（光学专业论文）分级可变包长双环全光缓存器若干问题的研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来光纤通讯飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。然而， 在网络节点处仍需将光信号先转变为电信号再对其进行处理，由于光电转换器件 响应时间及电子交叉互连，形成了网路节点处的电子速率“瓶颈”，克服电子速率 瓶颈的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。全光包交换网络( o p s ) 属分组级的光信号处理，能够有效利用带宽，提高带宽资源的利用率，成为未来 高速全光网络的必然选择。 包交换技术实质上是一种存储一转发技术，如何在光域中完成光信号的存储 和转发成为全光包交换网络的关键技术之一，全光缓存器作为o p s 网络中的关键 器件，它的丢包率、存储容量等特性都将直接影响到全光包交换网的性能。 本论文针对全光存储器主要做了以下工作： 1 研究了目前已提出的多种光纤环路型全光缓存器的方案。不少方案已能在实 验室中实现光信号的存储。但这些缓存器仅局限于对存储现象的研究和讨论，而 且所能缓存数据包的长度受到光纤环长的限制，是不可变的。而在一些实际使用 中的网络协议如以太网、令牌环网中，到达网络节点处的数据包长度是在不断交 化的，在这种情况下当前研究的很多缓存器是无法正常工作的。 2 以本实验室独创的基于3 x 3 耦合器的双环全光缓存器( d l o b ) 为研究对象， 细致讨论了缓存器环长与所能存储数据包长，包间距之间的关系。 3 为解决实际网络中变长度数据帧的存储，本文研究了以3 x 3 耦合器的双环全 光缓存器为基本缓存单元，将多个d l o b 级联的方案。该方案能够在一定程度上 解决变长度数据帧的存储与固定环长之问的矛盾，使全光缓存器的实用化进程更 进了一步。 4 在实验室中搭建了d l o b 二级串连的实验平台，在此平台上成功实现了数 据帧的并行存储，并对数据包的分割粒度进行了详细分析。 关键词：可交包长；双环光纤全光缓存器( d l o b ) ；平行排列3 3 耦合器；半导 体光放大器( s o a ) ；波分复用( w d m ) a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nf i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h eb a s i cp l a t f o r mi nm o d e r nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i nt h ec o m m o nn e t w o r kn o d e s , w es h o u l dt r a n s f e ro p t i c a ls i g n a lt oe l e c t r o n i c s i g n a l ，t h e np r o c e s si t a si tn e e d st i m ef o ro p t i c - e l e c t r o n i ce l e m e n t sa n de l e c t r o n i c e r o s ss w i t c ht ot r a n s f e rs i g n a la n dp r o c e s si t , t h e r ei s 粕e l e c t r o ns p e e d b o t t l e n e c k i n t h en e t w o r kn o d e i no r d e rt oo v e r c o m et h e b o t t l e n e c k , w es h o u l dd i r e c t l ys w i t c ha n d p r o c e s st h eo p t i c a ls i g n a l t h 砒m e 锄l sw es h o u l dd e v e l o pt h ea 1 1 o p t i c a ic o m m u n i c a t i o n n e t w o 出a st h ea l l - o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ( o p s ) n e t w o r kc a ns w i t c ha n dp r o c e s ss i g n a l m u c hf a s t e ra n du t h en e t w o r kb a n d w i d t hm o r ee f f i c i e n t l y , o p sn e t w o r ki sag o o d s e l e c t i o ni nt h ef u t t n su l t r a - f a s ts p e e dn e t w o r k t h ep a c k e t - s w i t c ht e c h n o l o g yi sas t o r ea n df o r w a r dt e c h n o l o g y i ti so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st os t o r ea n ds w i t c ht h eo p t i c a ls i g n a li nt h eo p t i c a lf i e l df o r t h eo p sn e t w o r k a 1 1 o p t i c a lb u f f e r , a st h ek e ye l e m e n ti nt h eo p sn e t w o r k , i t s s p e c i f i c a t i o ns u c ha sp a c k e tl o s sr a t ea n ds t o r a g ec a p a c i t ya n ds oo nw i l ld i r e c t l ya f f e c t t h ep e r f o r m a n c ei no p sn e t w o r k t h ei n n o v a t i o n so f t h i st h e s i so l la l l - o p t i c a lb u f f e ra r c8 sf o l l o w s ： 1w ea n a l y z em a n yf i b e rl o o ps t y l ea l l - o p t i c a lb u f f e rm e t h o d s af e wc o u l dh a v e b u f f e ro p t i c a ls i g n a l t h e yj u s tl i m i tt h e i rw o r k st ot h es t u d ya n dd i s c u so nt h es t o r a g e p h e n o m e n a b e c a u s et h el e n g t ho f p a c k e ts t o r e di nt h eb u f f e ri sl i m i t e db yt h el e n g t ho f t h ef i b e rr i n ga n dt h er i n gi sc o n s t a n tt h ep a c k e ts t o r e di nt h eb u f f e rc a n n o tv a r y i nt h e o p e r a t i n gn e t w o r kp r o t o c o l ss u c ha se t h e m e ta n dt o k e nr i n g , t h el e n g t ho f t h ef r a m e si s v a r y i n gd e p e n d i n g o nt h ed a t al e n g t h m a n yb u f f e rm e t h o d sb e i n gs t u d i e dc a n n o tm a t c h t h en e e di nar e a ln e t w o r k 2w es e l e c td o u b l el o o p s3 x 3c o u p l e ra l l - o p t i c a lb u f f e r sa so u rs t u d yo b j e c ti no u r l a b , a n dr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nt h er e l a t i o n s h i pb e f w e e nt h el e n g t ho fb u f f e rr i n ga n d t h el e n g t ho f p a c k e d 3i no r d e rt os t o r et h ev a r i a b l ef l a m el e n g t h w eu s ed o u b l el o o p s3 x 3c o u p l e r a l l - o p t i c a lb u f f e r sa sb a s i cb u f f e ru n i ta n dr e s e a r c ht h em e t h o dt h a tt h a tm a d es e v e r a l b l o bw o r ki ns e r i a l t h em e t h o dc a ns o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns t o r i n gv a r y i n g d a t af r a m ea n df i x e dl o o pl e n g t h i tm a k e sap r o g r e s si nt h ep r o c e s so ft h ea l l - o p t i c a l b u f f e ra p p l i c a t i o n 4i nt h el a b ，w ec o n s t r u c tat w od l o bs e r i a le x p e r i m e n ts y s t e m w es u c c o s s f u l i y s t o r e dad a t af r a m ei np a r a l l e la n d 锄a i y z e dt h ef i n e n e s so fd a t ap a c k e t p 娥岫i n d e t a i l k e y w o r d s ：v a r i a b l el e n g t l ip a c k e t s ：d u a ll o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) ；c o l l i n e a r 3 x 3f i b e r c o u p l e r ；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 ) ；w a v e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) 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： 签字日期：年月日 夕 纺色矗 导师签名： 签字日期：。_ 年a 月二咱 致谢 伴随着这篇论文的最终完成，我研究生阶段的学习生活也即将结束。在此， 我谨向在我人生的这一重要阶段给予我支持和帮助的所有人表达我最衷心的谢 意! 首先，我要感谢我的导师吴重庆教授。吴老师学识渊博、治学严谨，对任何 事情都一丝不苟，毫不马虎。他教我踏踏实实做学问，实实在在做人。不仅使我 在专业知识上和科研能力上得到了长足的进展，而且我从他平时的言传身教中也 学到了许多做人的道理。所有这些，都是我毕生的财富在此我向吴老师表示衷 心的感谢和崇高的敬意，祝愿他身体健康，全家幸福! 同时，感谢李亚捷博士、程木博士、魏斌博士、李政勇博士，他们丰富的工 作经验和深厚的专业功底在我遇到难题时帮助了我。在此我还要特别感谢的是与 我同在一个项目组的李亚捷师姐。在我研究课题的过程中，我做了两个手术，并 且还因为身体和精神上的很大压力出现了失眠焦虑等症状。因为这些原因有些实 验我不能亲自完成，而且还休了很长的病假。李噩捷师姐不但没有因为我影响了 实验进度而有一丝怨言，而且还不断的鼓励我，帮我完成了很多本应由我完成的 任务，且对我的论文进行了细心的指导。可以说，没有李亚捷师姐，就不会有这 篇论文。 我还要感谢已经毕业的倪东、孙世杰、盛积业、陈春桢、高华丽这些师兄师 姐们在生活和学习上给予我的帮助。感谢刘琦、刘晓冬、黄涛、刘衍飞、王丹、 姜楠、季江辉这些我的同窗好友陪我度过了研究生近三年的学习生活 最后，我要深深感谢生我养我的父母在我进行我的学业的时候，他们在远 方不断的给予我支持、鼓励和关心；在我生病的那段时期，他们又不辞劳苦无微 不至的照料我。我能完成这篇论文，完成我的学业，也有他们的一份功劳。在此 祝愿他们开开心心，身体健康! 1 1 全光网的发展 第一章引言 随着社会的进步，能极大丰富和改善通信效果和质量的宽带视频、多媒体业 务、基于i p 的实时业务等新兴数据业务的社会需求不断增长。由于新兴业务占用 的带宽资源较多，对通信容量提出了越来越高的要求，高速宽带综合业务网络已 成为本世纪通信网络的发展趋势。而光通信技术的出现给通信领域带来了蓬勃发 展的机遇。 光纤通信的优势之一是其近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量。贝尔实验室于2 0 0 0 年在世界上首次通过单根光纤进行了每秒t 比特级的长距离无差错传输实验。每 秒t 比特的带宽足以同步传输5 0 万部电影，而实现这一记录的关键是贝尔实验室 在光学领域中的最新突破在一根光纤中承载1 0 0 0 个信道或波长。可以预见， 随着技术的进展，用户将可以得到几乎无限的带宽。 光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中， 如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈” 的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电 和电光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念。 由于世界范围内全光网仍处在研究阶段，尚未形成统一的标准，因此没有严 格定义的全光网。当今所指的全光网，是指信息在网中的传输及交换时始终以光 信号的形式存在，而不需要经过光，电、电，光转换，从而有可能提高网络的交换速 度，并且使整个网络对光信号透明。由此可见只有基于光纤的全光网络方案能提 供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输的“瓶颈”，可以在很长的时间内 适应高速宽带业务的带宽需求 传输和交换是光纤通信网络中的两个重要的技术。 在传输技术方面，光时分复用( o t d m ) 和波分复用( w d m ) 是能利用巨大 的光纤带宽资源的两个主要的可行技术。目前单波长速率已经达到1 6 0 g b s 1 l o 在 w d m 中，传输容量的增加是通过波长的增加来实现的。在常规的c 带内 0 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，基础速率为2 5 g b p s ，l o b p s 的8 波、1 6 波、3 2 波、4 0 波乃至8 0 波的d w d m 系统已经商用，各光波道间隔将缩小到2 5 g h z ( 0 2 n m ) 。新的全波光 纤此类光纤系统可利用的光谱是1 2 8 0 1 6 1 5 n m ，是常规可用波长范围的数倍，复用 波长数大大增加，从而经济有效地解决网络扩容问题。近来，日本n e c 和法国阿 尔卡特公司在实验室中分别实现了总容量为1 0 9 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i t s ) 和l o 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输容量的最新世界纪录”。目前t b i 如级w d m 系统已 经开始大量商用，并且光纤的价格已经非常低，具备了超大容量传输的坚实基础， 世界上许多国家采用w d m 技术对已铺设的光纤线路进行扩容。光纤传输的基本 问题已解决 但现有技术只提供了原始的传输带宽，需要有功能灵活的节点才能实现高效 灵活的组网能力。目前通信网络节点仍需光，电、电光转换和电信号处理，光，电转 换器件响应时间及电交叉连接，上厂f 路设各本身带宽的限制，形成了网络节点的 电子速率“瓶颈”。为了解决这一问题，全光网研究的注意力开始转向光节点，就 是直接在光域中进行交换以克服电子。瓶颈”，在光层面上来解决节点的容量扩展 问题。 在理想的全光网中，信号的交换、选路、传输和时钟恢复等所有功能都以光 的形式进行。目前的全光网络并非是整个网络的全部光学化，而是指用户信息在 传输和交换过程中以光信号的形式存在，而控制部分既可以以电的形式进行，也 可以在光域中进行。从当前光电子元器件的现状和发展趋势来看，力图实现整个 网络的全光化是不现实也是不必要的州。 节点处的光交换可以分为线路级( 光纤级) 、波长级、分组级或比特级等多种 光交换形式。空分光交换是线路级的光交换，这种光交换的缺点是占用空间大， 交换粒度太大，缺乏灵活性。波长交换是波长级的交换，单个波长信道的带宽利 用率比较低。光时分交换就是在时间轴上将每个比特光信号的时间位置转换到另 一个时间位置，属于比特级的光交换它的交换原理与电时分交换相同，光信号 也是被分割成时间片进行交换，它的优点是可扩展性较好，与现有的通信体系相 一致，缺点是交换粒度太细，要求网络节点具有很高的处理能力和速度。 因特网中流量的突发性使得短时流量非常高，但平均流量却非常低。这样每 个波长的带宽利用率非常低同时需要的波长资源将会大大增加，因此仅仅以波长 为粒度承载各种业务进行交换就显得太粗糙。因为波长资源毕竟相对有限，以波长 路由为基础的全光网难以适应各种承载要求，造成带宽利用率低和波长资源的浪 费。光分组交换( o p s ) 可以有效地解决上述交换的问题。 o p s 属于分组级的交换，数据交换以数据包( 分组) 为单位。在o p s 系统中， 节点根据数据包的包头信息来进行路由选择，单一波长可以被多个不同的数据包 共享，与波长交换相比，交换粒度更为适中 光分组交换( o p s ) 中在光域中包头识别和控制仍需时日，目前国际范围o p s 的研究还是集中在光电混合模型里，即o p s 电域控制和电域光包头信号处理、全 光的分组数据交换。光分组包含光包头和净负荷，光包头携带地址信息，净负荷 可以是固定时间长度或者可变时间长度。光包头在电域内完成识别和处理，净负 2 荷在整个光网络中透明传输。o p s 节点能够最大效率的利用网络资源和满足数据 流量对网络带宽的需求l j l 。 基于o p s 的全光网具有以下优点： 透明性。全光网中信号的传输全部在光域内进行，对传输码率、数据格式 和调制方式都具有透明性，能支持多种协议，可不受限制地提供端到端的 服务。 可扩展性。在加入新的网络节点时，不影响原有网络结构和设备，只需升 级网络连接，就能够增添网络单元，降低了网络成本 可重构性。可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网 络资源，具有网络的可重构性。 结构简单。端到端采用光通路连接，沿途没有光，电变换，网中许多光器件 都是无源的，可靠性高、可维护性好。 o p s 是一种粒度适中的交换机制，它允许统计复用网络通道的带宽资源，因 此特别适合突发的数据业务。o p s 的基本技术是“存储一转发”，一般不需要建立 连接。在o p s 中，分组净负荷紧跟分组头在相同光路中传输，网络中间节点需要 缓存净负荷，等待分组头的处理，以确定路由。由于目前还没有实用化的高速光 逻辑器件，分组头的处理仍需要进行光电转换后处理，然后进行电光转换。 光分组交换网络降低了对光时分交换的比特级光器件性能的要求，具有比光波长 交换技术更灵活有效的资源利用率。它将完全发挥光传输层的大容量的优势，是 最具发展潜力的光核心网络方案。 1 2 光分组交换网中的光缓存技术 要实现全光网的包交换，需要解决一系列的关键技术，也就是要把由电子电 路来完成的第一层( 物理层) 和第二层( o r 质访问控制子层m a c 与逻辑链路控制 子层l l c ) 的功能在光域中完成包交换技术实质上就是存储转发技术，因此在 光域中完成光信号的存储，就成为包交换的关键之一。对于全光网的节点设备而 言，它的节点容董、吞吐量，丢包率等等特性，都宜接与它的存储器的容量、存 取速度等特性有关，因此光存储器的好坏直接决定了全光包交换网的性能。 目前虽然已经提出了许多种光存储器的方案，比如高速光盘、全息术、基于 电子俘获效应的光存储器，以及光谱烧孔光存储器等等，但由于其处理速度、与 光纤匹配等问题尚未解决，都不能适应全光通信网的节点设备的要求作为全光 通信网的光存储器必须是真正意义的光子存储器，也就是说，必须在不进行能量 转换的前提下，将光子锁存起来上面所列的几种存储器，都是把光子转换成其 它形式的能量( 或状态) 进行存储，比如光盘，实际上是将光信号转换成光盘的形事巴 因此不能适应高速光信号的处理要求 由于光子是玻色予，它的静止质量为零，不能停止运动，所以光子的存储必须 采用一种光子能在其间运动的介质。这种介质可以称为存储体。光纤就是一种比较 理想的存储体，它不仅可以使光子在其中运动，而且可以比较方便地做成所需要 的形状。比如一个封闭的光纤环，如果它是理想的无损光纤，那么光予将在其内 永远的运转下去。但实际上光纤是有损耗的，为了补充光子的损失，必须加入光 放大器，这样就会引入噪声。虽然如此，在不自激的前提下的有放大器的光纤环， 可以使光子在光纤环内存活一定的时问。 关键的问题是如何将光子引入到光纤中( 写) 和如何从光纤中取出( 读) 由于光子从光纤中取出后，光纤中存储的信息也就随之消失了。所以这种只能读 一次光存储器( m e m o r y ) 只能称为缓存器( b u f f e r ) 。要想做到多次读出，必须 在读出的时候，还要重新写一次( 刷新) 。国际上对全光缓存器( a l lo p t i c a lb u f f e r ) 或者全光存储器( a l lo p t i c a ls t o r a g em e m o r y ) 的研究十分重视，已经提出很多方 案和进行了一系列的实验。 1 3 目前已有的光缓存器方案及其缺点 目前还没有关于光缓存器的定义。本文采用的光缓存器定义如卜j ( 参见图1 1 ) ： 它是一个具有无需进行光电变换的光输入和光输出的数据流的器件。输出数据流 ，删应该是输入数据流厶“) 的拷贝，并且在一定的失真和损伤的范围内缓存一定 的时间r ，即厶。( ，) “厶( ，一f ) 。而且缓存器的写入与读出( 以及缓存时间) 应该是 在外部读写光信号控制下可随机变动的。 图i 1 缓存器模型 出 理论上，光脉冲的缓存时间r = l v s ，其中l 是光脉冲的缓存长度，k 是光脉 冲的群速度。控制缓存时间意味着或者控制缓存长度，或者控制群速度，或者二 者同时进行 已经出现了多种全光缓存器的方案，如果按照存储体( 介质) 进行分类，目 4 前主要有以下3 种：以光纤为存储体的光纤环路型缓存器；以啁啾光栅为存储体 的光栅型缓存器；基于电诱导透明( e i t ) 原理的以半导体量子点、原子气和固态 材料为存储体的慢光缓存器睁1 0 i 。其中光纤环路型缓存器基于对缓存长度进行控 制，而后两种则都是基于对群速度进行控制。b i t 介质具有长的缓存时间以及可以 调节的延时特性，但是它的昂贵的成本、特定波长的限制以及还没有进行读写控 制实验，许多问题尚未暴露。目前限于对光速减慢存储体的探索阶段，离可控的 适于高速数据流缓存的缓存器相距甚远。至于摩尔光栅，由于带宽很窄不能在高 速率下使用，没有实际意义【1 1 1 2 1 。而当前比较实际的还是基于光纤环的光缓存器。 以光纤为存储体的光纤环路型缓存器 光纤延迟线是最先被用来研制缓存器的。一个基本的设计是包含一个2 x 2 光 开关和一个光纤环路其他一些器件，如光隔离器、放大器、色散补偿器等也包 括其中，以便减小由于反射，损耗和色散的影响。光开关首先将数据流引入环路， 然后紧接着就关闭并允许数据在环路中绕行。存储时间，即在环内的时间是f i o 。的 整数倍原则上，存储时间可以相当的长，国际上不经过再生整形的缓存时间已 经达到l m s 以上。 已经出现了多种基于光纤为存储体的缓存器结构，比如，基于延迟线+ 光开 关的方裂 】，利用光纤的延迟特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换 延迟线”，见图1 2 。基于反射光纤( f p 腔) 4 - 光开关的方案【”】，如图1 3 ，基本 思想是在一根光纤的两端，分别加一个透过率( 反射率) 可调的镜片构成。当需 要把光信号引入时，可将m i 调整到透光状态。待光信号进入光纤后，m i 立刻转 换为全反射状态，m 2 此时也是全反射状态，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，被存储于光纤中。当需要读出的时候，只需将m 2 改成透光 状态即可。原则上，光子可以在f p 腔中存活相当长的时间。改变透过率的方法有 很多，最常见的可以是非线性环路镜h o l m ，t o a d 或n f s i ( n o n l i n e a r f i b e r s a g n e c i n t e r f e r o m e t e r ) 等光开关。目前，他们已经取得了较大的进展，可以将3 2 b i t 的1 g b s 的信号存储时间长达l m s 以上基于光纤环( f i b e r l o o p ) 的方案，如前所述， 带有功率补偿的光纤环，如果不考虑噪声的积累，理论上光予可在其中存活很长 的时间。关键是如何将光子引入( 写操作) 和将光子输出( 读操作) 。在具体实现 写入与读出方式上，又有许多不同，包括：a 采用光耦合器输入、光耦合器输出( 如 图1 4 ) 1 5 1 ：b 采用光耦合器输入、光开关输出( 如图1 5 ) 1 1 6 】；c 采用光耦合 器输入、采用解复用器输出【1 7 1 ；d 采用光纤环+ t o a d 光开关等【1 8 1 。这种设计的 基本困难是存储时间是固定的或者是环时问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速度的矛盾， i砬nl叫一h卜叫卜伽outl m l 图1 3f p 腔光缓存器 图i a 基于s o a 光开关的缓存器 图1 5 基于光开关输出的缓存器 除了以上三种类型以光纤为存储体的缓存器外，尚提出多种其他存储体的缓 存器，比如基于分布反馈光栅d f g 的静态带隙孤子( s t a t i o n a r yg a ps o l i t o n ) f l g l , 体全息( v o l u m eh o l o g r a p h y ) 1 2 0 等。就以光纤为存储体的缓存器而言，还有许多 结构，如a w g 等。 虽然以光纤为存储体的缓存器在实验室中大多都实现了光信息的写入读出， 但是这些方案目前都没有很好解决如何适应变化的包长问题而在一些实际使用 中的网络协议如以太网、令牌环网中，到达网络节点处的数据包长度是在不断变 化的，在这种情况下当前研究的很多缓存器是无法正常工作的。 6 1 4 本文所做的工作 本论文针对全光缓存器做了以下几点工作： 1 研究了目前已提出的多种光纤环路型全光缓存器的方案。不少方案已能在实 验室中实现光信号的存储。但这些缓存器仅局限于对存储现象的研究和讨论，而 且所能缓存数据包的长度受到光纤环长的限制，是不可变的。而在一些实际使用 中的网络协议如以太网、令牌环网中，到达网络节点处的数据包长度是在不断变 化的，在这种情况下当前研究的很多缓存器是无法正常工作的 2 以本实验室独创的基于3 x 3 平行排列耦合器的双环耦合全光缓存器( d l o b ) 为研究对象，细致讨论了缓存器光纤环长与所能存储数据包包长之间的关系，研 究得出单个双环耦合全光缓存器同样不能实现变包长数据帧存储的结论 3 为解决实际网络中变包长数据帧的存储，本文研究了以基于3 x 3 平行排列耦 合器的双环全光缓存器为基本缓存单元、将多个d l o b 串连的方案，在得出否定 的结论后又研究了双环全光缓存器三路并联的结构，该方案能够一定程度上缓解 变包长数据帧的存储与固定环长问的矛盾。 4 在实验室中搭建了双环全光缓存器二级串连的实验平台，在此平台上成功 实现了数据帧的并行存储，并对数据包的分割粒度进行了详细分析，使全光缓存 器的实用化进程更进了一步。 7 第二章双环全光缓存器 2 1 双环全光缓存器的工作原理【2 蚴】 本实验室研制的全光缓存器是基于平行排列3x3 耦合器的双环全光缓存器 ( d l o b ) 。这种缓存器以平行排列3 x 3 耦合器为核心器件，s o a 为相位控制元 件。所需要的控制光功率只需数m w ，不需进行额外放大，只需一个开关端口即 可实现信号的写入和读出，结构紧凑，利于集成。其结构如图2 1 所示。 拄捌光入 图2 1 双环全光缓存器结构图 平行排列3 3 耦合器是核心的光耦合器件，将其4 ，6 端口和1 、3 端口分别 连接成环，形成环1 和环2 环l 中s o a 为相位调制元件，在4 端口处放置；两 个w d m 用于控制光的引入和下路；电可调光衰耗器( e v o a ) 用于调节环内衰耗； p c 为偏振控制器，可调节环i 中信号的偏振态；环2 中接法兰盘，留下测试端口， 便于实验和观测；环行器用于信号光的输入和输出，其c 2 端口接平行排列3 x 3 耦合器的2 端口，端口c l 为信号输入端口，端口c 3 为信号输出端口。 双环全光缓存器的工作原理如下； 首先从光环行器的c l 端口输入信号光，根据光环形器的传播性质则信号光通 过光环行器的c 2 端口进入平行排列3 x 3 光纤耦合器2 端口，设其注入耦合器的2 端口时的光场强度为： 易( f ) = _ ，o f 州 其中( f ) 是复幅度。3 x 3 耦合器的传输矩阵为彩1 ： r = e 洌 l 2 i 压2 1 2 i 压2 o i 压2 一l 2 i j ，2 l ，2 则经过3 x 3 耦合器的输出为( t 的传输矩阵见2 2 1 小节) ： e 墨 e= t 差 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，为耦合器的附加损耗。可见，耦合器的5 端口没有输出，而4 、6 端 口输出了同相位同振幅的光场。4 、6 端口输出的光信号分别以顺时针( c w ) 和逆 时针( c c w ) 通过s o a ，信号被放大。顺时针方向行进的信号得到的复增益为： 豇o ) = 孙o ) e 峨 ( 2 4 ) 逆时针方向行进的信号得到的复增益为： 季名( f ) = g 西( f ) e - 5 一( ( 2 5 ) 上面两式中g 。，g 一( f ) 分别为s o a 的对顺时针和逆时针方向信号的幅度 增益，丸( f ) ，n ( f ) 分别为s o a 对顺时针和逆时针方向信号产生的相移，两组 信号重新环回到平行排列3 x 3 耦合器中6 、4 端口，其复幅度分别为： c ? 一 e ( f ) ：季。( f ) e ( f t 1 ) ；i 3 e ：生季。( f ) o - t i ) e 。q 三一 ( 2 6 ) c一、一v， e a t ) ：l i 一( f ) 或( f f 1 ) ：i 孕l i 。( f ) 厂( f - t h ) e 啪 二 上式中，t 。是信号脉冲在环l 中的环行一圈的群时延，为环l 中光纤和其 他器件的平均损耗因子，厶为环l 的长度。这两个信号将会在耦合器中发生干涉。 这时，假定没有控制光，两个方向信号的相移相同，他们之间没有相位差，即 丸( f ) = 口o ( ，) = 妒( ，)( 2 7 ) 调整这两束信号光的偏振态使得当它们相遇时具有相同的偏振态，干涉的结 9 如 m 簋：。簋2 仄 = 果可表示为： 吱 e 阻 = 州b l = k j i 4 至e 。一，( f f i ) e 。【g 。( f f i ) 一g 。，( f f 1 ) 】 一三e 嘲邝_ f 1 ) c 叫【g 。( f - f 1 ) + g 删( f f i ) 】 一i 1 4 竺e m ，o 一) e 1 【g 。( ，一f i ) 一g 。( f f 1 ) 】 式中、砭和e 分别为端口l 、2 、3 的输出电场，曩、e 和瓦是端口4 、5 、 6 的输入电场。因为没有控制光时s o a 对两个方向行进的信号增益相同，即 g ，( f ) = g 。( ，) = g ，所以式( 2 8 ) 中，e = e = 0 ，而 最= e g f ( t - t o e 叫 ( 2 9 ) 可以看出此时信号在环1 中放大后反射回耦合器端口2 ，进入光环行器的c 2 端口后再由其c 3 端口输出。这时相当于信号没有进入缓存器中缓存而直接输出， 只是经历了一段时问的延迟，延迟的时间为信号在环l 中环行的时间，被称为全 反射。对于进入缓存器的信号，无论在缓存器中是否缓存，都需要经历这一段的 延时。 如果在环1 中加入控制光，使两个方向行进的信号之问的产生相移差。这时 干涉的结果可表示为： 叫 e ! 历 = i 巫4 e 叫- 与，( ，一，) 【g ( ，一f 1 ) e 一一g 删( f 一，1 ) c t 掰】 一l e - c , 4 f ( t f 1 ) 【g ，( f f 1 ) c + g 。( ，一，t ) e t ”】 一i 4 至c 一，( f f 。) 【g 。o 一 ) c 1 “一g 。，( f f i ) e 1 一】 ( 2 1 0 ) s o a 两个不同饱和状态下的相移差矿= 丸一“和增益比肼= g 。窖一通过 如下关系式藕合1 2 4 1 = - - a i m( 2 1 1 ) 式中，1 2 是s o a 线宽增强因子，将( 2 ) 代入( 2 1 0 ) 中得到： 墨 e e 2 i 巫4 e 呻g 。脚一 ) 【e 训一e 等e 岬 一圭e 毗g 。( f _ f i ) 加1 ) 【e 叫，2 + e 等e 叫：】 一i 譬e 飞抄f 1 ) 肛f i ) 2 一e 等e 】 1 0 ( 2 1 2 ) 上式中，省略了相同的相位项歹= 盎笋，平行排列3 x 3 耦合器的各个端口的 输出功率可以写成如下的顺时针方向功率增益瓯和相移差妒的函数 ；露c 撕昂瓯( 1 + e 一2 e - i - 瞄) ，2 ， ， 丢力e 嘲- 只瓯( 1 + c 掣+ 2 e 等c 删) ；露e 撕匕刚+ e 等- 2 e s 劬 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，输入功率匕= ，2 ( f t 。) 特别地，当两个方向信号的相移差 一= 筇时， 置 砭 只 口2 - 2 a l l i 己瓯( 1 + e 4 + 2 e8 ) o 去力e 懈匕瓯( 1 + e - - ；- 2 c i ) ；以e 嘲最瓯( 1 + e i + 2 e ：) ( 2 1 4 ) 这时2 端e l 的输出功率非常弱( 卮一0 ) ，同时l 、3 端口输出功率相同且达到最 大值。尽管耦合器的2 端口的输出功率非常弱，还是存在一定的漏光的，漏光的 大小和s o a 的线宽限制因子有关，线宽限制因子越大，漏光越小；反之，漏光越 大 从以上分析可以看出，如果在环l 中不加控制光，s o a 对两个方向信号光的 作用完全相同，顺时针和逆时针方向信号的相位差为零，信号直接反射到输入耦 合器2 端口后进入光环行器的c 2 端口再由光环行器的c 3 端口输出。如果有和顺时 针方向的信号脉冲同步的控制脉冲信号加入到环l 中，则只要调整s o a 的驱动电 流和控制光功率使得两个方向信号之间的相位差正好为靠，信号将会同时出现在 l 、3 端口，而2 端口几乎没有输出。l ，3 两个端口的两信号将在环2 中相向而行 并再次回到平行排列3 x 3 耦合器中。调整环2 中的e v o a 使得信号在两环中及耦 合器中的总损耗等于s o a 的增益，即： 型 e 嘲半e - u 2 岛= l ( 2 1 5 ) 二 上式中，锡为环2 中光纤和其他器件的平均损耗因子，厶为环2 的长度， l 、3 端口两组信号在环2 中经历相同的路径后又重新回到3 、l 端i z l ，只是延迟 了f 2 ，t ：为信号在环2 的群时延。于是返回到3 x 3 耦合器时 l 易。) j 1 = f e e ；( 。t - 一o f 2 ) j = 在耦合器中干涉后的结果为； 或 e 或 譬胁) 一譬胁f l - f ：) = 莨， ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 比较( 2 3 ) 式与( 2 1 7 ) 式，可以看到光信号在d l o b 中环行了一周后又回到了原 来的状态，只是时间上延迟了一个环周期如= f i + t 2 ，可见信号光可以这样长期在 两环中循环存在。 只要在n 个环周期后在缓存器的环l 中再加一次控制光使得两个方向信号之 间的相位差为饨，在环中缓存的信号将会从耦合器的2 端口输出。这时各端口的输 出功率为： 只 最 巧 去吒匕( ，一峨x l + e 4 2 e4 ) o 1立三 言瓯乓( f 一峨) 0 + e4 + 2 e “) i皇! 言g 0 圪( f n t b x i + c 4 2 e4 ) o ( 2 1 8 ) 上式中，表示光信号在d l o b 中缓存的圈数。从( 2 1 8 ) 式可以看出绝大部分 信号功率将输出到耦合器的2 端口只有很少一部分输出到耦合器的l 、3 端口 这样在d l o b 中的存储的信号就被读出了。 上面的理论分析结果表明，以d l o b 是非常适合光的缓存或存储的结构。对 d l o b 的写入和读出操作使用了同一个光开关，这个光开关是集成 在其中的三端口光开关，它和光纤存储体有机地融合在一起，使得这种结构的缓 存器结构非常紧凑。缓存操作时，需要两次施加控制光控制三端口光开关，对缓 存器进行写入和擦除操作。第一次控制光的作用使得信号写入到缓 存器中，第二次控制光的作用使得存储在缓存器中的信号被读出，两次控制之 间的时间间隔正是缓存时间。需要指出的是，如果信号不需要缓存，则不需要加 控制光，这时信号经过一段延时后输出，无论信号是否缓存，都需要经历这段延 时 总结下来，双环全光缓存器有以下几个工作条件： l 2 广 ：肜苄 1 lj t s i g n a l i n 焉7 荔篙茹b 【e 6 ru ；、 图2 2 双环全光缓存器环长划分示意图 1 进入缓存器的数据包的长度与缓存器的环长之间要满足特定的关系，即包长 不能大于图2 2 中的l l ，也不能大于图2 2 中的l 3 + l 2 x 2 ，否则c w 与c w w 都 会在s o a 处相遇，此时若正处于写入或读出状态，便会引起信号的混乱。 2 在光纤环中顺时和逆时针行进的光信号偏振态要相同 3 控制光必须达到特定的功率，且必须与要缓存的数据包同步 4s o a 对信号的增益要同信号在环中的损耗大致相同。增益过大会导致噪声 自激，增益小于损耗则信号无法存储较长时间。 2 2 单个双环全光缓存器的搭建及各元件性能测试 双环全光缓存器中各元件的连接不是随意的，而是有顺序有标准的。并且对 双环全光缓存器中使用的元件，元件说明书上的参数值只能作为参考，在实际使 用过程中，每固定一个元件后都要进行测试，确保没有问题后再加后一个元件， 元件之间的连接尽量采用熔接，除了需要为了观测调试而留的固定接头，减少接 头的数量防止光路中的反射。千万不能把整个系统中所有的元件一下子堆在一起， 因为这样一旦出现问题，很难找到。各器件的尾纤必须固定在白板上，以防止不 小心碰到尾纤造成的系统偏振状态的变化。这样，最终搭建出的双环全光缓存器 才能正常的工作 2 2 1 光环行器 l2 ，叫貔圈滋囹密豳翻一 3 图2 3 环行器符号及外形 环形器光环行器的工作原理等同于隔离器，表示符号及外形见图2 3 ，当光信 号从l 端口输入时，由2 端口输出，当光信号从2 端口输入时由3 端口输出。 在双环全光缓存器中，光环行器属于最外围的器件，并且购买的光环行器各 端口都有光纤接头，便于和其他器件进行连接因此，先对光环行器进行性能测 试。表2 1 是l o o p i 中光环行器的出厂参数。 表2 i 环形器性能参数列表 w a v e l e n g t hr a n g e 啪1 5 2 5 1 5 6 5 1 - 20 5 7 i n s e r t i o nl o s sd b 2 - 3 o