利用光纖網(wǎng)實現(xiàn)更高速率的信息傳輸已經(jīng)成為一個全球性的技術(shù)研究熱點。光纖通信向更高傳輸速率的發(fā)展主要依賴于光時分復用（OTDM)和波分復用(WDM)技術(shù)。WDM技術(shù)相對簡單，目前已比較成熟。和WDM相比，OTDM還不成熟，很多器件尚處于實驗室的研究階段。

OTDM之所以引起人們的很大興趣，主要原因有兩個：一是它可以克服WDM的一些固有缺點，如：放大器級聯(lián)產(chǎn)生的增益特性的不平坦，光纖非線性的限制等；二是OTDM技術(shù)被認為是一種長遠的網(wǎng)絡技術(shù)，將來的網(wǎng)絡必然是采用全光交換和全光路由選擇的全光網(wǎng)絡，OTDM的一些特點使它作為未來的全光網(wǎng)絡技術(shù)方案更具吸引力，上下話路方便，可適用于本地網(wǎng)和主干網(wǎng)。但OTDM必須采用歸零碼超短脈沖，占用帶寬寬，色散和色散斜率影響尤為顯著。

超高速OTDM傳輸是實現(xiàn)未來Tbit/s級光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且就組網(wǎng)功能而言，OTDM比WDM具有更大優(yōu)勢。目前OTDM盡管尚未實現(xiàn)Tbit/s傳輸，但400 Gbit/s和640Gbit/s 高速OTDM已有報道。本文將全面闡述高速OTDM的關(guān)鍵技術(shù)及最新研究進展，并對Tbit/s OTDM的可行性做進一步分析。

OTDM干線通信系統(tǒng)主要由光源、傳輸、時鐘提?。謴秃徒鈴陀盟膫€部分組成。

1、時分復用光源。OTDM通信系統(tǒng)要采用歸零碼以便在時域上間插不同信號，因此要求低時間抖動，高重復率，變換限(TL)的高質(zhì)量超短脈沖源或孤子源。主要光源有：增益開關(guān)半導體激光器(GS-DFB)，它的動態(tài)“單頻”特性好，脈沖重復頻率0～10GHz可調(diào)，簡單、緊湊、廉價、穩(wěn)定性好，但有啁啾；摻雜光纖環(huán)形鎖模激光器（ML-FRL），輸出10～2ps的變換限脈沖，重復頻率2～40GHz；DFB激光器與電吸收器(EAM)聯(lián)用可構(gòu)成實用的OTDM光源，能產(chǎn)生10GHz、20ps的近變換限脈沖，但可得的最小脈沖寬度有限；鎖模鉺光纖激光器泵浦單模光纖產(chǎn)生的超連續(xù)(SC)光源，其平坦帶寬可達200nm以上，最窄脈沖寬度0.3ps，時間抖動小于0.2ps，可完全滿足未來Tbit/s WDM/OTDM通信系統(tǒng)的容量要求 。要想向超高速率OTDM傳輸容量發(fā)展，還必須對ps信號壓縮、整形，采用亞ps信號進行時分復用。這也促進了其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

2、傳輸損耗、色散、非線性噪聲和EDFA的ASE噪聲一直是限制放大器間距和總傳輸距離的主要問題。OTDM通信技術(shù)使用單一波長，沒有FWM效應影響。但信號占用譜寬寬，光纖色散影響較為顯著。通常采用孤子傳輸、傳輸線采用色散位移光纖、預啁啾技術(shù)、色散管理或色散補償技術(shù)、啁啾光纖光柵以及相位共軛頻譜反轉(zhuǎn)等技術(shù)。對于已鋪設的G.652光纖，通常采用色散管理技術(shù)適應高速率OTDM通信系統(tǒng)，色散補償和色散斜率補償光纖也相繼得到發(fā)展，如色散補償光纖(DCF)、色散斜率補償光纖(DSCF)和反色散光纖(RDF)等等。與DSCF相比較，RDF的偏振模色散(PMD)小（RDF<0.03ps/km；DSCF>0.1ps/km），而且RDF的色散和色散斜率幾乎恰好與SMF光纖相反。

3、全光復用及解復用技術(shù)。OTDM系統(tǒng)中多路信號的復用通常采用平面光波導線路(PLC)集成制作而成。全光解復用器實質(zhì)上是一個二波光與門，其兩個輸入端子之一是數(shù)據(jù)信號脈沖，另一個是從信號脈沖流中提取的同步時鐘脈沖，光與門的輸出便是被解復用后的單信道數(shù)據(jù)信號。全光與門的基本原理是利用光纖交叉相位調(diào)制（XPM)效應或四波混頻效應（FWM)，半導體光學(XGM）或交叉相位調(diào)制(XPM)非線性效應。一種帶有飽和吸收段的二段式鎖模LD和含有SOA的集成MZ型全光開關(guān)已出現(xiàn)。利用NOLM的交叉相位調(diào)制效應可以實現(xiàn)高速全光解復用，這需要對NOLM環(huán)內(nèi)的色散分布優(yōu)化設計，實現(xiàn)色散平坦的NOLM解復用器。

4、全光時鐘恢復。全光方法的重大意義在于它可以繞過電子瓶頸的速率限制，使之能適應超大容量通信發(fā)展的要求。全光時鐘恢復指的是用全光學方法從歸零碼光脈沖信號中提取出低時間抖動(一般<1ps)的同步時鐘信號，以便把它分配到OTDM通信系統(tǒng)的解復用器，路由選擇器，信道選擇器和接收器等，超遠距干線傳輸系統(tǒng)的光信號再生也要用到它。因此時鐘恢復對未來超高碼率網(wǎng)絡節(jié)點至關(guān)重要。全光時鐘提取器的機理一般基于二光波互作用引起的非線性相移。已成功用于實驗的光學非線性相位感測元件有兩種，一是單模偏振保持光纖(PMF)，非保偏色散平坦光纖也可用，但效果較差；其二是行波半導體光學放大器(SOA)。值得注意的是日本NEC研究開發(fā)的一種帶有飽和吸收體的二段式鎖模激光二極管(MLLD)等,可用做全光時鐘恢復和解復用，簡單而有效，只是因工藝難度高，還未達到產(chǎn)品化規(guī)模生產(chǎn)水平，但前景光明。

目前，已被實驗證實的時鐘提取方案主要有四種，其一是由高速光探測器、高Q濾波器和高增益放大器來驅(qū)動LN調(diào)制器的裝置，或者是利用自脈動半導體激光器的注入鎖定等技術(shù)，都屬于電鐘提取，不能用于更高的速率，一般在20Gb/s以內(nèi)。其二是電光鎖相環(huán)（PLL)技術(shù)，這種方案較為成熟，用SOA作檢相元件的時鐘提取器已有許多實驗驗證，已完成從50Gb/s～500Gb/s信號中成功提取6.3GHz或10GHz時鐘信號的實驗，輸出鐘脈沖的rms時間抖動<0.35ps，加另一級光纖鎖模激光器可把時抖減小到0.14ps。此方案的優(yōu)點是成熟可靠，缺點是昂貴復雜。第三種方案是全光鐘提取，比特信號脈沖注入SOA，通過XGM效應而形成AM鎖模調(diào)制器特性，借此調(diào)制激光器腔損耗，或通過XPM致相移形成FM鎖模調(diào)制特性，從而鎖定一個摻Er光纖環(huán)行激光器的縱模相位，借以實現(xiàn)低時間抖動的時鐘恢復（該鎖模激光器的輸出）。用SOA作鎖模元件的形式也可以采用NOLM結(jié)構(gòu)，或接入摻Er光纖環(huán)形激光器中。這種方案的優(yōu)點是簡單經(jīng)濟，失諧容限小，因而要求同步調(diào)節(jié)精細。另一種是上述利用MLLD器件構(gòu)成時鐘提取器。采用這兩種方案都可以實現(xiàn)同頻全光時鐘恢復和支路信號的亞諧波全光時鐘提取。

近幾年來，世界各國對超高速OTDM的研究不斷深入，具有代表性的實驗有：

1996年日本NTT進行的時分復用傳輸實驗有：100Gb/s×560km TDM系統(tǒng)，和400Gb/s×40km TDM系統(tǒng)。

另外，Kobayashi等人利用低溫生長的InGaAs/InAlAs多量子阱MLLD實現(xiàn)了驚人的1Tbit/s解復用。

1998年，日本NTT研究所又實現(xiàn)了640Gb/s×63km和320Gb/s×120km的傳輸實驗。隨后在1999年第25屆ECOC會議上，日本NTT又實現(xiàn)了640Gbit/s×100km的OTDM傳輸實驗。

值得注意的是40Gbit/s時分復用系統(tǒng)的研究，40Gbit/s是未來為DWDM傳送網(wǎng)向Tbit/s容量發(fā)展的重要選擇方案。在1999年ECOC會議上，阿爾卡特利用ACTS的AC067-HIGHWAY和AC049-SPEED項目，對鋪設在Stuttga=rt的111km的G. 652光纖進行了40Gbit/s的TDM傳輸嘗試。他們僅在傳輸中點使用了一個放大器，在傳輸終點采用色散補償光纖對整個傳輸線進行色散補償，成功地完成了場地實驗。

其中400Gbit/s傳輸實驗用SC作為高速光源，用PLC技術(shù)作為時分復用器，利用PLL作為時鐘提取方法，光纖的FWM全光解復用。

在我國，“九五”期間國家“863”計劃通信主題將時分復用技術(shù)列為重點課題，由北京郵電大學、清華大學、北方交通大學和天津大學共同開發(fā)，目前第一階段工作即8×2.5Gbit/s、100kmOTDM實驗系統(tǒng)已完成，天津大學與信息產(chǎn)業(yè)部、武漢郵電科學研究院合作正在進行4×10Gbit/s OTDM點對點系統(tǒng)和OTDM網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)如分插復用器、OTDM/WDM網(wǎng)絡接口及全光再生等方面的研究。

近年來，隨著多媒體業(yè)務的發(fā)展，以Internet為代表的計算機間的業(yè)務量的迅速增加，網(wǎng)絡需要更大的容量。如果要想采用OTDM技術(shù)來實現(xiàn)1Tb/s的超高速傳輸，還有一些技術(shù)問題需要解決，如：亞ps、fs超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)，傳輸光纖的色散斜率補償技術(shù)，如何減小解復用器的相對定時抖動問題，及降低光纖的偏振模色散。

1、亞ps、fs超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)。超短脈沖技術(shù)并不僅局限在用于高速傳輸系統(tǒng)，而且用于光器件測量、高速光信號處理等廣闊領域。從目前 看，亞皮秒脈沖產(chǎn)生方法主要有：利用光纖的非線性壓縮法，利用光纖非線性效應結(jié)合鎖模光纖激光器(ML-FRL)產(chǎn)生超連續(xù)(SC)脈沖法，以及半導體激光器的碰撞鎖模方法?，F(xiàn)在脈寬在100fs以下的脈沖已經(jīng)能成功產(chǎn)生，可用做Tbit/s OTDM的信號源

2、為實現(xiàn)飛秒脈沖傳輸，必須同時對二階群速度色散(GVD)和三階群速度色散(色散斜率)進行補償。色散導致脈沖展寬，而色散斜率使脈沖基座發(fā)生振蕩。

傳輸光纖的色散斜率補償技術(shù)。由于Tbit/s信號譜寬超過10nm，光纖色散斜率的不同，譜的各部分經(jīng)歷不同的色散，從而導致脈沖展寬。為了補償色散斜率，常采用負色散斜率光纖進行補償和PLC補償器。K.Takiguchi等報道的采用PLC補償技術(shù)，對DSF進行色散斜率補償后，在170GHz的帶寬內(nèi)時延平坦。這種方法已成功應用于200Gbit/s×100km的實驗。從已有實驗可以看出，這種PLC補償器可望用于Tbit/s OTDM傳輸?shù)纳⑿甭恃a償。另外，通過SMF和RDF結(jié)合，在1.55mm附近，GVD和色散斜率幾乎可抑制到零。對未得到補償?shù)臍堄嗌⑿甭?，可用DSF補償。

3、信號與提取--時鐘的相對定時抖動是另一難題，它使系統(tǒng)誤碼率提高。其根源在于相對定時抖動本身將在光接收機端的時分解復用中產(chǎn)生誤碼。從進行的高速Tbit/s OTDM實驗看，用PLL方法提取的時鐘相對定時抖動<0.2ps，在830Gbit/s，誤碼率為10-9。因此若進一步優(yōu)化PLL性能，降低相對定時抖動，實現(xiàn)Tbit/s解復用是完全可能的。

4、至于PMD，當傳輸距離超過100km時，PMD的影響將十分明顯，如想法降低PMD，采用低PMD色散管理傳輸線，可以實現(xiàn)Tbit/s×100km傳輸。

總之一句話，Tbit/s OTDM關(guān)鍵技術(shù)是：飛秒脈沖的產(chǎn)生、復用、傳輸和解復用。結(jié)合其他諸多技術(shù)，如超快光信號處理，色散斜率補償，光纖制造技術(shù)，實現(xiàn)Tbit/s OTDM是完全可能的。

與WDM不同，OTDM還只是處于研究階段，在其商用之前還有一段路要走，但是由于它的潛在優(yōu)勢，它將具有極其巨大的發(fā)展及應用前景。■

參考文獻

1 Kawanishi et al.Single charnel 400Gbit/s time-division-multiplexed transmission of 0.98ps pulses over 400km employing dispersion slope compensation. Electron. Lett, 1996, Vol.32（10）： P916.

2 ustav Veith.European 40 Gbit/s field tests.II-82, ECOC'99：38-39 September 1999, Nice, France