光電課程設(shè)計(jì)

1、 1概述1.1OTDM簡(jiǎn)介OTDM是OpticalTimeDivisionMultiplexing（光時(shí)分復(fù)用技術(shù)）的縮寫。時(shí)分復(fù)用是指多路信號(hào)可以在同一個(gè)信道中傳輸?shù)囊环N方法，這種方法1是使多路信號(hào)分別占有不同的時(shí)間間隙（時(shí)隙），從而在同一信道中傳輸互不干擾，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。光時(shí)分復(fù)用（OTDM）是指在光學(xué)領(lǐng)域中完成的時(shí)分復(fù)用。即是將多路光信號(hào)用時(shí)分復(fù)用的方式使它們?cè)谕桓饫w中傳輸，實(shí)現(xiàn)超高速傳輸，達(dá)到大幅度擴(kuò)大容量的目的。OTDM之所以引起人們的關(guān)注，主要有兩個(gè)原因:OTDM可克服WDM的一些缺點(diǎn)，如由放大器級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的譜不均勻性，非理想的濾波器和波長(zhǎng)變換所引起的串話，光纖非線性的限制，苛刻

2、要求的波長(zhǎng)穩(wěn)定性裝置及昂貴的可調(diào)濾波器；OTDM技術(shù)被認(rèn)為是長(zhǎng)遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為了滿足人們對(duì)信息的大量需求，將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)必將是采用全光交換和全光路由的全光網(wǎng)絡(luò)，而OTDM的一些特點(diǎn)使它作為將來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案更具吸引力：可簡(jiǎn)單地接入極高的線路速率（高達(dá)幾百Gbit/s）；支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級(jí),和現(xiàn)在的技術(shù)（如SDH）兼容；由于是單波長(zhǎng)傳輸，大大簡(jiǎn)化了放大器級(jí)聯(lián)管理和色散管理；網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，電子器件只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作；OTDM和WDM的結(jié)合可支撐未來(lái)超高速光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。1.2OTDM原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OTDM是在光域上進(jìn)行時(shí)間分割復(fù)用，一般有兩種復(fù)用方式：比特間插

3、(Bitinterleaved),信元間插(Cellinterleaved)比特間插是目前廣泛被使用的方式，信元間插也稱為光分組(OpticalPacket)復(fù)用。圖1是OTDM系統(tǒng)框圖。MUX圖1光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)框圖系統(tǒng)光源是超短光脈沖光源，由光分路器分成N束，各支路電信號(hào)分別被調(diào)制到各束超短光脈沖上，然后通過光延遲線陣列，使各支路光脈沖精確地按預(yù)定要求在時(shí)間上錯(cuò)開，再由合路器將這些支路光脈沖復(fù)接在一起，于是便完成了在光時(shí)域上的間插復(fù)用。接收端的光解復(fù)用器是一個(gè)光控高速開關(guān)，在時(shí)域上將各支路光信號(hào)分開。光時(shí)分復(fù)用指在光域內(nèi)內(nèi)進(jìn)行時(shí)分(解)復(fù)用。復(fù)用通常是利用平面波導(dǎo)延遲線陣列(或平面光波電路P

4、LC)或者高速光開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而全光時(shí)域解復(fù)用器則常常基于四波混頻(FWM)或非線性光纖環(huán)行鏡(NOLM)等。光時(shí)分復(fù)用也是把信號(hào)的傳輸時(shí)間分成一個(gè)個(gè)時(shí)隙，不同路的光信號(hào)在不同的時(shí)隙中傳輸。鎖模激光器產(chǎn)生激光脈沖，其頻率（不是光信號(hào)的頻率，而是單位時(shí)間內(nèi)的光脈沖數(shù)）為5GHz,即光脈沖串中相鄰光脈沖之間的間隔為200ps,而每個(gè)光脈沖的3dB寬度為14ps，說(shuō)明相鄰兩個(gè)光脈沖之間的間隔較大，還可以用來(lái)傳輸其它光脈沖,這就為時(shí)分復(fù)用創(chuàng)造了條件。該脈沖串經(jīng)過光纖放大器放大以后，由分光器分成四條支路，分別進(jìn)入四個(gè)馬赫一曾德爾干涉儀式調(diào)制器（Mz調(diào)制器），被四個(gè)電信號(hào)調(diào)制，得到四個(gè)比特率為5Gb/s的光

5、數(shù)字信號(hào)流，后面三個(gè)光信號(hào)經(jīng)過不同的時(shí)間延遲進(jìn)入光合路器，正好鑲嵌在第一列光脈沖之間，合成為比特率20Gb/s的光數(shù)據(jù)流，完成了光的時(shí)分復(fù)用。復(fù)用4后的信號(hào)經(jīng)過光纖放大器放大，送入光纖傳輸。在接收端，經(jīng)過相反的過程進(jìn)行解復(fù)用、解調(diào)，又可得到四條支路的電信號(hào)。該系統(tǒng)在5GHz的頻率上得到了20Gb/s的數(shù)據(jù)流,具有較高的傳輸效率。這就是采用光時(shí)分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)。2光時(shí)分復(fù)用器的設(shè)計(jì)分析2.1光時(shí)分關(guān)鍵單元技術(shù)2.1.1超短光脈沖發(fā)生器超高速OTDM傳輸首先要提供高重復(fù)頻率、超窄脈寬的光脈沖，一般其脈寬至少要小于1/3碼元周期，因?yàn)槊}寬越窄，可以復(fù)用的路數(shù)5越多，當(dāng)然譜寬也就越寬，容易引起碼間干擾。其

6、次，脈沖的波形應(yīng)該符合變換限制要求，如變換限制高斯形或雙曲正割形，以降低傳輸過程中脈沖變形，孌有利于降低碼間干擾。能滿足這些要求的常用光源有鎖模光纖環(huán)形激光器（ML-FRL）、多量阱半導(dǎo)體激光器（MQW-LD）、增益開關(guān)分布反饋半導(dǎo)體激光器（GS-DFB-LD）等，均已應(yīng)用在某些OTDM系統(tǒng)中。2.1.2OTDM復(fù)用器如圖1所示，OTDM的復(fù)用方式從原理上看，主要基于排隊(duì)間插概念，常見的有兩種間插方式：比特間插和時(shí)隙間插。在比特間插的OTDM系統(tǒng)中，來(lái)自不同信道的低數(shù)據(jù)按比特間插的方式復(fù)用為高速OTDM數(shù)據(jù)流。在時(shí)隙間插的OTDM系統(tǒng)中，總時(shí)隙被分割成由多個(gè)比特組成的時(shí)隙，用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把數(shù)

7、據(jù)片段或數(shù)據(jù)分組6插進(jìn)這些時(shí)隙中支。與比特間插相比，時(shí)隙間插有明顯的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)分組交換和帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，提高帶寬的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少訪問時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等。從結(jié)構(gòu)組成上主要采取并行和串行兩種復(fù)用結(jié)構(gòu)，圖1所示為一種并行復(fù)用結(jié)構(gòu)，它同時(shí)調(diào)制待復(fù)用的各個(gè)子通道，再通過適當(dāng)?shù)墓饫w延遲線（FDL）或調(diào)相器將子信道的位置相互差開，然后通過耦合器將各個(gè)差開的子信道以比特間插方式結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)復(fù)用器除了光調(diào)制器外均能用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)，光纖的時(shí)延由每段FDL的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，必須精確控制。例如，長(zhǎng)度為1mm的光纖引入的時(shí)延為5ps，對(duì)于典型的40Gb/s的OTDM系統(tǒng)，要達(dá)到0.1ps的精確

8、度，用于產(chǎn)生時(shí)延的光纖長(zhǎng)度誤差應(yīng)當(dāng)控制在20um以內(nèi)。串行復(fù)用結(jié)構(gòu)對(duì)超短光脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)流按序由各信息源進(jìn)行串行調(diào)制，亦能獲得高速OTDM比特流輸出，但需設(shè)法消除因光調(diào)制器串聯(lián)而積累起來(lái)的有害因素對(duì)波形的傷害。設(shè)計(jì)的時(shí)分復(fù)用器初始結(jié)構(gòu)如圖2所示，基準(zhǔn)時(shí)鐘速率分別為2.5GHz和10GHz,欲實(shí)現(xiàn)復(fù)用8路信號(hào)，要解決的核心問題是確保復(fù)用后高速信號(hào)無(wú)畸變，信號(hào)功率基本均衡。2圖2光時(shí)分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)2.1.3OTDM解復(fù)用器OTDM解復(fù)用器是OTDM系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件之一，一般來(lái)說(shuō)，光域的時(shí)分復(fù)用技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，而光解復(fù)用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度較大，這是因?yàn)镺TDM解復(fù)用器需要快速、穩(wěn)定、無(wú)誤碼地工作，與偏

9、振7無(wú)關(guān)，且定時(shí)抖動(dòng)值小，控制功率還要低。OTDM解復(fù)用器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)高速光開關(guān)，典型結(jié)構(gòu)包括非線性光環(huán)路鏡(NOLM:NonlinearOpticalLoopMirror)、T赫茲非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD:TerahertzOpticalAsymmetricDemultiplexer)和輔以SOA的馬赫-圖3NOLM解復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（速率MRJ心心（速率Rb）圖4TOAD解復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.4時(shí)鐘提取和同步OTDM系統(tǒng)的復(fù)用、發(fā)送、接收和解復(fù)用等操作都離不開同步時(shí)鐘，因此如何直接從復(fù)用的信號(hào)中恢復(fù)出光時(shí)鐘也是OTDM的關(guān)鍵技術(shù)。OTDM的時(shí)鐘提取技術(shù)可以分為三類：電時(shí)鐘提取、光電鎖相環(huán)

10、時(shí)鐘提取和全光時(shí)鐘提取。電時(shí)鐘提取與電TDM中的提取方法相同，采用一高Q值的濾波器直接提取和時(shí)鐘,方法簡(jiǎn)單，但不適用于高速OTDM系統(tǒng)。光電鎖相環(huán)時(shí)鐘提取方法采用光電結(jié)合的反饋鎖相環(huán)路，它利用比特鑒相器將本地光時(shí)鐘與入射光脈沖流鎖定，本地光時(shí)鐘由壓控振蕩器（VCO）驅(qū)動(dòng)的超短光脈沖源產(chǎn)生，光比特鑒相器的輸出控制VCO的頻率。光比特鑒相器可利用NOLM中的XPM效應(yīng)或SOA中的FWM效應(yīng)來(lái)構(gòu)成。這種時(shí)鐘提取和同步方法既具備光信息處理的高速性能，又利用了傳統(tǒng)電子鎖相環(huán)的頻率和相位跟蹤特性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。全光時(shí)鐘提取技術(shù)主要利用自脈動(dòng)半導(dǎo)體激光放大器SOA注入鎖定技術(shù)或窄帶光濾波器技術(shù)，是速

11、度最快的時(shí)鐘提取方式，有發(fā)展前途，但尚不成熟。2.2光耦合器耦合比計(jì)算已測(cè)得光延時(shí)線的平均損耗為2dB/m，設(shè)第一個(gè)耦合器的分光比為a:（1-a），設(shè)第二個(gè)耦合器的分光比為b:（1-b），合理設(shè)置前兩個(gè)耦合器的分光比之后，第三個(gè)耦合器分光比可為1:1，p為進(jìn)入第一個(gè)耦合器的光功率（即i進(jìn)入復(fù)用器的光功率），則y=10lg（axp）,y=101g（l-a）xp-1.5，根據(jù)功率1i2匚i均衡的要求，應(yīng)有yl=y2，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算可求出a=0.41,如圖3，此時(shí)第一路和經(jīng)過光延時(shí)線1的第二路信號(hào)光功率相等，再設(shè)第二個(gè)光耦合器分光比為a:（1a），則第三路和經(jīng)過光延時(shí)線2的第四路信號(hào)光功率相等，此時(shí)從

12、第三個(gè)光耦合器輸出的四路信號(hào)光功率均衡。反之，若從第三個(gè)光耦合器出來(lái)的光功率已知（即復(fù)用器輸出的光功率），亦可反推出a。QAM0.30-4Q.5X0,9variablea圖3光功率隨耦合器分光比的變化2.3復(fù)用器中光延時(shí)線長(zhǎng)度的計(jì)算從第一個(gè)耦合器出來(lái)的光被分為兩路，設(shè)上面一路光纖長(zhǎng)度（第一和第二個(gè)耦合器中間的部分）為L(zhǎng),下面一路光延時(shí)線輸入輸出端口附帶的光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng),TOC o 1-5 h z0ODL分兩種情況計(jì)論：當(dāng)L+x=L時(shí)（x為光纖長(zhǎng)度之差）0ODL下路信號(hào)可延時(shí)范圍為xxtG,+300 x10-12。 HYPERLINK l bookmark30 D_3x1083x108_對(duì)于2.5

13、GHz的基準(zhǔn)信號(hào)，T=400ps為了保證（2.5X4）GHz復(fù)用成功，光延時(shí)線輸入輸出端口光纖長(zhǎng)度比上路光纖長(zhǎng)度超出部分應(yīng)該滿足一二100 x10-12，即x30mm。3x108若光脈沖寬度為15ps，設(shè)相鄰兩個(gè)光脈沖最短間隔30ps時(shí)，光信號(hào)恰能分開，則要求一=30 x10-12，即x9mm，此時(shí)復(fù)用信號(hào)速率為22GHz；3x108結(jié)論1：應(yīng)保證x9mm，此時(shí)速率為10,22GHz。對(duì)于10GHz的基準(zhǔn)信號(hào)，T=400ps為了保證（2.5X4）GHz復(fù)用成功，光延時(shí)線輸入輸出端口光纖長(zhǎng)度比上路光纖長(zhǎng)度超出部分應(yīng)該滿足25x10-12，即x7.5mm。3x108若光脈沖寬度為15ps，設(shè)相鄰兩

14、個(gè)光脈沖最短間隔30ps時(shí)，光信號(hào)恰能分開，則要求一x30 x10-12，即x30 x10-12，艮卩x100 x10-12，即一60mm，3x108結(jié)論3：應(yīng)保證一30 x10-12，即卩一25x10-12，即一82.5mm。3x108結(jié)論4：若脈沖寬度為15ps，速率為10GHz的基準(zhǔn)信號(hào)，周期只有100ps,故無(wú)法實(shí)現(xiàn)四路信號(hào)的復(fù)用。3仿真與調(diào)試用optisystem軟件設(shè)計(jì)一個(gè)多信道的OTDM點(diǎn)-點(diǎn)通信系統(tǒng)如圖7。N個(gè)發(fā)送機(jī)發(fā)送N個(gè)脈沖光信號(hào)按一定的時(shí)間間隔排列，在復(fù)用器(MUX)中復(fù)合在一起送入到傳輸光纖信道中。在光接收機(jī)端，這N個(gè)光信號(hào)由解復(fù)用器(DEMUX)分離后送到相應(yīng)的可調(diào)諧

15、光接收機(jī)。傳輸信道中間包括了諸如EDFA、光纖等各種元件。運(yùn)行編譯后，可以得到各個(gè)信號(hào)分析圖。圖7用optisystem軟件設(shè)計(jì)的多信道OTDM點(diǎn)-點(diǎn)通信系統(tǒng)Q-ilie*lTiiafc1|心&91Vi-sq,b1iEerE)3OpticalTime：DomainVisualizertMCickOh劃曲宮wmensroperljts.Ms*eObjectswbiMouteDr-aD20T*u禹|w21Mm廠喬聊hri|Wo102fl30：Tiirw(Wjl丄RmmhJAPwuwFRAn*廠IrrreflDokNSFCoin&i曲圖8第一個(gè)光學(xué)時(shí)域波形圖SiTlndtocF-3OpticalTi

16、me-DciriainVisuatizerCwtQn鈕Xl=sXQP*nprcptdiM缶翊CMtd甲扁岀WflMM屏吩TimjAxCoSMOlliIsDPswcrP&werKPmrtrY/L)鈕w1-PAjdtMheuiQHvrWM|切FArtfi5istrFharCHprF砂rtCsl旳re4or圖9第二個(gè)光學(xué)時(shí)域波形圖圖10示波器波形示意圖圖11第三個(gè)時(shí)域波形圖4總結(jié)這次專業(yè)課程設(shè)計(jì)做的題目是基于Optisystem軟件對(duì)OTDM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。光時(shí)分復(fù)用器是光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的核心器件,只有性能優(yōu)良的時(shí)分復(fù)用器才能保證復(fù)用后的信號(hào)質(zhì)量。設(shè)計(jì)了一種典型的4路信號(hào)光時(shí)

17、分復(fù)用器，探討了光延時(shí)線損耗對(duì)系統(tǒng)各支路性能的影響，并用OPTISYSTEM軟件進(jìn)行仿真。對(duì)耦合器不同分光比下各支路信號(hào)的功率均衡進(jìn)行了計(jì)算，分析了各支路光纖長(zhǎng)度誤差對(duì)延時(shí)范圍的影響，模擬了在特定長(zhǎng)度基準(zhǔn)光脈沖信號(hào)的前提下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的復(fù)用范圍。光時(shí)分復(fù)用技術(shù)是光纖通信實(shí)現(xiàn)大容量，超高速全光通信網(wǎng)的有效途徑，作為光時(shí)分復(fù)用技術(shù)核心器件的光時(shí)分復(fù)用器，其延時(shí)精度，損耗優(yōu)劣等性能參數(shù)對(duì)能否實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高速率信號(hào)的復(fù)用具有至關(guān)重要的影響。迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)光時(shí)分復(fù)用器的研究報(bào)道比較有限，而國(guó)外從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都進(jìn)行了大量的研究。本文設(shè)計(jì)了一種典型的路信號(hào)光時(shí)分復(fù)用器。探討了光延時(shí)線損耗對(duì)系統(tǒng)各支路性能的影響，對(duì)耦合器不同分光比下各支路信號(hào)的功率均衡進(jìn)行了計(jì)算，分析了各支路光纖長(zhǎng)度誤差對(duì)延時(shí)范圍的影響，模擬了在特定長(zhǎng)度基準(zhǔn)光脈沖信號(hào)的前提下，分別在2.5GHz和10GHz不同基準(zhǔn)速率下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的復(fù)用范圍，對(duì)構(gòu)建光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)具有重要的意義?？傊?，兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，雖然完成了任務(wù)，或多或少也學(xué)到了一些東西，但還是感覺知識(shí)掌握得不是很