光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)（OTDM）,OTDM的優(yōu)點(diǎn)/組成和未來發(fā)展方向分析

OTDM優(yōu)點(diǎn)

OTDM是Optical Time Division Multiplexing (光時(shí)分復(fù)用技術(shù)）的縮寫。OTDM之所以引起人們的關(guān)注, 主要有兩個(gè)原因:OTDM可克服WDM的一些缺點(diǎn), 如由放大器級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的譜不均勻性, 非理想的濾波器和波長變換所引起的串話, 光纖非線性的限制, 苛刻要求的波長穩(wěn)定性裝置及昂貴的可調(diào)濾波器；OTDM技術(shù)被認(rèn)為是長遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為了滿足人們對(duì)信息的大量需求, 將來的網(wǎng)絡(luò)必將是采用全光交換和全光路由的全光網(wǎng)絡(luò), 而OTDM的一些特點(diǎn)使它作為將來的全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案更具吸引力:

?可簡單地接入極高的線路速率(高達(dá)幾百Gbit/s)；

?支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級(jí),和現(xiàn)在的技術(shù)(如SDH)兼容;

?由于是單波長傳輸, 大大簡化了放大器級(jí)聯(lián)管理和色散管理;

?網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高, 但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 電子器件只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作;

?OTDM和WDM的結(jié)合可支撐未來超高速光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。

OTDM系統(tǒng)的組成

光時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)由以下幾部分組成:光發(fā)射部分、傳輸線路、接收部分,如圖1 所示。

(1) 光發(fā)射部分

主要由超窄脈沖光源及光時(shí)分復(fù)用器組成。高重復(fù)頻率超窄光脈沖源的種類包括摻鉺光纖環(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、多波長超窄光脈沖源等。其所產(chǎn)生的脈沖寬度應(yīng)小于復(fù)用后信號(hào)周期的1/4 ,應(yīng)具有高消光比(高達(dá)30dB以上),并且脈沖總的時(shí)間抖動(dòng)均方根值不應(yīng)大于信道時(shí)隙的1/14,這是因?yàn)槊}沖形狀不是理想的矩形,而為高斯脈沖,信號(hào)源與時(shí)鐘之間的時(shí)間抖動(dòng)會(huì)引起解復(fù)用信號(hào)的強(qiáng)度抖動(dòng),這種強(qiáng)度抖動(dòng)使信號(hào)的誤碼加大。

(2) 接收部分

接收部分包括光時(shí)鐘提取、解復(fù)用器及低速率光接收機(jī)。

光時(shí)鐘提取與電時(shí)鐘提取的功能相同,但光時(shí)鐘提取必須從高速率的光脈沖中提取出低速的光脈沖或電脈沖, 例如從160Gbit/s 的光脈沖信號(hào)中提取10 GHz 的時(shí)鐘脈沖。提取出來的時(shí)鐘脈沖作為控制脈沖提供給解復(fù)用器用,其脈寬必須特別窄, 因此,時(shí)鐘脈沖的時(shí)間抖動(dòng)應(yīng)盡可能小,其相位噪聲也應(yīng)盡量低,為保證時(shí)鐘脈沖峰值功率的穩(wěn)定應(yīng)使提取系統(tǒng)的性能與偏振無關(guān)。能滿足這些要求的全光時(shí)鐘提取技術(shù)有鎖模半導(dǎo)體激光器、鎖模摻餌光纖激光器以及鎖相環(huán)路(PLL)。目前使用較多的是PLL技術(shù),它是一種較為成熟的方案。

光解復(fù)用器的功能正好與光復(fù)用器相反,在光時(shí)鐘提取模塊輸出的低速時(shí)鐘脈沖的控制下,光解復(fù)用器可輸出低速率光脈沖信號(hào),例如當(dāng)時(shí)鐘脈沖為10 GHz 時(shí),光解復(fù)用器可從160 Gbit/s 信號(hào)中分離出10Gbit/s 信號(hào), 16個(gè)相同的光解復(fù)用器可輸出16組10Gbit/s 信號(hào)。光解復(fù)用器主要有半導(dǎo)體鎖模激光器、光學(xué)克爾開關(guān)、四波混頻( FWM) 開關(guān)、交叉相位調(diào)制( XPM) 開關(guān)及非線性光學(xué)環(huán)路鏡( NOLM) 等幾種。

由解復(fù)用器輸出的光信號(hào)為低速率光脈沖信號(hào), 可以用一般光接收機(jī)來接收。

OTDM技術(shù)待解決的問題和研究的方向

OTDM及OTDM/ DWDM 光通信系統(tǒng)目前的試驗(yàn)線路雖然很多, 也備受關(guān)注, 但是一直未有商用系統(tǒng)投入使用, 既有本身的技術(shù)問題, 也有商業(yè)運(yùn)作問題, 但關(guān)鍵還是本身技術(shù)問題。

首先是超窄光脈沖源, 目前在試驗(yàn)系統(tǒng)中常用的增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器及光纖環(huán)形鎖模激光器仍存在一定問題。前者是脈沖的質(zhì)量不夠好, 其啁啾現(xiàn)象雖可采取措施消除,但要較徹底地消除難度很大,而后者體積過大,造價(jià)太高。實(shí)用化初期, 可采用光纖環(huán)形鎖模激光器來產(chǎn)生超窄光脈沖, 但是從長遠(yuǎn)來考慮以使用半導(dǎo)體鎖模激光器為最佳方案。

光時(shí)鐘提取及解復(fù)用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)OTDM通信的關(guān)鍵技術(shù),是決定OTDM通信系統(tǒng)能否投入商用的關(guān)鍵問題之一。目前光時(shí)鐘提取所常用的鎖相環(huán)路( PLL) 及光纖環(huán)形鎖模激光器也同樣存在體積大造價(jià)高的問題, 應(yīng)該用半導(dǎo)體器件, 即鎖模半導(dǎo)體激光器來代替之, 光解復(fù)用器目前多采用太比特光環(huán)形非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD),將來也應(yīng)該采用鎖模半導(dǎo)體激光器來代替。鎖模半導(dǎo)體激光器吸引著各國科學(xué)家的高度關(guān)注,研究力度逐年增大, 新的器件不斷出現(xiàn), 其穩(wěn)定性及可靠性也逐年有所提高。

在傳輸方面,光纖的質(zhì)量備受關(guān)注,其質(zhì)量必須嚴(yán)格把關(guān)。由于所傳輸?shù)男盘?hào)速率極高, 其所允許的脈沖抖動(dòng)極低, 光纖線路的色度色散管理、偏振膜色散和光纖的非線性效應(yīng)該嚴(yán)重關(guān)注, 尤其是高速率信號(hào)的傳輸, 接收機(jī)所能接收的脈沖峰值功率隨速率的提高而提高, 在一定范圍內(nèi), 峰值功率與速率成正比地增長,這樣非線性效應(yīng)更為嚴(yán)重。為克服這些引起通信質(zhì)量惡化的因素, 人們采取了多種措施。偏振模色散效應(yīng)可用偏振模色散補(bǔ)償器來克服,目前已有商品化的偏振模色散補(bǔ)償器出售, 但其響應(yīng)時(shí)間過長, 達(dá)不到ms 級(jí)的要求, 價(jià)錢也偏高, 所以這方面還有許多工作要做。在通信系統(tǒng)中不僅要考慮色度色散效應(yīng),而且應(yīng)考慮光纖非線性特性, 為避免非線性效應(yīng)的產(chǎn)生, 脈沖光功率必須控制在一定限度內(nèi), 這使得脈沖功率不能過高, 影響了信噪比的提高。但如果采用孤子傳輸方式則這兩種效應(yīng)可相互抵消,所以這是一種較為簡便的好方法。在高速率傳輸情況下, 應(yīng)采用孤子傳輸。目前光孤子傳輸?shù)脑囼?yàn)線路很多,人們正在密切注視商用線路的推出。組建全光網(wǎng)絡(luò)是通信發(fā)展的必然需求。采用OTDM技術(shù)構(gòu)建的全光網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如OTDM全光網(wǎng)采用單一波長, 無須考慮鏈路中光放大器的增益平坦問題, 不存在由4 波混頻等非線性效應(yīng)造成的串?dāng)_問題, 鏈路的色散管理方式簡單; OTDM全光網(wǎng)中采用全光數(shù)字信息處理技術(shù), 不僅可克服“電子瓶頸”限制, 提高網(wǎng)絡(luò)容量, 還可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息碼流的全光3R 再生, 有效地降低了信號(hào)噪聲和串?dāng)_積累問題; OTDM全光網(wǎng)能夠?qū)Ω叨擞脩籼峁┒喾NQoS水平的綜合業(yè)務(wù)(包括分組業(yè)務(wù)) 服務(wù), 可靈活地提供突發(fā)業(yè)務(wù)接入,真正實(shí)現(xiàn)按需分配帶寬; OTDM全光網(wǎng)通過時(shí)隙分配實(shí)現(xiàn)路由選擇, 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的透明傳輸, 具有良好的可擴(kuò)展性和重構(gòu)性。此外,由于OTDM全光網(wǎng)可提供比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)高得多的速率(一般可支持大于100 Gbit/s 的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率) , 可望在網(wǎng)絡(luò)多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)及超級(jí)計(jì)算機(jī)互聯(lián)等領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用, 應(yīng)用前景廣闊。因此, 開展對(duì)OTDM全光網(wǎng)的研究具有重大意義。利用OTDM技術(shù)構(gòu)建全光網(wǎng)需要解決兩方面的問題:一方面,從網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)看,超高速的OT2DM全光網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議都尚未確定, 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議未必適用于超高速的OTDM全光網(wǎng)。采用何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議才能充分發(fā)揮OTDM全光網(wǎng)的優(yōu)勢(shì),這是一個(gè)關(guān)鍵問題, 在這方面還需要進(jìn)行大量的研究。從物理層技術(shù)看,發(fā)展先進(jìn)可靠的全光信息處理技術(shù), 如超短光脈沖源技術(shù)、全光再生技術(shù)及全光分組交換技術(shù)等是OTDM全光網(wǎng)面臨的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

OTDM的前景展望

雖然OTDM的研究起步較晚, 但在短短幾年里取得了如此大的進(jìn)展,說明OTDM具有很強(qiáng)的生命力。一些發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力物力, 在推進(jìn)WDM光通信的實(shí)用化的同時(shí), 也積極推進(jìn)OTDM的發(fā)展。同時(shí), 將WDM和OTDM結(jié)合起來, 就可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)而摒棄它們的缺點(diǎn),共同構(gòu)建高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)。因此,OTDM/ WDM系統(tǒng)已經(jīng)成為未來高速、大容量光通信系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢(shì)。目前, OTDM技術(shù)尚不成熟,還在實(shí)驗(yàn)階段,加上需要較復(fù)雜的光學(xué)器件,離實(shí)用化還有一定距離, 有待進(jìn)一步研究, 但是在將來的Tbit/ s 級(jí)通信系統(tǒng)中, 將成為重要的通信手段。

光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)是一種能有效克服電子電路帶寬“瓶頸”、充分利用低損耗帶寬資源的擴(kuò)容方案。與波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)相比,OTDM系統(tǒng)只需單個(gè)光源,光放大時(shí)不受放大器增益帶寬的限制,傳輸過程中也不存在四波混頻等非線性參量過程引起的串?dāng)_,且具有便于用戶接入、易于與現(xiàn)行的同步數(shù)字系列(SDH)及異步傳輸模式(ATM)兼容等優(yōu)點(diǎn)。在多媒體時(shí)代, 超高速(速率高于100 Gbit/s)的OTDM技術(shù)對(duì)超高速全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義,其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括:超短光脈沖的產(chǎn)生、時(shí)分復(fù)用、同步/時(shí)鐘提取和解復(fù)用。解復(fù)用可以由光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。適用于時(shí)分復(fù)用光信號(hào)的光開關(guān)有:機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、液晶光開關(guān)和聲光開關(guān)等。但這些窗口寬度從幾百個(gè)ns到幾十個(gè)ms的光開關(guān)并不適合于線路速率在100 Gbit/s以上的高速OTDM系統(tǒng),這是因?yàn)檫@些光開關(guān)在操作過程中引入了電的控制信號(hào)。基于光學(xué)非線性效應(yīng)(如:光Kerr效應(yīng)、四波混頻(FWM)效應(yīng)和交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng))的全光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)高速OTDM信號(hào)解復(fù)用技術(shù)的關(guān)鍵器件。