光時分複用

時分複用是通信網中普遍採用的一種複用方式。將一幀時間T劃分為P段，每段時間T/P，每一光脈衝的時間τ小於T/P，第1，2，…，P路的時間段依次排列，如圖1所示，這種複用系統稱為光時分複用，簡稱TDM。發送端按幀速率把脈衝發至指定的時段內，在接收端選出這時段內的脈衝。接收機的帶寬必須為P/T，以便從鄰近脈衝中識別出需要的脈衝。同時發送機發出的脈衝也應有這樣大的帶寬。在區域通信網中，可用時分多址（TDMA）。如全網有100個站，P=100，每站同時工作於數字速率l/T=100Mbit/s，則要求終端有數字速率l0Gbit/s。因電子器件對於過高的速率有困難，只能利用光的復接和分接。如每一時段T/P遠小於1ns，則接收機的同步較難實現，尤其對於長的數據序列，發送機與接收機的鐘頻率和相位必須精確同步。由於這樣一些困難，現階段很少使用光時分複用。

OTDM原理就是將多個高速調製光信號轉換為等速率光信號，然後放在光發射器裏利用超窄光脈衝進行時域複用，將其調製為更高速率的光信號然後再放到光纖裏進行傳輸。經此整合，限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有效的解決。 ^[2] 

OTDM之所以引起人們的關注，主要有兩個原因：OTDM可克服WDM的一些缺點，如由放大器級聯導致的譜不均勻性，非理想的濾波器和波長變換所引起的串話，光纖非線性的限制，苛刻要求的波長穩定性裝置及昂貴的可調濾波器；OTDM技術被認為是長遠的網絡技術。為了滿足人們對信息的大量需求，將來的網絡必將是採用全光交換和全光路由的全光網絡，而OTDM的一些特點使它作為將來的全光網絡技術方案更具吸引力：

·可簡單地接入極高的線路速率（高達幾百Gbit/s）；

·支路數據可具有任意速率等級，和現在的技術（如SDH）兼容；

·由於是單波長傳輸，大大簡化了放大器級聯管理和色散管理；

·網絡的總速率雖然很高，但在網絡節點，電子器件只需以本地的低數據速率工作；

·OTDM和WDM的結合可支撐未來超高速光通信網的實現。 ^[3] 

光時分複用通信系統主要由光發射部分、傳輸線路和接收部分等組成。

主要由超窄脈衝光源及光時分複用器組成。高重複頻率超窄光脈衝源的種類包括摻鉺光纖環形鎖模激光器、半導體超短脈衝源、主動鎖模半導體激光器、多波長超窄光脈衝源等。其所產生的脈衝寬度應小於複用後信號週期的1/4，應具有高消光比（高達30dB以上），並且脈衝總的時間抖動均方根值不應大於信道時隙的1/14，這是因為脈衝形狀不是理想的矩形，而為高斯脈衝，信號源與時鐘之間的時間抖動會引起解複用信號的強度抖動，這種強度抖動使信號的誤碼加大。 ^[3] 

接收部分包括光時鐘提取、解複用器及低速率光接收機。

光時鐘提取與電時鐘提取的功能相同，但光時鐘提取必須從高速率的光脈衝中提取出低速的光脈衝或電脈衝，例如從160Gbit/s的光脈衝信號中提取10GHz的時鐘脈衝。提取出來的時鐘脈衝作為控制脈衝提供給解複用器用，其脈寬必須特別窄，因此，時鐘脈衝的時間抖動應儘可能小，其相位噪聲也應儘量低，為保證時鐘脈衝峯值功率的穩定應使提取系統的性能與偏振無關。能滿足這些要求的全光時鐘提取技術有鎖模半導體激光器、鎖模摻餌光纖激光器以及鎖相環路（PLL）。使用較多的是PLL技術，它是一種較為成熟的方案。

光解複用器的功能正好與光復用器相反，在光時鐘提取模塊輸出的低速時鐘脈衝的控制下，光解複用器可輸出低速率光脈衝信號，例如當時鍾脈衝為10GHz時，光解複用器可從160Gbit/s信號中分離出10Gbit/s信號，16個相同的光解複用器可輸出16組10Gbit/s信號。光解複用器主要有半導體鎖模激光器、光學克爾開關、四波混頻（FWM）開關、交叉相位調製（XPM）開關及非線性光學環路鏡（NOLM）等幾種。

由解複用器輸出的光信號為低速率光脈衝信號，可以用一般光接收機來接收。 ^[3] 

德國的SHF、日本的NTT和NEC以及美國、英國的一些研究機構等對光時分複用技術進行了廣泛的研究。1988年，貝爾實驗室建成了第一個OTDM點到點實驗室傳輸系統，當時的速率為4x4Gbit/s。1994年，英國電信完成了第一個OTDM網絡實驗，該網絡由3個節點組成。1996年日本NTT傳輸系統實驗室使用全光電路進行了100Gbit/s的光時分複用傳輸試驗。1997年英國的TB實驗室報道了有關實現40Gbit/s的OTDM局域網的試驗研究。1998年日本NTT實現了最高速率為640Gbit/s的40kmOTDM傳輸系統。1999年第25屆ECOC會議上，日本NTT又實現最高速率為640Gbit/s的100kmOTDM傳輸實驗，實驗中用示波器顯示單通道最高速率為160119Gbit/s。2000年的ECOC會議上，報道了NTT的1128Tbit/s的OTDM傳輸實驗，傳輸距離為70km，這是至2008年為止最高的單信道光時分複用傳輸速率。2002年8月ECOC會議上闡述了用於160Gbit/sOTDM系統新的傳輸設備和高速轉換技術，降低了點對點傳輸系統的成本並可實現軍事化。 ^[4] 

在中國，“九五”期間國家“863”計劃“通信主題將光時分複用技術列為重點課題，中國國內許多高校也相繼投入到高速光時分複用系統的研究中。北京交通大學、清華大學和北京郵電大學先後共同承擔了部分國家863項目，對光時分複用器、OTDM/DWDM網絡接口及全光再生等方面進行了研究。“十五”期間，長春理工大學承擔國家863項目，對超窄脈衝光源、熔錐型耦合器設計光時分複用器等方面進行了研究。中國國內的OTDM研究仍存在着一些問題，如OTDM系統的穩定性還有待提高、缺乏觀察40Gbit/s以上超高速光脈衝的示波器、信號分析儀等。從研究情況看，OTDM主要有3個發展方向：第一個發展方向是研究更高速率的系統並與DWDM相結合。OTDM的最高速率已達640Gbit/s，OTDM和DWDM相結合已實現了3Tbit/s的傳輸速率；第二個發展方向是OTDM實用化技術和比特間插的OTDM網絡技術。歐洲一直在從事40Gbit/s的OTDM系統和網絡方面的研究工作，其中一些關鍵器件已接近實用；第三個發展方向是OTDM全光分組網絡。國內利用熔錐型耦合器設計並製作了一個40Gbit/s的光時分複用器，並提出了一種利用鍍膜的透鏡組合來製作光時分複用器的方法，從理論上分析了該透鏡組合的光線傳輸特性及其時分複用原理。 ^[4] 

OTDM光通信系統的試驗線路雖然很多，也備受關注，但是一直未有商用系統投入使用，既有本身的技術問題，也有商業運作問題，但關鍵還是本身技術問題。OTDM還只停留於實驗階段，離大規模的實踐商用還有不少的需要解決的問題，還不可能在近來成為光傳輸技術主流。 ^[3] 

在試驗系統中常用的增益開關半導體激光器及光纖環形鎖模激光器仍存在一定問題。前者是脈衝的質量不夠好，其啁啾現象雖可採取措施消除，但要較徹底地消除難度很大，而後者體積過大，造價太高。實用化初期，可採用光纖環形鎖模激光器來產生超窄光脈衝，但是從長遠來考慮以使用半導體鎖模激光器為最佳方案。 ^[3] 

光時鐘提取及解複用技術是實現OTDM通信的關鍵技術，是決定OTDM通信系統能否投入商用的關鍵問題之一。光時鐘提取所常用的鎖相環路（PLL）及光纖環形鎖模激光器也同樣存在體積大造價高的問題，應該用半導體器件，即鎖模半導體激光器來代替之，光解複用器多采用太比特光環形非對稱解複用器（TOAD），將來也應該採用鎖模半導體激光器來代替。鎖模半導體激光器吸引着各國科學家的高度關注，研究力度逐年增大，新的器件不斷出現，其穩定性及可靠性也逐年有所提高。 ^[3] 

光纖的質量備受關注，其質量必須嚴格把關。由於所傳輸的信號速率極高，其所允許的脈衝抖動極低，光纖線路的色度色散管理、偏振膜色散和光纖的非線性效應該嚴重關注，尤其是高速率信號的傳輸，接收機所能接收的脈衝峯值功率隨速率的提高而提高，在一定範圍內，峯值功率與速率成正比地增長，這樣非線性效應更為嚴重。為克服這些引起通信質量惡化的因素，人們採取了多種措施。偏振模色散效應可用偏振模色散補償器來克服，已有商品化的偏振模色散補償器出售，但其響應時間過長，達不到ms級的要求，價錢也偏高，所以這方面還有許多工作要做。在通信系統中不僅要考慮色度色散效應，而且應考慮光纖非線性特性，為避免非線性效應的產生，脈衝光功率必須控制在一定限度內，這使得脈衝功率不能過高，影響了信噪比的提高。但如果採用孤子傳輸方式則這兩種效應可相互抵消，所以這是一種較為簡便的好方法。在高速率傳輸情況下，應採用孤子傳輸。光孤子傳輸的試驗線路很多，人們正在密切注視商用線路的推出。組建全光網絡是通信發展的必然需求。採用OTDM技術構建的全光網絡具有獨特的優勢，如OTDM全光網採用單一波長，無須考慮鏈路中光放大器的增益平坦問題，不存在由4波混頻等非線性效應造成的串擾問題，鏈路的色散管理方式簡單；OTDM全光網中採用全光數字信息處理技術，不僅可克服“電子瓶頸”限制，提高網絡容量，還可實現對網絡信息碼流的全光3R再生，有效地降低了信號噪聲和串擾積累問題；OTDM全光網能夠對高端用户提供多種QoS水平的綜合業務（包括分組業務）服務，可靈活地提供突發業務接入，真正實現按需分配帶寬；OTDM全光網通過時隙分配實現路由選擇，可實現數據格式和協議的透明傳輸，具有良好的可擴展性和重構性。此外，由於OTDM全光網可提供比傳統網絡高得多的速率（一般可支持大於100Gbit/s的網絡傳輸速率），可望在網絡多媒體、虛擬現實及超級計算機互聯等領域內獲得廣泛應用，應用前景廣闊。因此，開展對OTDM全光網的研究具有重大意義。利用OTDM技術構建全光網需要解決兩方面的問題：一方面，從網絡層技術看，超高速的OT2DM全光網的網絡結構及協議都尚未確定，現有網絡結構及協議未必適用於超高速的OTDM全光網。採用何種網絡結構及協議才能充分發揮OTDM全光網的優勢，這是一個關鍵問題，在這方面還需要進行大量的研究。從物理層技術看，發展先進可靠的全光信息處理技術，如超短光脈衝源技術、全光再生技術及全光分組交換技術等是OTDM全光網面臨的另一個關鍵問題。 ^[3] 

雖然OTDM的研究起步較晚，但在短短時間裏取得了很大的進展，説明OTDM具有很強的生命力。一些發達國家投入了大量的人力物力，在推進WDM光通信的實用化的同時，也積極推進OTDM的發展。同時，將WDM和OTDM結合起來，就可以充分發揮各自的優點而摒棄它們的缺點，共同構建高速、大容量的光纖通信系統。因此，OTDM/WDM系統已經成為未來高速、大容量光通信系統的一種發展趨勢。OTDM技術雖然尚不成熟，還在實驗階段，加上需要較複雜的光學器件，離實用化還有一定距離，有待進一步研究，但是在將來的Tbit/s級通信系統中，將成為重要的通信手段。

光時分複用（OTDM）技術是一種能有效克服電子電路帶寬“瓶頸”、充分利用低損耗帶寬資源的擴容方案。與波分複用（WDM）系統相比，OTDM系統只需單個光源，光放大時不受放大器增益帶寬的限制，傳輸過程中也不存在四波混頻等非線性參量過程引起的串擾，且具有便於用户接入、易於與現行的同步數字系列（SDH）及異步傳輸模式（ATM）兼容等優點。在多媒體時代，超高速（速率高於100Gbit/s）的OTDM技術對超高速全光網絡的實現具有重要意義，其中涉及的關鍵技術包括：超短光脈衝的產生、時分複用、同步/時鐘提取和解複用。解複用可以由光開關來實現。適用於時分複用光信號的光開關有：機械光開關、熱光開關、噴墨氣泡光開關、液晶光開關和聲光開關等。但這些窗口寬度從幾百個ns到幾十個ms的光開關並不適合於線路速率在100Gbit/s以上的高速OTDM系統，這是因為這些光開關在操作過程中引入了電的控制信號。基於光學非線性效應（如：光Kerr效應、四波混頻（FWM）效應和交叉相位調製（XPM）效應）的全光開關是實現高速OTDM信號解複用技術的關鍵器件。 ^[5]