OTDM光时分复用OTDM及关键技术页PPT课件.ppt

光时分复用 OTDM 及关键技术 学科前沿课清华大学电子工程系娄采云 理论上 光纤可以提供25000GHz的带宽 如何利用这一巨大的带宽资源 成了各国研究机构的努力目标 人们相继提出了光的波分复用 WDM 和光时分复用 OTDM 技术 这两种技术是克服光电子器件的瓶颈 提高光通信容量的有效途径 ECOC 01 Tu L 2 4 WDM 10Tb s 单信道40Gb s OFC 01OTDM 1 28Tb s ECOC 00 光通信网络的演进光传送网 智能光网 全光交换网 采用光时分复用 OTDM 技术构建的全光网具有独特的优势 如OTDM全光网采用单一波长 无须考虑链路中光放大器的增益平坦问题 不存在由四波混频等非线性效应造成的串扰问题 链路的色散管理方式简单 OTDM全光网中采用全光数字信息处理技术 不仅可克服 电子瓶颈 限制 提高网络容量 还可实现对网络信息码流的全光3R再生 有效地降低了信号噪声和串扰积累问题 OTDM全光网能够对高端用户提供多种QoS水平的综合业务 包括分组业务 服务 可灵活的提供突发业务接入 真正实现按需分配带宽 OTDM全光网通过时隙分配实现路由选择 可实现对数据格式和协议的透明传输 具有良好的可扩展性和重构性 此外 由于OTDM全光网可提供比传统网络大得多的速率 一般可支持 100Gbit s的网络传输速率 可望在网络多媒体 虚拟现实技术及超级计算机互联等领域内获得广泛应用 具有巨大的应用前景 因此 开展对OTDM全光网的研究具有重大意义 利用OTDM技术构建全光网需要解决两方面的问题 一方面 从网络层技术看 超高速的OTDM全光网的网络结构及协议都尚未确定 现有网络结构及协议未必适用于超高速的OTDM全光网 采用何种网络结构及协议才能充分发挥OTDM全光网的优势 这是一个关键问题 在这方面还需要进行大量的研究 从物理层技术看 发展先进可靠的全光信息处理技术 如超短光脉冲源技术 全光再生技术及全光分组交换技术等 是OTDM全光网面临的另一个关键问题 160Gb s 160G OTDM之所以引起人们的很大兴趣 主要原因有两个一 OTDM可克服WDM的一些缺点 如 由放大器级联导致的谱不均匀性 非理想的滤波器和波长变换所引起的串话 光线非线性的限制 需要复杂的控制方案来达到苛刻的波长稳定性以及昂贵的稳定可调的滤波器 二 OTDM技术被认为是长远的网络技术 为了满足人们对信息的大量需求 将来的网络必将是采用全光交换和全光路由的全光网络 OTDM的一些特点使它作为将来的全光网络技术方案更具吸引力 1 可简单地接入极高的线路速率 高达几百Gbit s 2 支路数据可具有任意速率等级 和现在的技术如SDH兼容 3 由于是单波长传输 大大简化了放大器级连管理和色散管理 4 虽然网络的总速率很高 但在网络节点 电子器件只需以本地数据速率工作 5 OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现 OTDM技术的作用单波长信道速率 目前40 160Gb s 长距离传输 RZ码 孤子传输技术 光逻辑信号处理 全光再生 3R OTDM系统研究进展 时间 年 基于四波混频 160Gb s OTDM的关键技术高重复率超短光脉冲源数据的传输 色散管理传输高速信号处理 时钟提取 解复用光取样技术关键的器件 光发射源 高重复率超短光脉冲源脉宽 脉冲宽度小于复用信号周期的1 4 高消光比 30dB时间抖动 系统总的时间抖动均方根值不应大于信道时隙的1 14抖动对系统的影响 开关窗 时钟提取和解复用 不是理想矩形的 而为钟形 信号源与时钟源间的时间抖动会引起解复用信号的强度抖动 这种强度噪声使信号的误码加大 高重复率超短光脉冲源的种类 一 半导体超短光脉冲源1 增益开关DFB半导体激光器2 利用电吸收调制器的超短光脉冲源3 主动锁模半导体激光器二 主动锁模光纤激光器三 多波长超短光脉冲源 WDM OTDM 1 从超连续光谱中提取多波长光脉冲2 多波长光纤环形激光器 1 增益开关DFB半导体激光器优点 简单可靠 重复频率可调缺点 啁啾大 需消啁啾结构及原理 工作原理与激光器的瞬态特性联系在一起激活层的折射率变化 n与载流子浓度变化 N关系 n A0 Nn n0 n N N Nth对于1550nm的InGaAsP激光器增益开关DFB激光器 红移啁啾 前部振荡频率高 后部振荡频率低 变换极限光脉冲 t 0 0 315 双曲正割 0 44 高斯 光纤的色散 色散参量 正常色散 0低频快高频慢反常色散 0 D 0 0低频慢高频快普通单模光纤 0 1 3 m损耗最低的波长 1 5 m 消啁啾 光谱窗 正常色散光纤补偿最常用的消啁啾方法是利用在1 5 m波长具有正常色散 D 0 光纤补偿负啁啾 同时也压缩了光脉冲的宽度 增益开关DFB激光器 红移啁啾 前部振荡频率高 后部振荡频率低 正常色散光纤 高频分量慢 低频分量快适当长度光纤 光脉冲达到最窄 DFB的啁啾 减小时间抖动时间抖动产生原因 相关抖动和非相关抖动 相关抖动 由激光器的驱动电流造成的 而非相关抖动 激光器的自发辐射 增益开关DFB是利用其弛豫振荡特性产生超短光脉冲 脉冲的产生是从自发辐射开始建立 自发辐射是随机变化的 使得脉冲的产生也存在随机性 导致了脉冲的时间抖动 增益开关DFB激光器的非相关时间抖动在1 7 14ps注入种子光的方法 注入弱的激光来控制DFB激光器的输出特性 使得DFB激光器在注入激光信号的基础上增长的光获得大的增益 脉冲占空比取决于偏置电压 调制幅度EA吸收特性 V0 n 频响特性 利用电吸收调制器的超短光脉冲源 EA的吸收特性 EAM外调制的发射源 主动锁模半导体激光器为提高稳定性 国外已研制了单片集成的主动锁模 激光器由增益区 饱和吸收区组成和分布反射镜 DBR 组成 调节DBR的电流可使腔长与调制频率匹配 已有重复率为40GHz 重复率可调的锁模半导体激光器LD 图1 YuichiTakushimaetal IEEEPhotonicsTechnologyLetter 10 11 1560 1998 作发射源OFC 02 TnA3 主动锁模光纤激光器 AML EDFL 特点 功率大变换极限双曲正割脉冲 稳定性问题 1 光纤长度及折射率受温度 环境的变化2 谐波锁模的超模竞争 锁模光纤激光器的超模 超连续谱产生及多波长光脉冲提取Supercontinuumgenerationandmulti wavelengthpulsesextraction WDM OTDM光通信光源 泵浦 高重复率超短光脉冲源数据的传输 色散管理传输高速信号处理 时钟提取 解复用光取样技术关键的器件 色散对WDM的影响OTDM 色散在短脉冲传输中起关键作用 单信道速率越高 剩余色散容限越小 色散补偿 1 2 3 n 入射脉冲传输距离L传输2L 脉冲重叠 对于高速OTDM系统 如何抑制色散以实现超短光脉冲的长距离传输是一个关键问题 一是光孤子技术 利用光孤子在传输过程中的脉冲波形不变的特性进行传输 在海底光缆 采用色散管理孤子技术已经完成了20Gb s的14 000km传输实验 此外 采用在线同步调制和光滤波的孤子技术 NTT实现了40Gb sOTDM信号的的70000km的传输 二是色散补偿和色散管理 数据的传输 色散管理传输 1 RZ码光信号的色散管理最佳排布 map 方式和色散斜率的补偿 延长传输距离 2 传输中的非线性效应及其克服方法 3 偏振模色散的影响及其克服方法 StudyoftheoptimumdispersionmapThefiber 几种传输光纤的参数 S dD d K D S For160Gb sitisnecessarytocompensatenoonlyforchromaticdispersionbutalsofordispersionslope Todatethemostmaturetechniqueofdispersioncompensationisbasedonslopecompensateddispersioncompensatingfiber SC DCF ThetolerancesintheresidualdispersionorintheSC DCFlengthareverytide Forinstancefor160Gb sover160kmSMF the3dBtolerance increaseofthepulsewidthbyafactor2 is 1 2ps nm ThiscorrespondstoatoleranceinSC DCFfiberlengthof 12moratoleranceinSMFlengthof 75m 160Gb s 116kmSMFfieldtrial OFC 02 TuA1 Invited HHI 上述现场160Gb s传输光源 锁模半导体激光器 10GHz 脉宽1 2ps SMF PSCF组合有高的局部色散和小的非线形 优于采用DSF或NZDSF 光纤组成 长度为116km 光纤的群延时差DGD 1 2ps采用带斜率补偿的色散补偿光纤 补偿3阶色散 损耗 0 5dB km 色散D 98km nm km 1 28Tb s 还需要补偿3 4阶色散传输光纤 75km SMF DSF RDF 1 39 7km SMF 2 4 6km DSF同时补色散斜率 3阶色散或色散斜率 3 RDF 25 1km 其PMD为总色散斜率 3阶色散 总的PMD 4阶色散 2阶色散 高重复率超短光脉冲源数据的传输 色散管理传输高速信号处理 时钟提取 解复用光取样技术关键的器件 时钟提取 光开关光开关 光开关的种类及工作原理 基于光纤的光开关基于半导体光放大器 SOA 的光开关基于其他半导体器件的光开关光电混合时钟提取锁相环 PLL 光开关 光开关的种类及工作原理 1 基于光纤的光开关 非线性光纤环镜 NOLM Sagnac干涉仪 SPM的相移 不考虑耦合器的损耗 0 5 NOLM的输出随输入功率的增加周期性变化 NOLM结构 无控制光时 k 0 6 虚线 k 0 8 实线 输入 输出曲线 光纤中的非线性自相位调制非线性克尔效应折射率 光波瞬时电场E 光波电场振幅I 光强 n0 3 10 22 V m 2 1 1 1013 esu n2 3 2 10 16cm2 W NOLM加入控制光 顺 反时针相位差 不考虑走离时的相位差 时 输出大 开关效应 开关功率 与L有关 无走离 PcL 600mW km 开关窗宽度 控制光脉宽Tc 走离 窗宽度 TcTc很小而L长 会使窗变形 色散 孤子压缩 特点 高速100GHz 驱动功率高PL 0 5Wxkm 偏振敏感sin2透过率 在高速率下不是基于SPM效应 而是基于四波混频效应 2 Sagnac干涉仪 SLALOM 优点 SOA大的非线性折射率n2SLALOM工作原理 有控制脉冲时环镜中顺 反时针信号到达SOA有时间差 T e控制光使SOA增益饱和 其增益G ts Gscw获小信号增益 而ccw获饱和增益 两方向的增益比为 e 增益恢复时间 其相位差 线宽展宽因子 相位差为 时 输出最大 为开 开关的能量 功率 时间 1 相位变化 NL 2 n2IL I 光强 L SOA的长度 Pin Psat 0 1 Psat 饱和功率 g0 单位长度增益 n折射率n2非线性折射率N 载流子密度 dn dN 2 10 20cm3 dg dN 2 5 10 16cm2 g0 300cm 1 开关能量 300 400fJ 2 INGaAsP的SOA 波长在1550nm 相位变化 相应的折射率变化10 3 dn dN 2 10 20cm 3载流子反转数 N的变化 1017cm 3 典型值为1018cm 3 SOA上注入电流 1017cm 3所需时间 25ps MZI SOA的工作原理 2 Mach Zehnder干涉仪结构SOA MZI的工作原理 基于交叉相位调制效应 XPM 种类 信号光与控制光同向与相向输入2种 特点 稳定性好 偏振无关速率可达40GHz 受载流子恢复时间限制sin2透过率 可通过级联进一步改善陡峭透过特性 新器件1 多段半导体激光器 特点 高速 可达80GHz频率大范围可调谐锁定范围MHz动态范围可达10dB体积小需要精细的电流控制 理论计算可达160GHz已达到80GHz 锁相环 PLL 核心器件是压控振荡器VCO 1 ECOC 00 1 28Tb s 2 OFC 02TuN6 光电振荡器 解复用电吸收调制器 EAM 非线性光纤环镜 NOLM Sagnac干涉仪 基于半导体光放大器Sagnac干涉仪 SLALOM 超块非线性干涉仪 UNI 开关窗重要参数开关窗宽度开关窗基底 解复用 开关窗的时间抖动容限参数 开关抑制比 对于完全理想的开关窗 则 1 一般情况下 开关窗设计应满足 0 5 10dB 开关窗性能参数的定义 时间抖动的光脉冲 SLALOM的结构解复用原理 利用SLALOM解复用 利用EA调制器解复用EAmodulatordemultiplexing 10Gb s I I0exp V V0 n n 1 4 超块非线性干涉仪 UNI 利用控制光束控制信号的透过若两PSI平行 无控制光为开 两PSI垂直 加控光开开关特性的影响因素 SOA特性 双折射光纤长度 控制光功率和宽度消光比 15dB PSI 偏振敏感光隔离器 Ecoc 02 2 1 5 PCF 高非线性光纤中FWM光波长转换 控制光 解复用 160Gb s 300km ECOC 02 2 1 4 Japan NECCprp 基于PLL时钟提取 EAM解复用 传输光纤链 解复用 时钟提取 160Gb sOT