超高速OTDM进展及Tbit/s级可行性分析

利用光纤网实现更高速率的信息传输已经成为一个全球性的技术研究热点。光纤通信向更高传输速率的发展主要依赖于光时分复用（OTDM)和波分复用(WDM)技术。WDM技术相对简单，目前已比较成熟。和WDM相比，OTDM还不成熟，很多器件尚处于实验室的研究阶段。

OTDM之所以引起人们的很大兴趣，主要原因有两个：一是它可以克服WDM的一些固有缺点，如：放大器级联产生的增益特性的不平坦，光纤非线性的限制等；二是OTDM技术被认为是一种长远的网络技术，将来的网络必然是采用全光交换和全光路由选择的全光网络，OTDM的一些特点使它作为未来的全光网络技术方案更具吸引力，上下话路方便，可适用于本地网和主干网。但OTDM必须采用归零码超短脉冲，占用带宽宽，色散和色散斜率影响尤为显著。

超高速OTDM传输是实现未来Tbit/s级光网的关键技术之一，而且就组网功能而言，OTDM比WDM具有更大优势。目前OTDM尽管尚未实现Tbit/s传输，但400 Gbit/s和640Gbit/s 高速OTDM已有报道。本文将全面阐述高速OTDM的关键技术及最新研究进展，并对Tbit/s OTDM的可行性做进一步分析。

OTDM干线通信系统主要由光源、传输、时钟提取／恢复和解复用四个部分组成。

1、时分复用光源。OTDM通信系统要采用归零码以便在时域上间插不同信号，因此要求低时间抖动，高重复率，变换限(TL)的高质量超短脉冲源或孤子源。主要光源有：增益开关半导体激光器(GS-DFB)，它的动态“单频”特性好，脉冲重复频率0～10GHz可调，简单、紧凑、廉价、稳定性好，但有啁啾；掺杂光纤环形锁模激光器（ML-FRL），输出10～2ps的变换限脉冲，重复频率2～40GHz；DFB激光器与电吸收器(EAM)联用可构成实用的OTDM光源，能产生10GHz、20ps的近变换限脉冲，但可得的最小脉冲宽度有限；锁模铒光纤激光器泵浦单模光纤产生的超连续(SC)光源，其平坦带宽可达200nm以上，最窄脉冲宽度0.3ps，时间抖动小于0.2ps，可完全满足未来Tbit/s WDM/OTDM通信系统的容量要求 。要想向超高速率OTDM传输容量发展，还必须对ps信号压缩、整形，采用亚ps信号进行时分复用。这也促进了其它相关技术的发展。

2、传输损耗、色散、非线性噪声和EDFA的ASE噪声一直是限制放大器间距和总传输距离的主要问题。OTDM通信技术使用单一波长，没有FWM效应影响。但信号占用谱宽宽，光纤色散影响较为显著。通常采用孤子传输、传输线采用色散位移光纤、预啁啾技术、色散管理或色散补偿技术、啁啾光纤光栅以及相位共轭频谱反转等技术。对于已铺设的G.652光纤，通常采用色散管理技术适应高速率OTDM通信系统，色散补偿和色散斜率补偿光纤也相继得到发展，如色散补偿光纤(DCF)、色散斜率补偿光纤(DSCF)和反色散光纤(RDF)等等。与DSCF相比较，RDF的偏振模色散(PMD)小（RDF<0.03ps/km；DSCF>0.1ps/km），而且RDF的色散和色散斜率几乎恰好与SMF光纤相反。

3、全光复用及解复用技术。OTDM系统中多路信号的复用通常采用平面光波导线路(PLC)集成制作而成。全光解复用器实质上是一个二波光与门，其两个输入端子之一是数据信号脉冲，另一个是从信号脉冲流中提取的同步时钟脉冲，光与门的输出便是被解复用后的单信道数据信号。全光与门的基本原理是利用光纤交叉相位调制（XPM)效应或四波混频效应（FWM)，半导体光学(XGM）或交叉相位调制(XPM)非线性效应。一种带有饱和吸收段的二段式锁模LD和含有SOA的集成MZ型全光开关已出现。利用NOLM的交叉相位调制效应可以实现高速全光解复用，这需要对NOLM环内的色散分布优化设计，实现色散平坦的NOLM解复用器。

4、全光时钟恢复。全光方法的重大意义在于它可以绕过电子瓶颈的速率限制，使之能适应超大容量通信发展的要求。全光时钟恢复指的是用全光学方法从归零码光脉冲信号中提取出低时间抖动(一般<1ps)的同步时钟信号，以便把它分配到OTDM通信系统的解复用器，路由选择器，信道选择器和接收器等，超远距干线传输系统的光信号再生也要用到它。因此时钟恢复对未来超高码率网络节点至关重要。全光时钟提取器的机理一般基于二光波互作用引起的非线性相移。已成功用于实验的光学非线性相位感测元件有两种，一是单模偏振保持光纤(PMF)，非保偏色散平坦光纤也可用，但效果较差；其二是行波半导体光学放大器(SOA)。值得注意的是日本NEC研究开发的一种带有饱和吸收体的二段式锁模激光二极管(MLLD)等,可用做全光时钟恢复和解复用，简单而有效，只是因工艺难度高，还未达到产品化规模生产水平，但前景光明。

目前，已被实验证实的时钟提取方案主要有四种，其一是由高速光探测器、高Q滤波器和高增益放大器来驱动LN调制器的装置，或者是利用自脉动半导体激光器的注入锁定等技术，都属于电钟提取，不能用于更高的速率，一般在20Gb/s以内。其二是电光锁相环（PLL)技术，这种方案较为成熟，用SOA作检相元件的时钟提取器已有许多实验验证，已完成从50Gb/s～500Gb/s信号中成功提取6.3GHz或10GHz时钟信号的实验，输出钟脉冲的rms时间抖动<0.35ps，加另一级光纤锁模激光器可把时抖减小到0.14ps。此方案的优点是成熟可靠，缺点是昂贵复杂。第三种方案是全光钟提取，比特信号脉冲注入SOA，通过XGM效应而形成AM锁模调制器特性，借此调制激光器腔损耗，或通过XPM致相移形成FM锁模调制特性，从而锁定一个掺Er光纤环行激光器的纵模相位，借以实现低时间抖动的时钟恢复（该锁模激光器的输出）。用SOA作锁模元件的形式也可以采用NOLM结构，或接入掺Er光纤环形激光器中。这种方案的优点是简单经济，失谐容限小，因而要求同步调节精细。另一种是上述利用MLLD器件构成时钟提取器。采用这两种方案都可以实现同频全光时钟恢复和支路信号的亚谐波全光时钟提取。

近几年来，世界各国对超高速OTDM的研究不断深入，具有代表性的实验有：

1996年日本NTT进行的时分复用传输实验有：100Gb/s×560km TDM系统，和400Gb/s×40km TDM系统。

另外，Kobayashi等人利用低温生长的InGaAs/InAlAs多量子阱MLLD实现了惊人的1Tbit/s解复用。

1998年，日本NTT研究所又实现了640Gb/s×63km和320Gb/s×120km的传输实验。随后在1999年第25届ECOC会议上，日本NTT又实现了640Gbit/s×100km的OTDM传输实验。

值得注意的是40Gbit/s时分复用系统的研究，40Gbit/s是未来为DWDM传送网向Tbit/s容量发展的重要选择方案。在1999年ECOC会议上，阿尔卡特利用ACTS的AC067-HIGHWAY和AC049-SPEED项目，对铺设在Stuttga=rt的111km的G. 652光纤进行了40Gbit/s的TDM传输尝试。他们仅在传输中点使用了一个放大器，在传输终点采用色散补偿光纤对整个传输线进行色散补偿，成功地完成了场地实验。

其中400Gbit/s传输实验用SC作为高速光源，用PLC技术作为时分复用器，利用PLL作为时钟提取方法，光纤的FWM全光解复用。

在我国，“九五”期间国家“863”计划通信主题将时分复用技术列为重点课题，由北京邮电大学、清华大学、北方交通大学和天津大学共同开发，目前第一阶段工作即8×2.5Gbit/s、100kmOTDM实验系统已完成，天津大学与信息产业部、武汉邮电科学研究院合作正在进行4×10Gbit/s OTDM点对点系统和OTDM网络关键技术如分插复用器、OTDM/WDM网络接口及全光再生等方面的研究。

近年来，随着多媒体业务的发展，以Internet为代表的计算机间的业务量的迅速增加，网络需要更大的容量。如果要想采用OTDM技术来实现1Tb/s的超高速传输，还有一些技术问题需要解决，如：亚ps、fs超短脉冲产生技术，传输光纤的色散斜率补偿技术，如何减小解复用器的相对定时抖动问题，及降低光纤的偏振模色散。

1、亚ps、fs超短脉冲产生技术。超短脉冲技术并不仅局限在用于高速传输系统，而且用于光器件测量、高速光信号处理等广阔领域。从目前 看，亚皮秒脉冲产生方法主要有：利用光纤的非线性压缩法，利用光纤非线性效应结合锁模光纤激光器(ML-FRL)产生超连续(SC)脉冲法，以及半导体激光器的碰撞锁模方法。现在脉宽在100fs以下的脉冲已经能成功产生，可用做Tbit/s OTDM的信号源

2、为实现飞秒脉冲传输，必须同时对二阶群速度色散(GVD)和三阶群速度色散(色散斜率)进行补偿。色散导致脉冲展宽，而色散斜率使脉冲基座发生振荡。

传输光纤的色散斜率补偿技术。由于Tbit/s信号谱宽超过10nm，光纤色散斜率的不同，谱的各部分经历不同的色散，从而导致脉冲展宽。为了补偿色散斜率，常采用负色散斜率光纤进行补偿和PLC补偿器。K.Takiguchi等报道的采用PLC补偿技术，对DSF进行色散斜率补偿后，在170GHz的带宽内时延平坦。这种方法已成功应用于200Gbit/s×100km的实验。从已有实验可以看出，这种PLC补偿器可望用于Tbit/s OTDM传输的色散斜率补偿。另外，通过SMF和RDF结合，在1.55mm附近，GVD和色散斜率几乎可抑制到零。对未得到补偿的残余色散斜率，可用DSF补偿。

3、信号与提取--时钟的相对定时抖动是另一难题，它使系统误码率提高。其根源在于相对定时抖动本身将在光接收机端的时分解复用中产生误码。从进行的高速Tbit/s OTDM实验看，用PLL方法提取的时钟相对定时抖动<0.2ps，在830Gbit/s，误码率为10-9。因此若进一步优化PLL性能，降低相对定时抖动，实现Tbit/s解复用是完全可能的。

4、至于PMD，当传输距离超过100km时，PMD的影响将十分明显，如想法降低PMD，采用低PMD色散管理传输线，可以实现Tbit/s×100km传输。

总之一句话，Tbit/s OTDM关键技术是：飞秒脉冲的产生、复用、传输和解复用。结合其他诸多技术，如超快光信号处理，色散斜率补偿，光纤制造技术，实现Tbit/s OTDM是完全可能的。

与WDM不同，OTDM还只是处于研究阶段，在其商用之前还有一段路要走，但是由于它的潜在优势，它将具有极其巨大的发展及应用前景。■

参考文献

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