光時分復用系統（OTDM）,OTDM的優點/組成和未來發展方向分析

OTDM優點

OTDM是Optical Time Division Multiplexing (光時分復用技術）的縮寫。OTDM之所以引起人們的關注, 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, 苛刻要求的波長穩定性裝置及昂貴的可調濾波器；OTDM技術被認為是長遠的網絡技術。為了滿足人們對信息的大量需求, 將來的網絡必將是采用全光交換和全光路由的全光網絡, 而OTDM的一些特點使它作為將來的全光網絡技術方案更具吸引力:

?可簡單地接入極高的線路速率(高達幾百Gbit/s)；

?支路數據可具有任意速率等級,和現在的技術(如SDH)兼容;

?由于是單波長傳輸, 大大簡化了放大器級聯管理和色散管理;

?網絡的總速率雖然很高, 但在網絡節點, 電子器件只需以本地的低數據速率工作;

?OTDM和WDM的結合可支撐未來超高速光通信網的實現。

OTDM系統的組成

光時分復用通信系統由以下幾部分組成:光發射部分、傳輸線路、接收部分,如圖1 所示。

(1) 光發射部分

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。其所產生的脈沖寬度應小于復用后信號周期的1/4 ,應具有高消光比(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盡可能小,其相位噪聲也應盡量低,為保證時鐘脈沖峰值功率的穩定應使提取系統的性能與偏振無關。能滿足這些要求的全光時鐘提取技術有鎖模半導體激光器、鎖模摻餌光纖激光器以及鎖相環路(PLL)。目前使用較多的是PLL技術,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、四波混頻( FWM) 開關、交叉相位調制( XPM) 開關及非線性光學環路鏡( 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技術待解決的問題和研究的方向

OTDM及OTDM/ DWDM 光通信系統目前的試驗線路雖然很多, 也備受關注, 但是一直未有商用系統投入使用, 既有本身的技術問題, 也有商業運作問題, 但關鍵還是本身技術問題。

首先是超窄光脈沖源, 目前在試驗系統中常用的增益開關半導體激光器及光纖環形鎖模激光器仍存在一定問題。前者是脈沖的質量不夠好, 其啁啾現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, 可采用光纖環形鎖模激光器來產生超窄光脈沖, 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是實現OTDM通信的關鍵技術,是決定OTDM通信系統能否投入商用的關鍵問題之一。目前光時鐘提取所常用的鎖相環路( PLL) 及光纖環形鎖模激光器也同樣存在體積大造價高的問題, 應該用半導體器件, 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形非對稱解復用器(TOAD),將來也應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注,研究力度逐年增大, 新的器件不斷出現, 其穩定性及可靠性也逐年有所提高。

在傳輸方面,光纖的質量備受關注,其質量必須嚴格把關。由于所傳輸的信號速率極高, 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該嚴重關注, 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, 峰值功率與速率成正比地增長,這樣非線性效應更為嚴重。為克服這些引起通信質量惡化的因素, 人們采取了多種措施。偏振模色散效應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。在通信系統中不僅要考慮色度色散效應,而且應考慮光纖非線性特性, 為避免非線性效應的產生, 脈沖光功率必須控制在一定限度內, 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, 應采用孤子傳輸。目前光孤子傳輸的試驗線路很多,人們正在密切注視商用線路的推出。組建全光網絡是通信發展的必然需求。采用OTDM技術構建的全光網絡具有獨特的優勢,如OTDM全光網采用單一波長, 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造成的串擾問題, 鏈路的色散管理方式簡單; OTDM全光網中采用全光數字信息處理技術, 不僅可克服“電子瓶頸”限制, 提高網絡容量, 還可實現對網絡信息碼流的全光3R 再生, 有效地降低了信號噪聲和串擾積累問題; OTDM全光網能夠對高端用戶提供多種QoS水平的綜合業務(包括分組業務) 服務, 可靈活地提供突發業務接入,真正實現按需分配帶寬; OTDM全光網通過時隙分配實現路由選擇, 可實現數據格式和協議的透明傳輸, 具有良好的可擴展性和重構性。此外,由于OTDM全光網可提供比傳統網絡高得多的速率(一般可支持大于100 Gbit/s 的網絡傳輸速率) , 可望在網絡多媒體、虛擬現實及超級計算機互聯等領域內獲得廣泛應用, 應用前景廣闊。因此, 開展對OTDM全光網的研究具有重大意義。利用OTDM技術構建全光網需要解決兩方面的問題:一方面,從網絡層技術看,超高速的OT2DM全光網的網絡結構及協議都尚未確定, 現有網絡結構及協議未必適用于超高速的OTDM全光網。采用何種網絡結構及協議才能充分發揮OTDM全光網的優勢,這是一個關鍵問題, 在這方面還需要進行大量的研究。從物理層技術看,發展先進可靠的全光信息處理技術, 如超短光脈沖源技術、全光再生技術及全光分組交換技術等是OTDM全光網面臨的另一個關鍵問題。

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的發展。同時, 將WDM和OTDM結合起來, 就可以充分發揮各自的優點而摒棄它們的缺點,共同構建高速、大容量的光纖通信系統。因此,OTDM/ WDM系統已經成為未來高速、大容量光通信系統的一種發展趨勢。目前, OTDM技術尚不成熟,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 級通信系統中, 將成為重要的通信手段。

光時分復用(OTDM)技術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)系統相比,OTDM系統只需單個光源,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、易于與現行的同步數字系列(SDH)及異步傳輸模式(ATM)兼容等優點。在多媒體時代, 超高速(速率高于100 Gbit/s)的OTDM技術對超高速全光網絡的實現具有重要意義,其中涉及的關鍵技術包括:超短光脈沖的產生、時分復用、同步/時鐘提取和解復用。解復用可以由光開關來實現。適用于時分復用光信號的光開關有:機械光開關、熱光開關、噴墨氣泡光開關、液晶光開關和聲光開關等。但這些窗口寬度從幾百個ns到幾十個ms的光開關并不適合于線路速率在100 Gbit/s以上的高速OTDM系統,這是因為這些光開關在操作過程中引入了電的控制信號。基于光學非線性效應(如:光Kerr效應、四波混頻(FWM)效應和交叉相位調制(XPM)效應)的全光開關是實現高速OTDM信號解復用技術的關鍵器件。