高速光時分復(fù)用(OTDM)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近十年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的相繼開展對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的帶寬容量提出了更高的要求，通信容量幾乎成指數(shù)增長。以高速光時分復(fù)用(OTDM)技術(shù)和密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)為核心的全光通信網(wǎng)絡(luò)，已成為國際上通信領(lǐng)域研究的熱點，特別是超高速OTDM技術(shù)是實現(xiàn)超大容量(Tbit/s)通信傳輸速率的首選方案。與DWDM技術(shù)相比，OTDM技術(shù)具有很多優(yōu)勢：首先，由于OTDM中采用單波長技術(shù)，避免了多個波長在光纖中傳輸時非線性效應(yīng)引起的信道串?dāng)_

2、，對光源波長的穩(wěn)定性要求降低，波長的管理和控制相對簡單，這就避免了DWDM技術(shù)的眾多缺點；其次，OTDM技術(shù)能提供按需分配的帶寬服務(wù)(BOD)，實現(xiàn)不同粒度的靈活的帶寬分配，而DWDM的帶寬分配則是波長級別的；第三，采用OTDM技術(shù)易于實現(xiàn)分組交換和路由，實現(xiàn)真正意義上的統(tǒng)計復(fù)用，并實現(xiàn)靈活的組網(wǎng)；最后，因為OTDM中采用的是歸零碼(RZ碼)，TDM本身的數(shù)字特性非常適合于全光數(shù)字信號處理，實現(xiàn)數(shù)字再生。由于OTDM技術(shù)的以上這些特點，

3、它在中小型城域網(wǎng)、局域網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景：而DWDM技術(shù)，由于其超大容量及超長距離的傳輸能力使得其在大型城域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)中具有較大優(yōu)勢。所以，未來超大容量的光通信網(wǎng)絡(luò)必定是二者的結(jié)合，優(yōu)勢互補。本文圍繞OTDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對基于SOA干涉儀的全光開關(guān)解復(fù)用技術(shù)、基于SOA四波混頻效應(yīng)的全光解復(fù)用技術(shù)以及信號色散檢測技術(shù)進行了理論和實驗研究。主要包括以下四個方面： ⑴基于干涉儀結(jié)構(gòu)的OTDM全光解復(fù)用子系統(tǒng)的核心器件是

4、半導(dǎo)體光放大器(SOA)，對SOA的研究首先需要選擇合適的基于半經(jīng)典理論的SOA數(shù)學(xué)模型。本文在研究了多種面向脈沖傳輸?shù)腟OA模型基礎(chǔ)上，選定了一種面向皮秒級光脈沖碼流的SOA系統(tǒng)仿真模型。提出了一組層級遞進、逐步優(yōu)化的仿真方案，該組仿真方案為研究基于SOA材料色散、增益色散和二、三階非線性效應(yīng)的光信號處理提供了理論基礎(chǔ)，也為本文第三章和第四章的研究工作提供了仿真工具。 ⑵合理地選擇和設(shè)定全光開關(guān)的性能參量是評價全光開關(guān)在OTD

5、M解復(fù)用子系統(tǒng)中解復(fù)用性能的首要任務(wù)，本文選擇全光開關(guān)中SOA平均線寬增強因子和器件有效線寬增強因子分析了基于SOA相位調(diào)制效應(yīng)的干涉儀全光開關(guān)的性能。平均線寬增強因子是SOA的本征物理屬性，它不隨輸入信號的改變而改變，而器件有效線寬增強因子則是系統(tǒng)相關(guān)的，它決定了脈沖的相位變化和增益變化的關(guān)聯(lián)度，是研究基于SOA相位調(diào)制效應(yīng)的光信號處理問題的基礎(chǔ)。本文進一步設(shè)定了增強型積分對比率(EICR)以便分析光開關(guān)的整體積分特性和局部起伏特性，

6、還設(shè)定了關(guān)聯(lián)積分對比率(CICR)以便分析光開關(guān)上下路信號的分離隔離度，在此基礎(chǔ)上，本文進行了基于超高速非線性干涉儀(UNI)光開關(guān)的三種時鐘/信號波長配置的仿真研究，它們是：近波長光開關(guān)、同頻光開關(guān)和遠波長光開關(guān)，其中著重給出了詳細的基于雙波耦合波模型的近波長增益透明光開關(guān)研究結(jié)果。這里使用的SOA數(shù)學(xué)模型是J.M.Tang和K.A.Shore構(gòu)建的寬帶大信號模型。在同頻光開關(guān)和遠波長光開關(guān)中使用的SOA數(shù)學(xué)模型是M.Y.Hong等人

7、構(gòu)建的SOA寬帶大信號模型。利用在本文第一章提出的仿真方案，我們具體分析了時鐘脈沖能量、時鐘脈沖脈寬、偏置時間、SOA腔長對窗口包絡(luò)的影響。研究結(jié)果表明，近波長光開關(guān)在增益透明配置條件下相位變化和增益起伏的關(guān)聯(lián)度較低，其xICR指標(biāo)最好。在對近波長光開關(guān)進行仿真研究時，本文還分析了大相移、長時間偏置條件下全光開關(guān)窗口雙峰效應(yīng)的成因，并揭示了由帶間載流子密度起伏(CDP)導(dǎo)致的光開關(guān)模式效應(yīng)。 ⑶對于基于頻移型光開關(guān)的OTDM解復(fù)

8、用技術(shù)，本文借用A.Mecozzi和J.Mork構(gòu)建的分離擾動模型進行了面向高速OTDM大帶寬、高能量的FWM仿真研究。該模型明顯的理論意義在于能夠給出抽運光和共軛波的獨立表達項，這就使準(zhǔn)確地計算SOA波長轉(zhuǎn)換效率成為可能，也為濾波器的帶寬設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。研究表明，不論是對單脈沖還是脈沖碼流，F(xiàn)WM轉(zhuǎn)換效率對抽運光脈寬都是很不敏感的，但是在單脈沖條件下，開關(guān)比(On-Off ratio)對抽運光脈寬非常敏感，雖然在脈沖碼流條件

9、下，其敏感度有所降低，但同時其開關(guān)比也會有大幅下降。另外，本文修正了N.K.Das對于模式效應(yīng)的定義，引入了輸出信號碼流的能量起伏以及共軛波碼流的能量起伏兩個參量。研究表明，當(dāng)把全光開關(guān)應(yīng)用于OTDM系統(tǒng)解復(fù)用系統(tǒng)時，設(shè)定一個適當(dāng)?shù)臅r間余量是必要的，這樣就可以避免因開關(guān)窗口幅度起伏造成的解復(fù)用信號強度起伏。 ⑷高速信號具有很小的色散窗口，面向傳統(tǒng)的低速光纖鏈路的色散圖譜配置已經(jīng)不能滿足高速信號的色散容限要求。本文從信號色散的時域