（通信与信息系统专业论文）基于soa的全光自同步及分组头提取技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 光分组交换( o p s ) 是一种以光分组为交换粒度的新型光交换技术。当光分组到 达o p s 核心节点时，要求核心节点在几百个纳秒内完成光分组的自同步、迅速准 确的分组头处理等过程，以获取包含在其中的路由和控制信息。由于电子瓶颈的 存在，大大限制了核心节点交换速率的提高，使其无法匹配传输带宽的增加。为 了实现真正意义上的全光交换，全光信号处理技术的研究迫在眉睫。 半导体光放大8 ( s o a ) 具有体积小、功耗低、易集成等优势。近年，基于s o a 的全光信号处理技术得到了广泛的研究。本文围绕基于s o a 的全光自同步技术及 分组头提取技术展开深入研究。论文的主要工作包括以下三个方面： 首先，第二章分析了s o a 的结构及基本特性，并基于s o a 的载流子速率方程 及光脉冲的光场方程，建立了s o a 在全光信号处理技术中的理论模型。 其次，第三章研究了o p s 网络的关键技术基于s o a 的全光自同步技术。 1 、根据s o a 的相位调制原理，本文讨论了一种新的基于s o a - m z i 单臂调制 的自同步方案，并给出了光分组速率为8 0 g b i t s 时的仿真及参数分析结果。论文 分别从方案结构、原理及性能三个方面与非对称s o a - m z i 方案进行对比分析，仿 真表明，对比度有约7 一s d b 的提高，证明了理论分析与仿真的一致性。 2 、针对基于s o a d i 的全光自同步方案，其对比度不理想、s o a 的增益饱和 特性没有得到充分利用等缺点，改进该方案并进行参数优化。论文给出光分组速 率为4 0 g b i t 、载流子恢复时间为4 0 0 p s 时的仿真结果，对比度高达2 0 d b 以上，较 原方案有约7 - 8 d b 提高，通过参数分析得到使方案性能达到最佳的一组参数。 最后，论文第四章对基于s o a 的全光分组头提取技术展开深入研究。 l 、一种新颖的基于s o a 嵌套d i 的分组头提取方案的研究，解决了s o a - x g m 提取方案对输入脉冲能量要求过高、对比度不理想、不适用于分组头速率较高的 o p s 网络等问题。论文给出分组速率为8 0 g b i s 时的仿真结果，对比度高达1 8 d b 以上。在相同参数下，当净荷速率为4 0 g b i t s 时，改进方案的性能较s o a - x g m 方案有约5 d b 的提高，优化参数可使方案性能达到最佳。 2 、根据s o a - x g m 原理，论文讨论了一种基于s o a 串联m z i 的分组头提取 方案。与s o a - m z i 方案相比，改进方案更适用于分组头速率较高的o p s 网络且 方案复杂度及成本较s o a m z i 提取方案也有一定程度的降低。 关键词：光分组交换网，全光信号处理，全光自同步，分组头提取，半导体光放 大器( s o a ) ，对比度 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gi s an o v e ls w i t c h i n gt o c h n o l o g yt h a tt h es w i t c h i n g g r a n u l a r i t yi so p t i c a lp a c k e t w h e nt h ep a c k e t se n t e rt h es w i t c h i n gn o d e s ，i ti sr e q u e s t e d t oc o m p l e t et h ep r o c e s s e so ft h es e l f - s y n c h r o n i z a t i o n , p a c k e th e a d e rp r o c e s s i n go n l y w i t h i naf e wh u n d r e d sn a n o s e c o n d , f o ro b t a i n i n gt h er o u t i n ga n dc o n t r o l l i n gm e s s a g e s c o n t a i n e di nt h ep a c k e th e a d e r d u et ot h ee l e c t r o n i cb o t t l o n e c lt h es w i t c h i n gr a t eo f o p sc o r en o d e si sn e a t l yr e s t r i c t e dw h i c hm a k e si tf a i lt om a t c ht h er e q u i r e m e n to f n e t w o r kb a n d w i d t hi n c r e a s i n g i ti se x t r e m e l yu r g e n tt h a ta l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g ys h o u l db ef u r t h e rs t u d i e df o rt h ea u - o p t i e a ls w i t c h i n gr e a l i z 撕o m s e 1 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 ) h a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e , l o w p o w e rc o n s u m p t i o na 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 i nr e c e n ty e a r s ，t h ea l l o p t i c a l s i g 1 a lp r o c e s s i n gt o c h n o l o g yb a s e do ns o ah a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d t h i st h e s i s a i m st oa n a l y z ea 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 nt e c h n o l o g ya n d p a c k e th e a d e re x t r a c t i o n t o c h n o l o g yw h i c ha r eb a s e do ns o a t h em a i nw o r k si n c l u d e di nt h i st h e s i sa r ot h e f 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 sa 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 ni t sd y n a m i cg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ； b a s e do nt h ec a l 矗e rr a t ee q u a t i o no fs o aa n dt r a v e l l i n g - w a v ee q u a t i o n , s o at h e o r e t i c a l m 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 et h i r dc h a p t e r f o c u s e so nt h e 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 o c h n o l o g yb a s e do ns o a , w h i c hi st h ek e yt o c h n o l o g yf o ro p s n e t w o r k s 1 a c c o r d i n gt ot h ep h a s em o d u l a t i o np r i n c i p l eo fs 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 , an o v e ls c h e m eo fs e l f - s y n c h r o n i z a t i o nb a s e do ns o a - m z it h a tt h es o a o n l yl o c a t e d i nm z i ss h o r t e ra r mi sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s 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 s r e s u l t sa r eg i v e nw h e np a c k e tr a t ei s8 0 g b i t s c o m p a r a t i v es t u d i e sa r em a d ew i t ht h e a s y m m e t r i c a ls o a - m z is c h e m et h a ti nt h et h r e ea s p e c t so fs t r u c t u r e , p r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c e t h 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 ta b o u t8 d bi m p r o v e m e n t c a nb ea c h i e v e dc o m p a r e dw i t ht h ea s y m m e t r i c a ls o a - m z is c h e m e i ta l s op r o v e st h e c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n 2 t h ea 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 ns c h e m eb a s e do ns o a - d ih a st h ed e f e c to f l o w e rc o n t r a s tr a t i oa n dt h es o a g a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sn o tb e i n gf u l l yu t i l i z e d ， 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t s oi ti si m p r o v e da n do p t i m i z e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nw h e no p t i c a l p a c k e tr a t e , c a r r i e r l i f et i m ei s4 0 g b i t sa n d4 0 0 p sr e s p e c t i v e l y c o n t r a s tr a t i oi so v e r 2 0 d ba n da l m o s t7 8 d bi m p r o v e m e n tc a nb ea c h i e v e dc o m p a r e d 、丽n lt h eo n g i n a l p r o p o s a ls o a - d i p a r a m e t e ra n a l y s i ss h o w st h a tas e to fp a r a m e t e r sa r ea v a i l a b l et o m a k et h es c h e m ea c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c e 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 nt e c h n o l o g yb a s e do ns o ai ss t u d i e df u r t h e ri n c h a p t e r4 i ti sa n o t h e rm o s ti m p o r t a n tt o c h n o l o g yf o ro p sn e t w o r k s 1 an o v e lp a c k e th e a d e re x t r a c t i o nb a s e do ns o ai n s e r t e dd ii ss t u d i e dt or e s o l v e t h ep r o b l e m so fh i g hr e q u i r e di n p u ts i g n a le 1 1 e r g y , l o wc o n t r a s tr a t i oa n du n s u i t a b l ef o r h i g h - 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 s s i m u l a t i o nr e s u l t sa l eg i v e nw h e np a c k e tr a t ei s 8 0 g b i t s ，c o n t r a s tr a t i oi so v e r18 d b i nt h ep r e m i s eo ft h es a m ep a r a m e t e r s ，w h e n p a c k e tp a y l o a dr a t ei s4 0 g b i t s ，t h ec o n 仃a s tr a t i oo fs o ai n s e r t e dd is c h e m eh a s5 d b i n c r e a s i n gc o m p a r e dw i t ht h e 耐g i n a ls c h e m e s t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r ea c h i e v e d t og e tb e t t e rp e r f o r m a n c e 2 m e a n w h i l e ，an o v e ls c h e m eo fs o ai n t e g r a t e dm z ii sd i s c u s s e da c c o r d i n gt o s o a - x g mc h a r a c t e r i s t i c t h es i m u l a t i o n sv e r i f i e d t h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si s a p p r o p r i a t e c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gs o a - m z is c h e m e ，i ti sn o to n l ys u i t a b l ef o r t h eh i g h - s p e e da l l - o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k sb u ta l s of a v o r a b l et or e d u c et h es y s t e m c o s ta n dc o m p l e x i t yg r e a t l y k e yw o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k , 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 ls e l f - s y n c h r o n i z a t i o n , p a c k e th e a d e re x t r a c t i o n , s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) ，c o n t r a s tr a t i o i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与选题意义 随着全球互联网( l n t e r n e t ) 的迅猛发展，数据通信在通信业务总量中迅速上升， 无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带宽来讲，都比过去大很多， 它的增长使得直接需要的系统带宽以数量级的形式增长。因此，如何增加系统带 宽，以满足不断增长的业务需求，成为业界关心的焦点。为了满足业务对快速增 长的带宽需求，w d m 传输技术应用而生，随后密集波分复用【1 2 1 技术也获得迅速 发展。它们使海量的数据传输和交换成为了可能。而光交叉连接设备和光分叉复 用设备的出现，进一步推动了通信的发展，先进的光传输技术给我们带来了几乎 取之不尽的带宽资源，同时对通信网不可或缺的交换节点的处理能力提出了越来 越高的要求。 为了进一步发挥w d m 传输技术和光纤通信的优势，满足层出不穷的业务对带 宽及速率的需求，解决传统电子式交换的光电光转换的瓶颈问题，我们需要研究 和发展核心交换节点具有几百t 比特每秒处理能力的光交换技术，发展光交换技 术势在必行。在w d m 光网络向全光网络演进的过程中，需要在光域内完成网络 的优化、路由、保护、和自愈等功能，以实现网络的高速率，提高网络重构的灵 活性和生存性。所以在某种程度上，光交换技术决定了全光通信网的发展。所谓 的光交换指不经过光电转换，而在光域内直接将输入光信号交换到不同的输出端。 目前，光网络中的交换技术主要有三种：光路交换【3 , 4 o c s ( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ) ，光分组交换o p s 5 - 7 ( 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 o b s e 8 ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。 1 、光路交换技术 光路交换技术，是基于波长粒度的光交换，即波长路i 扫( w a v e l e n g t hr o u t i n g ) ， 它是电路交换在光域内的延伸，目前其研究已经比较成熟，并逐步得到应用。o c s 主要利用o a d m 、o x c 等设备来实现，中间节点不使用光缓存。 根据交换对象的不同，光路交换又分为时分交换技术、波分交换技术、空分交 换技术、码分交换技术及混合型光交换技术。光时分交换以时分复用为基础，是 指将光信号在时间轴上的某一位置交换到其它位置；光波分交换以波分复用原理 为基础，将载波信息从一个波长交换到另一个波长；光空分交换技术是指光信号 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在空间的不同点之间建立交换通路，是o c s 最简单的一种方式；光码分交换则是 将一个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换；混 合型的交换技术是指以上的光交换技术复合起来应用，可以更好的发挥各自的优 势，满足实际应用的需要。 2 、光分组交换 光分组交换试图直接在光层上实现精细粒度的分组交换，能够实现统计复用， 且带宽的利用率高，适合于传输类似的突发数据业务。 o p s 是一种未来发展前景良好的先进技术。o p s 的发展已有很多年的历史，世 界上很多国家从事这方面的研究，并取得了一定的研究和实验结果。与传统的光 网络相比，o p s 网络具有高速、大吞吐量、低时延、业务和比特率透明等突出优 点，能够高效地承载口业务。 根据光分组是固定长度还是非固定长度，将o p s 分为同步和异步工作方式。 同步o p s 是基于时隙的交换，光分组进入交换矩阵前要进行同步，有较高的吞吐 率。异步o p s 适应于p 分组是变长的特点，不需要同步，但控制和调度比较复杂， 吞吐率比同步o p s 低。 o p s 是分组交换技术在光层的渗透和延伸，也就是说以光分组的形式来承载上 层数据。在o p s 网络中，业务数据和分组头一起放置在一个固定长度的时隙内， 理想上的光分组交换是传输、交换和控制完全在光域中进行，即是全光的分组交 换，然而这种交换系统对全光逻辑器件的性能要求较高，目前的光逻辑器件水平 相对较弱，因此，目前的o p s 网络中有关与分组的产生、同步、缓存、再生、识 别、提取、重写以及分组之间的功率均衡等技术，大部分还停留在理论研究和实 验室阶段。 3 、光突发交换 o b s 的主要思想是将o c s 与o p s 相结合，可看成是二者的一个折中方案，交 换粒度介于上述二者之间，突发包是o b s 最基本的交换单位，是多个光分组的集 合。突发是由具有相同的出口路由器地址、符合相同服务质量( 0 0 s ) 要求的p 分组 组成，每个突发包包含数据分组和控制分组两部分。在o b s 网络中，节点分为边 缘节点和核心节点。边缘节点负责突发数据包的重组和拆分；核心节点则完成突 发数据的路由转发。o b s 作为迈向o p s 的过渡，其交换原理是将数据分组与控制 头分离，控制头先于分组一个偏置时间到达核心节点，其中携带了数据分组的长 度和路由信息，采用单向资源预留机制，控制分组为数据分组安排带宽和交换设 置。在实际网络中，控制分组与数据分组在分离的时间和信道上传输，控制分组 可以经过o e 转换，而数据分组在一个偏置时间后，在已经预留的光信道上进行 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 传输，不需要光电光转换，减少了对光器件的依赖。但是o b s 仍存在一些问题， 比如突发数据的封装、竞争的解决等，其距离大规模商用还需要一段时间。 1 2 光分组交换与光分组网技术概述 光分组交换是指在数据包的传输程中，数据包的净荷部分保持在光域中，数据 包的头部可以在中间交换节点处经过或不经过o e o 转换，即净荷在光域中进行 透明传输，而路由在电域或者光域中进行。光分组交换大都使用混合的解决方案， 即传输与交换在光域中进行，路由和转发功能以电的方式实现。但近几年中，全 光的分组头处理技术得到了广泛的研究，并且取得了一定的成果。 1 2 1 光分组交换网的网络结构 图1 2 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【9 】、光分组头的提取与处理o o , n 】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【1 2 】，边缘节点主要是完 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 2 光分组交换网网络结构 1 2 2 光分组交换节点结构 o p s 节点不局限于简单的交换矩阵，其大体上分为三大部分【1 3 1 ，即输入模块、 交换矩阵与路由控制单元、输出模块，如图1 3 所示。 输入模块的功能是光信号的预放大和同步、分组头的识别、净荷定位、分组头 提取、光信号缓存以及波长转换功能；交换矩阵在路由控制单元的作用下完成分 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 组的寻路、冲突解决、分组头擦除并管理引入的填充光以保证无负载时系统能连 续运行。交换矩阵和接入模块之间要配置光缓存单元，以便在分组头处理和交换 配置过程中缓存净荷数据；输出模块的功能是配合净荷定位与分组头插入操作， 有时也完成资源冲突解决。o p s 节点的核心是由交换单元组成的交换矩阵，其根 据控制模块的指令完成净荷的交换，在很大程度上决定了节点交换速率和吞吐量。 输入模块交换矩阵 输出模块 图1 3 0 p s 节点结构图 1 2 3 光分组交换关键技术 1 、光分组编码方案 在o p s 网络中，光分组由分组头与净荷两部分组成。对于光分组的编码【1 们方 案国内外学者做出了很多尝试，目前，光分组的编码方案大致分为串行编码【1 5 ，1 6 】 方式和带外信令方式，有时也称时域标记法和频域标记法，如图1 4 所示。 图1 4 光分组的串行编码方式 串行编码是指分组头与净荷在同一波长信道上串行传输，光分组之间以及 分组头与净荷之间要留出保护时间。串行编码技术可以细分为比特间插和包间插 两种。包间插方法又可以细分为相同速率和混合速率两种。在相同速率的间插方 法中，分组与净荷串行，且带宽相同；在混合速率方法中，分组头比特与净荷比 特仍然串行，但分组头的带宽远小于净荷带宽。 副载波调制技术( s c m ) u 刀是带外信令的一种。在副载波中，分组头与净荷 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 占用同一个波长。净荷速率较高，调制在基带上；分组头速率较低，调制在比基 带频率稍高的副载波上。但s c m 中，带宽增加时，净荷频段不断向副载波靠近， 因此，副载波的存在会限制净荷带宽的进一步增加，并且有可能产生非线性串扰 和非线性效应，光分组的带外信令法如图1 5 所示。 九 图1 5 光分组的带外信令标记法 串行编码技术能够更好地利用带宽，支持低层功能。包的相同速率间插法可以 更好地支持高层功能、更容易完成分组脉冲的识别、更易于实现分组级的同步。 包的混合速率间插法中，分组头的速率相对较慢，有利于在光域中处理；带外信 令标记技术中，分组头不占用数据信道的带宽，因此不会影响网络的吞吐量和带 宽的利用率，但需要采用相应的延进补偿技术，并可能产生串扰和非线性效应。 2 、交换策略与大容量光交换矩阵 光交换矩阵是o p s 核心节点的关键部分，它为光分组选择路由并处理输出端 口的竞争问题。另外，交换矩阵还应具有光分组缓存功能，对于本地节点同时完 成上下路功能。根据交换开关类型的不同，o p s 交换结构分为波长路由交换( w r s ) 、 广播选择交换( a s s ) 、空间光开关结构。 3 、有效冲突解决机制 当2 个或以上同一波长的数据同时去往o p s 核心节点的同一个输出端时，就 会发生对输出端资源的竞争，从而有可能使竞争失败的光分组受阻或丢失，这时 就发生了输出端竞争。冲突解决方案是影响o p s 网络的重要因素，它在很大程度 上决定着o p s 网络的利用率、丢包率、光分组的平均跳数、平均时延等。 目前，竞争解决机制【1 8 】大体上分为三类：1 ) 、偏射路由，是一种在物理空间上 解决冲突的方法，即当发生竞争时，只有一个光分组能够从端口输出，而其光它 分组则被路由转发到其它空闲端口；2 ) 、光缓存技术是一种在时间上解决竞争的一 种方法，如f d l ；3 ) 、波长变换是将发生冲突的光分组转换到其它空闲的波长上 再输出，是一种在波长空间上解决冲突的方法。 这三种冲突解决机制分别从时间域、空间域和波长域上实现冲突解决。波长变 换非常有效，并且在解决冲突的同时并不引起光分组额外的延时。但其价格比较 昂贵；偏射路由花费最小，但其缺点是它将冲突负担分给了整个网络，导致整个 网络吞吐量下降；光缓存介于二者之间。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 4 、高速全光逻辑器件 w d m 链路提供了大容量的带宽，但电子瓶颈影响了节点的处理与交换速率， 而使得单波长光纤的速率没有达到理想程度。想要真正摆脱电子瓶颈的束缚，全 光网络是必然，然而在全光信号处理技术中全光逻辑又是重中之重，它在光交换、 3 r 再生、伪随机序列的产生、分组头处理、时钟提取等技术中都是必不可少的。 目前，大多的全光逻辑器件都是依靠超高速的非线性效应来实现的。另外，o p s 网络的关键技术还包括分组的路由算法、流量整形、通道的保护和恢复机制、信 号损伤及补偿技术等，这里不做详细描述。 5 、高速全光信号处理技术 目前，o p s 节点采用电控光交换的方式，限制节点的处理速率，影响了网络的 吞吐量。未来o p s 的发展方向是光控光交换，即智能化的全光网络。要实现整个 网络的全光化和智能化，技术难点是如何实现高速的全光信号处理，其关键技术 主要有：全光分组再生技术、全光自同步时钟提取技术、全光分组头提取技术、 3 r 再生技术、全光波长变换技术、全光码型变换技术等。近几年，随着光逻辑器 件水平的不断上升，特别是基于s o a 的全光逻辑门技术的不断成熟，高速的全光 信号处理技术得到了长足的发展，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，有关于高速全光信号处理技术的几个关键技术的细节将在1 3 节中介绍。 1 2 40 p s 网络的研究现状及发展趋势 尽管o p s 系统中很多关键技术还在集中研究和发展阶段，距离商用还有很长 的一段路要走，但其优秀的网络性能和发展前景已经让业内专家相信o p s 将是下 一代网络的最佳解决方案，因此o p s 已经受到越来越多的科研机构和产业机构的 重视，并对o p s 系统架构、关键技术、高速逻辑器件等方面展开了深入的研究， 这使得o p s 阵营呈现蓬勃发展的局面。 国际上有许多著名的研究机构正在致力于o p s 节点、网络、关键技术等的研 究。例如美国的w a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 等；加拿大的u n i v e r s i t yo f o t t a w a 、u n i v e r s i t y o ft o r o n t o 等；欧洲有英国的u n i v e r s i t yo fs t r a t h e l y d e 等、荷兰的e i n d h o v e n u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 、丹麦的u n i v e r s i t yo f d a n m a r k 、法国电信等；最早开始的 项目有w a s p n e t 和k e o p s 项目。在亚洲有中国香港中文大学、香港城市大学、 日本的o s a k au n i v e r s i t y 、富士通公司、n e c 公司等；国内对于o p s 的研究起步晚 于欧美，主要的研究机构有北京邮电大学、清华大学、北京大学、上海交通大学、 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 重庆邮电大学等相关实验室，总体上的研究水平及规模都落后于国外。 目前，p 层正不断向光层靠近，以p 为代表的数据业务占据网络业务的主导 地位，基于d w d m 传输技术和以o x c o a d m 为主体的光交换系构成了今天的光 网络，并且逐渐向着更适合数据业务的3 t 光网络演进。 1 30 p $ 网络中关键的全光信号处理技术 目前，o p s 仍是电控光交换，由于电子瓶颈，未来o p s 发展趋势是光控光交 换，即全光网络。而在全光网络中全光信号处理技术又是关键，诸如信号放大再 生、分组头处理、路由控制、分组调度、交换控制与交换、缓存等。未来的趋势 是实现所有信号处理方式的全光化，本节将介绍论文所研究的o p s 网络中两种重 要的全光信号处理技术。 1 3 1 全光自同步技术 全光自同步技术即全光自同步时钟提取技术，是全光信号处理关键技术之一， 提取的标记脉冲可以作为时钟信号，由于提取的时钟信号与原光分组是自同步的， 因此称其为自同步时钟信号，是同步光分组网的重要因素。标志脉冲的提取是保 证对光分组进行高速全光处理的基础，如分组头提取、分组头的擦除、全光再生 等。提取的时钟信号质量的好坏直接影响着传输节点对光分组的正确识别和处理。 在异步o p s 网络中，分组长度可变，可以出现在任意时刻，节点必须对其进 行折分、重组，不必实施分组级的同步，但控制机制复杂，而且核心节点发生冲 突的几率较同步o p s 相比更大些，因此，同步o p s 网络有更大的吞吐量，则大部 分研究集中于同步o p s 网络。在同步的o p s 网络中，o p s 节点必须在几百纳秒内 完成光分组处理的整个过程，而这一过程的前奏则是需要对到达的光分组进行分 组级的同步，进而迅速、正确地实现分组头的识别和净荷定位。 光锁相环等电域内较成熟的技术可以实现精确的时钟提取，但其识别时间较 长，不适用于高速的光分组交换网。近几年来，随着光逻辑器件的飞速发展，利 用光逻辑器件实现自同步时钟信号的提取得到广泛的研究，尤其是基于半导体光 放器的全光自同步时钟提取技术。 1 3 2 全光分组头提取技术 o p s 网络的光分组由分组头和净荷两部分组成，分组头中包含了目的地址信 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 息、优先级、路由和控制信息等。o p s 核心节点需要获取分组头所携带的相关信 息才能确定光分组的下一跳。为了实现上述功能，分组头的提取和处理是必然的， 并且在输出端口处，还需将新的分组头插入到净荷光脉冲的前面，产生新的光分 组，并将其路由转发到下一跳。 o p s 网络与传统的电子网络不同，其带宽比较大，速率比较高，目前大部分的 分组头提取技术是在电域内完的，使用电控光交换的o p s 网络已经成熟。虽然电 和光都可以在吉比特每秒的情况下检测和辨识分组头，但在如此高的速率下，要 求每个节点快速、准确地完成对整个分组头处理，电域内存在一定的技术难度， 这就是众所周知的o p s 电控光交换中的电子瓶颈问题。随着技术的发展，副载波 技术进入了人们的视线。在s c m 技术中，分组头容易提取，但对净荷速率有一定 的限制，不适用于高速甚至超高速光网络。 随着光逻辑器件的飞速发展，半导体光放大器的非线性特性引起了业界的广泛 兴趣，他们尝试利用s o a 的一些非线性特性来完成s c m 分组头的提取，国内外 有很多专家和学者从事这方面的研究，并取得了相当的成就。近几年来，研究者 们将目光转移到了利用s o a 的非线性特性，在全光环境下完成分组头的识别、净 荷定位、分组头提取和刷新的整个过程，并且取得了相当的成就。该方案的原理 是：分组采用串行编码方案，利用s o a 的非线性特性将分组头信号提取出来、利 用全光逻辑门技术完成分组头刷新、接着将产生的新分组头置于净荷前面，中间 留有一定的保护间隔，实现全光情况下的分组头识别、提取、刷新并同时完成光 分组的放大。全光的分组头提取可以减少净荷在核心节点处的等待时间，提高节 点的交换速率和网络的吞吐量。并且对于o p s 而言，未来的发展方向是光控光交 换，这样的分组处理技术恰好也符合了技术发展的方向，是大势所趋。因此，利 用半导体光放大器的非线性特性实现全光的分组头提取，值得学者们深入研究。 此外，全光信号处理技术还有3 r 再生、全光波长转换、全光码型转换等，这 里仅描述与论文息息相关的两种重要的全光信号处理技术。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本论文对全光自同步技术及分组头提取技术展开了深入研究。在对s o a 进行 数学建模的基础上，改进现有的全光自同步及分组头提取方案。章节安排如下： 第一章，回顾光网络的发展，主要介绍o p s 网络的关键技术以及实现全光交 换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重 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 要参数；描述与论文息息相关的s o a 的动态特性、分析s o a 在全光分组头处理 技术中应用的理论模型、s o a 重要的非线性特性。 第三章，针对串行编码的光分组格式，改进现有的基于s o a d i 的全光自同步 方案。首先对工作原理进行了形象的分析与描述，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 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，进一步证明方案改进的价值。接着 研究基于s o a - m z i 单臂调制的全光t l 同步方案，给出分组速率为8 0 g b i t s 的仿真 及结果，对其进行参数分析并显示与非对称s o a m z i 自同步方案的性能对比结果， 证明了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 嵌套d i 的全光自同步方案。对其结构及工作 原理展开分析。利用串行编码格式、高斯调制的r z 光分组脉冲对该方案进行仿真 模拟和仿真分析，并给出分组头速率为8 0 g b i t s 时的仿真和参数分析结果。接着 研究基于s o a 串联m z i 的提取方案，改变s o a 理论模型，进行仿真模拟和参数 分析，s o a 参数与输入信号参数在方案性能中起着重要的作用：较大的s o a 载流 子恢复时间、较大的输入能量有利于系统性能的提高，而较小的s o a 饱和能量、 较小的线宽增强因子也有利于方案性能的提高，其中载流子恢复时间对对比度影 响剧烈。 第五章，总结全文及未来工作展望。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章s o a 及其在全光信号处理技术中应用中理论基础 第二章s o a 在全光信号处理技术中应用的理论基础 2 1 研究现状 半导体光放大器( s o a ) 的研究始于二十世纪六十年代，在光纤通信中，其应用 分为线性放大和非线性特性两个方面：线性放大的研究主要集中在s o a 饱和增益、 噪声、饱和输出功率等主要的特性上。近年来，随着光纤通信技术的迅猛发展， s o a 非线性特性引起学者广泛的兴趣，其研究集中在波长转换、3 r 再生、光分组 头处理及全光逻辑门上。半导体光放大器具有体积小、功耗低、易于与其它光电 子器件集成等优点，以及非线性优势，在光纤通信方面的应用将有着广泛的前景。 s o a 的线性放大工作在未饱和状态，而非线性应用则工作在饱和状态。本章 介绍半导体光放大的基本结构、原理、s o a 的基本特性、几个重要参数，在此基 础上分析s o a 在全光信号处理技术中的理论基础及与本论文相关的非线性特性。 2 2 半导体光放大器的结构及基本原理 2 2 1 半导体放大器的结构及工作原理 图2 1 为半导体光放大器的结构示意刚19 1 ，分为有源区和无源区。其工作原理 与激光二极管类似，其中间部分是有载流子存在的有源区，它是由加在半导体p - n 结上的正向偏置电流注入的。s o a 两端施以抗反射涂层，以减小半导体材料与空 气分界面上的菲涅尔反射。对于双异质结构的半导体光放大器，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的材料。 输出 图2 1 半导体光放大器结构图 其基本结构是一个半导体p n 结。把p 型材料与n 型材料相邻放置就形成一个 p - n 结口0 1 。此时由于两边载流子的密度差，引起多数载流子的扩散运动。p 型半导 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章s o a 及其在全光信号处理技术中应用中理论基础 体的空穴向n 区扩散，留下带负电的电子，在界面上形成了一个带负电的电荷区。 同理，n 型半导体的电子向p 区扩散，从而在界面上形成一个带正电的电荷区。 这样形成一个由n 区指向p 区的内建电场，然而内建电场会使得p 区的电子向n 区漂移，而n 区的空穴向p 区漂移，这个漂移运动和扩散运动的方向恰好相反， 具有阻止载流子进一步扩散的作用。随着扩散运动的进行，内建电场逐步加强， 最终扩散运动和漂移运动将达到平衡。这时，空间电荷区具有一定的宽度，内建 电场也不再进一步加强而达到一定的值。空间电荷两侧具有一定的接触电势， 称其为接触势垒【2 1 1 ，如式( 2 1 ) 所示。 内建电场 一- p 型+n 型 半导体 + 半导体 十 耗尽区 ：堕兰式( 2 1 ) e _ - 一- 一f - l ， p 型 n 型 半导体 半导体 e p _ 菡鬣茹 一一一一一一t 一 寸划一呕：、葛釜- 上 il 一一一一+ i 一一一i l - - - - - - - e ，l 嘿、：呕 嗽f 、：眍 ( a ) 半导体p - n 结( b ) p - n 结形成前p 区和n 区的能带图( c ) p - n 结能带图 图2 2 半导体p - n 结及p - n 结能带图 2 2 2 载流子的注入与p - n 结的光增益 p - n 结的电致发光和提供光增益的能力是制作s o a 的基础。如果p - n 结两端 加正向偏置电压v ，则p - n 结势垒在外电场的作