光时分复用

时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式。将一帧时间T划分为P段，每段时间T/P，每一光脉冲的时间τ小于T/P，第1，2，…，P路的时间段依次排列，如图1所示，这种复用系统称为光时分复用，简称TDM。发送端按帧速率把脉冲发至指定的时段内，在接收端选出这时段内的脉冲。接收机的带宽必须为P/T，以便从邻近脉冲中识别出需要的脉冲。同时发送机发出的脉冲也应有这样大的带宽。在区域通信网中，可用时分多址（TDMA）。如全网有100个站，P=100，每站同时工作于数字速率l/T=100Mbit/s，则要求终端有数字速率l0Gbit/s。因电子器件对于过高的速率有困难，只能利用光的复接和分接。如每一时段T/P远小于1ns，则接收机的同步较难实现，尤其对于长的数据序列，发送机与接收机的钟频率和相位必须精确同步。由于这样一些困难，现阶段很少使用光时分复用。

图1 光时分复用原理

OTDM原理就是将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号然后再放到光纤里进行传输。经此整合，限制传输速率容量的电子瓶颈就得到了有效的解决。

光时分复用系统原理图

OTDM之所以引起人们的关注，主要有两个原因：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，光纤非线性的限制，苛刻要求的波长稳定性装置及昂贵的可调滤波器；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，而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：

·可简单地接入极高的线路速率（高达几百Gbit/s）；

·支路数据可具有任意速率等级，和现在的技术（如SDH）兼容；

·由于是单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理；

·网络的总速率虽然很高，但在网络节点，电子器件只需以本地的低数据速率工作；

·OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。

光时分复用通信系统主要由光发射部分、传输线路和接收部分等组成。

主要由超窄脉冲光源及光时分复用器组成。高重复频率超窄光脉冲源的种类包括掺铒光纤环形锁模激光器、半导体超短脉冲源、主动锁模半导体激光器、多波长超窄光脉冲源等。其所产生的脉冲宽度应小于复用后信号周期的1/4，应具有高消光比（高达30dB以上），并且脉冲总的时间抖动均方根值不应大于信道时隙的1/14，这是因为脉冲形状不是理想的矩形，而为高斯脉冲，信号源与时钟之间的时间抖动会引起解复用信号的强度抖动，这种强度抖动使信号的误码加大。

接收部分包括光时钟提取、解复用器及低速率光接收机。

光时钟提取与电时钟提取的功能相同，但光时钟提取必须从高速率的光脉冲中提取出低速的光脉冲或电脉冲，例如从160Gbit/s的光脉冲信号中提取10GHz的时钟脉冲。提取出来的时钟脉冲作为控制脉冲提供给解复用器用，其脉宽必须特别窄，因此，时钟脉冲的时间抖动应尽可能小，其相位噪声也应尽量低，为保证时钟脉冲峰值功率的稳定应使提取系统的性能与偏振无关。能满足这些要求的全光时钟提取技术有锁模半导体激光器、锁模掺饵光纤激光器以及锁相环路（PLL）。使用较多的是PLL技术，它是一种较为成熟的方案。

光解复用器的功能正好与光复用器相反，在光时钟提取模块输出的低速时钟脉冲的控制下，光解复用器可输出低速率光脉冲信号，例如当时钟脉冲为10GHz时，光解复用器可从160Gbit/s信号中分离出10Gbit/s信号，16个相同的光解复用器可输出16组10Gbit/s信号。光解复用器主要有半导体锁模激光器、光学克尔开关、四波混频（FWM）开关、交叉相位调制（XPM）开关及非线性光学环路镜（NOLM）等几种。

由解复用器输出的光信号为低速率光脉冲信号，可以用一般光接收机来接收。

德国的SHF、日本的NTT和NEC以及美国、英国的一些研究机构等对光时分复用技术进行了广泛的研究。1988年，贝尔实验室建成了第一个OTDM点到点实验室传输系统，当时的速率为4x4Gbit/s。1994年，英国电信完成了第一个OTDM网络实验，该网络由3个节点组成。1996年日本NTT传输系统实验室使用全光电路进行了100Gbit/s的光时分复用传输试验。1997年英国的TB实验室报道了有关实现40Gbit/s的OTDM局域网的试验研究。1998年日本NTT实现了最高速率为640Gbit/s的40kmOTDM传输系统。1999年第25届ECOC会议上，日本NTT又实现最高速率为640Gbit/s的100kmOTDM传输实验，实验中用示波器显示单通道最高速率为160119Gbit/s。2000年的ECOC会议上，报道了NTT的1128Tbit/s的OTDM传输实验，传输距离为70km，这是至2008年为止最高的单信道光时分复用传输速率。2002年8月ECOC会议上阐述了用于160Gbit/sOTDM系统新的传输设备和高速转换技术，降低了点对点传输系统的成本并可实现军事化。

在中国，“九五”期间国家“863”计划“通信主题将光时分复用技术列为重点课题，中国国内许多高校也相继投入到高速光时分复用系统的研究中。北京交通大学、清华大学和北京邮电大学先后共同承担了部分国家863项目，对光时分复用器、OTDM/DWDM网络接口及全光再生等方面进行了研究。“十五”期间，长春理工大学承担国家863项目，对超窄脉冲光源、熔锥型耦合器设计光时分复用器等方面进行了研究。中国国内的OTDM研究仍存在着一些问题，如OTDM系统的稳定性还有待提高、缺乏观察40Gbit/s以上超高速光脉冲的示波器、信号分析仪等。从研究情况看，OTDM主要有3个发展方向：第一个发展方向是研究更高速率的系统并与DWDM相结合。OTDM的最高速率已达640Gbit/s，OTDM和DWDM相结合已实现了3Tbit/s的传输速率；第二个发展方向是OTDM实用化技术和比特间插的OTDM网络技术。欧洲一直在从事40Gbit/s的OTDM系统和网络方面的研究工作，其中一些关键器件已接近实用；第三个发展方向是OTDM全光分组网络。国内利用熔锥型耦合器设计并制作了一个40Gbit/s的光时分复用器，并提出了一种利用镀膜的透镜组合来制作光时分复用器的方法，从理论上分析了该透镜组合的光线传输特性及其时分复用原理。

OTDM光通信系统的试验线路虽然很多，也备受关注，但是一直未有商用系统投入使用，既有本身的技术问题，也有商业运作问题，但关键还是本身技术问题。OTDM还只停留于实验阶段，离大规模的实践商用还有不少的需要解决的问题，还不可能在近来成为光传输技术主流。

在试验系统中常用的增益开关半导体激光器及光纤环形锁模激光器仍存在一定问题。前者是脉冲的质量不够好，其啁啾现象虽可采取措施消除，但要较彻底地消除难度很大，而后者体积过大，造价太高。实用化初期，可采用光纤环形锁模激光器来产生超窄光脉冲，但是从长远来考虑以使用半导体锁模激光器为最佳方案。

光时钟提取及解复用技术是实现OTDM通信的关键技术，是决定OTDM通信系统能否投入商用的关键问题之一。光时钟提取所常用的锁相环路（PLL）及光纤环形锁模激光器也同样存在体积大造价高的问题，应该用半导体器件，即锁模半导体激光器来代替之，光解复用器多采用太比特光环形非对称解复用器（TOAD），将来也应该采用锁模半导体激光器来代替。锁模半导体激光器吸引着各国科学家的高度关注，研究力度逐年增大，新的器件不断出现，其稳定性及可靠性也逐年有所提高。

光纤的质量备受关注，其质量必须严格把关。由于所传输的信号速率极高，其所允许的脉冲抖动极低，光纤线路的色度色散管理、偏振膜色散和光纤的非线性效应该严重关注，尤其是高速率信号的传输，接收机所能接收的脉冲峰值功率随速率的提高而提高，在一定范围内，峰值功率与速率成正比地增长，这样非线性效应更为严重。为克服这些引起通信质量恶化的因素，人们采取了多种措施。偏振模色散效应可用偏振模色散补偿器来克服，已有商品化的偏振模色散补偿器出售，但其响应时间过长，达不到ms级的要求，价钱也偏高，所以这方面还有许多工作要做。在通信系统中不仅要考虑色度色散效应，而且应考虑光纤非线性特性，为避免非线性效应的产生，脉冲光功率必须控制在一定限度内，这使得脉冲功率不能过高，影响了信噪比的提高。但如果采用孤子传输方式则这两种效应可相互抵消，所以这是一种较为简便的好方法。在高速率传输情况下，应采用孤子传输。光孤子传输的试验线路很多，人们正在密切注视商用线路的推出。组建全光网络是通信发展的必然需求。采用OTDM技术构建的全光网络具有独特的优势，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4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，可灵活地提供突发业务接入，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高得多的速率（一般可支持大于100Gbit/s的网络传输速率），可望在网络多媒体、虚拟现实及超级计算机互联等领域内获得广泛应用，应用前景广阔。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OT2DM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。

虽然OTDM的研究起步较晚，但在短短时间里取得了很大的进展，说明OTDM具有很强的生命力。一些发达国家投入了大量的人力物力，在推进WDM光通信的实用化的同时，也积极推进OTDM的发展。同时，将WDM和OTDM结合起来，就可以充分发挥各自的优点而摒弃它们的缺点，共同构建高速、大容量的光纤通信系统。因此，OTDM/WDM系统已经成为未来高速、大容量光通信系统的一种发展趋势。OTDM技术虽然尚不成熟，还在实验阶段，加上需要较复杂的光学器件，离实用化还有一定距离，有待进一步研究，但是在将来的Tbit/s级通信系统中，将成为重要的通信手段。

光时分复用（OTDM）技术是一种能有效克服电子电路带宽“瓶颈”、充分利用低损耗带宽资源的扩容方案。与波分复用（WDM）系统相比，OTDM系统只需单个光源，光放大时不受放大器增益带宽的限制，传输过程中也不存在四波混频等非线性参量过程引起的串扰，且具有便于用户接入、易于与现行的同步数字系列（SDH）及异步传输模式（ATM）兼容等优点。在多媒体时代，超高速（速率高于100Gbit/s）的OTDM技术对超高速全光网络的实现具有重要意义，其中涉及的关键技术包括：超短光脉冲的产生、时分复用、同步/时钟提取和解复用。解复用可以由光开关来实现。适用于时分复用光信号的光开关有：机械光开关、热光开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关和声光开关等。但这些窗口宽度从几百个ns到几十个ms的光开关并不适合于线路速率在100Gbit/s以上的高速OTDM系统，这是因为这些光开关在操作过程中引入了电的控制信号。基于光学非线性效应（如：光Kerr效应、四波混频（FWM）效应和交叉相位调制（XPM）效应）的全光开关是实现高速OTDM信号解复用技术的关键器件。