（光学工程专业论文）基于双环耦合的多波长信号缓存系统若干问题研究.pdf

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o p t i c a lb u f f e rc a nc o m p l e t et h es t o r a g eo f d a t ap a c k e t si nt h eo p t i c a l d o m a i nw i t h o u tl i g h t - e l e c t r i c i t y l i g h tt r a n s f o r m a t i o n ，o v e r c o m i n gt h ee l e c t r o n i cs p e e d b o t t l e n e c ko ft h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ke f f e c t i v e l y i th a sb e c o m eo n eo ft h e r e s e a r c hf o c u s e so fa l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw d m n e t w o r kt e c h n o l o g y , o p t i c a lb u f f e rc a l lb eu s e df o rm u l t i - w a v e l e n g t hi si nn e e d t h e a l l - o p t i c a lb u f f e rb a s e do nd u a ll o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) i san o v e lo p t i c a lb u f f e r , w h i c hi s v a r i a b l e ，c o m p a c t , l o wc o s t a n de a s yt o o p e r a t e d l o b b a s e d m u l t i - w a v e l e n g t hc a c h i n gs y s t e mh a sa l s ob e e nr a i s e du p ，b u tt h e r es t i l lw e r es e v e r a l p r o b l e m s i nt h i sp a p e r , b a s e do np r e v i o u sw o r k ，w er e b u i l tam u l t i w a v e l e n g t hs i g n a l b u f f e r i n gs y s t e mb a s e d o nd l o b ，p r o p o s e ds o m ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st ot h e p r o b l e m se x i s t i n gi nt h es y s t e m ，a n da tl a s te i g h tw a v e l e n g t h s2 5 g p sr a n d o mo v e r l a p p i n g s i g n a l ss i m u l t a n e o u sb u f f e t i n gh a sb ea c h i e v e d t h ew o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 t h e m u l t i w a v e l e n g t ha m p l i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，c r o s s g a i n a n dn o i s e c h a r a c t e r i s t i c so fs o aw e r es t u d i e dc a r e f u l l y t h ep o w e re q u a l i z a t i o ne f f e c to f m u l t i w a v e l e n g t ho v e r l a p p i n gs i g n a l si ns o as w i t c hw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y 一 2 d e m o n s t r a t e dt h ep o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g i e so fm u l t i - w a v e l e n g t hs i g n a lb u f f e r i n g s y s t e m t h ee d f ag a i na n dn o i s ec o n t r o lw a sa c h i e v e db yu s i n gf e e d b a c k s t r u c t u r e ；t h ew a v e l e n g t h so ff i b e rg r a t i n gw e r ec a l i b r a t e ds u c c e s s f u lb yu s i n g s t r e s sc o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y ； 3 c a r r i e do u tm u l t i w a v e l e n g t hs i g n a lb u f f e t i n ge x p e r i m e n t ，s u c c e s s f u l l ya c h i e v e d8 2 5 g b p s 4c y c l e s7 0 2 u sb u f f e t i n g ；ab r i e fa n a l y s i so ft h ei m p a c to f m u l t i - w a v e l e n g t hs i s a lc a c h i n gs y s t e mp e r f o r m a n c er e a s o n s k e y w o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ；d u a l - l o o po p t i c a lb u f f e r ；m u l t i 。w a v e l e n g t h b u f f e r i n g ；p o w e re q u a l i z a t i o n ；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 c i 。a s s n o ：t n 9 2 9 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1全光分组交换及全光缓存器。l 1 2全光缓存器的研究进展2 1 2 1 慢光型全光缓存器2 1 2 2 光纤延迟线型全光缓存器3 1 2 3 多波长全光缓存器7 1 3基于双环耦合的多波长缓存系统。8 1 4本文的结构1 0 2s o a 多波长放大性能研究1 1 2 1 引言1 1 2 2s o a 多波长放大特性1 1 2 2 1s o a 增益饱和特性1 1 2 2 2s o a 中多波长交叉增益调制1 2 2 2 3s o a 对不同波长的增益1 4 2 3s o a 噪声特性15 2 4s o a 对多波长叠加信号的功率均衡1 8 2 5本章小结19 3 多波长信号缓存系统功率调节技术的研究2 0 3 1引言2 0 3 2e d f a 增益和噪声控制2 0 3 2 1 实验原理及关键器件参数2 0 3 2 2 实验结果2 3 3 3 利用光纤光栅应力调节架调节各个波长的功率2 6 3 4 本章小结2 9 4 8 x 2 5 g b p s 信号缓存实验3 0 4 1重新搭建的多波长缓存实验系统3 0 4 2d l o b 中信号的写入和读出过程3 2 4 2 1 信号的写入3 2 4 2 2 环长测量。3 3 4 2 3 信号的读出。3 4 4 3实验结果分析3 6 4 4本章小结3 8 5总结与展望3 9 5 1本文的工作3 9 5 2需要进一步解决的问题3 9 参考文献4 0 作者简历。4 4 独创性声明4 5 学位论文数据集一4 6 术并没有从根本上克服网络节点的电子速率瓶颈，在网络节点处仍需要进行光 电光的转换和电信号的处理。虽然路由器制造商已经推出了太比特( t b i t s ) 级的 电路由器，但由于电子器件响应时间以及设备本身带宽的限制，与超大容量的光 纤传输系统仍不适应。由于电路由器的升级空间有限，人们将研究目标转向了全 光分组交换技术( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 1 - s 。 o p s 属于分组级的交换，节点的数据交换是以数据包( 分组) 为单位的，数 据包采用无连接的存储转发方式。o p s 能提供与w d m 传输能力相匹配的光交 换能力。在o p s 中，节点路由器把分组从任一输入端口交换到任一输出端口， 分组是在光域上直接进行交换的，不需要任何的光电转换，避开了电交换的瓶颈， 可以大大提高交换单元的吞吐量，给下一代网络带来广阔的应用前景。 o p s 网络节点的结构如图1 1 所示【6 】。主要包括三部分： 包同步单元：用来对入口数据进行相位校准，在每个输入端口按初始参数无 源地对齐光包。包缓存单元：利用全光缓存器按需求提供一定的延缓时间以便节 点进行包头处理，当不同用户争用同一通道时，全光缓存器能够提供有效的解决 方案，在提高网络节点吞吐量的同时可降低丢包率。全光缓存器对于未来的o p s 网络非常关键。包交换单元：包交换单元的作用是将包发送的合理的路由并实时 地解决冲突，同时管理光包的填充以保证无负载时系统能够正常运行。 n n d e m a | 廿一“。7 ：1 x ns w i t c k , m u l n p 蛔旧 - - - - - - - - s w i t c h i n gf s b r i c 图1 1 全光包交换网络的节点结构 f i g 1 1t h en o d ec o n f i g u r a t i o no fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k 目前全光开关和信号处理器件相对成熟，但全光缓存器的研究还没有取得突 破性进展，因此全光缓存器的研制也就成为全光网络研究的重点。 美国加州大学伯克利分校的c o n n i ej c h a n g h a s n a i n 于2 0 0 3 年给出了全光 缓存器的确切定义【7 1 。如图1 2 所示，全光缓存器是一个无需进行光电变换且具 有光输入与光输出数据流的器件，输出数据流厶( 厶f ) 是输入数据流厶( o ，f ) 的 拷贝( 三为器件长度) ，数据在一定的色散和失真范围内能够缓存一定的时间f ， 即厶( 厶f ) f m ( o ，一f ) 。缓存器的写入与读出时间以及数据被缓存的时间则是 由外部控制信号控制且是随机可变的。 z = 0z = l ii 图1 2 全光缓存器的定义示意图 f i g 1 2t h ed e f i n i t i o no fa na l l o p t i c a lb u f f e r 全光缓存器对于未来的o p s 网络非常关键，它不仅能有效地提高o p s 网络 节点的吞吐量，而且对于实现低丢包率非常关键。全光缓存器对于实现o p s 网 络节点中一系列的光信号处理功能非常必要，它提供了在高速条件下操控比特数 据流的能力。全光缓存器最潜在的应用是光分组交换网中的全光路由器。除了全 光通信系统，全光缓存器还在全光信号处理、射频光子学( 如相位振列天线) 及 非线性光学中有着广泛的应用【8 】。 1 2全光缓存器的研究进展 光子是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子不可能停 下来的，唯一的办法是使光信号延迟一段时间，以便对高速光信号进行处理。光 信号的传输时间可表示为f = l 1 ，其中三为光传输路径长度，v p 是群速度，所 以“光缓存”可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度，一是延长传输路径1 9 儿1 0 j 。 目前提出的全光缓存器可分为两大类：慢光型( s l o wl i g h tt y p e ) 全光缓存器；光 纤延迟线型( f d l ：f i b e rd e l a yl i n e ) 全光缓存器。 1 2 1慢光型全光缓存器 就前一方法而言，通常将真空中的光速与介质中的光速比值定义为减慢因子 s ，即s - - - c v g = 刀+ 国驯d 国。由于普通介质的折射率与真空中的数值相差不大， 所以单纯依靠增大折射率，2 来获得光速减慢的程度很有限，于是人们就纷纷将目 2 标转向了增大折射率的相对变化率d 州d 国。目前慢光型缓存器按原理可大致分 为以下几种： 1 ) 基于电磁诱导透明( e i t ) 原理的光缓存器【。1 4 】 2 ) 利用光纤受激布里渊散射( s b s ) 慢光效应【1 5 1 7 l 3 ) 利用光纤受激拉曼散射( s r s ) 慢光效应【1 8 】【1 9 】 上述三种慢光型全光缓存器目前仅限于实验现象的研究，尚未实现对数据包 的读写控制。此外基于e i t 原理的慢光型全光缓存器方案工艺复杂，成本昂贵。 而基于s b s 和s r s 原理的慢光型缓存器虽然在室温条件下即可实现光速减慢且 实验装置和工艺比e i t 要简单的多，但所需的控制光功率均在几十毫瓦到几百毫 瓦，甚至是瓦量级，实现的最大延迟也仅为几十纳秒，远远不能满足两潞的实际 需要。综上所述，慢光型全光缓存器距离实用化还有很长一段路要走。 1 2 2光纤延迟线型全光缓存器 由于慢光型光缓存器存在诸多技术问题，光纤延迟线型全光缓存器仍然是一 个重要的研究方向。光纤延迟线型全光缓存器按作用机理可分为两种：第一种是 以光信号经历不同长度的光纤路径来调节光信号的延迟时间的，即传输结构全光 缓存器( t r a v e l i n g w a v eo p t i c a lb u f f e r ) ；第二种是通过“读写”控制使得光信号在光 纤环路中循环，以光信号在光纤环路中循环圈数的不同来调节光信号的延迟时 间，即循环结构全光缓存器( r e c i r c u l a t i n go p t i c a lb u f i e r ) 。 ( 1 ) 传输结构全光缓存器【l u 传输结构全光缓存器，是以光信号经历不同长度的光纤路径来调节光信号的 延迟时间的。最早的方案基于“延迟线+ 光开关”，是由美国m a s s a c h u s e t t s 大学 的i m r i c hc h l a m t a c 等人在1 9 9 1 年提出的 2 0 1 ，它利用光纤的延迟特性配合光开关 来调节延迟时间。其结构如图1 3 所示。 2 s w ls w 2s w 3 图1 3 交换延迟线( s d l ) f i g i 3s w i t c h e dd e l a yl i n e 2 0 0 4 年，美国乔治亚大学的y o n g k e ey e o 等人【2 l 】提出了一种更典型的传输 结构全光缓存器，如图1 4 所示。这是一种树状结构，通过接通或者断开每一个“树 枝”中的光开关，可以获得不同的延时。该缓存器输入光信号损耗过大，而且需要 的大量的光开关，成本比较高；s o a 由电脉冲控制，开关速度较慢。实际的实 验中y o n g k c ey c o 等人也仅是做到两阶两级，对l o g p s 的信号几个u s 的缓存。 图1 4 多级树状可控延迟线结构图 f i g 1 4t h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r eo f t h ep r o p o s e dr e c o n f i g u r a b l ed e l a yb u f f e r 为了改进许多分立s o a 元件不紧凑的问题，英国布里斯托大学( u n i v e r s i t y o fb d s t 0 1 ) l 等人【2 2 讲】用有源垂直耦合器( a v c ：a c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r ) 代替 s o a 光开关，实现对于延迟时间的调节，如图1 5 所示。 图1 5 基于a v c 开关矩阵的光缓存器 f i g 1 5o p t i c a lb u f f e rb a s e do na v c s w i t c hm a t r i x 传输结构全光缓存器的结构简单，容易实现，需要的器件相对较少，一般由 光纤，光开关，光耦合器，光放大器，色散补偿单元等组成，由于光信号只通过 被选择的延迟单元一次，信号的质量较好。但是，该结构的光纤的利用率很低， 缓存器的物理尺寸庞大，且不具备读写功能，并不是真正意义上的缓存器。 ( 2 ) 循环结构全光缓存器 利用一个2 2 光开关和一个光纤环路可以构成循环结构全光缓存器。循环结 构全光缓存器，可以由光开关控制光信号的写入与读出，因此是真正意义的缓存 器。在光纤环路中还包括其他一些器件，如光隔离器、放大器、色散补偿器等， 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，需要读出数据的时候再打开，存储时间为 4 乃卿( 信号绕环一圈所需时间) 的整数倍。 循环结构全光缓存器的延迟时间为环的长度乘以循环圈数，它的物理尺寸相 对较小。循环结构全光缓存器按结构可以细分为往复式与光纤环形式。 1 9 9 7 年g l e n nd b a r t o l i n i 等人提出了f p 腔的往复式方案【2 5 1 ，其结构见图 1 6 。该方案的基本思想是在一根光纤的两端分别加一个反射镜和非线性光纤环 路镜( n o l m ) 。在该实验中实现了3 2 - b i t 数据包l m s 的存储。2 0 0 1 年在该方案的 基础上，a n j a l ia g a r w a l 等人将反射镜m 1 改为非线性光纤环路镜( n o l m ) 用于存 储数据包的“读写，控带l j t 2 6 1 2 7 】( 图1 7 所示) ，实现了6 0 0 p s 的存储时间。 图1 6 基于法布里一珀罗腔的往复式光缓存器图1 7 基于n o l m 的往复式光缓存器 f i g 1 6o p t i c a lb u f f e rb a s e do nf a b r y - p e r o tc a v i t yf i g 1 7o p t i c a lb u f f e rb a s e do nn o l m 使用最为广泛是带有功率补偿的光纤环( f i b e rl o o p ) 方案。 1 9 9 6 年，德国柏林h e i n r i c h h e r t 实验室的r l a n g e n h o r s t 等人提出了一种基 于半导体光放大器( s o a ：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 ) 和2 x 2 耦合器的s a g n a c 环型缓存结构( 如图1 8 ) t 2 引，成功实现了6 2 2 m b s 数据1 0 0 圈的缓存，缓存时间 达到u s 。 1 。 一1k 几a 6 八九 。n n n j w w 。8 a 以几4 n 帆肌m 几胍、几几j 门n 几几m ，门 m a 广v v l m 。，1 n ，厂弋一 i 。l n n f i 朋n 一山严_ 1 h ，一心 m 。m 硝。一m 膨帆u 。盹_ ， 帆1 讹n 0 图1 8 基于s a g n a c 环的光缓存器 f i g 1 8t h eo p t i c a lb u f f e rb a s e do ns a g n a c 基于s o a 偏振旋转的缓存方案最近也被提出凹，如图1 9 所示，利用s o a 作为偏振态高速旋转器件，实现了两个相互正交的偏振态之间的转化，从而实现 了光缓存器的“读写”操作。由于s o a 不在光纤环中，其缓存深度可超过5 0 。 但由于s o a 与e d f a 的a s e 噪声的积累，缓存器总的缓存圈数收到很大限制。 与传输结构光纤延迟线型全光缓存器相比，循环结构全光缓存器具备读写控 制功能，是真正意义上的缓存器，但其也有着自身的缺点：环长一旦固定，可以 存储的数据包的长度也就受到环长限制，同时信号存储时间必须为乃泖( 信号绕 环一圈所需时间) 的整数倍；当缓存时间较长时，光功率损耗就比较大此时就需 要在环中增加全光放大器，但这样就会引入受激自发辐射噪声( a s e ) ，信号质量 降低。同时，全光放大器的增益也必须精心设计，让它能刚好抵消光分组环行一 圈所产生的损耗，但又不发生自激振荡。 综上所述，两种结构的缓存器各有优缺点。2 0 0 8 年，上海交通大学李新碗 等【3 0 j 提出了一种混合结构的缓存方案，如图1 1 0 。该方案以光纤环为基础，在 光纤环中嵌入传输线，一定程度上包含了循环和传输结构缓存器各自的优点，实 现了缓存时间的连续可调。但由于s o a 开关的切换速度较慢，经过多个s o a 开 关延迟积累，光缓存器的调节精度变差。此外，每个支路的插入损耗过大，需要 s o a 作损耗补偿，引入的a s e 噪声大。 豁 ，喾、淹 ，一舍、二娥p 函 锄 、， 、 ， 、 ：，：， 一 ：区： 一 图1 1 0 嵌入延迟线的反馈型全光缓存器 f i g 1 1 0t h el a y o u to fr e - c i r c u l a t i n gs t r u c t u r ee m b e d d e dw i t ht r a v e l i n g w a v ed e l a y ( 3 ) 基于光纤光栅型全光缓存器 光纤光栅也可以看作为“频域开关”，变换波长可以使其导通或者不通。文献 【3 1 】是利用光纤b r a g g 光栅对不同波长信号的选择性反射来实现缓存，而文献【3 2 】 则是通过利用高非线性光纤的非线性效应和啁啾b r a g g 光栅( c h i r p e df i b e rb r a g g g r a t i n g ) 的群速度色散实现缓存。基于光纤光栅的缓存器的读写控制是依靠连续 变化的波长变换器。此种结构缓存器基本上还是属于传输型，其优点是结构简单， 光纤的利用率提高了一倍；其最大的缺点是光栅不稳定，受外界影响比较大。 6 1 2 3多波长全光缓存器 上一节中所提到的全光缓存器都是对缓存数据包而言的，并没有实现对信号 波长的区分。在实际的w d m 网络中，信号的处理过程中需要实现对不同波长信 号的各自缓存和读出。目前由于全光缓存器发展还不够成熟，适用于不同波长各 自缓存的研究还不是很多，只有为数不多几篇文献【3 3 。3 6 】。最常用的办法还是先把 多波长信号解调成单波长信号，再利用全光缓存器对每个波长信号单独进行缓 存，系统过于庞大，器件利用率不高。 2 0 0 6 年，美国乔治亚理工大学a r s h a dc h o w d h u r y ，y o n g k e ey e o 等人对文 献 2 l 】中的多级树状传输延迟线结构的全光缓存器方案进行改进，如图1 1 1 ，通 过在系统中增加5 0 g h z 光学梳状分波器，成功实现了不同波长信号的特定延迟 1 3 3 j 。由于系统损耗较大，实验也只是做到了两阶两级，实现了4 个波长1 0 g b s 信号1 1 s 量级缓存。 图1 1 l 波长选择树状可控延迟线实验系统图 f i g 1 11e x p e r i m e n t a ls e tu po ft h ew a v e l e n g t h - s e l e c t i v er e c o n f i g u r a b l ed e l a yb u f f e r 2 0 0 8 年，美国加州大学戴维斯分校的研究人员提出一种具备波长选择性的 慢光型可调缓存器方案【3 4 】【3 5 1 ，如图1 1 2 所示。 图1 1 2 基于级联微环谐振滤波器的可调缓存器 f i g 1 12av a r i a b l eo p t i c a lb u f f e rb a s e do nc a s c a d e dm i c r o - r i n gr e s o n a t o rf i l t e r s 该方案基于级联微环谐振腔结构，一个微环谐振腔与母波导耦合就可以构成 7 j 量塞交通太堂亟堂僮i 金塞缝j 金 一级可调缓存器( v o b ：v a r i a b l eo p t i c a lb u f f e r ) ，每级v o b 能够实现对特定波 长的群时延。当多波长信号通过v o b 时，选定波长的信号与微环产生共振而其 他波长的信号则继续在母波导中传播。通过热光相移器改变v o b 的谐振频率从 而实现延迟时间的动态可调。 1 3 基于双环耦合的多波长缓存系统 2 0 0 5 年，基于3 3 平行排列耦合器的双环耦合全光环缓存器( d l o b ：d u a l 1 0 0 po p t i c a lb u f f e r ) 方案被提出，其结构如图1 1 3 所示p 7 3 州。该缓存器巧妙地利用 了3 3 平行排列耦合器的干涉特性，由光纤连接耦合器两侧的边端口形成o o 字型 光纤环，数据包的读写控制则是由放置于环中的半导体光放大器( s o a ) 这一非 线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进入耦合器的2 端口，它 在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时针方向传输。当同步 控制光脉冲不存在时，两束信号光绕行右侧环一周后返回耦合器二次干涉后将由 原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦合器w d m 引入光纤 环时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光间将会产生非线性相移。调 节控制光的功率使得该相移达到万时，信号光干涉后将会出现在1 、3 端口，此 后信号光将会一直在0 0 字型光纤环中绕行，这就是存储效应。当要读出数据时只 需再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。目前，利用级联d l o b 已经实现了单波长1 - 9 9 9 9 t 大动态范围的缓存，缓存的最小粒度达2 5 n s 【4 0 j ；以 d l o b 为核心器件的双波长信号也被提了出来【4 l 】。 图1 1 3 双环耦合全光缓存器 f i g 1 13c o n f i g u r a t i o no fd l o b 2 0 0 9 年，北京交通大学的田昌勇博士【4 2 1 提出了一种基于d l o b 的的多波长 缓存实验系统，如图1 1 4 所示。该系统能够实现多个波长随机信号的同时缓存， 在缓存系统扩容和o c d m a 波长编码领域有着广阔的应用前景【4 3 】。 8 图1 1 48 1 0 g b s 高速信号缓存实验设计图 f i g 1 1 4t h es e t u po f 8 1 0 g b sd a t ap a c k e t sb u f f e r e di nd l o b 8 个d f b 激光器发出波长分别为1 5 5 1 7 2 r i m ，1 5 5 2 5 2 n m ，1 5 5 3 3 3 n m ， 1 5 5 4 1 3 r i m ，1 5 5 5 7 5 r i m ，1 5 5 6 5 6 n m ，1 5 5 7 1 7 n m ，1 5 5 8 1 7 n m 的直流信号光。 为了使各信道输出的直流信号，在调制和缓存过程中，便于实现对偏振的调节， 达到最好的调制和缓存效果，在每个信道的直流光源的后面，添加了偏振控制器， 保证各信道可以独立的进行偏振调制，而不影响另外信道的偏振情况。 8 路信号经过波导阵列波导光栅( a w g ：a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 复用为 一路，复用后的信号进入外调制器进行强度调制，获得n r z 码。将调制后的信 号引入环行器l 端口，环行器的2 端口连接串联的反射型光纤布拉格光栅，光栅 的反射波长( 反射谱中心波长) 和信号源的8 个波长一一对应，不同波长的信号 获得不同的延迟，进而获得多波长叠加信号。 环行器出来的信号再经过s o a 光开关，被切成一组一组不连续的数据包。 最终数据包经环行器进入d l o b 环中，调节控制光和左右环的p c ，控制信号的 读出和写入。 田昌勇博士利用此结构成功实现了8 个波长1 0 g p s 信号5 圈5 2 5 u s 的缓存。 但本实验系统存在着若干严重制约系统性能的因素： 1 ) 信号的损耗问题：由于系统链路较长，损耗器件较多，信号功率损耗较大。 2 ) 级联结构光栅的不稳定性问题：为了获得多波长叠加信号，本系统中用到了 级联结构的光纤b r a g g 光栅。此级联b r a g g 光栅结构只需要一个外调制器就能获 得近似的多波长的随机叠加信号，而且结构简单，使用方便，但同时此结构的缺 点也是明显的。 首先是损耗问题，级联结构损耗是累加的，而且是两次累加，因为这里信号 是往返的；不同的波长损耗不一致，还会造成多波长信号的功率不均衡。 9 分析了s o a 的噪声特性；分析了s o a 光开关对多波长信号的功率均衡作用。 第三章主要是针对多波长信号缓存系统功率调节技术的研究，包括用于损耗 补偿e d f a 的增益和噪声控制技术以及光纤光栅的反射波长调节技术等。 第四章主要是利用重新搭建的多波长信号缓存系统，进行了8 x 2 5 g b p s 信号 的缓存实验研究，包括信号的写入，环长的测量和信号的读出等。本章还对影响 多波长信号缓存系统工作性能的因素作了简要分析。 第五章是总结了本文的工作，并指出了以后的研究方向。 1 0 2s o a 多波长放大性能研究 2 1引言 半导体光放大器( s o a ) 在光纤通信系统中有着广泛的应用，它可以作为光 发送机的功率放大器，光纤系统的在线中继放大器，光接收机的前置放大器和光 分路补偿功率放大器。同时s o a 具备良好的非线性特性如交叉增益调制( x g m ： c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ) 、交叉相位调制( x p m ：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 及四波混频 ( f w m ：f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g ) 等，成为全光信号处理的关键器件3 1 。 s o a 是双环耦合多波长信号缓存系统的核心器件，本章对s o a 中多波长信号 增益特性和噪声特性作了详细研究，并从实验和理论上分析了s o a 光开关对多波 长叠加信号的功率均衡作用。 2 2s o a 多波长放大特性 2 2 1s o a 增益饱和特性 s o a 在放大连续波或脉宽t 的光脉冲时，忽略吸收损耗和a s e 噪声，增益g 由下面公式决定【跚 g = g oe x p t - ( g 一1 ) 导】 ( 2 1 ) 或者 = g o p i e x p 晦_ 1 ) 手】 ( 2 2 ) 式中g 。为小信号增益倍数，匕为局部饱和功率。由以上公式可以看出，大 信号增益g 随着输出功率的增大而降低，这就是s o a 的增益饱和效应。从本质上 说，增益饱和现象就是载流子完全耗尽的现象。 图2 1 是实测的s o a 增益饱和曲线，图中s o a 的工作电流分别为1 2 0 m a 和 1 6 0 m a ，输入信号波长为1 5 5 3 3 3 n m 。从图中可以明显看出，随着输入功率的增加， s o a 输出功率变的平缓，信号增益降低。信号的增益同时受s o a 工作电流影响， 工作电流越大，增益越大。 p i n ，u w 图2 1 实测s o a 增益饱和曲线 f i g 2 1m e a s u r e ds o ag a i ns a t u r a t i o nc u r v e 2 2 2 s o a 中多波长交叉增益调制 由于s o a 的增益饱和特性的存在，当s o a 放大多波长信号时，一个波长的 信号增益随其他波长信号的比特图样和功率大小的变化而变化，即交叉增益调制。 交叉增益调制会引起多波长信号间串扰，从而导致信号质量降低，误码率增加【5 5 j 。 以双波长信号为例，信号的增益可以表示为： p p e o = g 0 匕e x p - ( 等- 一1 ) 】 ( 2 2 ) i 饥r 赋 其中匕= 匕( ) + 己( 如) ，匕( ) 和匕( 五) 分别为两个波长的输入功率， g , o 脚= 圪= 乙【圪( 丑) + 己( 五) 】。假定两个波长离得比较近，它们的放大倍数 相同于是可以求出每一个波长的输出功率。 ( ) = g 。删名( ) ( 2 3 ) ( 如) = g 删圪( 如) ( 2 4 ) 从以上各式可以看出，信号增益g o 由五和五输入功率之和共同决定，五的 输入功率和码型会直接影响到元的增益。 图2 2 是实测的双波长信号在s o a 中的交叉增益调制曲线，s o a 工作电流为 1 8 0 m a ，波长五= 1 5 5 7 3 6 n m ，乞= 1 5 5 8 1 7 n m 。图中五的输入功率圪( a ) 保持 5 0 0 u w 恒定， 五的输入功率圪( 五) 逐渐增大。由图可以明显看出，五的输出功 率随着如的输入功率增大而减小。当圪( 五) = 最( 五) = 5 0 0 u w 时，测得g ( 五) = 3 1 ， g ( 五) = 3 0 ，两个波长放大倍数基本相同，可见s o a 对于两个波长接近的信号增 益基本相同。 1 2 s o 1 3 吃( 乃) u g 图2 4s o a 工作电流1 8 0 m a 时三波长信号交叉增益调制曲线 f i g 2 4t h et r i p l ew a v e l e n g t hs i g n a l sx g m i ns o au n d e rad r i v ec u r r e n t18 0 m a 比较图2 2 和图2 4 可以看出，在引入另一个5 0 0 u w 恒定的直流光的情况下， 元信号的变化范围明显减小，这也说明在s o a 中引入直流光能够有效地抑制交叉 增益调制引起的信号串扰。 多波长信号在s o a 中的交叉增益调制会引起信道间的串扰，而且在一定范围 内与信道间隔大小无关。由于串扰，一个信道的信号增益随其他信道信号的比特 图样和功率大小而变，将产生随机涨落，降低了每个信道的信噪比。在进行多波 长信号缓存实验时，应当采用大功率控制光，以降低多