（光学专业论文）帧头提取和光信号比较器的研究.pdf

中文摘要 摘要：全光分组交换网是光通信网络的未来发展方向，全光交换的实现，不仅可 以克服电子瓶颈的限制，而且也使全光分组交换网具有灵活、高速、交换粒度多 样化以及网络资源利用率高等优势。而全光信号处理是实现全光分组交换网的关 键所在，全光帧头提取和全光信号比较器作为全光信号处理技术的重要组成部分， 对未来的光分组交换、全光信号再生、全光波长变换、光计算等方面具有十分深 远的影响。本文主要围绕全光信号处理中的这两个关键技术帧头提取和光信 号比较器进行了以下几方面的研究： 1 对已有的几种帧头提取方案进行了分析，并采用了基于t o a d 的帧头提取方 案，实现帧头的提取需要满足条件：a t t 。，t t 。 t h 。 2 介绍了测量e d f a 增益恢复时间的两种方法以及相关的原理，并采用其中一种 方法测量了e d f a 的增益恢复时间。利用e d f a 代替s o a 作为非线性元件， 实现了低速的帧头提取方案。 3 介绍了目前几种基于s o a 的全光信号比较器的实现方法，并以t o a d 结构为 实验方案，从理论上推导t o a d 实现信号比较的条件。 4 分析了输入探测脉冲功率、s o a 线宽增强因子口及驱动电流，对基于t o a d 全 光异或结果的影响。分析表明透射端输出脉冲功率随输入探测脉冲功率、口及 ，的增大而提高；反射端口的漏光随口的增大而下降，反射端口的漏光始终大 于零。并通过实验获得数据作图，其结论与理论分析一致。 关键词：半导体光放大器；掺铒光纤放大器；增益恢复时间；帧头提取；光信号 比较器 分类号：t n 9 l a bs t r a c t 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 g ( o p s ) n e t w o r ki sb e l i e v e dt ob et h ef u t u r e d e v e l o p i n gd i r e c t i o n ，i nw h i c ht h er e a l i z a t i o no fa l l o p t i c a ls w i t c h i n gw i l ln o to n l y o v e r c o m et h ee l e c t r i c a lb o t t l e n e c k ，b u to f f e rt h en e t w o r kd o m i n a n c e so fs c a l a b i l i t y , u l t r a h i g hs p e e d ，s w i t c h i n gg r a n u l a r i t yd i v e r s i t ya n dh i g hr e s o u r c e se f f i c i e n c ye t c i n o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gi se s s e n t i a l ，t h et e c h n o l o g i e so f h e a d e re x t r a c t i o na n do p t i c a ls i g n a lc o m p a r a t o ra st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so f a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g h a v e f a r - r e a c h i n g i n f l u e n c eo n a l l - o p t i c a ls i g n a l r e g e n e r a t i o n ，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 , o p t i c a lc o m p u t i n ga n ds oo n t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e do nt h es t u d i e so fh e a d e re x t r a c t i o na n do p t i c a l s i g n a l c o m p a r a t o ri na l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c es o m ek i n d so ft e c h n o l o g yo ne x t r a c t i n gh e a d e r , a n dt h es c h e m eb a s e do n t o a dm u s ts a t i s f yt h ec e r t a i nc o n d i t i o n s ：a t 钒，t t s r h 2 b e f o r et h ee x p e r i m e n to fe x t r a c t i n gh e a d e r , i n t r o d u c et w om e t h o d so f m e a s u r i n gt h e g a i nr e c o v e r yt i m eo fe d f aa n dt h er e l a t e dt h e o r y u s eo n em e t h o dt om e a s u r et h e g a i nr e c o v e r yt i m eo fe d f a r e a l i z eh e a d e re x t r a c t i o na tl o wr a t e sb yu s i n ge d f a f o rs o aa st h en o n l i n e a re l e m e n t 3 i n t r o d u c et h em e t h o d so fa l lo p t i c a ls i g n a lc o m p a r a t o rb a s e ds o a 。a n dd e d u c et h e c o n d i t i o nt or e a l i z ea l lo p t i c a ls i g n a lc o m p a r a t o ru s i n gt o a d 4 a n a l y z et h ei n p u tp l u sp o w e r , s o al i n e - w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o ra n dd r i v i n g c u r r e n tt ot h ei n f l u e n c eo fa l lo p t i c a lx o rb a s e dt o d a i nt h et r a n s m i s s i o ne n d ， t h eo u t p u tp l u sp o w e rg r o w sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ei n p u tp l u sp o w e r , aa n di ，b u t t h ec o n t r o ls i g n a lp o w e rn e e d st ob ei n c r e a s e d h o w e v e r , t h eo u t p u to p t i c a lp o w e ri n t h er e f l e c t i o ne n di s a l w a y sa b o v ez e r o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h e c o r r e c t n e s so ft h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d s ：s o a ；e d f a ；g a i nr e c o v e r yt i m e ；h e a d e re x t r a c t i o n ；o p t i c a ls i g n a l c o m p a r a t o r c i a s s n o ：t n 9 】 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：签字日期： 年 月日 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： 导师签名： 签字日期：年月1 7 1签字日期： 年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴重庆教授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。他悉心指导我完成了 实验室的科研工作，吴老师学识渊博、治学严谨、淡泊名利，有许多独创性的思 想，这些思想在理论思考和实践研究中给了我很大的启迪，使我受益匪浅。另外， 吴老师在学习上和生活上也给予了我很大的关心和帮助。在此向吴重庆老师表示 衷心的谢意以及崇高的敬意! 王智教授和盛新志教授对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 平时的学习和生活上也给予了我极大的帮助和指导，在此衷心感谢两位老师对我 热心的关怀和指导! 王亚平博士悉心指导我完成了实验室的科研工作，在实验系统的搭建和实验 测试方面都提供了很多建设性的建议和意见，这些宝贵的建议和意见对我能够完 成科研任务起到了重要的作用。王亚平师姐孜孜不倦的求学精神和严谨的科研态 度鞭策着我不断进取，在此向王亚平博士表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张煦、孙广娜、翟璐瑶、冯震、孟庆文、张 人元、赵瑞、张立军、余贶碌等同学对我论文的研究工作给予了热情的帮助，实 验室的生活让我感受到了大家庭般的温暖，在此向他们表达我的感激之情。另外， 还要感谢王拥军、季江辉、赵阳、赵爽、杨双收等师兄师姐，他们的热心指导帮 助我顺利完成了实验研究工作。还要感谢冯玺、唐伟等同学，同窗的生活让我感 受到了姐妹般的友谊，感谢她们在生活和学习中给我的关心和帮助。 另外也感谢家人，感谢父母的养育之思，感谢一直以来他们对我学业上的支 持和鼓励，更感谢多年来父母在生活中给予我无私的关爱，他们的理解和支持使 我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 课题提出的背景及意义 国际互联网( i n t e r n e t ) 及多媒体交互式业务环境的发展将需要愈来愈高的 传输速率和带宽，光通信在其中将会起着越来越重要的作用。通信网中交换机和 路由器的规模越来越大，运行速率越来越高。据估计，在2 0 1 2 年未来的大型交换 设各( 路由器) 将需要处理总量达一百t b i t s 的信息。面对同益增长的对处理速率 的要求，传统的基于电子信号处理技术由于“电子瓶颈”和“光电转换瓶颈”的 限制已经显得难以应付，而基于全光信号处理技术的采用全光交换和全光路由的 全光网络( a o n ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 将是未来网络的发展趋势。 在这种网络中，用户与用户之间的信息传输与交换全部在光域内进行，而不 需要经过光电光转换，所以它能极大地提高网络速率。与其他光交换方式相比， 光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 【h 】网络是全光通信网络的未来发展方 向。光分组交换的交换单元是高速传输的光分组，交换粒度灵活可大可小。光分 组交换是分组交换在光域中的延伸，是光交换的理想形式，其吞吐量高，功耗低。 就承载突发性大且分布非对称的等数据业务而言，o p s 技术具有建立连接时延 短，带宽利用率高，灵活性强，可升级，可重构，控制管理简单等优势。o p s 可 在不同粒度上进行，因此可提供许多不同种类的服务适应不同的需求，易于实现 终端业务的接入并便于实施流量管理。因此光分组网是未来光网络中承载话音与 数据等多种业务的理想平台。 随着全光交换和路由技术在处理速度和容量方面的进步，o p s 技术己经取得 了一些进展，例如全光缓存、全光逻辑等，然而o p s 的实用化需要许多器件和系 统技术的支持，但迄今为止，其中大多数仍处于研究实验阶段，还没有达到成熟 的程度【5 】。光分组交换( o p s ) 是分组交换技术向光层的延伸，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。 全光信号处理是实现全光网的关键所在。光通信中，全光信号处理是一个比 较大的范畴，涉及到复用、交换、再生、存储、计算等多个环节。通过全光信号 处理技术，可以解决光传输过程中些不利因素的影响，例如采用再生技术，可 韭噩至垫盔! i 兰亟堂僮 监塞j f吉 以解决传输中光纤色散、信道串扰、光放大器的自发辐射噪声积累、非线性畸变 等不利因素的影响。通过全光信号处理技术，可以解决网络瓶颈限制，提高带宽 的利用率，提高网络速率，降低网络成本等等【”。因此，全光信号处理技术在光网 络中具有极其重要的作用。 1 2 全光信号处理相关技术的研究现状 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。 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l1 所示。 图11 光分组变换节点功能框图 通常光分组由信头( 帧头或者光标签) 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i 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。由光分组交换的节点 功能可以看出，光分组变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。 图中黑框所标示的部分可以采用o o o ( 全光) 或者o e 0 ( 光电光) 两种方式来实 做广 兰 。 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。本论文主要研究分组处理中的信头( 帧头) 提取技术和信头处 理模块中利用光信号比较器实现信头识别，如图1 2 所示。当一个光数据码源到来 时，通过帧头提取装置分离出该分组包的帧头，为了实现帧头信息的正确识别， 把提取出来的帧头数据进行多次周期复制。在同步时钟的控制下，本站的地址由 一个滑动地址码发生器产生一个周期性的滑动地址码流，驱动光源，形成滑动的 本地信号。两个周期性的光码流经过光信号比较器运算，输出识别信号。在下面 的两小节中，将重点介绍全光信号处理技术中的两个关键技术，即帧头提取和光 信号比较器技术。 光信号比较器 滑动地址码， 激光器 - - - - - - - - - i( 异或逻辑门) t 。 - 一 发生器。 ， 周期- l 生本地信号一。 1 。 一一 一 圹喁 ：时蚰坦雨* 由搪拖 邑，- 一一。，翻酝o ，。磊z 骅粉挥再丑晤，帖头信昙一 周期性帧头信号 ，u 趴j ，口w - - i 棚、 帧头光环 分级补偿。； - 提取，形腔+ 光放大器，； 图1 2 帧头识别 1 2 1全光帧头提取技术的研究现状 号+ j 光分组头技术，作为光分组交换的一种实现形式，将目前的i p 寻址、标签交 换与光波长有机结合起来【7 j ，高效地承载i p 业务，灵活地组网和实现网络升级， 大幅度提高了网络适应性和生存能力。其高速、大吞吐量、低延时、业务和比特 率透明等突出的优点，引起了人们对光标签交换的广泛研刭9 - 1 1 , 1 3 】。 为了能够对光分组的标签( 帧头) 进行快速处理，人们提出了一些方案用来 提取光分组的标签。例如光的副载波技术( s c m ) 【9 】，多波长技术【l2 1 、正交调制 技术【8 】和串行编码技术等【1 0 , 1 1 】。多波长技术由于波长资源的紧缺和传输过程的色散 而受到限制，而解调的复杂性束缚了正交调制技术发展。目前研究最多的是副载 波技术和串行编码技术。s c m 方法也称外带信令方法，即净荷以较高速率调制在 某个波长的基带上，而分组头调制在比基带频率稍高的副载波上，速率较低，易 于处理。但要求副载波频带要很窄，而且间隔较宽，因而副载波的数量受限。副 载波会限制净荷速率进一步增加。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 f 和k e o p s 1 3 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【1 4 】等就是基于这样的思路来实现 标签处理。 截至到目前为止，实验室里已经提出了多种实现串行编码的全光帧头与净荷 全光分离的方案，在这些方案中，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 ( u 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。 1 2 2 全光信号比较器的研究现状 全光信号处理是实现全光分组交换网的关键所在。在实现光控光交换方式的 光网络节点中，高速全光比较器、高速全光缓存单元以及大容量可升级的高速光 交换矩阵是至关重要的功能单元。其中全光比较器件技术已经成为决定光分组交 换网发展趋势的关键因素之一，信号再生、时钟提取、光分组自路由等节点功能 都要依靠它来实现。目前，世界上有很多的研究机构都在从事全光比较器的研究， 包括丹麦工业大学，南加州大学，韩国科技大学，香港中文大学，麻省理工学院 等。虽然全光比较器目前仍处于实验室研究阶段，但一直是热点所在，并已取得 了一些成果。其技术的突破将极大地推动光分组交换网络的研究，还将引起光电 子、计算机、材料等多个科学领域中具有里程碑意义的变革。 高速全光比较器的实现大都借助于媒质的超高速非线性效应。早期的全光比 较器的实现方案主要利用了光纤中的k e r r 效应，后来，由于半导体光放大器( s o a ) 具有很强的非线性，以及功耗低、易于集成等优点，人们的研究兴趣就转向了对 半导体光放大器中各种非线性效应的利用。s o a 也被誉为下一代光网络中的“晶 体管”，其中基于双异质结构和量子阱结构s o a 的制作工艺最成熟，这也是目前 商用s o a 所采用的结构。采用s o a 作为非线性材料，按照逻辑门的实现原理主 要依靠s o a 自身的非线性效应来完成逻辑运算，这些非线形效应包括交叉偏振调 制( c p m ) t 15 1 、交叉相位调制( x p m ) t 1 6 】、交叉增益调制( x g m ) 和四波混频 ( f w m ) l l s 】。到目前为止，主要研究的全光逻辑门按逻辑功能分主要包括：逻辑与、 逻辑与非、逻辑或、逻辑或非、逻辑异或和逻辑同或等。在国内，己有部分高等 4 院校开始关注此方向的研究，但限于相关材料和器件的研究起步较晚，理论研究 居多。在各类全光逻辑器件中，全光异或门尤其重要，网络节点中的分组头处理、 净荷定位、以及光信号编码等光信号处理功能都离不开全光异或门。目前已出现 了不少全光异或门的实现方案，包括基于n o l m 、t o a d 、u n i 、s o a m z i 1 6 , 1 9 】 等。逻辑门的运算速率大多在4 0 g b s 左右，且稳定性也有待提高。 1 3 本文的主要工作 本论文对光分组交换网络中的全光信号处理技术做了进一步的研究，主要包 括：半导体光放大器的增益特性分析、掺铒光纤放大器的增益特性分析、光信号 帧头提取方案和基于s o a 的全光信号比较器的实验研究等。 第一部分：介绍了本课题提出的意义及背景，并对全光信号处理技术中全光 帧头提取技术和全光信号比较器的研究现状进行概述。 第二部分：详细阐述了光放大器的一般工作特性，然后从理论上研究了半导 体光放大器和掺铒光纤放大器的增益特性，由于二者有相似的增益饱和特性，为 第三部分在t o a d 结构中利用e d f a 代替s o a 实现帧头提取提供了理论基础。 第三部分：介绍了一种在t o a d 结构中基于s o a 的帧头提取方法，并根据 s o a 和e d f a 作为非线性元件具有相似的增益特性，提出了在t o a d 结构中用 e d f a 代替s o a 的帧头提取方案，测量了e d f a 的增益恢复时间，并进行基于e d f a 的帧头提取实验，显示了方案的可行性。 第四部分：概括了目前基于s o a 的光信号比较器中逻辑异或门的几种实现方 法，并对t o a d 结构中光逻辑异或门进行实验研究及结果分析。 第五部分：对全文进行总结。 5 2 光放大器的一般工作特性 2 1 增益系数 光放大器通过受激发射对入射光信号进行放大，其机理与激光器相同。实际 上，光放大器是一个没有反馈或者反馈很小的激光器。任何有源光学介质，在电 或光的泵浦下，达到粒子数反转时就产生光增益，实现光放大。光增益的大小不 仅与入射光频率( 波长) 有关，而且与放大器内部任一点的局部光强有关，即光 增益与频率及强度的关系决定于放大器增益介质的特性。对于均匀加宽二能级系 统所描述的增益介质，其增益系数g 可表示为： 咖卜一1 c o + (一缈o ) 2 死2 + ( 2 1 ) 其中，g 沏) 为c o 频率处的增益系数：c o o 为原子跃迁频率，由跃迁能带的带隙决定； g 。为在( _ - o o 处且输入平均光功率很小的增益系数，也称为峰值增益系数；e 为为饱 和功率，与粒子的驰豫时间有关；t 为增益介质的驰豫时间，一般0 1 p s - , 1 n s 。公 式是研究光放大器的基本方程，可用于分析光放大器的一些重要特性，如增益带 宽、放大系数以及输出饱和功率。 沿着光传输方向，可定义增益系数来描述局部的放大现象，为： 了dp 一：旷 ( 2 2 ) g 可能与z 有关，也可能与z 无关，是不同光放大器的内部机理而定。 g ( z ) j 鱼 一 图2 1 光放人器增益示意图 整个放大器的全程放大倍数g ( ) 定义为 g ( ) 2 了o u t f ( 2 3 ) 当g 与z 无关时，g ( ) 与增益系数之间的关系为： g b ) = e x p ( g ) ) ( 2 。4 ) l 为增益长度，放大倍数与增益长度指数增加。 6 2 2 放大器的增益饱和 i t ) - - 当输入信号为小信号时，即i 1 时，在方程( 2 1 ) 中，增益系数可近似为 p 、 荆2 而丽g o ( 2 5 ) 为小信号增益，该式表示当入射光频6 0 与原子跃迁频率相同时增益最大。此时 可以不计p 对g ( ( o ) 的影响。当p 增大至可以与只相比拟时，g ( c o ) 随着p 的增大而下降。 g ( ( 1 ) ) 也下降，这种现象称为增益饱和。为简化讨论，假设输入光信号频频率缈= 6 0 0 ( 原子跃迁频率) ，将式( 2 1 ) 代入( 2 2 ) 可求得光功率随距离变化的关系为 竺：毫安p (26)d z 1 + 尸，只 、7 积分可得放大器的增益为 g = g o e x p ( 一百g - 1 p o u t ) ( 2 7 ) g o = e x p ( g o l )( 2 8 ) 式中，g o 为小信号增益，即放大器不饱和时的放大倍数。由上式可知，随着输出 功率增加，放大倍数下降，基本不放大，出现增益饱和现象。 2 2 1s o a 的增益饱和 正如前节所述，放大器单程放大倍数g 的饱和特性是由局部的增益系数g 的饱 和特性所决定的，而局部的增益系数g 可以由载流子的速率方程所决定。从本质上 说，增益饱和现象是由于载流子完全耗尽的现象。而g 由公式( 2 7 ) 决定，或者 p g = g oe x p ( 1 一g ) 詈】( 2 9 ) ( 式中，g o = e x p ( g o l ) ，为p 砌 r 时，时隙增益取 决于此前长过程的平均增益，码型效应影响平均放大倍数而不会产生波形的畸变。 当r 。z 时( 如f 。为几倍的t 。) ，即当增益尚未恢复至稳定值时，后续脉冲接踵而 至，将产生显著的波形畸变，并最终导致某些脉冲完全得不到放大而产生比特图 形失真。 反转粒子数随时间变化引起的输出信号光脉冲波形畸变，与信号光脉冲的调 制频率有关，当信号光的调制周期t 。远小于增益恢复时间时，反转粒子数变化很 小，增益变化以及出射信号光脉冲波形畸变也很小。假设光纤线路上传输的码型 为1 0 1 0 1 0 ，在经过足够长的脉冲序列后，反转粒子数达到稳态动态响应。图2 6 给出反转粒子数的相对变化与调制速率的关系。当调制速率较低时，反转粒子数 变化较大，速率超过5 0 0 h z 后，反转粒子数开始变小，待速率升至5 0 0 k h z 时，反 l o 转粒子数基本接近于0 。 2 4 小结 量 墨 器 碡1 巷 麓 晖 调钢建宰j 【x z ) 图2 6 反转粒子数的相对变化与调制速率的关系 本章详细阐述了光放大器的一般工作特性，然后从理论上研究了半导体光放 大器和掺铒光纤放大器的增益特性，二者有相似的增益饱和特性，当输入泵浦功 率为定值时，在未达到饱和前，输出光功率随着输入光功率的增加相应增加，光 增益通常为常数。当输入光功率增加到某一很高的值时，由于大量的载流子参与 受激辐射，得不到及时的补充就出现增益饱和甚至增益下降，表现为输出光功率 增大的趋势随着输入光功率的增加而减缓。此外，脉冲光通过放大器时，前面脉 冲将对后面脉冲的行为产生影响，即使是同一个光脉冲，脉冲的前沿也会对后沿 有影响，产生瞬态增益效应。 3 全光帧头提取 光分组由帧头( 分组头) 和净荷两部分组成，净荷可能包含分组编号、信源 地址、用户数据等，帧头可能包含目的节点地址、优先级、空满标志等。为完成 高吞吐量的交换功能，要求能够对分组包的帧头进行快速提取和处理。目前，人 们提出了一些方案用来完成分组的帧头( 信头) 提取，例如光的副载波技术、时 隙问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 信头间要保持严格的同步。这在实际的光网络中将很难达到，并且净荷与信头的 消光比也达不到一个高水平，在接收端，信头与净荷并不能有效的分离。 一般情况下，光分组头采用时域或者频域的标记方法实现与净荷之间的区分。 时域标记方法是光分组信头和净荷都使用同一个波长信道，只是在时间上将其分 开，分组头和净荷之间保留充分的保护时问，如图3 1 所示。频域标记方法分组头 和净荷分别使用不同的波长，在频率上将它们分开，如图3 2 所示。 f前导码 图3 1 光分组帧头净荷时域标记法 j l d a t a l n b e i n 厂弋n 。 图3 2 光分组帧头净荷频域枥i 记法 在光分组信头和净荷时域标记法中，分组头与净荷的速率可以相同，以便提 取同步用的定位脉冲，但技术难度大。通常分组头速率小于净荷速率，以便降低 分组头处理的难度，但较低速率的分组头会增加光分组的延时，减小网络吞吐量 和带宽利用率。光分组头和净荷频域标记的实现方式有三种，一是让光净荷数据 和分组头信息分别使用不同的波长信道传输的方法，这样分组头重置只需要对传 输分组头信息的信道执行光电转换即可实现，缺点是净荷数据和分组头信息需要 占用不同的波长。另一种实现方法是分组头采用了w d m 脉冲，这样信头的识别 比较简单，但仍然要占用额外的波长资源。负载波复用( s c m ) 是另一新型的分组头 1 2 和净荷的标记方法，即净荷以较高速率调制在某个波长的基带上，而分组头调制 在比基带频率稍高的副载波上，速率较低，易于处理。分组头不占用净荷通道的 带宽，故不影响网络吞吐量和带宽利用率。但要求副载波频带要很窄，而且间隔 较宽，因而副载波的数量受限。副载波也会限制净荷速率进一步增加，如果净荷 数据速率上升的话，基带的频带展宽有可能会覆盖副载波频段，收发器需微波混 频器件，增加了节点的复杂性，并且净荷通道和s c m 信道之间可能存在串扰和非 线性效应导致信噪比下降。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光域中直接处理，因而 受到了广泛的关注。 对光分组帧头信息的编码、提取和处理就成为o p s 交换节点中很重要的一个 步骤，它决定了路由转发的控制信息能否迅速准确地获得，是影响整个交换节点 的吞吐量的关键因素。 3 1 基于s o a 的帧头提取 3 1 1 基于s o a 的帧头提取方法 在光分组的交换节点处，控制部分可以在光域实现，但这对光器件的要求很 高，尽管目前对全光逻辑器件的研究取得了巨大进展，但是这些器件仍未实现实 用化。由于在光分组交换网络中，信头中的数量并不是很大，它的速率可以比净 荷小，因此，我们可以在电域对信头进行处理信头可以用比净荷低的速率来调制 并加在净荷的前面，而在交换节点处，光分组信头在信头提取装置的作用下被分 离出来作进一步处理，进而实现路由和交换的控制。基于这种思路，很多机构作 了相关研究，提出了多种方案，其中典型的是基于非线性光纤环镜( n o l m ) 、 s o a m z i 【2 1j 以及基于t o a d 的方案。 采用非对称的s o 卜m z i 结构的方案【2 1 1 ，如图3 3 所示。由固定比例方向偶 合器( c 2 和c 3 ) 连接m z i 的上下臂，两个s o a 分别放置于上下臂的不同位置，两 个s o a 位置的水平距离折合成光传输时间a t ，如图3 3 所示。在每个时隙中，由 超短高强度光脉冲序列构成的光分组从端口1 迸入信头提取系统，并被c 1 分成强 度不等的两部分小信号a 和大信号b 。小信号a 作为探测信号( p r o b es i g n a l ) 由固 定比例耦合器c 2 均分成能量相同的两路脉冲流进入非对称s o a 一m z i 的上下臂， 上臂信号标记为a 1 ，下臂信号标记为a 2 ：大信号b 作为控制信号( c o n t r o ls i g n a l ) 则由3 b d 耦合器c 3 均分成能量相同的两路脉冲流b l 和b 2 进入s o a m z i 的上 下臂，调整控制信号和探测信号的传输时问，保证控制信号导致s o a l 和s o a 2 1 3 迅速饱和的时间间隔么f 内，a 1 信号的分组头脉冲在s o a l 中能量获得放大，随后 s o a l 就进入饱和状态。通过信号b l 和b 2 的控制，探测信号a 1 和a 2 通过半导 体光放大器之后在藕合器c 3 处进行干涉，然后从端口2 和端口3 输出，进而提取 出光分组信头脉冲。 图3 3 基丁非对称s o a m z i 的帧头提取结构图 该信头提取方案利用的一个重要特性是s o a 的增益饱和特性。当输入能量达 到一定的程度后，s o a 就会进入饱和状态，丧失放大功能。当一束脉冲串入射到 s o a 时，s o a 起初处于未饱和状态，因而具有较高的增益。当第一个脉冲通过时， s o a 的增益骤然下降至饱和态，并引起脉冲相位的剧烈变化。在第一个脉冲过去 之后，s o a 增益开始缓慢恢复。如果脉冲周期远远小于s o a 的载流子寿命，第二 个脉冲到来时，s o a 的增益仅恢复了一部分就又降至饱和态。这样，第二个脉冲 及后面脉冲的增益和相位变化较小。同时，在信头脉冲获得放大之后，控制信号 的输入也被用来促使s o a 更迅速饱和。 另一种基于s o a 的信头提取方式如图3 4 所示【2 3 1 。它由一个半导体光放大器 ( s o a ) 和一个延迟干涉仪( d i ) 组成。d i 的两个臂由两个3 d b 耦合器连在一起， 输入端为l 2 耦合器c 1 ，输出端为2 x 2 耦合器c 2 。d i 的长臂引入延时a t 。当一 个光脉冲耦合到d i 后，它会被耦合器c 1 分成两个强度相等的脉冲，分别沿d i 的两个臂向前传送。其中d i 长臂中的l a 脉冲到达耦合器c 2 的时间比短臂中的 s a 脉冲延迟a t 。l a 脉冲和s a 脉冲在耦合器c 2 中发生干涉后从2 端口输出。信 头进入s o a 后，在光脉冲的作用下s o a 的增益迅速达到饱和，在比特间隔内， s o a 的增益逐渐恢复。由于信头的比特间隔较大，因此，s o a 的增益有足够的时 间来恢复到一个较高的水平，因而信头中的每一个光脉冲都可以获得较大的增益。 净荷部分光脉冲间隔较小，前面脉冲经过后，s o a 的增益还来不及恢复后，后面 的的脉冲又紧随着进入s o a ，因此，s o a 的增益始终处于一个相对较低的水平， 净荷中的光脉冲能够获得的增益比信头脉冲获得的小。在s o a 中，大的增益往往 伴随着大的相移，信头中的脉冲在耦合器c 2 内相遇时，s a 脉冲与经过延时的l a 1 4 脉冲之间会产生较大的相位差，二者在耦合器c 2 中干涉加强，输出脉冲的能量也 得到加强。对于净荷中的脉冲，相应的l a 脉冲和s a 脉冲在耦合器c 2 中相遇时， 发生干涉相消，输出的能量受到抑制，所以这种结构能够实现信头的提取。 2 图3 4 基于s o a d i 的信头提取的帧头提取结构图 要使上述的信头提取装置有效地工作，必须满足以下的限制条件。首先，信 头的调制速率小于净荷的调制速率也可以相同，同时，净荷的比特问隔应该远远 小于s o a 的载流子寿命时间，这样负荷就可以完全被阻塞；其次，信头的最后一 个比特和负荷的第一个比特必须是“l ”，这两个比特之间的时间间隔与信头的比特 间隔相同，这样可以避免由于s o a 的增益恢复，负荷中的第一个比特也被当作信 头提取出来：此外，负荷必须采用合适的编码方式，避免出现长连“0 ”，因为长连“0 ” 后的“l ”很容易被当作新信头的开始。 另外，m z i 易受外界因素的干扰，不易保持稳定，不易控制和调节，使基于 m z i 的方案在实施和实际应用中受到限制。 文献 2 2 提出了一种基于改进的太赫非对称光解复用器t o a d ( t e r a h e r t z o 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 ) 结构和差分调制的方案，用以完成光分组交换 网络中的全光分组中的信头提取。此方案结构简单，易于实现和控制。文献中给 出了仿真结果，本文在此基础上作了分析和实验尝试。 3 1 2t o a d 结构中的帧头提取方案 帧头提取的结构如图3 5 所示，为一基于t o a d 的帧头提取的结构。光纤环 中的耦合器c 将输入的信号光分成顺时针方向传输( c w ) 和逆时针方向传输 ( c c w ) 两束光。其分光比为a ：( 1 a ) 。s o a 作为非线性元器件，偏离环中心位 置放置，从而使两束相向传输的光到达s o a 的时间内产生一个4 f 的时间间隔。 假定满足下列关系式：么f t 町。 t h ，其中t s 为s o a 中载流子的寿命，t 和t h 分 别为净荷和帧头中的脉冲间隔时间。 l 盯 p a y l o a d i n p u tp a c k e t 12 图3 5 采用s o a 作为1 = 线性元件的帧头提取系统图 通过调节光s o a 在环内的位置，使c w 脉冲比c c w 脉冲先到达s o a ，获得 较大的脉冲增益，并使s o a 进入饱和状态。s o a 在c w 脉冲周期中进入饱和状 态，由于a t t s ，在c c w 脉冲到来时，s o a 的增益饱和状态不能完全恢复。所 以c c w 脉冲仅能获得相对较低的脉冲增益。c w 脉冲与c c w 脉冲间的增益差可 以导致二者产生7 1 ：的相位差，因而当它们返回耦合器c 1 中时，在输出端会得到干 涉增强脉冲。同时由于t t 。町h ，具有大的脉冲间隔时间的帧头脉冲，可以从s o a 中获得高增益和大的相移差。而对于随后进入s o a 的净荷脉冲，由于其小的脉冲 间隔时间，只能从s o a 中获得低的脉冲增益和小的相移差，因此被抑制，所以从 耦合器c 1 中输出的只有帧头光脉冲，从而完成光数据包的帧头提取。 利用文献 2 3 】中给出的s o a 模型，s o a 的动态增益、输入的c w 和c c w 光 脉冲的相移与功率的变化可由下列公式得到： o g ( z , t ) ：g o - g ( z , t ) 一墨! 三! 堕p c ( z , t ) f 31 、 一= _ i 包 r c l + 占足( z ，f ) e s a ! 、7 型：匦型二垡坐j d z 1 + s 足( z ，t ) 名( z ，t )( 3 2 ) 丁c 3 q 6 c ( z , t ) 一三1 口高 ( 3 3 ) 昆2l + 占只( z ，f ) 、7 其中，e ( z ，t ) 和丸( z ，t ) 分别表示s o a 中脉冲的功率和相移：g ( z ，t ) 为s o a 的动态增益系数；g o 是s o a 的小信号增益；1 7 c 为载流子寿命；口为线性增宽因子； 。为s o a 的损耗系数；为与带内效应加载如载流子加热、谱烧孔等效应有关的 非线性增益压缩因子。 采用与文献中相同的透明假设，则耦合器c 的输出功率可以表示为： 1 6 以-24笳,(1黼(t)pcc 。o s 龙w ( f 】 ( 3 4 ) 一口) 足w c w ( f ) w ( f ) 一九c w ( f ) j 。 箍麓裳0 s 【) + p 删c c wc t ) 制 纠 5 ， + 2 尼w ( f ) 足c w ( f ) c o s 【艇w ( f ) 一龙c w ( f ) j 其中，p c w ( t ) 、p c c w ( t ) 、o c w ( t ) o c c w ( t ) 分别是c w 和c c w 脉冲经 过s o a 后的功率和相移；a ：( 1 - a ) 为耦合器c 1 的分光比。 表3 1 系统仿真中使用到的固定参数 s o 的存放折射字 载漉子寿白 红宽增强闲子 s o a 有源区长度 饱和能麓 输入信号潲光比 蝌 小倩号增益 输入脉冲波长 输入脉冲能馈 在仿真中设输入为高斯脉冲，脉宽为t p 。t 辩- - 5 p s ，a t = - 2 4 p s ，帧头速率为2 5 g b i t s ，净荷速率4 0 g b i t s 。其它仿真中所用到的s o a 和输入信号脉冲参数如表3 1 所示。则t = 2 0 p s ，t 。= 2 0 0 p s ，t h = 3 9 5 p s ，满足关系a t 稍。 t h 。 ( b ) o 5 0 0 l 便m i h n e i , t l ( a ) 输入光分组脉冲( b ) 提取出的分组头脉冲 图3 6 光分组脉冲帧头提取系统t 作原理仿真 图3 6 中给出了系统工作原理的具体仿真结果。输入1 5 比特的信号分组包， 具体格式为：( 1 ，0 ，l ，0 ，l ，l ，0 ，0 ，l ，l ，0 ，l ，0 ，l ，0 ) ，如图3 6 ( a ) 1 7 一 脚以帅刈m 枷喇 一越 舭。如 舻m 耻 嘲蛳吣嘶咖帖们 a o n a q i-暑&_暑_-，差_置_i髫 所示，其中帧头脉冲为前5 个脉冲( 1 ，0 ，l ，0 ，1 ) ，净荷脉冲为r z 码，帧头 脉冲和净荷脉冲的速率分别为2 5 g b i t s 和4 0 g b i t s 。由图3 6 ( b ) 我们看到： 与输入能量相比，输出帧头脉冲的能量放大了约2 0 d b ，并且由于系统开关窗口的 关闭，随后的净荷脉冲能量被很好的抑制掉了。 3 2 t o a d 结构中用e d f a 代替s o a 的帧头提取方案 由于实验中所使用s o a 的增益恢复时i 日j 是4 0 0 5 0 0 p s ，而编码的最高频率为 2 5 g ，码问最短时| 自j 间隔约是4 0 0 p s ，不能满足净荷比特问隔时间小于s o a 的增 益恢复时间这一条件，为