（通信与信息系统专业论文）光残余边带调制码型与光时分复用系统关键技术的研究.pdf

摘要 目前广泛采用的密集波分复用( d w d m ) 传输技术与光时分复用( o t d m ) 传输 技术相结合，己逐渐成为现代通信干线网的主体，并j 下向超高速、超大容量和超 长距离的全光通信网络发展。本论文围绕光传输和光交换两方面，结合国家自然 科学基金重点项目“高速光通信系统中的偏振模色散补偿及其相关技术与基础研 究 和“全光波长交换技术研究 以及国家8 6 3 项目“1 6 0 g b i t s 一泵多纤光传输 技术的研究 的实施，针对光残余边带( v s b ) 调制码型的实现与性质研究、提高光 时分复用系统光谱利用率技术、光栅滤波器设计算法以及新型分布式光路交换网 的组网应用等方面进行了深入的理论分析和实验研究，所取得的主要成果如下： 1 提出基于可调均匀b r a g g 光纤光栅产生残余边带调制码型的方案，建立了基 于光阻带滤波器的v s b n r z r z 码型调制格式的传输系统理论模型，分析了滤波器 主要参数对v s b 码型时域眼开度及频域边带抑止比的影响。其次在忽略了色散补 偿光纤( d c f ) 与啁啾b r a g g 光纤光栅( c f b g ) 非理想特性的基础上，详细地分析了 v s b n r z r z 调制码型在基于d c f 和c f b g 色散补偿系统中的传输特性差异。在此 基础上进一步分析了c f b g 群时延纹波抖动对残余边带调制码型传输特性的影响。 最后利用可调均匀b r a g g 光纤光栅产生的残余边带调制码型在试验室w d m 光路交 换试验网平台中做了试验验证。 2 提出一种利用设计光匹配滤波器用以提高o t d m 光谱利用率的方案。首先建 立了基于皮秒光纤激光器的o t d m 系统理论模型，通过对o t d m 系统非理想特性的 研究，系统地分析了o t d m 各支路信号幅度的差异及抖动、时延差异与抖动对 o t d m 时频特性的影响。首次提出了通过设计解复用开关窗口的匹配光滤波器来 提高o t d m 信号频带利用率的方案，并利用阵列波导光栅( a w g ) 对4x1 0 g b i t s o t d m 信号进行了光谱压缩，完成了时钟提取与解复用实验。实验结果表明进行 光谱压缩以后的o t d m 信号的频带利用率提高了约3 倍，在传输1 0 0 k m 之后仍可以 进行时钟提取与解复用，验证了该方案的可行性。 3 提出了一种插值搜索算法，利用该算法设计了光带通滤波器与低色散型带 通滤波器，通过选取合适的插值函数得到了比传统g l m 算法更优的结果。其次结 合遗传算法对c f b g 光栅性能做了优化，减小t c f b g 的群时延纹波( g d r ) ，从而 验证了非对称切趾抑制带内群时延纹波的有效性。 4 完善了基于光路交换的全光网演示系统的具体功能，优化了突发交换解决 方案，减少了突发呼叫竞争。结合全光网组播技术，提出了一种适用于大规模网 状光网络的多路分布式链路检测的解决方案。 关键词：i 光纤通信；光时分复用；光残余边带调制；全光交换网】 a bs t r a c t a tp r e s e n tt h ec o m b i n a t i o no fd w d mw i t ho t d m t e c h n i q u e sh a sg r a d u a l l y b e c o m et h em a i np a r to fb a c k b o n eo fm o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，w h i c hi s r e g a r d e da st h ed e v e l o p m e n to ft h eu l t r a - h i g hs p e e d ，u l t r ah i g hc a p a c i t ya n du l t r al o n g h a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s o p t i c a lt r a n s m i s s i o na n do p t i c a l s w i t c h i n ga r et h et w ok e ya s p e c t so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , s u p p o r t e d b yt h ek e yp r o j e c t so fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o n d a t i o n r e s e a r c ho np m d c o m p e n s a t i o n a n dr e l a t e di n f r a s t r u c t u r e t e c h n o l o g i e si nh i g hs p e e d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ”，s t u d yo na l l o p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y a n d n a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ”s t u d yo n16 0 g b i t so n e p u m pm u l t i f i b e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ，w ec o n d u c tad e e pi n v e s t i g a t i o ni n t ot h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h en o v e lo p t i c a lv e s t i g i a ls i d e b a n d ( v s b ) m o d u l a t i o nf o r m a t s ，t h ei n c r e a s e o fs p e c t r u me f f i c i e n c yo fo t d m ，a l g o r i t h mo fg r a t i n gf i b e rd e s i g na n dw a v e l e n g t h r o u t i n gn e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e da r ea sf o l l o w s ： 1 t h es c h e m eo fi m p l i m e t a t i o no fo p t i c a lv e s t i g i a ls i d e b a n dm o d u l a t i o nf o r m a t s w i t ht u n a b l eu n i f o r m b r a g gg r a t i n gw a sp r o p o s e d t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f v s b - n r z r zm o d u l a t i o ns y s t e mw i t ho p t i c a lb a n d s t o pf i l t e rw a sb u i l d t h em a i n e f f e c t so fe o pa n dt h es u p p r e s s i o nr a t i oo fs i d e b a n do fv s bc o d e sw e r ea n a l y z e d i n d u c e db yt h ep a r a m e t e r so fo p t i c a lf i l t e r a n dt h e nb yn e g e l e c t i n gt h en o n i d e a l p r o p e r t i e so fd c fa n dc f b gt h ed i f f e r e n c e so ft r a n s m i s s i o n sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l af u r t h e ra n a l y s i sw a sm a d ec o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fg r o u p d e l a yr i p p l eo fc f b gi n v s bt r a n s m i s s i o ns y s t e m a tl a s t ，a ne x p e r i m e n to fv s bm o d u l a t i o nw i t ht l ：m a b l e b r a g gg r a t i n gi na l lo p t i c a lw d mn e t w o r kp l a t f o r m sw a sm a d et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h i sp r o p o s a l 2 f o rt h ef i r s tt i m e ，t h es c h e m eo ft h ei n c r e a s eo fs p e c t r u me f f i c i e n c yo fo t d m w a si n v e s t i g a t e db ye m p l o y i n g m a t i c h i n go p t i c a lf i l t e r t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fo t d m s y s t e mb a s e do np i c o s e c o n dp u l s el a s e rs o u r c e sw a sb u i l d t h ee f f e c t si nt i m ea n d s p e c t r u md o m a i no fo t d ms i g n a l sw e r ed i s c u s s e di n d u c e db yt h e s ef a c t o r ss u c ha st h e d i f f e r e n c eo fa m p l i t u d ea n dv i b r a t i o no fa m p l i t u d ea n dd e l a yi n e a c hc h a n n e l t h e o n g i n a lp r o p o s a lw a sm a d et oi n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c yo fo t d m b yd e s i g n i n g t h em a t c h i n gf i l t e ro fd e m u l t i p l e x i n g s w i t c h i n gw i n d o w s r e l a t e de x p e r i m e n t sw e r e m a d ef o rm ef i r s tt i m ei nw h i c ht h e4 1 0 g b i t so t d ms i g n a l sw e r ec o m p r e s s e db v 1 v e m p l o y i n ga r r e yw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) f u r t h e r m o r et h ec l o c ke x t r a c t i o na n d d e m u l t i p l e x i n go fo t d mo v e r10 0k mt r a n s i m s i o nw e r ei m p l e m e n t e da sw e l l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ei n c r e a s eo fa l m o s tt h r e et i m e so fs p e c t r u me f f i c i e n c y c o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a lo t d ms i n g a l sw h i c hv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e 3 an o v e li n t e r p o l a t i o na n ds e a r c h i n ga l g o r i t h mw a s p r o p o s e d ，w h i c hd e s i g n e d a n dr e b u i l dt h eo p t i c a lb a n d p a s sa n dl o w d i s p e r s i o nf i l t e r s b e t t e rr e s u l t sw e r eo b t a i n e d b ys e l c t i n gp r o p e ri n t e r p o l a t i o nf u n c t i o n sc o m p a r i n gw i t ht h a to ft r a n d i t i o n a lg l m a l g o r i t h m a n dt h e no p t i m i z a t i o no fc f b gw a sm a d eb ye m p l o y i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t om i n i m i z et h ei n b a n dg r o u pd e l a yr i p p l e ( g d r ) o fc f b g , w h i c hv e r i f i e dt h e e f f e c t i v e n e s so fa s y m m e t r i c a la p o d i z a t i o ns c h e m e 4 s p e c i f i cf u n c t i o n a lm o d u l e so fa l lo p t i c a ln e t w o r k sb a s e do no p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n gw e r ee s t a b l i s h e da n de n h a n c e d t h eo p t i m a ls c h e m eo fb u r s tc o n t e n t i o nw a s p r o p o s e dm o r e o v e rc o m b i n i n gw i t hm u l t i c a s t t e c h n o l o g y , an o v e ls c h e m ew a s i n v e s t i g a t e dw h i c hw a sc o n s i d e r e da st h ed i s t r i b u t e da n dm u l t i 1 i n kf a u l td e t e c t i o n su s e d i nm e s ha n d l a r g es c a l eo p t i c a ln e t w o r k s k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b r ec o m m u n i c a t i o n ；o t d m ；o p t i c a lv e s t i g i a ls i d e b a n d m o d u l a t i o n ；a l lo p f i c mn e t w o r k s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 1 2 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ，巳f 磐 导师签学位论文作者签名：vi 召 导师签 签字日期：9 夕年石月砂同 签字同期 致谢 本论文的工作是在我的导师简水生院士的悉心指导下完成的，博士阶段前进 的每一步都凝聚着导师的心血和汗水。简院士严谨的治学态度和科学的工作方法 给了我极大的帮助和影响，导师严谨的治学态度、渊博的学识、活跃的思维以及 实事求是、扎扎实实的科研精神，为我营造了良好的学术氛围，这些宝贵的财富 使我受用终身。导师时常鼓励我们在科学研究的道路上要有百折不挠的精神、不 断进取的恒心，要有报效祖国、振兴中华民族的远大理想，是我们学习的榜样。 在此谨向恩师简水生院士致以最诚挚的谢意，简老师您辛苦了! 感谢光波所所有帮助我，关心我，和我一起学习工作过的老师和同学们。李 唐军、陈根祥、延凤平、娄淑琴、宁提纲、裴丽、江中澳、王目光、张建勇、曹 继红、谭中伟、简伟、童治、郑凯、董小伟、魏淮、傅永军、刘艳、李艳涛等老 师对于我的科研工作、学习生活和论文等方面都给予了许多帮助，在此表示衷心 的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，陈勇、张峰、秦羲、卢丹、陈明、龚陶 荣、王燕花、许鸥、鲁韶华、李坚、毛向桥、郑晶晶、郭铁英、刘鹏、刘志明、 范林勇、陶沛琳、江薇薇、陆慧敏、祁春慧、王琳、姚磊、任文华、冯素春、刘 利松、李宏雷、陆遇春、耿蕊等同学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 还要特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。今天取得的点滴成绩离不开父母精神和物质的支持。这篇博士论文也是我献 给他们的微薄回报。 1 绪论 1 1 引言 当今的时代是信息的时代，是网络的时代，随着因特网在全球范围内的迅速 发展，基于i p 的数据业务呈爆炸式增长，对网络带宽的需求随之增加( 参见图1 - 1 ) 。 光网络是新兴光纤通信技术的产物，带来了网络世界前所未有的变革。联合国 “1 9 9 9 世界电信会议”副主席约翰罗斯( j o h nr o t h ) 在会议开幕演说时提出光 纤定律：光纤通信容量每9 个月会增加一倍，但成本降低一半，比晶片变革速度 的每1 8 个月还快。然而在2 0 世纪末i t 泡沫时世界各国的电信运营公司和网络公 司过高地估计了光通信的发展速度并进行了大规模的基础骨干网建设光通信一 度陷入低谷【z 】，低迷的国际光纤通信市场使各大公司从片面追求传输速率的误区中 走了出来，开始注重向降低成本，实用化方向发展，进入了效率时代 3 1 。自2 0 0 7 年起，随着通信网络业务主体1 p 化的转移，光通信技术和设各的发展也步入了转 型时期h 。包括i f l w 和3 g 移动网在内的各种业务层网络的发展带来的带宽压力， 又进一步地促进了光传输技术面向大容量、长距离的发展。另一方面，电子技术 发展速度已经远远赶不上光通信容量的增长速度，为了解决对通信带宽“无限渴 求”与交换系统“电子瓶颈”的主要矛盾 5 1 以全光交换为核心的全光网络及其关 键器件的研究成为竞相发展的重点之一哪】。 图1 - 1 基于口业务的数据增长情况 由此可见在光传输和光交换两个方面，光通信领域仍然面临巨大的挑战，依 然有诸多技术问题需要解决。本论文结合国家自然科学基金重点项目“全光波长 h著_tt d ， 交换关键技术研究”和“高速光通信系统中的偏振模色散补偿及相关技术与基础 研究”以及国家8 6 3 项目“1 6 0 g b i t s 一泵多纤光传输技术的研究”的实施，针对 全光通信网中基于光栅技术的新型调制码型、光时分复用系统相关技术、相关滤 波器设计以及基于分布式光路交换全光网功能的实现与开展等方面进行了深入的 理论与实验研究。 1 2 高速长距离传输系统的关键技术及研究进展 目前扩大光纤通信网络传输容量的有效技术途径就是广泛采用复用技术，特 别是密集波分复用( d w d m ) 光纤传输技术与时分复用( t d m ) 光纤传输技术相结合，己 逐渐成为现代通信干线网的主体，并正向超高速( 4 0 g b i t s ) 、超大容量( 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【9 】。随着传输距离和传输速率的进一 步提高，光色度色散、偏振模色散、非线性效应以及光信噪比的恶化成为限制传 输距离和速率的主要因素。针对这些因素，下面将从w d m 和o t d m 技术角度分别介绍 目前所采用的关键技术及研究进展。 1 2 1波分复用( w d m ) 传输系统的关键技术及研究现状 高速、超长距离w d m 传输系统不但可以提高光纤传输的容量，满足日益增长的 互联网带宽和速度要求，还可以借助光分插复用器( o a d m ) 、光交叉连接器( o x c ) 以及各种波长选择器件，方便地上下本地业务，从而提高传输业务组织能力实现 一定规模的智能网，因此高速长距离w d m 技术一直是近年来受到广泛关注的热点技 术之一，其中主要研究热点体现在以下几个方面： 1 新型调制码型的研究与进展。由于不同的调制码型的时域特性、光谱以及 接受端信号处理方式的不同，传输系统的色散容限，非线性容限、偏振模色散抑 制能力、接收端灵敏度等与传统的强度调制非归零码( n r z o o k ) 有很大不同，通过 采用合适的调制码型可以充分利用光纤资源或提升系统的传输性能。目前传输速 率大于l o g b i t s ，传输距离l o o k m 以上的系统中已广泛采用归零码【m 12 1 、载波抑制 归零码 1 3 - 1 5 等由于频谱、脉冲宽度等特性与传统的n r z 码相比存在较大区别，在同 样传输配置下，r z 码与c s r z 码对系统的o s n r 提高约2 d b 1 6 】，但是由于它们频谱较n r z 宽，需要更严格的色散管理机制；对于目前超长距离光传输研究中，各种差分相 移键控( d p s k ) 显示了巨大的优势【1 m 0 1 ，与传统的强度调制相比，d p s k 在相同的 误码率指标下，对光信噪比要求降低3 d b ，同时对接收信号功率波动有更高的容限。 例女 i o f c2 0 0 8 会议报道a t & t 实验室采用r z - d q p s k 码型在不经过拉曼放大条件下光 2 毡夏奎盟左望熊圭堂位业主 结：l 盘 纤直连传输1 0 0 5 2 ”，传输容量达到2 l b s ( 2 0 x1 0 7 g b s ) ，2 0 0 3 年，c i c a s m l s s e n 等r l z 采用c s r z o p s k 、e f e c 技术、全拉曼放大器、1 0 0 j 【l 全波光纤跨段实现了跨太 平洋距离1 0 0 0 0 k m 的d w d m 4 0 g b i t s 传输等。为了获得更高的频谱利用率，单边带调 制( s s b ) 网和残余边带调制( v s b ) 技术i ，多电平调制双二进制调制、相位 整形二进制调制传输等在光传输领域正成为研究热点( 参见图1 2 1 2 8 】) 。2 0 0 7 年， e l 本n t t 实验室利用双级单边带( s s b ) 压缩方式实现了1 4 0 个载波，带宽8 到2 0 g h z 不等的副载波( s c m ) 信号的增强型单边带调制码型s m f 光纤中传输2 0 0 k m 口”。2 0 0 8 年n o b u h i k ok i k u c h i 等人实现了3 0 g b i t s8 电平幅移相移键控( 8 a p s k ) 调制码型 并采用非相干接收方式与8 d p s k 相比灵敏度提高了i 5 d b l “l 。此外近年来研究表明 将无线通信中广泛采用的正交频分复用( o f d m ) 技术移植到光通信领域的光o f d m 调制方案，对于超长距离光传输来说具有很高的色散容限，并且可以结合多电平 调制方式来提高传输容量。在2 0 0 8 年e c o c 会议上，台湾c h u n - t i n gl i n 等实现了 1 5 g b i t s6 4 - q a l 瘌2 0 g b i t s1 6 - q 删o f 瑚调制信号唧，传输2 0 k m 无误码。诸多新 型调制格式均在提高频谱利用率或提高传输性能方面各具优势，彼此影响互相结 合在改善系统性能方面起到了重要作用。 f m q u w v f q r 崎 图l 之各种调制码型光谱及眼图 2 色散补偿与色散管理技术。光纤色散是高速长距离d 帅m 光纤通信中的一个 非常重要的限制因素。色散补偿与色散管理是光传输中的重要技术内容。其中色 散管理方案是沿传输链路周期性铺设传输光纤和配备色敝符号相反的色散补偿模 块( d 删) 。色散管理技术要求周期性的正负色散配置使链路中每个局部的本地色 散绝对值很大，用以抑制信道间四波混频( f 州) 串扰和信道间的交叉相位调制 ( x 删) 影响，色散补偿技术目前最为常用的是采用色散补偿光纤( d c f ) 实现色 3 霸一飘一酮一勰 liegv占ei_lntu#8 散和色散斜率同时补偿1 2 9 。3 2 1 ，但成本很高，并且d c f 插入损耗较大，需要增加额外 的放大器引入了更多放大器噪声，造成o s n r 恶化，此外由于d c f 芯径较小，不但与 普通单模传输光纤( s m f ) 模场难以匹配，而且非线性效应较强，需要对入纤功率 进行严格控制，诸多不利因素限制了d c f 色散补偿技术在未来光传输中的应用。而 随着光栅制作工艺的成熟，光纤光栅在光纤传输、光纤传感与光信息处理方面得 到广泛应用。与d c f 相比光纤光栅具有较强的竞争力，如具有较低的制作成本、较 小的非线性系数、较小的插损、较低的偏振相关损耗( p d l ) 等。已有诸多论文和实 验报道利用光纤光栅对光传输系统进行色散补偿的方案。1 9 9 4 年w i l l i a m 首次实现 了光纤光栅色散补偿实验。2 0 0 6 年，y c h e n 4 0 ，4 l 】等实现了无中继利用c f b g 传输超 过2 0 0 0 k m 的传输实验。国内外已有很多机构开展了光纤光栅的研究丌发。如英国 的南安普顿大学，澳大利亚的悉尼大学，国内的北京大学和北京交通大学等。然 而光纤光栅纹波问题仍然是限制其在高速长距离色散补偿系统应用中的主要限制 因素，如何改进光栅制作工艺，提高光栅品质仍然是目前研究的热点【3 3 - 3 7 1 。除了 光域的色散补偿方案外，近几年国际知名公司与实验室也开展了电域色散补偿的 研究，已在o f c 与e c o c 等顶级光通信会议上有诸多报道【3 8 - 3 9 1 ，表现出巨大的应用潜 力与吸引力【4 2 1 。 3 分布式光放大器的研究提高传输距离，改善系统的传输性能。在超长距离 光传输技术中，有效补偿光纤链路的衰减及其它器件的插入损耗是首先需要解决 的问题。传统的e d f a 放大器虽然取代了光电光中继的方式延长传输距离，但是由 于其集总式放大方式容易引起诸多非线性效应、噪声指数较高、放大带宽较窄、 增益谱不平坦等弊端限制了其在长距离大容量密集波分复用( d 1 j l r d m ) 系统中的应 用。目前高速长距离传输普遍采用分布式的拉曼放大器，配合e d f a 混合放大的方 式可以在一个很宽的范围内提供平坦增益大大降低噪声指数，提高了光信噪比 4 3 - 4 5 】。此外随着高非线性光纤的研发及商品化高功率半导体激光器的实现，光纤 参量放大器( o p a ) 4 6 1 也是近年来研究的热点技术，光纤参量放大器一独特性能即 可以无噪声放大，还可以在理论上消除非线性影响，具有广阔的应用前景。如何 减d x o p a 易受偏振态的影响，解决放大增益饱和保持宽带平顶增益谱等关键问题都 是未来的重点研究方向。 4 前向纠错编码( f e c ) 技术的采用，以较小的代价提高传输性能，减小偏振 模色散p m d 影响。f e c 是通过在信息中加入少量的冗余信息来检测和纠正传输中产 生的误码。在w d m 长距离传输系统中通过牺牲较小的带宽和少量的系统余量来提高 系统的性能，例如常用的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) f e c 编码将传输比特率提高约7 ，在误码率 b e r 为1 0 。1 5 获得6 d b 编码增益【4 7 4 8 1 ，纠错能力更强的级联码和t u r b o 码可分别带来 8 6 d b 4 9 和1 0 1 d b 5 0 】的编码增益。f e c 研究主要工作集中在两个方面，一是寻找简 4 单高效的纠错编码方案，二是相应纠错编码的集成硬件实现。硬件实现方面目前 主要是采用f p g a 芯片集成技术【5 1 , 5 2 】来制作预编码与f e c 判决器件，而在纠错编码方 案的研究方面，f l d f e c 的摩尔定律表明【5 3 】，每1 5 年f e c 净编码增益( n c g ) 提高l d b ， 由图卜3 所示目前研究的第三代f e c 基于“软判决、级联编码机制，n c g 不小于l o d b 。 此外利用f e c + 快速绕偏技术还可以改善线路中具有随机性的偏振模色散( p m d ) 的 影响【s 4 1 。 除以上四点之外，色散管理孤子技术5 5 , 5 6 1 、动态增益均衡技术【5 7 1 以及偏振复 用技术【5 8 】等在提高光谱利用率，改善传输性能方面也起到了十分重要的作用。 1 9 8 51 9 9 01 9 9 52 d 0 02 52 0 1 0萄5 图1 - 3f e c 发展的摩尔定律 1 2 2 光时分复用( o t d m ) 传输系统关键技术及研究现状 光时分复用( o t d m ) 系统是未来高速、大容量光纤通信系统的优选方案之一， 是w d m 技术以外的另一种在光域内实现传输速率提高的方法。o t d m 基本原理是在光 域将多路超短脉冲形式传输的低速数据流在时间上间插形成一路高速数据流，相 对w d m 而言，o t d m 是一种 数字 技术，可以在光域实现超快数字信号处理，可以 用全光的方式实现3 r 再生。o t d m 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，适用于本地网和主干网等【5 9 , 6 0 】。目f i i j o t d m 技术还没有实用化仍停留在实验 室阶段，但是国外已经发展到很高的水平，德国h g w e b e r 等学者在2 0 0 5 年e c o c 会 议上报道利用偏振复用、d q p s k 调制结合o t d m 技术单通道速率可达到2 5 6 t b it s 。 国内初步开展了o t d m 研究工作，中国“九五期间国家“8 6 3 ”计划通信主题将时 5 侄 ” 口 8 7 o 5 4 3 2 一pul曩u珏茁poql。z 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。天津大学与信息产业部、武汉邮电科学研究院j 下在合作进行的o t d m 点对点系统和网络相关技术的研究，如分插复用器、o t d m 网络接口及全光再生等 方面的研究。目前o t d m 的关键技术有： 1 超短脉冲光源的研究。超短脉冲光源在高速o t d m 系统中有着举足轻重的地 位，其产生光脉冲的宽度和重复频率决定了系统最大复用速率，而脉冲的质量好坏 则影响着系统最大传输距离。目前可以应用于o t d m 系统的超短脉冲光源主要有： 连续光源级联e a m ( 电吸收调制器) 、锁模光纤激光器和锁模半导体激光器等【6 1 删。 其中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【6 铀7 1 ，而光纤激光器仍 然具有不可避免的非理想特性，如超模竞争和张弛振荡引起的短期不稳定现象 6 8 0 7 0 笔 可o 2 时钟提取技术的研究。全光时钟提取技术从o t d m 信号中提取同步的定时信 息，是对信号进行再定时( r e t i m i n g ) 、再整形( r e s h a p i n g ) 的基础，是3 r 再生 技术的关键。目前应用的时钟提取技术有光电锁相环( p l l ) 混合提取与全光时钟 提取两种。光电混合p l l 主要有两种方案：行波型半导体激光器增益调制的p l l 电 路；利用行波型半导体激光的放大器四光波混合p l l 电路。光电混合p l l 时钟提取 技术上较为成熟但价格昂贵且易受电子器件的限制。全光时钟提取有通过光有源 或无源窄带滤波器直接时钟提取和注入锁定时钟提取技术两种，主要方案有基于 光纤锁模激光器、基于f - p 激光器、基于布里渊散射【7 1 7 4 】和基于光锁相环等。 3 o t d m 解复用技术。o t d m 解复用器实现的功能是从时分复用后的高速码流信 号中将较低速率的支路信号提取出来。o t d m 解复用可以用光开关技术来实现。目 前比较成熟的实现技术主要有基于e a m 7 5 1 和光纤非线性两种【7 6 1 。与n o l m ( 非线性光 纤环镜) 和t o a d ( 半导体光放大器型) 等全光型解复用器相比，e a m 解复用器不需 要光时钟的操作来实现开关作用，因此成本可以降低；而利用光纤克尔非线性的 解复用器速率较高可达6 4 0 g i t s 7 7 1 。此外随着对半导体材料非线性机理和新型有 机材料特性认识的逐步深入以及各种新的制备工艺的出现，许多构思新颖、性能 更加优越的全光开关有望被应用到高速o t d m 信号的解复用中来。如基于半导体光 放大器( s o a ) 双折射效应的交叉偏振调制( c r o s sp o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o n ) 光开判7 8 ，n e c 公司t b i t 级m z i 全光开判7 9 1 ，n t t 基于超晶格2 5 0 f s 全光开关 8 0 】以及 基于光子晶体光纤交叉相位调制( x p m ) 效应的s a g n a c 光开判引】等都是解复用光开 关领域的热点技术。总之o t d m 解复用及光开关技术研究主要需解决两个问题：一 是提高解复用窗口的质量如消光比、窗口宽度及抖动以及光信噪比等。二是减低 开关能量实现o t d m 系统集成。 6 除以上三点外，o t d m 信号由于单通道速率的提高，传输过程中必需考虑偏振 模色散的补偿问题，在复用器解复用端也要尽量消除偏振相关的影响；此外基于 x p m 的o t d m 全光通道识别技术，光孤子色散管理技术也是o t d m 领域的研究方向。 1 3 光栅滤波器设计研究现状 光纤光栅是光通信领域的常用器件，广泛应用于信号滤波、色散及色散斜率 补偿，光纤传感和全光网络中。根据光栅的反射谱逆向重构得到光栅的结构参数 如长度、周期、折射率调制深度等，是在光纤光栅传感和通信领域经常会遇到的 一类反问题。反问题是设计和优化光纤光栅的理论基础，对于光纤光栅本身及基 于光栅的分布式传感系统的设计具有重要的意义【8 2 埘】，因此近几年成为国内外的 研究热点之一。从九十年代起，学者们陆续提出了各种求解光纤光栅反问题的方 法，如傅里叶变换、法【8 5 1 、解耦合g e p f a n dl e v i t a nm a r c h e n k o ( g l m ) 方程法 8 6 , 8 7 】、 时频信号分析法( t i m e - f r e q u e n c ys i g n a la n a l y s i s ) 8 8 , 8 9 1 、层析算法 ( 1 a y e r p e e l i n g ) 等。对于弱耦合光栅，其反问题可以根据一阶波恩近似简化为求 光栅反射系数的反傅里叶变换，这就是傅里叶变换法。傅里叶变换法是求解反问 题最简单的方法，但是仅适用于光栅的反射功率比较小的情况，通常光栅的反射 率要低于3 0 才能满足波恩近似的条件。解g l m 方程能够直接得到反问题的精确解， 但是运算相当复杂。a z a ii a 等人应用时频信号分析技术，从光纤光栅的反射系数 出发重构得到了光栅的周期和长度，重构的参数与实验值具有很好的一致性。时 频信号分析技术和层析算法有一个共同缺陷，即都依赖于复杂的反射谱信息( 需要 同时考虑幅度谱和相位谱) ，因此目前比较常用的方法仍然是g l m 积分方程法反演 光栅参数，达到重构的目的。上述方法虽然都能有效求解光纤光栅反问题，但是 存在较大缺陷，如计算复杂，局限性大，依赖于复杂的反射谱信息等。近年来学 者们将演化算法引入求解光纤光栅的反问题，有效克服了上述困难。演化算法 ( e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ，e a ) 是模拟自然进化发展起来的一种通用的问题求解方 法。其基本原理为以目标反射谱( 实验测量谱或理论计算谱) 为标准，运用演化算 法寻找一组参数，根据该参数计算得到的反射谱与目标谱一致，这组参数即为重 构的光栅结构参数。目前常用的算法主要有遗传算法【矧、进化规划算法【9 、模拟 退火算法【9 2 1 、差分演化【9 3 】和蚁群优化算法【叫等。 本文借助演化算法探索性研究了光纤光栅重构及参数设计问题，为光栅滤波 器的制作提供了设计思路。 1 4 全光网研究现状及前景 7 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也 足理想阶段。传统的光网络实现了节点闻的全光化，但在网络结点处仍采用电器 件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个 非常重要的课题。全光网络以光节点代替电节点，节点之问也是全光化，信息始 终以光的形式进行传输与交换，交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而是 根据其波长来决定路由，全光交换之于光网络就像“立交桥 之于“高速公路网” 1 9 5 - 9 7 】。目前，全光网络的发展仍处于初期阶段，但它已显示出了良好的发展前景。 这些年国内外所开展的全光网络的研究已经取得阶段性的成果如美国的多波长光 网络( m o n e t ：m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k ) 9 8 , 9 9 ，欧洲的泛欧光子传送层 叠网( p h o t o n ：p a ne u r o p ep h o t o n i ct r a n s p a r e n to v e r l a yn e t w o r k ) i o o j ，c i s c o 公司 提出“完整光多业务边缘和传输 ( c o m e t ：c o m p l e t eo p t i c a lm u l t i s e r v i c ee d g ea n d t r a n s m i s s i o n ) 网络解决方案等。我国也进行了中国高速信息示范网( c a 玳o n e t ) 的研究试验【1 0 1 1 以及进行了国家8 6 3 计划重大专项3 t n e t 的研列1 0 2 】等。从发展趋 势上看，形成一个真正的、以w d m 技术与光交换技术为主的光网络层，建立纯 粹的全光网络，消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势，更是未来信息 网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是理想级别。 目前存在三种光交换技术：光路交换( o c s ) 、光突发交换( o b s ) 和光分组 交换( o p s ) i 0 3 】。虽然光分组交换技术试图直接在光层上实现细粒度的交换，带 宽利用率很高，但是目前其核心交换器件如大规模光开关矩阵、光缓存器和光逻 辑器件等仍然成本很高难以走向实用化；o b s 结合了o c s 与o p s 的优点，交换 粒度介于两者之间，但是还有很多关键问题没有解决如突发竞争问题、延迟时间 的设计、控制头和数据净荷的协调等。针对这种情况结合目前网络发展的现状， 本所简院士提出了针对这种情况，本所简水生院士提出了“新型分布式波分纤分 光路交换网”的新思想。该思想除了解决光网络中最基本的光传输与光交换关键 技术外还着重考虑了以下两个问题： 1 网络信息安全问题。基于包交换的i p 网，a t m 网络在安全