06年06月JLT光通讯论文评析
发布时间：2006-07-24 07:25:34 热度：2153
不支持该视频7/23/2006,作者 浙江大学 宋军博士
光网络与系统:
WDM:
对WDM-PON，理想的情况当然是给每个用户都分配一个波长，实现用波长取代IP地址的通讯模式。但现在一来可实用的波长并没那么多，二来单用户信息流量非常小，因此一个用户一个波长显然相当浪费。因此在WDM应用过程里，有一个重要的概念叫做业务疏导，简单的说就是要将一些低流量用户信息通过光或电的方法整合到一个波长上来实现传输。但要做到优化的业务疏导，其实并不是一个很简单的问题，因为在一个光网络里，要实现业务疏导目标，涉及到物理链路，可利用带宽，复用波长数，网络节点配置以及光收发器数目等多个环节，目标是在给定阻塞率的情况下最简化的利用资源。显然这是一个物理拓扑问题。在实用上预先根据网络情况安排了业务疏导的模式被称为静态的业务疏导，而在实用中根据实际情况随机进行业务流分配的模式被称为动态业务疏导。显然后者难度更大，但也能更优化灵活的利用有限带宽资源。本期Norfolk州立大学的研究者就专门对WDM-PON的动态业务疏导问题作了研究。与以往动态业务疏导中不断断开和建立光路不同，作者现在在静态与动态疏导间取了一个折衷的方案。也就是先使用静态疏导的模式，建立网络的逻辑拓扑结构。然后再进行动态疏导，这样可以避免过频繁的建立和断开光路。作者拓扑结构建立主要基于两点考虑，一是在给定阻塞率下，力求最小化使用光源的数量，二是在给定光源数目下最佳化系统性能。为了实现这两个目标作者采取了线性规划的设计方法。作者给出两个结论，第一个非常浅显，即便没看这篇文章，凭直觉我们也会这样认为，即当阻塞率要求放宽以后，用于动态疏导的光源数也可降低，也就是说给定更多的光源数，疏导的性能会得到改善。相比之下，作者的第二个结论更具价值，即证明了客户端的节点数比波长数对业务疏导的性能有更大的影响。
对WDM网络，要提高网络信息容量，一是提高单通道调制速率，二是提高复用波长数。在现有波长带宽下，已有报道实现了100个波长以上的复用。对通道间隔小于等于50GHz的复用，通常被称为超密集波分复用（UDWDM），从以往的评析我们已经可以知道，目前实验室里已经可以获得12.5GHZ或更低的UDWDM应用。在使用过程里，复用波长数不能达到很大，主要是因为受到多波长光源管理维护难和绝对频率光源通道间隔控制难两点的限制。使用多载波光源却可以有效解决上述问题，关于这点在以往的评析里面也介绍过。对典型的多载波光源，首先使用一个连续光源，再经过一个相位调制器，产生一系列频率等于调制频率的正弦载波，然后连续载波经过色散媒介或复用器分成一系列波长间隔精确控制的多波长光。本期NTT的研究者使用相位调制器的调制频率为6.25GHz，这样就可以获得波长间隔6.25GHz的复用波长。除了复用间隔窄，本次研究最大的特征是复用波长多，达到了1046个，单通道调制速率为2.67Gb/s，这样也实现了2Tb/s以上的总传输容量，由于调制速率低，非线性、色散等因素对系统的影响也较微弱。在实际测试里，作者设计系统的工作距离为126km。另一个重要的工作是作者考察了FWM对UDWDM的影响。作者证明在复用通道数小于100的情况下，由FWM引起的串扰确实会随着通道数的增加而迅速增大，但当通道数超过150以上，通道数基本不会再影响该串扰值了。
低价高速光网络：
对超过10Gb/s的光网络系统，由于必须考虑色散补偿，因此要有色散补偿系统，此外使用光放大器，并对光源进行管理等因素，也使得优越的性能和系统成本成了不能解决的矛盾。然而对网络运营来说，低成本显然更具有吸引力。因此在高调制速率的基础上，千方百计的降低运营成本也是热门的研究方向。恰好本期有一篇来自英国威尔士大学的相关研究。借此，不妨回顾一下以往的一些努力方向。方向有三个：一是采用直接调制的DFB激光器来代替以往的外腔调制方式，这样可以有效降低系统安装和维护成本。第二个方向是无色散补偿传输，对高速系统色散补偿是保证低误码率和高信噪比的有效手段，但因其系统复杂成本又高，而成为实际使用中不折不扣的鸡肋。通常说的无色散补偿有两种含义，一个是真正的无色散补偿，目前对40Gb/s的调制，该方式最高传输距离是200km左右。而另一种含义其实是“伪无补偿”，也就是在发射或接受端对信号进行预先补偿或后补偿，目前对40Gb/s的调制，朗讯创造了最高的传输距离，达到4000km以上。第三个方向是不用放大器。如果三个方向结合（且是真正的无色散补偿），对40Gb/s的调制，最高传输距离是04年ECOC上报导的40.5km。本期威尔士大学的研究者同时使用三个方向来降低成本，证明了30Gb/s调制速率的信号能保持超过40km的传输。显然从工作距离上看，作者的研究并没有超过ECOC的报导。但作者使用了最近较受关注的调制方式，即对正交频分复用信号的自适应式调制。使用该格式信号可以提高系统灵活性，提高光谱利用效率，同时也可以进一步降低系统安装和维护成本。
网络性能：
首先KDDI R&D Laboratories的一项研究有效的提高了基于环行共振器的色散补偿器的带宽。作者证明当让环行共振器的强度衰减因子超过一定值的时候，可以让共振器工作在负群时延区域。这时候可以明显提高色散补偿的带宽。此外，Indiana大学的研究者研究了XPM对单纤双向系统性能，特别是串扰的影响。作者证明，对某一特定的调制频率会产生非常大的串扰。
二、无源器件：
面向不同的应用现有的WDM器主要分为三类，一类是密集波分复用器（包括前面提到的UDWDM），该类WDM器由于使用波长间隔在亚纳米精度（如最常用的100GHz，即0.8nm），因此波长控制要求高，对硅基器件，通常温度每改变1摄氏度，器件波长会漂移0.1nm，因此该类应用的LD阵列必须有严格的温控装置，保持使用中温度恒定。对DWDM应用，最常用的器件还是AWG。第二类是粗波分复用CWDM，由于只每隔20nm使用了1470nm-1610nm的8个波长，且单通道带宽一般达到13nm左右，因此不再需要温控。最后一类WDM器件通常针对LAN设计，因为对LAN系统，通常透射波长和通道间隔都不确定，对该类WDM器，最常用的器件是滤波器。针对LAN的滤波器WDM模块通常由光纤、光纤滤波器和准直器组成，该结构通道数不能很多，最常见的是4个。本期NTT将该模块制作在了聚合物波导上，可以更方便使用和更换滤波器。首先波导上集成了许多波导阵列，中间有插槽可以插入多层膜滤波器，芯片末端的V型槽方便与光纤阵列对接。由于集成化后对准精确，可以让器件插损低于4.9dB，串扰好于20dB。实验做得的芯片有4个通道，带宽达到30nm，且温度稳定性较好，通过了ITU标准测试。
无源器件的研究还有：（1）硅纳米线波导是目前很热的一个集成光学研究方向，采用该技术能实现纳米尺度的光器件集成。但由于硅纳米波导尺度在亚微米量级，因此存在一个很大的问题是对传统氧化硅波导或光纤的耦合效率不高。通常设计渐变波导结构来将纳米波导尺度展宽再与光纤连接。本期浙大的研究者对此问题作了研究，设计了双层硅波导结构来改善对光纤的耦合效率。顶层由抛物线和正弦曲线组成。如只有传统的下层结构，转换效率最高不会超过60%，而使用现在的结构，转换效率可以达到96%左右；（2）台湾中山大学的研究者利用Floquet–Bloch理论分析了波导光栅方向耦合器的泄漏损耗问题。证明其现在的方法比以前的研究更精确；（3）约旦的研究者提出了一种新的波分复用器的设计方法，与传统基于光栅的波分复用器不同，现在的器件色散元件使用了一块平板结构，该平板仍是波导，上下包层折射率固定，但芯层折射率按某种规律渐变，显然在这渐变折射率波导里面，不同波长的光会被色散到不同的输出位置。该研究实用意义并不大，因为这样的波导结构现实里很难做出来。
三、有源器件：
（1）双驱动的电光调制器比起通常的单驱动调制器有许多优势，例如可以有效降低调制电压。本期意大利的研究者设计制作了Z切割的双驱动Ti：LiNbO3调制器。对射频电极部分，作者努力降低了射频串扰，而对光学的MZ干涉仪部分，主要设计目标则是降低损耗并最小化设计结构；（2）为了更好的设计和了解光纤拉曼放大器的特性，上交大的研究者对该放大器基于神经网络做了建模。利用该方法可以准确快速的对泵浦功率进行实时分配，而使用该方法模拟的放大器噪声图谱也与实验结果吻合的很好。
光网络与系统:
WDM:
对WDM-PON，理想的情况当然是给每个用户都分配一个波长，实现用波长取代IP地址的通讯模式。但现在一来可实用的波长并没那么多，二来单用户信息流量非常小，因此一个用户一个波长显然相当浪费。因此在WDM应用过程里，有一个重要的概念叫做业务疏导，简单的说就是要将一些低流量用户信息通过光或电的方法整合到一个波长上来实现传输。但要做到优化的业务疏导，其实并不是一个很简单的问题，因为在一个光网络里，要实现业务疏导目标，涉及到物理链路，可利用带宽，复用波长数，网络节点配置以及光收发器数目等多个环节，目标是在给定阻塞率的情况下最简化的利用资源。显然这是一个物理拓扑问题。在实用上预先根据网络情况安排了业务疏导的模式被称为静态的业务疏导，而在实用中根据实际情况随机进行业务流分配的模式被称为动态业务疏导。显然后者难度更大，但也能更优化灵活的利用有限带宽资源。本期Norfolk州立大学的研究者就专门对WDM-PON的动态业务疏导问题作了研究。与以往动态业务疏导中不断断开和建立光路不同，作者现在在静态与动态疏导间取了一个折衷的方案。也就是先使用静态疏导的模式，建立网络的逻辑拓扑结构。然后再进行动态疏导，这样可以避免过频繁的建立和断开光路。作者拓扑结构建立主要基于两点考虑，一是在给定阻塞率下，力求最小化使用光源的数量，二是在给定光源数目下最佳化系统性能。为了实现这两个目标作者采取了线性规划的设计方法。作者给出两个结论，第一个非常浅显，即便没看这篇文章，凭直觉我们也会这样认为，即当阻塞率要求放宽以后，用于动态疏导的光源数也可降低，也就是说给定更多的光源数，疏导的性能会得到改善。相比之下，作者的第二个结论更具价值，即证明了客户端的节点数比波长数对业务疏导的性能有更大的影响。
对WDM网络，要提高网络信息容量，一是提高单通道调制速率，二是提高复用波长数。在现有波长带宽下，已有报道实现了100个波长以上的复用。对通道间隔小于等于50GHz的复用，通常被称为超密集波分复用（UDWDM），从以往的评析我们已经可以知道，目前实验室里已经可以获得12.5GHZ或更低的UDWDM应用。在使用过程里，复用波长数不能达到很大，主要是因为受到多波长光源管理维护难和绝对频率光源通道间隔控制难两点的限制。使用多载波光源却可以有效解决上述问题，关于这点在以往的评析里面也介绍过。对典型的多载波光源，首先使用一个连续光源，再经过一个相位调制器，产生一系列频率等于调制频率的正弦载波，然后连续载波经过色散媒介或复用器分成一系列波长间隔精确控制的多波长光。本期NTT的研究者使用相位调制器的调制频率为6.25GHz，这样就可以获得波长间隔6.25GHz的复用波长。除了复用间隔窄，本次研究最大的特征是复用波长多，达到了1046个，单通道调制速率为2.67Gb/s，这样也实现了2Tb/s以上的总传输容量，由于调制速率低，非线性、色散等因素对系统的影响也较微弱。在实际测试里，作者设计系统的工作距离为126km。另一个重要的工作是作者考察了FWM对UDWDM的影响。作者证明在复用通道数小于100的情况下，由FWM引起的串扰确实会随着通道数的增加而迅速增大，但当通道数超过150以上，通道数基本不会再影响该串扰值了。
低价高速光网络：
对超过10Gb/s的光网络系统，由于必须考虑色散补偿，因此要有色散补偿系统，此外使用光放大器，并对光源进行管理等因素，也使得优越的性能和系统成本成了不能解决的矛盾。然而对网络运营来说，低成本显然更具有吸引力。因此在高调制速率的基础上，千方百计的降低运营成本也是热门的研究方向。恰好本期有一篇来自英国威尔士大学的相关研究。借此，不妨回顾一下以往的一些努力方向。方向有三个：一是采用直接调制的DFB激光器来代替以往的外腔调制方式，这样可以有效降低系统安装和维护成本。第二个方向是无色散补偿传输，对高速系统色散补偿是保证低误码率和高信噪比的有效手段，但因其系统复杂成本又高，而成为实际使用中不折不扣的鸡肋。通常说的无色散补偿有两种含义，一个是真正的无色散补偿，目前对40Gb/s的调制，该方式最高传输距离是200km左右。而另一种含义其实是“伪无补偿”，也就是在发射或接受端对信号进行预先补偿或后补偿，目前对40Gb/s的调制，朗讯创造了最高的传输距离，达到4000km以上。第三个方向是不用放大器。如果三个方向结合（且是真正的无色散补偿），对40Gb/s的调制，最高传输距离是04年ECOC上报导的40.5km。本期威尔士大学的研究者同时使用三个方向来降低成本，证明了30Gb/s调制速率的信号能保持超过40km的传输。显然从工作距离上看，作者的研究并没有超过ECOC的报导。但作者使用了最近较受关注的调制方式，即对正交频分复用信号的自适应式调制。使用该格式信号可以提高系统灵活性，提高光谱利用效率，同时也可以进一步降低系统安装和维护成本。
网络性能：
首先KDDI R&D Laboratories的一项研究有效的提高了基于环行共振器的色散补偿器的带宽。作者证明当让环行共振器的强度衰减因子超过一定值的时候，可以让共振器工作在负群时延区域。这时候可以明显提高色散补偿的带宽。此外，Indiana大学的研究者研究了XPM对单纤双向系统性能，特别是串扰的影响。作者证明，对某一特定的调制频率会产生非常大的串扰。
二、无源器件：
面向不同的应用现有的WDM器主要分为三类，一类是密集波分复用器（包括前面提到的UDWDM），该类WDM器由于使用波长间隔在亚纳米精度（如最常用的100GHz，即0.8nm），因此波长控制要求高，对硅基器件，通常温度每改变1摄氏度，器件波长会漂移0.1nm，因此该类应用的LD阵列必须有严格的温控装置，保持使用中温度恒定。对DWDM应用，最常用的器件还是AWG。第二类是粗波分复用CWDM，由于只每隔20nm使用了1470nm-1610nm的8个波长，且单通道带宽一般达到13nm左右，因此不再需要温控。最后一类WDM器件通常针对LAN设计，因为对LAN系统，通常透射波长和通道间隔都不确定，对该类WDM器，最常用的器件是滤波器。针对LAN的滤波器WDM模块通常由光纤、光纤滤波器和准直器组成，该结构通道数不能很多，最常见的是4个。本期NTT将该模块制作在了聚合物波导上，可以更方便使用和更换滤波器。首先波导上集成了许多波导阵列，中间有插槽可以插入多层膜滤波器，芯片末端的V型槽方便与光纤阵列对接。由于集成化后对准精确，可以让器件插损低于4.9dB，串扰好于20dB。实验做得的芯片有4个通道，带宽达到30nm，且温度稳定性较好，通过了ITU标准测试。
无源器件的研究还有：（1）硅纳米线波导是目前很热的一个集成光学研究方向，采用该技术能实现纳米尺度的光器件集成。但由于硅纳米波导尺度在亚微米量级，因此存在一个很大的问题是对传统氧化硅波导或光纤的耦合效率不高。通常设计渐变波导结构来将纳米波导尺度展宽再与光纤连接。本期浙大的研究者对此问题作了研究，设计了双层硅波导结构来改善对光纤的耦合效率。顶层由抛物线和正弦曲线组成。如只有传统的下层结构，转换效率最高不会超过60%，而使用现在的结构，转换效率可以达到96%左右；（2）台湾中山大学的研究者利用Floquet–Bloch理论分析了波导光栅方向耦合器的泄漏损耗问题。证明其现在的方法比以前的研究更精确；（3）约旦的研究者提出了一种新的波分复用器的设计方法，与传统基于光栅的波分复用器不同，现在的器件色散元件使用了一块平板结构，该平板仍是波导，上下包层折射率固定，但芯层折射率按某种规律渐变，显然在这渐变折射率波导里面，不同波长的光会被色散到不同的输出位置。该研究实用意义并不大，因为这样的波导结构现实里很难做出来。
三、有源器件：
（1）双驱动的电光调制器比起通常的单驱动调制器有许多优势，例如可以有效降低调制电压。本期意大利的研究者设计制作了Z切割的双驱动Ti：LiNbO3调制器。对射频电极部分，作者努力降低了射频串扰，而对光学的MZ干涉仪部分，主要设计目标则是降低损耗并最小化设计结构；（2）为了更好的设计和了解光纤拉曼放大器的特性，上交大的研究者对该放大器基于神经网络做了建模。利用该方法可以准确快速的对泵浦功率进行实时分配，而使用该方法模拟的放大器噪声图谱也与实验结果吻合的很好。
