7/23/2006,作者 浙江大學(xué) 宋軍博士
光網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng): 
WDM: 
   對WDM-PON，理想的情況當(dāng)然是給每個用戶都分配一個波長，實(shí)現(xiàn)用波長取代IP地址的通訊模式。但現(xiàn)在一來可實(shí)用的波長并沒那么多，二來單用戶信息流量非常小，因此一個用戶一個波長顯然相當(dāng)浪費(fèi)。因此在WDM應(yīng)用過程里，有一個重要的概念叫做業(yè)務(wù)疏導(dǎo)，簡單的說就是要將一些低流量用戶信息通過光或電的方法整合到一個波長上來實(shí)現(xiàn)傳輸。但要做到優(yōu)化的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)，其實(shí)并不是一個很簡單的問題，因?yàn)樵谝粋�光網(wǎng)絡(luò)里，要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)目標(biāo)，涉及到物理鏈路，可利用帶寬，復(fù)用波長數(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置以及光收發(fā)器數(shù)目等多個環(huán)節(jié)，目標(biāo)是在給定阻塞率的情況下最簡化的利用資源。顯然這是一個物理拓?fù)鋯栴}。在實(shí)用上預(yù)先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況安排了業(yè)務(wù)疏導(dǎo)的模式被稱為靜態(tài)的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)，而在實(shí)用中根據(jù)實(shí)際情況隨機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)流分配的模式被稱為動態(tài)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)。顯然后者難度更大，但也能更優(yōu)化靈活的利用有限帶寬資源。本期Norfolk州立大學(xué)的研究者就專門對WDM-PON的動態(tài)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)問題作了研究。與以往動態(tài)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)中不斷斷開和建立光路不同，作者現(xiàn)在在靜態(tài)與動態(tài)疏導(dǎo)間取了一個折衷的方案。也就是先使用靜態(tài)疏導(dǎo)的模式，建立網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后再進(jìn)行動態(tài)疏導(dǎo)，這樣可以避免過頻繁的建立和斷開光路。作者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立主要基于兩點(diǎn)考慮，一是在給定阻塞率下，力求最小化使用光源的數(shù)量，二是在給定光源數(shù)目下最佳化系統(tǒng)性能。為了實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)作者采取了線性規(guī)劃的設(shè)計(jì)方法。作者給出兩個結(jié)論，第一個非常淺顯，即便沒看這篇文章，憑直覺我們也會這樣認(rèn)為，即當(dāng)阻塞率要求放寬以后，用于動態(tài)疏導(dǎo)的光源數(shù)也可降低，也就是說給定更多的光源數(shù)，疏導(dǎo)的性能會得到改善。相比之下，作者的第二個結(jié)論更具價值，即證明了客戶端的節(jié)點(diǎn)數(shù)比波長數(shù)對業(yè)務(wù)疏導(dǎo)的性能有更大的影響。

   對WDM網(wǎng)絡(luò)，要提高網(wǎng)絡(luò)信息容量，一是提高單通道調(diào)制速率，二是提高復(fù)用波長數(shù)。在現(xiàn)有波長帶寬下，已有報道實(shí)現(xiàn)了100個波長以上的復(fù)用。對通道間隔小于等于50GHz的復(fù)用，通常被稱為超密集波分復(fù)用（UDWDM），從以往的評析我們已經(jīng)可以知道，目前實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)可以獲得12.5GHZ或更低的UDWDM應(yīng)用。在使用過程里，復(fù)用波長數(shù)不能達(dá)到很大，主要是因?yàn)槭艿蕉嗖ㄩL光源管理維護(hù)難和絕對頻率光源通道間隔控制難兩點(diǎn)的限制。使用多載波光源卻可以有效解決上述問題，關(guān)于這點(diǎn)在以往的評析里面也介紹過。對典型的多載波光源，首先使用一個連續(xù)光源，再經(jīng)過一個相位調(diào)制器，產(chǎn)生一系列頻率等于調(diào)制頻率的正弦載波，然后連續(xù)載波經(jīng)過色散媒介或復(fù)用器分成一系列波長間隔精確控制的多波長光。本期NTT的研究者使用相位調(diào)制器的調(diào)制頻率為6.25GHz，這樣就可以獲得波長間隔6.25GHz的復(fù)用波長。除了復(fù)用間隔窄，本次研究最大的特征是復(fù)用波長多，達(dá)到了1046個，單通道調(diào)制速率為2.67Gb/s，這樣也實(shí)現(xiàn)了2Tb/s以上的總傳輸容量，由于調(diào)制速率低，非線性、色散等因素對系統(tǒng)的影響也較微弱。在實(shí)際測試?yán)�，作者設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作距離為126km。另一個重要的工作是作者考察了FWM對UDWDM的影響。作者證明在復(fù)用通道數(shù)小于100的情況下，由FWM引起的串?dāng)_確實(shí)會隨著通道數(shù)的增加而迅速增大，但當(dāng)通道數(shù)超過150以上，通道數(shù)基本不會再影響該串?dāng)_值了。

低價高速光網(wǎng)絡(luò)： 
   對超過10Gb/s的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于必須考慮色散補(bǔ)償，因此要有色散補(bǔ)償系統(tǒng)，此外使用光放大器，并對光源進(jìn)行管理等因素，也使得優(yōu)越的性能和系統(tǒng)成本成了不能解決的矛盾。然而對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營來說，低成本顯然更具有吸引力。因此在高調(diào)制速率的基礎(chǔ)上，千方百計(jì)的降低運(yùn)營成本也是熱門的研究方向。恰好本期有一篇來自英國威爾士大學(xué)的相關(guān)研究。借此，不妨回顧一下以往的一些努力方向。方向有三個：一是采用直接調(diào)制的DFB激光器來代替以往的外腔調(diào)制方式，這樣可以有效降低系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本。第二個方向是無色散補(bǔ)償傳輸，對高速系統(tǒng)色散補(bǔ)償是保證低誤碼率和高信噪比的有效手段，但因其系統(tǒng)復(fù)雜成本又高，而成為實(shí)際使用中不折不扣的雞肋。通常說的無色散補(bǔ)償有兩種含義，一個是真正的無色散補(bǔ)償，目前對40Gb/s的調(diào)制，該方式最高傳輸距離是200km左右。而另一種含義其實(shí)是“偽無補(bǔ)償”，也就是在發(fā)射或接受端對信號進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償或后補(bǔ)償，目前對40Gb/s的調(diào)制，朗訊創(chuàng)造了最高的傳輸距離，達(dá)到4000km以上。第三個方向是不用放大器。如果三個方向結(jié)合（且是真正的無色散補(bǔ)償），對40Gb/s的調(diào)制，最高傳輸距離是04年ECOC上報導(dǎo)的40.5km。本期威爾士大學(xué)的研究者同時使用三個方向來降低成本，證明了30Gb/s調(diào)制速率的信號能保持超過40km的傳輸。顯然從工作距離上看，作者的研究并沒有超過ECOC的報導(dǎo)。但作者使用了最近較受關(guān)注的調(diào)制方式，即對正交頻分復(fù)用信號的自適應(yīng)式調(diào)制。使用該格式信號可以提高系統(tǒng)靈活性，提高光譜利用效率，同時也可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本。

網(wǎng)絡(luò)性能： 
   首先KDDI R&D Laboratories的一項(xiàng)研究有效的提高了基于環(huán)行共振器的色散補(bǔ)償器的帶寬。作者證明當(dāng)讓環(huán)行共振器的強(qiáng)度衰減因子超過一定值的時候，可以讓共振器工作在負(fù)群時延區(qū)域。這時候可以明顯提高色散補(bǔ)償?shù)膸�寬。此外，Indiana大學(xué)的研究者研究了XPM對單纖雙向系統(tǒng)性能，特別是串?dāng)_的影響。作者證明，對某一特定的調(diào)制頻率會產(chǎn)生非常大的串?dāng)_。

   二、無源器件：

   面向不同的應(yīng)用現(xiàn)有的WDM器主要分為三類，一類是密集波分復(fù)用器（包括前面提到的UDWDM），該類WDM器由于使用波長間隔在亞納米精度（如最常用的100GHz，即0.8nm），因此波長控制要求高，對硅基器件，通常溫度每改變1攝氏度，器件波長會漂移0.1nm，因此該類應(yīng)用的LD陣列必須有嚴(yán)格的溫控裝置，保持使用中溫度恒定。對DWDM應(yīng)用，最常用的器件還是AWG。第二類是粗波分復(fù)用CWDM，由于只每隔20nm使用了1470nm-1610nm的8個波長，且單通道帶寬一般達(dá)到13nm左右，因此不再需要溫控。最后一類WDM器件通常針對LAN設(shè)計(jì)，因?yàn)閷�LAN系統(tǒng)，通常透射波長和通道間隔都不確定，對該類WDM器，最常用的器件是濾波器。針對LAN的濾波器WDM模塊通常由光纖、光纖濾波器和準(zhǔn)直器組成，該結(jié)構(gòu)通道數(shù)不能很多，最常見的是4個。本期NTT將該模塊制作在了聚合物波導(dǎo)上，可以更方便使用和更換濾波器。首先波導(dǎo)上集成了許多波導(dǎo)陣列，中間有插槽可以插入多層膜濾波器，芯片末端的V型槽方便與光纖陣列對接。由于集成化后對準(zhǔn)精確，可以讓器件插損低于4.9dB，串?dāng)_好于20dB。實(shí)驗(yàn)做得的芯片有4個通道，帶寬達(dá)到30nm，且溫度穩(wěn)定性較好，通過了ITU標(biāo)準(zhǔn)測試。

   無源器件的研究還有：（1）硅納米線波導(dǎo)是目前很熱的一個集成光學(xué)研究方向，采用該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)納米尺度的光器件集成。但由于硅納米波導(dǎo)尺度在亞微米量級，因此存在一個很大的問題是對傳統(tǒng)氧化硅波導(dǎo)或光纖的耦合效率不高。通常設(shè)計(jì)漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來將納米波導(dǎo)尺度展寬再與光纖連接。本期浙大的研究者對此問題作了研究，設(shè)計(jì)了雙層硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來改善對光纖的耦合效率。頂層由拋物線和正弦曲線組成。如只有傳統(tǒng)的下層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率最高不會超過60%，而使用現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到96%左右；（2）臺灣中山大學(xué)的研究者利用Floquet–Bloch理論分析了波導(dǎo)光柵方向耦合器的泄漏損耗問題。證明其現(xiàn)在的方法比以前的研究更精確；（3）約旦的研究者提出了一種新的波分復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)基于光柵的波分復(fù)用器不同，現(xiàn)在的器件色散元件使用了一塊平板結(jié)構(gòu)，該平板仍是波導(dǎo)，上下包層折射率固定，但芯層折射率按某種規(guī)律漸變，顯然在這漸變折射率波導(dǎo)里面，不同波長的光會被色散到不同的輸出位置。該研究實(shí)用意義并不大，因?yàn)檫@樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)里很難做出來。

   三、有源器件：

   （1）雙驅(qū)動的電光調(diào)制器比起通常的單驅(qū)動調(diào)制器有許多優(yōu)勢，例如可以有效降低調(diào)制電壓。本期意大利的研究者設(shè)計(jì)制作了Z切割的雙驅(qū)動Ti：LiNbO3調(diào)制器。對射頻電極部分，作者努力降低了射頻串?dāng)_，而對光學(xué)的MZ干涉儀部分，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)則是降低損耗并最小化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；（2）為了更好的設(shè)計(jì)和了解光纖拉曼放大器的特性，上交大的研究者對該放大器基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做了建模。利用該方法可以準(zhǔn)確快速的對泵浦功率進(jìn)行實(shí)時分配，而使用該方法模擬的放大器噪聲圖譜也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。