第10章光纤通信新技术

第10章光纤通信新技术内容摘要：

殊性质使中继过程简化为一个绝热放大过程，大大降低了中继设备的数量以及成本。 近几年来，人们对光孤子研究的领域不断拓展，取得了重大进展，例如光孤子的波分复用应用，准孤子理论。 当然，实际的光孤子通信仍然存在许多技术的难题，比如：延长放大间距，减少放大器数量，降低成本仍是光孤子通信有待解决的一系列问题。 但目前已取得的突破性进展使我们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。 光时分复用 通信网应该具有足够大的容量，有能力适应各种通信业务量，保证通信畅通。 现行的电通信网利用电的时分多路 TDM技术，按照标准的同步数字群系列 SDH，最高的数字速度限于最高一级数字群的速度，即 40Gb／ s。 由于受到电的 TDM技术中电子瓶颈的限制，该速率尚未能突破。 目前有两种途径可以提高传输速率：波分复用 WDM和光时分复用OTDM。 前者在第 8章中已作专门介绍，这里主要讨论 OTDM技术。 光时分复用原理 OTDM与电时分复用 ETDM相似，只是将复用技术移到光频上，就是将多个高速电调制信号分别转换为等速率光信号，然后在光层上利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号。 这种方法使用高速光电器件代替了电子器件，克服了电子瓶颈效应。 图 OTDM系统框图。 光时分复用技术中，一条物理信道按时间分成若干个时间片，轮流地分配给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号占用，即构成帧结构。 这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 同时时分复用必须采取同步技术来使远距离的接收端能够识别和恢复这种帧结构。 超短脉冲 发生器 帧同步时钟 接收机 误码检测 光带通滤波器 延时线 1 2 N 时钟提 取电路 光波时 钟产生 合 路 器 E D F A 解复用器 全光开关 分 路 器 T „ „ （ n 1 ） T 图 10. O T D M 系统框图 时分复用可分为比特交错 OTDM和分组交错 OTDM，这两种复用方式都需要利用帧脉冲信号区分不同的复用数据或分组。 1. 比特交错 OTDM 如图 （ a）所示，比特交错在传输过程中按顺序将比特流按 1→n 循环编号，编号为 i的比特在第 i路时隙中传输，主要用于电路交换业务。 在接收端， OTDM输入复接信号经 3dB耦合器分成两个数据流，通过选取时隙提取所需比特信息。 为了提取帧同步脉冲，可通过门限功率判决得到（因为帧脉冲有比其它数据脉冲更高的发送功率）。 因此，从 OTDM复接信号中得到第 i个支路信号的解复用过程如图图 比特交错复用 /解复用原理 （ b）所示：将 OTDM复接信号首先经耦合器分成两个数据流，将其中一个数据流延迟 i 个时隙后送入门限判决器，得到已被延迟 i个时隙的帧脉冲，此帧脉冲位置正好与要求提取的第 i个支路信号脉冲相一致，因此将帧脉冲数据流与复接脉冲数据流进行逻辑与操作，与门输出便得到要求提取的第 i个支路数据流。 2. 分组交错 OTDM 分组交错 OTDM与比特交错 OTDM相似，但是帧中每个时隙对应一个待复用支路的分 组信息（若干个比特区），帧脉冲作为不同分组的界限，主要用于分组交换业务，如图。 由锁模激光器产生的窄脉冲周期序列分别被支路数据流外调制，若支路一个比特持续时间是 T，则相邻支路脉冲之间距离也是 T。 为了减少脉冲之间的间隔以便实现分组交错复接，在每个支路外调制器输出端串入一个多级压缩器，对脉冲进行压缩，最后加帧同步脉冲后完成分组交错复接。 解复用操作等效于分组去压缩过程。 原则上，通过一组性能与复接器相反的去压缩级，便可完成解复用工作。 然而，这种方法要求放大器开关时间必须在脉冲宽度 ps量级上，因而难于实现。 一种实用的方法是采用与门堆：首先将输入的高速串行的复接数据流变换为低速并行数据流，然后再利用电子学方法进行处理。 光时分复用的关键技术 OTDM传输系统的关键技术包括超短光脉冲发生技术、全光时分复用／去复用技术和超高速定时提取技术等。 1. 超短光脉冲源 光时分复用要求光源产生高重复率（ 5～ 20 GHz）、占空比相当小的超窄光脉冲，脉宽越窄可以复用的路数越多，且谱宽也就越宽。 能满足这些要求的光源主要有锁模环形光纤激光器（ MLFRL）、增益开关 DFB激光器和光纤光栅法。 其中 MLFRL的特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在 40 GHz的高频条件不需要进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生 10ps以下的超短变换极限光脉冲，输出波长较灵活，稳定性好，是一种很有前途的光时分复用光源。 增益开关法可以产生脉宽 5～ 7ps、脉冲重复频率在 10GHz左右可任意调整的光脉冲，并且很容易与其它信号同步。 利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电吸收调制器输出的光脉冲形状进行修正，也可以产生脉宽为 、占空比为 %的 10GHz的光脉冲。 2. 全光时分复用／解复用技术 目前已研制出 4种形式的器件作为解复用器：光克尔开关矩阵光解复用器、交叉相位调制频移光解复用器、四波混频开关光解复用器和非线性光纤环路镜式（ NOLM）光解复用器。 无论采用何种器件，都要求其工作性能可靠稳定，控制其光信号功率低，与偏振无关。 3. 超高速定时提取技术 在 100Gb／ s以上的光传输系统中，接收端采用重新定时的时钟，产生控制光脉冲，时隙特别短，因此，希望控制光的时间抖动尽可能小，就必须尽量降低重新定时的时钟相位噪声。 在目前的 OTDM试验中，主要采用了两种方案，一是采用高速微波混频器作为相位探测器构成的锁相环路（ PLL），另一种是使用法布里一珀罗干涉光路构成的光振荡回路（ FPT）也可以完成时钟恢复功能。 光时分复用的特点 1. 优点 OTDM有几个主要优点： （ 1） OTDM技术可解决 WDM系统中受激 Raman散射和四波混频效应等限制； （ 2）提高光谱带宽效率； （ 3）可以与 WDM技术相结合：由于 WDM对长距离、大量波长数的限制，因此不太适于波长数较多的情况。 这时可由 WDM构成子网，采用 OTDM高速信道将 WDM互连。 在子网中使用 WDM，可以增加网络的灵活性和可靠性，而 OTDM则是实现高速干线传输的有利途径。 2. 存在问题 OTDM的主要缺点是：此方案通常需要高速的开关器件。 另外，在高速下，网络的控制、稳定性和电处理性能受限。 而且，除非是孤子传输，否则短脉冲的传输受光纤色散和非线性效应的影响很明显。 不过，将来的系统可能采用某些形式的 TDM和另一种复用方式共同使用的方案。 光码分多址 码分多址 CDMA（ Code Division Multiple Access）技术作为一种多址方案它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。 近年来，光码分多址 OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。 光码分多址的基本原理 OCDMA技术在原理上与电码分多址技术相似。 电 CDMA主要通过分配码字获得多接入能力，码分多址最常见形式是扩频多址访问SSMA（ Spread Spectrum Multiple Access），其中每个用户分配一个特定的码序列，调制到载有数据的载波上，以比数据带宽宽得多的频带传输信号。 扩频多址访问技术包括直接序列（ Direct Squence）、频率跳变（ Frequency Hopping）、啁啾系统（ Chirp System）、发射时间跳变（ Time Hopping）。 尽管跳频、啁啾和跳时曾有应用到 OCDMA的报道，大部分 OCDMA研究还是集中在直接序列类型上。 OCDMA采用光特征码来编码和解码，不同的信息可共享一个时域、频域、空间域，它根据域值从通道的所有信号中选取所需的信号，光解码器的输出与输人信号和滤波器相匹配。 通常，为了保持较好的信噪比，特征码必须相互正交。 1．相干的 CDMA和非相干的 CDMA 在把用户信号转换为高速地址序列的过程中，光信号之间相互作用必须具有相干性条件，这一点与电 CDMA不同。 根据信号处理是否以相干为基础， CDMA通常分为相干和非相干两类。 前者采用相位移的双极性光序列；后者采用强度调制的码序，使用单极性码 —— 又称为准正交编码。 相干处理是电 CDMA通常采用的方法，其最主要的优点在于它具有较高的信噪比。 这主要是由于码间具有较好的正交性，可以产生较高的处理增益。 而在 OCDMA中比较常用的是非相干信号处理方法。 在OCDMA中，相干与非相干方式的编码区别体现了编解码过程中信号变换的本质，限制了系统所采用的地址码的类型，并最终决定系统的性能，因此相干与非相干的差别是最根本的；而 OCDMA系统由于相干光发展不够成熟，对于光波中。