基于差分相移键控（DPSK）调制的超远程（ULH）传送系统和基于双二进制调制的超高谱效率传送系统。

40G长距离DWDM传送系统与高级调制技术

“高级调制格式”可以克服常见的40Gb/s系统缺陷。40Gb/s技术最初将被用于中短距离传送系统，因此简单且带宽利用率较高的不归零码(NRZ)比较适合。然而在长距离传送系统中，归零码(RZ)由于不易受光纤非线性效应和偏振模色散(PMD)的影响，因而更具有吸引力。特定的RZ格式，例如载波抑制RZ(CS-RZ)，有助于消除RZ格式占用频谱较宽的问题。
RZ-DPSK调制格式可以进一步提高ULH系统的传送性能。与RZ和CS-RZ调制格式相比，这种格式的主要优点是可以使接收机具有更高的灵敏度（提高3dB）。在特定系统中，最佳调制格式的选择需要考虑到一整套系统参数，其中包括成本、传送距离、比特率和PMD。因此器件提供商已经开发出多种40Gb/s调制器。

由于需要更大的带宽，在10Gb/s系统中使用的电RZ脉冲产生方式已经不再适用于40Gb/s系统。因此，必须将NRZ数字调制器和一个光门级联，以光的方式产生40Gb/s的RZ信号。光门的开启时长仅仅是NRZ比特时长的几分之一。光RZ调制格式甚至可以降低对电带宽的要求。在某些情况下，使用“半比特率”的RF信号来驱动20GHz调制器就可以产生40Gb/s的RZ光脉冲。额外的RZ脉冲时长可以用于实现多种基于RZ的复杂的调制方式，例如CS-RZ。MZ干涉仪（MZI）的固有特性也很适合于实现刚刚提到的RZ-DPSK传送系统。

高质量的信号产生方式

在40Gb/s传送系统中，只能使用外调制方式对CW激光源进行调制。这是由于外调制方式对光载波（CW激光）的光谱特性的影响很小。而基于LiNbO3的电光控制MZI调制器是性能最好的工业用40Gb/s外调制器。

很多高级的调制格式都采用相位调制而非幅度调制。MZI调制器是无啁啾CS-RZ-DPSK调制器的关键组成部分。这种调制器不仅可以完成DPSK调制，还具有CS-RZ脉冲形成功能。

而基于半导体的电吸收调制器（EAM）不适于产生如此复杂的调制格式。它具有啁啾较大和输出功率较低两大缺陷。因此决定了EAM不适用于长距离传送系统。

LiNbO3调制器的工作方式与波长无关，因此它也适用于波长可调收发机。未来，基于LiNbO3的发射机的卓越性能将使之成为性价比最高的解决方案。因此，许多系统制造商正在计划使用LiNbO3技术取代短距离通信中使用的传统的EAM技术。这种改进可以使光功率至少提高10dB，从而延长无放大距离（>100km）。

LiNbO3调制器的性能要求

除了眼图特性（图1）之外，“啁啾”也是影响系统性能的重要调制参数。啁啾是在强度调制过程中引入的一种相位/频率调制现象。在大多数情况下，啁啾将给传送质量带来负面影响。最重要的是，啁啾会造成频谱展宽，这将对WDM信道间隔提出严格限制，同时也使信号对色度色散更加敏感。

如果在干涉仪的两臂上信号推拉相位偏移量一样，那么对于所有状态的干涉，输出信号的相位将是一个常量，因此也就不会发生相位调制。利用LiNbO3晶体的特殊取向（X切）能够使MZI的配置达到完全对称──这是无啁啾信号产生的基本条件。因此可以采用X切LiNbO3调制器来实现无啁啾的调制。

在10Gb/s系统中，在特定系统配置下啁啾可以对系统产生有益的影响。啁啾可以利用它的正色散系数来补偿光纤中的脉冲展宽，从而将无中继传送距离从典型的80km延长到100km（单模光纤）。然而，当传送距离超过100km（例如LH/ULH）时，啁啾信号的脉冲展宽速度将远远超过无啁啾信号。此外，在不断变化或不可预测的复杂格形网传送系统中，采用无啁啾信号有助于使网络运行更加可靠。

Mintera公司发现，X切调制器由于其固有的无啁啾工作特性，更适合于大批量生产。而传统的解决方案──推拉Z切双驱动MZ调制器，则要求放大器、波导电路以及调制器本身达到高度对称。只有LiNbO3外调制器才可以充分满足40Gb/s长途和超长途传送系统的要求。

40GLiNbO3调制面临的挑战

在“高端”应用领域，LiNbO3仍然被认为是最主要的调制技术。然而，合格的大批量生产必须经过对材料性质的深刻理解、设计、测试、投产、Telcordia鉴定、售后保障以及逐步量产等一系列长期过程。

40Gb/s调制器不仅仅是10Gb/s器件的演进。技术上的“量子飞跃”必须面临设计上的挑战。开发和生产40Gb/s调制器不仅需要设计光路和微波电路的综合专业知识，还需要先进的封装和组装技术。

要提供产生40Gb/s信号所需要的30GHz以上的带宽，最基本的条件是经过波导的光波和毫米波必须完成严格的速率匹配。为了在最高频率成分（约60GHz）中实现有效的相互作用，电脉冲沿电极传播的群速度必须和光脉冲传播的群速度相同（容差<2%）。对于超高频带则必须进一步要求在整个相互作用长度上始终保持转换效率。因此，必须设计共面带状波导结构，以保证电波传播的超低损耗。此外，器件的封装对器件的整体电光特性具有重大影响。

考虑到前向纠错编码会扩展数据速率，一些40Gb/sX切调制器的驱动电压需要5.4V（Vamp），而且标定带宽为33GHz。而其光插入损耗仅有3dB。与X切调制器相比，原来单驱动的Z切调制器的驱动电压优势将不复存在。在这些调制器中集成监控PIN光电二极管已经成为了标准。在使用了商用驱动放大器之后，这些40Gb/sX切调制器可以将消光比提高到13dB以上，达到了10Gb/s调制器的标准水平。

成熟的技术

如何选择40Gb/s调制的具体格式，将主要取决于特定的系统应用。但是无啁啾的X切调制器已经成为所有调制格式的首选。它不但适用于原有的NRZ、RZ、CS-RZ，还适用于长途和超长途DWDM传送系统中诸如RZ-DPSK等复杂格式的调制。

铌酸锂是覆盖了从城域/NRZ到超长途/RZ所有应用场合的唯一的成熟技术。因此，随着“通用收发机”时代的到来，铌酸锂将成为标准的调制器解决方案。

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