06年04月JLT光通讯论文评析
发布时间：2006-05-23 00:40:52 热度：2720
5/22/2006, 作者 浙江大学宋军博士
一、光网络与系统：
1. OCDMA：
近来国内外对光网络工程的技术选择，存在很严重的分歧与争论。争论分三层，一是FTTH工程要不要开展的争论；二是即便开展FTTH，是否要采用PON组网的争论；三是如选用PON，该使用那种技术的争论。首先TDM-PON带宽较小，且不支持比特率可变的上载信息，不会成为Gb/s以上的FTTH方案。而WDM-PON带宽足够大，被各国研究者火热研究了十几年，相关技术都已经成熟，可是高昂的成本和复杂的系统却限制了它的推广。尽管折衷的CWDM技术可以将成本降下来，可是最高波长数量仅18个，这对多址接入系统来言实在是太少了。再来看最近突然火的不得了的OCDMA技术，它是包括Bell实验室在内许多研究机构力捧的技术，更有很多研究者认为该技术是未来十年最有可能迈入实用化的FTTH方案。
其实OCDMA的最初轮廓早在70年代就被提出来了，可是长达三十年的时间内却罕有研究者或运营商对其关注。而从02年开始，该技术突然火起来了，特别到了05年下半年，翻开任何一本有光网络的学术期刊，都会发现OCDMA成为了绝对主角，算是当下光网络里关注度最高的技术。导致这一切转变的标志性事件是制约OCDMA实用化的两个关键障碍，即光学编解码和光门限设施在近年先后被提出和实践了。到目前为止OCDMA相对WDM技术主要还有两个差距，其一是受多址干扰影响严重，其二是受拍频噪声影响剧烈。以上有关OCDMA与WDM技术对比的详细信息可以从本期JLT由大阪大学Ken-ichi Kitayama教授发表的论文中找到。要想详细了解OCDMA技术，该篇文章不失为一个通俗易懂、内容详尽的好资料。文章首先系统论述了OCDMA-PON的框架和操作规则，然后对光学编码和光门限的工作原理做了介绍，之后谈到了编码形式以及实现方式。在对OCDMA的光学相干编解码技术上，目前国际上最受认同的方式有基于AWG来编码和基于超结构光栅（SSFBG）编码两种。一般采用前一种技术能够获得非常大的系统容量，而采用后一种则可实现较长、较快的编码。作者还认为使用后一种技术，有利于获得更好的光谱效率。综合这些，作者也指出OCDMA-PON有望成为FTTH的最终解决方案。
此外，面向OCDMA应用，本期北京大学的研究者提供了一种新的二维光正交码OOC设计。其利用OCFHC码做波长跳变，用OOC码做波长展宽，结合了两种码优势的新码，可以在保持良好的自相关度下，比起通常的OOC码，还能提供更多的波长选择和更大的集的势。
2. 光交换：
本期一篇来自比利时的研究是对已有各种光交换方案进行综述，并就经济性进行比较的。主要涉及三种交换方案。一是完全基于光电光（OEO）的IP over WDM使用的交换。IP over WDM主要利用了高性能的WDM设备和高速光交换机等数据通信设备的大带宽和高速优势，但流量控制、保护恢复、QoS和网络管理等优化配置都发生在IP层与光学层之间。因此每个节点处都需要使用OEO的转换模式。显然，限制系统成本的主要因素就是大量的光电转换器的成本；二是主要基于全光交换，但在分组交换的packet头处使用OEO转换，具有这种交换模式的典型例子是英国EPRC支持下的WASPNET 项目，其整体基于全光的标签交换，但每个标签位置，还要使用光电转换；三是全光的交换模式，典型例子是在欧盟信息学会支持下的LASAGNE计划。它采用了全光逻辑门的全光交换，目标就是研究验证用于城域网的全光逻辑门和触发器的全光标记交换网络的商用性。它所涉及的全光交换方法主要有两种，分别被称为Label Swapping和Label Stripping。前一种是比较通用的光标签交换方法，后一种则相对以往方法略有不同。当不同数据包到达时，Stripping方法仅在当前节点对第一个标签进行处理，而其他有效信息和标签将通过延时线进行缓存，再经过可调波长转换后，路由到合适的AWG输出端。显然采用Stripping方案是出于经济考虑，这样可以大大减少系统使用的相关器的数目。因此其路由器尺寸也小的多。作者针对不同的方案，把它们使用的关键元件作为变量，作者给出了各自的成本运算公式。
3. WDM：
韩国的一篇论文是关于星型WDM网络里MAC（媒体接入控制）协议性能评估的。由于WDM-PON系统资源的限制（波长数），不可避免的存在竞争与冲突，且PON是共享媒体的网络，因此它要求MAC协议能够允许一些用户传输，而不对另外的用户造成影响。MAC协议的选取对于网络的性能有着很大的影响，不同的方案对带宽动态分配性能有较大差别。目前对WDM接入研究较多的MAC协议有预定机制的R-WDM和预分配机制的P-WDM两种。前一种方式，网络站点通过控制、确认、循环三种机制为多点传送数据包预留带宽或时间段。该方案优势是可发送bursty数据包，支持可变比特率传输，不限制数据包长度等，劣势是容易造成严重的网络延时。后一种方案则周期性的发送源－目标数据对（SDP），以对传输数据包预先分配合适的发射端与接收端。该方法的优势是允许数据并发传送，完全避免了冲突与竞争，且硬件和算法都相对简单。明显的劣势是带宽利用率不高，容易造成虚假的带宽空闲。对后一种方案目前有一种催促式的改进方法AP-WDM，旨在提高资源利用率，且已经取得不错的效果。在此基础上，韩国研究者进一步改进，提出了称为MAP-WDM的方法，其让SDP数据提早发送，最大化的避免了带宽空闲。作者对上述各种方法做了系统比较后指出，在用户数量不是特别多的时候，使用MAP-WDM既能完全解决网络突发的冲突与竞争，又能最大化提高带宽利用效率。
此外，奥地利的研究者对WDM-PON里，滤波器性能对系统传输的影响做了分析，主要考察了滤波器的带宽和边缘陡峭程度两个因素。结果证明虽然滤波器边缘越陡，越能获得更好的信噪比特性，但选用边缘太陡的滤波器也会造成系统对带宽变化过于敏感。
4. 网络性能方面：
关于PMD、色散以及回损等因素对全光网络性能的影响，本期都有一些，分别简要介绍最典型的一篇：（1）关于不同级PMD对长距离高速传输的影响已经有了许多理论模型，本期Heismann对各种已有模型做了比较，首先强调了三级，甚至更高级别的PMD对网络性能的影响扮演着重要的角色，然后对各种已有模型，作者认为Bruyère模型最精确，但与实际情况也还存在一些误差；（2）色散测量方面，有一篇来自新西兰的实验研究。作者使用波长可调的光时域反射仪OTDR对长光纤的色散进行了分布测量，其测量原理是对光纤一定长度下累计的的双折射，通过OTDR的反射光进行测定；（3）回损也是光网络的一个关键性能指标，对存在反射元件的网络系统，一般应要求将回损控制在40dB以下。过大的回损能引起激光器波长不稳定，降低信噪比。Perfica光学公司的研究者利用传输线理论对锯齿形的图谱作分析，可以精确对使用任意光纤类型的网络回损进行测量。
二、有源器件：
1. 激光器：
半导体激光器方面，Wisconsin-Platteville大学的研究者对表面发射的DFB激光器激光发射中ASE噪声情况做了分析，作者证明对该类激光器表面和边缘的ASE谱是不同的，造成这种差异的原因来自正反向光的干涉效应。
光纤激光器方面，韩国研究者利用偏振分集的原理制作了偏振无关的梳状滤波器，利用该滤波器对连续光谱的光纤激光器进行可调滤波，可以实现满足ITU标准的，面向100GHz的WDM应用的18个波长连续调节。此外，来自韩国的另一项研究则是基于对掺铒光纤环状激光器作声光滤波，也实现了具有可调功能的单纵模输出。
2. 调制器：
为了改善MZ调制器的线性度，加拿大Alberta大学的研究者对传统结构进行了改进，在一个干涉臂上加了两个环行共振腔，尽管简单从光的传输原理上看，这两个环行腔只让光来了一个“8”字形的回旋后就重新进入该干涉臂，似乎对传输没什么明显影响，然而作者证明通过这样做，调制的线性度却得到了明显的改善。
3. 放大器：
天津大学的研究者对光纤拉曼放大器提供了一种基于打靶算法的优化设计模拟方法。该方法相对以往的牛顿迭代方法具有更高的效率。作者指出，利用现在的方法，能够对放大器增益，以及噪声分布做出精确的预测。
三、无源器件：
1. 集成器件：
通常的集成光学器件都是在半导体或聚合物材料上通过光刻实现的二维平面结构，近年来很多研究者为了提高芯片的集成度，开始提倡三维结构的集成，也就是要增加垂直基底方向的空间利用率。本期California大学的研究就对此展开，其利用氧化的办法，可以在材料基底上形成凹凸起伏的图形，文章里有许多利用该工艺制作的简单无源器件的照片和性能曲线，结果都是很不错的。
此外，California科学院的研究者基于聚合物材料制作了环行共振器，并对相关性能做了分析。主要是可以通过理论对器件的损耗等进行预测，且预测值与实验结果吻合较好。
2. 光纤光栅：
本期光纤光栅的研究较多，主要有：（1）Stanford大学的研究者针对透射式光纤光栅提供了一种算法，在仅知道强度谱或群时延信息后，可以迭代恢复出其全部谱信息；（2）类似的研究也被Harvard大学的研究者开展，其基于最小相位函数对光纤光栅透射光做干涉测量，可以恢复出该光栅的全部光谱信息；（3）Arizona大学的研究者则利用超精细结构的光纤光栅来实现信号加密，这样的操作可以用在OCDMA等系统上；（4）瑞士的研究者则提出了变迹的Bragg光栅设计方法，用该方法制得的光栅滤波器，可以实现平顶、高旁瓣抑制比等特性，这对WDM系统应用很有吸引力。
一、光网络与系统：
1. OCDMA：
近来国内外对光网络工程的技术选择，存在很严重的分歧与争论。争论分三层，一是FTTH工程要不要开展的争论；二是即便开展FTTH，是否要采用PON组网的争论；三是如选用PON，该使用那种技术的争论。首先TDM-PON带宽较小，且不支持比特率可变的上载信息，不会成为Gb/s以上的FTTH方案。而WDM-PON带宽足够大，被各国研究者火热研究了十几年，相关技术都已经成熟，可是高昂的成本和复杂的系统却限制了它的推广。尽管折衷的CWDM技术可以将成本降下来，可是最高波长数量仅18个，这对多址接入系统来言实在是太少了。再来看最近突然火的不得了的OCDMA技术，它是包括Bell实验室在内许多研究机构力捧的技术，更有很多研究者认为该技术是未来十年最有可能迈入实用化的FTTH方案。
其实OCDMA的最初轮廓早在70年代就被提出来了，可是长达三十年的时间内却罕有研究者或运营商对其关注。而从02年开始，该技术突然火起来了，特别到了05年下半年，翻开任何一本有光网络的学术期刊，都会发现OCDMA成为了绝对主角，算是当下光网络里关注度最高的技术。导致这一切转变的标志性事件是制约OCDMA实用化的两个关键障碍，即光学编解码和光门限设施在近年先后被提出和实践了。到目前为止OCDMA相对WDM技术主要还有两个差距，其一是受多址干扰影响严重，其二是受拍频噪声影响剧烈。以上有关OCDMA与WDM技术对比的详细信息可以从本期JLT由大阪大学Ken-ichi Kitayama教授发表的论文中找到。要想详细了解OCDMA技术，该篇文章不失为一个通俗易懂、内容详尽的好资料。文章首先系统论述了OCDMA-PON的框架和操作规则，然后对光学编码和光门限的工作原理做了介绍，之后谈到了编码形式以及实现方式。在对OCDMA的光学相干编解码技术上，目前国际上最受认同的方式有基于AWG来编码和基于超结构光栅（SSFBG）编码两种。一般采用前一种技术能够获得非常大的系统容量，而采用后一种则可实现较长、较快的编码。作者还认为使用后一种技术，有利于获得更好的光谱效率。综合这些，作者也指出OCDMA-PON有望成为FTTH的最终解决方案。
此外，面向OCDMA应用，本期北京大学的研究者提供了一种新的二维光正交码OOC设计。其利用OCFHC码做波长跳变，用OOC码做波长展宽，结合了两种码优势的新码，可以在保持良好的自相关度下，比起通常的OOC码，还能提供更多的波长选择和更大的集的势。
2. 光交换：
本期一篇来自比利时的研究是对已有各种光交换方案进行综述，并就经济性进行比较的。主要涉及三种交换方案。一是完全基于光电光（OEO）的IP over WDM使用的交换。IP over WDM主要利用了高性能的WDM设备和高速光交换机等数据通信设备的大带宽和高速优势，但流量控制、保护恢复、QoS和网络管理等优化配置都发生在IP层与光学层之间。因此每个节点处都需要使用OEO的转换模式。显然，限制系统成本的主要因素就是大量的光电转换器的成本；二是主要基于全光交换，但在分组交换的packet头处使用OEO转换，具有这种交换模式的典型例子是英国EPRC支持下的WASPNET 项目，其整体基于全光的标签交换，但每个标签位置，还要使用光电转换；三是全光的交换模式，典型例子是在欧盟信息学会支持下的LASAGNE计划。它采用了全光逻辑门的全光交换，目标就是研究验证用于城域网的全光逻辑门和触发器的全光标记交换网络的商用性。它所涉及的全光交换方法主要有两种，分别被称为Label Swapping和Label Stripping。前一种是比较通用的光标签交换方法，后一种则相对以往方法略有不同。当不同数据包到达时，Stripping方法仅在当前节点对第一个标签进行处理，而其他有效信息和标签将通过延时线进行缓存，再经过可调波长转换后，路由到合适的AWG输出端。显然采用Stripping方案是出于经济考虑，这样可以大大减少系统使用的相关器的数目。因此其路由器尺寸也小的多。作者针对不同的方案，把它们使用的关键元件作为变量，作者给出了各自的成本运算公式。
3. WDM：
韩国的一篇论文是关于星型WDM网络里MAC（媒体接入控制）协议性能评估的。由于WDM-PON系统资源的限制（波长数），不可避免的存在竞争与冲突，且PON是共享媒体的网络，因此它要求MAC协议能够允许一些用户传输，而不对另外的用户造成影响。MAC协议的选取对于网络的性能有着很大的影响，不同的方案对带宽动态分配性能有较大差别。目前对WDM接入研究较多的MAC协议有预定机制的R-WDM和预分配机制的P-WDM两种。前一种方式，网络站点通过控制、确认、循环三种机制为多点传送数据包预留带宽或时间段。该方案优势是可发送bursty数据包，支持可变比特率传输，不限制数据包长度等，劣势是容易造成严重的网络延时。后一种方案则周期性的发送源－目标数据对（SDP），以对传输数据包预先分配合适的发射端与接收端。该方法的优势是允许数据并发传送，完全避免了冲突与竞争，且硬件和算法都相对简单。明显的劣势是带宽利用率不高，容易造成虚假的带宽空闲。对后一种方案目前有一种催促式的改进方法AP-WDM，旨在提高资源利用率，且已经取得不错的效果。在此基础上，韩国研究者进一步改进，提出了称为MAP-WDM的方法，其让SDP数据提早发送，最大化的避免了带宽空闲。作者对上述各种方法做了系统比较后指出，在用户数量不是特别多的时候，使用MAP-WDM既能完全解决网络突发的冲突与竞争，又能最大化提高带宽利用效率。
此外，奥地利的研究者对WDM-PON里，滤波器性能对系统传输的影响做了分析，主要考察了滤波器的带宽和边缘陡峭程度两个因素。结果证明虽然滤波器边缘越陡，越能获得更好的信噪比特性，但选用边缘太陡的滤波器也会造成系统对带宽变化过于敏感。
4. 网络性能方面：
关于PMD、色散以及回损等因素对全光网络性能的影响，本期都有一些，分别简要介绍最典型的一篇：（1）关于不同级PMD对长距离高速传输的影响已经有了许多理论模型，本期Heismann对各种已有模型做了比较，首先强调了三级，甚至更高级别的PMD对网络性能的影响扮演着重要的角色，然后对各种已有模型，作者认为Bruyère模型最精确，但与实际情况也还存在一些误差；（2）色散测量方面，有一篇来自新西兰的实验研究。作者使用波长可调的光时域反射仪OTDR对长光纤的色散进行了分布测量，其测量原理是对光纤一定长度下累计的的双折射，通过OTDR的反射光进行测定；（3）回损也是光网络的一个关键性能指标，对存在反射元件的网络系统，一般应要求将回损控制在40dB以下。过大的回损能引起激光器波长不稳定，降低信噪比。Perfica光学公司的研究者利用传输线理论对锯齿形的图谱作分析，可以精确对使用任意光纤类型的网络回损进行测量。
二、有源器件：
1. 激光器：
半导体激光器方面，Wisconsin-Platteville大学的研究者对表面发射的DFB激光器激光发射中ASE噪声情况做了分析，作者证明对该类激光器表面和边缘的ASE谱是不同的，造成这种差异的原因来自正反向光的干涉效应。
光纤激光器方面，韩国研究者利用偏振分集的原理制作了偏振无关的梳状滤波器，利用该滤波器对连续光谱的光纤激光器进行可调滤波，可以实现满足ITU标准的，面向100GHz的WDM应用的18个波长连续调节。此外，来自韩国的另一项研究则是基于对掺铒光纤环状激光器作声光滤波，也实现了具有可调功能的单纵模输出。
2. 调制器：
为了改善MZ调制器的线性度，加拿大Alberta大学的研究者对传统结构进行了改进，在一个干涉臂上加了两个环行共振腔，尽管简单从光的传输原理上看，这两个环行腔只让光来了一个“8”字形的回旋后就重新进入该干涉臂，似乎对传输没什么明显影响，然而作者证明通过这样做，调制的线性度却得到了明显的改善。
3. 放大器：
天津大学的研究者对光纤拉曼放大器提供了一种基于打靶算法的优化设计模拟方法。该方法相对以往的牛顿迭代方法具有更高的效率。作者指出，利用现在的方法，能够对放大器增益，以及噪声分布做出精确的预测。
三、无源器件：
1. 集成器件：
通常的集成光学器件都是在半导体或聚合物材料上通过光刻实现的二维平面结构，近年来很多研究者为了提高芯片的集成度，开始提倡三维结构的集成，也就是要增加垂直基底方向的空间利用率。本期California大学的研究就对此展开，其利用氧化的办法，可以在材料基底上形成凹凸起伏的图形，文章里有许多利用该工艺制作的简单无源器件的照片和性能曲线，结果都是很不错的。
此外，California科学院的研究者基于聚合物材料制作了环行共振器，并对相关性能做了分析。主要是可以通过理论对器件的损耗等进行预测，且预测值与实验结果吻合较好。
2. 光纤光栅：
本期光纤光栅的研究较多，主要有：（1）Stanford大学的研究者针对透射式光纤光栅提供了一种算法，在仅知道强度谱或群时延信息后，可以迭代恢复出其全部谱信息；（2）类似的研究也被Harvard大学的研究者开展，其基于最小相位函数对光纤光栅透射光做干涉测量，可以恢复出该光栅的全部光谱信息；（3）Arizona大学的研究者则利用超精细结构的光纤光栅来实现信号加密，这样的操作可以用在OCDMA等系统上；（4）瑞士的研究者则提出了变迹的Bragg光栅设计方法，用该方法制得的光栅滤波器，可以实现平顶、高旁瓣抑制比等特性，这对WDM系统应用很有吸引力。
