08年04月JLT光通讯论文评析

作者:光纤在线特邀编辑 宋军博士
一、光网络与系统：
    先来看PON相关的研究：
    韩国研究者对时分复用的TDM-PON里组播数据流带宽分配问题做了研究。作者提出的网络结构是面向具有视频会议等要求的应用而提出的。就在这两天，我看到新浪上一则新闻，说韩国的宽带普及率已列世界第一。综合这两年的JLT和PTL论文发表情况，必须承认的是，韩国在光接入应用上做的确实很好。许多论文都是围绕光接入一些关键问题开展的较为深入的理论与实践研究。且很多问题颇具前瞻性，作为未来技术储备已经走在了世界的前端。这些是值得国内研究者学习的。言归正传，来看该研究成果。作者的研究立足于TDM-PON，使用了中央化的传输控制平台，即由OLT统一给各ONU分配传输窗口，阻止数据冲突。然而对组播传输方式，做到公平的带宽分配并不容易。对下行数据，当流量过大时，很可能是某些ONU过载，而某些容量却不足。特别作者谈到，对这种点对多点的网络拓扑，交换控制也是一个难点。作者的工作就是试图要解决这两个问题。在OLT里，组播信号在MAC层被安排在一个组播序列里，而单播信号则放在相应的ONU序列里。两者经过一个分离的交换节点发射，并统一由一个控制单元决定每个序列的发射几率。为了解决组播带宽分配的公平性问题，作者建议了环状传输模型。在这个方案里，作者将时隙带宽分为三个类型，对固定大小数据包和管理信号分配一段静态时隙带宽，然后再分别给组播信号和单播信号分配各自的带宽。实际操作中，先通过一个控制端口为静态和组播信号分配带宽，而分配后的残余带宽才用做单播信号。而对组播信号又具有强制性控制单元，以防止信息独占的拥堵发生。
    此外，加拿大研究者对双向WDM-PON的工作性能做了研究。以前多次谈到，对双向WDM-PON，当前的研究焦点在无色化光源的使用，并在上行端对下行波长再利用，以最大化的节约光源成本。作者主要对两种无色光源系统做了研究，其一是使用受激自发辐射（ASE）光源做注入，并使用锁模的Fabry-Perot （FP）激光器作光源；其二是使用了装配反射式的半导体光放大器（RSOA）的VCSEL激光器作光源，注入锁定光直接被加在下行信号上。作者重点分析了回损对网络性能的影响。这里说的回损，也就是后向反射，既可能来自OLT元件，也可能来自上行信号。作者证明后向反射直接和上下行信号的线宽相关，大线宽有利于抑制回损影响。这暗示了使用ASE做注入光源最有利于抑制回损对性能的恶化。而使用了RSOA的无色光源则有可能造成较大的回波损耗。
    而台湾清华大学的研究者则针对单跳WDM网络，采用阵列化固定光源做发射器，研究了降低数据包延迟的方法。这里作者采用的是预约型的数据调度算法，作者使用一个或更多个波长作为控制通道以加载预约信息。相应波长再在时间上分为若干个帧，每个帧再细分为若干个控制时隙。每个时隙用于对每个确定节点作控制。因此每发射一个数据包之前都会由相应节点在指定的时隙发送一个控制信号用于带宽预约。为了进一步优化资源利用，作者建议对控制帧和时隙长度进行动态分配，以降低信息延迟。但发现单纯动态分配在网络负载较轻的时候容易出现“控制过头”的现象，反而抑制了预约效率。因此作者进一步改进了算法，将时隙部分固定，部分动态分配，证明这种混合分配方案最小化了平均数据包延时。
    接下来看一些光码分多址复用（OCDMA）的相关研究：
    OCDMA在高速大容量接入上，无论如何是不能与WDM相媲美的。但作为简单灵活，高保密性的光接入技术，仍可作为未来光接入的有利候选方案。OCDMA技术在火热研究了三年以后，又渐渐走向了平静，尽管每期相关的研究还很多，但缺乏振奋人心的研究，多是一些枝梢末节的内容，本期也不例外。下面我们简单浏览这些研究结果：
    （1）西班牙的研究者对时间扩展的相干OCDMA系统工作性能做了理论研究，对OOK和DPSK两种调制格式，分别给出了直观的解析表达，以说明拍频噪声和多址串扰的影响程度。例如使用作者的模型，我们可以大致估算一定时隙数和给定串扰下，可获得的最大用户数。（2）NTT的研究者对采用相干的光外差探测来减小谱-强度编码OCDMA系统拍频干扰的可行性做了论证。作者通过实验证明了要达到目的，必须保证部分信号光和局域光形成均匀的相位差。这一先决条件即使在只对包络探测时也必须要保证。（3）英国研究者通过对同步FSK（频率漂移键控）调制格式的OCDMA网络进行改进，最大限度抑制了多址串扰的影响。为了实现这一目标作者主要做了三个改进，使用参考光（没加载任何信号），简化接收器结构，以及使用改进扩时码形。这里作者采用的扩时码是一种特殊的单极素数码，通过这些串扰消除改进，作者证明对特定比特率传输，系统容量可得到显著增加。
    以色列研究者对基于多模光纤的多进多出（MIMO）发射做了研究。对多模光纤的接入，模间色散是一个重要问题，对300－1000米的较长距离接入，通常是通过电子增益均衡或使用新型调制格式来改进性能的。而这里作者只针对50米以内的短距离接入，因此不需要特别考虑这个问题。在发射端作者将一个超连续光源与阵列化的硅基波导PSK调制器相连，实现批量并行发射。通过与多模光纤相连作者能够实现近乎理想的Shannon随机码序列发射。在接收端，作者使用了相干探测的方式，在经过数模转化后，使用了基于最大似然估计算法的电子色散补偿元件来抑制码间串扰。这样，作者实现了并行10路，每路10Gb/s，也就是总共100Gb/s的MIMO发射。从总容量上看，当然这谈不上高速，但作者采用的收发，特别是解码方式相对简单。因此可以说作者建议的系统是在比特率和系统复杂性间取了个折衷考虑。
    Central Florida大学的研究者探讨了锁模半导体激光器（MSL）在相干光通讯里的应用。到目前为止，我们所使用的光通讯系统基本都是非相干的。相干比起非相干通讯，能够获得相当优越的信噪比特性，也能支持更窄的通道间隔。但是相干通讯操作较复杂，性价比不高。这主要表现在相干通讯需要严格的频率稳定性控制，并要求各激光发射间，维持稳定的相位同步，这是较难实现的。本篇研究作者指出MSL是相干通讯应用上，最有潜力的光源。原因有两个，其一是MSL比较容易实现高速发射，能够获得皮秒量级的脉冲序列，其二是MSL通过简单的光注入锁定技术，利用锁模梳状谱初始相位的良好相干性，能够容易的生成空间位置分离的多个光频输出，且这些输出维持了非常好的同步特性。作者基于这些原理，提出了具体的同步和动态锁模方案，并比较了将MSL应用在不同相干系统里，采用外差和零差探测的效果，比较分析了相对强度噪声、频率稳定性和线宽等主要技术指标。最后作者特别指出MSL非常适合谱-相位编码的OCDMA应用。
二、光器件：
     有源器件方面：
    （1）新加坡南洋理工的研究者提出了一种调Q掺铒光纤环状激光器设计。谐振腔内包括了一段相位漂移光纤光栅（FBG）和另一个变迹FBG。通过压电调节可以改变变迹FBG的周期，进而实现调Q功能。该器件具有窄线宽、波长稳定和高重复率的特性；（2）英国研究者为了抑制双泵浦光纤参量放大器和波长转换器中，由于自相位调制产生的频谱展宽和增益扭曲现象，基于铌酸锂材料设计了一个Y分支同步双向调制器，通过对两个入射信号瞬时耦合，进行高速反相调制，实现了预期功能；（3）California大学的研究者制作了性能优异的模拟信号光发射器，该器件由采样分布Bragg发射激光器、半导体光放大器和一个调制器单片集成构成。此外，为了获得低噪声图谱特性，作者还使用RF预放元件；（4）加拿大研究者利用电吸收调制器内的交叉吸收调制效应，制作了一个10GHz的MSL。该激光器谐振腔内还包含一段啁啾的FBG，通过色散调节可实现一定范围内的波长可调发射。在全部可调范围内，激光器都显示了较为均匀的脉冲输出特性，并且作者将该激光器用在了全光时钟恢复系统中，取得了很好的效果。
    无源器件方面：
    瑞典研究者利用啁啾Bragg光栅对光通讯系统色散进行了补偿，作者指出由于Bragg光栅本身的缺陷也能导致信号相位的波动，进而产生额外的系统损耗，进而作者通过简历理论模型，分析了这些对眼开的影响；澳大利亚研究者基于光纤Sagnac干涉环制作了陷波滤波器，用于过滤某些特定频率的信号。该Sagnac环内包含了一个偏心的电吸收调制器和一个波长相关的延时器。