（电磁场与微波技术专业论文）光时分复用分组网的关键技术.pdf

北 京 邮电大学 2 0 0 3居博 士论文 i 亩要. 摘 要 随着互联网 络的普及，各种网络业务相继在互联网 络上开 展， 对现有网 络的带宽容量 提出了更高的要求。以 光纤为传输介质的 光通信的发展， 使得通信进入了以 光通信为主的 超大容量传输的 快速发展阶段。 密集波分复用 ( d wd m) 技术和光时分复用 ( o t d m) 技 术的研究和发展，为未来超高容量传输和组网提供了技术的可能。 与d w d m技术相比， o t d m技术具有很多的优势: 首先， 由 于o t d m中采用的只有 一个波长的 光， 避免由于多个波长和光纤中非线性效应引 起的信道串 扰或信号畸变， 对光 源波长的稳定性要求也较低， 波长的管理和控制相对简单，克服了 众多d w d m的缺点: 其次， o t d m技术能 提供按需分配带宽 服务( b o 功， 实 现不同 粒度的 灵 活的 带宽分 配， 而 d w d m的带宽分配则是波长级别的: 第三， 采用o t d m技术易实现分组交换和路由， 实 现真正意义上的统计复用， 从而更加有效的利用光纤的带宽， 并实现灵活的组网: 最后， 因为o t d m中采用的是归零码， t d m本身的 数字 特性非常适合于全光数字信号处理，实 现数字再生. o t d m技术与d wd m技术在不同方面和范围内互有优势: 由于o t d m技术对带宽分 配的灵活性，在中小型城域网、局域网中有非常大的应用全景:而 d wd m 的超大容量以 及超长距离的 传输使得其在大型城域网以 及广域网中更加有优势。 未来超高容量的光通信 网络必定是两者的结合。 本论文主要在o t d m技术的两个方面做了理论和实验研究: 第一部分是o t d m的单元技术， 主要集中在基于半导体光放大器 ( s o a) 的超高速全 光开关，包括太赫兹光非对称解复用 ( t o a d)以及基于 s o a 的马赫一 曾德尔干涉仪 ( s o a - m z i ) 在高速光网 络中的应用。 首先， 在考虑到由 于带内效应， 诸如载流子热效应 ( c h ) 、 谱 烧孔效 应 ( s h b ) 、 超快非线性折 射效 应( u n r ) 和双光 子吸收效 应( t p a ) 而导 致得非 线性增益压缩效应以 及控制光和信号光相互作用情况下， 研究了t o a d的各性能参数， 包 括开关窗口 的平坦性、 输出信号的惆啾特性、 解复用信号的消光比 特性等与输入控制光和 信号光的波长及功率的关系， 在此基础上对t o a d性能进行了 优化。 其次， 结合s h t a i f 的 a s e 噪声分析模型提出了一种更为完善的噪声模型， 并且采用该模型研究了自 发辐射噪声 ( a s e ) 对t o a d性能的影响。 再次， 在前两个工作的基础上研究了t o a d对整个o t d m 系统性能的影响. 同时， 在这部分中还研究了s o a - m z i 在解复用、 全光数据上下路( o a d m) 以及全光波长 变换和再生等方面的应用。 第二部分是基于o t d m的光网络技术。 首先， 提出了一种多令牌协议以 及基于该协议 的组网 方案.并对采用该协议的网络的 接入时延、 丢包率、吞吐量、 信道利用率等性能进 行了 仿真。 其次， 提出了一种基于o t d m的光分组网络的结构设计方案， 在该方案中 提出 北 京 邮 电大 学 2 0 0 3届 俘 .士论 文 摘 要 了一种结合电吸收调制器 ( e a m) 和梳状波产生器的新型光分组开关， 并对该分组开关进 行 了 实 验 研 究 : 另 外 ， 在 该 方 案 中 采 用t o a d 来 实 现 地 址 的 识 别 和 比 特 开 关 ， 在 实 验 上 成 功研制了满足 i o o g b i u s 系统要求的t o a d. 关键字: 光 时 分 复 用( o t d m ) 、 光 分 组 交 换 网( o p s n ) 、 太 赫 兹 光 非 对 称 解 复 用 器 ( t o a d ) 、基于s o a的ma c h - z e h n d e r 干涉仪 ( s o a - m z i ) 、多令牌协议 北 京 邮电大学 2 0 0 3届 博士论文 a b s t r a c t ab s t r a c t wi t h t h e p r e v a l e n c e o f i n t e rn e t , v a r i o u s k i n d s o f s e r v i c e s a r e t r a n s f e r r e d i n t h e i n t e rn e t , w h i c h r e s u l t s i n l a r g e r d e m a n d i n b a n d w i d t h o f c u r r e n t n e t w o r k s . o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n , i n w h i c h o p t i c a l f i b e r s a r e a p p l i e d a s t r a n s p o rt m e d i u m , l e a d s c o m m u n i c a t i o n i n t o a n i n n o v a t i o n e r a . m a n y k i n d s o f d e v i c e s a n d c o m p o n e n t s w e r e d e v e l o p e d t o r e a l i z e l a r g e r tr a n s m i s s i o n c a p a c i t y . t h e r e s e a r c h e s a n d d e v e l o p m e n t o f d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) a n d o p t i c a l t i m e d i v i s i o n m u l t ip l e x i n g ( o t d m ) m a k e f u t u r e s u p e r - l a r g e c a p a c i t y tr a n s m i s s i o n a n d i n t e r c o n n e c t i o n p o s s i b l e . c o m p a r e d w i t h d w d m, o t d m h a s m a n y s tr o n g p o i n t s . f i r s t , b e c a u s e t h e s i g n a l tr a n s m i tt e d i n o t d m c o n t e n t s o n l y o n e w a v e l e n g t h , t h e c r o s s t a l k b e t w e e n c h a n n e l s a n d d i s t o rt i o n o f s i g n a l c a u s e d b y n o n l i n e a r e ff e c t i n o p t i c a l f i b e r i s i n e x i s t e n c e . f u rt h e r m o r e , t h e w a v e l e n g t h m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l i s e a s y t o b e o p e r a t e d i n t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n o t d m. s e c o n d l y , t h e b a n d o n d e m a n d s e r v i c e s c a n b e p r o v id e d i n o t d m s y s t e m a n . . d i f f e r e n t g r a n u l a r i t y i n t h e fl e x ib l e b a n d w i d t h a l l o c a t i o n c a n b e a l s o p e r f o r m e d . t h i r d l y , o p t i c a l p a c k e t s w i t c h in g a n d r o u t i n g c a n b e e a s y t o r e a l i z e i n o t d m s y s t e m . c o n s e q u e n t l y t h e r e a l s t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n g , t h e e ffic i e n t u t i l i t y o f t h e b a n d w i d t h o f fi b e r a n d fl e x i b l e n e t w o r k c o n s t r u c t c a n b e a c h i e v e d . f i n a l l y , t h e d i g i t a l c h a r a c t e r i s t i c o f o t d m i s s u i t a b l e f o r a l l - o p t i c a l d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s a n d r e g e n e r a t i o n b e c a u s e o f t h e r e t u rn- z e r o c o d e i n o t d m. b o t h o t d m a n d d wd m h a v e t h e i r o w n p r e d o m i n a n c e i n d i ff e r e n t a s p e c t a n d a r e a . i t i s r e g a r d e d t h a t o t d m w i l l m e e t i t s s w e e p i n g a p p l i c a t i o n i n m i d d l e o r s m a l l m e tr o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ( m a n ) a n d l o c a l a r e a n e t w o r k ( l a n ) f o r i t s fl e x i b l e b a n d w i d t h a l l o c a t i o n . o n t h e o t h e r h a n d , d wd m w i l l b e l a r g e l y a p p l i e d i n l a r g e m a n a n d w i d e a r e a n e t w o r k ( w a n ) b e c a u s e o f i t s s u p e r - l a r g e c a p a c i t y a n d l o n g h a u l t r a n s m i s s i o n . f u tu r e s u p e r - l a r g e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s m u s t b e t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s e t w o t e c h n o l o g i e s . t h i s d i s s e r t a t i o n f o c u s e s o n t h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l re s e a r c h o n t h e m a i n a s p e c t s i n o t d m t e c h n o l o g y . t h e fi r s t p a rt i s t h e re s e a r c h e s o n t h e a p p l i c a t i o n o f s u p e r - h i g h s p e e d a l l - o p t i c a l s w i t c h b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r s ( s o a ) , i n c l u d i n g t e r a h e rt z o p t i c a l a s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x o r ( t o a d ) a n d t h e s o a b a s e d m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r s ( s o a - m z i ) . f i r s t , b y t a k i n g i n t o a c c o u n t n o t o n l y i n t e r b a n d e ff e c t s b u t a l s o i n t r a b a n d e ff e c t s , s u c h a s c a r r i e r h e a t i n g ( c h ) , s p e c t r a l h o l e b u rn i n g ( s h b ) , t w o - p h o t o n a b s o r p t i o n ( t p a ) a n d u l tr a f a s t n o n l i n e a r r e f r a c t i o n ( u n r ) a n d t h e i n t e r a c t i o n o f c o n tr o l p u l s e a n d s i g n a l p u l s e i n s o a , t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e p e r f o r m a n c e o f t o a d ( i n c l u d i n g fl a t n e s s o f s w i t c h i n g w i n d o w , c h i r p o f o u t p u t 一 1 1 1 - 北 京 邮 电大 学 2 0 0 3月 俘 士 论 文 a bs t r a c t s i g n a l a n d e x t i n c t i o n r a t i o o f t h e d e m u l t i p l e x e d s i g n a l ) a n d t h e p a r a m e t e r s o f i n p u t p u l s e ( i n c l u d i n g t h e w a v e l e n g t h a n d p o w e r o f c o n t r o l a n d s i g n a l p u l s e ) a r e s t u d i e d . s e c o n d l y , c o m b i n i n g t h e m o d e l d e a l i n g w i t h a m p l i f i e r e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n ( a s e ) b r o u g h t b y s h t a i f , a m o r e a c c u r a t e n u m e r i c a l m o d e l i s p r e s e n t e d , a n d t h e i n fl u e n c e o n t h e p e r f o r m a n c e o f t o a d c a u s e d b y a s e i s n u m e r i c a l l y s t u d i e d . t h i r d l y , b a s e d o n t h e w o r k s m e n t i o n e d a b o v e , t h e i n fl u e n c e o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e o t d m s y s t e m c a u s e d b y t o a d i s r e s e a r c h e d . i n a d d i t i o n , t h e a p p l i c a t i o n o f s o a - mz i o n d e m u l t i p l e x i n g , o p t i c a l a d d / d r o p m u l t ip l e x i n g ( o a d m ) , w a v e l e n g th c o n v e r s i o n ( wc ) a n d r e g e n e r a t i o n i s a l s o e x t e n s i v e s t u d i e d i n t h i s p a r t . t h e s e c o n d p a r t i s t h e r e s e a r c h e s o n t h e o p t i c a l n e t w o r k t e c h n o l o g i e s i n o t d m n e t w o r k s . f i r s t , a n e w m u l t i - t o k e n r i n g p r o t o c o l a n d t h e n e t w o r k s o l u t i o n u s i n g t h i s p r o t o c o l i s p re s e n t e d . t h e p e r f o r m a n c e o f t h e n e t w o r k u s i n g t h i s p r o t o c o l , s u c h a s a c c e s s i n g d e l a y , p a c k e t l o s t r a t e , t h r o u g h p u t a n d u t i l i ty r a t i o o f l i n k , i s s i m u l a t e d . s e c o n d l y , a n e t w o r k s t r u c t u r e d e s i g n f o r o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g b a s e d o t d m i s p r e s e n t e d . w e a l s o p u t f o r w a r d a n e w o p t i c a l p a c k e t s w i t c h c o m p o s e d o f e l e c t r - a b s o r p t i o n m o d u l a t o r ( e a m ) a n d e l e c t r i c a l c o m b p u l s e g e n e r a t o r . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h i s n e w o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i s s u i t a b l e f o r t h e o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g n e t w o r k ( o p s n ) b a s e d o n o t d m . f u r t h e r m o re , i n t h i s s o l u t i o n , t h e t o a d i s a p p l i e d a s a d d r e s s i d e n t i f i e r a n d b i t s w i t c h . w e a l s o d e m o n s t r a t e d a p p l i c a t i o n o f t o a d f o r i o o g b i t / s o t d m s y s t e m. ke y w o r d s : o p t ic a l t i m e d iv is i o n m u l t ip le x i n g ( o t d m ) , o p t ic a l p a c k e t s w it c h in g n e t w o r k ( o p s n ) , t e r a h e r t z o p t i c a l a 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 ) , m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r s b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a - m z i ) , m u l t i t o k e n p r o t o c o l rv - 北 京 邮 电 大 学 2 0 0 3届 俘 .士论 文布 一 分出 片y 仑 第一章绪论 1 .1 引言 2 1 世纪是 信息的 世纪， 各 种各样的 信息充斥着互联网 络。 网 络业务 类 型也由 最初的 话音 ( 电 话) 和简单的文字 ( 电 报)发展到如今的声音、图象、数据、 视频等各种业务。 如今， 互联网络渗透到人们的生活的各个方面， 包括娱乐、教育、金融、 商业、卫生保健等。因 特 网 业务: 远程教育、电子商务、电子图书馆、 视频点播、高清晰度电视、 可视电话和会议电 视等新兴宽带多媒体业务的爆炸性增长， 对现有网络的带宽容量提出了 更高的要求。随着 生 导体光电子技术的发展。因 特网中网 络流量 ( 主要为数据业务)正以7 个月为周期按摩尔定 律 ， (t) = ， (t 。 ) 2 (卜 ry (to ) 2 (1_,0y 增 长 。 以 光 纤 为 传 输 介 质 的 光 通 信 的 巍 履 通 信 爱 晨 更 工 雨 二 疡 墓 命，使得通信进入了以 光通信为主的超大容量的传输的快速发展阶段. 传输波长 从0 . 8 u m发 展到1 .3 1 u m ，再发展到1 .5 5 u m ， 传输损耗从1 9 7 0 年的2 0 d b / k m到当 今的小于0 . 1 2 d b / k m , 各 种具 有 特 殊 性能 的 光 纤， 例 如 色散 补 偿光 纤( d c f 1 1 ,2 ,a 1 ) 、 色 散 位 移 光 纤( d s f 14 . 6 1 ) 、 大 有 效 面积 光纤( l e a f ) ， 掺 饵光 纤( e d f i lo q ) 等的 研 制和 应用， 以 及各 种 半 导 体 光电 子 器件及光纤 器件， 例如 分布反馈 激光器( d f b l 11 2 ,u 1 ) 、 半导体光放大器( s o a 14 ,15 , 16 ,1 7 ,1 8 1 ) 电 吸 收 调 制 器( e a m p 9 ,2 0 ,2 11 ) 、 平 面 波 导 阵 列( a w g (2 2 ,2 3 ,2 4 1 )掺 饵 光 纤 放 大 器( e d f a 17 ,8 ,2 5 1 ) 光纤光栅、 啦曼放大器等的相继应用，不断给光通信的发展注入新的活力。密集波分复用 ( d w d m) 技术和光时分复用 o t d m) 技术的 研究和发展， 为未来超高容量传输和组网 提 供了技术的可能。 d w d m技术就是指将数据调制到不同 波长的光载体上，并让它们在同 一根光纤中传输， 在接收端用解复用器将不同波长的光信号分开后分别接收。 波分复用并不是一个新概念，人 们早就意识到可以 在光纤进行多波长 传输，但是在2 0 世纪9 0 年代之前， 该技术却一直没有 重大突破，其主要原因有: . t d m的迅速发展，从1 5 5 mb i t/ s 到6 2 2 m b i t / s ， 再到2 . 5 g b i t / s 系统， t d m速率一直 以 过几年就翻4 倍的 速度提高。 人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的 技术。 1 9 9 5 年左右， wd m系统的 发展出 现了 转折， 一个重要原因 是当时人们在t d m l o g b i t/ s 技术上遇到了 挫折， 众多的目 光就集中在光信号的复用和处理上， w d m系 统才在全球范围内有了 广泛的应用。 . 早先的光信号中 继都采用的是o / e / o的方式， 这样对于wd m系统来说是极为困 难 的，因为有多个波长的存在，中 继前必须先解复用，放大变成光信号后还需再次复 用上去， 可以 想象， 这种系统的 成本是非常大的， 另一个问 题是， 这种中继技术跟 传输信号的速率有关， 这对wd m系统的 应用也是非常不利的。 直到后来掺饵光纤 放大器( e d f a ) 技 术的出 现和成熟， 为w d m技术带来了 一 场翻身的 革命， 使得w d m 技术的商用成为可能。 北 京 邮 电 大* 2 0 0 3届 1* 士 i t文 第 一 章绪 论 信号畸变， 对光源波长 的稳定性要求较低， 波长 的管理和控制相对简单，克服了 众 多d wd m的缺点。 . 能 提供按需分配 带宽 服务 ( b o d ) ， 实现不同 粒度的 灵 活的 带宽分配， 而 d w d m的 带宽分配则是波长级别的。 . 易实现分组交换和路由:实现真正意义上的统计复用， 从而更加有效的利用光纤的 带宽，并实现灵活的组网。 .因为o t d m中采用的是归零码， t d m本身的数字特性非常适合于全光数字信号处 理，实现数字再生。 在o t d m传输方面， 1 9 9 8 年， 日 本n t t 采用实现了速率6 4 0 g b / s ( 1 6 x 4 0 g b / s ) 的4 0 k m o t d m点 对点传输实验 r . 2 0 0 0 年9 月， n t t 又 采用2 0 0 # s 的 超短 脉冲， 利用极化复 用实 现了1 .2 8 t b / s 的7 0 k m的o t d m传输实 验13 0 1 ， 这是 迄今为 止最高的o t d m传输实 验系 统。 在组网 方面， 早在1 9 9 4 年英国b t l a b 就实 现了3 个节点 3 11 、 总线速率 达到4 0 g b it/ s 的o t d m 网 络， 随后 又推出了6 9 0 节点的 基于比 特间 插技术的o t d m网 络 13 2 1 . 1 9 9 7 年开始， m i t 开 始在美国国 防部的资 助下建立1 0 0 g b it/ s 的。 t d m网 络 13 3 ,3 4 1 ， p ri n c e t o n 大学在2 0 0 0 年己 经 建 立了总线达到1 0 0 g b it / s 、能实现组播和广播的o t d m局域网 3 5 当然， o t d m技术对器件也有特殊的要求。 要实现超高速的o t d m系统， 首先必须有 一个稳定的高重复率的超短脉冲源: 其次，由于o t d m的 速率大， 色散对系统的影响也大， 致使传输距离短，因此必须要有一个简单使用的色散补偿技术; 最重要的是，在超高速系统 中，必须要实现全光化控制，如全光解复用、 全光 3 r再生、 全光路由 等。实现成熟低成本 的全光化控制将是o t d m投入商用的关键所在。 o t d m技术与w d m技术在不同方面互有优势: 由 于o t d m技术对带宽分配的灵活性， 在中小型城域网、 局域网中 有非常大的应用前景; 而d wd m的超大容量以 及超长 距离的 传 输使得其在大型城域网以 及广域网中更加有优势. 当 然也可以 在一个网络中同时采用o t d m 与wd m相结合的技术， 利用少数几个波长就可以 极大的提高 传输系统的容量。 n t t 在这方 面作了 大量的 研究工 作， 1 9 9 6 年， n tt 成 功进行了4 0 0 g b /s ( 4 x 1 0 0 g b / s ) 的1 0 0 k m无中继 混 合o t d m + w d m传 输实 验3 6 。 同 年， 在色 散 位 移 光 纤 ( d s f ) 上成 功 进 行了1 t b / s ( l o x 1 0 0 g b / s ) 的4 0 k m 传 输 实 验 13 . 1 9 9 9 年， 又 报 道了3 t b / s ( 1 9 x 1 6 0 g b / s ) d s f 上 进行4 0 k m 传 输 实 验 3 8 1 。 另 外 ， 美 国c a l i f o rn i a 大 学 ， ,4 0 ,4 1 ( 美 国 国 防 部 资 助) 、 丹 麦 科 技 大 学 ( 欧 洲 研 究 计 划 a c t s ,o p e n (4 4 3 ,4 4 1 ) 、 日 本s o p h i a 大 学 也 进 行 这 方 面 的 研 究 : 在 澳 大 利 亚， 从2 0 0 0 到2 0 0 2 年， 每年投资6 万美元研究高阶 孤子o t d m 十d w d m的 超大带宽传输系 统4 5 1 . 1 . 2 o t d m的单元技术 正如上面 所述， o t d m由 于 其在单个 波长 上要实 现每 秒几百吉比 特的 传输速率， 其对各 个单元有其特殊的要求。主要的单元技术有超短光脉冲发生技术、 超高速全光开关技术、 全 光时分复用/ 解复用技术以及全光 3 r再生技术。 北 京 郎 电 大 学 2 0 0 3届 博 .士士 仑文 伟一 幸绪 论 1 . 2 . 1 超短光脉冲发生技术 为了 实现超高 速 o t d m 传输， 光源需产生高重复率、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，频宽也就越宽。 另外， 重复率和振荡波长应可调谐以 便于信号 同步和传输性能优化。 有以下几种技术能 满足以 上要求: . 增益开关分布反馈式激 光器 12 ,1 3 1 . 利用色散 补偿光纤( d c f ) 进行线性压 缩， 产生 5 - 7 p s 4 6 1的 光 脉 冲， 再 经 过 梳 状 色 散 分 布 光 纤 链( c d p f ) 可以 将脉 冲 压 缩 到2 p s o . 锁模 光纤环激光器4 7 .4 6 .4 9 .5 0 . 该技术可产生理想的 变换极限孤子脉冲， 其脉宽小 于 l p s ( 7 3 f s 5 1) ， 脉 冲 重 复 频 率 可 达1 t h z s 2 1 . 常 用 于 超长 距 离 和高 速 系 统 中 ， 而 锁 模 半导 体激光器难于产生 窄于s p s 的 脉冲， 常与 外部反 馈光栅一起使用。 . 单片 集成电 吸收半导 体激光 器5 3 ,5 4 ,5 5 1 。电 吸收 调 制器( e a m) / 分布反馈( d f b ) 集 成激光器用外部信号调制连续光源来产生脉冲，无需腔长和电信号的同步，这种激 光器体积小，重复频率高，但必须与脉冲压缩技术相配合才能用于高速系统。 . 超连续谱激 光器s 6 ,n s e 超连续 谱 ( s c ) 激光 器在实 验室中 用途很广， 这种激光 器 由高功率脉冲码流在光纤中经扩谱增宽并用一滤波器选取连续光的一部分，能够同 时在多个波长处产生超短光脉冲， 滤波器 特性决定了 脉冲的宽 度。 这种激光器非常 适合在 。 t d m 十 w d m 中使用，1 t h iu s o t d m / w d m 实验系统 5 9 和 3 t b itl s o t d m / w d m实验系 统3 6 中 采用的都是s c 光源. 1 . 2 .2 超高速全光开关技术 目 前的 光开关主要有:利用电 磁、压电等效应实现的机电 开关，主要是通过机械的 移动 或转动 光纤、 反 射镜、 棱镜等元件来实 现， 现在 研究的 热门 技术m e ms 6 0 ,6 1 ,6 2 .6 3 1就是这类开 关; 利用电 致热效应， 在m a c h - z e h n d e r 千涉结构或其他的 千涉结构上实现的电热开关; 利用 电光效应， 通过电压或者电 流的改变来改 变介质的光学特性， 如折射率、 透过率等实现的电 光开 关， 如e a m 6 4 ,6 5 ,6 6 1 等; 还有其他的 如声 光开关， 液晶 开 关以 及磁光开关等。 这些开 关的 一个共同特征就是开关响应时间太长， 如机电开关一般在毫秒 ( m s ) 量级，即使电 光开关， 一般也是在纳秒 ( n s )量级， 这是无法满足几百吉比 特每秒的o t d m系统的要求的。 在o t d m系 统中， 需 要 一 种 开 关 速 度在1 0 皮 秒( p s ) ， 甚 至p s 量 级的 超高 速开 关， 现 在研究的主要有以下的几种全光开关: . 基子光纤中k e r r 效应的k e rr开关。 其原理是利用有泵浦光存在下，信号光中 两个偏振方向由 于k e r r 效应得到的相位的改变是不同的， 利用它们干涉来实现 的 光开关。 理论上， k e r r 效 应的 相应时间 在飞 秒u s ) 量级6 7 1然而在实际 中， 由 于色散的限制， 一 般可以 在p s 量级。 .非线性光纤环路镜( n o l m) 开关。 其原理是利用光纤中的自 相位调制( s p m ) . 交叉相位调制 ( x p m )等非线性效应来实现的光开关，如今已能满足 北 京 邮 电 大 学 2 0 0 3届 博t 论 文 第 一 幸绪 论 6 4 o g b it/ s 6 9 ,6 9 1 的o t d m系 统的 要 求。 基于半 导体 光放大器 ( s o a ) 的全光干 涉型开 关7 0 ,7 4 7 2 。 主要有 太赫兹光学非 对称解复 用器( t o a d ) 、 基于s o a的m a c h - z e h n d e r 干 涉结 构 s o a - m z i 7 3 4 ) , 超快非 线性干涉( u n i 7 5 .7 6 ) 。 它们的 原理基本类 似， 主要是利用s o a中 的x p m 以 及交叉增益调制 ( x g m) ， 通过改变两束信号光的 相位，再通过干涉来实 现 光开关。目 前这三种基于s o a的全光开关都能满足1 6 0 g b i t / s 的系统的 要求。 基于半导体光放大器 ( s o a )的四 波混频效应 ( f wm)的全光开关7 7 ,7 8 ,7 9 1 . 2 . 3 全光时分复用1 解复用技术 ( 时钟提取技术) 光时分复用技术 ( o t d m)是在时域内将很多通道的数据信号合并成高速数据信号:而 解复用技术正好相反，是将高速数据信号分开为多路低速数据信号， 它们是超高 速传输系统 的一项重要功能。 o t d m光解复用的要求是: 快速稳定的 无误码工作、 控制功率低; 与偏振无关， 定时抖 动值小。为了实现解复用，必须先从数据脉冲序列中 提取时钟， 然后利用超快全光开关实现 解复用。主要有如下几种时钟提取技术: . 光电 锁相技术 ， 0 .9 4 8 2 。 该方 法通常 将光电 开关 ( 如e a m等) ， 光探 测器， v c o ， 相 位鉴别器一起组成一个光电 锁相环路， 最后提取的是电时钟，同时实现数据的 解复 用。 . 自 脉 冲d f b 激 光 器 技 术 8 3 ,8 4 ,8 5 。 其原 理 是 利 用半 导 体 在 数 据 脉 冲 序列 的 注 入 时的自 脉冲现象， 产生和 数据脉冲 序列同步 稳定的 超短脉冲。 这 种方 法可以 得 到脉宽 为p s 级的时钟脉冲序列，非常适合全光的超高速 o t d m 系统。 利用该方法可以 实现从 2 0 o g b i t/ s 中 提取i o g b i t / s 的时钟脉冲。 . 非对 称t o a d直接实 现光时 钟提取8 6 。 该 方法巧 妙地 利用t o a d中s o a的 饱和特 性。在o t d m分组网中可以将时钟脉冲和数据脉冲分开，直接提取时钟脉冲序列。 1 . 2 . 4 全光3 r再生技术8 7 ,8 8 ,8 9 ,9 0 1 全光中继再生技术包括放大、 整形和定时 ( 3 r ) ，再生和重定时器件只有在远距离、大 容量的系统中才使用。重定时可通过光电 锁相环路技术 ( p p l ) 来实现相位的 锁定和时钟的 提取，再用提取得到的时钟驱动激光器，从而产生标准的时钟光脉冲流，再用数据脉冲对该 时钟脉冲流进行调制，即可得到 放大、整形和定时数据脉冲流。在超高速的o t d m系统中， 对时钟脉冲流进行调制时，必须通过一个超快的全光开 关来实现，而基于半导体光放大器 ( s o a ) 的 太 赫兹 光 非 对 称 解复 用 器( t o a d ) 和m a c h - z e h n d e i n te r f e r o m e t e r s ( m z i) 9 1 ,9 - 1 是很好的 选择. 另外， 基于s o a中f w m效应9 3 1 的 再生和波长 转换技术以 及 采用s o a和 d f b (9 4 ,9 5 1联合实 现3 r也 值得关注. 北 京 s 电 ， 学 2 0 0 3居 博 士 论 文 布 一 幸绪 论 1 .3 o t d m网络技术 国 外基于o t d m网 络技术的 研究 主要有美国 的m i t , p r in c e t o n 大学， 英国电 信( b t ) ; . 英国电信采用的是比 特间插技术来实现，而mi t和p r i n c e t o n 网络采用的是光分组技术。 p . . l se d at a c h口n n a1 s 网 召 匕手 丘扑 要 合于 勺 李 t oo r w or ks t at i on er r or det ec t o r 卜o-l a门 i pu f i er ban 口passf 1 t er om pt i f for 绍 吹翻 .钧 隆月 友相 尾名 跳 留1 . 1 b t l a b 劣o t d m月绍结匆匆必雳萝耽凑决 英国电 信的4 0 g b / s l a n 实 验是 世界 上首次 基于。 t d m技术的、 也是 世界 上 最快的 局域网之一， 它用于将高 速计算机工作站互连。 该实验网可提供工作站与工作站间的2 . 5 g b / s 的速率 连接， 总线速率为4 0 g b / s 。 其特点是:1 6 x 2 .5 g b i t l s ， 总线速率达到4 0 g b i t/ s 、 数据 传输采用广播选择方式、时钟信号采用偏振光传输、 用e a m来选择数据信道。 留1 . 3 a t a k a s a k a , y ; n a m ik i , s .; b r o a d b a n d lo s s l e s s d c f u s in g r a m a n a m p l i f i c a ti o n p u m p e d b y m u l t i c h a n n e l wd m l a s e r d i o d e s , e l e c t r o n i c s l e tt e r s ， v o l u m e : 3 4 i s s u e : 2 2 ， 2 9 o c t 1 9 9 8 p a g e ( s ) : 2 1 4 5 - 2 1 4 6 3 p e u c h e r e t , c . ; t o k l e , t . ; k n u d s e n , s .n . , e t .a l . ， s y s t e m p e r f o r m a n c e o f n e w t y p e s o f d i s p e r s i o n c o m p e n s a t in g f ib r e s , l a s e r s a n d e l e c t r