超高速OTDM進(jìn)展及Tbit/s級(jí)可行性分析

3、全光復(fù)用及解復(fù)用技術(shù)。OTDM系統(tǒng)中多路信號(hào)的復(fù)用通常采用平面光波導(dǎo)線路(PLC)集成制作而成。全光解復(fù)用器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二波光與門，其兩個(gè)輸入端子之一是數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖，另一個(gè)是從信號(hào)脈沖流中提取的同步時(shí)鐘脈沖，光與門的輸出便是被解復(fù)用后的單信道數(shù)據(jù)信號(hào)。全光與門的基本原理是利用光纖交叉相位調(diào)制（XPM)效應(yīng)或四波混頻效應(yīng)（FWM)，半導(dǎo)體光學(xué)(XGM）或交叉相位調(diào)制(XPM)非線性效應(yīng)。一種帶有飽和吸收段的二段式鎖模LD和含有SOA的集成MZ型全光開關(guān)已出現(xiàn)。利用NOLM的交叉相位調(diào)制效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)高速全光解復(fù)用，這需要對(duì)NOLM環(huán)內(nèi)的色散分布優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)色散平坦的NOLM解復(fù)用器。

4、全光時(shí)鐘恢復(fù)。全光方法的重大意義在于它可以繞過電子瓶頸的速率限制，使之能適應(yīng)超大容量通信發(fā)展的要求。全光時(shí)鐘恢復(fù)指的是用全光學(xué)方法從歸零碼光脈沖信號(hào)中提取出低時(shí)間抖動(dòng)(一般<1ps)的同步時(shí)鐘信號(hào)，以便把它分配到OTDM通信系統(tǒng)的解復(fù)用器，路由選擇器，信道選擇器和接收器等，超遠(yuǎn)距干線傳輸系統(tǒng)的光信號(hào)再生也要用到它。因此時(shí)鐘恢復(fù)對(duì)未來超高碼率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。全光時(shí)鐘提取器的機(jī)理一般基于二光波互作用引起的非線性相移。已成功用于實(shí)驗(yàn)的光學(xué)非線性相位感測(cè)元件有兩種，一是單模偏振保持光纖(PMF)，非保偏色散平坦光纖也可用，但效果較差；其二是行波半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)。值得注意的是日本NEC研究開發(fā)的一種帶有飽和吸收體的二段式鎖模激光二極管(MLLD)等,可用做全光時(shí)鐘恢復(fù)和解復(fù)用，簡(jiǎn)單而有效，只是因工藝難度高，還未達(dá)到產(chǎn)品化規(guī)模生產(chǎn)水平，但前景光明。

目前，已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的時(shí)鐘提取方案主要有四種，其一是由高速光探測(cè)器、高Q濾波器和高增益放大器來驅(qū)動(dòng)LN調(diào)制器的裝置，或者是利用自脈動(dòng)半導(dǎo)體激光器的注入鎖定等技術(shù)，都屬于電鐘提取，不能用于更高的速率，一般在20Gb/s以內(nèi)。其二是電光鎖相環(huán)（PLL)技術(shù)，這種方案較為成熟，用SOA作檢相元件的時(shí)鐘提取器已有許多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已完成從50Gb/s～500Gb/s信號(hào)中成功提取6.3GHz或10GHz時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，輸出鐘脈沖的rms時(shí)間抖動(dòng)<0.35ps，加另一級(jí)光纖鎖模激光器可把時(shí)抖減小到0.14ps。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成熟可靠，缺點(diǎn)是昂貴復(fù)雜。第三種方案是全光鐘提取，比特信號(hào)脈沖注入SOA，通過XGM效應(yīng)而形成AM鎖模調(diào)制器特性，借此調(diào)制激光器腔損耗，或通過XPM致相移形成FM鎖模調(diào)制特性，從而鎖定一個(gè)摻Er光纖環(huán)行激光器的縱模相位，借以實(shí)現(xiàn)低時(shí)間抖動(dòng)的時(shí)鐘恢復(fù)（該鎖模激光器的輸出）。用SOA作鎖模元件的形式也可以采用NOLM結(jié)構(gòu)，或接入摻Er光纖環(huán)形激光器中。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，失諧容限小，因而要求同步調(diào)節(jié)精細(xì)。另一種是上述利用MLLD器件構(gòu)成時(shí)鐘提取器。采用這兩種方案都可以實(shí)現(xiàn)同頻全光時(shí)鐘恢復(fù)和支路信號(hào)的亞諧波全光時(shí)鐘提取。

近幾年來，世界各國(guó)對(duì)超高速OTDM的研究不斷深入，具有代表性的實(shí)驗(yàn)有：

1996年日本NTT進(jìn)行的時(shí)分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)有：100Gb/s×560km TDM系統(tǒng)，和400Gb/s×40km TDM系統(tǒng)。

另外，Kobayashi等人利用低溫生長(zhǎng)的InGaAs/InAlAs多量子阱MLLD實(shí)現(xiàn)了驚人的1Tbit/s解復(fù)用。

1998年，日本NTT研究所又實(shí)現(xiàn)了640Gb/s×63km和320Gb/s×120km的傳輸實(shí)驗(yàn)。隨后在1999年第25屆ECOC會(huì)議上，日本NTT又實(shí)現(xiàn)了640Gbit/s×100km的OTDM傳輸實(shí)驗(yàn)。

值得注意的是40Gbit/s時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的研究，40Gbit/s是未來為DWDM傳送網(wǎng)向Tbit/s容量發(fā)展的重要選擇方案。在1999年ECOC會(huì)議上，阿爾卡特利用ACTS的AC067-HIGHWAY和AC049-SPEED項(xiàng)目，對(duì)鋪設(shè)在Stuttga=rt的111km的G. 652光纖進(jìn)行了40Gbit/s的TDM傳輸嘗試。他們僅在傳輸中點(diǎn)使用了一個(gè)放大器，在傳輸終點(diǎn)采用色散補(bǔ)償光纖對(duì)整個(gè)傳輸線進(jìn)行色散補(bǔ)償，成功地完成了場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)。

其中400Gbit/s傳輸實(shí)驗(yàn)用SC作為高速光源，用PLC技術(shù)作為時(shí)分復(fù)用器，利用PLL作為時(shí)鐘提取方法，光纖的FWM全光解復(fù)用。

在我國(guó)，“九五”期間國(guó)家“863”計(jì)劃通信主題將時(shí)分復(fù)用技術(shù)列為重點(diǎn)課題，由北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)、北方交通大學(xué)和天津大學(xué)共同開發(fā)，目前第一階段工作即8×2.5Gbit/s、100kmOTDM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已完成，天津大學(xué)與信息產(chǎn)業(yè)部、武漢郵電科學(xué)研究院合作正在進(jìn)行4×10Gbit/s OTDM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)和OTDM網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)如分插復(fù)用器、OTDM/WDM網(wǎng)絡(luò)接口及全光再生等方面的研究。

近年來，隨著多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)間的業(yè)務(wù)量的迅速增加，網(wǎng)絡(luò)需要更大的容量。如果要想采用OTDM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)1Tb/s的超高速傳輸，還有一些技術(shù)問題需要解決，如：亞ps、fs超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)，傳輸光纖的色散斜率補(bǔ)償技術(shù)，如何減小解復(fù)用器的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)問題，及降低光纖的偏振模色散。

1、亞ps、fs超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)。超短脈沖技術(shù)并不僅局限在用于高速傳輸系統(tǒng)，而且用于光器件測(cè)量、高速光信號(hào)處理等廣闊領(lǐng)域。從目前 看，亞皮秒脈沖產(chǎn)生方法主要有：利用光纖的非線性壓縮法，利用光纖非線性效應(yīng)結(jié)合鎖模光纖激光器(ML-FRL)產(chǎn)生超連續(xù)(SC)脈沖法，以及半導(dǎo)體激光器的碰撞鎖模方法。現(xiàn)在脈寬在100fs以下的脈沖已經(jīng)能成功產(chǎn)生，可用做Tbit/s OTDM的信號(hào)源

2、為實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖傳輸，必須同時(shí)對(duì)二階群速度色散(GVD)和三階群速度色散(色散斜率)進(jìn)行補(bǔ)償。色散導(dǎo)致脈沖展寬，而色散斜率使脈沖基座發(fā)生振蕩。

傳輸光纖的色散斜率補(bǔ)償技術(shù)。由于Tbit/s信號(hào)譜寬超過10nm，光纖色散斜率的不同，譜的各部分經(jīng)歷不同的色散，從而導(dǎo)致脈沖展寬。為了補(bǔ)償色散斜率，常采用負(fù)色散斜率光纖進(jìn)行補(bǔ)償和PLC補(bǔ)償器。K.Takiguchi等報(bào)道的采用PLC補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)DSF進(jìn)行色散斜率補(bǔ)償后，在170GHz的帶寬內(nèi)時(shí)延平坦。這種方法已成功應(yīng)用于200Gbit/s×100km的實(shí)驗(yàn)。從已有實(shí)驗(yàn)可以看出，這種PLC補(bǔ)償器可望用于Tbit/s OTDM傳輸?shù)纳⑿甭恃a(bǔ)償。另外，通過SMF和RDF結(jié)合，在1.55mm附近，GVD和色散斜率幾乎可抑制到零。對(duì)未得到補(bǔ)償?shù)臍堄嗌⑿甭?，可用DSF補(bǔ)償。

3、信號(hào)與提取--時(shí)鐘的相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)是另一難題，它使系統(tǒng)誤碼率提高。其根源在于相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)本身將在光接收機(jī)端的時(shí)分解復(fù)用中產(chǎn)生誤碼。從進(jìn)行的高速Tbit/s OTDM實(shí)驗(yàn)看，用PLL方法提取的時(shí)鐘相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)<0.2ps，在830Gbit/s，誤碼率為10-9。因此若進(jìn)一步優(yōu)化PLL性能，降低相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Tbit/s解復(fù)用是完全可能的。

4、至于PMD，當(dāng)傳輸距離超過100km時(shí)，PMD的影響將十分明顯，如想法降低PMD，采用低PMD色散管理傳輸線，可以實(shí)現(xiàn)Tbit/s×100km傳輸。

總之一句話，Tbit/s OTDM關(guān)鍵技術(shù)是：飛秒脈沖的產(chǎn)生、復(fù)用、傳輸和解復(fù)用。結(jié)合其他諸多技術(shù)，如超快光信號(hào)處理，色散斜率補(bǔ)償，光纖制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Tbit/s OTDM是完全可能的。

與WDM不同，OTDM還只是處于研究階段，在其商用之前還有一段路要走，但是由于它的潛在優(yōu)勢(shì)，它將具有極其巨大的發(fā)展及應(yīng)用前景。■

參考文獻(xiàn)

1 Kawanishi et al.Single charnel 400Gbit/s time-division-multiplexed transmission of 0.98ps pulses over 400km employing dispersion slope compensation. Electron. Lett, 1996, Vol.32（10）： P916.

2 ustav Veith.European 40 Gbit/s field tests.II-82, ECOC'99：38-39 September 1999, Nice, France