《基于光通信技術(shù)中的光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于光通信技術(shù)中的光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)（31頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘 要 如何能夠提高信號(hào)傳輸?shù)乃俾屎驮龃笮盘?hào)在光纖中的容量一直以來(lái)都是光纖通信追求的目標(biāo)。從電子器件的角度來(lái)說(shuō)，能夠達(dá)到最大的速率也就大約為20Gb/s，現(xiàn)在我們通過(guò)使用電時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）就可以達(dá)到這個(gè)極限速率 。若想要繼續(xù)提升信號(hào)的傳輸速率，電子的領(lǐng)域已經(jīng)無(wú)法解決，可以在光域中尋找到解決辦法，一般采用的技術(shù)主要有兩種：波分復(fù)用技術(shù)（WDM）和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)（OTDM）。其中光時(shí)分復(fù)用技術(shù)（OTDM）是通過(guò)使光脈沖合成，突破電子設(shè)備瓶頸的限制?，F(xiàn)在OTDM技術(shù)是光通信領(lǐng)域的研究熱門(mén)之一，也是通信系統(tǒng)中的單信道速率可以達(dá)到數(shù)百Gb/s的新型技術(shù)。

2、 本文基于該技術(shù)的熱門(mén)，重點(diǎn)講述了光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)組成和工作原理，理論上分析了光纖色散的特性，然后以160Gb/s的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)為例，討論了系統(tǒng)的色散補(bǔ)償方案以使信號(hào)可以穩(wěn)定的傳輸。在第三章中，則以O(shè)TDM系統(tǒng)中的光發(fā)射和光接收部分涉及到的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論，如超短脈沖光源、全光時(shí)鐘提取技術(shù)以及全光解復(fù)用技術(shù)等，這些技術(shù)的突破對(duì)光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的商業(yè)化起著至關(guān)重要的作用。 在文中緒論部分提到了OTDM與WDM技術(shù)的結(jié)合，如果在未來(lái)多媒體用戶(hù)接入網(wǎng)中使OTDM技術(shù)與DWDM（密集型波分復(fù)用）技術(shù)相結(jié)合，則可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)以獲得更高的通信速率及更多的用戶(hù)數(shù)，因而OTDM

3、是一項(xiàng)具有美好應(yīng)用前景的技術(shù)。 根據(jù)多年的研究來(lái)看，許多研究機(jī)構(gòu)和大型通信企業(yè)對(duì)WDM技術(shù)的研究非常多并可以投入到使用當(dāng)中，也就是說(shuō)已經(jīng)十分成熟并實(shí)用化，相反OTDM技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)仍有待解決。只有當(dāng)這些技術(shù)得到充分解決時(shí)，OTDM的優(yōu)勢(shì)才能得以發(fā)揮。 關(guān)鍵詞：OTDM； DWDM； 光纖通信； 全光網(wǎng)絡(luò)； 關(guān)鍵技術(shù) ABSTRACT How to improve the rate of signal transmission and increase the capacity of the signal in the fiber has

4、always been the goal of optical fiber communication. From the point of view of the electronic device, it is about 20Gb / s to reach the maximum rate, and now we can reach this limit rate by using time division multiplexing (TDM). If you want to continue to enhance the transmission rate of the signal

5、, the electronic field has been unable to solve, you can find a solution in the light field, the general use of the technology there are two: WDM and optical time division multiplexing technology OTDM). Among them, optical time division multiplexing (OTDM) is through the light pulse synthesis, break

6、 through the limitations of electronic equipment bottlenecks. Now OTDM technology is one of the hot research in the field of optical communication, and it is also a new technology of single channel rate of hundreds of Gb / s in communication system. Based on the hot technology of this technology,

7、 this paper focuses on the system composition and working principle of optical time division multiplexing technology, and analyzes the characteristics of optical fiber dispersion.Then, a 160Gb / s optical time division multiplexing system is taken as an example to discuss the dispersion compensation

8、 scheme of the system so that the signal can be transmissed steadily. In the third chapter, some key technical problems related to the light emission and light reception in the OTDM system are discussed. For example, ultrashort pulse light source, all-optical clock extraction technology and all-opti

9、cal demultiplexing technology are discussed. The breakthrough of these technologies plays an important role in the commercialization of optical time division multiplexing. In the introduction of the text mentioned in the future if the multimedia user access network in the OTDM technology and DWDM

10、 (intensive wavelength division multiplexing) technology combined, you can play their own advantages to get a higher communication rate and more users, so OTDM is a promising application of the technology. According to many years of research, many research institutions and large-scale communicati

11、ons companies on the WDM technology research is very much and can be put into use, that is already very mature and practical, on the contrary OTDM technology is still in the experimental stage, many key technologies Remains to be resolved. Only when these technologies are fully resolved, OTDM advant

12、age can be played. Keywords：OTDM； DWDM; Optical Fiber Communication； All-optical network； Key Technologies 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 2 1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀 2 1.2.3 小結(jié) 3 1.3 關(guān)于OTDM與DWDM的結(jié)合 4 1.4 OTDM網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 4 1.4.1 同步和時(shí)鐘恢復(fù) 5 1.4.2 基

13、于OTDM的光分/插復(fù)用技術(shù) 5 1.5 本章小結(jié) 6 第二章 OTDM系統(tǒng)的基本原理及色散特性 6 2.1 OTDM系統(tǒng)的基本原理 6 2.1.1 光發(fā)射部分 7 2.1.2 接收部分 8 2.2 光纖色散 9 2.3 基于160Gb/s光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償 11 2.3.1 不考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí) 12 2.3.2 考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí) 14 2.4 本章小結(jié) 16 第三章 OTDM系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù) 17 3.1 超短脈沖光源 17 3.1.1 鎖模環(huán)形光纖激光器（MLFRL） 17 3.1.2 DFB激光器加電吸收調(diào)制器（EAM） 18 3.2

14、 全光時(shí)鐘提取技術(shù) 19 3.3 全光解復(fù)用技術(shù) 20 3.4 本章小結(jié) 22 第四章 總結(jié)與展望 22 參考文獻(xiàn) 24 致 謝 27 第一章 緒論 1.1 課題研究的背景 信息傳輸?shù)乃俣纫迅簧蠒r(shí)代發(fā)展的需求，傳輸信息的帶寬也滿(mǎn)足不了人類(lèi)的需求，這就需要另辟蹊徑，尋找可以解決光纖傳輸?shù)男畔?wèn)題，波分復(fù)用技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)可以很好的幫助我們解決問(wèn)題。波分復(fù)用技術(shù)是由單個(gè)光纖傳送，通過(guò)增加光纖的傳輸容量信道的數(shù)量;光時(shí)分復(fù)用技術(shù)是當(dāng)流量超過(guò)10Gb / s的時(shí)候，為了補(bǔ)償電子器件的不足和半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的性能缺陷，使用的擴(kuò)大傳輸容量的復(fù)用方式，該擴(kuò)展技

15、術(shù)是使用多個(gè)信道來(lái)調(diào)制相同的光頻率的不同的光信道，通過(guò)復(fù)用后在相同的傳輸光纖中傳輸。光時(shí)分復(fù)用技術(shù)是一種建立高速傳輸非常有效的技術(shù)，它在系統(tǒng)的發(fā)射端復(fù)用低比特率的多個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在接收端解復(fù)用出來(lái)。這種方法將成功的將受電子器件制約的改成了不受速率限制的寬帶光器件。 近些年，OTDM技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，它的一些優(yōu)點(diǎn)具有很強(qiáng)的吸引力，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵： （1） 輕松獲得非常高的線路速率（高達(dá)幾百Gb/s）; （2） 支路數(shù)據(jù)可具有任意速率的數(shù)量級(jí)，并兼容現(xiàn)在的技術(shù)（如SDH技術(shù)）； （3） 因?yàn)樗菃我徊ㄩL(zhǎng)的傳輸，極大地簡(jiǎn)化了放大器的級(jí)聯(lián)和色散管理； （4） 雖然總的網(wǎng)絡(luò)速率是

16、高的，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，電子設(shè)備必須僅在低數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行本地操作； （5） OTDM和WDM支持未來(lái)光超寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)； 同時(shí)要想完全實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用，還需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有： （1）超短光脈沖光源； （2）超短光脈沖的長(zhǎng)距離傳輸和色散抑制技術(shù)； （3）幀同步及路序確定技術(shù)； （4）光時(shí)鐘提取技術(shù)； （5）全光解復(fù)用技術(shù)； 如今是大數(shù)據(jù)時(shí)代，OTDM技術(shù)發(fā)展勢(shì)不可擋，我們完全有信心實(shí)現(xiàn)OTDM在光纖通信中的應(yīng)用，從而達(dá)到提高光纖傳輸?shù)乃俾什⒃龃蠊饫w傳輸?shù)男畔⑷萘康哪康摹? 1.2 課題的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 在中國(guó)，“九五”期間國(guó)家“863”項(xiàng)

17、目，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)被列為通信主題中的一個(gè)重點(diǎn)課題。國(guó)內(nèi)許多一流大學(xué)也相繼投入大量物力和財(cái)力到高速光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的研究中，例如，北京交通大學(xué)，清華大學(xué)和北京郵電大學(xué)在國(guó)家863項(xiàng)目的共同部分，對(duì)光學(xué)時(shí)分多路復(fù)用器，一個(gè)OTDM/ DWDM網(wǎng)絡(luò)接口和全光再生等其他方面作了深入研究。其中北京郵電大學(xué)的蔡立波進(jìn)行了高速全光信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)方面的實(shí)驗(yàn)，并提出了不同的解決方案。光時(shí)分復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)中的核心器件，復(fù)用后信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣與復(fù)用器的性能優(yōu)良與否有著密切聯(lián)系，北京交通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室利用自聚焦透鏡制作出了準(zhǔn)直型光時(shí)分復(fù)用器，并成功得到了40Gb、80Gb和160Gb的時(shí)分復(fù)用信號(hào)。 “十五”期間

18、，也承擔(dān)了國(guó)家863項(xiàng)目的長(zhǎng)春理公大學(xué)，在超窄脈沖光源與光時(shí)分多路復(fù)用器等技術(shù)難點(diǎn)做了很多相關(guān)的研究。國(guó)內(nèi)的OTDM，我們?nèi)匀辉谘芯科浞椒?，以提高OTDM系統(tǒng)的性能，如何觀察的40Gb/s的超高速光脈沖的穩(wěn)定性和信號(hào)分析儀的準(zhǔn)確度等問(wèn)題，另外超短脈沖光源的問(wèn)題是要么獲得的信號(hào)質(zhì)量不夠好，要么就是儀器的造價(jià)昂貴，像時(shí)鐘提取技術(shù)和解復(fù)用技術(shù)也面臨著體積大造價(jià)貴的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)利用熔錐型耦合器研發(fā)的光時(shí)分復(fù)用器，速率可達(dá)到40Gbit/s，并且光學(xué)時(shí)分多路復(fù)用器可由透鏡組合經(jīng)鍍膜的方式來(lái)制作，光的透射特性和透鏡組合的時(shí)分原理進(jìn)行了理論分析。 1.2.2 國(guó)外現(xiàn)狀 這家德國(guó)公司是SHF、日本公司NTT

19、和NEC以及美國(guó)、英國(guó)的一些科學(xué)研院所，他們對(duì)光時(shí)分復(fù)用技術(shù)有很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究，也取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成果。光時(shí)分復(fù)用的研究可以追溯到1988年，由貝爾實(shí)驗(yàn)室建立的第一個(gè)OTDM點(diǎn)至點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室傳輸系統(tǒng)與4x4Gbit/ s的傳輸速率。直到1994年，英國(guó)電信實(shí)現(xiàn)了OTDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，其中包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)。兩年后，日本NTT傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了全光電路100Gbit/ s的OTDM傳輸測(cè)試。一年后，英國(guó)電信實(shí)驗(yàn)室公布40Gbit/s的OTDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1998年，日本的NTT公司率先在實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸640Gbit / s的OTDM并可以傳輸40公里。在1999年ECOC的第25次會(huì)議，日本NTT達(dá)

20、到的最高傳輸速率實(shí)驗(yàn)OTDM 640Gbit/s和實(shí)驗(yàn)傳輸距離從實(shí)驗(yàn)示波器增加至100km觀察最大速率160119Gbit/s的信道。在2000年ECOC 會(huì)議，NTT的傳輸實(shí)驗(yàn)速率達(dá)到1128Tbit/s的OTDM再次提到，可達(dá)到70公里的傳輸距離，這是光時(shí)分復(fù)用傳輸時(shí)的單信道速率下獲得的最高速率，在2002年8月ECOC上提出了OTDM的160Gb/s的傳輸系統(tǒng)，并詳細(xì)報(bào)道了傳輸設(shè)備和高速轉(zhuǎn)換技術(shù)，降低了點(diǎn)與點(diǎn)傳輸?shù)某杀?，這種傳輸系統(tǒng)有實(shí)現(xiàn)的軍事化的可能性。直到現(xiàn)在，相關(guān)的OTDM研究工作得到了大力的支持，例如：歐洲CEC資助對(duì)高速光源、高速光開(kāi)關(guān)以及光信號(hào)處理方面的研究；荷蘭COBRA面

21、向160Gb/s系統(tǒng)的全光時(shí)鐘提取技術(shù)的研究；美國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃對(duì)OTDM傳輸脈沖和脈沖復(fù)用技術(shù)的研究等等?？梢钥闯觯瑖?guó)外研究人員對(duì)于OTDM技術(shù)的關(guān)注廣泛且研究更深入。 1.2.3 小結(jié) 通過(guò)國(guó)內(nèi)外的對(duì)比，從各種研究狀況來(lái)看，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)可分三個(gè)研究方向：（1）研究更高速率的OTDM系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)和WDM結(jié)合使用，經(jīng)過(guò)OTDM和WDM相結(jié)合的試驗(yàn)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了量級(jí)在Tb/s的傳輸速率，在2007年，美國(guó)的朗訊和加拿大的電信公司更是展示了速率達(dá)到6.4Tb/s的混合光通信系統(tǒng)；（2）實(shí)用化技術(shù)和OTDM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的比特間插技術(shù)，歐洲一直以來(lái)在研究有關(guān)OTDM系統(tǒng)的速率為40Gb/s的網(wǎng)

22、絡(luò)方面的技術(shù)，也對(duì)40Gb/s的OTDM系統(tǒng)進(jìn)行了大量有效的實(shí)驗(yàn)，其中有一些關(guān)鍵性的器件達(dá)到了實(shí)用，例如鎖模半導(dǎo)體激光器、光電型和全光型分插復(fù)用器等；（3）OTDM網(wǎng)絡(luò)的全光網(wǎng)絡(luò)和電分組交換網(wǎng)絡(luò)將取代與網(wǎng)絡(luò)互連的電路交換網(wǎng)絡(luò)，光分組的網(wǎng)絡(luò)將是光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，主要是美國(guó)和英國(guó)在這個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向作了大量研究。 1.3 關(guān)于OTDM與DWDM的結(jié)合 由于波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)很成熟，且應(yīng)用范圍很廣，因此，OTDM的發(fā)展和DWDM技術(shù)（密集型波分復(fù)用技術(shù)）有著密切聯(lián)系。兩者并不是不能互相兼容，反而它們可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中共存，取長(zhǎng)補(bǔ)短。因?yàn)橹挥蠨WDM或OTDM其中一個(gè)不能極大地提高光纖通信系統(tǒng)的容

23、量。兩者的結(jié)合將是整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，其具體表現(xiàn)為：在傳輸方面，兩種技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離Tb/s甚至是更高速率的傳輸，一般需要先對(duì)低速率的信號(hào)進(jìn)行波分復(fù)用，然后在進(jìn)行時(shí)分復(fù)用；在網(wǎng)絡(luò)方面，可以使用DWDM技術(shù)的靈活分/合波，廣泛使用的和其他特殊的優(yōu)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建DWDM局域網(wǎng)，但在DWDM傳輸長(zhǎng)距離時(shí)，將受到多個(gè)波長(zhǎng)的限制，但是可以使用OTDM到實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的干線傳輸，就可以形成DWDM / OTDM網(wǎng)絡(luò)。使用DWDM網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，以實(shí)現(xiàn)大容量的光學(xué)交換，并且可以實(shí)現(xiàn)高速主干的OTDM傳輸。OTDM是實(shí)現(xiàn)高速和高速通信系統(tǒng)的使用光纖技術(shù)的傳輸?shù)挠行Х椒?，?/p>

24、有很大的應(yīng)用前景。 OTDM和DWDM能夠滿(mǎn)足未來(lái)的服務(wù)，廣泛的寬帶能力，是一個(gè)很好的發(fā)展方向的需要。 1.4 OTDM網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 主要有美國(guó)的麻省理工大學(xué)（MIT）、普林斯頓大學(xué)和英國(guó)電信等對(duì)OTDM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作了相應(yīng)的研究。英國(guó)電信采用的是比特間插技術(shù)，而麻省理工大學(xué)和普林斯頓大學(xué)采用的是光分組技術(shù)。 40Gb/s傳輸實(shí)驗(yàn)的世界上第一個(gè)基于OTDM技術(shù)，它是由英國(guó)的電信實(shí)驗(yàn)室傾注了大量的心血，是在高速計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)的連接采用了世界上最快的局域網(wǎng)之一。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)將能夠在速率為2.5Gb/s的提供一個(gè)工作站與工作站之間的互聯(lián)，總線速率正好為40Gb/s，它獨(dú)有的特點(diǎn)是：2.5Gb/s的速率分為

25、16組，總線速率40Gb / s的數(shù)據(jù)傳輸使用的廣播選擇模式和時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)采用偏振光傳輸，數(shù)據(jù)通道的選擇使用EAM（電吸收調(diào)制）來(lái)進(jìn)行。 普林斯頓大學(xué)POND網(wǎng)絡(luò)中，有三個(gè)功能：第一種是以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的壓縮/解壓縮技術(shù)的使用的光延遲線。第二是使用TOAD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包報(bào)頭的標(biāo)識(shí)。三是實(shí)現(xiàn)全光路由技術(shù)。 在OTDM光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)中，主要技術(shù)包含： 1.4.1 同步和時(shí)鐘恢復(fù) 這是從OTDM系統(tǒng)中提取時(shí)鐘信號(hào)非常重要的一步。所有傳輸設(shè)備，如中繼器和多路解復(fù)用器所需要的時(shí)鐘信號(hào)的精確提取，所以對(duì)于光時(shí)鐘提取技術(shù)的主要要求是：快的速度，相位的低噪聲，高靈敏度和偏振無(wú)關(guān)等。通常，100Gb/ s

26、的系統(tǒng)中由相位噪聲引起的時(shí)間抖動(dòng)，要求其<1ps。目前，光學(xué)諧振電路，半導(dǎo)體激光器和鎖相環(huán)路等，都是用于時(shí)鐘提取技術(shù)的優(yōu)先選擇，其中更成熟的第一選擇是鎖相環(huán)路。 為了確保光網(wǎng)絡(luò)擁有分/插復(fù)用功能，除了時(shí)鐘提取之外，幀和信號(hào)通道應(yīng)校準(zhǔn)。在光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，幀和信道將受到環(huán)境因素的影響，還會(huì)產(chǎn)生的抖動(dòng)和漂移，從而使這些系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行正確的準(zhǔn)直和信道相位受到精確的控制。 1.4.2 基于OTDM的光分/插復(fù)用技術(shù) 消光比對(duì)信號(hào)的上路/下路的分插節(jié)點(diǎn)上的串音的影響效果是非常大的，且窗口開(kāi)關(guān)串?dāng)_影響更為重要。相鄰信道在傳輸窗口重疊，則導(dǎo)致額外的串音效果。基于非線性光纖環(huán)形鏡節(jié)點(diǎn)具有全通信道的分/插復(fù)用的

27、全部功能。所述輸入信號(hào)由3dB耦合器分成兩個(gè)射線并發(fā)射到環(huán)形鏡的兩臂中傳輸。經(jīng)光纖環(huán)數(shù)公里后，將兩個(gè)脈沖被重新相遇，進(jìn)行干預(yù)和重新組合，并且通過(guò)在一定條件下的被環(huán)鏡反射。這是一個(gè)無(wú)源線性過(guò)程，如果一個(gè)脈沖的功率控制被插入到網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)脈沖控制與數(shù)據(jù)脈沖同步的控制脈沖改變與克爾效應(yīng)的纖芯的折射率。經(jīng)有效交叉相位調(diào)制后，將會(huì)使脈沖數(shù)據(jù)的相位適當(dāng)變化，本地需要下載的信號(hào)從環(huán)鏡的另一側(cè)輸出。其它信道信號(hào)連續(xù)地隨后重組并向前傳輸重組的輸入信號(hào)。該裝置的窗口通道由所述控制脈沖和兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)速度的形式來(lái)確定，所以控制脈沖波的長(zhǎng)度和該信號(hào)脈沖位于光纖零色散波長(zhǎng)的相對(duì)的兩側(cè)上，所以該控制脈沖和脈沖信號(hào)的速度以顯

28、示最小的開(kāi)關(guān)窗口是相匹配的。許多光解復(fù)用器的輸出端添加一個(gè)3dB光耦合器，可以改造成具有分/插復(fù)用功能的光解復(fù)用器，但輸入信道必須與原始信道保持同步，以避免產(chǎn)生串?dāng)_。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，具有高效率的開(kāi)關(guān)，消光比和正確的插入相位，以提供優(yōu)異的性能。 1.5 本章小結(jié) 本章主要簡(jiǎn)短的介紹了光時(shí)分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生的背景，以及光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)存在的一些難點(diǎn)等。人們?yōu)榱颂岣吖饫w的傳輸速率和增大光纖傳輸?shù)娜萘?，可以將波分?fù)用與時(shí)分復(fù)用技術(shù)結(jié)合起來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)大數(shù)據(jù)的寬帶需求，同時(shí)也講述了光時(shí)分復(fù)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，簡(jiǎn)單的介紹了光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，第三章將會(huì)重點(diǎn)分析超短光脈沖光源、

29、光時(shí)鐘提取技術(shù)及全光解復(fù)用技術(shù)等。盡管光時(shí)分復(fù)用技術(shù)依然處于試驗(yàn)階段，但它還是具有很強(qiáng)的吸引力，吸引了大量的研究者從事光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的研究，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。 第二章 OTDM系統(tǒng)的基本原理及色散特性 2.1 OTDM系統(tǒng)的基本原理 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：光發(fā)射部分、傳輸線路、接收部分，如圖2.1所示 調(diào)制解調(diào)器 圖2.1 OTDM系統(tǒng)原理圖 光時(shí)分復(fù)用的主要思想是把一路光脈沖信號(hào)耦合到另一路光脈沖信號(hào)中間，然后同時(shí)進(jìn)行傳輸。所以光脈沖信號(hào)要能進(jìn)行光時(shí)分復(fù)用，必須要求信號(hào)作為歸零碼使用，若傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)是作為歸零碼使用時(shí)，則可以直接把一路脈沖信號(hào)時(shí)分復(fù)用到另一

30、路脈沖信號(hào)中間；如果當(dāng)傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)不為歸零碼數(shù)據(jù)流時(shí)，則需要先通過(guò)光調(diào)制器將其變成歸零碼，然后才能進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。 2.1.1 光發(fā)射部分 主要由超窄脈沖光源和光時(shí)分復(fù)用器兩部分組成。 高重復(fù)頻率超窄光脈沖源的種類(lèi)大致可分為四種：摻餌光纖環(huán)形鎖模激光器、半導(dǎo)體超短脈沖源、主動(dòng)鎖模半導(dǎo)體激光器以及多波長(zhǎng)超窄光脈沖源。由它們所產(chǎn)生的脈沖寬度應(yīng)不超過(guò)復(fù)用后信號(hào)周期的1/4，同時(shí)要具有高消光比。由于脈沖的形狀是一個(gè)高斯形狀，而不是完美的矩形，因此脈沖的總的抖動(dòng)時(shí)間的均方根值應(yīng)小于1/14的信道時(shí)隙時(shí)間。信號(hào)源和時(shí)鐘之間會(huì)引起強(qiáng)度抖動(dòng)的增強(qiáng)，這種抖動(dòng)也是由于時(shí)間的抖動(dòng)造成的，也將增加信號(hào)的誤碼率

31、，所以時(shí)間抖動(dòng)過(guò)大，不利于信號(hào)傳輸。光時(shí)分復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用原理相似。然而，光時(shí)分復(fù)用相比較電時(shí)分復(fù)用而言，高速率合成的方法是使用光合成脈沖，而不是電信號(hào)脈沖，從而避免電子設(shè)備的限制，但在低速率部分仍然使用合成電子合成方法。當(dāng)光脈沖進(jìn)入復(fù)用器的輸入端，該輸入脈沖被分成16個(gè)信道（或4個(gè)信道），其中的每一個(gè)信道被來(lái)自各信道的信號(hào)調(diào)制。調(diào)制的后光信號(hào)會(huì)因?yàn)檠舆t產(chǎn)生一相應(yīng)的延時(shí)量，然后在合成速率為原來(lái)的4或16倍脈沖信號(hào)，其脈沖信號(hào)位于輸出端的位置。 為了保證復(fù)用信道上各信道信號(hào)間具有正確的時(shí)隙，就需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。圖2表示4個(gè)信道OTDM系統(tǒng)的定時(shí)原理圖。4個(gè)RZ（歸零）脈沖流入射到復(fù)用器中，脈

32、沖周期和寬度分別為B和T。使用延遲線在時(shí)間上調(diào)整輸入脈沖流，進(jìn)而延遲加到光復(fù)用器上的每個(gè)信道的脈沖流的一段時(shí)間D。由于每個(gè)信號(hào)基帶僅存在于分配給的復(fù)用比特流時(shí)隙內(nèi)，而在其他的復(fù)用比特流的時(shí)隙內(nèi)不存在，所以它不與其它信道產(chǎn)生干擾。為了避免相鄰的脈沖之間的重疊，通常要求每個(gè)通道的脈沖寬度變得比復(fù)合后的脈沖寬度更窄。 復(fù)用后的信號(hào) 4信道 3信道 2信道 1信道 圖2.2 4通道光時(shí)分復(fù)用定時(shí)原理圖 取樣過(guò)程是由電光調(diào)制和電比特流進(jìn)行的。電NRZ（非歸零碼）數(shù)據(jù)脈沖流，以光RZ（歸零碼）脈沖流為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以使光窄脈沖流在外調(diào)制后，對(duì)輸入的電基帶數(shù)據(jù)流（比特流）實(shí)行取樣，

33、確定出每個(gè)輸入比特。如圖3所示，電數(shù)據(jù)流可以是一個(gè)非歸零碼（NRZ）或歸零碼（NRZ）。由于非歸零碼對(duì)基帶的數(shù)字電子裝置、調(diào)制器和它們需要的最小帶寬的驅(qū)動(dòng)器放大器，所以一般都會(huì)選擇使用NRZ（非歸零碼）。 光調(diào)制器 脈沖激光器 NRZ電比特流 RZ光數(shù)據(jù)流 圖2.3 電數(shù)據(jù)流 2.1.2 接收

34、部分 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的接收部分主要包括光時(shí)鐘提取、解復(fù)用器以及低速率光接收機(jī)。 提取光時(shí)鐘信號(hào)類(lèi)似于電時(shí)鐘提取的功能，主要區(qū)別在于光時(shí)鐘提取必須要在高速率的光脈沖信號(hào)中將低速率通過(guò)的光脈沖信號(hào)或者電脈沖信號(hào)提取出來(lái)，例如從具有160Gb/s的光脈沖提取帶寬為10GHz的時(shí)鐘信號(hào)，提取的時(shí)鐘脈寬度必須非常窄，以便它可以被用作控制脈沖供給解復(fù)用器使用。因此，時(shí)鐘脈沖的時(shí)間抖動(dòng)將要盡可能的小，脈沖信號(hào)的相位的噪聲也會(huì)改變得非常低。為了穩(wěn)定時(shí)鐘脈沖峰值功率，提取系統(tǒng)的功能應(yīng)與偏振無(wú)關(guān)。全光時(shí)鐘提取技術(shù)中的鎖模半導(dǎo)體激光器、鎖模摻鉺光纖激光器以及鎖相環(huán)路（PLL）可以滿(mǎn)足上述要求，其中PLL技術(shù)較為

35、成熟，使用的較多。 光解復(fù)用器的功能正好和光信號(hào)復(fù)用器的功能相反，光時(shí)鐘可以提取低速度的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，在這個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下，光解復(fù)用器可以輸出低速率的光脈沖信號(hào)。例如，如果時(shí)鐘脈沖為10GHz，則光解復(fù)用器正好可以從160 Gb / s的信號(hào)中分離能夠以速率為10Gb /s的16組光脈沖信號(hào)，16個(gè)光脈沖信號(hào)來(lái)自16個(gè)相同光解復(fù)用器輸出的光脈沖。光解復(fù)用器主要包括光學(xué)克爾開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體鎖模激光器、非線性光學(xué)環(huán)路鏡（NOLM）、四波混頻（FWM）開(kāi)關(guān)以及交叉相位調(diào)制（XPM）開(kāi)關(guān)等幾種。 由復(fù)用器輸出的低速率光脈沖信號(hào)可以直接經(jīng)一般光接收機(jī)來(lái)接收。 2.2 光纖色散 通過(guò)光纖后信號(hào)有

36、可能損耗和畸變（失真），因此輸出信號(hào)和輸入信號(hào)傳輸?shù)墓庑盘?hào)會(huì)發(fā)生變化。所以脈沖信號(hào)不僅要減少振幅，而且波的形狀要發(fā)生展寬。信號(hào)的失真的主要原因是由于光纖中色散的存在。損耗和色散是光纖傳輸?shù)淖钪匾奶卣?。系統(tǒng)的損耗限制了系統(tǒng)信號(hào)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸帶寬。 色散是由光纖的傳輸信號(hào)，由于發(fā)送的不同成分的光的傳播時(shí)間不一樣引起的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。 用脈沖展寬表示時(shí)，光纖色散可以寫(xiě)成 （2.1） 式中，、、于模式色散，材料色散和波導(dǎo)色散引起的rms值的脈沖寬度。 光纖帶寬的概念從線性非時(shí)變系統(tǒng)的一般理論發(fā)展而來(lái)。假設(shè)光纖按線性系統(tǒng)

37、來(lái)處理，其輸入的和輸出的的一般關(guān)系為 （2.2） 當(dāng)輸入光脈沖時(shí)，輸出光脈沖，式中為δ函數(shù)，稱(chēng)為光纖的沖擊響應(yīng)。沖擊響應(yīng)的傅立葉變換為 （2.3） 一般，頻率響應(yīng)降低隨著頻率的增加，則表示該輸入信號(hào)的高頻分量是由光纖而衰減。這也對(duì)應(yīng)于光纖有著低通濾波器的作用。一般來(lái)說(shuō)，降低歸一化頻率響應(yīng)到一般或只降低3分貝的頻率被定義為光纖3分貝光帶寬?3dB，由此得到 （2.4a） 或 （2.4b） 在一般情況下，這是不可能以線性系統(tǒng)的形式處理，當(dāng)光纖傳輸系統(tǒng)滿(mǎn)足系統(tǒng)的光譜寬度的，光源的光譜寬度比信號(hào)的譜寬大得多的時(shí)候，可近似為線性系統(tǒng)。實(shí)際光纖的測(cè)試表明

38、，當(dāng)輸入光脈沖時(shí)，輸出光脈沖的波形一般呈高斯分布，設(shè) （2.5） 式中，為均方根脈沖寬度。對(duì)（2.5）進(jìn)行傅立葉變換，代入（2.4a）得到 (2.6) 由（2.6）得到3dB光纖帶寬為 （2.7a） 用高斯脈沖半峰值全寬度，代入（2.7a）得到 （2.7b） 式（2.7）中的和表示通過(guò)光纖后的信號(hào)產(chǎn)生的脈寬，單位為ns。 設(shè)輸入脈沖和輸出脈沖為式（2.5）為高斯函數(shù)，其rms脈沖寬度分別為和，頻譜分別為和，由傅里葉變換得到 （2.8） 由此得到，通過(guò)光纖由光纖產(chǎn)生的脈沖寬度或，和分別為輸入脈沖和輸出脈沖的半峰值全寬。 光纖3dB光帶寬和

39、脈沖展寬、的定義圖如圖2.4。 輸入脈沖 2σ 光纖 1/2 Δτ 0 -3

40、 圖2.4 光纖帶寬和脈沖展寬的定義 2.3 基于160Gb/s光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償 當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入到色散補(bǔ)償系統(tǒng)中，我們假設(shè)傳輸?shù)焦饫w中的光脈沖寬度不發(fā)生變化時(shí)，則可以進(jìn)行近似處理光纖啁啾對(duì)信號(hào)的影響，可以將光纖當(dāng)作一個(gè)線性系統(tǒng)，在這個(gè)線性系統(tǒng)里面，光源的啁啾所帶來(lái)的影響明顯減小，但是在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)傳輸脈沖的寬度并不是一成不變的，假設(shè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然可以使用。 在人們普遍都認(rèn)為較弱光場(chǎng)下，光纖的很多參數(shù)特性的變化會(huì)隨著光場(chǎng)

41、強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化，表現(xiàn)出的線性變化時(shí)可以將光纖對(duì)光場(chǎng)來(lái)說(shuō)當(dāng)作一種線性煤質(zhì)。當(dāng)光纖在強(qiáng)光場(chǎng)的影響下，它的很多參數(shù)特性就會(huì)表現(xiàn)出非線性變化。 2.3.1 不考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí) 在色散本身的線性效應(yīng)影響下，我們是只需要使系統(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)的色散和光接收機(jī)的色散總和滿(mǎn)足以下條件： + < （其中D表示光纖的色散系數(shù)、B表示碼率、α是光源啁啾系數(shù)）所限定的數(shù)值。因此可以選用不同種類(lèi)的色散補(bǔ)償器。在光脈沖的波長(zhǎng)為1.55μm時(shí)，處于零色散的波長(zhǎng)窗口，當(dāng)光源脈沖的速率達(dá)到160Gb/s，此時(shí)的光脈沖無(wú)啁啾影響，然后在常規(guī)的單模光纖中傳輸100公里后，我們通過(guò)示波器就能看到，此時(shí)的光脈

42、沖的脈沖寬度發(fā)生了展寬，且展寬為2720ps，因?yàn)橐粋€(gè)單一的“1”碼的寬度大約是1.6nm，這就相當(dāng)于435個(gè)碼元周期。脈沖的展寬如此明顯，就影響了信號(hào)的傳輸，這就體現(xiàn)出了色散補(bǔ)償在光纖系統(tǒng)中的重要及作用。當(dāng)我們使用光纖作為色散補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，要保證光纖在信道內(nèi)的傳輸?shù)目偵⒋蟾艦榱悴拍苁股⒀a(bǔ)償?shù)男Ч宫F(xiàn)出來(lái)。 通過(guò)利用光纖減小總色散的方法有： （1） 色散位移光纖?？拷?550nm的零色散波長(zhǎng)，容易出現(xiàn)四波混頻在波分復(fù)用技術(shù)中。波分復(fù)用技術(shù)滿(mǎn)足不了如今的干線光纖通信系統(tǒng)的傳播，光纖的類(lèi)型是非常小的。用于已鋪設(shè)的G653，則可以通過(guò)使用摻鉺光纖放大器（EDFA）1600nm周?chē)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)移位

43、。光纖色散系數(shù)D為大約5ps/km/nm。 （2） 小色散光纖。摻鉺光纖放大器工作頻帶為1530至1570nm，該波段包含著零色散波長(zhǎng)，色散系數(shù)為2?6ps/km/nm也處于該工作頻帶。如果以8×10Gb/s的速度傳輸400公里。開(kāi)發(fā)了大量（芯區(qū)）有效光纖的區(qū)域，它可以降低非線性效應(yīng)。其折射率分布包括中央處有一個(gè)顯著凹陷，并有外圈，在中央部分的光場(chǎng)變得更平坦，容易向外延伸，彎曲損耗不增加。 （3） 常規(guī)單模光纖+色散補(bǔ)償元件。其優(yōu)點(diǎn)是： ?可充分利用已鋪設(shè)的光纖； ?在傳輸光纖（色散補(bǔ)償器）的非線性效應(yīng)相對(duì)較小。因此，仔細(xì)補(bǔ)償很有必要，在10Gb/s或40Gb/s以上的傳輸速率

44、的前提下，也可以在為了進(jìn)行光纖傳輸使用G652光纖。然而，在超高速160Gb/s或者速率更高的的情況下，只有在明顯的短距離（通常低于50km）傳輸，否則你將無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。 （4） 色散補(bǔ)償元件： ?色散補(bǔ)償光纖（DCF）：在1.55μm的波段，色散系數(shù)D =-（80?150）ps/km/nm可以按色散補(bǔ)償要求的比例進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。然而，由于與普通的單模光纖的模場(chǎng)不匹配，其尺寸大，大的損耗，從而導(dǎo)致連接器的接頭損耗特別大。此外，DCF的色散斜率通常是正的，因此，只能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)信道完全補(bǔ)償（殘余色散= 0）。如果FOM（FOM=[ps/km/nm]/A[dB/km]）很高，考慮到DCF的

45、非線性效應(yīng)（通常要比傳統(tǒng)的單模光纖更嚴(yán)格），非線性效應(yīng)會(huì)被削弱。此外，具有負(fù)色散D和負(fù)色散斜率S，如果系統(tǒng)的總色散使用DCF的是比給定值小，所以能夠有效地在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)補(bǔ)償。色散補(bǔ)償光纖應(yīng)與所述傳輸光纖（Rs=S/D）的相對(duì)色散斜率。然而，較大的Rs就會(huì)使光纖變得更加難以制作，光纖G652的Rs（通常為0.055/17 = 0.0032/ nm）比（通常為0.10/4=0.025/nm）的G655光纖小很多，G652更容易在同一時(shí)間對(duì)D和S進(jìn)行補(bǔ)償。如果傳輸距離是相同的，為了補(bǔ)償G652光纖比G655需要更長(zhǎng)的時(shí)間更長(zhǎng)和所需的DCF，這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本和插入損耗要合理設(shè)置。 ?光纖光柵（

46、FBG）：由于光環(huán)行器+反射啁啾光柵，光脈沖的不同頻率分量可以和光纖色散抵消，這與光纖不同的反射延遲有關(guān)（圖2.5）。級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)中，可以放置聯(lián)合摻鉺光纖放大器（EDFA）的兩個(gè)器件之間。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，能夠?qū)Χ鄠€(gè)波長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行色散補(bǔ)償。例如，使用光纖光柵在高速I(mǎi)P網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)4×10Gb / s的高品質(zhì)因素的傳送。 ?其他類(lèi)型的色散補(bǔ)償器件：包括光纖（如高階模光纖）、體塊器件（如虛成相位陣[VIPA]等）。 CSA OA OA 100km的SMF 補(bǔ)償器 TSL MWD 圖2.5 光纖光柵色散補(bǔ)償器 2.3.2 考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí) 信道內(nèi)的非線

47、性效應(yīng)主要有SPM（自相位調(diào)制）、XPM（交叉相位調(diào)制）、FWM（四波混頻）。 非線性效應(yīng)的強(qiáng)度取決于非線性折射率和光場(chǎng)強(qiáng)度，且與光纖有效面積成反比： （2.9） 其中，是信號(hào)波長(zhǎng)，是非線性折射率。 色散的影響與非線性效應(yīng)有關(guān)。例如，受激拉曼散色（SRS）是與（D色散系數(shù)）的大小有影響，四波混頻（FWM）的大小是非常依賴(lài)于1/D，自相位調(diào)制（SPM）非常讓人值得注意的是它導(dǎo)致的畸變信號(hào)受色散影響的制約特別大。顯然，只有考慮減少光纖的有效面積和理想光纖的色散系數(shù)D的應(yīng)該是盡可能的大。最好是選擇普通單模光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 但是色散過(guò)大會(huì)引起信道內(nèi)XPM（交叉相位調(diào)制）和FWM（四波混頻），單

48、通道速率越高會(huì)造成非線性串?dāng)_越大，這一過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)。換言之，非線性串?dāng)_很大程度上取決于（2.9）中的參數(shù)，信道和信道之間的相互作用也是非常重要的。不同群速度在不同的頻率，會(huì)使色散影響原始相位關(guān)系，以減少非線性工作的長(zhǎng)度。導(dǎo)致的結(jié)果是，特別是在160Gb的/ s的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的情況下，整個(gè)傳輸線路的分布式色散管理將變得至關(guān)重要。 北京交通大學(xué)，為160Gb/s的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的單信道的速度進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。通過(guò)使用1.5皮秒的脈沖光源，單個(gè)脈沖的峰值功率變得很高，可以觀察到較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，即使不使用復(fù)用技術(shù)也能觀察的到。圖2.6為實(shí)驗(yàn)框圖。 圖2.6 色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置 我們選取

49、來(lái)自德國(guó)的擁有頂尖激光技術(shù)的U2T公司的TMLL1550激光器作為光源，并配置了外部溫度控制和電流控制。頻率合成器（83711B）產(chǎn)生具有10GHz的重復(fù)頻率的電信號(hào)進(jìn)入一個(gè)功率分配器，一路信號(hào)輸入到Agilent86100B數(shù)字示波器的射頻輸入端作為時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)，另一路輸入到激光器中。激光在主動(dòng)鎖模狀態(tài)下操作，以產(chǎn)生具有10GHz的重復(fù)頻率的光脈沖。其光脈沖信號(hào)入射到待測(cè)量光纖中，觀察數(shù)字示波器的波形顯示。將700米色散補(bǔ)償光纖（DCF）接入到光纖線路中，工作峰值波長(zhǎng)處在1.55，約-110ps/km/nm的色散系數(shù)，總色散大約為-231ps，超出了1B間隔（100ps）很多，當(dāng)光纖中的光功

50、率上升到足夠大時(shí)，將增強(qiáng)信道內(nèi)的相位相互作用，也會(huì)增加脈沖抖動(dòng)的程度。如圖2.7所示，是光纖放大器采用的飽和輸出功率為1w所測(cè)出的，圖2.8是將圖2.6虛線所示6公里光纖SSMF連入測(cè)得的脈沖。由于SSMF具有±17ps/km/nm的色散系數(shù)，且工作在1.55的波長(zhǎng)位置，總色散約為+306ps，并減去DCF的總色散的231ps，則殘余色散為75ps，明顯的小于1B間隔（100ps），因而削弱了信道內(nèi)的相位的相互作用，脈沖抖動(dòng)就會(huì)變?nèi)酢? 圖2.7 700mDCF 圖2.8 700mDCF+6kmSSMF 各段光纖的長(zhǎng)度都經(jīng)過(guò)仔細(xì)的調(diào)整，

51、可以把傳輸脈沖的功率降到非線性閾值之下，以便獲得最小脈沖抖動(dòng)值和更好的色散補(bǔ)償。 2.4 本章小結(jié) 本章主要討論了OTDM系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵部分的組成及其工作原理，從理論上分析了光纖色散的傳輸特性。由于色散會(huì)限制系統(tǒng)的傳輸帶寬，則需要進(jìn)行精確的色散補(bǔ)償，隨后就考慮光纖的非線性效應(yīng)時(shí)和不考慮光纖的非線性效應(yīng)時(shí)分類(lèi)討論，其中當(dāng)不考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí)，可利用光纖減小總色散，其方法包括：（1）色散位移光纖（2）小色散光纖（3）常規(guī)單模光纖（ITU-TG.652）+色散補(bǔ)償元件。當(dāng)考慮光纖中的非線性效應(yīng)時(shí)，從SPM（自相位調(diào)制）、XPM（交叉相位調(diào)制）和FWM（四波混頻）等方面進(jìn)行論述。 最后得出

52、的主要結(jié)論有：160Gb/s的脈沖信號(hào)會(huì)因色散問(wèn)題而迅速展寬,脈沖展寬與傳輸距離有著近似線性變化的關(guān)系,且脈沖越窄由色散導(dǎo)致的脈沖展寬越快；可調(diào)整各段光纖的長(zhǎng)度，抑制傳輸脈沖的功率，可以獲得效果較好的色散補(bǔ)償。 本文主要給出了160Gb/s的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的色散補(bǔ)償方案，因?yàn)樯⑹枪饷}沖信號(hào)在光纖中傳輸無(wú)法避免的一個(gè)因素，由于色散限制了傳輸信號(hào)的帶寬，也就會(huì)影響信息傳輸?shù)娜萘浚踔習(xí)挂徊糠中畔⑹д?，所以?duì)于光纖系統(tǒng)中的信號(hào)，必須要進(jìn)行一定的色散補(bǔ)償減小色散對(duì)系統(tǒng)的影響。 第三章 OTDM系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù) 3.1 超短脈沖光源 OTDM技術(shù)需要光

53、源以產(chǎn)生高重復(fù)頻率為5?20GHz的脈沖超窄的光為目標(biāo)，這就要求其占空比必須非常小，脈沖的寬度越窄可復(fù)用的信道數(shù)就越多，也就會(huì)使得譜線的線寬變得越寬，在高速OTDM系統(tǒng)的光脈沖中，超短脈沖光源的作用就顯得十分重要，有著舉重若輕的地位，所述光脈沖的寬度和重復(fù)頻率確定該系統(tǒng)的最大利用率。能滿(mǎn)足這些要求的光源主要儀器有鎖模環(huán)形光纖激光器（MLFRL）、鎖模半導(dǎo)體激光器、DFB激光器加電吸收調(diào)制器（EAM）、增益開(kāi)關(guān)DFB激光器和超連續(xù)脈沖發(fā)生器等。其中MLFRL最大的功能特點(diǎn)是幾乎產(chǎn)生的每一個(gè)脈沖沒(méi)有啁啾，40GHz的頻率的高頻范圍內(nèi)并不需要設(shè)置啁啾補(bǔ)償或脈沖壓縮，就可以產(chǎn)生超短變換極限（TL）光脈

54、沖，量級(jí)在皮秒級(jí)別，輸出的波長(zhǎng)具有靈活性好，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是超高速的OTDM系統(tǒng)常用的一種光源，但技術(shù)復(fù)雜，國(guó)外利用的較多; EAM加DFB激光器可以產(chǎn)生重復(fù)頻率沒(méi)有任何限制的光脈沖源，沒(méi)有調(diào)制器帶來(lái)的限制，容易和外部信號(hào)同步;“單?！眲?dòng)態(tài)特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，性?xún)r(jià)比很好是增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器的特性，而且該技術(shù)已經(jīng)十分成熟；SC光源具有強(qiáng)大的泵浦脈沖，其頻譜在某一連續(xù)范圍內(nèi)可以產(chǎn)生寬度小于脈沖1ps的TL脈沖，就算脈沖被展寬但性質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化，可變波長(zhǎng)，頻譜很寬，但該技術(shù)尚不成熟。下面就MLFRL和DFB加電吸收調(diào)制器（EAM）進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。 3.1.1 鎖模環(huán)形光纖激光器（MLFRL

55、） MLFRL是一種較為常用的技術(shù)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示。激光腔中具有一個(gè)包含摻鉺光纖放大器光纖環(huán)，以確保能夠提供有效的增益。處于諧振腔中的諧波在諧振腔中要往返很多次，然后諧波驅(qū)動(dòng)調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)鎖模。諧波和調(diào)制器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行同步處理，實(shí)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)測(cè)部分激光的輸出來(lái)實(shí)行對(duì)整個(gè)激光諧振腔腔長(zhǎng)的調(diào)整，以便它可用于有效地控制光纖的長(zhǎng)度的一部分進(jìn)行調(diào)制。如果光纖線路中具有6.3GHz的時(shí)鐘信號(hào)，并利用電動(dòng)延遲線驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并修改穩(wěn)定激光腔的長(zhǎng)度，就可以得到3.5ps脈沖串。通過(guò)外調(diào)制方法對(duì)此脈沖串進(jìn)行調(diào)制并進(jìn)行多路時(shí)分復(fù)用，即可產(chǎn)生100Gb/s或200Gb/s甚至更高速率的窄脈沖串。 環(huán)形長(zhǎng)度控制

56、可調(diào)濾波器 泵浦 摻鉺放大部分 耦合器 輸出脈沖序列 調(diào)制 時(shí)鐘信號(hào) 圖3.1 鎖模環(huán)形光纖激光器 3.1.2 DFB激光器加電吸收調(diào)制器（EAM） 這是將連續(xù)波激光器的激光發(fā)射到正弦波驅(qū)動(dòng)的EAM中。也就是說(shuō)，通過(guò)使用直接調(diào)制CW激光器（連續(xù)激光器）的EAM，可以產(chǎn)

57、生高重復(fù)頻率高達(dá)GHz的超短脈沖。如圖3.2所示， 輸出 可調(diào)帶通濾波器 輸出放大器 啁啾光柵 前置放大 電吸收調(diào)制器 10GHz DFB-LD 1562nm 圖3.2 DFB激光器加EAM系統(tǒng) 來(lái)自連續(xù)的DFB 激光器的光耦合進(jìn)MQW（multiple quantum well多重量子阱）EAM。EAM是直流偏壓，與10GHz的正弦信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述組合光學(xué)脈沖信號(hào)。將所得的脈沖在色散補(bǔ)償一定長(zhǎng)度的光纖傳輸中，功率被放大到約200毫瓦，它被釋放到1.6公里長(zhǎng)度的色散下降光纖中的輸入端。在這個(gè)過(guò)程中，脈沖被壓縮，光譜寬度為15nm的光脈沖由色散下降光纖末端輸出。這個(gè)

58、技術(shù)是基于廣泛的fs（飛秒）孤子的寬頻譜濾波，即，由EAM產(chǎn)生的脈沖的非線性壓縮，產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)過(guò)濾波器中的超短脈沖的重復(fù)頻率可達(dá)10GHz，具有高穩(wěn)定性和連續(xù)可調(diào)TL光脈沖。調(diào)節(jié)一下調(diào)制器的帶寬和摻鉺光纖放大器的最大平均功率，可以得到的40千兆赫的最大重復(fù)頻率。 3.2 全光時(shí)鐘提取技術(shù) 光時(shí)鐘提取技術(shù)是實(shí)現(xiàn)OTDM通信將來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。OTDM通信系統(tǒng)也是能否實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要問(wèn)題之一。目前，為了實(shí)現(xiàn)全光時(shí)鐘提取技術(shù)，有基于光纖鎖模激光器全光時(shí)鐘提取技術(shù)和法布里 - 珀羅（F-P）的基礎(chǔ)上的過(guò)濾全光時(shí)鐘提取技術(shù)。對(duì)于第一種方法，它是通過(guò)鎖模腔內(nèi)的模式選擇特性將提取的光信號(hào)的時(shí)鐘

59、分量提取出來(lái)，得到可以輸出的光時(shí)鐘信號(hào)。這種方法是調(diào)節(jié)諧振腔的長(zhǎng)度改變所述鎖模腔的頻率特性，這可以完成不同的速度的時(shí)鐘提取工作，但還存在一些問(wèn)題：（1）在鎖模腔內(nèi)的一些非線性器件里，對(duì)于受SOA載流子的恢復(fù)時(shí)間的限制，通常選擇半導(dǎo)體光放大器（SOA），其工作頻率帶寬是有限的，以滿(mǎn)足超快的未來(lái)需求信號(hào)時(shí)鐘提取是困難的;（2）雖然使用高速率信號(hào)的時(shí)鐘提取要求是可以在鎖模腔內(nèi)采取高的非線性光纖作為調(diào)制器，但是這種方法具有比較高的信號(hào)功率，所述增大了時(shí)鐘提取系統(tǒng)的高需求改善的難度。另外，光纖的鎖模腔中，是一個(gè)容易受到環(huán)境的影響的光纖環(huán)路結(jié)構(gòu)，它是不可能保證穩(wěn)定性的。全光時(shí)鐘提取F-P濾波器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

60、使用F-P的梳狀頻譜特性濾波器本身，以獲得的光時(shí)鐘信號(hào)輸出是從光信號(hào)中直接分離出的時(shí)鐘分量。這種方法要求的光功率不大，但時(shí)鐘分量與濾波器窗口的精確對(duì)準(zhǔn)，就要求在注入信號(hào)的穩(wěn)定性方面達(dá)到相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，這種方案要替換對(duì)應(yīng)于改變比特率的過(guò)濾器，則該方法的靈活性受到了很大的限制。 為了實(shí)現(xiàn)全光時(shí)鐘的完全提取技術(shù)，關(guān)鍵是將信號(hào)時(shí)鐘分量充分濾波，如圖3.3所示，RZ碼的信號(hào)在光譜上包含的時(shí)鐘分量的頻率間隔為f，通過(guò)鎖模腔或信號(hào)光濾波器F-P和其他過(guò)濾裝置過(guò)濾出的至少兩個(gè)時(shí)鐘分量，就可以得到光時(shí)鐘信號(hào)。如從圖3.3中可以看出，為獲得光時(shí)鐘信號(hào)，在實(shí)際中使用只能有兩個(gè)非常窄的光濾波窗口與該時(shí)鐘頻率

61、間隔相等的數(shù)據(jù)過(guò)濾裝置。 PD:光電檢測(cè)器 頻率/GHz 波長(zhǎng)/nm 能量/dBm 能量/dBm PD 光纖 波長(zhǎng)/nm 時(shí)間/ps 強(qiáng)度/dBm 強(qiáng)度/dBm 圖3.3 全光時(shí)鐘提取原理圖 北京大學(xué)的光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾就基于EAM四波混頻效應(yīng)的光鎖相環(huán)時(shí)鐘提取系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明EAM-FWM的寬帶波長(zhǎng)響應(yīng)特性（30nm以上）與FWM超快時(shí)間響應(yīng)特性（1ps以下），使得基于EAM四波混頻效應(yīng)的的光鎖相環(huán)是一個(gè)具有高速和寬帶的新型光時(shí)鐘提取系統(tǒng)，具備處理超過(guò)100Gb/s信號(hào)的潛力，系統(tǒng)鎖相方案簡(jiǎn)介，靈活性較好。 3.3 全光解復(fù)用技

62、術(shù) 在OTDM傳輸模式中，在OTDM傳輸系統(tǒng)中，低速度的光信號(hào)經(jīng)復(fù)用成高速率的光信號(hào)的光時(shí)分復(fù)用技術(shù)以及在高速光信號(hào)的光分離出低速度的光信號(hào)的光時(shí)分解復(fù)用技術(shù)是以達(dá)到所需的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。對(duì)于OTDM傳輸系統(tǒng)能夠容易地實(shí)現(xiàn)的光時(shí)分復(fù)用技術(shù)，所以對(duì)全光解復(fù)用器的要求是非常嚴(yán)格的且困難的，光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)全光解復(fù)用的要求是穩(wěn)定的高速無(wú)差錯(cuò)的工作、獨(dú)立控制功率特別低且與偏振不相關(guān)、定時(shí)抖動(dòng)要小，這樣全光解復(fù)用技術(shù)才能徹底發(fā)揮出良好的效果。目前，4種解復(fù)用器已經(jīng)研制成功，分別是：交叉相位調(diào)制頻移光解復(fù)用器、米克爾開(kāi)關(guān)光矩陣解復(fù)用器、四波混頻開(kāi)關(guān)光信號(hào)解復(fù)用器和非線性光纖環(huán)路鏡（NOLM）

63、的光學(xué)信號(hào)分離器。其中交叉相位調(diào)制開(kāi)關(guān)解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；FWM解復(fù)用器具有兩個(gè)大的載波頻率的間隔可避免拍頻噪聲，檢測(cè)方便，高效的優(yōu)點(diǎn)，采用的還比較多；具有高速，高可靠性和低功耗的優(yōu)點(diǎn)的NOLM解復(fù)用器，是最通常使用的一種全光解復(fù)用器。 如圖所示3.4，我們以非線性光纖環(huán)形鏡的光解復(fù)用器為例。光纖克爾效應(yīng)是一種非線性折射率的影響效應(yīng)，隨著光強(qiáng)度的變化會(huì)引起光纖的折射率的改變。光脈沖流的解復(fù)用器正是由該種特性研制的。 （a）全光解復(fù)用功能圖（b）光時(shí)分復(fù)用脈沖間的時(shí)間關(guān)系圖（c）實(shí)際的光時(shí)分復(fù)用解復(fù)用原理圖 圖3.4 非線性光纖環(huán)鏡光解復(fù)用器 這種解復(fù)用器是由兩個(gè)相對(duì)傳輸?shù)墓庑盘?hào)

64、脈沖發(fā)生干涉完成解復(fù)復(fù)用的。兩個(gè)相對(duì)傳輸?shù)墓庑盘?hào)脈沖具有相等的幅度并被在耦合器中重新組合并干涉。通過(guò)控制脈沖的作用，在控制信號(hào)和由光克爾效應(yīng)的改變了的信號(hào)的相位變化的方向相同，一個(gè)波長(zhǎng)的光為高輸出控制脈沖，另一個(gè)波長(zhǎng)的光為低功率連續(xù)光波信號(hào)。在兩個(gè)波長(zhǎng)的光交叉相位調(diào)制下，高功率控制脈沖使低功率光脈沖信號(hào)切換到非線性特性。通過(guò)使用本地光脈沖，對(duì)輸入的光信號(hào)流中選擇所要求的信道的脈沖信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用。 圖3.4（a）表示其工作原理圖，所有的光學(xué)非線性光學(xué)環(huán)路設(shè)備有四個(gè)端口，兩個(gè)輸入端口，兩個(gè)輸出端口。一個(gè)輸入端口被用作輸入時(shí)分多路復(fù)用光脈沖的輸入，另一個(gè)輸入端口被用作控制脈沖的輸入端。光脈沖的解復(fù)

65、用的信道的比特率是等于控制脈沖的比特率的。一個(gè)輸出端口被用作解復(fù)用信道的輸出，另一個(gè)輸出端口被用作光脈沖的解復(fù)用后的輸出。該信號(hào)也可以繼續(xù)被用于解復(fù)用。圖3.4（c）中，耦合器1和耦合器3是分波/合波復(fù)用器，耦合器1一起發(fā)送控制信號(hào)和光時(shí)分復(fù)用信號(hào)到耦合器2中。環(huán)耦合器2是控制信號(hào)的信號(hào)耦合比為100：0，信號(hào)耦合比為50:50，由交叉相位調(diào)制和非線性所產(chǎn)生的微弱光時(shí)分解復(fù)用信號(hào)強(qiáng)控制信號(hào)是完全一樣的。其結(jié)果是，反射回來(lái)的控制脈沖傳播方向是完全相同的信號(hào)脈沖，該信號(hào)脈沖被發(fā)射不與控制脈沖重疊。垂直反射的反射光束，將被輸入端的偏振分束器分開(kāi)。在解復(fù)用器中，高功率（例如，100毫瓦）的Nd：YAG

66、激光器，產(chǎn)生具有1.3微米的波長(zhǎng)的控制脈沖。激光是由脈沖重復(fù)頻率為的信號(hào)調(diào)制，待解復(fù)用信道的信號(hào)的頻率與之相同也為，因此，該信道的信號(hào)被解復(fù)用出來(lái)，如圖3.4（b）所示。 3.4 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)闡述了光時(shí)分復(fù)用技術(shù)中的最為關(guān)鍵的三個(gè)技術(shù)：超短脈沖光源、全光時(shí)鐘提取技術(shù)以及全光解復(fù)用技術(shù)。超短脈沖光源的實(shí)現(xiàn)在OTDM系統(tǒng)中有著重要的作用，光源的脈寬越窄，則可以復(fù)用的路數(shù)就越多。同時(shí)全光時(shí)鐘提取技術(shù)和全光解復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是OTDM投入商用的關(guān)鍵問(wèn)題，是未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著研究的不斷深入，我們相信會(huì)有新的器件出現(xiàn)，使得光時(shí)分復(fù)用技術(shù)逐漸成熟起來(lái)。 第四章 總結(jié)與展望 通過(guò)之前對(duì)OTDM的分析，我們了解到現(xiàn)階段光時(shí)分復(fù)用技術(shù)依然處于不成熟階段，依然有許多關(guān)鍵技術(shù)上的難題需要去克服，正如之前幾章提及的超短脈沖光源、光時(shí)鐘提取技術(shù)、傳輸方面的色散補(bǔ)償以及解復(fù)用技術(shù)等一些難點(diǎn)問(wèn)題。但是這些年，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在很多綜合實(shí)力強(qiáng)大的國(guó)家均受到了相當(dāng)大的重視，它不僅在軍事上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，還在人們的生活應(yīng)用中扮演著重要