（光学工程专业论文）光分组交换中基于fpsoa的全光信号处理技术研究.pdf

摘要 摘要 在当前光网络的发展中，现有网络节点的光电( 电光) 处理能力的局限已经成 为进一步扩大带宽的“瓶颈”，为了解决这一问题，引入了光分组交换。为了实现真 正意义上的全光分组交换，全光信号处理技术的研究迫在眉睫。半导体光放大器 ( s o a ) 与掺饵光纤放大器( e d f a ) 相比，具有体积小、功耗低、可集成等优点，而其 中的法布里泊罗半导体光放大器( f p s o a ) 具有一些特殊的增益特性，较为适合应 用于全光信号处理技术中本文主要针对f p s o a 的特性及其在光分组交换网络 中全光信号处理方面的应用进行研究，主要工作内容如下： 1 ) 基于s o a 的载流子浓度的速率方程和光在s o a 中传播的光场方程，并采用分 段模型以及矩阵求解方程组等方法，建立了f p s o a 的数值模型，并通过仿真 得到了f p s o a 的增益与载流子浓度和波长的关系特性。 2 ) 提出了一种基于f p - s o a 的增益特性来实现标签与净荷分离的全新方案，主要 利用了f p - s o a 增益与载流子浓度的依赖关系；提出了两套具体的实现方案并 对它们分别进行了优化。方案一可实现对比度为9 5 d b 的标签提取和对比度为 6 2 5 d b 的标签擦除；方案二可实现对比度为1 0 5 5 d b 的标签提取和对比度为 6 4 5 d b 的标签擦除。 3 ) 提出了一种基于f p s o a 的增益特性实现全光逻辑与门的新方案，主要利用了 f p s o a 增益与载流子浓度的依赖关系；对方案的可行性进行进一步研究，发 现信号在不同输入模式组合的情况下会呈现出不同的与门输出效果，并对此进 行了分析与讨论；对输入信号的参数对系统性能的影响进行了分析。该方案的 特点是采用全光处理方式，避免了电光转换的瓶颈，并且只需要一个f p - s o a 来实现与门，原理简单，易于实现。 关键词：光分组交换，全光信号处理，法布里泊罗半导体光放大器，标签处理， 全光逻辑与门 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt l 增r e c e n td e v e l o p m e n to f o p t i c a ln e t w o r k , t h el i m i to f t h eo e ( e 幻) p r o c e s s i n g c a p a b i l i t yi nt h ee x i s t e dn e t w o r kn o d e sh a sb e e nt h eb o t t l e c kt of u r t h e ri m p r o v et h e b a n d w i d t ho ft h en e t w o r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ( 0 p s ) i si n t r o d u c e dt os o l v et h i s p r o b l e m f o rr e a l i z i n gt h ea l l - o p t i c a lp a c k e ts w i s hi nd e e d ，t h er e s e a r c ho fa l l - o p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n gi sq u i t eu r g e n t c o m p a r i n gt ot h ee r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f 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 ( s o a ) h a st h ea d v a n t a g eo 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 d t h e p o s s i b i l i t y o fi n t e g r a t i o n s i n c et h e f a b r y - p e r o 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 ( f p - s o a ) h a ss o m es p e c i a lg a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n di s a d a p t e dt ob eu s e di nt h ea 1 1 o p t i c a ls i g n a lt e c h n o l o g y , t h es p e c i a l i t yo f t h ef p s o aa n d t h ea 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 yi nu s eo ft h ef p - s o ai nt h eo p t i c a lp a c k e t s w i t c hn e t w o r ki si n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 b em a i nr e s e a r c hw o r k s 啦a s f o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h ec a r r i e rr a t ee q u a t i o no fs o aa n dt h et r a v e l i n g - w a v ee q u a t i o nf o r s i 鹊a lw a v ei ns o a ，t h en u m e r i c a lm o d e lo ff p - s q ai se s t a b l i s h e dw i t ht h e m e t h o do f f r a g m a n tm o d e la n dt h em e t h o do f r e s o l v i n gt h ee q u a t i o n sb yt h em a t r i ) 【； 1 1 1 er e l a t i o n s h i po ft h eg a i na n dc a r r i e rd e n s i t ya n dt h ec o n n e c t i o no ft h eg a i na n d w a v e l e n g t ha 地d e r i v e df r o mt h es i m u l a t i o no nt h ef p s o am o d e l 2 ) an o v e ls c h e m et or e a l i z et h el a b e la n dp a y l o a ds e p a r a t i o nb a s e do nt h eg a i n p r o p e r t yo ff p - s o ai sp r o p o s e d ，w h i c hm a i n l yu t i l i z e st h ed i f f e r e n c eo ft h ep u l s e w i d t ho ft h el a b e la n dt h ep a y l o a dt oi m p l e m e n tt h ed i f f e r e n tg a i n t w os p e c i f i c s c h e m e sa r eg i v e na n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r eo p t i m i z e dt os o m ee x t e n t i nt h ef i r s t s c h e m e 1 a b e la b s t r a c t i o na n de r a s i o nc a nb er e a l i z e dw i t ht h ec o n t r a s tr a t i oo f 9 5 d ba n d6 2 5 d b ；i nt h es e c o n ds c h e m e 1 a b e la b s t r a c t i o na n de r a s i o nc a nb e r e a l i z e dw i t ht h ec o n t r a s tr a t i oo f1 0 5 5 d ba n d6 4 5 d b 3 1an o v e ls c h e m eo fa l l - o p t i c a la n d g a t eb a s e do nt h eg a i np r o p e r t yo f f p - s o ai s p r o p o s e d ，w h i c hm a i u l yu t i l i z e st h er e l a t i o n s h i po fg a i na n dc a r r i e rd e n s i t yi n f p - s o a t h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ei sf u h h e ri n v e s t i g a t e da n dw ef i n dt h a tt h e a n d g a t ew i l lp r e s e n td i f f e r e n to u t p u tr e s u l tw h e ni n p u ts i g n a l sa r ei nd i f f e r e n t i i a b s t r a c t i n p u tp a t t e r nc o m b i n a t i o n t h ee f f e c to ft h ei n p u ts i g n a lp a r a m e t e r so nt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei sa l s od i s c u s s e d t h i sa n dg a t es c h e m ea d o p tt h ea l l o p t i c a lw a y w h i c ha v o i d st h eb o t t l e n e c ko fe l e c t r o o p t i cc o n v e r s i o n , o n l yn e e d so n ef p - s o a d e v i c e ，h a ss i m p l ep r i n c i p l ea n di se a s yt oi m p l e m e n t 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 ，a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g , f a b r y - p c r o 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 ( f p s o a ) 1 a b e lp r o c e s s i n g , a l l o p t i c a ll o g i ca n d g a t e i l l 缩略字表 d i d p s k e a m e d f a 缩略字表 延迟干涉仪 d i f f c r c o t i a lp h a s es h i f tk e y i n g差分相移键控 电吸收调制器 e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r掺饵光纤放大器 f p s o a f a b r y p e r o ts 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法布里一泊罗型 半导体光放大器 i w c m z i i n t e r f e r o m e t r i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e r m a e h - z e h n d e ri n t e r f c r o m e t e r 干涉型波长转换器 马赫一曾德尔干涉仪 n o l m n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r非线性光环路镜 o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h光分组交换 o t d m o p t i c a lt h n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g光时分复用 0 b s 0 0 k s c m s o a o p t i c 脚b u r s ts w i t c h o n - o f f k e y i n g 光突发交换 开关键控 副载波复用 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半导体光放大器 太赫兹光学非对称 解复用器 t w - s o a t r a v e l i n gw a v es e m i c o n d u c t o ro p t i c a l行波半导体光放大器 a m p l i f i e r v l 缩略字表 u n i w d m x g m ) m u l t r a f a s tn o n l i n e a ri n t e r f e r o m e t e r 超高速非线性干涉仪 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 c r o s s - g a i nm o d u l a t i o n c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n 波分复用 交叉增益调制 交叉相位调制 x p o l mc r o s s - p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o n交叉偏振调制 v h 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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：逃i 整 日期：年 月日 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：帐献导师签名：即久 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光分组交换及其关键技术 分组交换技术最早是在1 9 6 1 年由p a u lb a r r a n 博士等人提出，并在1 9 6 4 年公 布于世 i - 2 1 。最初的想法是：出于保密通信的需要，将信息拆分成小块( 即分组) ， 以分组为单位发送信息，各个分组通过存储转发方式经由不同路径到达接收端， 然后再被组合复原。 光分组交换( o p s ) 是分组交换技术向光层的延伸，是以光分组为单位实现对波 长通道的统计复用，其中，净荷的传输和交换在光域中进行，信头处理和控制可 在光域或电域中完成。由于o p s 对全光器件的性能要求比较高，而目前全光逻辑 器件的功能还比较简单，不能完成控制部分所需要的复杂处理功能，因此，国际 上现有的光分组交换单元还要由电信号来控制，即电控光交换，将来随着全光器 件技术的发展，最终发展趋势将是光控光交换。 为了满足通信业务对带宽的需求，世界上许多国家采用波分复用( w d m ) 技术 对已铺设的光纤线路进行扩容。然而，在通信网络节点仍需光电( 电光) 转换和电 信号处理，克服电子瓶颈的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。光 分组交换( o p s ) 网属于分组级的光信号处理，和光时分复用( o t d m ) 相比对光器件 工作速度的要求大大降低，与w d m 相比能更加灵活、有效地利用带宽，提高带 宽的利用率。光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，是下一代全光网络 技术，应用前景广阔。 光分组交换的关键技术主要包括以下几个方面： 1 ) 光分组编码方案 随着m p l s 技术的发展，人们将标签交换的思想引入o p s p 4 】，将光分组分成 携带路由信息的光信头( o p t i c a lh c a d c 0 或光标签( o p t i c a ll a b e l ) 和数据净荷( o p t i c a l p a y l o a d ) ，光分组在o p s 节点完成标签的识别和路由查找，更新后的光标签与光净 荷形成新的光分组继续进入光网络传输。按照光标签的不同编码方式，可以将其 分为时域标记和频域标记等几种类型。所谓光时域标记法，是光标签和光净荷在 同一波长通道上串行传输，故也叫串行编码睁叼，在光标签与净荷之间加入保护时 间，以补偿标签提取延时和净荷的时间抖动；频域标记则是光标签和净荷采用不 电子科技大学硕士学位论文 同的频率( 波长) ，在频率上将它们分开，最典型的是副载波复用( s c m ) 法p ”j 。 由欧洲a l c a t e l 公司等联合发起的k e o p s 项目采用的是串行编码方案，如 图1 1 所示。在该交换方案中，其光分组的光信头和数据净荷在同一波长上传输， 光信头采用较低的传输速率6 2 2 m b p s ，共1 4 b i t ，时长1 8 0 n s ；光净荷数据以2 5 g b p s 的速率传输，时长1 3 5 u s ；保护时间大于2 6 n s 。光信头中，包含了分组的路由信 息、净荷类型标识、差错校验等功能。k e o p s 的交换节点主要由三部分组成：1 ) 输入接口实现对输入的分组进行同步，实时地将分组与交换时钟对准；2 ) 交换矩 阵将输入分组送往所需的输出路由，解决可能的竞争冲突；3 ) 输出接口完成光 信头的重写，在幅度和时间上对数据进行3 r 再生，实现光分组的更新。 图l 一1k e o p s 的分组格式 2 ) 光交换矩阵 交换矩阵的结构大致有纯粹的空分交换型、波长广播一选择型、波长路由型 和近来出现的混合型。目前已推出产品的光交换单元有阵列波导光栅、半导体光 放( s o a ) 开关、微电机械系统和l i n b 0 3 声光开关几种。其中，阵列波导光栅、s o a 开关和l i n b 0 3 声光开关的动作速度较快，适用于光分组交换矩阵。o p s 网络一般 要求交换单元的动作时间在纳秒级，并且要求节点在几百纳秒内完成对光分组的 整个处理过程。现有的几种交换矩阵结构，其在处理速度以及容量等性能上都有 待于进一步的提高。 3 ) 冲突解决机制 在o p s 节点中，当同一波长的多个光分组同时去往某一输出端时，就会发生 冲突。冲突解决方案主要有三种：( 1 ) 通过偏射路由技术在物理空间上解决冲突， 即仅有一个光分组可以在输出端1 3 得到服务，其余的所有光分组都会被发送到其 他的空闲端1 ：3 ，沿着非最小路由被转发；( 2 ) 通过光缓存技术在时间上解决冲突； 2 第一章绪论 【3 ) 通过波长转换技术在波长空间上解决冲突。它利用波长转换器转变光信号的波 长，将发生冲突的光分组转换到其他的空闲波长信道上再输出。 这三种冲突解决方案分别从时间域、空间域和波长域解决冲突。每一种方案 都有各自的优缺点。最近的实验和计算仿真研究表明：利用三种方案的结合能很 好的解决光分组冲突。三种方案的整合可以发挥各自优势，克服方案的不足，起 到相互补充的作用。 4 ) 全光逻辑器件与信号处理 尽管目前o p s 的控制部分是在电域实现，但是未来发展方向是光控光交换系 统。光控光交换不需要光电转换完全在光域实现信头处理、净荷定位、时钟提取、 信号再生、光分组自路由和光信号编码等控制功能，而这些功能一般都需要基于 全光逻辑器件来实现。 目前全光逻辑器件大都依靠超高速的非线性效应来实现，相关的非线性媒质 包括非线性光环路镜( n o l m ) 、t h z 全光非对称解复用器( t o a d ) 、超高速非线性 干涉仪( t y r o ) 、干涉型波长转换器( i w c ) 、马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 、延迟干涉仪 ( d d 、电吸收调制器( e a m ) 和半导体光放大器( s o a ) 等。已试验成功的全光逻辑器 件有全光异或门、与门、或t # f - j 、与t i e f - j 等 1 2 全光信号处理技术 由于电子瓶颈的存在，光分组交换网络中，往往需要采用全光信号处理技术 0 4 q 7 。特别是在单信道速率超高4 0 g b s 的系统中，全光信号处理更是不可避免。 按照逻辑功能分，光分组交换节点可以分成分组处理、信头处理及交换控制、路 由计算、分组调度、交换和缓存六个功能模块，如图l - 2 所示。 通常光分组由信头( 标签) 和负荷两部分组成，当光分组到达交换节点处时，分 组处理模块首先将信头与负荷分离，其中信头被送到信头处理模块，而负荷则被 送到交换模块。信头处理模块进行信头识别，提取其中的路由信息，再由路由器 进行路由计算，指出光分组应该到达的下一跳节点，进而控制交换矩阵完成相应 的交叉连接配置。与此同时，还要为光分组生成新的信头，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。 电子科技大学硕士学位论文 厂一1 、 先 曩煳电n 馘涵盛煳 图l - 2 光分组交换节点功能框图 由光分组交换的节点功能可以看出，光分组交换网络需要对入射信号进行信 号放大再生、分组处理、信头处理及交换控制、路由计算、分组调度、交换和缓 存。对信号的处理过程可以采用全光或者光电光两种方式实现，由于光电光的操 作方式过程复杂，难以实现4 0 g b s 以上速率的信号处理，未来的趋势是实现信号 处理的全光化，要实现这一过程，可集成、智能化的全光处理器件必不可少。在 下面的两小节中，我们将重点介绍全光信号处理技术中的两个关键技术，即标签 与净荷分离技术和光逻辑门技术。 1 2 1 标签与净荷分离技术 数据分组的信头( 标签) 包含o p s 网络中交换和传送有效负载所必需的信息。 信头处理如果用电子处理技术，其速率将限于几十g b i t s ，因而o p s 有必要采用 光的标签处理，9 0 年代初已经开展全光标签处理的研究，但未达到预期目的，还 需要对标签处理技术迸一步的研究。 o p s 中的光标签处理技术与光分组中的标签格式密切相关，人们提出了多种 技术来标记和编码光分组，包括串行编码技术培】【1 9 1 、码分复用技术 2 0 l 、多波长技 术1 2 l 】、副载波技术( s c m ) 吲和正交调制技术【2 3 1 等。串行编码技术简单，光分组容 易产生，提取的标签不仅可以在电域中处理，而且随着光逻辑器件的发展也可在 4 第一章绪论 光域中直接处理，因而受到了广泛的关注，许多研究项目如欧洲的d a v i d 7 - 4 j 和 k e o p s 2 5 1 、美国的d a r p a - - n g i 、欧洲第六框架计划l a s a g n e 项目等都基于这 样的思路来实现标签处理。 在o p s 中，光标签处理主要包括光标签的识别、光标签的提取擦除份离、光 标签信息处理、新标签的写入插入，本文主要研究串行标签与净荷分离技术。到 目前为止，业内已经出现了多种实现串行编码的标签与净荷全光分离的方案 7 1 2 6 2 1 q ，下面我们将对其中几个典型方案进行概括和总结： 文献7 给出的标签与净荷的分离方案如图1 3 所示。在这个方案中。主要利用 全光逻辑门和光触发器来实现交换节点的一些关键功能：标签与净荷分离、标签 提取、可调波长转换和分组路由。标签与净荷分离的结构如图1 - 3 所示，该结构主 要由光分组时钟恢复模块和高速光逻辑门构成，而高速逻辑门主要由s o a m z i 构成。输入的光信号被分成两路，一路输入到时钟恢复模块m z i i ，而另外一路输 入到m z l 2 中。提取出来的光分组时钟信号同时是m z l 2 的控制信号。m z l 2 的作 用是构造最初的输入光分组信号和从光滤波器输出的光分组时钟信号之问的与操 作，从而实现标签与净荷的分离。 图1 - 3 基于s o a - m z i 逻辑门实现标签与净荷分离的原理图 文献2 6 提出的标签与净荷分离方案如图l - 4 所示。该方案主要基于s o a d i 的波长转换器和光调制器实现了比特序列型( 串行编码) 的光标签交换。其中，标签 采取的是r z - d p s k 编码，而分组净荷采用r z o o k 形式。采用比特序列型的 r z - d p s k 标签可以对光分组信号的消光比没有任何限制。首先，分组信号先经过 一个s o a - d i 波长转换器进行波长转换，以克服锁模脉冲的脉冲之间的相互干涉， 标签信息将被相位调制到比特序列型的标签脉冲上；然后，将得到的光信号分成 电子科技大学硕士学位论文 两路，其中一路经过一个波长转换器和一个相位调制器之后，光分组信号的旧标 签( 1 a b e l i ) 将被擦除掉，并且更新为新标签( 1 a b e l 2 ) ，即实现了标签交换；另一路信 号经过延迟干涉仪( d i ) 之后，相位调制的标签将被解调出来，即实现了标签与净荷 的分离。 图l - 4 基于s o a d i 实现的标签处理的原理图 文献2 7 提出的标签与净荷分离方案如图1 5 所示。该方案主要由时钟恢复模 块和级联的超高速非线性干涉仪( u n i ) 的逻辑门组成。其中，时钟恢复模块由一个 f p 型滤波器和一个u n i 逻辑门构成，以产生一个分组时钟信号；级联的u n i 逻辑 门将分组信号和从时钟恢复模块获得的时钟信号进行与操作，以实现标签信号和 净荷信号的分离。 图1 - 5 基于u n i 实现的标签与净荷分离原理图 综上所述，在标签与净荷分离的方案中，主要是利用光分组时钟恢复电路和 高速光逻辑门来实现的，其中的光逻辑门可以由半导体光放大器一马赫泽德尔干 涉仪( s o a m z i ) 、半导体光放大器一延迟干涉仪( s o a d i ) 或者高速超快非线性干涉 仪0 3 n i ) 构成。尽管这些方案具有全光处理的发展潜力，但是随着光分组标签长度 的加大，系统复杂度也急剧增大。f p s o a 具有结构简单、信号放大能力强和强烈 6 第一章绪论 的非线性等特性，非常适合用来实现标签与净荷的分离，在本文的第三章，我们 基于f p - s o a 的特性提出了一种新型的标签与净荷分离方案。 1 2 2 光逻辑门技术 近年来。半导体光逻辑门、热光开关、机械光开关、液晶光开关等光开关技 术和集成化都取得了一定发展。但是由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能 完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电 信号来控制，即所谓的电控光交换。但是随着光器件技术的发展，光交换技术的 最终发展趋势仍然是光控光交换。所以，实现全光分组交换系统的关键是开发高 速光逻辑器件，目前世界各国研究机构正加紧对此进行研究。 光逻辑器件在网络功能方面会有很多应用，包括在交换、信号再生、寻址、 光信头的识别、数据编码和加密等方面。特别是在光分组交换网中，对光信头的 识别和处理都采用全光数字信息处理技术，不仅可以克服“电子瓶颈”限制，提高网 络容量，还可以实现对网络信息码流的全光3 r 再生，有效地降低信号噪声和串扰 积累问题，并能够真正实现按需分配带宽 目前国内外已经提出了各种实现全光逻辑门的方案，但是都仅进行了仿真和 实验研究，还没有实现商用化，而且现有的方案当中存在各种问题急需解决，因 此需要对光逻辑门进行深入而创新的研究。s o a ( 半导体光放大器) 因为具备良好的 非线性性能，十分适合用作光开关和实现光逻辑功能。目前国内外对s o a 用作 光开关已经作了广泛而深入的研究，也正在尝试着用s o a 用来实现一些全光逻 辑功能。 基于s o a 构成的全光逻辑门，从构成原理上大体可以分为两类，一类是基于 干涉原理来实现的，另一类是基于s o a 中的x g m 效应、x p m 效应和x p o l m 效 应来实现的。 1 ) 基于s o a - m z i m i 构成的全光逻辑门网 基于s o a - t z i 构成的全光逻辑门如图1 - 6 所示。 在所有采用干涉仪结构来产生交叉相位调制的结构中，最有吸引力的就是采 用s o a - m z i 结构。在这种结构中，可以实现探测光和信号光同向传播，这点在高 速操作中菲常重要，而s o a 在不同位置处对称分布，也使得易于构造出薪颖的结 构，例如可以采取这种结构实现一个异或( x o r ) 门，此外，可通过在一个臂上安装 一个移相器，方便地控制m z i 的相位偏置。从国外文献可以看出，对于这种结构， 电子科技大学硕士学位论文 趋势是采用s 0 和一个无源平面硅波导m z i 混合集成。这种混合集成的方法，具 有每个元件都可以单独优化性能，而整体器件尺寸仍仅为几公分等优点。 图1 - 6 由s o a - m z i 构成的解复用器 2 ) 利用s o a 的x p o l m 特性，实现n o r 门嗍 该方案是基于s o a 中的交叉偏振调制( x p o l m ) ，同时利用偏振片的控制，如 图l - 7 所示。x p o l m 效应就是当探测光( c v o 和控制光一同注入到s o a 中时，探测 光受到控制光的偏振和功率影响。实验的构思是当输入逻辑信号的功率发生变化 时，在s o a 输出的c w 光的偏振态相应发生变化。即输入信号光的功率与输出 c w 光的偏振态有对应关系。c w 的偏振态可看成3 种( a ，c ，b ) ，对应于两个信 号光o n - - o n 的情况、只有一个o n 的情况、o f f - - o f f 的情况。调整输入信号 光的偏振态，使得输出的c w 的偏振态恰只有两种，即o f f - - o f f 为一种，其余 情况为一种。然后，在s o a 输出口的偏振片前面加一个偏振控制器，通过调整这 个偏振控制器，使得o f f - - o f f 下的c w 的偏振态刚好与偏振片平行，即可通过 偏振片，其余情况下的c w 都不能通过偏振片。即只有o f f - - o f f 情况时输出为 l ，实现了n o r 门。 i n p u tl o g i cd 弘m 1 5 5 6 0 n m 图1 7 基于s o a 的x p o l m 特性实现的n o r 门 这个方案的优点是只需要一个s o a ，不需要复杂的与光纤相关的装置，不需 要输入的逻辑信号有相同的波长和相位，不需要额外的同步时钟，缺陷是需要一 个偏振控制器，而且需要对输入信号光的偏振态进行准确控制。 第一章绪论 3 ) 利用s o a 的x g m 特性，实现x o r1 3 t 3 0 l a b + a b 图i - 8 基于s o a 的x g m 特性实现的x o r 门 图1 8 所示的是用两个s o a 实现a 和b 信号之间的x o r 功能。该结构中， 从s o a 右端进入的光光强远大于从s o a 左端进入的光。以s o a l 为例，当a 和 b 信号都为“l ”时，因为s o a l 右端有强泵浦光b 入射，b 将竞争到s o a 中绝大部 分的载流子，信号a 则被饱和吸收，所以s o a l 右端可以视为无输出，也就是说 输出为“o ；只有右端无输入时，a 才能被s o a 放大，输出为“l ”。也就是说，上 方的s o a l 实现了彳秀运算。同理，下方的s o a 2 实现j 曰。然后将这两路输出 信号耦合到一起，也就是x o r = a b 一+ a b 。因此实现了信号a 和b 之间的x o r 。 这种方案的特点在于只需要输入一个波长上的信号光，不需要额外的光源， 原理简单，易于在实验室里完成。 综上所述，基于干涉原理和基于s o a 的非线性效应来实现逻辑功能的方案都 各有各自的优缺点。基于干涉原理的逻辑门，工作稳定性好，可重复性高，但是 信号的相位变化对输出结果的性能影响较大；基于s o a 的x g m 原理的逻辑门工 作原理简单，易于实现，但是往往需要多个s o a ，而且工作性能不如干涉结构稳 定；基于s o a 的x p o l m 原理的逻辑门需要一个偏振控制器，而且需要对输入信 号光的偏振态进行准确控制。 当前光逻辑门技术的研究难点是如何改善已有的结构或者提出一种新的方 案，以满足结构简单、易于集成、输出性能不受偏振和相位的随机变化影响等要 求。本文第四章基于f p s o a 的特性提出了一种新型的全光逻辑与门方案。 1 3 本文的主要工作及章节安排 论文对光分组交换网络中的全光信号处理技术进行了研究，在对f p - s o a 进 行模型建立和理论分析的基础上，提出了基于f p s o a 实现全光信号处理的新方 案。内容主要包括：f p s o a 的模型建立及特性分析、基于f p - s o a 的标签与净荷 9 电子科技大学硕士学位论文 分离、基于f p s o a 的全光逻辑与门三个方面。 章节安排如下： 第一章介绍光分组交换及其关键技术、全光信号处理技术、全光逻辑门技术、 光标签处理技术和半导体光放大器的应用等，叙述本文的工作内容及章节安排。 第二章详细阐述了f p s o a 模型建立的方法及过程，并在此模型的基础上对 f p s o a 的增益特性进行分析。 第三章主要基于第二章得到的f p s o a 的增益特性提出了一种基于f p - s o a 实 现标签与净荷分离的全新方案。在初步实现方案之后，我们对方案的可行性进行 进一步研究，最终提出了两套比较适合实现标签与净荷分离的方案。 第四章主要基于第二章得到的f p s o a 的增益特性提出了一种基于f p - s o a 实 现全光逻辑与门的新方案，对方案的可行性进行了研究，对输入信号的参数对系 统性能的影响进行了讨论。 第五章对全文进行总结，包括工作取得的成果、不足及今后的改进方向。 1 0 第二章f p s o a 模型的建立及特性分析 2 1 引言 第二章f p - s o a 模型的建立及特性分析 半导体光放大器( s o a ) 的研究始于二十世纪六十年代，是伴随半导体激光器的 发展而提出来的。最初由于其具有增益特性，主要作为在线放大器、前置放大器 以及功率放大器使用，而研究也主要集中在s o a 的增益、饱和增益、噪声、带宽， 饱和输出功率等主要特性上。但是由于s o a 噪声特性差以及非线性比较严重，随 着掺饵光纤放大器r ( e d f a ) 技术的出现和成熟，而很快被e d f a 所取代，1 5 5 u m 窗 口的在线放大功能基本上消失殆尽。 近年来，随着光通信技术的迅速发展，s o a 的高非线性在全光信息处理中的 应用，又引起了人们的兴趣，得到了广泛的研究，表2 1 给出了半导体光放大器与 光纤放大器的主要特性比较p 3 】。随着技术的成熟和制造成本的降低，半导体光放 大器( s o a ) 具有体积小、增益高、低功耗、易于和其它光电子器件集成、响应时间 短等优点，在光通信方面的功能应用具有非常诱人的前景，将是全光网络传输系 统和未来光纤互联网络的重要组成部分。在未来的光网络中，s o a 将广泛应用于 全光波长转换、全光3 r 再生、全光解复用、全光信头提取、全光逻辑门等方面， 如图2 1 所示，而这些已经成为当前的研究热点例。 半导体光放大器的结构类似f p 腔的半导体激光器，根据其两端腔面反射率的 高低，可分为f p 腔放大器( f p s o a ) 和行波放大器( t w - s o a ) ，f p s o a 的带宽比 t w - s o a 的带宽小得多，不适于在光波通讯系统中作为高速或多信道光放大应用， 一般用作光信号处理器件。本文主要就基于f p - s o a 的增益特性实现全光信号处 理技术进行研究，因此本章首先对f p s o a 进行数值建模，然后在此模型的基础 上对f p s o a 的特性进行分析。 系统应用 生! 功能应用 导 体 光逻辑波长变换器 在线光放大器 p 一 光- 擐测嚣分插复用器 前置光放大器 放 光开关脉冲发生嚣 后置光放大器 套 时钟恢复色散补偿器 可调谐滤波器强度与相位调制霉 图2 一l 半导体光放大器的典型应用 电子科技大学硕士学位论文 表2 - l 半导体放大器与光纤放大器的主要特性比较 特性光纤放大器半导体光放大器 最大增益典型值( d b ) 3 0 5 03 0 插入损耗典型值( d b ) 0 1 26 一l o 偏振敏感性不敏感 弱( 2 d b ) 泵浦源光泵浦电泵浦 3 d b 增益带宽( r i m ) 3 03 0 5 0 非线性效应可以忽略有 饱和输出功率( d b m ) l o 1 55 2 0 噪声指数典型值( d b ) 3 57 1 2 是否可以光子集成 否是 功能应用否是 2 2 $ 0 a 的原理及两个重要参数 所有靠近阈值但在阈值以下偏置的半导体激光器都可以实现光放大，形成半 导体光放大器，其放大特性主要决定于有源层的介质特性与激光的特性，可由图 2 2 所示的激光腔模型进行分析。图2 - 2 中s o a 两端面构成f p 谐振腔。入射光从 s o a 左侧面进入，通过具有增益的有源层介质后到达右端面，部分从端面反射， 大部分从端面出射，反射光反向通过有源层至左端面，又经过一次放大，部分从 左端面出射，其余部分又从左端面反射，再次通过有源层得到放大，如此反复， 使反射光得到多次放大。 根据端面反射率的大小，s o a 可以分为f p s o i a 和f 盼s o a 。也就是说， f p s o a 是s o a 的一种，具有s o a 的公共性质。因此，下面我们就s o a 的公共 性质进行阐述，包括s o a 的增益g 和材料增益系数跏，这两个重要的参数与 第二章f p s o a 模型的建立及特性分析 f p - s o a 增益特性有密切的联系。 r i 如 2 2 1s o a 的增益g - 一 a t - - - i - - 图2 - 2 激光腔模型图 + - - 设入射光场为品，s o a 左右端面的透射系数分别为t - 和t 2 ，反射系数分别为，l 和r 2 ，有源层长度为工，则s o a 输出光为多次透射光之和，可写为 3 2 1 ： 晟=黑且(2-1)1，1r2e-2一 ， 其中，为有源层的复传输常数，可表示为： ，= ( 厂g a o ) 2 + j f l ( 2 2 ) 其中厂为模式限制因子，g 为有源层增益系数，a 疆为有源层损耗系数，多为 有源层相位系数，= 2 ，r n 2 ，玎为有源层折射率。 由式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 经过一定转换，我们可以得出s o a 的增益表达式；k t j l 3 5 ： ( 2 - 3 ) 其中，震，和岛为f p - s o a 的端面反射率，g 为有源区单程增益，其表达式为： q = c ) 【p 【( 厂翻一a g ) l 】( 2 - 4 ) 其中，厂为光场限制因子，踟为有源区材料增益系数，助与载流子浓度和 入射光波长五有密切关系，将在后面一节中详细推导，鳓= k o + f k i n 为有源层损 耗系数，勘为本征吸收损耗系数，鼢为非本征吸收损耗系数， 式( 2 3 ) 中，妒为单程相移，其表达式为： 夕= 2 石，嘶名( 2 5 ) 其中，五是注入光的频率，砌是放大器波导的有效折射率，其表达式为： 耋呈 电子科技大学硕士学位论文 如严讲粤n ( 2 6 ) 其中，为载流子浓度为0 时的有效折射率，! 磐为有效折射率与载流子浓 删 度的差分，n 为载流子浓度。 式( 2 3 ) 既是行波半导体放大器的增益表达式，同时又是我们要研究的f p s o a 的增益表达式。其中，还可以表示为p 2 】： = 石( v - w ) a v l ( 2 7 ) 其中，为f p 腔的谐振频率，a w = c 2 l 为腔内纵模间隔，也称为f p 腔的 自由光谱区。f l j ( 2 7 ) 可知，f p 腔的增益是频率的周期性函数，当p - - - - v m 时出现增 益峰值，最高增益和最低增益分别为： = 酱 g 曲：( i - r ，0 ( i - r 2 ) g $( 2 9 ) f 1 + 4 r l r 2 g s ) 2 最大增益和最小增益之比为： ，：g 。“g 椭：q ! 竺丝鱼錾 ( 2 1 0 ) ( 1 一d r l r 2 g s ) 当撕融 l 时，r 一1 ，则有g 专g s ，增益起伏消失，此时s o a 相当于 单程行波半导体光放大器。而当s o a 不满足撕云i 淼“1 时，为我们研究的f p 型半导体光放大器。 2 2 2s o a 的材料增益系数珈 3 a a s p 直接带隙材料有源区有一个材料增益系数g 厢，其初始表达