（测试计量技术及仪器专业论文）太赫兹全光解复用器（toad）开关特性的理论研究.pdf

中文摘要 y s a l s s s 本文考虑半导体光放大器( s o a ) 的增益饱和与非线性增益压缩效 应，对皮秒脉冲情况下t o a d 全光解复用器的开关特性进行了理论研究。 在o t d m 系统中光脉冲宽度大于s o a 带内弛豫时间的条件下，从s o a 载流子密度速率方程和电磁场运动方程出发，推导了时延参考系下s o a 增益、光脉冲功率和相位的耦合方程组，建立了s o a 动态增益响应及光 脉冲传输的理论模型，研究了半导体光放大器的增益动态特性。在此基 础上，考虑增益饱和与非线性增益压缩效应及主耦合器的分光比，建立 了t o a d 器件的理论模型，进而研究和讨论了控制脉冲波长与信号脉冲 波长相同时和控制脉冲波长与信号脉冲波长不同时t o a d 的开关特性。 在s o a 动态增益响应及光脉冲传输理论模型的基础上，对s o a 增益、 光脉冲功率和相位的耦合方程组进行修正，分控制脉冲波长大于信号脉 冲波长( 正失谐) 和控制脉冲波长小于信号脉冲波长( 负失谐) 两种情 形，对t o a d 器件的开关特性进行讨论，分析表明，对于正失谐，开关 特性不仅没有改善反而当失谐量增大时开关特性逐渐恶化；对于负失谐， 开关特性有明显的改善，开关比得到了提高，但是存在一个最佳的工作 范围。理论结果与实验结果吻合得很好。 关键词：太赫兹全光解复用器( t o a d ) 、半导体光放大器( s o a ) 、增益饱和、非 线性罐f 益压缩、负失谐、全光交换 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h es w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e r a h e r t z o p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r s ( t o a d ) d e v i c e ss u b j e c tt op i c o s e c o n dp u l s e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，b y t a k i n g i n t oa c c o u n to fb o t hg a i ns a t u r a t i o na n dn o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o ni n t h e s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h eo p t i c a lp u l s ew i d t hi n o t d m s y s t e mi sm u c hl a r g e rt h a nt h ei n t r a - b a n dr e l a x a t i o nt i m e ，t h ec o u p l i n ge q u a t i o n s o f g a i n ，p u l s ep o w e r a n dp h a s eo ft h es o aa r ed e r i v e df r o mt h es o a c a r r i e r - d e n s i t yr a t e e q u a t i o n a n d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d e q u a t i o n i n ar e f e r e n c ef r a m e c o o r d i n a t e ；t h e t h e o r e t i c a lm o d e l so f d y n a m i c a lg a i nr e s p o n s eo f t h es o aa n do p t i c a lp u l s ep r o p a g a t i o n a r ec o n s t r u c t e da n dt h ed y n a m i c a lg a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o aa r es t u d i e di nd e t a i l b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft o a di sd e v e l o p e db yc o n s i d e r i n gg a i n s a t u r a t i o na n dn o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t o a da r ci n v e s t i g a t e di nt h ec a s e so ft h ec e n t r a lf r e q u e n c yo ft h ec o n t r o lp u l s ee q u a lt o a n dd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h es i g n a lp u l s e b a s e do nt h em o d i f i e dc o u p l i n ge q u a t i o n s a m o n g t h eg a i n ，p u l s ep o w e ra n d p h a s eo f t h es o a ，t h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t o a d a r ed i s c u s s e di nt h et w oc a s e so f p o s i t i v ea n dn e g a t i v ef r e q u e n c yd e t u a i n g i ti ss h o w nt h a t ， f o rt h ec a s eo f p o s i t i v ed e t u n i n g ，t h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t o a dd o n ti m p r o v ea n d b e g i n t od e t e r i o r a t ew h i l et h ed e t u n i n gi n c r e a s e s ；b u tf o rt h ec a s eo f n e g a t i v ed e t u n i n g ，t h e s w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft o a da c h i e v ei m p r o v e m e n to b v i o u s l ya n dt h es w i t c h i n g c o n t r a s tr a t i oi se n h a n c e da n dh o w e v e rt h ed e t u n l n gh a sa no p t i m a lo p e r a t i n gr a n g e t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i si ss h o w nt ob ei ng o o da g r e e m e n t 、v i t l la v a i l a b l ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：t e r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r s ( t o a d ) ，t h es e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，g a i ns a t u r a t i o n ，n o n l i n e a rg a i nc o m p r e s s i o n ，n e g a t i v e f r e q u e n e y - d e t u n e d ，a l l - o p t i c a ls w i t c h i n g 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 1 1 引言 1绪论 2 l 世纪人类将迈入一个高度信息化的社会，实现建设信息高速公路的梦想。美 国的大众科学杂志将信息高速公路描述为一个前所未有的、全球的、世界性的电 子通信网。它把地球上任意一个地方的人与其他地方的人联系起来，提供几乎是任何 种类的各种各样的可视化的电子通信。它把各类数据资源库充分联系起来，形成互相 交叉的网络，达到最大限度的资源共享。在高度信息化的社会里，发达的通信与信息 网络铺天盖地，遍及三百六十行，连接寻常百姓家。天涯海角，近在咫尺，整个地球 宛如一个小小的村庄，信息传输速率将达到每秒万亿比特( t b s ) ；基于网络高速互 联的计算机在人类活动中发挥着无与伦比的巨大作用，单个计算机的数据处理速度将 达到每秒万亿次( 1 i s ) 的量级；超高密度的光存储技术将把海量信息不可思议地浓 缩在一片小小的存储介质中，单片存储器的容量将达到万亿字节( t b ) 。由t b s 信息 传输、t s 信息处理和t b 信息存储所构成的3 t 模式将成为人类数字化生存最显著的 标志。未来的大学延伸为网络大学，未来的实验室扩展为网络实验室，未来的图书馆 演变为网络图书馆，未来的商务活动采用大量的电子商务的形式，未来的经济因 此被人们能称为网络经济或信息经济。而这一切都离不开信息光电子技术：光波的波 长非常短、频率极高，相应的潜在信息传输带宽为微波的上千倍；光子是一种电中性 粒子，光传输介质为非导电介质，因此光子的运动不受电磁干扰。凡此种种使得光电 子技术在信息领域的应用中独具优势。正如微电子技术对2 0 世纪人类文明所做出的 奠基性贡献一样，适应上述信息社会3 t 要求的信息光电子技术将成为新世纪信息社 会发展的基石和支柱。 1 1 1 光纤通信与全光网络 有线通信网在过去的很长时间里主要是为电话通信服务，其线路是利用铜线，采 用调幅、载波遏止、单边带传输方式，各路载波在频谱上依次排列。后来数字通信兴 起，采用脉冲编码调制( p c m ) ，组成1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s ，2 5 g b s ，1 0 g b s 各级群， 称为“同步数字序列( s d h ) ”，所有这些均采用时间划分的方式，称为电时分复用 ( e t d m ) 。 7 0 年代初，通信用的第一根低损耗石英光纤拉制成功，标志着通信方式开始从 传统的电通信向光通信转变。由于光纤具有低损耗、宽带宽、大容量、不易受外界电 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 磁干扰的优点，因此很快得到了广泛应用。在1 5 5 ，删波长附近的2 0 0 n m 范围内，光 纤有最低的传输损耗。由公式f = c 五，其中厂为频率，五为波长，c 为光速，可知 2 0 0 r i m 的对应带宽约为2 5 t h z 。在1 _ 3 a n 波长附近，也有约2 5 t h z 可利用的带宽。 这样，一根光纤可提供的理论传输带宽约为5 0 t h z 。但是，由于电子设备在现有技术 上所能达到的信号处理速度有限，目前串行电信号传输速率上限为4 0 g b s ，如果把 这最高速率的信号向光纤上的光载波直接调制，成为光纤传输的最高数字速率，也仅 是利用了光纤容量的千分之一，而光纤本身却有很大的潜在容量，因此光纤受到 e t d m 最高速率的限制，称为“电子瓶颈”。另外，在目前已付诸实施的光纤通信系 统中，存在着很多的光电光转换，这极大地限制了光纤的传输容量和传输速率。 在过去的十年中，尽管光纤通信的容量提高了1 0 0 倍，但还远远没有发挥光纤带 宽的巨大潜力。随着信息社会的到来，能极大丰富和改善人们通信效果和质量的宽带 视频、多媒体业务、基于i p 的实时准实时业务等新兴数据业务将大量涌现，每个用 户的需求带宽和用户数都将大幅增长，预计1 6 0 g b s 系统将于2 0 0 5 年有实际需求。 特别是i p 技术的发展产生的对网络带宽的巨大市场需求，要求有更先进的传输方式。 i p 业务量以微处理器行业摩尔定律的2 3 倍的速率高速增长，即每6 9 个月翻一 番。现在以i p 为首的数据业务和话音业务的比例为2 ：8 ，在未来的几年中，两者的比 例将颠倒过来，即数据业务占总的通信业务的8 0 ，而话音业务只占2 0 ，通信业 务将由传统单一的电话业务转向高速i p 数据和多媒体为代表的宽带业务。由于i p 业务与话音业务相比具有突发性、不对称性、业务量增长不可预见等显著不同的特点， 基于传输话音业务的传统骨干网络已越来越不能满足高效传输要求，急需更新换代。 因此，未来通信网的发展趋势将是组建高速、大容量、灵活高效、适合传输i p 业务 的全光网络，打破信息传输的“瓶颈”，从而在很长的时间内能够适应高速宽带业务 的带宽需求。 全光通信网络是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不 需要经过光电、电光转换，信息从源节点到目的节点的传输过程始终在光域内，波 长成为全光网络的最基本积木单元。全光通信网的实现，可以分为两个阶段来完成： 首先是在点一点光纤传输系统中，整条线路不作任何光电和电光的转换，这样，网 内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提 高的困难，如此整个光纤通信网任一用户地点可以做到与任一其他用户地点实现全光 传输，这样就组成全光传送网：其次在完成上述用户间全程光传送网后，有不少的信 号处理、储存、交换，以及多路复用分接、进网出网等功能都要由电子技术转变成 光子技术完成，整个通信网将由光实现传输p a # t - 的许多重要功能，完成端到端的光传 输、交换和处理等，实现真正意义上的全光通信。 由此可见，全光通信网络具有以下优点： 2 堡主堡苎奎堑垄全垄篓茎旦堂! 翌竺! 茎茎竺丝塑墨堕型壅 1 能够提供巨大的带宽； 2 与无线或铜线相比，处理速度高且误码率低； 3 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制； 4 采用较多的无源光器件，省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高网络 整体的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。 全光网络主要由密集波分复用( d w d m ) 系统、光放大器、光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 等组成。有星形网、总线网和树形网三种基本类型。全光 网络中的关键技术主要包括光交换光路由( 全光交换) 、光交叉连接、全光中继和光 分插复用等。 目前，国际上对全光网技术的研究可以说是热浪滚滚，已建立了多个试验网，如 北美的m o n e t 、n t o n 、i c o n 、w e s t ，欧洲的p h o t o n 、o p e n 、m e t o n 等。 1 1 2 光网络中的波分复用与解复用器件 新一代光网络要将传输容量进一步扩大，应采取的措施是：单信道速率的提高十 光波分复用技术。光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是在一 根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光 信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又 将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的 终端，因此又称为光波长分割复用。密集波分复用( d w d m ：d e n s ew a v e l e n 【g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 是指同一窗口中波分复用的信道间隔非常小，目前该系统是在1 5 5 0 n m 波长区段内，同时用8 ，1 6 或更多个波长，在一对光纤上( 也可采用单光纤) 构成的 光通信系统，每个波长之问的间隔为1 6 n m ，o 8 n m 或更低，对应约2 0 0 g h z ，1 0 0 g h z 或更窄的带宽。 目前，工程铺设的光纤通信系统单信道传输容量已达1 0 g b s ，研制成功的d f b 激光器与量子阱电光调制器单片集成的光源，其最高调制带宽已达4 0 g h z ，己接近 商用。密集波分复用的通道波段从传统的c 波段扩展到l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 0 r i m ) 和s 波段( 1 4 5 0 1 5 3 0 n m ) ，波长通道将可能扩充到上百个，传输容量的潜力可以达到 2 0 t b s 以上。西门子、n e c 、朗讯、a l c a t e l 等公司已成功完成3 t b s 大容量w d m 光 纤传输实验，1 0 t b s ( 4 2 7 g b i t s x 2 5 6c h ) 超大容量的传输实验也已经有报道“1 。 w d m 技术中的关键部件是光波分复用器和解复用器，将不同光波长的信号结合 在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器，反之，经同一传输光纤送来的多波长 信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。w d m 系统对光波分复用器和解 复用器的特性要求是：损耗及其偏差小、信道间的串扰小、通带损耗平坦、低的偏振 硕士论文太赫兹全光解复用嚣( t o a d ) 开关特性的理论研究 相关性等。 w d m 系统中用的光波分复用器和解复用器主要有介质膜滤波器、各种光栅、星 形耦合器等形式： 光栅型光波分复用器 图1 1 1 为闪耀光栅型波分复用器结构示意图，闪耀光栅直接刻制在自聚焦透镜 的后端面上，多波 长光信号输入到光 纤阵列中的某一根 光纤内，经透镜聚冬 焦后射向闪耀光争 栅。由于光栅的衍 2 + 2 ：+ 2 ，+ 2 射作用，不同波长 图1 1 1 光栅型波分复用器 的光信号以方向略有差异的平行光束返回透镜传输，再经透镜聚焦后，以一定规律分 别注入输出光纤中，这种复用器可以双向使用，不同波长的光信号可以合并到一个输 出口，而一束混合的多波长光信号可以分解到多个输出口( 每一个波长的光信号对应 一个输出口) 。 介质膜滤波器型光波分复用器 介质膜滤波器型光波分复用器的基本原理是利用多层介质膜的滤光作用进行复 用或解复用，图1 1 2 为该类型复用器的结构示意图。 - ) 健将t ”雏挎l 图1 1 2 介质膜滤波器型光波分复用器 武汉烽火通信公司利用该技术推出的4 0 通道1 0 0 g t l z 窄带滤波片密集波分复用 解复用器，隔离度高( 相邻通道隔离度 2 8 d b ，非相邻通道隔离度 4 0 d b ) ，带宽宽 ( 0 5 d g 带宽 o 3 5 n m ) ，4 0 个通道在整个通带内的插入损耗低于6 0 d b ，且无需温控。 夺阵列波导光栅( a w g ) 型光波分复用器 波导阵列型光栅器件的结构如图1 1 3 所示，由输入输出波导群、两个盘形波导 及a w g 一起集成在衬底材料上而构成。各波导路径长度差所产生的效应与闪耀光栅 4 硕士论文 太赫兹全光解复用嚣( t o a d ) 开关符住的理论 充 沟槽作用相当，从而起到“光栅”之用，输入和输出端通过扇形波导与a w g 相连。 当某根输入光纤中含有多波长信号时，则在输出端的各光纤中分别具有相关波长的光 信号。由于利用了n n 的矩阵形式，即在n 个不同波长上可同时传输n 2 路光信号， 因此可以实现数十个乃至上百个波长的复用和解复用。 j r ” - 1 0 0 m 翳 抬茹川嚣 图1 t 3a w g 型波分复用器 日本n t t 公司采用平面光波回路( p l c ) 技术，开发了一种新型低串音6 4 信道 级联a w g 波分复用解复用模块口1 ，整个器件的插入损耗为3 3 d b ，信道间隔5 0 g h z ， 串音8 2 d b ，模块结构紧凑，尺寸仅为1 3 3 4 3 m m 2 。 1 1 3 波分复用系统存在的问题 尽管采用w d m 技术可以极大地扩展单根光纤通信的能力，但波长资源总是有限 的，而且若波长信道过多、信道间隔过窄时，需要解决信号再生、放大、信道串扰等 一系列问题。此外，当复用的信道数较多时，为控制系统的误码率，每个信道需要保 持一定的功率，这样就会使光纤中的总功率变得很高，导致光纤中非线性效应( 比如 受激拉曼散射( s r s ) 、自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 和四波混频( f w m ) ) 的产生及恶化，影响系统的性能。因此。在采用w d m 技术，努力增加波长信道的同 时，还应该尽可能地提高单一波长上的传输速率。由于电子瓶颈的限制，采用电时分 复用提高单信道速率目前只能达到4 0 g b i t s ，但采用光时分复用( 0 t i ) m ) 技术却可 以使单信道速率进一步提高。由此可以看出，w d m 和o t d m 技术的结合，不仅是 进一步扩充传输容量的途径，同时对特定系统的实用性与经济性提供了优化选择的机 会 3 - 1 0 。日本n t t 公司在发展w d m o t d m 复用系统方面做出了代表性的成就。该 公司已用o t d m 在单个波长上复用到1 0 0 g b s ，再采用w d m ，复用1 0 个波长，成 功实现了1 t b s 容量的传输“，到2 0 0 0 年时单波长速率已达到6 4 0 g b s “。 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 1 2 光时分复用( o t d m ) 系统及其技术优势 1 2 1o t d m 系统 o t d m 技术是当比特率超过4 0 g b s 时，为了克服高速电子器件和半导体激光器 直接调制能力的限制所采用的扩大传输容量的一种复用方式“3 1 “。它是用多个电信道 信号调制具有同一光频的不同光信道，在光域内经过时分复用后在同一根光纤中传输 的扩容技术。这种方法使用宽带光电器件代替了高速电子器件，因而避开了因电子器 件造成的瓶颈，是一种构成高比特率传输的很有效的技术。图1 2 l 以4 1 0 g b s 为 例，给出了典型的o t d m 点对点传输系统的示意图。图中粗线代表光信号传输路径， 细线代表电信号传输路径。在发送端，用频率等于o t d m 单信道速率b 的电时钟驱 动光脉冲发生器，产生重复频率为b 的短光脉冲流( 此处b = 1 0 g h z ) ，经分光器分 为n 列独立的光脉冲流( 在图中n = 4 ) ，每一列光脉冲流经不同长度的光延迟线作不 同的延时后( 时延一个时钟周期的几分之) ，又被比特率为b 的n 个电数据信道分 别调制，然后经光复用器复合，产生比特率为n b 的o t d m 光脉冲流( 图中为4 0 g b s ) 。 图1 21 4 x1 0 g b s o t d m 点到点传输系统示意图 经光纤传输( 中间可能要经过光再生、光中继或传输控制等过程，视需要而定) ， 到达接收端后，光时钟恢复模块从传来的总线光脉冲流中恢复出o t d m 单信道速率 的光时钟，用此光时钟驱动光解复用模块和误码检测模块，以控制光解复用器将总线 脉冲流解复用回n 个不同的光数据信道，这n 个不同的光数据信道经n 个不同的光接 收机后转变为电信号，分别在电域内处理。 6 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 1 2 2o t d m 技术优势 o t d m 技术之所以引起了人们广泛注意，是因为它能够克服w d m 技术本身所 固有的某些严重缺陷“3 ”1 ：光放大器级联引起的光谱非均匀性；非理想滤波器特性 及不完善光开关引起的信道串扰；复杂控制所需波长的稳定性；昂贵的多波长光源等。 这些问题的绝大多数类似于电t d m 技术引入以前在频分复用同轴电缆连接中所遇到 的。与之相反，o t d m 本身有利于光数字信号处理技术，如正在发展中的全光“3 r ” 再生及位串行处理技术。并且，o t d m 所具有的下列许多特色使之在未来的网络技 术中很有吸引力： 冷光源波长稳定性要求较低，因此光源及其驱动和稳定模块较简单； 夺不需要昂贵的多波长光源阵列和稳定性很好的光滤波器： 夺根据o t d m 本身的数字特性，可利用“2 r ”或“3 r ”再生器克服光纤的色散、 非线性效应和线路中的随机因素引起的各种噪声： 夺对光放大器的带宽与增益平坦度要求较低，不需要复杂的增益均衡技术，且可以 级联； 夺只需对一个波长进行色散补偿，色散管理技术实施相对简单且有效： 夺超高速数据( 1 0 0 g b i v s 以上) 接入和分插复用方式简单： 夺与目前成熟的s d h 传输系统与a t m 网络兼容性好，连接和匹配相对简单： 夺需要电子器件的网络节点可以仅工作在本地数据速率。 1 3o t d m 技术的进展与国内外研究现状 9 0 年代中期以后，w d m 光纤传输系统得到了广泛的应用，世界上的许多国家， 包括我国，已经铺设了大量的w d m 光纤传输系统。在点对点w d m 系统的基础上， 以波长路由为基础，引入光交叉连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) 节点，建立 具有高度灵活性和生存性的网络，已成为当今w d m 技术研究的重点。 与w d m 不同，o t d m 还没有走向商用。一方面是因为目前w d m 技术方兴未 艾，潜力还远远没有发挥出来，另一方面是因为o t d m 的许多关键技术，如超短光 脉冲的长距离传输、光同步、解复用及o t d m 分插复用模块等尚未圆满解决。以前 一般认为o t d m 只能用于最高层次干线网络，如大国及国家与国家之间的网络，因 为这些网络的容量巨大。但随着研究的深入，某些器件技术已经达到相当高的水平， 因此可以考虑将o t d m 应用于直达终端用户的网络。如超高速局域网( l a n s ) 和多 处理器互联网等，相对于长距离来说，这些网络对超高速率脉冲传输的技术要求不是 那么苛刻。 因为o t d m 有诸多技术优势与应用前景，吸引着国内外越来越多的科研机构与 硬士论文太赫兹全光解复用嚣( t o a d ) 开关特性的理论研究 大学的科研工作者对其进行广泛的研究，美国的a r p a 计划、欧洲的r a c e 计划及 新近制定的a c t s 计划均有一大部分发展o t d m 技术的内容，日本的n t t 、美国的 贝尔、法国的阿尔卡特等著名的公司和实验室对光时分复用传输系统和网络均作了大 量研究。围绕着1 0 0 g b i 体以上的速率进行各种技术的实现，如在色散均衡、分频锁 相环路、定时提取技术以及超连续变换限制脉冲等，己获得很大突破“”1 。我国的“八 六三”计划信息领域“十五”( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 期间通信技术主题建议书也对研究o t d m 技术作了明确规定。目前，在o t d m 技术研究进展方面比较有代表性的有：日本n t t 公司利用飞秒光脉冲，成功的将单信道速率6 4 0 g b i t so t d m 信号传输了1 0 1 k m ， 另外，他们还实现了3 t b i s ( 1 6 0 g b i t s 1 9 c h ) o t d m 恕仍m 系统1 ，t o h o k u 大学 采用预啁啾技术，对三阶和四阶色散同时进行补偿，在7 0 k m 距离上成功传输超高速 o t d m 信号，其单信道速率达1 2 8 t b i “s o “，大阪大学利用超连续( s c ) 完成了从 o c 1 9 2 ( 9 9 5 3 g b s ) 0 t d m 信号到4 o c 一4 8 ( 2 4 8 8 g b s ) w d m 信号的转换。“：加 拿大北电网络公司采用重复频率为4 0 g h z 的半导体锁模激光器，在标准单模光纤上 将o t d m 信号传输了4 8 0 k m ，单信道速率为1 6 0 g b i t s ”；a l c a t e l 公司在2 0 0 2 年o f c 会议上报道了他们的研究进展，采用波长透明的4 4 0 g b i t s 的e t d m 发射机和接收 机，实现了单信道1 6 0 g b i t so t d m 信号的传输o ”；美国海军研究实验室利用基于 l i n i 0 3 强度调制器的光予串一并行转换器实现了从1 0 0 g b i t s 至8 路并行1 2 5 g b i t s 的 完全解复用 2 9 3 1 贝尔实验室利用1 0 0 g b i t s 的o t d m 互联演示了多信道广播。，利用 r f 数字移相器作为超快o t d m 网络的信道选择器o “；北京邮电大学研制了可用于4 1 0 g b so t d m 系统的基于电吸收调制器( e a m ) 的光分插复用器( o a d m ) 。“。 从上面已经给出的o t d m 的研究进展可以看出，尽管o t d m 相对w d m 有如此 多的优势，但它们并不是两种不相容或相互对立的技术，它们完全可以在同一网络中 共存。实际上，这两种技术完全可以通过波长复用大量o t d m 信道而结合在一起， 从而得到更大的总线容量。从长远看，在大容量、易于接入和易于控制的网络中， o t d m 与w d m 将会结合运用，展现了一幅诱人的前景。 1 4 本章小结 本章首先概述了光子信息技术的重要性；介绍了光纤通信与全光网，包括全光通 信的崛起，光网络的优势，构建全光通信网的主要途径和国际上对全光网络的研究进 展；简要描述了当前长途光纤通信系统中普遍采用的波分复用( w d m ) 技术，重点 介绍了波分复用系统中的几种复用与解复用器件，概述了这些关键器件的研究现状： 最后指出了波分复用系统存在的问题。本章第2 节介绍了o t d m 技术和其系统组成， 阐明了o t d m 相对于w d m 在技术上的优势，指出二者并不是两种不相容或相互对 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 立的技术，它们完全可以在同一网络中共存，并且w d m 和o t d m 技术的结合，不 仅是进一步扩充传输容量的途径，同时对特定系统的实用性与经济性也提供了优化选 择的机会。第3 节简单介绍了o t d m 技术的国内外研究现状。 在第2 章将介绍o t d m 系统的众多关键技术，如超短脉冲光源、时分复用及解 复用、光定时提取、信号的传输与控制等，重点介绍o t d m 系统的光时分解复用核 心技术和太赫兹全光解复用器( t o a d ) ，最后介绍本文研究的内容和所做的主要工 作。 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 2o t d m 系统的关键技术 从第1 章1 2 1 节的图1 2 1 可以看出，o t d m 高速光通信系统主要由超短脉冲 光源、光时分复用解复用、光定时提取、信号的传输与控制等几大部分组成。这些 功能的实现与一般的光通信系统采用的方式不同( 接收机除外，它既可以采用常规的 非归零( n r z ) 方式，也可以采用o t d m 归零( r z ) 方式) ，o t d m 采用的是r z 方式。下面将对o t d m 系统的这些关键技术分别加以介绍。 2 。1 超短脉冲光源 o t d m 要求光源产生高重复率( 5 2 0 g h z ) 、占空比相当小、接近变换限制( 以 利于长距离传输) 、可以与终端设备同步的超短光脉冲。脉冲宽度越窄可以复用的路 数越多，但相应的谱宽也就越宽。能满足这些要求的光源主要有：锁模光纤环形激光 器( m l f r l ) “、锁模半导体激光器o “；d f b 激光器+ 电吸收调制器( e a m ) 、增 益开关d f b 激光器。”及超连续( s c ) 脉冲发生器”6 。”。其中：a ) m l f r l 的最大特 点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在4 0 g h z 的高频范围不需要进行啁啾补偿或脉冲压 缩，就能产生皮秒级的超短变换限制( t l ) 光脉冲，输出波长较灵活，稳定性好， 但技术较复杂，是一种很有前途的o t d m 光源。b ) d f b 激光器+ e a m 的特点是重 复速率仅受调制器限制，容易与外部信号同步，可产生接近于t l 的光脉冲，脉宽1 5 p s 左右，最小9 p s ，稳定性好，但脉冲宽度较宽，与m l f r l 相比，结构简单，且e a m 已经商用。c ) 增益开关d f b 激光器具有动态单模特性，在1 0 g h z 重复频率下，输 出脉冲经简单的啁啾补偿( 用正色散的色散位移光纤或啁啾光纤光栅) 和滤波，可压 缩到5 p s ，结构简单、紧凑、廉价、稳定性好、速度灵活、技术成熟。d ) s c 光源的 特点是强泵浦脉冲的频谱在某一连续范围被展宽而脉冲的性质不变，它能产生脉宽小 于1 p s 的t l 光脉冲，波长可变，频谱宽( 2 0 0 r i m ) ，目前还不太成熟。 2 2 光时分复用器 光时分复用器1 ”将较低速基带信号复用成较高速信号，可分成采样、定时和复 用三个过程。采样的作用是对输入的基带数据流进行采样，从而识别每个输入比特的 值；定时的作用是保证每个取样占用复用信道上合适的时隙；复用的作用是将所有的 取样基带数据流合成为较高比特率的复用数据流。 图2 2 1 给出了可以在复用之前用于采样输入数据的e o 转换器。如图所示，从 激光器出来的短光脉冲入射到用电数据流驱动的光调制器上，对电输入数据进行采 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 样，使电域的非归零( n r z ) 数据转化为光域的归零( r z ) 数据。实际上，电数据 流既可以是r z 格式，也可以是n r z 格式，但通常n r z 格式更可取，因为它对基带 数字电子器件、调制器和驱动放大器的带宽要求最小。此处的调制器可以是l i n i 0 3 波导电光调制器或其它的电光调制器。 在e o 转换器采样基带数据之 后，可以利用光复用器对各基带光数 据流复用。光复用器既可以是无源 的，也可以是有源的。无源光复用器 含有如光纤定向耦合器之类的器件， 而有源光复用器含有如有源光开关 之类的器件。无源复用器结构简单， 但损耗大，而有源光复用器中的损耗 n r z 蝴 图2 21 用于采样输入数据的e o 转换器示意图 从原理上说是比较小的，因为每一个器件的损耗是相当小的，而且在多于两个基带信 道的系统中，在- - + 片基片上集成光开关阵列可以极大地降低复用损耗，如基于平面 光波回路( p l c ) 技术的光时分复用器“。 2 3 光定时提取 光时钟提取“”模块是光纤数字通信中最基本的功能模块之一，它将直接影响光 信号再生、光时分解复用、路由选择器、信道选择器和接收机等信号处理功能模块的 性能。在低速率通信系统中，应用电子技术实现时钟恢复就非常困难。光时钟提取指 的是用光学方法从光信号脉冲中提取出低时间抖动的同步时钟信号，包括恢复分组级 的时钟和比特级的时钟。光时钟恢复一般是借助两列波在某种光学非线性介质中发生 相互作用( 如交叉相位调制( x p m ) 、交叉增益调制( x 0 m ) 、四波混频( f w m ) 、 锁模、注入锁定等) ，从输入光信号中提取出分组级或比特级的时钟。适于作相位检 测的光学非线性介质主要有两种，一种是保偏光纤( p m f ) ，另一种是半导体光放大 器( s o a ) 。目前利用非线性介质构成了不同的器件，并利用不同的器件构成了各种 各样的光时钟恢复模块，归纳起来大致可分为两大类：注入锁模或注入锁定光时钟恢 复、电光锁相环( p l l ) 光时钟恢复。 注入锁模光时钟恢复“”是利用输入信号光脉冲对激光腔内的光进行周期性的 调制或增益调制实现锁模，或利用信号光脉冲对自脉动半导体激光器进行注入锁定， 最终从输入信号光脉冲流中提取出时钟信号。利用这种方案，研究人员已经成功地进 行了时钟提取，近期比较有代表性的有：1 9 9 6 年w a p e n d e r 等人h 9 1 利用锁模光纤环 形激光器作为时钟提取模块，演示了4 0 g b so t d m 信号的全光再生器；2 0 0 0 年德国 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 的c b o m h o l d t 等人啪3 及美国的、) l ，m a o 等人。“都利用自脉动d f b 激光器从4 0 g b s 的输入数据流中全光提取出了4 0 g h z 的光时钟信号；2 0 0 0 年日本的n e c 公司利用 锁模半导体激光器“，分两步从4 0 g b s 的数据流中提取出了1 0 g h z 的光时钟信号( 第 一步先从数据流中恢复出与输入数据流同样速率的时钟，即4 0 g h z ：第二步再恢复 出分谐频时钟，此处为1 0 g h z ) ，并利用此时钟信号控制了从4 0 g b s 到1 0 g b s 信号 的解复用。 第二类光时钟恢复模块是采用电光锁相环( p l l ) 技术“”5 5 1 。图2 2 2 给出了用行 波半导体光放大器( t w a ) 作为相位检测元件的电光 锁相环时钟恢复结构示意 图。电光锁相环的原理与 一般电锁相环类似，也是 由相位比较器( 又称鉴相 器) 、环路滤波器( l f ) 和 压控振荡器( v c o ) 三个 基本部件构成。输入光信 号和预标定时钟光信号一 光信号 辅 瞄2 22 以t w a 为相位检测元件的电光锁蕺l 环时钟提取结构示意赳 ( w d m ：波分复用器，o b f ：光带通滤波器，p d ：光电检测器，l o ： 本振l f ：环路滤波器，o c g ：光时钟发生器) 起注入相位比较器，由相位比较器来探测光信号和光时钟之间的相位差并转变为电压 信号，通过l f 滤出低频分量，然后驱动v c o 输出时钟信号。另外，从v c o 输出的 相位信号通过一个负反馈环节反馈到输入端，构成锁相环，以此来跟踪输入信号的相 位抖动。采用电光锁相环时钟恢复，由于相位比较器中的光电检测器只需监测频率较 低的脉冲相位分量，对光电检测器的响应速率要求较低，因而它正好结合了光信号处 理和电信号处理的优点，避开了两者的缺点。电光锁相环时钟恢复是非常有应用前景 的光时钟恢复技术。目前在实验中已经用电光调制开关5 ”1 、s o a 增益调制开关5 ”、 光纤四波混频开关。、非线性光环路镜开关“”及s o a 四波混频开关“”等光子开关作 为相位检测元件，构成了电光锁相环时钟恢复结构，己完成从5 0 g b s 到5 0 0 g b s 数 据信号中成功提取6 3 g h z 和1 0 g h z 时钟信号的实验。如2 0 0 0 年贝尔实验室“2 3 以电 吸收调制器作为鉴相器，采用电光锁相环结构，分别从4 0 g b s 、8 0 g b s 和1 6 0 g b s 的o t d m r z 数据流中提取出了1 0 g h z 时钟信号。 2 4 信号的传输与控制 光纤损耗、色散和非线性效应是限制高速光纤传输系统放大器间距和总传输距离 的三个主要因素，因此o t d m 信号传输与控制技术的研究也主要是围绕这三个方面 1 2 硕士论文太赫兹全光解复用器( t o a d ) 开关特性的理论研究 来进行”“。 光纤损耗可以采用光纤拉曼放大器( f r a ) 、半导体光放大器( s o a ) 、掺铒光纤 放大器( e d f a ) 等光放大的方法加以克服。f r a 是一种分布放大，具有带宽宽 ( 5 t z ) 、增益高、输出功率大、响应快、与系统连接方便等优点，适合于放大短 光脉冲，但缺点是泵浦效率低，需要很大的泵浦光功率。传统s o a 的主要问题是高 的噪声系数、串话、工作稳定性差和对偏振敏感，但9 0 年代初发展起来的量子阱材 料又使s o a 的性能得以迅速提高，有诸如体积小、功耗低、价格便宜、能与其它半 导体光电子器件集成等优点。e d f a 的主要优点是增益高、带宽宽、输出功率高、泵 浦效率高、易于与光纤耦合、对偏振不敏感等。但多个e d f a 级联时，其放大的自发 辐射( a s e ) 噪声积累也会对传输距离产生限制。 光纤色散的影响将使系统的性能变坏甚至通信不能进行。为了克服光纤的色散， 先后有色散位移光纤( d s f ) ，色散渐减光纤( d d f ) 等制造出来并用于实验，利用 普通正负d s f 的搭配所设计的传输线、光纤光栅进行色散补偿也有满意的效果。另 外，采用一种称为中程光谱反转( m i d s p a ns p e c t r a li n v e r s i o n ：m s s i ) 的技术也可以 很好的实现色散补偿啡1 。应用m s s i 技术，2 0 0 0 年德国的im e r k e r 等实现了8 0 g b s t 0 6 k m 的o t d m 信号传输”“。 光纤传输系统中的非线性效应主要包括受激拉曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射 ( s b s ) 、四波混频以及光克尔效应等，为了减小非线性效应的影响，可以选择合适 的光纤参数，降低s r s 和s b s 的功率阈值，在保证足够大的传输功率的前提下控制 e d f a 的输出功率。 具有信号处理功能的全光再生中继技术也将应用到未来超高速光信号传输系统。