（信号与信息处理专业论文）基于soa全光波长转换和分组头提取与重写技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 光纤通信技术以其超大容量和超长传输距离成为现代通信网络的基础。光通 信网络中单个信道的比特率不断提高，同时信道数目也在不断增加，这就要求光 交换技术从光电光交换向全光交换转变。而全光信号处理技术，如波长转换、时 钟同步以及分组头提取与重写等将是全光交换技术的基础。 半导体光放大器( s o a ) 是全光信号处理技术的主要功能器件，它具有体积小、 功耗低、非线性系数高、易集成等优点。本论文研究基于s o a 非线性特性的全光 波长转换技术和分组头提取与重写技术。论文主要工作包括以下三个方面： 首先，第二章对s o a 的结构及基本特性进行分析。包括s o a 中几种重要的 非线性效应、基于s o a 的载流子速率方程、光脉冲传输方程，建立s o a 在全光 信号处理技术应用中的理论模型。 其次，论文第三章研究基于s o a 的全光波长转换技术。 1 、根据s o a 的交叉相位调制原理和m z i 相位干涉原理，论文研究一种新的 基于s o a m z i 单臂调制全光波长转换方案，并显示分组速率为4 0 g b i t s 时的仿真 和参数分析结果。分别从方案结构、原理及必要性三个方面与基于s o a x p m 的 全光波长转换方案进行对比分析，在考虑和不考虑啁啾因子时，该方案转换消光 比都比原方案有所提高。 2 、针对基于x p m 型波长转换输入动态范围小的缺点进行改进，充分利用s o a 的x g m 特性和x p m 特性实现了x p m 型波长转换输入动态范围的扩大。 最后，论文第四章则对基于s o a 的全光分组头提取与重写技术展开深入研究。 1 、针对s o a m z i 型分组头提取方案对比度不理想、结构复杂且不适用于高 速o p s 网络的缺点，论文研究一种新颖的基于单个s o a 嵌套m z i 的全光分组头 提取方案并给出了分组速率为l o o g b i t s 时，方案的仿真结果及参数分析，提取出 的分组头对比度较s o a m z i 方案有约4 d b 提高，同时降低了方案对输入脉冲能量 的要求，优化参数可使方案性能达到最佳。 2 、此外，由于网络接收端需要对更新后的分组头重新插入到分组中，因此利 用4 2 节所提分组头提取方案与s o a - m z i 异或门结构所组成的分组头与净荷分离 结构与3 2 节所提波长转换结构相结合实现对新分组头的重新插入，并给出了分组 速率为4 0 g b i t s 时的仿真结果及参数分析，克服光电光转换带来的电子瓶颈问 题，更适合未来高速的o p s 网络。 关键词：全光信号处理；全光波长转换：分组头提取与重写；半导体光放大器( s o a ) 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sa d v a n t a g e so fu l t r a - h i g hc a p a c i t ya n du l t r a - l o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ， o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h eb a s i so ft h ep r e s e n t d a yc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s a st h eb i tr a t eo fo n ew a v e l e n g t hc h a n n e la n dt h en u m b e ro fc h a n n e l s c o n t i n u ei n c r e a s i n gi nt h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，s w i t c h i n gi se x p e r i e n c i n gt h e t r a n s i t i o nf r o mt h ee l e c t r i c a ld o m a i nt ot h eo p t i c a ld o m a i n a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， i n c l u d i n gw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y ,a l l - o p t i c a ls e l f - s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g y , t h ep a c k e th e a d e re x t r a c t i o na n dr e w r i t i n gt e c h n o l o g y , e t c ，i st h eb a s i so f a l l o p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s 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 ) i st h em o s tp r o s p e c t i v ec a n d i d a t et o a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，d u et oi t sa d v a n t a g e so fs m a l ld i m e n s i o n ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hn o n l i n e a r i t y , l o wc o s t ，a n dt h ep o s s i b i l i t yo fi n t e g r a t i o n ，n l i s p a p e ra i m st oa n a l y z ea l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , p a c k e th e a d e r e x t r a c t i o na n dr e w r i t i n gt e c h n o l o g i e sw h i c ha r eb a s e do nt h en o n l i n e a r i t yo fs o a t h e m a i n w o r k si n c l u d e di nt h i sp a p e ra r et h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： f i r s to fa l l ，s o as t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo fs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r e b r i e f l ya n a l y z e di nt h es e c o n dc h a p t e r , f o c u s i n go nt h ek i n d so ft h es o an o n l i n e a r e f f e c t s ；b a s e do nt h ec a r d e rr a t ee q u a t i o no fs o aa n dt r a v e l i n g - w a v ee q u a t i o n ，s o a t h e o r e t i c a lm o d e lf o ra l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e si se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h e “r dc h a p t e rf o c u s e s o nt h ea l l - o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n t e c h n o l o g yb a s e do ns o a 1 a c c o r d i n gt o t h es 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 rc r o s s - p h a s em o d u l a t i o n p r i n c i p l ea n dp h a s ei n t e r f e r e rp r i n c i p l eo fm z i ；t h en o v e ls c h e m eo fa l l o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns i n g l ea l l t lm o d u l a t i o no fs o a - m z ii ss t u d i e di nt h i s p a p e r s i m u l a t i o na n dp a r a m e t e ra n a l y s i sr e s u l t sa r eg i v e nw h e np a c k e tr a t ei s4 0 g b i t s c o m p a r a t i v es t u d i e sa l em a d ew i t ht h es o a x p ms c h e m e ，f o c u s i n go nt h es t r u c t u r e ， p r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c e t r o u g hp a r a m e t e r sa n a l y s i s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e e x t i n c t i o nr a t i ow a si m p r o v e db a s e do ni g n o r i n go rc o n s i d e r i n gt h e c h i r pf a c t o rc c o m p a r e dw i t ht h es o a - x p ms c h e m e 2 t h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns o a - x p mh a st h ed e f e c to fs m a l li n p u t d y n a m i cr a n g e ，s ot h ex g m a n dx p mc h a r a c t e r i s t i c so fs o aw e r eu s e dt oe x t e n di n p u t d y n a m i cr a n g e i i 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t l a s t l y , a l l o p t i c a lh e a d e re x t r a c t i o na n dr e w r i t i n gt e c h n o l o g i e sb a s e do ns o aa r e s t u d i e df u r t h e ri nc h a p t e rf o u r 1 d u et ot h ep r o b l e m so fl o wc o n t r a s tr a t i o ，h i g hc o m p l e x i t y , n o n - s u i t a b l ef o r h i 曲- s p e e do p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k st h a te x i s t e di ns o a - m z i ，s oan o v e lp a c k e t h e a d e re x t r a c t i o nb a s e do ns i n g l es o a i n t e g r a t e dm z i i sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t s a le g i v e nw h e np a c k e tr a t ei s10 0 g b i t s ，i nt h ep r e m i s eo ft h es a m es o ap a r a m e t e r s ，t h e c o n t r a s tr a t i oo fs o ai n t e g r a t e dm z is c h e m eh a s4 d bi n c r e a s i n gt h a nt h eo r i g i n a l s c h e m e s ，m e a n w h i l e ，i n d u c i n gt h ei n p u ts i g n a le n e r g y t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r e a c h i e v e dt og e tb e a e rp e r f o r m a n c e 2 m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h er e n e w i n gp a c k e th e a d e rm u s tb ei n s e r t e di nt h ef r o m o fp a c k e ti nt h ee n d ，s ot h eo p t i c a lp a c k e th e a d e ra n dp a y l o a ds e p a r a t i o nb a s e do n s o a - m z ia n dt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do ns o a i n t e g r a t e dm z lw e r eu s e dt o i n s e r tt h er e n e w i n gp a c k e th e a d e r s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nw h e np a c k e tr a t ei s 4 0 g b i t s ，t h ee l e c t r o n i cb o t t l e n e c kt h a te x i s t e di nt h et r a n s i t i o nf r o mt h ee l e c t r i e a l d o m a i nt ot h eo p t i c a ld o m a i nw a ss o l v e d i ti sm o r cs u i t a b l ef o rh i g h s p e e do p t i c a l s w i t c h i n gn e t w o r k s k e yw o r d s ：a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ，p a c k e t h e a d e re x t r a c t i o na n dr e w r i t i n g ，s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先对课题的研究背景及选题意义进行了简单的介绍，然后引入全光分 组交换网及主要全光信号处理技术，讨论了全光波长转换和分组头提取与重写技 术在交换网中的重要地位，并分析了其研究现状和发展前景，最后，简要介绍本 论文的主要工作。 1 1 课题研究背景与选题意义 随着互联网通信业务的不断增加，网络通信业务从单一语音业务转向以m 数 据业务为主，它的快速增长使得系统所需带宽呈数量级形式增长，因此如何增加 系统带宽，以满足不断增加的业务需求成为近年来业界关心的焦点。w d m 及密集 波分复用技术增大了数据传输容量，已使得光通信由过去的点到点链路发展到今 天的基于波长交换的光网络。先进的光传输技术给我们带来了巨大的带宽资源， 但同时也对通信网中交换节点的处理能力提出了新的要求。 为了进一步发挥w d m 传输技术在光通信中的优势，满足层出不穷的业务对 带宽和速率的需求，解决传统光电光交换带来的电子瓶颈问题，因此发展光交换 技术势在必行。所谓光交换是指不经过光电光的转换，而在光域内直接将输入信 号交换到不同的输出端口。 目前，光网络中的交换技术主要有三种：光路交换【1 1 ( o c s ：o p t i c a lc i r e u i t s w i t c h i n g ) ，光分组交换【冽( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，光突发交换【4 1 ( o b s ： o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。 1 2 全光分组交换网与全光信号处理技术 1 2 1 全光分组交换网 光分组交换网( o p s ) 的基本思想是在电网络层和d w d m 传送层上再叠加一个 适配层，即光分组交换层【5 6 】，从而将支配光网络的能力从一个波长细化到一个光 分组。这样就可以实现带宽资源共享，实施动态灵活的资源分配机制，从而解决 网络节点的电子瓶颈。 图1 1 为光分组交换网的结构简图。o p s 网络的基本功能包括：光分组路由、 光分组的竞争解决、光分组同步【7 】、光分组头的提取与处理1 8 , 9 】等。根据这些功能 将o p s 网络从平面上划分为边缘节点、核心节点和接入网【l o 】，边缘节点的作用是 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 完成链路的建立、将数据业务打包并装入净荷、产生分组、流量整形、光信号再 生等：核心节点完成分组的交换、分组头提取、分组头的更新、竞争解决及光分 组的再生等功能。其中交换在光域内完成，分组头的处理和控制可以经过光电光 转换完成，也可以直接在光域中完成。 图1 i 光分组交换网网络结构 光分组交换技术是分组交换技术在光层上的渗透和延伸，它以光分组的形式 承载业务数据，数据的传输与交换在光域中进行，而光网络节点的路由和控制功 能在光域或者电域中完成【1 1 1 ，由于光分组交换对全光器件的性能要求比较高，而 目前的全光逻辑器件的功能还比较简单，不能完成控制所需的复杂处理功能，因 此现存的光分组交换单元大多还由电信号来控制，即所谓的电控光交换，随着近 年来全光逻辑器件的不断发展，其最终的发展趋势是光控光交换。因此，全光分 组交换网是光通信网络未来发展的方向。 光分组交换网具有以下优势： ( 1 ) 共享带宽资源，每个波长通路可以同时承载多个光分组通道，实现统计复 用，灵活快速把空闲带宽资源分配给所需的业务，网络资源利用率高： ( 2 ) 光分组交换网中的交换粒度可以实现多样化，易于实现多样化终端业务接 入，且便于实施流量控制管理； ( 3 ) 光分组交换网直接在光域中完成分组的打包、复用、传送以及交换，若能 实现高速甚至超高速的全光波长转换以及分组头处理，则可彻底解决传输波长变 换不透明以及节点处的电子瓶颈问题； ( 4 ) 光分组网具有较高的灵活性，可以提供面向连接( 采用广义多协议标签 g m p l s ) t 1 2 1 3 】和无连接的服务( m 寻址) ： ( 5 ) 根据数据业务突发性较大特点，光分组网可以将多个突发分组一并进行路 由控制，即突发交换( o b s ) 4 j 机制。因此它适应承载突发性大且分布非对称的突发 数据业务； ( 6 ) 光分组网对数据速率、格式以及高层协议透明，从而使得信令、计费和网 管比较简单，有利于降低运营成本，而且具有较好的可扩展性： 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 由于光分组网具有以上优点，因此可以肯定光分组网是未来光网络中承载话 音和数据等多种业务的理想平台。 1 2 2 全光信号处理技术 全光信号处理是实现全光分组交换网的关键所在。全光信号处理是利用全光 的方法对光信号进行处理，包括功率放大、光束变换、信息提取、信息运算等， 其特点是用光来控制光，避免光电光转换，对光载波上携带的信息进行处理，通 常用光学方法对另一个光信号的振幅、相位或频谱信息进行变换和控制。目前涉 及的关键技术有全光波长转换、全光分组头提取、全光3 r 再生、全光逻辑、全光 缓存、全光采样、全光解复用光分插复用、全光时域信号空域信号转换、全光模 拟信号数字信号转换、全光o t d m 信号d w d m 信号转换等。 在众多的全光信号处理技术中，全光波长转换、全光分组头提取、全光3 r 再 生、全光逻辑和全光缓存都是基础性技术【”】，全光波长转换能解决分组数据在波 长域的竞争和阻塞，全光分组头提取能实现分组头与净荷的分离，减少净荷等待 时间，提高节点的处理速率。全光3 r 再生涉及到码型转换、全光时钟恢复和光判 决三个方面的技术。全光缓存则是解决分组存储和分组竞争的最关键技术。 实现全光信号处理技术的种类繁多，但本质上都是利用一些非线性光学器件 的某些非线性效应来实现全光信号处理的功能。原则上，大部分绝缘材料都能产 生非线性光学效应，而实际的全光信号处理系统意在应用于光通信网络，因此常 用的非线性器件主要有高非线性光纤、半导体材料，如i n g a a s p 或者g a a s ，具有 代表性的器件是s o a ，固体晶体和一些其他常用的非线性器件，如光纤布拉格光 栅( f b g ) 、饱和吸收体等。 全光逻辑器件在光交换节点的大多数功能单元中都起着至关重要的作用，分 组头处理、净荷定位、时钟提取、信号再生、光分组自路由等节点功能都要依靠 逻辑器件来实现【l6 ，1 7 】，全光逻辑器件技术已成为决定光分组交换网发展的关键因素 之一。 早期的全光逻辑器件实现方案主要利用光纤中的k e n 效应【1 8 】，后来由于半导 体光放大器( s o a ) 具有很强的非线性特性以及功耗低、易于集成等优点，人们的研 究兴趣就逐渐转向对半导体光放大器中各种非线性特性的利用【1 9 ，2 0 1 。国内众多研 究机构从事这方面的研究，诸如北京邮电大学的光纤通信重点实验室及重庆邮电 大学一些涉足这个领域的专家和实验室。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 基于s o a 的全光信号处理技术研究 由于半导体光放大器超强的非线性特性，因此它在全光信号处理中得到重大 应用。主要利用s o a 的交叉增益调制( x g m ) 效应、交叉相位调制( x p m ) 效应、自 相位调制( s p m ) 效应、交叉偏振调带i ( x p o l m ) 效应和四波混频调制( f w m ) 效应等 【2 1 2 2 1 。本节将介绍论文所要研究的s o a 在波长转换以及分组头处理中的应用。 1 3 1 波长转换技术 全光波长转换是全光网络核心技术之一，是解决波长竞争的主要方法，它充 分利用空闲波长信道，达到解决竞争的目的，实现空闲资源再利用，降低网络成 本。目前波长转换器有多种结构。对于比较成熟的光电光( o e o ) 波长转换技 术，虽然在功率、信号再生、波长和偏振敏感性方面性能优良，但它对不同的传 输代码格式和比特率不透1 碉 2 3 , 2 4 。因此实现高速、宽波长转换、低能耗工作的全 光波长转换器是目前研究的重点。 l 、基于x g m 效应的波长转换 当一束连续的弱探测光和带有调制信息的强信号光耦合进s o a 中时，强信号 光在被放大的同时将引起s o a 内部载流子消耗，从而引起增益随输入光功率增大 而减小的现象，即增益饱和，如图1 2 所示。出现增益饱和后，增益会出现与输入 信号光调制相反的方向，呈反向调制的增益又对连续的探测光进行调制，这就是 x g m 效应。图1 3 描述了基于x g m 效应的波长转换装置图。该方案具有结构简 单、输出效率高、波长动态范围大等优点，同时也存在一些缺点：( 1 ) 即使输入信 号的消光比无穷大，输出信号的消光比也是有限的，因此输出消光比不理想【2 5 】； ( 2 ) 由于s o a 有源层载流子浓度变化会引起探测光信号较大的频率啁啾，增加了 色散对传输系统的影响；( 3 ) 由于s o a 中x g m 效应依赖于s o a 中载流子寿命， 因此受载流子寿命的限制。 ：熠 磐 l l 一 l 厂_ j i 0 一 注入光功率 图1 2s o a 中增益饱和特性 4 探测光k 图1 3 基于x g m 效应的波长转换装置图 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在1 9 9 3 年，贝尔实验室实现了1 0 g b i 讹速率的x g m 型波长转换【2 6 1 ，随后1 9 9 6 年丹麦的d a n i e l s e n 和j o e r g e n s e n 等人将转换速率提高到4 0 g b w s ，到1 9 9 8 年英国 的e l l i s s a d 等用光纤光栅和2 m m 长的s o a 相结合实现1 0 0 g b i f f s 的波长转换【2 7 】， 此后，x g m 型波长转换的实现方案不断改进，除了追求更高的调制速率外，考虑 更多的是如何提高波长转换输出性能，即输出信号消光比。比较常用的方法是在 传统的x g m 型波长转换器基础上增加某些特殊功能器件，提高某些性能指标。 2 、基于x p m 效应的波长转换 调制的泵浦光和探测光同时耦合进s o a 中，泵浦光使得s o a 有源区载流子 浓度改变，从而引起s o a 中有效折射率改变，而折射率的改变会引起探测光信号 相位改变，通过干涉仪再将相位改变转换为光强的改变，从而实现波长转换的目 的，如图1 4 所示。常用的干涉仪结构主要有太赫兹光学非对称解复用器( t o a d ) 、 基于s o a 的光纤环镜( s o a l m ) 、超快非线性干涉仪( u n 0 、基于s o a 的马赫曾 德尔干涉仪或者迈克尔逊干涉仪( m z i m 0 和延时干涉仪( d o 等。该方案具有啁啾 小、能实现同相和反相转换、输出消光比高、输出光信噪比高和偏振无关等优点， 同时也存在实现条件比较苛刻、输入动态功率范围小的缺点。 图1 4 基于x p m 效应的波长转换装置图 贝尔实验室的j l e u t h o l d 等报道了输入功率为1 4 d b m ，转换速率为1 0 g b w s 的r z 信号的波长转换【2 引，为了提高x p m 型波长转换器的输入功率动态范围，丹 麦技术大学的s l d a n i e l s e n 等利用功率均衡的办法提高输入功率动态范吲2 9 1 。 3 、基于f w m 效应的波长转换 基于f w m 的波长转换主要是利用s o a 的三阶非线性效应。其经典描述为： 两束光在s o a 中形成增益光栅和相位光栅，两个信号光分别被折射率光栅散射后 产生一个新的频率为九。= 2 x 。2 k l 的光，称之为共轭光，产生另一个频率为九。谢= 2 九。i - k 的光，称之为卫星波。图1 5 给出了s o a 中f w m 效应的输出频谱示意图。 图1 6 为f w m 型全光波长转换示意图，其优点是对调制格式和调制速率都严格透 明，结构简单，其最大的缺点是转换效率低，且自发辐射噪声大，导致信噪比下 降【3 0 1 ，对输入功率要求相当大，对激光器的单纵模特性要求很高。 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 谱 栅。l 吐。 频率( ) 图1 5f w m 频率示意图 泵浦帆 图1 6f w m 型波长转换装置图 4 、基于x p o l m 效应的波长转换 此种波长转换是利用输入到s o a 信号光功率的变换引起探测光的偏振态发生 改变，所以探测光的偏振态会受到输入信号光的调制，即发生x p o l m 效应。其优 点是仅需要一个s o a 器件，因此容易集成，适合n r z 和r z 信号格式。其缺点是 由于具有偏振相关特性因此系统不稳定，消光比不高。图1 7 为x p o i m 效应的波 长转换方案。 图1 7 基于x p o l m 效应的波长转换示意图 1 3 2 分组头处理技术 通常光分组由分组头和净荷两部分组成，当光分组到达交换节点时，分组处 理模块首先将信头与净荷分离，其中信头被送到信头处理模块，而净荷则被送到 交换模块。信头处理模块进行信头识别，提取其中路由信息，再由路由器进行路 由计算，指出光分组应该到达下一跳节点，进而控制交换矩阵完成相应交叉连接 配置。与此同时，还要为光分组生成新信头，并且判断输出端口是否会产生分组 冲突，决定光分组是否需要缓存。要想实现所有操作全光化，可集成、可级联的 全光逻辑器件阵列必不可少。虽然目前很多科研机构都在从事全光逻辑器件研究， 但是这些器件都停留在实验阶段，很难实现商用。同时，为能够对光分组信头进 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 行快速提取和处理，人们提出了一些方案来完成光分组信头提取。例如光负载波 技术，时隙间插技术和正交调制技术等。但这些技术多用于同步光分组交换网络， 净荷与信头间要保持严格同步，这在实际的光网络中将很难达到，而且净荷与信 头消光比也很难达到一个高水平，即在接收端，信头与净荷不能有效分离【3 1 ，3 2 1 。 由于在光分组交换网络中，信头中数据量并不是很大，它的速率可以比负荷 小，可以在电域对信头进行处理。信头可以用比负荷低的速率来调制并加载在负 荷的前面，在交换节点处，光分组中的信头在信头提取装置的作用下被分离出来 后，作进一步处理，进而实现路由和交换的控制。同时，当前节点产生一个新信 头替代原信头，在接收端需要把更新后的分组头重新插入到分组中，即分组头重 写。现存的分组头重写主要是利用光电光的转换来实现。负荷在传输过程中， 并不作光电转换，始终能保持透明传输。目前著名k e o p 和d a r p a 等研究项目就 是基于这样思路来实现信头处理。 在光域实现光分组头的处理可以提高信息交换速率和网络吞吐量，减少净荷 的等待时间及对缓存的需要，对全光网络的研究和实现具有重要意义。全光分组 头的处理技术可以减少净荷在节点处的等待时间，提高网络的吞吐率和信息交换 的速率。因而被视为解决交换节点处的“o e o 转换所带来的电子瓶颈的一种非 常有效的方法，对全光网络的实现具有现实意义【3 3 ，3 4 1 。 由于半导体光放大器( s o a ) 具有非线性特性强，功耗低，易集成的特点， 成为近年来人们研究的热点。s o a 也被誉为下一代光网络的“晶体管 ，由于其良 好的非线性特性，因此成为全光网络中研究的重要器件，尤其是在全光波长转换 和全光信头处理中的应用。 1 、基于交叉增益调制( x g m ) 的分组头提取方案 本方案适用于分组头与净荷脉冲不同速率的情况，一般要求分组头速率远远 小于净荷脉冲速率。输入光信号分为信号光和探测光两部分，信号光引起s o a 内 部增益变化，探测光探测到s o a 内部增益变化，由于分组头脉冲的比特间隔远远 大于净荷脉冲比特间隔，在s o a 有限载流子寿命时间内，使得s o a 内部增益在 分组头脉冲持续时间内得到充分恢复，而在净荷脉冲间隔时间内，使得s o a 内部 增益几乎不能恢复，因此探测光中分组头脉冲被放大而净荷脉冲被抑制实现分组 头提取。图1 8 为基于x g m 效应的分组头提取结构图【3 5 】。 图1 8 基于x g m 效应的分组头提取方案示意图 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 此方案的优点是能实现分组头提取，结构简单，缺点是对输入光信号能量要 求高，输入分组头与净荷速率低且不能实现分组头与净荷相同速率下分组头提取， 输出信号对比度低，不适合高速光网络。 2 、基于自相位调制原理( s p m ) 和延迟干涉仪的分组头提取方案 本方案要求分组头速率远远小于净荷脉冲的速率，光脉冲进入s o a 中，使得 s o a 内部增益迅速达到饱和，由于分组头比特间隔大，因此s o a 增益能恢复到一 个较高水平，使得分组头中每个脉冲都可以获得较大的增益而被放大，净荷脉冲 比特间隔小，s o a 内部增益还来不及恢复，而后面脉冲又紧随着进入s o a 中，s o a 内部增益始终处于一个相对较低的水平，使得净荷脉冲获得的增益很小而被抑制。 在s o a 中，大的增益伴随大的相移。d i 上下臂的光信号在2 2 耦合器中相遇，两 路脉冲之间产生较大的相位差，它们在2 2 耦合器干涉加强，输出脉冲能量也得 到加强。而对净荷脉冲，在2 2 耦合器中相遇时，会干涉相消，输出能量受到抑 制，从而实现分组头提取。图1 9 为基于s o a - d i 的分组头提取方案示意图【3 6 】。 图1 9 基于s o a d i 的分组头提取方案示意图 该方案的优点是结构简单，利用s o a 的s p m 原理及干涉仪实现分组头的提 取，对输入信号能量要求有所降低；缺点是输入分组信号速率仍然低，输出信号 对比度不高，不适合高速光网络。 3 、基于t o a d 的分组头提取方案 本方案是利用s o a 的交叉相位调制原理( m ) 来实现分组头提取，如图1 。1 0 所示【3 7 】。输入光信号脉冲分为正反两束光信号，其中一束光经过光纤延迟线后进 入s o a 中引起内部载流子浓度变化，由于分组头脉冲持续时间比s o a 内部载流 子寿命长，因此s o a 在输入信号为分组头信号时能恢复到一个很高水平，相反， 由于输入脉冲的净荷持续时间小于s o a 内部载流子寿命，s o a 增益恢复很小，两 束光脉冲在经过s o a 后产生的相位差为，因此通过耦合器后，在输出端得到干 涉增强脉冲。从耦合器c 1 中输出为放大的光分组头脉冲和被抑制的净荷脉冲，从 而实现分组头提取。 8 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 图1 1 0 基于t o a d 的分组头提取方案示意图 该方案优点是利用s o a 的x p m 原理实现分组头提取，输入光信号能量要求 低，输出信号对比度有所提高；缺点是输入光信号速率低，结构复杂，不适合高 速光网络。 4 、基于s o a m z i ( 马赫曾德尔干涉仪) 的分组头提取方案 本方案利用s o a 的交叉增益( x g m ) 和交叉相位调制原理( ? m ) 结合m z i 的相 位干涉原理实现分组头的提取。包括对称和非对称两种结构。即两个s o a 分别放 在m z i 上下两臂对称和非对称的位置，其结构如图1 1 l 和1 1 2 所示【3 8 ，3 9 1 。 破 图1 1 1 基于s o a - m z i 对称的分组头提取方案 图l 。1 2 基于s o a - m z i 非对称的分组头提取方案 输入的光信号分为四部分分别进入m z i 上下两臂的s o a 中，引起s o a 中内 部增益和相位的变化，再利用m z i 干涉仪的干涉原理将相位差转变为幅值差，实 现分组头的提取。从图中可以看出基于非对称的分组头提取方案结构比对称结构 的分组头提取方案简单，减少了对s o a 精度的要求，该方案对输入信号能量要求 低，输入分组信号速率高，输出分组信号对比度相对较高，适合高速光网络，但 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 其结构复杂有待改进。 1 4 论文的主要工作及内容安排 本论文对全光波长转换技术及分组头提取与重写技术展开深入研究。在对 s o a 进行数学建模的基础上，改进现有的全光波长转换和分组头提取与重写方案， 章节安排如下： 第一章，回顾光网络的发展，主要介绍o p s 网络中几个重要的全光信号处理 技术，论文的主要工作内容和章节安排。 第二章，介绍半导体光放大器的工作原理、描述半导体光放大器基本特性及 几个重要参数；描述与论文息息相关的s o a 动态特性、分析s o a 在全光波长转 换以及分组头处理技术中应用的理论模型和s o a 重要的非线性特性。 第三章，针对波长转换能有效解决光分组在传输中所遇竞争问题，改进现有 的基于s o a x p m 波长转换方案。首先对方案的工作原理进行了仔细的分析与描 述，并建立仿真分析的数学模型，采用高斯调制、r z 格式的光分组脉冲对改进方 案进行了模拟和仿真研究。论文给出了光分组速率为4 0 g b i t s 时的仿真结果，分 别讨论了s o a 内部参数及输入信号参数对方案性能影响及与原方案性能对比情 况，进一步证明方案改进的价值。接着研究基于s o a x g m 与s o a - m z i 级联的全 光波长转换方案，用于改进基于s o a x p m 的交叉相位调制波长转换中输入功率 动态范围小的缺点，证明理论分析与仿真的一致性。 第四章，本章首先研究基于s o a - m z i 的全光分组头提取方案。对该方案的工 作原理进行了具体的分析与描述，改进现有方案，利用串行编码格式、高斯调制 的r z 光分组脉冲对改进方案进行仿真模拟和分析，论文给出了光分组速率为 1 0 0 g b i t s 时的仿真结果。分别讨论了s o a 参数及输入信号参数对方案性能影响及 与原方案的性能对比情况，进一步证明改进方案的价值。接着研究基于s o a m z i 全光分组头重写方案，由于受波长转换速率的限制，因此在本方案中只给出分组 速率为4 0 g b i t s 的仿真及结果，证明方案的可行性。 第五章，总结全文及未来工作展望。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章s o a 在全光网络中应用的理论基础 第二章s o a 在全光网络中应用的理论基础 2 1s o a 研究现状及发展趋势 半导体光放大器( s o a ) 的研究始于二十世纪六十年代，在光通信中，其应用主 要是利用s o a 的线性放大和非线性放大原理来实现。s o a 线性放大主要包括s o a 饱和增益、噪声和饱和输出功率。近年来，随着光通信技术的不断发展，基于s o a 非线性特性的应用得到广泛研究。其研究集中在全光波长转换、全光3 r 再生、全 光分组头处理、全光缓存以及全光逻辑门。半导体光放大器( s o a ) 具有非线性特性 强、体积小、直接电流泵浦、功耗低和易集成等优点，被誉为下一代光晶体管， 因此，近年来s o a 已经成为处理高速光信号的关键器件。 s o a 的线性特性是指s o a 工作在放大区即未饱和状态，而非线性特性是指 s o a 工作在饱和区。本章主要介绍半导体光放大器结构、基本工作原理以及常用 的s o a 几种特性和重要参数。通过本章的分析，为以后s o a 在全光信号处理中 的应用奠定基础。 2 2 半导体光放大器结构及工作原理 半导体光放大器在结构上与半导体激光器相类似，图2 1 为半导体光放大器的 结构示意图m 】，由有源区和无源区构成，其中间部分是有载流子存在的有源区， 使用i n p 半导体材料制作，有源区为增益区，与半导体激光器不同之处是s o a 在 两端面镀了增透膜和抗反射涂层，以减小光反馈导致的增益压缩、噪声增强和半 导体材料与空气分界面上的菲涅尔反射。该器件以施加于p n 结上的电流作为泵 浦源，使输入光信号在有源区经历传输而被放大。有源介质根据不同的波段应用 而选择，一般1 5 5 9 m 波段为i n c r a a s p 材料，对于双异质结构半导体光放大器，有 源区通常是具有较高折射率和较窄带隙的半导体材料，周围是具有较低折射率的 宽带隙材料。 严 i n p。” 图2 1 半导体光放大器结构示意图 l l 输 h 重庆邮电大学硕士论文第二章s o a 在全光网络中应用的理论基础 其工作原理主要是基于p - n 两边载流子密度差引起载流子扩散运动所致。具 体过程为：由于p - n 结两边载流子密度差，引起多数载流子做扩散运动，p 型半导 体空穴向n 区扩散，留下带负电的电子，在界面上形成一个带负电的电荷区。类 似，n 型半导体电子向p 区扩散，在界面上形成一个带正电的电荷区。这样运动 形成一个由n 区指向p 区的内建电场，但是内建电场会使p 区的电子向n 区漂移， n 区空穴向p 区漂移，漂移运动和扩散运动的方向相反，因此阻止了载流子进一 步扩散。随着扩散运动的继续，内建电场逐渐增强，最终导致扩散运动和漂移运 动达到平衡，这时，空间电荷区具有一定宽度，内建电场不再进步增强而达到一 定值。空间电荷两侧具有一定接触电势v d ，称其为接触势垒【4 1 1 。 ：e ：- e ： 式( 2 1 ) 2 3s o a 基本特性描述 2 3 1s o a 中的光与载流子 s o a 中光与载流子作用主要表现在以下几个方面【4 2 】： l 、自发辐射 在平衡或者有外界电流注入的情况下，导带与介带内分别拥有一定数量的电 子和空穴。导带中的电子则会按照一定的概率自发地回到介带，并与介带内的空 穴复合，并以光子的形式释放复合所产生的能量，这一过程称之为自发辐射过程， 如图2 2 ( a ) 所示。自发辐射是放大过程的必然现象。 爱因斯坦自发辐射系数为a ，由自发辐射所引起的光子密度变化为： 1 d p ( 厂v ) = 影( 幺) 1 一厂( 易) 式( 2 2 ) 2 、受激吸收与光生载流子 在外部