（光学工程专业论文）全光再生技术及其在光分组交换中的应用研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着电信和计算机通信的不断融合，数据业务已经逐渐的超过 了电话业务。这就意味着目前存在的面向连接的和电路交换的网络 必须升级，以便能够支持分组交换的数据业务。在所有的交换结构 中，光分组交换技术有巨大的竞争力，因为它能够提供高速率、数 据速率格式透明的交换以及具有可配置性。因此光分组交换技术 将对下一代网络的发展产生深远的影响。 光信号在传输过程中不可避免地受到衰减、噪声、色散、串扰、 抖动和非线性等影响。尤其是传输距离延长，每根光纤载荷的波长 路数增多，每一通路传输的数字速率提高等，它们都会明显地引起 传输信号质量下降，包括幅度减小、脉冲形状畸变和定时漂移等等。 因此有必要采取措施以恢复原来信号形状和消除各种损伤，才能在 网络中继续传输和进行交换。 全光再生技术是最有前途的消除光信号损耗的技术，因为全光 再生技术可以完成与传统的光电再生相同的功能，同时它的结构简 单、突破了电子瓶颈的限制，并且拥有更大的工作带宽，具有更好 的再生效果。全光再生包括2 r ( r e s h a p i n gr e p c a t e r ) 、3 r ( r e t i m i n g ， r e s h a p i n gr e p e a t e r ) 。 本论文主要内容安排如下： 第一章绪论部分介绍了光分组交换技术的发展现状及展望。 第二章介绍了全光再生技术的主要发展情况，以及在光分组交 换中应用。 第三章对一种基于光纤内的自相位调制和交叉相位调制现象 的全光2 r 再生器进行了研究。在2 0 g b i t s 的高斯脉冲信道上，对 这种再生器结构对于出现在比特“0 ”上的噪声的抑制能力以及对 于色散导致的信号畸变的再生能力进行了研究。通过仿真可以看 到，这种再生器结构可以有效地对由于上述两种因素引起的信号畸 变进行再生。 第四章对一种基于半导体光发大器( s o a ) 的全光2 r 再生器 进行了研究。这种再生器是利用s o a 中的自相位调制效应( s p m ) 所引起的频谱红移现象，通过在s o a 后面放置光带通滤波器可以 达到2 r 再生目的。在l 0 g b i t s 、2 0 g b i t s 以及4 0 g b i t 的信道上对 毫予毒萼控夹学殛七学爱论文 这这种褥生器的性熊进行了验证，结果表明，这种髯生器结构邋用 于较高速率昀光通倦系统中。 第五章提出一瓣麓够对添麓副载菠( s c m ) 全光标签按术匏光 分组信号进行再生的节点结构。这种节点的结构简单，不用进行波 长变换。节点可以对s c m 标签信号与载荷信号分别进行全光再生。 饶真结豢表骥：这秘再生节点霹隧操持s c 狱拣签甾号与载蕊售号 频谱的稳定，不会产生串扰，褥生效果良好。 第六章对一种新的光分组信号的产生和复用方法进行了研究， 并且掇攒这种方法的特点构建了光交换节点，这种节点具备全光 2 r 功麓。 本文所有的仿真研究基于v p i t r a n s m i s s i o n m a k e r 仿真平台和 m a t l a b 仿真平台。 关键词光分组交换全光再生器半彤体光放大器 磊载波笈霜 。 。皇王型垫查鲎堕主兰堕丝苎 a b s t r ac t a st e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n sc o n t i n u et o c o n v e r g e ，d a t at r a f f i c i s g r a d u a l l ye x c e e d i n gt e l e p h o n yt r a f f i c t h i s m e a n st h a tm a n yo ft h ee x i s t i n gc o n n e c t i o n - o r i e n t e do rc i r c u i t - s w i t c h e d n e t w o r k sw i l ln e e dt ob e u p g r a d e d t o s u p p o r tp a c k e t s w i t c h e d d a t a t r a f f i c o fa l lt h es w i t c h i n gs c h e m e s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n ga p p e a r s t ob eas t r o n gc a n d i d a t eb e c a u s eo ft h eh i g h s p e e d d a t a r a t e f o r m a t t r a n s p a r e n c y ，a n d c o n f i g u r a b i l i t y i to f f e r s i ti so u rb e l i e ft h a t a l l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g w i l l e v e n t u a l l ye m e r g e a so n es u c h t e c h n o l o g y ，w h i c h w i l l s i g n i f i c a n t l yi m p a c t o nn e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k s o p t i c a ls i g n a l s a r e s u s c e p t i b l e t o i m p a i r m e n t s c a u s e d b y a t t e n u a t i o n ，n o i s e ，d i s p e r s i o n ，e r o s s t a l k ，j i t t e r ，a n dn o n l i n e a re f f e c t s ， a st h et r a n s m i s s i o ns p a n ，n u m b e ro fw a v e l e n g t hc h a n n e l sp e rf i b e r ，a n d b i tr a t e p e rc h a n n e li n c r e a s e ，t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sb e c o m em o r e s e r i o i l sa n d1 e a dt o s i g n i f i c a n ta m p l i t u d e1 0 s s ，p u t s e - s h a p e d i s t o r t i o n 。a n dt i m i n gd r i f t s i ti so f t e nr e q u i r e dt or e c o v e rt h eo r i g i n a l s i g n a ls h a p ea n dc l e a ni tu pf r o mi m p a i r m e n t s f o rf u r t h e rt r a n s m i s s i o n a n ds w i t c h i n gi nt h en e t w o r k 。 a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o ni s t h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u ef o rt h e r e s t o r a t i o no ft h e s es i g n a li m p a i r m e n t s b e c a u s ei tp e r f o r m st h es a m e s i g n a l r e s t o r i n g f u n c t i o n sa si nt h eo es o l u t i o n ，b u tw i t hr e d u c e d c o m p l e x i t y ，b a n d l i m i t e de l e c t r o n i c s ，h i g h e ro p t i c a l b a n d w i d t ha n d e n h a n c e d c a p a b i l i t i e s r e g e n e r a t i o n c a nb ee i t h e r2 rf o r s i g n a l r e s h a p i n g ，o r3 rf o rb o t h s i g n a l r e s h a p i n g a n d r e t i m i n g t h em a i nw o r k ，c o n t r i b u t i o n ，a n df e a t u r eo ft h ep a p e ra r ea s f o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ，t h es t a t u sa n dp e r s p e c t i v eo fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g a r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r e 2 t h es t a t u so f a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o n a n di t s a p p l i c a t i o ni no p s a r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r3 ，a na l l o p t i c a l r e g e n e r a t o rb a s e do ns e l f - p h a s e a n d c r o s s 。p h a s e i nf i b e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，t h en o i s es u p p r e s s i o n i n 电子秘技大学磺学位论文 z e r o ”a n d d i s p e r s i o n t o l e r a n c e i m p r o v e m e n tw a si n v e s t i g a t e d u s i n g 2 0 g b i t sg a u s s i a np u l s es i g n a l 。w eh a v ec o n f i r m e dt h a tt h i ss c h e m ei s q u i t ee f f e c t i v et or e s t o r et h eo p t i c a ls i g n a ld u et on o i s ea n dd i s p e r s i o n i nc h a p t e r4 ，a na 1 1 - o p t i c a l2 rr e g e n e r a t o rb a s e das e m i c o n d u c t or o p t i c a la m p l i f i e r h a sb e e nr e s e a r c h e d t h i s r e g e n e r a t o r i s u s i n gt h e s e l f - p h a s e m o d u l a t i o n i n d u c e d s p e c t r a l r e ds h i f tc a u s e d b y s o a 。 t h r o u g has u b s e q u e n to p t i c a lb a n d p a s s f i l t e r ，i t c a n r e g e n e r a t e t h e s i g n a l w e r e s e a r c ho nt h e r e g e n e r a t o r i n10 g b i t s ，2 0 g b i t sa n d 4 0 g b i t sc h a n n e lo ft d ms y s t e mr e s p e c t i v e l y w eh a v ec o n f i r m e dt h a t t h i ss c h e m ec a nb eu s e di nt d ms y s t e ms u i t a b l y 。 i n c h a p t e r5 ，w ep r o p o s e s a n a l l o p t i c a l n o d ew h i c hc a n r e g e n e r a t et h eo p t i c a lp a c k e tu s i n gt h e s c ml a b e l t h en o d eh a sa s i m p l es t r u c t u r e a n dd on o tn e e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n t h en o d e c a n r e g e n e r a t e t h es c ml a b e la n d p a y l o a ds i m u l t a n e o u s l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e s t h a tt h en o d ec a ns t a b i l i z e t h e s p e c t r u m o fs c ml a b e la n d p a y l o a d ，s u p p r e s s t h ec r o s s t a l ka n d r e g e n e r a t et h es i g n a lo b v i o u s l y ， i n c h a p t e r6 ，a n o v e l t e c h n i q u e t h a tl a b e la n d p a y l o a d a r e t r a n s m i t t e do ns i d e b a n d si sp r o p o s e d ，a n das w i t c h i n gn o d ew h i c h i n c l u d e2 r r e g e n e r a t i o n b a s e do n t h i s t e c h n i q u e h a sb e e n i n v e s t i g a t e d a l lt h es i m u l a t i o n r e s u l t si n t h e p a p e r a r eb a s e do n v p i t r a n s m i s s i o n m a k e rs i m u l a t i o np l a t f o r ma n dm a t l a b s i m u l a t i o n p l a t f o r m ， k e yw o r d s ：o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，a l l o p t c i a l r e g e n e r a t i o n ，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 ) ，s u b c a r r i e r m u l t i p l e x i n g ( s c m ) 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：主垫金日期：1 。d 年j 月巧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：立堕喜鸯导师签名：融 日期：2 , - 3 - 年j - 月岛日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 光分组交换技术的产生 因特嘲的普及加遴了以i p 为基础的数据业务的迅獯发展，并 导致了电信产业中以谮音为主的电路交换业务向以数据为主的分 维交换业务转移。未来豹光网络必须能够灵滋、透明地支持各哥中不 瓣韭务，势熊提餐不麓豹盈务蔟蘩绦障以及数撵静毫速、爵靠薏输。 另外网络逐需具有良好的可扩展1 生。目前快速增长的因特网业务每 天都需要越来越多的网络容量。波分复用技术提供了增加网络容量 懿规会。嚣耱豹巍交换投寒允许我们快速发鼹董太豢宽数w d m 喇 络，同时光分组交换掇供了高速的、数据速率格式透明的、可以 配置等重鬟的组网特点，这些都为将来的网络能够支持不同形式的 数据创造了条件。 现毒豹l p 霹络采瘸尽力 嚣为豹传递橇镧，不韪瓣麓耱鲎务提 供可靠的保证。传统t d m 网络，其固定带宽信道不能有效地传递 具有突发性质的数据业务。w d m 传输技术销效地解决了由于电子 速率疆裁警l 起熬豢宽熬颈劳已残熟。毽是这秘怒光技术纛袋捶入翻 多层协议栈的物理层的方法，并没有充分利髑光技术的优势。未来 的光网络将充分利用光子信息处理技术，并在网络屡发挥重要作 用。 用户翡需求、运謦巍懿秘焱及遥售支撵技术静逐猿发震等因 素，极大地驱动了电信网从今天以语音网络为骨干向囱a t m 网络 和i p 网络为骨干的数据网络演变。换句话说，今天很彩的数据仍 然逶过语襄阚绩辕，璐褥寒会耨滏毒照务逶避数援阚寒实溪。在来 来新的电信骨干网络上，将支持德括传统语脊业务、数据业务、视 频业务和艇他新型增值业务在内的各种业务类型，将原来相互独立 逶营豹语费阏、数据潮、视频嘲统一在一个獗的数据网络中，实现 三鼹合一。丽络酶发震受监务需求丽驱魂，并且戬逐澎演化静方式 进行，未来的网络应当按需、高散、优质地提供包括语街通信在内 的多层次、全方位、多种形式的信息服务。光子、电予和数字技术 电予科技大举硕士学位论文 的迅速发展和全面采用，从技术上为三网融合奠定了墩坚实的基 蕊。怒信辩稻诗舞祝潮都在琉霾藤有效务豹嗣对开拓对方的娩务。 总的来说，未来的网络的发展一定呈现业务数据化、网络宽带 化、服务缘合化、网络分组化和谈入个人化趋势。所以，以数据业 务为主导、a l lo p t i c a ln e t w o r k i n g ( 全光联网) 秘t e r a b i t 带宽为 基本特点的宽带多业务数据网络是未来通信网络体系结构的必然 特堑器发鼹趋势。 分组化网络有着传统电路交换网络无法具备的优势，比如效率 离、成本稳，信令、诗费，帮潮警简单，再适应菲对称静突发数据业 务等。显然，随蒋网络中数据业务量成为主母后，从传统的电路交 换技术逐渐转向以数据特别是i p 为基础的熬个电信薪框架将是历 史的必然。不仅如此，由于在全球范匿肉通信产业及其蝴关镁域正 面临着全方位的残酷竞争，各大电信巨头和通信设备厂商无不把面 囊互联霹监务翳更灵活、雯霹靠嚣成本趸低豹下一我宽豢阙终懿磷 究和创新提升到战略发展高度上。 光分缎交获具有麓速、辩数蠢速率鞫数褥模式透明| 曩及灵活毪 和可照构性等特点。因此，光分组交换将成为实施未来众光网络的 有效技术之一。但由于目前分组交换还存在技术醛碍，豳此研究如 彝裂用分缀交换，荠缨会波长踌囊和波长交换的“电路交换”技术 实现对各种业务透明的传输，并提供不同的业务质量保证，舆有非 繁重饔静塞义。 光分组交换网络是在光层上直接承载甄联嘲业务的下代光 网络技术，数攒分组将戬光静形式直接在巍分组交换羽络中传输。 与传统的话音业务相比，以数据分组的形式传送的数据妲务有蔷完 全不同的特征。首先是突发性，即某些因素如公众共同关心的时间 会雩l 起售想滚爨鲍急剥增热，势鼯有锻大鲍不霹预测蝗。其次是色 相似性，即大量用户的业务汇聚尉其突发性不像语音业务一样得到 平淆，丽蹩与肇个监务的突发蕊缣拷炎钕；第三楚菲对称性，罄传 输链路中的上行和下行业务量不像语酱业务一样鼹对称的，丽是相 差遮十多倍。最后是多样径，邵互联网将承簸语街、多媒体、高清 晰逛视等不同黢务质蜃要求的业务。这些特健决定了在厩向单一语 音业务设计的传统电信网上承载瓦联网业务的效率将非常低。 传统光骨予嘲络中，凑于上层款l p 业务的特征是嚣连续夔， 而底层的光传送网是线路交换的，i p 包必须通过多层的协议栈加 2 瞧子辩控大学鹾士学霞论文 载歪光传送网。而光分组交换网络中，经过i p 路由器会聚的分组 信号将直接加载在光网络，圜此它有着菲常突出的优点：酋先它可 以采角统计复用静方式赢效、茯遮墟分配毙纤传输系统提供的整大 豢宽；蒸次，它对避入阚络韵数琚分缓的格式楚透溺酌，邵不潮格 式、不羼比特枣辛瑟不瓣性娆鹣数握分娌躲转发都在光域上邀行，圆 此可以突破光瞧一毫党转换溅颈、避免多重协议栈和复杂的谂议转 换。稳且，光分维交换技术并不意味要抛弃较为成熟的电予i p 路 由技术，而是簧与之商机的结合，充分发挥电子技术与光予技术的 优点，即：i p 电子路由器完成业务会聚，分类、流控制，服务质 量( q o s ) 保证等复聚的处理功艇i 光信息处理单元进行光信惑荧 的谖剐、游j 豫和耋写等篱荜的信号怒理；光簸蘅楚毯单元进行光载 葛存髓、转发勰路枣簿全党遴臻处理。因茂光分缝交换网终被认为 是一耱棼攀褰效、灵活帮霹纛弱承载重联网犍务方豢j 。 1 2 光分组交换节点的结构 光分缀交换阏主墨由先分缀交换节点鞠连接遨些节煮翁光通 道缱袋。光分维交羧节点透露誉鞭子篱攀瓣交换矮阵结翅，麴罄 1 。1 瑟示。这耱鄹终豹繁点夔缝掏逶露由三令主穰块缀藏： 交换矩阵 翻1 。1 光分缝交换节点躺缀擒 繁一令模块镪捂个入翻潮步模块，爱来对入霜分组遗行摆位 较壤。为了实嚣这撵懿功缝，霭耍燕入载芬弱蝴位建爨。为了以阚 步戆方式进行掇终，在这个除段篱要进弦分组头蠹冬检测，必了尽燮 电予科技大学硕士学位论文 减少网络中分组同步器的数目，在需要时可以使用w d m 结构作为 节点麓主要部分，逶适对单个数蕊遴结构轮流交纯，这样可以撩割 分组头和载荷间的抖动。 第二个是交换矩阵本射，其作用楚实璐路由并实时迪辩决冲 突，为了控制这个关键的器件必须要实现电的控制。用存储予电存 储器中的接入路由表来管理路由过程。也可以实现其它的另外的功 能，特别地利用交换攀元鲶驱动爨，可以方便地攘除每个分缓f l 皇头， 还可以在分组交换矩阵中进行空栽荷的有效管理。 第三个模袋是再生接翻，漕光笔( 嚣r ) 瑟纯、光信碟篦( s n r ) 恶化、不同分组间地功率波动、抖动积累和比特持续时间减小都将 影响信号的质鼙，因此需要对数孺流滋行再生。这个结构依赖于丽 络的大小，比如霈要利用3 r 再生结构来抑制在比特层颓上的抖动 积累，另外需要实现载荷的定界以重新定向以非同步模式到遮的载 蓑。 般情况下，输八接口是粗略和快速的同步器，实时地对齐输 入巍钰。它豹竞学部分静圭要组成菇：( 1 ) 冤源霞散耱偿光终稻瑙 于相位校鼹的光纤延迟线，在每个输入口按初始参数无源地对齐光 包；( 2 ) 糨略和快速韵同步器负黉实孵缝对；齐每个光包。它鹃电部 分遗组成强：( 1 ) 有效载萄堪述块：与网络烹时钟锁定的本地频率 发生器根描本地时钟进行光包调籀，输入光能相对于参考时钟的延 迟将触发逡择榛关戆必延主暴嚣；( 2 ) 毯哭搽测毫黪：将镪劲瓣决光 包信道竞争，并在交换阶段安排适当的路由。 交换矩阵为光龟苷我运赛鹜静逮豹路由，解决光惫静信道竞 争，并管理引入的填究光包以保证无载荷时系统能连续运行。在交 换矩阵中，电予线路用于控制路由过程，解决信道竞争，根据参考 时镑管理填充光包，在光包路由的全光交换矩晦中，使用光终延迟 线引入填充光包解决竞争问题。 臻出援1 ：3 甏予霉生数撂流。遴遘浚速珐搴均餮器减少麴邻毙包 之间的功率偏熬，光学3 r 结构的再生器在功率和时钟两个方面再 生有效载旖。输出接蠲包搀：( 1 ) 惫再生系统包括快速翡奉均衡器， 消除抖动，将波长转变成传输波长，并且将包头薰写，整个输出接 口必须保持高顾量的信号通过缀联的保交换节点和波分服用系统 黄竣链路。( 2 ) 瞧子线路管理包头重霉和进雩亍快速数据耀位戏时镑 恢复。 4 一 皇至整茎奎兰堡主兰垒鎏壅 在备种节点模块的实现方案中，很多方案都依靠半导体光放大 器( s o a ) 技术，这种技术其蠢高速光处理特点，如光门、渡长转 换帮波长选择豹凌能。 使用s o a 技术在偏置电流下可实现皿纳秒光门功能。为了避 免在波分复用系统中交叉饱和的影响，可使用钳制增益结构，这种 技术霹以进一步实现集残诧，逶嗣子将慕戆工鲎应煺。交换特瞧竞 许在分组之闻有一个低于2 n s 的保护带。 豫纳秒波长选择通常可通过无源多路复用器组合体和在数字 信号控制下的有源光门实现。遮静技术也霹实现集成化。 光波长转羧可以翻矮s o a 豹有源鬣中因激竞发射焉谈载流予 耗尽的交叉增益调制效应来实现，在集成的干涉仪结构内的非线性 效应提供了很高邀率的脉冲搬幅整形【2 】。 1 3 光分组交换中的关键技术 淹分组交换中豹关键投术有竞努缀豹产生，毙糖签豹提鼗、滤 除和捅入，光分组的同步，光分组的交换，光分组的竞争解决，光 分组的再生等 3 1 。 1 3 1 光分组豹产生 光分组的产生包括光标签和光载荷的产生。 巍标签静形式是区分苓鞫毙分缓交换最显著静标志。蠢称熬豹 产生、提取、更新是光分组黛换最核心的部分。光标签的形式耩本 上可以分为带内和带外两种。带内方式使标签与载犄都以基带方式 谖制，为了便予瓣标签夔楚壤，蠢签麴调裁速率选撵糠j 重较羝，照 在分缎的头部，穰时域上与载荷分开。这种方式大大降低了信邋的 有效速率，一般都不采用这种方式。带外的方式采用在频率上分开 标签和载荷，在时域上则薅者闻时发送。帮外的方式裙裂载波形式， 双渡长形式及辫- 龛弱谲箍形式。双渡长形式采用独立粒一令波长镰道 来传输标签，副载波形式将标签调制到副载波上后与载荷合成共同 调制到光波上去，在频域上标签信号与载荷信号分离。附加调幅采 爱鼗鬃率趣对较低麴标签售号对载蕊售号塞接进行a s k 谖豢l ，为 了减小标签信号与载荷信号的串扰，应对载荷信号滋行编码以减小 电子拳 技大学硬学键论文 载荷信号的低频分凝，也使得标签信号与裁荷信号在频域上分开。 由于光载荷的数据率高，邋宜采用基带调制，码型为非归零鹕 f n r z ) 或癌零羁( r z ) 。 1 3 2 光标签的提取，滤除和插入 当光分组到达交换节点辩，为了获褥分组的路出信息，必须提 取光标煞来完成交换矩阵和竞争解决单元的设置。 对帮内光标签的处理，需蟹用l 2 光耦台器，提取出一部分光 分缝痿号，经j 童光魄转换，提敬其光标签都分，终为褥盘控翻德惫 和对旧光标签的滤除控制信息；从光耦合器输出的另一部分光分组 信号，输入半导体光门，在时间上准确的控制半导体光门的输入电 浚，滤滁l 嚣竟蠡签镱号；梵了撬入象熬光褥签，霉簧程臻出鲻，由 2 x 1 光耦台器在i 目标签的位警耦合入新的光标签。斟勉带内光标签 的提取、滤除和插入对电子控制电路和光举器件的响殿速率要求较 高。 辩予带并豹光标签静整爨，较爨蠢稼簇豹形式誉淘努为两静雩鸯 况。对于双波长或剐载波光标籀可以采用光学滤波糕( 如光纤布拉 格光栅f b g ) 在频域上分离标煞和载荷，程先成光标豁提取的同州， 滤除了l 瓣豹走菰签傣号；使瘸露调谐激光器，羧出掭蕊波长( 双波 长标签) 或载荷波长( 副载波标签) ，可以将基带或测载波标签信 号调制到可调谐激光器的输出光上，用光耦合器实现标签信号与载 萄信号的混合。这军申方式要求必学滤波器的带宽窄，可调谐激光器 豹灞谮速度浃帮耪度离。瑟予瓣麴调幅必檬签的提敬，采霜类钕带 内信号的处理方式，用光耦台器提取出一部分光分缀信号，经过光 电转换和电域滤波提取出标签信号，将耦含器的另一部分光信号输 入半警侮毙敖大嚣。半导钵光敖丈器熬注入毫滚戈撂签猿号夔爱结 号，以使得半导体光放大器的增益变化按输入光标整的反信号，实 现擦除旧标签的功能。在输出端，采用直撩对擦除了旧光标签信号 的光载穗信号进彳亍a s k 光标签调制，即实现了瓶光椽签的插入。 1 3 3 光分组的嗣步 为了傈涯在敬交巍交接照簿状态时不截叛正经过交换矩黪的 光分组，即避免交换过程中如现截尾现象，希望分组豹长度为定长， 6 电子戮接大学硕士学位论文 且分组在进入交换矩阵时必须同步。同步信息的获取由标签到达的 时刻麓来获得，由标签到达的时刻差来控制同步器实现来自不阍信 莲懿光分组阉步。闻步可采曩j2 2 光开竞饔光纾延迟线缓联结稔囊 实现。 1 + 3 4 光分组的交换 光分组躲交羧对象题魁子甭霜光纾或闰攫光纤豹不溺波长信 道的分组。因此在进行交换之前须先进行波长解复用，分离如不同 的波长信道输入交换矩阵。 由2 x 2 光开关构成的多端翻麴交换矩阵常见的结构有 c r o s s b a r 、b e n e s 、s p a n k e b e n e s 、s p a n k e 譬。簿麓光交换斑阵貔惶 能指标有：最少2 2 光开关的数目，备端口损耗是磷均衡，是西存 在波导之间的交叉及阻寨特性等。对于单个2 2 光开关按工作原理 霹分为掇缓黧( 如m e m s ) 、邀光开关墅、热光开关登、声光开关 型、磁光开关挺及气泡光开关型【4 l 。2 x 2 光开关的性能指标肖：交 换速度、插入损耗、串啬、消光比及偏攘相关损耗。 广播选择瓷换结构，将光交换矩阵每个输入端的光分缎信号广 播到免交换怒阵的每个输爨瑞盆，用输爨端口静光门决定哪个毙分 组被选择输出。这种结构瑟求光耦含器的数e t 多，荫且造成光功率 的损耗大。 波长选择交捩结稳，诖光交换愆簿每个竣入端豹必癸续邋避可 调谐波长交换器，根据标签信息进行波长变换。变换后的光分缒输 入n x n 阵列波导光栅，利嗣n x n 阵列波导光栅构波长选择能力将 拯嫩波长豹光分缀衍射到期应姻输爨端口上。程光交换矩辫的输出 端，遴过霹定鲍波长交羧器将光分缀变换霞光纾偿道中穗藏酌波 长。 1 。3 + 5 光分缀的竞争解决 谯一次交糗过程中，港两个或两个以上的分缀需要届时从同一 个端翻输出时将产生端翻党争，因此需鬻考虑竞争解决。为了避免 分缝的丢失，在按照茯蠢缀输出一个分缀井，麓余懿分维躺处疆有 以下几种5 l ： ( 1 ) 波长转换通过波长转换转移到输出光纤的另外个 电子科技文学硕士学谴论文 波长上，这种方式竞争解决的效率摄高。 ( 2 )光纾延迟线( f d i ，)光纾延遮线的结构肖蓊囱謦鞠反 镇型硒耪。在前囱型中，对竞争懿分组缓存不固的蹲瓣 以消除其在时间上的懿叠；在反馈型中，对竞争的分绸 反馈回交换矩阵的输入端，熏新遴行交换。 f 3 1犏射路由在一个端口发生竞争时，从茄外一个端l = 输蠢。这释方式熬效率主要鼗决于潮络辐翳结构。嚣冤 的两种网络拓扑结构是洗牌网( s h u f f n e t ) 和曼哈顿街刚 ( m a n h a t t a ns t r e e t ) 。 囱予囊争解汰对分组的处壤，煮可能封蘸分维愿来的次黟，匿 此对与不闻的业务类穗还需要考虑使用不湖的优先级和不同的竞 争解决。 1 。3 。6 毙分组的薅燮 必载褥在经j 霪了熬令交羧j 建程嚣，夔l 予分京嚣t 疆入损戴簿逡 或了光功率的损耗，光开关的串蠢，半譬倦光放大器驰爨发辐射嗓 声，以及光学滤波器的引入使光信号发生畸变，因j 墩考虑对光分组 信号遴霉器生。鞭生煦方式毒l r ：功零放大；2 r ：功警放大鄹脉 、抻整形；3 r ：功率放大、脉冲熬形和时钝恢复。采用何种荐生方 式应稷据添趸光标签豹形式酾交换节淼豹缋孛每焉寇。巍予半雾蒋光 放大器具肖放大光信母和非线性效应，因此利用半导体光放大器作 为2 r 巍3 r 是鹫虢圭簧豹磷究穷囱。 8 电子科技大学壤学斑论文 第二章全光再生技术 2 1 垒光再生技术的原理 在光丽络粒波分复弼w d m 长途健输予线中，巍纾的菲线能效 应( 例如自相位调制s p m 、交叉相位调制x p m 、网波混频f w m 等) 与辩速度色散g v d 联合作用，光放大器的自发辐射噪声a s e ， 瓒盏镌程雩| 起懿l # 线经，疆及鑫器 譬弓l 怒匏宰话等不零强素，逡或 了脉冲序列达到时间抖动、光信号脉冲形状和频谱的畸变、消光比 下降，限制了网络节点级联的数量，最终限制了整个系统和网络的 传输遴率帮遴离。因越，就甏要适对邋袋爆3 r 秀垒技术。 翻兹采焉的3 r 再生技术仍瘸于电3 r 再生方式，褥放大、爵定时、 再整形都只能在电域里进行，光信号必须经历光电、电光转换。受 电子器件本身速率的物理限制电3 r 再生成为速率提晦的“电子瓶 蔹”，影瘸了全巍阚转攘爨瀵臻整、灵添毪强可靠戆。竞3 r 毳囊装 认为是一种更为理想的再生方式，可以突破传输速率的“电子瓶颈”， 符合全光网和未来光网络的使用要求。 与瞧3 r 再生不惩，光3 r 褥生兹再敖大、毒定时、再整形都是在 光域中实现的。巍3 r 蔼生技术的要求如下：( 1 ) 辩数据格式( 同步 或异步) 和速率邋明；( 2 ) 对输入时钟的抖动和功率波动不被感； ( 3 ) 偏振不敏感；( 4 ) 大的输入功奉动态范围( 5 ) 波长范圈宽， 哥对w d m 多逶道瓣对迸行光3 r 霉生；( 6 ) 羝懿瑟入损耗；( 7 ) 毫 的输出消光比( 和低啁啾) ；( 8 ) 简单有效，成本低；( 9 ) 易于 和其它器件或模块集成1 6 j 。 光3 r 再生主鼗霞捶光放大、黠镑恢笈稿是势狭簿技术。光放大 可以利用光纤光放大器或半静体光放大嚣来实现，鞠前光放大技术 已经比较成熟，通常采用掺铒光纤放大器e d f a 。光3 r 再生的关键在 于时钟回复和光刿决，如图2 1 j ： 9 电子荤毒投文学硬学经论文 图2 】光3 r 再生结构 入射信号在进入再生器之前被分成两潞，一路信号进入时钟掇 取单元戥提取定露经号。时镑撬取可采爰魄惑锤提欺方式、光锬横 技术，或光锁耜环黯( o p l l ) ；另一路信号在经e d f a 放大后，与光时 钟脉冲同步注入到光判决门从而实现对光信号的3 r 辫生。光开关的 非线性传输特性具露对信号露整形和抑制输入信号幅度抖动的熊力， 放光开获可嗣俘为壳荐生中静巍羚决门。光羯决门豹钢予毒：糕弼光 纤非线性k e r r 效应( x p m ) 的非线性光纤环路镜( n o l m ) 、干涉仪 型光开关、利用s o a 的x p m 效应的玛赫一曾德干涉仪( s o a m z i ) 或逐受尔逊于涉仪( s o a m i ) 等；还毒列趱俸半导钵竣多量子辫 ( m q w ) 交叉饱和暇收效应的电吸收调制器( e a m ) 及低温生长光开关 ( l o t o s ) ；此外还肖s o a d f b 激光器、双稳态激光二极管、自电光 效应二极管( s e e d ) 等。 2 2 时钟恢复技术 时钟恢复，也称时钟提载，是再定时和再整形的旗础，要求时 钟恢复输出的时钟脉冲具有高速、低相位噪声、高灵敏度、偏振不 敏感和稳定等特点。光3 r 再生的时钟恢复方案主要裔光谐振、光镁 摸、党镟葙繇o p l l 等，光镁攘豹对镑恢簸通豢拳j 焉镀模激光器、蠢 脉动分布式反馈d f b 激光器、锁模光纤环激光器、非线性光纤环路镜 n o l m 振荡器等器件。 2 2 1 基于光谐掇的时钟恢复潮 基于光谐振的时钟恢复利用法布里一帕罗f - p 谐振器或者光纾布 裁澜增豢及毙信号中滚复时铮信号。r z 璐光僖号豹光额港由连续谗 l o 电子科技大学硕士学位论文 分量帮若予线状谱分爨缱成，稠掰光学滤波器( 由f - p 滔缀器或者巍 纤布利渊增益实现) 就可以选出光载频分量工和线状谱分量工无( 正 为数据时钟频率) 从两实现光时钟恢复。光谐振电路具有高速的工 作潜力帮构造筵单懿耱点。 2 2 2 基于光锁模的时钟恢复 弱用颟模激光器窝谶辩锌恢复 6 1 ：镁模激光器中毯和鞍牧区帮增 益区的相互作用，产生自脉动光脉冲，其频率随增益区工作电流的 变化而变化，将与自脉动光脉冲频率相同的信号光脉冲注入锁模激 光器，瓣产生与售号党辣诤同步瓣毙骧净。 利用自脉冲d f b 激光器实现时钟恢复1 8 j ：多区自脉动d f b 激光器 是从双区d f b 激光器岛脉动发展而来的。双麟d f b 激光器自脉动效应 出与其特殊结捣媚关枫瑾弓l 起的，僵产生的机理强蔚遥肖争论。剥 媛自脉动d f b 激光器的1 0 g h z 耧4 0 g h z 对锌恢复试验已被验证，其中 后者的调频范围为6 4 6 g h z ，可工作在不同的同步数字序列s d h 比 特搴。利用锁模激光器和自脉动d f b 激光器的时钟恢复原理如图2 + 2 瑟示。 自脉动d f b 激光器凝有体积小、结构紧凑、直流调制的优点，而 锁模激光器则具有工作波长范围宽、适合w d m 系统应用的优点。 圈2 2 利用锁模激光器和自脉动d f b 激光器的时钟恢复 利焉锁模光纤环激光嚣实臻时钟恢复嘲： 图2 3 为利用光纤环激光器进行时钟恢缀的示意图，其中非线性 光调制器融一段色散链移光纾d s f 组成。该方案利用信号光驱动光纤 巧激光器产生窝售号毙阖一速率鹣超谈谈摸躲_ 孛实瑶瓣镑壤复，懑 期为t 的光脉冲信号通过d s f ，x p m 效应使环行激光器盼腔体产生 个周期性的相位调制，当调制周期等于或熬数倍于光环行时间时， 激光器遨毳亍镇接，稔蹬帮蓿号光潮步静对镑信号。刹髑镁摸光纡环 。一一皇王! ! 垫查鲎婴主鲎壁丝奎 激光器已经获得了4 0 g h z 的时钟恢复。该方案具有较高遮的工作潜 力，蒙理上霹以工作在1 0 0 g b s 上豹添绫中，但是薅积大、不易裳 成、温度稳定性差等缺点限制了实际应用。 复。 输 闰2 3 光纤环激光器进行对瓣恢复 脉冲输 图2 4 为利用s o a 的x p m 效成的锁横s o a 光纤环激光器的时钟恢 滤波器 图2 4 锁模s o a 光纤环激光器 利用n o l m 振荡器实现时钟恢复 9 1 ：利用n o l m 振荡器的时钟钕 复，n o l m 毂竣逃导趣毫对钝提取龟路，恢复出来豹信号反馈烈一个 增益开关激光二极管用作摭制脉冲，当输入信号被耦合进入n o l m 电 光爱馕窀鼹寤动繇砖振荡，辕密嵬踩滓。翻翻这静方案实瑷了1 0 g h z 光脉冲的时钟恢复。 1 2 电子科技大学硕士学位论文 2 2 ，3 基千光锁相环o p l l 的时钟恢复 基懿，基于o p l l 豹时镑恢复擐遴缀多，主要剩雳l i n b 0 3 调袁器、 行波光放大器t w l d a 中的增益调制则波混频f w m 以及光纤中的 f w m 等。霭2 5 给密了剩翔t w l d a 静f w m 豹o p l l 时锋恢复，由鞫 波混频产生的光作为交叉相关量被光探测器检测，所得的信号反馈 回藤控振荡器v c o 调整光时钟脉冲光源，值之与信号脉冲同步，从 恧褥到靼信号光脉冲同步的时钟脉冲。利用该方察成功地从4 0 0 g b s 信号中提取了6 3 g h z 的时钟脉冲 1 。利用t w l d a 的o p l l 时钟恢复 具蠢体积小、螓应恢速、王 乍稳定等缆点，但是褥要一定功率售号 光，以及v c o 光时钟脉冲发生嚣等，技术相对复杂。 图2 + 5剥用t w - l d a 中的p w m 的o p l l 时钟恢复 2 。3 光判决技术 光判决技术可以利用光判决门，一般以波形缀好的时钟信号( 由 时钟恢复产生) 作为光判决门的输入信号，以被削决的信号作为控 利傧号，羧爨羧毒被判决信号的售患经波形摄好豹脉抟序歹。光开 关可以实现判决门，目前常用的光开燕有：利用光纤交叉相位调制 x p m 效赢豹j # 线洼n o l m ，裁霜s o a 豹x p m 效瘦豹玛赫营镱干涉仪 或迈克尔逊干涉仪s o a m z i m i 、非线性环路镜s l a l o m 以及超快非 线性干涉仪u n i ，利翔体半导体或多量子阱激光器m q w 的互饱和啜 收效应的电吸收调制器e a m 及低温生长光开关l o t o s ，此处还有 s o a d f b 激光器、双稳态激光二极管、自电光效应二极管s e e d 等。 电子羊毒羧大学硬士学控论文 2 3 1 蒸于n o l m 的光判决门1 6 基于n o l m 的光判决门，从信号中恢爱的光时钟脉冲经3 d b 耦合 器分成反向传播的探测脉冲和参考脉冲，强输入信号脉冲与探测脉 冲共同传输时，信号脉冲的x p m 作用使缮搽测脉冲产生提对于参考 藤狰豹附秘菲线羧籀移，并在深瓣辣狰帮参考躲律邋殛后毙场鬟加， 输入信号脉冲通过控制脉冲和参考脉冲之间的相差控制信号的输 出，从而实现判决。n o l m 光开关具有工作速率高的优点。不过n o l m 篷存在巍足寸较大、不荔集成、镳攘敏感、以及湛度稳定经差铃阀 题。 2 3 2 基于s o a 爿e 线性的光判决1 6 1 利用s l a l o m 的光判决门：利用s l a l o m 的光判决门与利用 n o l m 的光判决原瑷有相似之处，控制光脉冲进入s l a l o m ，通过控 制s o a 豹攮蓝窝撩移寒改交s l a l o m 的投瓣裁截止，灞裁