06年10月JLT光通讯论文评析

一、光网络与系统：
1．光交换：
    对光交换网，衡量交换效率以及带宽利用率最重要的概念是粒度。对传统的光交换模式，这种粒度可分为三个层次，即光纤交换、波长组交换和波长交换。而通常的光交换，特别是基于WDM的光网络，波长已经是交换的最小单位。当然很多情况下波长交换仍被认为是带宽利用率较低，而且灵活性也不高的交换。近年来，很多研究者也陆续提出了粒度更高的交换方案，即在一个波长载体上支持带宽可变的交换。本期大阪大学的研究者基于光码分多址的交换，在单波长上细化交换粒度。作者使用了两种方案，一种是基于光标签交换的原理，只在标签部分使用码分多址的编码。另一种则是基于光码分复用（OCDM）的规则，将所有信号编码成正交的码序列。显然前者的最小粒度是单个数据包，后者则是单个码序列。对基于OC标签的光交叉互联，其网络架构主要由复用器、交换平台和调度器三部分组成。而交换平台是核心，它主要完成标签识别（处理器）、标签交换（交换器）和数据包缓冲（延时线）等功能。而调度器则主要用来控制数据包的缓冲时间以及路径。而对基于OCDM的交换，作者采用的结构是先将不同通道解复用，再使用解码器阵列来完成OC识别，再由控制器完成各OC码的重新组序，最后重组序列经过复用器后连接至相应hop。然后作者对两种方法进行了比较，证明OC标签交换更有利于获得较短的脉冲周期，且交换功耗低。而基于OCDM的交换则更加灵活，稳定。
    在光网络里常使用的光交换模式有两种，一种是基于波长路由的，另一种是基于光突发交换的(OBS)。前者，组播数据被交换到一个或者多个输出光波长上，而后者，是为了克服线路和分组交换的缺点并将两者优点结合起来而提出的一种面向高突发、高速率数据业务的光交换方案。尽管后者从原理上比前者更高效，但限于光缓存技术的不完善，通常其系统利用率也不高，数据包丢失率也较大。但很多人认为在WDM-PON里，OBS可以利用WDM器的不同输出通道来提高系统效率。因此而认为OBS是特别适合WDM-PON的交换方式。而本期希腊的研究者试图改善单向OBS的丢包问题。原理很简单，就是控制通道内发射一个侦测数据包，在任何中间节点探测发现侦测数据包功耗明显降低，就马上做出应对，或者在源点转换发射，或采取重复发射。
    此外，华中科技大学和英国的研究者共同实验显示了节点交叉的光开关面阵在光分组交换网中的运用。作者使用了155Mb/s的NRZ光标签，而有效载荷主要采用了10Gb/s的DPSK信号。依赖于其成熟的开关制作工艺（基于InGaAsP/InP材料），该开关面阵能够在2ns内完成网络重构；而香港大学的研究者则提供了一种无串扰的多点交换网组网方案。原理很奇妙，利用了共轭光网络的概念。如果对一个网络拓扑图做一系列的分解合并运算，可以得到它的共轭网络拓扑结构。作者证明如果在原网络里，链路彼此不交叉，那么在共轭网络里则表现为节点不交叉。这样，反过来看，我们只要设计一个不阻塞的光交换网络，再通过共轭变换，就能够得到路线不交叉（也就是无串扰）的光交换网络。因为通常光交换的串扰主要来自于两路信号同时经过一个开关元件的时候。
    2. OCDMA:
    在OCDMA系统里，解码过程通常是使峰值信号能量与均方根噪声比最大化的最佳滤波器实现的。这个过程很容易产生噪声，且在后续回路里这些噪声会发生拍频效应。目前为止，拍频噪声是影响OCDMA系统性能的最关键因素之一，对其合理评估并加以抑制，其研究价值和良好的编码具有可比拟的重要性。本期关于OCDMA系统里拍频噪声分析有两篇文章：（1）第一篇来自清华大学，作者指出通常对拍频噪声的分析，都假设其为高斯分布。这里作者精确化了模型，考虑了相干、主要相干和部分相干等多种情况，根据矩发生函数，拍频噪声既有类似与多址干扰的形式，也有类似散粒噪声的可能。通过与传统高斯近似的比较，作者证明了现在非高斯近似的精确性。同时作者通过数值分析也指出，对一个非相干系统，当激光器线宽大于四倍的积分时间时，可以明显缓解拍频噪声的影响。（2）另一篇来自英国Strathclyde大学，主要基于二维时间－波长编码的OCDMA系统，作者首先分析了各种噪声对该系统的影响，证明拍频噪声对系统性能恶化的影响最为强烈。之后作者证明拍频噪声的影响强烈依赖于码型的选择，不合适的码型选择，会让拍频噪声同时在物理层和数据层强烈影响系统性能。对对称的码型，作者证明增加波长数量比增加码长，更有利于抑制拍频噪声的影响。因为增加码长，可能导致在数据层，系统性能强烈受限于拍频噪声的影响。而对不对称的码型，同样的条件下，其性能明显比对称码型更易受到拍频噪声的影响。
    此外，埃及的研究者在OCDMA系统里引入了滑动窗口协议，以便支持可变长度的数据传输。滑动窗口协议的基本思想是接收者对其接收到的每个报文进行应答，而发送者则向右滑动一个窗口位置。这时，发送者可再发送一个新的报文来保证未应答报文的总数等于窗口的尺寸。作为保证接收者的接收缓冲区不会被发送者的大量数据淹没的流量控制的一种手段，这个窗口是具有弹性的，因此用在OCDMA系统里，也容易实现可变长度传输。
    3.WDM：
    本期NTT的研究者从性价比的角度研究了多服务WDM-PON的组网形式。作者认为对多功能WDM网络，需要基础设施的数量和价格主要决定于三个因素，即累计功分器的数量、提供服务的种类数、以及单个服务的服务渗透率。通过比较分析，作者得到以下结论：（1）基于芯带光纤和OLT的外围设备成本会随着每个配线点分束器的数量而变化；（2）根据服务渗透率的不同，要获得最低系统成本所需最小分束器数量也不同；（3）如果服务渗透率不高，对有两项主要服务的网络，采用两个分离的结构比两个服务共用一个网络更有利于获得低的成本；（4）而当服务渗透率较高，或者超过三个主要服务要复用的情况下，采用共享式的网络结构则比不同服务分立的结构更有利于降低成本。这里作者对网络价格的评估是基于目前市场上商用系统与器件的最新价格。
    此外关于WDM-PON相关子系统的文章还有：（1）巴西的研究者面向CWDM应用，实验显示了覆盖S+C+L三带通掺铒光纤放大器，该系统里也加入了色散补偿模块，能够实现对为CWDM的七个波长进行放大；（2）本期我作为共同作者也发表了一篇文章是关于WDM-PON网络光通道监控器模块设计的。整个模块集成在InP芯片上，其无源部分是基于刻蚀衍射光栅结构的解复用器，而有源部分则直接在接受端波导包层引入缓冲层后镀电极。以前类似的系统都使用了输出波导导光，这限制了通道3dB带宽。这里我们对无源部分采用平场设计，使得不同的波长输出点在一条直线上，且不使用输出波导，因此对单一通道频谱响应是类似矩形的平顶，这放宽了对波长稳定的要求。而文章内容的核心点在电极设计上，通过优化其形状，让探测通道在最短的距离内获得最大的能量吸收，且维持相对较低的带间串扰和偏振相关性。
    4. 网络性能：
    （1）法国的研究者研究了使用RZ-DPSK格式的系统中，非线性相位噪声的影响。该噪声主要来自于ASE噪声和光纤非线性效应的耦合作用。作者证明，通过对RZ信号的占空比调节，可以有效抑制该噪声的影响。进一步作者也证明通过对该占空比的调节，还可以有效提高基于RZ-DPSK信号的超密集波分复用系统的性能；（2）意大利的研究者分析了选用不同光再生器对系统性能的影响，作者首先证明非单调的传递函数对信号质量有严重的影响，因此最好选用饱和的全光再生器。之后作者发现全光再生的性能主要决定于两个因素，一是传递函数的斜率，二是其门限位置。接着，作者还暗示了，采用门限位置优化的光电光再发生器有可能获得比全光再生器更优的性能。
二、有源器件：
    在高输出光电探测器方面，有一类很受关注的器件，叫单向载流子传输光电探测器（UTC-PD），其具有高饱和输出、高速响应、低工作电压等优势。所谓单向载流子，意思是在特定的半导体结构里，让电子产生过速效应，而空穴则无法产生该效应，进而只让电子作为自由载流子的工作模式。UTC-PD最先由NTT研制出，而目前性能最好的UTC-PD也是NTT研发的。本期NTT的研究者将UTC-PD结构与另一种探测器，侧面折射光电二极管（RFPD）相结合，以便进一步提高探测器的灵敏度。后一种探测器显著特点是光由侧面接收，然后沿吸收层对角线方向传输，显然由于有效吸收长度增加而提高了能量吸收率。但由于光沿对角线传输存在较明显的偏振差异，所以通常RFPD是偏振敏感器件。因此这里作者再通过吸收层的优化设计，让不同层面的反射光干涉以补偿偏振差异的影响。最后作者再通过优化电极结构，最大化了敏感度。最后探测器的响应度为1A/W，偏振相关度则低于0.2dB。