（光学专业论文）全光交换双波长并行缓存控制技术的研究.pdf

j 立銮道厶堂亟遵堂位j 金塞主窒垴墨 中文摘要 摘要：随着光纤通信技术的发展，网络能够提供越来越宽的带宽，由于网络节点 处上下路设备本身带宽的限制形成了网络节点的电子速率“瓶颈”，克服电子瓶 颈的方法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。全光包交换( o p s ) 属分组 级的光信号处理，能够有效利用带宽，提高带宽资源的利用率，将成为未来高速 全光网络的必然选择。包交换技术实质上是一种存储一转发技术，如何在光域中完 成光信号的存储与转发成为全光包交换网络的关键技术之一。光缓存器是实现全 光交换的重要组成部分。目前提出的光纤型全光缓存器主要有两种：前向结构的 光纤延迟线和反馈结构的f p 腔或者光纤环。随着波分复用技术( w d m ) 已经广 泛应用，单波长的全光缓存器很难与w d m 技术相适应。因此，对多波长光信号 的并行缓存是全光缓存器的一个重要研究课题。目前光缓存技术的研究都是针对 单个波长光信号的缓存，本文对双波长缓存的控制技术进行了研究，并利用我们 已经研制出的双环耦合全光缓存器经过改进实现了双波长的并行缓存。据我们所 知，本文的工作属于首次实现的双波长缓存。 本文针对双波长并行缓存的控制技术做了以下工作： 1 研制出具有稳定输出功率的激光器直流驱动电路，解决了激光器使用中 在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题，在实验中用作直流光源。研制出伪 随机码光信号发生器用作双环耦合全光缓存器的控制光源。 2 。在双波长数据的并行缓存，由于不同波长光信号合成后的功率随机波动， 导致由s o a 交叉相位调制( x p m ) 产生的相位差随机波动。在考虑吸收损耗的情 况下，对常用的s o a 增益特性曲线进行了修正并与实测值拟合，得到了与实测值 吻合的增益特性曲线。并以此为基础进行了理论分析，证明调节控制光的功率可 以减小相位差的波动，并提出了确定控制光功率的最佳点的技术。 3 在实验中，运用d l o b 实现了速率为2 ，5 g b i t s 双波长数据的多圈缓存。 关键词：双波长并行缓存；控制技术；双环耦合全光缓存器；电路设计；半导体 光放大器s o a 。 些立銮适厶堂亟盟堂僮监塞旦si 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ff i b e rc o m m u n i c a t i o n o p t i c a ln e t w o r kb e c o m e s t h eb a s i cp l a t f o r mi nm o d e r nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i nt h ec o m m o nn e t w o r kn o d e s ， o p t i c a l e l e c t f i c a l o p t i c a l ( o e o ) c o n v e r s i o np r o c e s sa r en e c e s s a r y a si tn e e d st i m ef o r o p t i c e l e c t r o n i ce l e m e n t sa n de l e c t r o n i cc r o s ss w i t c ht ot r a n s f e rs i g n a la n dp r o c e s si t ， t h e r ei sa ne l e c t r o ns p e e d b o t t l e n e c k ”i nt h en e t w o r kn o d e t no r d e rt oo v e r c o m et h e b o t t l e n e c k ”，w es h o u l de l i m i n a t et h eo ，e op r o c e s s ，s w i t c ha n dp r o c e s st h eo p t i c a l s i g n a ld i r e c t l y 1 1 m tm e a n sw eh a v et od e v e l o pa l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a s t h ea l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ( o p s ) n e t w o r kc a ns w i t c ha n dp r o c e s ss i g n a lm u c hf a s t e r a n du s et h en e t w o r kb a n d w i d t hm o l ee f f i c i e n t l y o p sn e t w o r ki sp o t e n t i a lf o r t h eu l n a - f a s to p t i c a ln e t w o r k s s u b s t a n t i v e l y , o p si sat e c h n i q u ef o rb u f f e r i n ga n dt r a n s m i t t i n g a l lo p t i c a l b u f f e ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h es y s t e mo fo p s w i t l lt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n o fw d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，a l lo p t i c a lb u f f e rt h a to n l yb u f f e rs i n g l e w a v e l e n g t ha tp r e s e n t ，w i l ln o tf i tt h ew d ma n yl o n g e r s om u l t i - w a v e l e n g t ha l lo p t i c a l b u f f e rb e c o m eas i g n i f i c a n tr e s e a r c h s u b j e c t i n t h i s p a p e r , w es t u d i e d o n d u a l w a v e l e n g t hp a r a l l e lb u f f e r i n gb yt h ei m p r o v e dd u a ll o o po p t i c a lb u f f e rt h a tw e h a v ed e v e l o p e d a sf a ra sw ek n o w , w er e a l i z ed u a l - w a v e l e n g t hb u f f e r i n gf o r t h ef i r s t t i m e 而ei n n o v a t i o n so fc o n t r o lt e c h n i q u eo fd u a lw a v e l e n g t hp a r a l l e lb u f f e r i n ga r ca s f o u o w s ： 1 t h es t e a d yp o w e rd r i v ec i r c u i to f s e m i c o n d u e t o rl a s e rd i o d ew a s d e v e l o p e d t h ed r i v ec i r c u i to fs e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ee x p o r ts t e a d yo p t i c a lp o w e ri s d e v e l o p e d i th a ss o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h el dc a nn o te x p o r ts t e a d yp o w e rd u r i n gt h e w o r k i n gt e m p e r a t u r e t h el d i su s e da st h el a m p h o u s ei nt h eb u f f e r i n ge x p e r i m e n t 2 i nd u a lw a v e l e n g t hp a r a l l e lb u f f e r i n g ，b e c a u s eo ft h er a n d o mf l u c t u a t i o no ft h e c o m b i n e dp o w e rb yd i f f e r e n tw a v e l e n g t hs i g n a l s ，t h ep h a s ed i f f e r e n c ei n t r o d u c e db yt h e c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) o f s o af l u c t u a t e sr a n d o m l yt o o b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v ei nc o l n l n o nu s ec a l ln o td e s c r i b et h eg a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o ai n s a t u r a t i o nr e g i o ne x a c t l y t a k i n gt h ea b s o r p t i o nl o s si n t oa c c o u n t ，w em o d i f yt h eg a i n c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fs o aa n df i ti tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s w ea l s om a k ea t h e o r e t i c a l a n a l y s i s f o rd u a l - w a v e l e n g t hb u f f e r i n ga n dp r o p o s ean o v e lc o n t r o l e 座窑垣厶竺亟攫翌位监塞 旦si ! t e c h n i q u ef o rs e t t i n gt h ep o w e r o fc o n t r o ls i g n a li no r d e rt om i n i m i z et h ef l u c t u a t i o no f t h ep h a s ed i f f e r e n c e 3 m u l t i c i r c l e sb u f f e r i n go f2 5 g b i 以d u a lw a v e l e n g t hp a c k e ti sd e m o n s t r a t e di n t h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：d u a l - w a v e l e n g t hp a r a l l e lb u f f e t i n g ；c o n l x o lt e c h n i q u e ；d u a l l o o p o p t i c a lb u f f e r ；c i r c u i tl a y o u t ；s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) c 1 a s s n o ：t n 9 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字e t 期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴重庆教授的悉心指导下完成的，吴重庆教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴重庆老师对我的关心和指导。 盛新志教授、王智教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 王拥军博士在电路设计和调试方面都提供了很多建设性的建议和意见，这些 宝贵的建议和意见对我能够按时完成科研任务起到了重要的作用，在此向王拥军 博士表示衷心的谢意。 在实验室工作期间，我衷心感谢魏斌博士、程木博士、李政勇博士、田昌勇 博士、余贶碌博士，他们严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神潜移默化的影响 了我，鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取：季江辉、刘琦、李赞、姜楠、 刘晓冬、王丹、黄涛、刘衍飞等师兄师姐对我论文中的方案设计和电路设计的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢杨双收、王亚平、 高凯强、赵爽、赵阳、张建亮、郭伟青、李欣蓓，与他们两年半朝夕相处的日子 是我一生的精神财富；感谢0 6 级张立军、孟庆文、张金磊、翟璐瑶、李雪、孙广 娜、王雪、冯震、张煦、赵瑞等师弟师妹们，在与他们相处的一年里，我感受到 了兄弟姐妹般的关怀，让我沐浴在家庭般温馨的环境中学习生活 感谢我的父母和弟弟他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业 最后，感谢所有曾经关心和帮助过我的人! e 塞变通厶堂亟堂垃监塞筮二重i i 壹 1 1 全光网的发展 第一章引言 随着数据业务特别是互联网业务的快速发展，通信网络业务量急速增长。因 特网流量的高速增长需要不断增长的网络容量，这对通信网络的容量是一个巨大 的挑战，同时对通信网络性能也提出了更高的要求。因为光纤中有着近2 0 t h z 巨 大的潜在带宽，所以光纤通信网是满足不断增长的带宽需求的必然途径。 光纤传输速率的提高使得仍以电信号处理信息的交换节点出现了所谓“电子 瓶颈”，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电 和电光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念。 由于世界范围内全光网仍处在研究阶段，尚未形成统一的标准，因此没有严 格定义的全光网。当今所指的全光网，是指信息在网中的传输与交换始终以光信 号的形式进行，而不需要经过光，电、电光转换，从而有可能提高网络的交换速度。 传输和交换是光纤通信网络中的两个重要的技术。 在传输技术方面，光时分复用( 0 1 r i ) m ) 和波分复用( w d m ) 是能利用巨大 的光纤带宽资源的两个主要的可行技术。目前单波长速率已经达到1 6 0 g b s 。在 w d m 中，传输容量的增加是通过波长的增加来实现的。目前已经使用的波段包括 1 3 1 0 r i m ，以及1 5 5 0 r i m 的c ，s ，l 等波段。 在交换技术方面，目前通信网络节点仍需光电、奶七转换和电信号处理，光 电转换器件响应时间及电交叉连接、上，下路设备本身带宽的限制，形成了网络 节点的电子速率“瓶颈”。为了解决这一问题，人们将注意力转向光节点，就是直 接在光域中进行交换以克服电子“瓶颈”，在光层面上来解决节点的容量扩展问题。 在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和时钟恢复等所有功能都以光 的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指用户信息以 光信号的形式进行传输和交换过程，对于网络的控制既可以以电的形式进行，也 可以在光域中进行。从当前光电子元器件的现状看，力图实现整个网络的全光化 是不现实也是不必要的。 光交换可以分为线路级( 光纤级) 、波长级、分组级以及比特级等多种形式。 空分光交换是线路级的光交换，这种光交换的缺点是占用空间大，交换粒度太大， 缺乏灵活性。波长交换是波长级的交换，单个波长信道的带宽利用率比较低。光 时分交换就是在时自j 轴上将每个比特光信号的时间位置转换到另一个时间位置 j e 夏窑迪厶堂亟堂僮迨塞墓二童i i 直 属于比特级的光交换。它的交换原理与电时分交换相同，光信号也是被分割成时 间片进行交换，它的优点是可扩展性较好，与现有的通信体系相一致，缺点是交 换粒度太细，要求网络节点具有很高的处理能力和速度。 因特网中流量的突发性使得短时流量非常高，但平均流量却非常低。这样每 个波长的带宽利用率非常低同时需要的波长资源将会大大增加，因此仅仅以波长 为粒度承载各种业务进行交换就显得太粗糙。因为波长资源毕竟相对有限，以波长 路由为基础的全光网难以适应各种承载要求，造成带宽利用率低和波长资源的浪 费。光分组交换( o p t i c a lp a c k e t ss w i t c h i n g ) 2 - 6 】可以有效地解决上述交换的问题。 1 2 全光分组交换网络的提出 全光分组交换o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 属于分组级的交换，交换粒度 以数据包( 分组) 为单位。在o p s 系统中，节点根据数据包的包头信息来选择路 由，单一波长可以被多个不同的数据包共享，与波长交换相比，交换粒度更为适 中。 光分组交换( o p s ) 中在光域中对包头识别和控制仍需时日，目前国际上对 o p s 的研究还是集中于光电混合模型，即o p s 电域控制和电域光包头信号处理、 全光的分组数据交换。光分组包含光包头和净负荷，光包头携带地址信息，净负 荷可以是固定时间长度或者可变时间长度。光包头在电域内完成识别和处理，净 负荷在整个光网络中透明传输。o p s 节点能够最大效率的利用网络资源和满足数 据流量对网络带宽的需求 - q 。 基于o p s 的全光网具有以下优点： 1 透明性。全光网中净负荷的传输全部在光域内进行，对传输码率、数据格 式和调制方式都具有透明性，能支持多种协议，可不受限制地提供端到端 的服务。 2 可扩展性。在加入新的网络节点时，不影响原有网络结构和设备，只需升 级网络连接，就能够增添网络单元，降低了网络成本。 3 可重构性。可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网 络资源，具有网络的可重构性。 4 结构简单。端到端采用光通路连接，沿途没有光，电变换，网中许多光器件 都是无源的，可靠性高、可维护性好。 o p s 适中的交换粒度允许统计复用网络的带宽资源，因此特别适合突发的数 据业务。o p s 的基本技术是“存储一转发”，一般不需要建立连接。在o p s 中，分 j e 峦銮道厶堂亟堂位途童箍二童i i 壹 组的净负荷紧跟分组头在同一光路中传输，网络中间节点需要缓存净负荷，等待 分组头的处理，以确定路由。由于目i i i 还没有实用化的高速光逻辑器件，分组头 的处理仍需要进行光电转换后进行。与光时分比特级交换相比，光分组交换网络 降低了对光器件性能的要求，同时具有比光波长交换更灵活有效的资源利用率。 它将完全发挥光传输层的大容量的优势，是最具发展潜力的光核心网络方案。 要实现全光网的包交换，有一系列的关键技术需要解决，也就是要把由电子 电路来完成的第一层( 物理层) 和第二层( 介质访问控制子层m a c 与逻辑链路控 制子层l l c ) 的功能在光域中完成。包交换技术实质上就是存储一转发技术，因此 在光域中完成光信号的存储，就成为包交换的关键之一。对于全光网的节点设备 而言，它的节点容量、吞吐量、丢包率等特性，都直接与它的存储器的容量、存 取速度等特性有关，因此光存储器的好坏直接决定了全光包交换网的性能。 目前虽然已经提出了许多种光存储器的方案，比如高速光盘、全息术、基于 电子俘获效应的光存储器，以及光谱烧孔光存储器等等，但由于其处理速度、与 光纤匹配等问题尚未解决，因而不能适应全光通信网的节点设备的要求。作为全 光通信网的光存储器必须是真正意义的光子存储器，也就是说，必须在不进行能 量转换的前提下，将光子锁存起来。而上面所列的几种存储器，都是把光子转换 成其它形式的能量( 或状态) 进行存储，因此不能适应高速光信号的处理要求。 由于光子是玻色子，它的静止质量为零，不能停止运动，所以光子的存储必 须采用一种光子能在其间运动的介质，这种介质可以称为存储体。光纤就是一种 比较理想的存储体，它不仅可以使光子在其中运动，而且可以比较方便地做成所 需要的形状。比如一个封闭的光纤环，如果它是理想的无损光纤，那么光子将在 其内永远的运转。但实际上光纤是有损耗的，为了补充光子的损失，必须加入光 放大器，这样就会引入噪声。虽然如此，在不自激的前提下的有放大器的光纤环， 可以使光子在光纤环内存活一定的时间。 以光纤存储体的存储器的关键问题是如何将光子引入到光纤中( 写如) 和如 何从光纤中取出( 读出) 。由于光子从光纤中取出后，光纤中存储的信息也就随 之消失了。因此，这种只能读一次光存储器( m e m o r y ) 只能称为缓存器( b u f f e r ) 。 如果要想做到多次读出，就必须在读出的时候，再重新写一次( 刷新) 。国际上 对全光缓存器( a l lo p t i c a lb u f f e r ) 或全光存储器( a l lo p t i c a ls t o r a g em e m o r y ) 的研 究十分重视，已经提出很多方案和进行了一系列的实验。 1 3全光缓存器的研究进展 e 塞銮适厶堂亟堂僮迨塞苤二重i ! 直 关于光缓存器目前还没有具体定义。本文采用的光缓存器定义【8 1 如下( 参见图 1 1 ) ：它是一个具有无需进行光电变换的光输入和光输出的数据流的器件。输出数 据流厶。( f ) 应该是输入数据流厶( f ) 的拷贝，并且在一定的失真和损伤的范围内缓存 一定的时间r ，即f o 。，( f ) z 厶( f f ) 。而且缓存器的写入与读出功能( 以及缓存时 间) 应该是在外部读写光信号控制下可随机变动的。 流输出 图1 1 光缓存器模型 理论上，光脉冲的缓存时间f = 工v 。，其中工是光脉冲的缓存长度，v 。是光 脉冲的群速度。控制缓存时间意味着或者控制缓存长度，或者控制群速度，或者 二者同时进行。 已经出现了多种全光缓存器的方案，如果按照存储体( 介质) 进行分类，目 前主要有以下3 种：以光纤为存储体的光纤环路型缓存器；以啁啾光栅为存储体 的光栅型缓存器；基于电诱导透明( e l e c t r o m a g n e t i e a l l yi n d u e e di r a n s p a r e n c y , e i t ) 原理的以半导体量子点、原子气和固态材料为存储体的慢光缓存器1 9 】。其中光纤环 路型缓存器基于对缓存长度进行控制，而后两种则都是基于对群速度进行控制。 e i t 介质具有长的缓存时间以及可以调节的延时特性，但是它的昂贵的成本、特定 波长的限制以及还没有进行读写控制实验，许多问题尚未暴露。目前限于对光速 减慢存储体的探索阶段，离可控的适于高速数据流缓存的缓存器相距甚远。至于 摩尔光栅，由于带宽很窄不能在高速率下使用，没有实际意义。而当前比较实际 的还是基于光纤环的光缓存器。 光纤延迟线是最先被用来研制缓存器的。一个基本的设计是包含一个2 x 2 光 开关和一个光纤环路。其他一些器件，如光隔离器、放大器、色散补偿器等也包 括其中，以便减小由于反射、损耗和色散的影响。光开关首先将数据流引入环路， 然后紧接着就关闭并允许数据在环路中绕行。存储时间，即在环内的时间是r l 。的 整数倍。原则上，存储时间可以相当的长，国际上不经过再生整形的缓存时间已 经达到i m s 以上。 已经出现了多种基于光纤为存储体的缓存器结构，比如，基于延迟线+ 光开 关的方案【l “，利用光纤的延迟特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换 延迟线”，见图1 2 。基于反射光纤( f p 腔) + 光开关的方案l ，如图1 3 ，基本 思想是在一根光纤的两端，分别加一个透过率( 反射率) 可调的镜片构成。当需 4 j e 丞至塑厶堂亟堂垃盗塞复二童! l 宣 要把光信号引入时，可将m i 调整到透光状态。待光信号进入光纤后，m 1 立刻转 换为全反射状态，m 2 此时也是全反射状态，于是光信号就在由两个全反射镜组成 的f p 腔中来回运动，被存储于光纤中。当需要读出的时候，只需将m 2 改成透光 状态即可。原则上，光子可以在f p 腔中存活相当长的时间。改变透过率的方法有 很多，最常见的可以是非线性环路镜n o l m ，t o a d 或n f s i ( n o n l i n e a r f i b e r s a g n e e i n t e r f e r o m e t e r ) 等光开关。目前，他们已经取得了较大的进展，可以将3 2 b i t 的1 g b s 的信号存储时间长达l m s 以上。基于光纤环( f i b e r l o o p ) 的方案，如前所述， 带有功率补偿的光纤环，如果不考虑噪声的积累，理论上光子可在其中存活很长 的时间。关键是如何将光子引入( 写操作) 和将光子输出( 读操作) 。在具体实现 写入与读出方式上，又有许多不同，包括：a ，采用光耦合器输入、光耦合器输出( 如 图1 4 ) 【l 引；b 采用光耦合器输入、光开关输出( 如图1 5 ) i t 3 】；c 采用光耦合 器输入、采用解复用器输出【1 4 l ；d 采用光纤环+ t o a d 光开关等。这种设计的 基本困难是存储时间是固定的或者是环时间的整数倍。在实际的网络中数据的到 达是随机的和异步的，固定的时间使得光路由器的结构设计非常困难。这是为什 么这种设计不被采用的基本原因。另一个技术困难是缓存容量和读出速度的矛盾， 要增加缓存容量就要增加环长，读出必须在帧头到达环的始端才能进行，这样即 使短帧也必须等待很长的时问。 缸l i a 2 s w l s v 呢 图1 2 交换延迟线 一l 仁一 叫i 一卜呻 图1 3f p 腔光缓存器 o u t l o u t 2 图1 4 基于s o a 光开关的缓存器 图15 基于光开关输出的缓存器 除了以上三种类型以光纤为存储体的缓存器外，尚提出多种其他存储体的缓 存器，比如基于分布反馈光栅d f g 的静态带隙孤子( s t a t i o n a r yg a ps o l i t o n ) 【16 】， 体全息( v o l u m eh o l o g r a p h y ) 1 1 7 1 等。就以光纤为存储体的缓存器而言，还有许多 结构，如a w g 等。 虽然以光纤为存储体的缓存器在实验室中大多都实现了光信息的写入读出， 但是这些方案目前都没有很好解决如何适应变化的包长问题。而在一些实际使用 中的网络协议如以太网、令牌环网中，到达网络节点处的数据包长度是在不断变 化的，在这种情况下当前研究的很多缓存器是无法正常工作的。 1 4 多波长并行缓存的意义 全光交换网是现代通信发展的必然趋势，全光缓存器是实现全光交换的重要部 件。光缓存技术的研究都是针对单个波长光信号的缓存。而现有的光纤通信系统 中，随着波分复用技术( w d m ) 已经广泛应用，不同波长的信道成倍、十倍、百 倍地增长。在w d m 中，传输容量的增加是通过波长的增加来实现的。在常规的c 带内( 1 5 3 0 一1 5 6 5 n m ) ，基础速率为2 5 g b p s l o b p s 的8 波、1 6 波、3 2 波、4 0 波乃至 8 0 波的d w d m 系统已经商用，各光波道间隔将缩小到2 5 g h z ( 0 2 u r n ) 。新的全波 光纤可利用光谱达到1 2 8 0 1 6 1 5 n m ，是常规可用波长范围的数倍，复用波长数大大 增加，从而经济有效地解决了网络扩容问题。近来，日本n e c 和法国阿尔卡特公 司在实验室中分别实现了总容量为1 0 9 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i t s ) 和1 0 _ 2 t b i t ，s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输容量的最新世界纪录【l b ”】。目前t b i 以级w d m 系统已 经开始商用，光纤的价格也已经非常低，具备了超大容量传输的坚实基础，世界 上许多国家采用w d m 技术对已铺设的光纤线路进行扩容。光纤传输的问题己基 本解决。 d w d m 系统解决了光信号传输的问题，技术已经很成熟。而作为交换系统中 重要的组成部分一全光缓存器的研究目前主要是针对单一波长的光信号进行的。 6 显然，单一波长的全光缓存器很难与目前广泛应用的w d m 技术相适应，因此 全光缓存器只有实现多波长的并行缓存才有得到应用的可能。所以，多波长光信 号的并行缓存就成为了全光缓存器的一个重要的研究课题。多波长光信号对全光 缓存器的读写控制技术也提出了新的要求。 在这样的前提下，本文对双波长并行缓存读写控制技术进行了研究，通过理 论分析证明了新的控制技术的可行性，并利用我们已经研制出的双环耦合全光缓 存器( d l o b ) 经过改进实现了双波长光信号速率为( 2 5 g b i t s ) 的并行缓存。 e 立蛮迪厶堂亟堂焦迨塞箍三重塑巫褪盒全盘缝叠墨 第二章双环耦合全光缓存器 2 1 双环耦合全光缓存器 双环耦合全光缓存器是本实验室研制的基于平行排列3 3 耦合器的双环耦合 全光缓存器( d l ( ) b ) 。所需要的控制光功率只需数m w ，不需进行额外放大，只 需一个开关端口即可实现信号的写入和读出，结构紧凑，利于集成。其结构如图 2 1 所示。 平行排列3 3 耦合器是核心的光耦合器件，将其4 、6 端口和l 、3 端口分别 连接成环，形成环l 和环2 。环l 中s o a 为相位调制元件，在4 端口处放置：两 个w d m 用于控制光的引入和下路；p c 为偏振控制器，可调节环l 中信号的偏 振态；环2 中接法兰盘，留下测试端口，便于实验和观测；环行器用于信号光的 输入和输出，其c 2 端口接平行排列3 3 耦合器的2 端口，端口c 1 为信号输入端 口，端口c 3 为信号输出端口。以下是对其主要组成部分的简要介绍。 控制光入 图2 1 双环全光缓存器结构图 2 1 1 平行排列3 x 3 耦合器 j e 夏窑迪厶堂亟堂位迨窑笈三童丛巫褪盒全光缓在墨 光纤耦合器主要有2 x 2 光纤耦合器、3 x 3 光纤耦合器【2 0 _ 2 1 1 以及多端口光纤耦合 器等。由于3 x 3 光纤耦合器比2 x 2 光纤耦合器多了一个耦合臂，因而使用更为灵 活。3 x 3 光纤耦合器从其横截面上来看分为两种结构，如图2 1 所示。一种是三根 光纤呈三角形排列的结构，这种光纤耦合器尤其是等边三角形结构的3 x 3 耦合器 已经被较多地应用到了光通信及传感系统中。另一种是三根光纤平行排列的结构。 这种耦合器中的三根光纤平行排列且相互间弱耦合，它具有一般2 x 2 耦合器和三 角排列的3 x 3 耦合器所没有的独特性质。 芯膳 - 三角形件列 _ 甲行伟列 图2 13 x 3 耦合器耦合区横截面示意图 实验室使用的耦合器为平行排列的耦合器。如果光纤耦合器耦合区中的三根 光纤是全同的，而且耦合器中的三根光纤对称分布，即相邻光纤间的耦合系数相 同，光纤耦合器的损耗忽略不计，不考虑光纤自身的双折射及光纤自身的模耦合 对于耦合器偏振态的影响，输入光的偏振态为线偏振态。那么它的传输矩阵可以 表示如下： h ，2i 压2 1 2 t ：e 归i i 压2 0i 压2 l( 2 1 ) - l 2 i v 巨2l 2 j 从传输矩阵r 可以看出，这种平行排列的3 x 3 耦合器有着特殊的分光比：当 从2 端口输入时，耦合器的分光比为5 0 ：o ：5 0 ；从1 或3 端口输入时，耦合器的 分光比为2 5 ：5 0 ：2 5 。 实际使用的耦合器由于平行排列的三根光纤的不完全一致，以及非对称分布 等造成的影响，使得输出特性和理论值会有些偏差。 2 1 2 光环行器 光环行器是一个多端口器件，般有3 个或4 个端口，如图2 2 。它的工作特 点是其端口间的输入输出关系是确定的，且只能沿正向传输。在4 端口的环行器 9 b 立窑适厶堂亟堂鱼诠塞笸三重丛叠摆盒全盘缓叠墨 中，如果端口1 输入光信号只能在端口2 读出，端口2 输入信号只能从3 端口读 出。它主要用于光分插复用器件中。实验用的是3 端口的环行器。 2 i 3 光波分复用器 3 瑞几环彤器4 端f 环形器 图2 2 光环行器示意图 光波分复用器( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 又称为光合波分波器， 它是对波长进行合成与分离的光无源器件。w d m 在解决光缆线路的扩容或复用中起 着关键的作用。 它的原理图见2 。3 。它的一个端口作为器件的输出输入端：n 个端口作为器 件的输入输出端。 五 五 图2 3 v v i ) m 光传输原理图 当器件用作解复用器时，注入到入射端口( 单端口) 的各种光波信号，分别 按照波长传输到对应的出射端( n 个端口之一) 。对于不同的工作波长其输出端口 是不同的。在给定的工作波长的光信号从输入单端口传输到对应的输出端口时， 器件具有最低的插入损耗，而其他输出端口对该输入信号具有理想的隔离。 在器件用作复用时，其作用同上述情况相反。在给定工作波长的光信号从对 应输入端口( n 个端口之一) 被传输到单端口时，具有最低的插入损耗，而其他输 入端口对该输入光信号具有很理想的隔离。 现以两个波长器件( 图2 4 ) 为例，波分复用器主要技术指标为： o b 壅窑堑厶堂亟堂焦途塞蕴二童赵巫趱盒全左缓在墨 p o l ，岛2 a ，五 a ，凡 图2 4 波分复用器 1 复用中心波长：可以根据要求生产出某一中心波长的w d m 。现在的工艺一 般都可以把精度精确到0 1 r i m 。实验用的w d m 的中心波长为1 5 5 6 5 6 n m 。即从单端 ( 公共端c 端) 到一个出射端( 透射端t 端) 传输的光波长为1 5 5 6 5 6 r i m 。而从公 共端到另一个出射端( 反射端r 端) 传输的光波长没有严格限制。 2 信道通道带宽：指允许的中心波长的变化范围。现在的技术大多可以做 到0 8 n m ( 用频率表示为i o o g h z ) ，也有的可以做到0 4 n m ( 5 0 g h z ) 。实验中使用 的带宽为0 8 r i m 。 3 插入损耗：指器件输入端和对应的输出端功率的衰减值，即 厶= 一1 0 l g 旦；岛= 一1 0 培旦 ( 2 2 ) 风i几 4 偏振相关损耗：指光信号以不同的偏振状态输入后，对应输出端插入损 耗的最大变化量，其均值一般在0 1 d b 一下。 除了以上指标，还有隔离度、光回波损耗、工作温度、存储温度、温度稳定 性等指标。 2 1 4 半导体光放大器( s o a ) 半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la 叩1 i f i e r ，简写为s o a ) 的放大 原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级问跃迁的受激现象进行光放 大。为了提高增益，人们去掉了构成激光振荡的谐振腔，由电流直接激励，可获 得3 0 d b ( 1 0 0 0 倍) 以上的光增益。 半导体光放大器尺寸小，频带很宽，增益也很高，但最大的弱点是与光纤的 耦合损耗太大，易受环境温度影响，因此，稳定性较差。半导体光放大器容易集 成，适于与光集成和光电集成电路结合使用。 实验中利用s o a 进行信号强度和相位的调制。 2 2d l o b 的“读写”控制原理 e 壅变迪厶堂亟堂位论窑差三童型叠揖金全出堡在墨 光信号从光环行器的c 1 端口输入，光信号光通过光环行器的c 2 端口进入平行 排列3 x 3 耦合器2 端口，假设注入耦合器的2 端口的光场强度为： 易( f ) = ，( f ) e 州 ( 2 1 ) 其中f ( t ) 为复幅度。3 x 3 耦合器的传输矩阵为【2 2 - 2 3 1 ： t = e 叫 1 2 i 压2 一i 2 i 4 2 2 0 i 乏2 则经过3 x 3 耦合器的输出为 = t 茎 一1 2 i 压，2 1 2 i 拿邝) 上 = 厉l0 f i - 压t ，( r ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，为耦合器的附加损耗。可见，耦合器的5 端口没有输出，而4 、6 端口输出了同相位同振幅的光场。4 、6 端口输出的光信号分别以顺时针( c w ) 和 逆时针( c c w ) 通过s o a ，信号披放大。顺时针方向行进的信号得到的复增益为： 莒0 0 ) = 。( f ) c l h ( 2 4 ) 逆时针方向行进的信号得到的复增益为： 季。q ) = ( f ) e 1 “( 2 5 ) 上面两式中g ，( f ) ，g 。o ) 分别为s o a 的对顺时针和逆时针方向信号的幅度 增益，丸( f ) ，丸。( f ) 分别为s o a 对顺时针和逆时针方向信号产生的相移，两组 信号重新环回到平行排列3 x 3 耦合器中6 、4 端1 2 1 ，其复幅度分别为： f 反( f ) = i ( f ) 巨( f f 。) = i 单岳。( f ) o f 1 ) e 1 鲁 ( 2 6 ) 厩 ”7 e 4 ( t ) = 手一o ) e 6 ( f 一 ) = i 半岳。( f ) ( f t 1 ) e 。- 上式中，t 是信号脉冲在环l 中的环行一圈的群时延，口为环1 中光纤和其 他器件的平均损耗因子，厶为环l 的长度。这两个信号将会在耦合器中发生干涉。 这时，假定没有控制光，两个方向信号的相移相同，他们之唰没有相位差，即 丸( f ) = 丸。( f ) = ( f )( 2 7 ) 调整这两束信号光的偏振态使得当它们相遇时具有相同的偏振态，干涉的结 果可表示为： j e 噩窑适厶堂亟堂位丝塞笈三重丛珏担盒全堂缝在墨 e l e ： e 3 i 鱼4e 嘲厂( 川一蚶f _ f 。) 一g 一) 】 一l e - 口, l , f ( t f ) e i 【g 。o f 1 ) + g 。，o 一 ) 】 一i 鱼4e 一邝诎卅蚶一f ) 一g 一) 】 ( 2 8 ) 式中e i 、丘和e 分别为端i ：11 、2 、3 的输出电场，e 4 、e s 和e 。是端口4 、5 、 6 的输入电场。因为没有控制光时s o a 对两个方向行进的信号增益相同，即 g o , ( f ) = g 。( f ) = g ，所以式( 2 8 ) 中，乓= e = 0 ，而 砭= - f o e - a , 1 9 f ( t t i ) e 。 ( 2 9 ) 可以看出此时信号在环1 中放大后反射回耦合器端口2 ，进入光环行器的c 2 端口后再由其c 3 端口输出。这时相当于信号没有进入缓存器中缓存而直接输出， 只是经历了一段时间的延迟，延迟的时间为信号在环1 中环行的时间，被称为全 反射。对于进入缓存器的信号，无论在缓存器中是否缓存，都需要经历这一段的 延时。 如果在环l 中加入控制光，使两个方向行进的信号之间的产生相移差。这时 干涉的结果可表示为： e i 砭 耳 = ，o i 鱼4 e 吼，慨( h ，) e - i # 一- g u , , ) e 】 一l e - 4 , f ( t f 。) 【g 。o f 。) e - i $ “+ g c o , ( f f ，) e i k 。】 一i 1 4 1 三e 一口 ，o f 。) g 。( f f ) e i b g 。，( f f 。) e i t 一】 ( 2 1 0 ) s o a 两个不同饱和状态下的相移差矿= 丸一和增益比研= g o , g 一通过 如下关系式耦合： 妒= - a l n m( 2 1 1 ) 式中， 爿 e ； e 悸飞( f - f 渺啪【c - 叫2 一e 等，2 】 嘞k 一( f - 啪巾训e 刮2 + e 等，2 】 l i 孚e 啊锄_ 肌f 1 ) - e 知，2 】 ( 2 1 2 ) 上式中，省略了相同的相位项歹= 鱼专丝l 平行捧列3 x 3 耦合器的各个端口的 or = 1j 日巴幺 l r 一一 e 壅窑迪厶堂亟堂僮丝塞箍三重型叠塑盒全左缓叠墨 输出功率可以写成如下的顺时针方向功率增益g 。和相移差庐的函数 只 最 爿 8 i 2 _ 2 a , l i 圪瓯( 1 + e 4 2 e 。c o s ) 言y ；e - 2 a i l j 兄瓯( 1 + e