光時分復用系統(tǒng)（OTDM）,OTDM的優(yōu)點/組成和未來發(fā)展方

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

OTDM優(yōu)點

OTDM是Optical Time Division Multiplexing (光時分復用技術(shù)）的縮寫。OTDM之所以引起人們的關(guān)注, 主要有兩個原因:OTDM可克服WDM的一些缺點, 如由放大器級聯(lián)導致的譜不均勻性, 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)被認為是長遠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為了滿足人們對信息的大量需求, 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(高達幾百Gbit/s)；

?支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級,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, 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)的實現(xiàn)。

OTDM系統(tǒng)的組成

光時分復用通信系統(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分復用器組成。高重復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、半導體超短脈沖源、主動鎖模半導體激光器、多波長超窄光脈沖源等。其所產(chǎn)生的脈沖寬度應(yīng)小于復用后信號周期的1/4 ,應(yīng)具有高消光比(高達30dB以上),并且脈沖總的時間抖動均方根值不應(yīng)大于信道時隙的1/14,這是因為脈沖形狀不是理想的矩形,而為高斯脈沖,信號源與時鐘之間的時間抖動會引起解復用信號的強度抖動,這種強度抖動使信號的誤碼加大。

(2) 接收部分

接收部分包括光時鐘提取、解復用器及低速率光接收機。

光時鐘提取與電時鐘提取的功能相同,但光時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 的光脈沖信號中提取10 GHz 的時鐘脈沖。提取出來的時鐘脈沖作為控制脈沖提供給解復用器用,其脈寬必須特別窄, 因此,時鐘脈沖的時間抖動應(yīng)盡可能小,其相位噪聲也應(yīng)盡量低,為保證時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鐘提取技術(shù)有鎖模半導體激光器、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。

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

由解復用器輸出的光信號為低速率光脈沖信號, 可以用一般光接收機來接收。

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, 目前在試驗系統(tǒng)中常用的增益開關(guān)半導體激光器及光纖環(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,造價太高。實用化初期, 可采用光纖環(huán)形鎖模激光器來產(chǎn)生超窄光脈沖, 但是從長遠來考慮以使用半導體鎖模激光器為最佳方案。

光時鐘提取及解復用技術(shù)是實現(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高的問題, 應(yīng)該用半導體器件, 即鎖模半導體激光器來代替之, 光解復用器目前多采用太比特光環(huán)形非對稱解復用器(TOAD),將來也應(yīng)該采用鎖模半導體激光器來代替。鎖模半導體激光器吸引著各國科學家的高度關(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)量必須嚴格把關(guān)。由于所傳輸?shù)男盘査俾蕵O高, 其所允許的脈沖抖動極低, 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)該嚴重關(guān)注, 尤其是高速率信號的傳輸, 接收機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)可用偏振模色散補償器來克服,目前已有商品化的偏振模色散補償器出售, 但其響應(yīng)時間過長, 達不到ms 級的要求, 價錢也偏高, 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)脑囼灳€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)具有獨特的優(yōu)勢,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)造成的串擾問題, 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, 還可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)信息碼流的全光3R 再生, 有效地降低了信號噪聲和串擾積累問題; 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,真正實現(xiàn)按需分配帶寬; OTDM全光網(wǎng)通過時隙分配實現(xiàn)路由選擇, 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的透明傳輸, 具有良好的可擴展性和重構(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)實及超級計算機互聯(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,這是一個關(guān)鍵問題, 在這方面還需要進行大量的研究。從物理層技術(shù)看,發(fā)展先進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展,說明OTDM具有很強的生命力。一些發(fā)達國家投入了大量的人力物力, 在推進WDM光通信的實用化的同時, 也積極推進OTDM的發(fā)展。同時, 將WDM和OTDM結(jié)合起來, 就可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點而摒棄它們的缺點,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。目前, OTDM技術(shù)尚不成熟,還在實驗階段,加上需要較復雜的光學器件,離實用化還有一定距離, 有待進一步研究, 但是在將來的Tbit/ s 級通信系統(tǒng)中, 將成為重要的通信手段。

光時分復用(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容方案。與波分復用(WDM)系統(tǒng)相比,OTDM系統(tǒng)只需單個光源,光放大時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擾,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。在多媒體時代, 超高速(速率高于100 Gbit/s)的OTDM技術(shù)對超高速全光網(wǎng)絡(luò)的實現(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、時分復用、同步/時鐘提取和解復用。解復用可以由光開關(guān)來實現(xiàn)。適用于時分復用光信號的光開關(guān)有:機械光開關(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ns到幾十個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),這是因為這些光開關(guān)在操作過程中引入了電的控制信號?；诠鈱W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)是實現(xiàn)高速OTDM信號解復用技術(shù)的關(guān)鍵器件。