（物理电子学专业论文）超高速光时分复用通信系统关键技术研究.pdf

天津大学博士学位论文 摘要 近十年来，多媒体交互式业务、因特网业务和宽带综合业务数字通信网络迅 猛发展，对数据信号传输速率和传输带宽提出了更高的要求，通信容量几乎成指 数增长。以超高速光时分复用( o t d m ) 技术和密集波分复用( d w d m ) 技术为核心的全 光通信网络，已成为国际上通信领域研究的热点，特别是超高速o t d m 技术是实 现超大容量( t b i t s ) 通信传输速率的首选方案。 本论文的研究工作，主要是围绕超高速o t d m 通信系统的关键技术来开展的， 在理论方面：较为全面的分析和总结了超高速o t d m 通信系统的关键技术；对锁模 半导体激光器的基础理论进行研究，并对其瞬态特性和闽值电流特性进行了数值 模拟，建立了合理的锁模半导体激光器模型，为后续的实验工作提供了必要的理 论指导；对多量子阱外腔混合锁模半导体激光器的噪声特性和啁啾特性进行了理 论研究，通过数值计算和仿真分析，对实验中i o g h z 混合锁模半导体激光器进行 了优化设计；对达到变换极限、高重复频率、多量子阱、外腔型、混合锁模半导 体激光器( i o g h z ) 的基础理论，进行了相关研究。 在实验方面，课豚组制作并调试了一套多量子阱外腔混合锁模半导体激光器 的实验装置，能够实现具有脉宽窄( 2 9 p s ) 、频率啁啾小( at u o 4 3 ) 、时 间抖动性小( o 6 p s ) 、较小的饱和吸收能量( i p 5 ) 、超快的恢复时间( 8 p s ) 、 高重复频率( i o g h z ) 、可精确控制波长( 1 5 5um ) 、波长调谐范围大( 3 5 n m ) 、 结构简单、集成度高、稳定性好、易于长期工作的超高速超短脉冲通信光源，取 得了良好的实验效果；对i o g h z 超高速光时分复用系统通信光源的实验研究，主 要包括i o g h z 通信光源的白发辐射光谱特性、荧光光谱的蓝移现象、连续激光功 率与增益电流的关系、锁模脉冲光谱特性、高重复频率锁模脉冲波形、锁模脉冲 宽度、锁模光脉冲的r f 谱和锁模脉冲光功率的理论计算等方面；利用多量子阱 混合锁模半导体激光器( i o g h z ) 的实验装置，进行了超高速4 0 g h z 光时分复用 o t d m 通信技术的实验研究，实现了仅列用一个波长为1 5 5um 的超高速l o g b s 光脉冲信号源，就能够产生重复频率为4 0 g h z 、脉宽为3 p s 的超高速、超短脉冲 光源，即4 0 g b s 超高速光时分复用信号产生系统，是超高速光纤时分复用o t d m 通信系统中的理想光源。 天津大学博士学位论文 本论文的创新之处： 1 在国内首次对多量子阱外腔混合锁模半导体激光器的噪声特性和啁啾特 性进行了理论研究，通过数值模拟计算和仿真分析，对实验中混合锁模半导体激 光器( i o g h z ) 进行了优化设计； 2 在国内首次制作并调试了一套多量子阱外腔混合锁模半导体激光器 ( i o g h z ) 的实验装置，成功实现了接近带宽变换极限( o 4 3 ) 、高重复频率 ( i o g h z ) 、窄脉宽( 2 9 p s ) 的超高速、超短脉冲通信光源，取得了良好的实验 效果； 3 在国内首次利用多量子阱混合锁模半导体激光器( i o g h z ) 的实验装置， 开展了超高速光时分复用o t d m 技术( 4 0 g h z ) 的实验研究，获得了4 0 g b i t s 的 超高速、超短脉冲信号光源。 关键词：超高速光时分复用技术：锁模半导体激光器；多量子阱：超高速全光 信息处理技术；主动锁模技术；被动锁模技术；混合锁模技术：碰撞 脉冲锁模技术；注入锁模技术；变换极限脉冲 i i 天津大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e so ft h ec o m m u t a t i v em u l t i m e d i as e r v i c e s t h ei n t e m e t s e r v i c e sa n dt h eb r o a d b a n di n t e g r a t e d s e r v i c e s d i g i t a l n e t w o r k s ( i s d n li nt h el a s t t e ny e a r s ，i tb e c o m e se v i d e n tt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yi sb e i n gi n c r e a s e da t e x p o n e n t i a ls p e e d ，s o t h e h i g h e rd e m a n d sa r ep u tf o r w a r df o rt h et r a n s m i s s i o n v e l o c i t ya n dt h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hn o w i th a sb e c o m e ah o t s p o ti nt h ef i e l do f t e l e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ht h r o u g h o u tt h ew o r l d w h i c hi st h ea 1 1 o p t i c a ln e t w o r k c o m m u n i c a t i o na s s o c i a t e dt h e u l t r a - h i g h s p e e do p t i c a l t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o t d m ) t e c h n o l o g y w i t ht h ed e n s e - w a v e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g y i n p a r t i c u l a r , t h eu l t r a h i g h s p e e d o t d mt e c h n o l o g yi st h ef i r s tc h o i c ef o rt h e u l t r a h i g h s p e e da n du l t r a l a r g e c a p a b i l i t yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( t b i t s ) t h e p a p e ri sm a i n l yi n v o l v e di nt h eu l t r a h i g h s p e e do t d mk e yt e c h n o l o g i e s ，a s e r i e so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nt h e u l t r a h i g h s p e e d o t d m c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h ew o r ka r ea s f o l t o w s ：f i r s t l y , t h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h eu l t r a h i g h - s p e e do t d mc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m i s r e v i e w e d ，s u m m a r i z e da n dd e s c r i b e da t l e n g t h s e c o n d l y ，t h e b a s i c p r i n c i p l e so ft h em o d e l o c k e d1 a s e rd i o d e s ( m l l d s ) a r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e m o m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h et h r e s h o l d c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i ， q u a n t u m - w e l l ( m q w ) e x t e r n a l c a v i t yh y b r i dm l l d s a r eg i v e nr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa r ep e r f o r m e di n s i d ec o u n t r y m o r e o v e r , t h ee x p e r i m e n t a i m o d eo ft h em l l d si so p t i m i z e da tb e s t a n dt h er e a s o n a b l et h e o r i e so fm l l d sa r e p r o v i d e df o rt h el a s te x p e r i m e n t a t i o n t h i r d l y , t h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec h i r p c h a r a c t e r i s t i c so ft h e m q we x t e r n a l c a v i t y l w b r i dm l l d sf 1 0 0 h z ) a r ef i r s t l y p r e s e n t e da th o m e b yt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s t h e10 g h zm q wh y b r i dm l l d s a r e o p t i m i z e da n d d i s c u s s e di n t e s t f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l t h e o r i e so fn e a r l y t r a n s f o r m l i m i t e dp u l s e ，h i g h e rr e p e a t i n gr a t e ( 1 0 g h z ) ，m u l t i - q u a n t u mw e l l s ，e x t e r n a l ，c a v i t y m o d u l a t i o na n dh y b r i dm o d e 1 0 c k e dm l l d sa r e p r o v i d e da n dd i s c u s s e d s e r i o u s l yi nt h er o u n d ， i nt h ee x p e r i m e n t a la s p e c t s ，f i r s to f a l l ，as e to fe x p e r i m e n t a ls e t u pb a s e do nt h e m q we x t e r n a l - c a v i t yh y b r i dm l l d s ( 1 0 g h z ) i sf i r s t l yp u tu pa n dt e s t e da th o m e ，s o w eh a v eh a dab e t t e re x p e r i m e n t a lr e s u l ti nt h ef i e l da tp r e s e n t 0 1 1 rr e s e a r c ht e a m h a v ea c h i e v e dt h eu l t r a s h o r tc o m m u n i c a t i o np u l s ew i t hl e s s e rp u l s e ，w i d t h ( 2 9 p s ) 1 e s s e rc h i r p i n g ( o 4 3 ) ，l e s s e rt i m ej i t t e r y ( l o t b i t s ) 和超长距 离( 2 0 ，0 0 0 k m ) 的全光通信网络发展。 1 0 1 2 其中，o t d m 技术的目标主要是针 对未来的超高速信息网。在传统的电时分复用( t d m ) 光纤通信传输系统中，支路 信号的复用和解复用、发送和接收单元、时钟提取电路、信号再生器都必须工作 于高速复用信号速率上，使得这些电子器件的速率和带宽日益成为高速数据传输 的电子瓶颈。而与t d m 相比，超高速o t d m 通信系统中电光( e o ) 和光电( o e ) 转 换分别位于复用之前和解复用之后，电子器件及e o 和o e 变换单元只工作于支 路信号速率上，信号的复用、解复用、再生和时钟提取则采用高速全光信号处理 技术等，可见超高速o t d m 技术是一种应用潜力巨大的光纤通信技术。但与d w d m 技术相比，o t d m 技术又是一种相对较新的技术，具有以下一些优点：单路传输 速率高( 4 0 g b i t s ，甚至更高) ；可与d w d m 技术相结合，达到更高通信容量( t b i t s ) ；采用全光高速信息处理技术，可组成全光通信网( a o n ) ，不受器件的电子瓶 颈限制；不受四波混频等非线性效应的影响；光纤放大器使用和管理简单；传输 数据上下载方便，可适用于本地网和主干网等， 1 3 1 6 天津大学博士学位论文 通信容量的大幅度增长是信息化社会发展的必然趋势，而o t d m 技术和 d w d m 技术是提高光纤通信容量的两个重要有效途径。虽然o t d m 光通信技术 的研究起步较晚，但是在短短几年内已经取得了巨大的进展，说明o t d m 技术 具有很强的生命力。由于o t d m 技术可以使用单一光源，因而成本比较低，从 而使光纤放大器的管理简单化：尤其主要的是光时分复用不存在各路功率叠加而 产生的四波混频串扰和喇曼散射等问题，且色散补偿光纤易于消除普通单模光纤 的色散影响；由于o t d m 技术的节点上下话路可以变换，有可能实现大容量本 地网中光的异步转移模式( a t m ) 技术等。在高速通信网发展中，d w d m 技术 和o t d m 技术都将占有十分重要的地位，两者的互相结合将支撑未来超高速通 信系统( t b i t s ) 的实现。正因为如此，一些发达国家在积极推进d w d m 光通信 系统实用化的同时，也正在积极推动o t d m 光通信系统的发展。 目前，对超高速o t d m 技术，日本显示了积极的态度。日本邮政省委托n t t 公司利用环形光纤锁模激光器实现了6 4 0 g b i t s 的0 t d m 传输实验，表明超高速 o t d m 单信道传输速率可达6 4 0 g b i t s ，并且由于传输系统只采用一个波长载波， 可以充分利用频带资源，还可在光频上直接进行信号处理，同时对信号的控制管 理也非常方便。 1 7 1 8 在1 9 9 9 年0 f c 会议上，日本的n t t 公司又实现3 t b i t s ( 1 6 0 g b so t d m 1 9 0 h d w d m ) x4 0 k m0 t d m d w d m 光纤通信传输实验系统，它采用 1 5 4 0 1 5 6 6 n m 的c 波段和1 5 7 0 1 6 0 9 n m 的l 波段光源，信道间隔4 8 0 g h z ( 3 8 1 3 1 1 1 ) ，并采用1 0 g h z 锁模半导体激光器泵浦色散平坦光纤产生的超连续脉冲作为 光源，传输线采用4 0 k m 的色散位移光纤，放大器为两级e d f a ，增益平坦范围覆 盖1 5 4 0 1 6 0 9 n m 。 1 9 2 1 在2 0 0 2 年0 f c 会议上，日本n e c 公司利用0 t d m d d m 通信系统已实现大容量光纤信息传输系统，实验系统同时工作在s 波段、c 波段 和l 波段，在1 1 7 k m 色散补偿光纤上以5 0 g h z 的信道间隔进行1 0 9 2 t b i t s ( 2 7 3 c h x 4 0 g b s ) 信息传输，并采用分布式r a m a n 光纤放大器f r a 、掺铒光纤放大器e d f a 和掺镁的光纤放大器相互结合的放大方式，以及为了克服色散和非线性效应的影 响，传输介质采用纯石英光纤及负色散光纤交替跨接而构成。 在欧洲，光通信的研究者则提出了分割成几个多波长传输的子网，并在子网 间利用大容量的o t d m 传输技术形成d w d m o t d m 界面的技术路线。2 0 0 0 年 德国的c s c h e e r e r 等人，实现了3 2 t b i t s ( 4 0 g b s x 8 6 c h ) 4 0 k m 的双向d w d m 天津大学博士学位论文 e t d m 传输实验网，它采用c 波段和l 波段各4 0 个l d 作为光源，信道间隔为1 0 0 g h z ，并且采用双向传输方式，传输线为s m f 和d c f 色散管理光纤交替使用，实 验结构极其简单。与此同时，针对o t d m d w d m 光纤通信方式，国际上纷纷开 展了多波长超短脉冲光源，非归零归零( n r z r z ) 码互换和o t d m d w d m 技 术互换等基础研究。另外，在2 0 0 2 年，美国的朗讯公司和加拿大的北方电信公 司已经分别展示6 4 t b i t s ( 2 4 0 g b s 8 0 c h ) d w d m o t d m 混合光通信系统，并声 称即将推出代表当前最高水平的商用d w d m 0 t d m 通信系统。 2 2 2 7 我国通信技术现代化的进程也十分迅速，经过多年的建设，中国已经构建了 一个技术先进、业务齐全、覆盖全国、通达世界的高速率、大容量、安全可靠的 现代通信网络，通信网的规模和容量都以世界最快的速度向前发展，中国通信网 络规模容量现已跃居世界第一位，网络传输全部实现了数字化，交换实现了程控 化，网络技术层次已进入世界先进行列。更为重要的是我国的通信网可以直接采 用最先进的通信技术，实现网络技术水平和通信规模质的跨越。截止到2 0 0 2 年 底，全国通信光缆总长度达到2 1 0 万公里，其中长途光缆4 5 万公里，s d h 光通 信系统、d w d m 通信技术大量应用于干线网络，a t m 交换骨干网已经建立，i p 网络和多媒体网络初具规模，城域网m a n 逐步投入商用，宽带接入网大面积推 开，电信网络正在加速向新一代宽带高速网演进。近几年我国已经有4 0 g b i t s 的网络需求，2 0 0 5 年后将有1 6 0 g b i t s 的需求，鉴于o t d m 技术是发展超大容 量传输网的有效途径，在我国开展o t d m 通信技术的研究和跟踪很有必要：另 外一个方面，o t d m 通信系统以高速光信号处理技术为基础，和未来的全光网 络完全兼容，大有发展前途。日前，东南大学射频与光电集成电路研究所在光纤 通信用超高速集成电路研究和开发上取得了阶段性成果，其承担的国家“十五 8 6 3 计划”光电子主题中“有关1 0 g b s - - 4 0 g b s 光收发关键器件芯片技术”的 研究项目，已经通过项目验收，将可以把我国目前的信息高速公路通行速度提高 1 0 倍。2 0 0 3 年5 月，在苏州举行的国家8 6 3 计划高速宽带网研讨会透露，预 计2 0 0 5 年以后在长江三角洲地区，将会开通全光通信网，人们可以在网上享受 无拘无束的电子商务、远程教育、视频点播和网络游戏等服务。所以，对超高速 o t d m 通信系统关键技术的研究，必然将带动我国高速光信号处理技术的发展， 提高我国光通信研究和应用技术的整体水平。 天津大学博士学位论文 本文主要针对超高速光时分复用o t d m 通信系统中的关键技术，并结合实验 室的现有条件做了如下研究工作： l 超高速光时分复用o t d m 通信系统中的关键技术研究，包括高重复率超短 脉冲光源产生技术、全光时分复用和解复用技术、全光时钟提取和帧同步技术、 超高速光纤传输系统中的色散补偿技术、全光中继放大技术和新型光纤技术等， 并对它们进行了详细的分析与总结； 2 超高速光时分复用o t d m 通信系统中锁模半导体激光器的基础理论研究， 并对多量子阱外腔混合锁摸半导体激光器的瞬态特性和闽值电流特性进行了数 值模拟，建立了合理的锁模半导体激光器模型，为后续的实验工作提供了必要的 理论指导； 3 多量子阱外腔混合锁摸半导体激光器的嗓声特性和啁啾特性理论研究与 仿真分析，通过计算机数值模拟运算，对实验中混合锁摸半导体激光器( i o g h z ) 进行了优化设计； 4 多量子阱外腔混合锁模半导体激光器( 1 0 g h z ) 的实验研究，成功实现了 具有脉宽窄、频率啁啾小、时间抖动性小、饱和吸收能量小、恢复时间快、重复 频率高、调谐范围大、结构简单、易集成、稳定性好、易于长期工作的超短脉冲 光源，是目前超高速光通信o t d m 系统中理想的超高速超短脉冲光源； 5 超高速光时分复用o t d m 技术( 4 0 g h z ) 实验研究，其实验过程为：先将 锁模半导体激光器输出的重复频率高( i o g h z ) 、脉冲宽度窄( 3 p s ) 光脉冲序列， 经过信号编码调制和掺铒光纤放大器e d f a 放大后，输入到1 4 型光纤耦合器中， 分成四路等功率的光信号，各路信号经过适当的光纤延时器后，达到四路脉冲信 号相互之间的时延差为2 5 p s ，再通过4 1 型光纤耦合器时分复用，形成4 1 0 g b i t s ( 4 0 g b i t s ) 的超高速光时分复用脉冲信号。 总之，多量子阱外腔混合锁模半导体激光器( i o g h z ) 。以及经光时分复用技 术而形成的4 0 g b i t s 超高速脉冲信号光源，具有重复频率高、稳定性好、脉冲 宽度窄、时间抖动性好、频率啁啾小( 接近变换极限脉冲) 、结构紧凑和易集成 等优势，必将成为超高速光时分复用o t d m 通信系统和未来全光通信网络a o n 中 的理想光源。 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统 关键技术研究 目前，世界各国都斥巨资研究超高速光纤通信系统，2 0 0 2 年已经报道的实 验系统传输容量超过1 0 9 2 t b i t s ( f i 本n e c 公司提供数据) ，大容量光纤通信 系统的飞速发展使超高速数据通信传输成为可能，单信道4 0 g b i t s 传输速率， 是向超高速d w d m o t d m 商用通信系统t b i t s 传输容量发展的重要选择方案。特 别是超高速光时分复用( o t d m ) 技术是实现超高速光纤通信系统、光孤子通信传 输系统和高速率数据光交换系统的关键技术之一，对于未来超高速光通信技术具 有极其重要的现实意义。 1 因此，超高速光时分复用o t d m 通信系统具有独特的 应用潜力。 在本章中，主要对超高速o t d m 通信系统的关键技术进行总结性研究，主要 包括高重复率超短脉冲光源产生技术、全光时分复用技术和解复用技术、全光时 钟提取和帧同步技术、超高速光纤传输系统中的色散补偿技术、全光中继放大技 术和新型光纤技术等。 1 1 超高速光时分复用( o t d m ) 技术产生的背景 随着数据通信业务的蓬勃发展，尤其是因特网技术的普及，人们对光纤通信 系统提出了更高的要求，而通信业务的需求又推动了光纤通信技术的进一步发 展。 2 常规时分复用技术需要经过电光转换，由于电开关器件的瓶颈限制，其理 论速率不可能超过4 0 g b i t s ，因此如果仅仅只依靠通过电子器件的改良，来提高 信道的传输速率几乎是不大可能的，也是不现实的。 3 目前，解决光纤通信技 术大容量需求问题的一种方案就是采用超高速光时分复用o t d m 技术，它以光子 领域的超高速信号处理技术为基础，是将多个高速电调制信号分别转换成等速率 光信号，然后在光层上复用为更高速率的光信号，并用同一个波长的光载波脉冲 信号进行传输，即在系统发送端把低比特率的数据流光学复用成高比特数据流传 输，而在接收端用光学方法解复用出传输数据来的超高速光纤通信技术。由于超 高速时分复用技术只使用一个传输波长，可以为比特数据的传输和交换减少了很 多光子器件和控制环节，从而不但克服了电子瓶颈，而且大大提高了信道速率； 同时采用超高速o t d m 技术构建的光通信网络，在网络管理和兼容性方面还有更 大的灵活性和自愈性。 4 6 超高速、超大容量和超长距离光纤通信系统是当前国际上光通信研究的主要 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 方向。超高速光时分复用技术是克服电子器件瓶颈( 4 0 g h z ) 、提高通信容量、实 现未来全光通信网络的有效途径，已成为超高速光通信系统中的首选超高速数据 传输技术。目前，由于超高速光时分复用技术的潜在应用价值，已经引起了通信 界的极大关注，正成为超高速光纤通信技术中新的研发热点。 1 2 超高速光时分复用光纤通信传输系统 目前，超高速光时分复用o t d m 技术正越来越引起人们的关注。与密集波分 复用d w d m 技术相比，超高速光时分复用技术是一种相对较新的技术，具有阻下 些优点：单路传输速率高；可与d w d m 技术相结合达到更高传输容量( t b i t s ) ： 可采用全光高速信息处理技术，组成全光通信网( a o n ) ；不受四波混频( f w m ) 等非 线性效应的影响；光纤放大器的使用和管理较为简单：通信系统中上下载比特 信号方便，可适用于本地网、城域网和主干网中；使用单一的信号传输波长，就 能够获得大于4 0 g b i t s 的通信容量，而它所采用的时钟频率和较低速率的支路 信号，却很容易在电路系统中实现：可作为点对点的光纤通信技术，能够提供潜 在的巨大通信容量( 几十t b i t s ) ，使其更适合用于超大容量光纤通信网络中。 超高速光时分复用o t d m 光纤通信传输系统，主要由超快超短脉冲光源、数 据编码和调制器件、光纤传输媒介、光纤放大器、全光时钟提取和恢复器件、全 光复用和解复用技术器件等关键部分组成， 4 其典型的通信系统工作原理，如 图卜2 一l 所示。 通道时问 o t d m 系统原理图 图1 - 2 - 1超高速o t d m 通信系统的工作原理结构简图 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 超高速光时分复用技术是一种超高速光纤数据信息传输技术，是把时间划分 为若干个时隙，用多个电信号来调制属于同一个光频的光载波，将极窄光脉冲支 路数据流直接复用进光域，来产生极高比特率的合成数据流，并耦合进同一根光 纤媒介中进行远距离数据传输，实现扩容的目的，以便更加有效地利用光纤的巨 大频谱资源，从而避开了电子瓶颈的限制。其具体工作原理：由适当的光源( 如 锁模半导体激光器) 产生一系列窄的光脉冲( p s f s 量级) ，然后将这列光脉冲分 成n 路，并用速率为bg b i t s 的支路电信号对各支路信号进行调制，再在时钟周 期内对各支路信号进行延时后复用，就获得了n bg b i t s 的集合速率比特信号， 复用信号经光纤高速传输后到达接收端，再由解复用器进行解复用就可提取出各 支路数据信号，送入各个终端接收器，最终实现超高速光时分复用通信技术。 目前，虽然在通信网络中使用密集波分复用技术能够实现大容量的光交换， 但由于密集波分复用d w d m 通信网络一般利用波长来选择路由，并考虑到掺铒光 纤放大器e d f a 增益的不平坦性，所造成的各信道间功率分配不均匀、四波混频 效应造成的信道间串扰、以及信号能量的损耗、非理想的滤波器或不完善的光交 换引起的各频带问串扰等不利因素，使得可用的通信波长并不是无穷多。因此， 为了既可以充分合理的利用现有通信技术和设备，又能够提高通信容量，满足城 域网和多用户接入网的需要，将o t d m 技术与d w d m 技术结合起来形成超高速o t d m 通信网( 大于1 _ 5 t b i t s ) ，将会是未来网络数据通信传输的商用发展方向。 1 3 超高速光时分复用通信系统关键技术 超高速、超大容量和超长距离光纤通信技术是当前国际上光通信研究的主要 方向和研发热点。超高速光时分复用o t d m 技术正是这样一种能够实现增大通信 容量和提高传输速率的通信技术，但这主要依赖于超高速o t d m 传输系统中的各 种关键技术，它们主要有： 1 3 1 高重复率超短脉冲光源产生技术 密集波分复用( d w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 的结合，是克服电子器件瓶颈、 提高通信容量和实现未来全光通信网络的有效途径，但这种光通信方式的一个关 键技术就是要获得高重复频率的超短相干脉冲光源，因此，超短光脉冲发生技术 是实现超高速o t d m 技术的必要条件之一。同时，时分复用技术又要求光源产生 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 高占空比的超窄光脉冲，因为脉宽越窄可以复用的路数越多，单位时间内发送的 脉冲就越多，可利用的频宽也就越宽，系统传输的信息量就越大。 超高速光时分复用技术的关键技术是高重复频率超短脉冲光源产生技术，即 变换极限t l 光脉冲产生技术。在超高速o t d m 技术传输系统中，信号光源的窄脉 冲化是必要条件，也是规定数据传输速率上限的条件之一。高重复频率超短脉冲 光源的具体要求为：重复频率高( 1 0 0 h z ) 、脉宽窄( p s f s 量级) 、t l 光脉冲和 工作稳定等。目前，超高速o t d m 光源主要有：增益开关半导体激光器、电吸收 调制型半导体激光器、光纤锁模激光器、超连续光谱激光器和多量子阱混合锁模 半导体激光器等。 具体内容有： 1 增益开关型半导体激光器( g s l d ) 增益开关法是指对半导体激光器的增益电流外加高频信号调制而产生高重 复频率的超短光脉冲。但是，利用这种方法产生的光脉冲，因半导体激光器中载 流子的浓度变化而产生频率啁啾，使脉冲的时间带宽积t - u 比t l 光脉冲的 理论极限值要大。若采用色散补偿光纤对增益开关激光器产生的超短光脉冲进行 压缩，是最有效的方法，一方面它压缩了初始信号脉宽，另一方面也减少了初始 信号的啁啾。g s - l d 的特点：具有动态单模特性；稳定性好；脉宽窄( 5 p s ) ：技 术成熟；但受电子器件极限所限，单信道传输速率有限；脉冲信号的啁啾较大。 7 9 目前，日本n t t 实验室已研制成增益开关分布反馈半导体( g s d f b l d ) 光 源，日本n t t 公司和k d d 公司也已经联合开发出增益开关多量子阱分布半导体 ( g s m q w l d ) 光源。 2 电吸收调制型半导体激光器( e a m l d ) 使用电吸收调制器的方法，是将连续振荡的激光器输出激光信号输入到正弦 电子接收型调制器中而产生超短光脉冲的方法，这种方法结构简单，作为产生超 短光脉冲的方法引人注目。e a m l d 的特点：在一定限度内，重复频率可以任意， 不受调制器的限制，但单信道传输速率有限；产生信号易与外部信号同步；易产 生接近变换极限t l 的光脉冲( 无啁啾信号) ：稳定性好：但信号的脉宽较宽 ( 2 0 p s ) 。 1 0 1 2 与电吸收调制器单片集成的可调谐半导体激光器，可以为 l o g b s 以上数据传输提供高速、低啁啾的信号调制。目前，日本n t t 公司和c e n t 公司已经联合开发出电吸收调制型多量子阱半导体( e a m m q w d f b l d ) 光源。 3 锁模环形光纤激光器( m l f r l ) 锁模环形光纤激光器作为超高速光纤传输用超短光脉冲光源，国内外研究较 多。m l f r l 的特点：能够产生的脉冲脉宽窄；脉冲啁啾小：波长调谐方便；结 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 构简单，成本低廉；输出波长为1 5 5 微米，在第三通信窗口：但实用性和稳定 性差，商用的可能性不大，技术复杂( 国外采用较多) 。如果能够改善其工作稳 定性，则最有希望实用的是锁模掺铒光纤激光器( m l e d f l ) ，它能够输出重复频 率i o g h z 、波长1 5 5 0 n m 、达到变换极限的皮秒超短脉冲3 5 p s 光源。 目前，人们非常重视的是可产生p s f s 量级超短光脉冲的掺铒光纤锁模环形 激光器，其最大特点是产生的脉冲几乎没有啁啾，在4 0 g h z 的高频范围内，不需要 进行啁啾补偿或脉冲压缩，就能产生p s f s 级的超短光脉冲，但锁模激光器的结 构复杂。而主动锁模光纤激光器由于具有较高的平均输出功率，更短的输出脉冲 且脉冲啁啾小，与光纤系统的兼容性好，几乎可以覆盖整个e d f a 的增益谱的波 长，调谐范围宽( 4 0 h m ) 等优点，近几年来成为人们争向研究的热点。另外，全光 纤主动锁模孤子激光器由于具有输出脉冲重复率高、重复频率可调、高消光比、 低抖动性和高质量孤子型脉冲的特点而倍受青睐。 1 3 1 5 目前，影响全光纤主 动锁模激光器应用的主要障碍是稳定性差，但借助一些控制方法可以提高激光器 的稳定性，如采用非线性偏振旋转自稳幅法，可以克服超模竞争和张弛振荡引起 的短期不稳定现象；采用闭环误差信号反馈控制腔长的方法，可以提高长期稳定 性，从而实现光纤锁模激光器的长期稳定运转，但器件结构复杂。 4 超连续脉冲光纤激光器( s o f l ) 超连续( s c ) 光源是o t d m d w d m 系统的宽带低噪声光源，是将来超大容量光纤 通信系统最有希望的光发射装置。超连续( s c ) 光脉冲其特征是脉冲的谱宽很宽， 从几十纳米到几百纳米。其光谱展宽机理是指高强度的p s 或f s 级超短光脉冲在 非线性光学介质中传输时，其频谱受激连续展宽的一种物理现象，它主要是利用 单模色散光纤( 如色散平坦光纤d f f 、普通单模色散位移光纤d s f 和色散平坦缓 变光纤d f d f ) 产生，s c 光脉冲主要源于自相位调制效应( s p m ) 、交叉相位调制 效应( x p m ) 、受激喇曼散射效应( s r s ) 和四波混频效应( f w m ) 等非线性效应与 光纤群速度色散( g v d ) 的共同作用，其中最重要的是自相位调制效应$ p m 与二阶、 三阶群速度色散g v d 的作用。其主要特点；强泵浦的超短脉冲通过光纤后，使透 射光谱中产生许多新的频率成分，其连续光谱范围被展宽，远远大于入射光脉冲 谱宽，而脉冲的性质保持不变的物理现象。 对s c 光脉冲，日本n t t 研究所的成果最具有代表性，他们报道的一种全光 超连续脉冲光源，其谱宽达2 0 0 n m ，而且脉冲信号的强度平坦。目前，j k r a n k a 等人报道了利用l o o f s 脉冲序列和空气硅微结构光纤，获得了8 0 0 n m 的超宽 超连续谱。 1 6 这种超连续光脉冲源已相继应用于光纤群速度测量、超短光脉冲 产生、自频率转换、超高速o t d m 通信光源、全光复用解复用技术、t b i t s 传 输速率的o t d m d w d m 组合通信光源等一系列实验中，已经取得了出色的成果，可 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 见s c 谱光脉冲源具有广泛的应用前景。 5 锁模半导体激光器( m l l d ) 性能稳定和波长可调的半导体激光器是目前光通信系统所需要，特别是具有 高重复频率的超短脉冲光源，其中多量子阱混合锁模半导体激光器( m l l d ) ，对 于超高速、超大容量光纤通信系统和超高速全光信息处理系统是非常重要的，在 超高速数据传输系统中具有重要的潜在应用价值。m l l d 的特点：稳定性好：重 复频率高( 大于1 0 6 h z ) ：结构简单、紧凑，易集成；输出波长为1 5 5 微米，在 第三通信窗口；输出为变换极限超短脉冲，无啁啾。 1 7 2 1 锁模半导体激光器 正是这样一种新型的超短相干脉冲光源，是目前超高速0 t d m 光纤通信系统的潜 在理想脉冲光源。 总之，超短光脉冲产生技术是实现超高速o t d m 传输系统的关键，目前所需 的超短光脉冲光源主要有增益开关半导体激光器、电吸收调制型分布反馈半导体 激光器、锁模环形光纤激光器、超连续脉冲发生激光器和混合锁模半导体激光器 等光源。 1 3 2 全光时分复用技术和解复用技术 目前使用电子电路的复用解复用技术上限是4 0 g h z ，难于满足高速通信传 输的要求，因此为实现超高速的复用解复用技术，人们正在积极的研究采用全光 控制的复用解复用技术。全光时分复用技术和解复用技术是超高速0 t d m 通信系 统不可缺少的技术。超高速o t d m 系统的全光时分复用技术比较容易实现，其基 本原理是采用延时技术将低速的光信号进行延时后复用而形成超高速光信号，以 便于在信道中进行高速传输；而全光时分解复用技术实现起来难度较大，是当前 的研究重点。 全光时分解复用器实质上是一个高速光开关，主要有两种类型：光电开关型 和全光型。光电开关型解复用器速率较低，对于高速0 t d m 系统应采用全光型解 复用器。全光时分解复用技术主要有光学克尔( k e r r ) 开关法、四波混频( f w m ) 开关法、光纤交叉相位调制( x p m ) 开关法和非线性光学环型镜( n o l m ) 开关法 等。其中光学克尔开关是一种偏振旋转开关，是利用高功率的泵浦光使信号光的 两个正交偏振成分产生相位差，开关发生动作实现解复用技术。光纤交叉相位调 制技术，是指利用时间一光频变换的光开关来实现解复用技术。四波混频开关是 利用光纤中发生感应四波混频过程的光开关实现解复用技术。非线性光学环路镜 是将光耦合器的输出两端用光纤耦合成环形结构，以此来实现解复用技术。 o 第一章超高速光时分复用( o t d m ) 通信系统关键技术研究 目前，采用四波混频的偏振无关型全光时分解复用技术和利用光纤非线性光 学环路镜构成的偏振无关型全光时分解复用技术最引人注目，它们已应用于 1 6 0 g b i t s 全光时分复用传输系统中。特别值得注意的是，日本n e c 公司已经研 究开发出一种带有饱和吸收体的锁模半导体激光器( m l l d s ) ，可用做全光解复用 器，器件结构简单而有效，应用前景光明。 1 3 3 全光时钟提取技术和帧同步技术 超高速光纤通信系统中的全光时钟提取技术和帧同步技术是不可缺少的，是 超高速o t d m 技术走向实用化的一个关键技术，指的是用全光方法从归零码光脉 冲信号中提取出低时间抖动( 小于l p s ) 的同步时钟信号，以便把它分配到o t d m 通信系统的解复用器、路由选择器、信道选择器和接收器中，但要在接收端实现 准确的光脉冲解复用，需借助一个光与门开关从复用光信号中分离出单路信号， 为此必须先从复用信号中提取出用以控制解复用开关的帧时钟信号。 目前，帧时钟提取技术主要有采用含全光相位比较器和压控振荡器驱动光脉 冲源的光电锁相环p l l 来提取帧时钟，但这种技术的结构非常复杂，而且价格昂 贵不利于技术的实用化。 下面介绍两种新型的帧时钟提取技术： 1 光电振荡器( o e o ) 帧时钟提取技术 光电振荡器( o e o ) 帧时钟提取技术，指当将超高速复用光信号注入时，由于 调制器的非线性调制特性，注入信号与回路振荡电信号及其谐波混频并产生拍频 信号，但由于回路中窄带电滤波器和电放大器的限制，只有重复频率与所要提取 的时钟信号大小相近时拍频信号才能稳定存在，因此可以从超高速复用信号中提 取出帧时钟信号，这种技术的优点是：可以从等幅的超高速复用信号中提取出帧 时钟而无需开销，但帧时钟受电子器件的瓶颈限制。 2 非线性光纤环路镜( n o l m ) 技术 非线性光纤环路镜( n o l m ) 技术，基本原理是利用强光下光纤折射率的非线 性调制效应，当耦合器无信号输入时，接收光信号由输入端注入后，经耦合器分为 沿顺时针和逆时针方向的两路强度相等的光波，由于这时的非线性光学效应很弱 两束光在传输中经历的相移相等，相互干涉自入口透射而输出端无输出。若在耦 合器处注入顺时针方向较强的时钟信号，并使其与输入的o t d m 信号中某一信道 的信号在时域上完全重合，由于非线性折射率调制效应使得两个方向传输的光波 产生不同的相移，若当两相位差为n 时，则在输出端输出与时钟信号相同的解复 第一章超高速光时分复用( o t d