（光学专业论文）基于soa非线性偏振旋转的光缓存器及其级联的研究.pdf

中文摘要 摘要：由于全光分组交换( o p s ) 具有对数据速率、调制格式、传输协议等透 明的优点，同时o p s 具有高吞吐量、高传输速率，能有效的解决目前交换节点中 存在的“电子瓶颈”问题，全光分组交换被认为是下一代网络交换技术的首选方 案。光缓存是实现全光分组交换的关键技术之一。光缓存器可以在光域内完成数 据包的存储而不需要经过光一电一光的变换，是实现光分组同步、竞争解决和流 量整形的关键。本文提出了一种基于半导体光放大器( s o a ) 非线性偏振旋转的 光缓存器结构，并且实验实现了该缓存器的多级级联。该缓存器具有结构简单、 可级联、易集成、功耗小、重构速度快、易于控制和成本低等优点。另外，本文 对基于半导体光放大器非线性偏振旋转的光缓存器的关键问题进行了研究和讨 论。本文的创新点和主要工作包括以下几点： 1 对半导体光放大器的非线性偏振旋转进行了理论研究。在建立非线性偏振旋 转的理论模型的基础上，提出了一种寻找s o a 偏振主态，以及通过调节注 入电流获得s o a 两个正交线偏振态的方法，从而实现了两个正交线偏振态 之间的转化。利用上述方法，实现了基于s o a 非线性偏振旋转的光开关。 对光开关的分光比和开关速度进行了深入研究，结果表明，光丌关在“通态 和“切换态”时，开关的两个输出端口的分光比并不相同，且光开关的分光 比随着输入光功率的变大而变大，增加输入信号光的功率可以改善光开关的 开关速度，但考虑到s o a 的增益饱和效应，输入信号光的功率不易大于 0 d b m 。 2 提出了一种基于s o a 非线性偏振旋转的光缓存器的新结构。该缓存器利用 s o a 中同样的非线性偏振旋转，既可以实现“读”操作，也可以实现“写 操作，控制简单，读写速度快。与n o l m 结构的光缓存器相比，没有被缓 存的数据可以直接通过而不需要在光纤环中绕行一周；由于s o a 不在光纤 环中放置，缓存器的缓存深度可以达到8 0 以上。所以，该缓存器具有结构 简单、读写速度快、功耗小、易级联等优点。利用该缓存器，实现了2 5 g b p s 速率的1 0 2 4 比特数据的1 2 圈的缓存，每圈的缓存时间为0 9 1 p s 。实验中， 还提出了一种利用p b s 和耦合器在线监测系统实现两个正交线偏振态之间 相互转化的方法。实验测量了信号的椭圆度对p b s 分光比的影响，指出缓存 结果中出现的“漏光”现象是由于信号光的椭圆度降低导致p b s 的分光比降 低造成。 3 提出了基于s o a 非线性偏振旋转的光缓存器的级联结构，该级联结构具有 控制元件少的优点，每一级的缓存单元只需一个控制元件( s o a ) ，且级联 结构中没有2 2 光开关，易于集成。首次实现了两级、三级该缓存器的级 联，两级光缓存器可提供6 0 个不同的缓存时间，最大缓存时间为4 0 s ；三 级缓存器可提供1 4 0 多个不同的缓存时间，最大缓存时间为 - - 5 0 9 s 。 关键词：全光包交换；光缓存器；半导体光放大器；非线性偏振旋转。 分类号：t n 9 2 9 j 匕瘟窑道叁堂蝗堂位论塞旦s ! 丛! a b s t r a c t a b s 。i r a c i ： 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 sa r et r a n s p a r e n tt ot h ed a t ar a t e ，m o d u l a t i o n f o r m a t ，t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) e m e r g ea sf i r s ts c h e m ef o rt h en e x tg e n e r a t i o ns w i t c h i n gs y s t e m s ，w h i c ha c c o m m o d a t e h u g ed a t a c e n t r i ct r a f f i ca tt h ep a c k e tl e v e lg r a n u l a r i t ya n dm a t c ht h eh i g ht r a n s m i s s i o n c a p a c i t yp r o v i d e db y t h ed e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g i e s o p sa r et h ek e ya p p r o a c ht ob u i l df u t u r ec o m p a c ta n dp o w e r - e f f i c i e n t a l l o p t i c a ld a t ar o u t e r sw i t hg r e a t e rs c a l a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , a n ds w i t c h i n gc a p a c i t y o n e o ft h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n t si ns u c ha na l l - o p t i c a lr o u t e ri st h eo p t i c a lb u f f e r , w h i c h s t o r e st h ed a t ap a c k e t sf o rad e s i r e da m o u n to ft i m ed u r i n gd e s t i n e do u t p u ts w i t c hf a b r i c p o r tc o n t e n t i o na n dr e l e a s e st h ed a t ap a c k e t sw h i l et h ed e s t i n e do u t p u tp o r ti sc l e a r e d o p t i c a lb u f f e rc a na l s ob eu s ei no p t i c a lp a c k e ts y n c h r o n i z a t i o na n dt r a f f i cs h a p i n g i n t h ed i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s e dan o v e lo p t i c a lb u f f e rb a s e do nt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n r o t a t i o ni ns o a ，w h i c hi sc o s t e f f e c t i v e ，c o m p a c ta n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dc a n p r o v i d ev a r i a b l eb u f f e rl e n g t h ，f a s td y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ni np i c o s e c o n d s t h e s e c o n c l u s i o n sc a na l s ob ea p p l i c a b l ef o ra l lt h eo t h e rs o ab a s e do p t i c a lb u f f e r s w h a ti h a v ed o n ed u r i n gt h ep h d p e r i o da r ea sf o l l o w s ： f o rt h ef i r s tt i m ew eh a v ep r e s e n t e das i m p l ep r i n c i p a ls t a t e so fp o l a r i z a t i o n s ( p s p ) m o d e lt h a ti sc a p a b l eo fd e s c r i b i n gt h eb e h a v i o ro fp o l a r i z a t i o ns w i t c h e sb a s e d o nn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ni ns o aw i t ht a i l f i b r e u s i n gt h i st h e o r yw e e x p e r i m e n t a l l ys t u d yt h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gb a s e do nt h ep o l a r i z a t i o n r o t a t i o ni ns o a d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h eo u t p u ts o pe v o l u t i o ni ns o ac a n e a s i l yb e t r a c k e da n dc o n t r o l l e do nl i n e w eh a v ea l s od e m o n s t r a t e dan o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n s w i t c h i n gb a s e do n t h ep o l a r i z a t i o nr o t a t i o ni n d u c e db yb i a sc u r r e n ti ns o a e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i cc o n t r a s tr a t i oi sm o r et h a n2 0 d ba n dt h e d y n a m i cc o n t r a s tr a t i oi sm o r et h a n10 d b w ep r e s e n tan o v e lo p t i c a lb u f f e rb a s e do nn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ni n d u c e d b yi n j e c tc u r r e n to fs o a t h i sb u f f e ri ss i m p l e ，c o m p a c t ，c o s te f f e c t i v e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n de a s yt oc a s c a d e w i t ht h eb u f f e rc o n f i g u r a t i o n ，t h es i g n a lc a l lp a s s d i r e c t l yi ft h es i g n a ld o e sn o tn e e db u f f e r i na d d i t i o n ，t h eb u f f e rd e p t hc a ne x c e e d5 0 a n dt h ec o n f i g u r a t i o ni se a s yt oc a s c a d e w i t ht h en o v e ld e s i g n ，w eh a ds u c c e s s f u l l y v d e m o n s t r a t e dt h el o a d i n ga n dr e a d i n go p e r a t i o na tb i tr a t eo f2 5g b s r a n d o md a t ao f 10 2 4 - b i tw a sb u f f e r e df o r12c i r c u l a t i o n s ( 1l1 t s ) w ep r e s e n tt h ec a s c a d e db u f f e rs c h e m ew i t h o u ts p a c es w i t c h i n gt oa c h i e v e v a r i a b l e - l e n g t hd e l a yb u f f e r t h em o s ti n t e r e s t i n gf e a t u r e so ft h i sn e w b u f f e ra r et h a ti t h a sm o r et h a n10 0 0o p t i o n a ld e l a yl e n g t h s ，f a s td y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ni np i c o s e c o n d s w i t ht w os t a g e sc a s c a d e db u f f e r , w eh a ds u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e d6 0b u f f e r i n gt i m e s a t2 5g b s ，t h em a x i m u mb u f f e rt i m ei s - 一4 0 9 s w i t ht h r e es t a g e sc a s c a d e db u f f e r , w e h a ds u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e d14 4b u f f e r i n gt i m e sa t2 5g b s ，t h em a x i m u mb u f f e r t i m ei s 一 5 0 1 t s k e y w o r d s ：a 1 1 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ；o p t i c a lb u f f e r ；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 ；n o n l i e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n c l a s sn 0 ：t n 9 2 9 a p f a s e a t m a v c a w g b p f c w c c w c p m d l o b d s f d f b d w d m e i t e d f a e v o a f b g f d l f i f o f i l o f w m h n l f m z i n l e n o l m n p s n p d o b s o l s o p s o s c 缩写词索引 a 1 1 p a s sf i l t e r a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e a c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r s a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g b a n d p a s sf i l t e r c l o c k w i s e c o u n t e r - c l o c k w i s e c r o s s p o l a r i z a f i o nm o d u l a t i o n d u a l l o o po p t i c a lb u f f e r d i s p e r s i o ns h i f tf i b e r d i s t r i b u t e df e e d b a c k d e n s ew 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 e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r e l e c t r o n i cv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r f i b e rb r a g gg r a t i n g f i b e rd e l a yl i n e f i r s t i nf i r s t 0 u t f i r s t i nl a s t 0 u t f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g h i g hn o n l i n e a rf i b e r m a c h z e h n d c ri n t e r f e r o m e t e r n o n l i n e a re l e m e n t n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r n o n l i n e a r p h a s es h i f t n o n l i n e a rp h a s ed i f f e r e n c e o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h o s c i l l o g r a p h 9 l 全通滤波器 放火白发辐射 异步传输模式 有源垂直耦合器 阵列波导光栅 带通滤波 顺时针方向 逆时针方向 交义偏振调制 双环耦合光缓存器 色散位移光纤 分布反馈式 密集波分复用 电诱导透明 掺铒光纤放入器 电可调衰耗器 光纤布拉格光栅 光纤延迟线 先入先出 先入后出 四波混频 高非线性光纤 马赫一曾德尔干涉仪 非线性元件 非线性光学环路镜 非线性相移 非线性相移差 光突发交换 光标记交换 光包交换 示波器 0 t d m o t f p b s p c p p g q o s r a m r o m s a m s b s s d l s o a s p m s m f s l a l o m t o a d t o s w d m x p m x g m o p t i c a lt i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a lt h r e s h o l df u n c t i o n p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r s p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r q u a l i t yo fs e v i c e r a n d o ma c c e s sm e m o r y r e a do n l ym e m o r y s e q u e n t i a la c c e s sm e m o r y s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g s w i t c h e dd e l a yl i n e 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 e l f - p h a s em o d u l a f i o n s i n g l em o d ef i b e r s e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e ri nal o o pm i r r o r t e m h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i cd e m u l t i p l e x e r t y p eo fs e r v i c e 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 e r c r o s s p h a s em o d u l a t i o n c r o s s g a i nm o d u l a t i o n 光时分复用 光门限函数 偏振分束器 偏振控制器 码型发生器 服务质量 随机存取存储器 只读存储器 顺序存取存储器 受激布里渊散射 交换延迟线 ? 卜导体光放人器 自相位调制 普通单模光纤 半导体激光放人器环路镜 太赫兹光学一水对称解复州器 服务类型 波分复用器 交叉相位调制 交义增益调制 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：短木 签字同期：z d d q 年1 月7 同 一b 乡以五 导师签名：哆。 v 签字同期：2 ，夕年，月歹同 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人( 程木) 在导师( 吴重庆) 指导下进行的 研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教 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了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 致谢 从读到入学通知书上“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”至今，5 年半的光阴 转瞬即逝。当这篇博士论文即将付梓之际，过去的同日夜夜，一幕幕的浮现在眼 前，心中百感交集。当梦想获得博士学位即将成为现实的时候，十分感 谢那些曾经帮助、支持过自己的人，没有这些支持和帮助，这篇博士论文难以完 成。 首先衷心感谢我的导师吴重庆教授，本论文的工作是在导师的悉心指导下完 成的，吴重庆教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响， 在学习上和生活上都给予了很大的关心和帮助。自己有做老师的经历，非常体会 老师之于学生之心，是无法用语言穷尽描述，更无法具体衡量。再次衷心感谢五 年多来吴重庆教授对我的关心、信任和指导。同时十分感谢实验室的盛新志老师、 王智老师、王健老师和刘岚岚老师给予的帮助和指导。 对曾经一起实验的盛积业、陈春帧、孙世杰、倪东、王丹、赵爽、赵瑞、宋 超、刘华等同学给予的帮助和支持表示感谢。对实验室的李政勇、王拥军、王亚 平、高凯强、杨双收、余贶禄、田昌勇、王钦、刘锐、疏达等给予的帮助和支持 表示感谢。同时，感谢实验室其他给予无私帮助的同学。感谢其他关心、帮助、 支持过自己的人。 最后，感谢我的家人。感谢年逾花甲依然在田问劳作的父母，感谢你们的养 育之恩，是你们的教育成就了今天的自己，是你们的理解和关心使我走到今天。 我们探求真理，在一切事件中，获得真理是最高的快慰。桑塔耶纳 1 绪论可变时延光缓存器研究的必要性 1 1 光分组交换介绍 随着通信业务特别是互联网业务的迅速增长，信息的数量成几何指数剧增。 如今，随着密集波分复用技术的发展，大容量的光传输已经不再是限制通信发展 的一个障碍。而光网络中的关键设备路由器，仍然是由电路由器担当，尽管电路 由器的速度已经达到了亚太比特每秒级，但与仍然不适应超大容量的光传输，从 而引起了互联网的拥塞。由于受到功耗和空问的限制，电路由器向更高吞吐量扩 展是十分困难，只有能实现全光交换的光路由器，才能够彻底解决这个瓶颈 1 ，2 1 。 从原理上来讲，光交换技术有三种：基于波长路由的光线路交换( w a v e l e n g t h r o u t e d o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 、光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 和 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 。光线路交换是对数据进行线路级的 处理，每一个传送波长对应于一个传送信道，类似于电路交换网，是粗粒度的信 道分割，信道带宽的利用率并不是很高。光突发交换，是采用光包头和负荷分开 处理的方法，包头在电域旱处理，而负荷的处理在光域内进行，是介于光线路交 换和光分组交换的一种技术。而光分组交换技术对光信号进行分组级的处理，因 此光分组交换技术处理数据的能力更强、业务吞吐量更大、带宽的利用率更高。 光分组交换网可以分为两种：同步光分组网和异步光分组网【3 ，4 】。同步光分 组网的分组长度相同，且分组只在时隙开始时刻到达节点，在网络边缘处要对光 分组封装、分拆和重组，交换节点的输入模块要对光分组进行时间和相位上的校 准( 即分组级的同步) 。异步光分组网的分组长度可变或不变，分组可出现在任意时 刻，不必对其拆分和重组，也不必对其进行分组级的同步，但仍需比特级的同步， 以完成信头处理与更新。异步光分组网更灵活、更适合i p 业务，但是发生竞争的 几率更大，在相同的流量负荷下异步光分组网的吞吐量小于同步光分组网。 目前，世界上许多发达国家进行了光分组交换网的研究，如欧洲a c t s 计划 的k e o p s 项目 5 9 和r a c d 计划的a t m o s 项目 1 0 ，1 l 】，对o p s 网络结构进行了 初步探讨，对o p s 技术可行性进行了初步论证，提出了实用化的o p s 节点结构和 功能单元，并首次建立了o p s 的试验系统。英国e p r c 支持的w a s p n e t 项目 【1 2 1 5 】、开始于1 9 9 9 年的r o m 项目【1 6 】和2 0 0 0 年的d a v i d 研究计划【1 7 】，旨在 探讨o p s 的组网形态、相关协议和服务质量( q o s ) 保证等方案，并验证o p s 网 络提供差别业务能力。 实现光包交换的两个关键技术是：光域内的信号处理和光域内对信号进行缓 存( 或存储) 。全光信号处理的器件相对成熟，而光缓存器还没有明确的技术途径， 因此光缓存器就成为全光路由器的关键，是全光分组网调度和控制包转发的基础， 它不仅能有效地提高全光包交换网络节点的吞吐量，降低丢包率，提供延缓时间 以便节点进行包头处理，而且当不同的用户争用同一个通道时，缓存器能有效地 提供解决竞争的方案。 1 2可变时延光缓存器是当前光分组交换的迫切要求 光分组交换中，光缓存可以暂时存储因竞争而受阻的光分组，在时间上解决 资源冲突；另外，光缓存还用在光分组的同步、信头的读取与更新、以及流量整 形等方面，是实现光分组交换的关键技术之一。根据光缓存器在光分组交换节点 的位置不同，光缓存可以分为 1 8 】： 输入缓存( i n p u tb u f f e r i n g ) ，在节点输入端需要光缓存来完成光分组同步，并 为净荷提供信头处理所需的延时。 共享缓存( s h a r e db u f f e r i n g ) ，共享缓存在电域中一般由电随机存储器( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ，r a m ) 完成。光域中没有对应的光r a m ，所以实现起来很 困难。 输出缓存( o u t p u tb u f f e r i n g ) ，在节点输出端也需要光缓存来配合净荷定位与 信头更新操作，并消除由交换矩阵引入的时钟抖动 1 9 ，2 0 】。 由于异步非时隙的光分组网中交换颗粒采用可以做到任意小的光分组，因此 全光异步分组网能够灵活地在其上面承载诸如i p 、a t m 等数据业务，能够很好的 支撑光数据网络的发展。因此，怎样对长度可变、异步到达的光分组的缓存成为 当前光包交换的迫切要求。 但是，目前对光缓存问题的大多数研究都针对分组长度固定的o p s ，而针对 分组长度可变情况的研究甚少。异步o p s 中光分组的长度可变，因而具有更大的 灵活性而更适合承载i p 等粒度多样化的数据业务；但在异步o p s 中光分组可能在 任意时刻到达节点，从而发生冲突的几率更大。因此，分组长度可变情况下的光 缓存问题显得同益突出。 为了应对这种需求，光缓存器已经从最初的简单光纤延迟线，发展成一种复 杂结构的独立器件。各种各样原理的光缓存器，以及各种缓存器结构被提出来。 近来，随着在室温下光纤中慢光取得巨大的进展2 1 2 5 ，实现任意缓存长度的光 缓存成为可能，进一步激发了全世界对于可变时延光缓存器的研究热情。 2 1 3国际上实现可变时延光缓存器的方案 由于光固有的特性，光脉冲很难停止下来或转化为其他能够存储的信号，因 此在全光网络和全光信号处理中，把光脉冲暂时的缓存起来成为必不可少的步骤。 理论上，光脉冲的缓存时间f = l k ，其中l 是光脉冲的缓存长度，y 。是光脉冲 的群速度。因此，控制缓存时间意味着控制缓存长度，或者控制群速度，或者二 者同时进行。已经实现的光缓存器的方案中，起决定性作用的是存储体( 介质) 和存储效应。根据控制机理的不同，我们可以把光缓存器分为三类： 1 、基于控制光传输路程长短的光缓存器 2 、基于控制光的群速度大小的慢光缓存器 3 、基于同时控制传输路程和群速度的光缓存器 基于以上原理的光缓存器有很多中不同的结构和实现的方法，根据光缓存器 结构的不同 2 6 ，2 7 1 ，缓存器可以顺次连接组成串联结构的缓存器，也可以并行连 接组成并联结构的缓存器。光缓存器的最终的发展方向是实现真正的光r a m 等。 1 3 1基于控制光传输路程长短的光缓存器 基于控制光传输路径的光缓存器，是通过改变光传输路程的长短来改变光信 号的延迟，从而实现对光信号的缓存。这种缓存器可以分为两大类：第一种，前 向型光纤缓存器( t r a v e l i n g - w a v eb u f f e r ) ，利用选择不同长度的存储光纤，实现对光 信号的缓存，也称光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ，f d l ) ，这种缓存器已经大规模 的应用；第二种，反馈型的光缓存器( r e c i r c u l a t i n gb u f f e r ) ，这种缓存器是利用光 信号在一个或多个光纤环中绕行不同的圈数来实现对光信号的缓存。 l 、前向型光纤缓存器 前向型光纤缓存器，是以光信号经历不同长度的光纤延迟线来调节光信号的 延迟时间。如图1 1 所示眉 向型光纤延迟线的优点是延迟时间调节的范围大，结 构简单易操作但缺点也很明显：这种形式的光缓存器结构不紧凑；其最大缺点是 不具备读写功能，光信号要想缓存在其中必须预先预留合适的端口，这样无法实 现随机的信号存储；另外，这种结构的缓存器无法使同一个包跨越两个不同的延 迟线段，因此当包长增加的时候，很难采用这种结构，其交换的灵活性变得很差， 很难适应可变包长的要求。 总之，前向型光纤缓存器不是真正意义上的缓存器，不能满足光分组交换的 要求，虽然延迟时间调节性能较好，但其灵活性太差不能适应未来对缓存器的要 求。 ( 1 ) 、交换延迟线 最早出现的可变时延的光缓存器是利用由光开关控制不同长度的光纤延迟线 实现的。它利用光纤的延迟特性配合光开关，来调节光延迟时间，构成“交换延 迟线 。其典型的结构有两种：并联型的延迟线( 如图1 1 ( a ) 所示) 和串联型的延迟 线( 也叫级联延迟线) ( 如图1 1 ( b ) 所示) 。 f d i 麒鼾1 ) ( - ) 谚手，谶 f d l f d l f d l 刹雠：些甚二 2 2 ( b ) 图1 1交换延迟线的典犁结构 f i g1 1 g e n e r i cs t r u c t u r e so ff i b e rd e l a yb u f f e r i n g 图1 2 多级树状- 7 控五正迟线 f i g1 2f o l d e d - p a t hb u f f e r ( 2 ) 、多级树状可控延迟线 2 0 0 4 年，美国乔治亚大学的y o n g k e ey e o 2 8 ，2 9 1 等人提出树状结构的可控延 迟线。如图1 2 所示。通过接通或断开每一个“树枝上的光开关，可以获得不同 的时间延迟，采用不同的开关组合，其缓存时间可以有上千不同的值。这种结构 中采用许多电流控制的s o a ，并以它为基础构成一个t o a d 型光开关，其开关速 度在n s 级，因此，其最小的延迟单元不可能小于l n s 。t o a d 型光开关的基本要 求是：在含有s o a 的光纤环路中顺时针和逆时针的两个分路的光信号不能在s o a 中相遇，否则就会产生诸如x g m 等相互串扰。所以，这种结构的总延时虽然可以 是单位延时的上千倍，但其缓存的最大包长只能是t o a d 环的二分之一，所以其 4 缓存深度有限。其缺点很明显，由于每个“分支 出的耦合器会带来3 d b 的损耗， 所以其损耗很大，一个分支的损耗可达3 0 d b 以上；另外，要控制每个分支上的n 个光开关，其控制比较复杂。2 0 0 6 年 3 0 】，在此结构的基础上，提出了基于波长敏 感重构的光缓存器，实现了速率为1 0 g b s 的两级级联，得到了4 个不同的延迟时 间。 2 、反馈型光纤缓存器 反馈型光纤缓存器的一个基本的设计思想是利用一个光纤环。让需要缓存的 光信号在光纤环中绕行，缓存时间等于环内绕行时间的整数倍。因此，可以通过 改变光纤环的长度或绕行的圈数，灵活的改变缓存时间。其控制机制是利用各种 类型的光开关控制光信号的“写”入光纤环，和“读”出光纤环，因此是真正意 义上的光缓存器。其存在的主要问题有：缓存时间是固定的或者是环行时间的整 数倍。在实际的网络中，数据的到达是随机的和异步的，固定的时间使得光路由 器的结构设计非常困难，这也是为什么这种设计不被采用的基本原因。 另一个技术困难是缓存容量和读出的速度的矛盾。要增加缓存容量就要增加 环长，由于读出必须在数据包的包头到达环的始端才能进行，这样导致短帧必须 在环内“空转”一段时间后才能读出。另外，因为损耗的原因，光纤环内一般要 增加光放大器等器件，所以经过多次循环后，噪声会累积，导致信号劣化严重。 图1 3 基于半导体激光二极管的交叉增益调制的光纤环型缓存器 f i g1 3t h ef i b e rl o o pb u f f eb a s e do nc r o s sg a i nm o d u l a t i o ni ns e m i c o n d u c t o ro p t i c a ll a s e r ( 1 ) 、基于半导体激光二极管的交叉增益调制的反馈型缓存器 利用带有功率补偿的光纤环如果不考虑噪声的积累，理论上信号在里面的存 储时间无上限，技术的关键是如何将信号“写入和“读出 。美国m i tl i n c o l n l a b o r a t o r y ，采用的是光耦合输入一耦合输出的方式，其结构如图1 3 所示。光纤 5 环中的9 0 ：1 0 耦合器用于耦合输出存储数据包，2 米长的掺铒光纤在外界泵浦光的 作用下对环中数据进行功率补偿，整个光纤环长2 3 5 米，成功实现了2 0 g b s 、 1 7 k b 数据包的存储 3 1 ，3 2 。该方案的另一特点还在于它利用半导体激光二极管的 交叉增益调制首次实现了光域的幅度调制，减小了环内信号的时间抖动，1 9 9 8 年 利用该系统【图l - 3 】实现了4 0 g b s 、3 0 0 圈的信号的缓存 3 3 】。 雕 穗，囱d“划匕 延“ p r b s 2 3 n 乳zi o u m u t k k 俐 f b g o g t l c a im o p 警 兰丽砰匾声 l _ jo h ，一 连蠕 地坠鼍l 蒜- - - - - d 日悄u x a w g p m l 1 一勺 x p m 2 吻一+ x p m 3 b 一 x p m 4 h k m u x a w g 囹 图1 4 基于波长变换的环绕光缓存器 f i g1 4o p t i c a lb u f f e rb a s e do nw a v e l e n g t hc o n v e r t o r ( 2 ) 、基于波长变换的光纤环型光缓存器 日本的n t t 公司【3 4 3 7 实现了基于波长变换的环行光缓存器，其结构如图1 4 所示，环两侧的阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ，a w g ) 起复用和解复 用的功能，光纤布拉格光栅f b g 控制缓存器的输出波长始终为丑，波长每变换一 次信号在光纤环中缓存一圈，光纤环长2 4 米。当数据包需要被缓存4 圈时则初始 数据的波长选择 ，进入缓存器后要先后经历aj 五，五一以，五j 五，五j 以这 样的波长变换过程后由左端的光纤布拉格光栅f b g 输出；当初始数据的波长为见 时，则经历五一五，五专五，五一五变换后缓存3 圈输出，依此类推，可通过改变 初始数据的注入波长来控制缓存的圈数亦即存储时间。z h e n g h n oz h a n g 3 8 等人也 利用a w g 设计了新型的光交换结构。y l i u 3 9 4 1 等人利用一个波长转化和光门 限函数( o p t i c a lt h r e s h o l df u n c t i o n ，o t f ) 实现了4 圈的光缓存，其工作原理如图 1 5 所示，当两个包出现竞争时，其中一个缓存在光纤环中，竞争消失时，数据的 波长转化为元后再输出。 6 f t m d e l a yl i n e 图1 5基于门限函数和波长转化的缓存器 f i g1 5f u n c t i o n a ld i a g r a mo f t h ev a r i a b l eo p t i c a ld e l a yc o i l c o p t ( 3 ) 、基于非线性光纤环路镜的光缓存器 美国西北大学，a g a r w a l 4 2 4 4 等提出了基于非线性光纤环路镜( n o n l i n e a r o p t i c a ll o o pm i r r o r ，n o l m ) 的缓存器方案。当信号由n o l m 引入光纤后将m 1 调整为反射状态，于是光信号就在由两个全反射镜组成的f p 腔中来回运动，这就 是存储效应( 如图1 6 ( a ) ) 。当需要将数据读出时，只需将n o l m 改为透射状态 即可。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将 反射镜m 1 改为非线性光纤环路镜( 如图1 6 ( b ) ) 用于存储数据包的“读写控 制。 ( a ) 2 0 0 0 年提出的方案( b ) 2 0 0 1 年提出的方案 图1 6 基于法布里一珀罗腔的光缓存器 f i g 1 6a l l - o p t i c a lb u f f e rb a s e do nf a b r y - p c r o t 7 图1 7 基于有源垂直耦合器的光缓存器原理图 f i 9 1 7 s c h e m a t i c so f t h eo p t i c a lb u f f e rb a s e da c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r 图1 8基一 有源垂直耦合器的光缓存器实验图 f i 9 1 8 t h ee x p e r i m e n ts e t u po ft h eo p t i c a lb u f f e rb a s e da c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r ( 4 ) 基于有源垂直耦合器的光缓存器 n a nc h i 等人 4 5 】提出了利用有源垂直耦合器( a c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r s ，a v c ) 组成的光交叉开关( o x s ) 矩阵实现的大范围、小粒度的光缓存器，其原理如图 1 7 ( a ) 。每一个光交叉开关由两个a v c 组成两个正交垂直的无源光波导。当o x s 单元在注入电流的作用下处于导通状态时，注入无源光波导的光会被反射到与之 垂直的有源垂直耦合器( a v c ) 中，并在无源光波导波导中输出，如图1 7 ( b ) 所示。当o x s 单元没有注入电流时，注入无源光波导的光会直接在底层的无源光 波导波导中输出，如图1 7 ( c ) 所示。即当开关处于导通状态时，光从a 端口输 入，从d 端口输出；即当开关处于关闭状态时，光从a 端口输入，从