07年08月PTL光通讯论文评析

9/4/2007, 作者 浙江大学宋军博士
无源光网络（PON）： 
    对PON最常用的有树形、环形和总线形三种拓扑结构。在这三种结构中，要有效实施路径保护，防止链路失效，以环形结构技术上最难实现。对环形拓扑，从OLT，以环形光纤链路连接若干个ONU，最终回到原点。对数据下载如果使用顺时针路线，那么上载则使用逆时针路线，一旦中间某个环节出现了断裂，则断点后方ONU的上下载都无法完成。对这种结构，最常用的保护方式是双路径保护，即使用备用光纤，并增加使用收发机和必要的无源器件，显然成本会较高。本期台湾交大的研究者对OLT和ONU内部结构做了改进，提出了单链路的环形PON路径保护方案。对OLT，在两个端口（a和b）前各加一个1×2的光耦合器（它们有一个分束端相连），在两个耦合器中间加一个1×2的光开关（OS），由媒体访问控制（MAC）决定开关切换。而对每个ONU则在物理层由一个2×2的光耦合器连接两个线路终端（LT）。当环形链路正常工作时，OLT的OS让两耦合器中间的连接断开，这样由OLT发出的光只能由a路口出发，顺时针传输到每个ONU，而每个ONU也由OS控制选择逆时针上载线路。一旦这个环中某点发生断裂时，MAC控制OLT的光开关导通，这样 由OLT发出的光经耦合器分束后可以同时由a和b两个端口输出，分别到达端点前的各个ONU，简单的说这时候已由一个环形网变成了一个1×2的树形网。而断点后面的各个ONU则由OS选择另一个LT，这样在断点前的各ONU仍逆时针上载信号回到a端口，而断点后的各ONU则顺时针选择b端口上载信号回到OLT。作者在20km的环状网上对设计的自愈合TDM-PON做了测试，信号采用1.25Gb/s的直接调制格式，证明能有效的避免链路失效。

    意大利的研究者为降低双向WDM/TDM-PON的成本做了一些工作，其主要技术点有三个，首先对下载信号使用DPSK格式，以避免交叉增益调制对信号质量的恶化；其次使用商用的半导体光放大器代替EDFA，作者认为除了价格相对便宜外，还具有易双向工作、低功耗和系统结构紧凑等优势；最后作者使用12.5GHz的窄带AWG，这是作者研究里最关键的一个部分。该器件除了最基本的通道解复用作用以外，还可以将DPSK信号在终端转换为强度调制信号进行解调，这样避免了波长相关的相位解调器的使用，此外使用了窄带AWG后，解调器对色散的公差增大，这样可以不需使用色散补偿光纤，降低成本的同时也避免了额外损耗的产生。

    意大利的研究者对WDM-PON支持服务的多样化做了研究，作者在中央站点使用同样的激光器和MZ调制器对同一波长进行两次调制以实现独立的网络服务，一个在基带上对信号进行1.5Gb/s的伪随机二进制序列NRZ调制，另一方面则也对该波长进行低频的ASK格式副载波调制。不同波长信号以100GHz间隔通过AWG复用。在ONU，则通过使用延时干涉仪（DI），将两种不同调制频率的信号分开，这里DI相当于一个周期性滤波器的作用，且可以通过对其上加载电压进行调节，来改变温度，进而对相位进行调节。

    面向PON应用，韩国的研究者制作了一个双向光收发模块。系统由激光二极管（LD）、光电二级管（PD），倾斜的光纤光栅（FBG）、单模光纤（SMF）等组成。全部器件通过键合技术集成在一块硅芯片上。信号发射端，LD发散角优化设置，以具有一定模斑转换功能，可以在不使用透镜的前提下实现较高耦合效率。信号发射使用1310nm波长，接收使用1550nm波长，倾斜的FBG起到波长选择作用，当接收到信号经过倾斜FBG时，被以45°角斜向光纤包层上方反射，在包层上刻有一个直角的V型槽，起到直角反射的作用，让光线偏折向下（垂直光纤传输方向）传输，在下部有PD来接收解调信号。通过测试显示，作者的芯片符合IEEE 802.3 ah标准，适合具有副载波接入要求的FTTH应用。

    Standford大学的研究者则对多模光纤在短距离PON的运用做了研究，作者指出使用多模光纤作传输载体，要特别注意预防多模色散，因为模间色散使系统无法用于高比特率传输。作者这里同时使用了三个技术点以让多模光纤能够在高速短距离网络中得到运用。一是作者采用WDM技术来复用10个低比特率信号（10Gb/s），以实现总的高比特率传输；二是采用单模发射，并在接收端使用单模滤波器来抑制模间色散的影响；三是在发射端结合使用了自适应光学技术。通过这些改进，作者测试使用多模光纤能够稳定实现2.2km，100Gb/s的系统传输。

色散补偿：、 
    在光通讯系统里，由于温度变化，以及系统、器件装配失配造成的残余色散大小通常是不确定的，因此对40Gb/s的高速系统，对这些残余色散进行动态补偿是一个难点。因为色散不确定，所以要进行动态补偿，必须首先要对色散大小做监控。通常对色散的监控常用有两种方法，一是基于对电频域的衰减效应做测定，另一个是基于对时域的脉冲展宽作测定。本期清华大学的研究者对40Gb/s系统的动态色散补偿做了研究。作者制作的系统分监控和补偿两个模块。首先对色散的监控基于半导体光放大器（SOA）中的频率漂移效应。当没有色散的时候，脉冲形状是个尖峰，峰值功率高，因此在SOA中放大后受非线性效应，主要是自相位调制（SPM）影响严重，脉冲在频域上向长波方向移动。当有一定残余色散时，色散让脉冲展宽，也就是峰值功率降低，这样SPM影响变小，在频域上向长波漂移的量也就减小。因此由对频率漂移的量做测定就可以求出残余色散大小。当测出残余色散后，由反馈回路驱动微处理系统让另一可调色散补偿模块工作。这里可调色散补偿只要使用的是光纤光栅。实验显示系统的色散补偿范围是正负100ps/nm，能够保证传输网中残余色散低于5ps/nm。

    Nokia网络的研究者也就消除传输网色散影响做了研究。首先作者认为对10Gb/s系统，采用电子色散预补偿，能避免昂贵光学补偿元件的使用，且起到不错的效果。之后作者认为采用基于归零交替反转码（AMI-RZ）的光单边带调制（OSSB）是最有利于提高色散公差的调制方式，且有利于获得较大的边带抑制比。但作者也认为很多情况下，特别是当传输速率提高时，单纯在发射端使用电子色散补偿，由于非线性影响，已经不能获得预期的信号质量。因此作者也研究了如何在接收端结合使用光学色散补偿，构造良好的色散谱，以抑制非线性影响。

    Arizona大学的一个研究组一直以来都致力于采用便宜的电子色散补偿元件消除PMD影响的研究。本期作者采用了BCJR（Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv）和低密度校验（LDPC）两种算法来纠错，实现Turbo均衡。作者证明采用建议的电子补偿，可以补偿超过三个比特周期的差分群时延。

光交换网： 
    Bell实验室的研究者报导了其面向100Gb以太光网络应用的高谱效率光分组交换网。实验网络框架主要由三部分构成：第一部分是可调数据包发射器，主要由多段DBR激光器和光多进制分组调制平台两部分组成。其激光器部分能够以100GHz间隔实现40nm大范围波长的调节，两波长切换时间间隔低于50ns。而调制平台则首先对激光发射门限时间进行编程控制，获得13.375Gb/s的分组发射，之后经过多次电子复用，达到107Gb/s的发射，最后再使用MZ调制器将电子数据包转换为光多进制码；第二部分是波长路由器，由一100GHz频带间隔的40×40AWG构成，这个环节还具有信噪比监控等模块。此外该部分还使用了种子注入式的光均衡器，以补偿使用窄带AWG带来的严重滤波效应；最后一部分是接收器，其使用由发射端来的时钟信号作同步，首先仍使用电子的时分解复用器将信号速率解分为每路13.375Gb/s，再进行处理。经测试作者的系统能达到4Tb/s的总传输容量，光谱效率也达到1bit/s/Hz。 

光收发系统; 
    Bell实验室的研究者实验研究了在接收端使用基于最大似然估计（MLSE）接收器的效果。比起通常的直接域值探测，采用MLSE算法可以有效抑制色散的影响。此外在光网络里使用了窄带光滤波器后，窄带滤波效应会产生一个10-3的噪声平台，提高误码率。作者证明使用MLSE后，通过适当算法处理，也可有效消除这个噪声平台，进而消除使用窄带滤波器带来的探测副作用。

    此外意大利的研究者也认为使用MLSE的接收器能够实现长距离无色散补偿的通讯，然而作者认为该算法使用处理器的复杂度会随着传输距离增加呈指数型增长，这会增加成本，不利于长距离通讯。这里作者将微波通讯常使用的M方法做了改进，代替MLSE对探测信号做处理，证明操作比MLSE更简单，且几乎没有额外功耗。