（光学专业论文）双环耦合全光缓存器中若干关键问题的研究.pdf

韭立銮道鑫堂谴圭雯鱼途塞主塞撞蔓 中文摘要 摘要：全光缓存器能够在光域内直接完成数据包的存储而不需要经过光一电一光 的变换，有效克服了现存通信网络中的电子速率瓶颈，成为全光包交换网络中交 换节点处的关键器件。以半导体光放大器为非线性元件的双环耦合全光缓存器是 一种新型的全光缓存器，它具有结构紧凑、读写易操作等优点。本文针对双环耦 合全光缓存器在实际应用中的若干关键问题进行了深入研究和探讨，论文取得的 成果对其它基于半导体光放大器的环路型全光缓存器同样具有重要的参考价值。 本文的创新主要包括以下几点： 1 在考虑s o a 噪声特性的基础上推导出了基于s o a 的干涉仪中各端口输出信噪 比及噪声指数的表达式，并提出了“附加噪声因子”的概念。该附加噪声因子 和s o a 线宽增强因子相关且始终大于1 ，说明在考虑s o a 的噪声时干涉仪在 两种工作模式下输出信号的信噪比是不同的，采用返回式工作模式能获得更高 的信噪比，实验结果和理论分析相吻合。 2 对双环耦合全光缓存器中控制光的性能进行了分析，分析了该缓存器中所需控 制光功率同注入信号光功率、s o a 线宽增强因子及小信号增益数值之间的关系 并给出了实验结果；分析了控制光功率波动所造成的相移及输出信号光功率波 动。讨论了由于控制光脉冲和信号数据包之间采用帧同步方式而导致的信号光 脉冲啁啾及码型恶化。 3 提出了采用反向控制光脉冲并配合电可调衰耗器来均衡d l o b 的输出光功率 的新方法，实验结果证明该方法可以使缓存数据包与不缓存数据包之间输出功 率的差值由原来的4 8 3d b 降到了0d b ，d l o b 的输出光功率得到均衡。该方 法极大地改善了缓存器的性能，使得d l o b 能够成功地应用于光弹性分组环网 中。该方法适用于所有基于s o a 的环路型全光缓存器。 4 通过在缓存器左环中添加一个s o a 实现了双环耦合全光缓存器的可擦除功能。 分析了双s o a 环路中的噪声特性，通过向s q 久中引入辅助光的方法环路噪声 得到有效抑制，得到了6 2 2 m b s 数据包缓存1 3 圈后擦除输出的实验结果。 5 从理论和实验两方面分析了d l o b 中所能存储数据包的最大长度和光纤环长 之间的关系。为提高d l o b 的存储深度提出了马赫曾德型双环耦合全光缓存器 结构，得到了漏光功率同信号光方向增益差之间的关系式，著对其稳定性进行 了详细研究，提出了利用调节“s o a 偏振主态”来稳定偏振态输出的新方法。 6 提出了用于分析d l o b 双波长存储时不同波长信号光脉冲之间码间干扰的理 论模型，理论分析表明当不同波长的脉冲在时域的重叠区域小于二分之一的脉 冲宽度时码间干扰可以忽略，读出信号光脉冲不会出现明显的码型恶化；当两 韭室銮垄态堂盟堂焦迨塞虫塞翅墨 个波长的光脉冲在时域上完全重叠时码型恶化最为严重，读出信号的峰值功率 下降了3 0 ，实验结果证明了该模型的正确性。 关键词：全光包交换；双环耦合全光缓存器；半导体光放大器；交叉相位调制； 交叉增益调制 分类号：t n 9 2 9 j e 哀交通盔堂蝗堂焦淦塞旦! ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：b u f f e r i n gi sa l le f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ep a c k e tc o n t e n t i o ni no p t i c a l d o m a i nw i t h o u tt h ec o n v e r s i o no f o p t i c a l e l e c t r o n i c - o p t i c a l ( o e o ) a n da l l o p t i c a l b u f f e rb e c o m e st h ek e yc o m p o n e n ti no p t i c a ls w i t c h i n gn o d e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so n s o m ek e y t e c h n i q u e so 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 ( s o a ) b a s e dd u a l l o o po p t i c a l b u f f e r t h e s ec o n c l u s i o n sc a l la 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 dr e c i r c u l a r a l l o p t i c a lb u f f e r s w q l a tih a v ed o n ed u r i n gt h ep h dp e r i o da r ea sf o l l o w s ： 1 f o rt h ef i r s tt i m ew ed r i v et h ee x p r e s s i o no fo u t p ms i g n a l t o - n o i s er a t i oa n dn o i s e f i g u r ei ns o ab a s e di n t e r f e r o m e ! t e r , p r e s e n tt h ec o n c e p to fa d d i t i v en o i s ef a c t o r t h e a d d i t i v en o i s ef a c t o rh a sr e l a t i o nw i t hs o a ，sl i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o ra n di ti s a l w a y sl a r g e rt h a no n e ，w h i c hm e a l l qt h a ti n t e r f e r o m e t e r so u t p u ts i g n a l - t o - n o i s ei s d i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gm o d e a d o p t i n gf e e d b a c kw o r k i n gm o d e w ec a n o b t a i nh i g h e rs i g n a l t o n o i s er a t i 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 ec o r r e c t n e s so f t h e o r ya n a l y s i s 2 d r i v et h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e q u i s i t ep o w e ro fo p t i c a lc o n t r o lp u l s ea n di n p u t s i g n a l 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 ds m a l ls i g n a lg a i n t h e i n f l u e n c eo ff l u c t u a t i o no f o p t i c a lc o n t r o lp u l s e sp o w e ro nt h en o n l i n e a rp h a s es h i f t d i f f e r e n c ea n do u t p u ts i g n a l p o w e r i s a n a l y z e dd e t a i l e d l y t h e f r a m e s y n c b r o m z a t i o nm o d ei n d u c e dp u l s e c h i r pa n dd i s t o r t i o ni sd i s c u s s e d 3 f o rt h ef i r s tt i m ean o v e le q u a l i z a t i o nm e t h o db a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no fa n o p t i c a lc o n t r o lp u l s ei sp r o p o s e d b yi i ! j e c t i n gan e g a t i v eo p t i c a lc o n t r o lp u l s e ，t h e o u t p u tp o w e rf l u c t u a t i o no fap a c k e tp u l s ec a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e df r o m4 8 3 d b t oz e r o b ya d o p t i n gt h i sm e t h o dt h ep e r f o r m a n c eo f d l o bi si m p r o v e dg r e a t l ya n d d l o bc a nb ea p p l i e ds u c c e s s f u l l yt oo p t i c a lr e s i l i e n tp a c k e tr i n g 4 t h ee r a s a b l ef u n c t i o no f d l o bi sa c c o m p l i s h e db yi n t r o d u c i n ga n o t h e rs o at ol e f t f i b e rl o o p 。d m c a s st h en o i s ec h a r a c t e r i s t i co fd u a l s o ab a s e df i b e rr i n g b y i n t r o d u c i n ga na s s i s t a n tl i g h tt os o at h en o i s ec a l lb es u p p r e s s e dg r e a t l y t h e 6 2 2 m b ss i g n a lp a c k e tc a nb ee r a s e ds u c c e s s f u l l ya f t e r1 3c i r c u l a t i o n s 5 a n a l y z et l l er e l a t i o nb e t w e e np a c k e tw i d t ho fs i g n a lp a c k e tt h a tc a nb es t o r e di n d l o ba n dl e n g t ho ff i b e rl o o p an o v e lm z - d l o bc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e df o r t h ef i r s tt i m ew h i c hc a ne u h a n c et h eb u f f e r sm e m o r yd e p t hf r o m5 0 t o1 0 0 d r i v et h ee x p r e s s i o no nt h er e l a t i o nb e t w e e nl c a k i n gp o w e ra n dd i r e c t i o n a lp o w e r j e 塞銮逼去堂蝗主堂建监塞 曼51 必至 g a i n ，b ya d j u s t i n gs o a sp r i n c i p l es t a t eo fp o l a r i z a t i o n w ec a l ao b t a i nt h es t e a d y o u t p u ts t a t eo f p o l a r i z a t i o n 6 f o rt h ef i r s tt i m ew ep r e s e n tat h e o r e t i c a lm o d e lt oi n v e s t i g a t et h ed u a l 。w a v e l e n g t h s i g n a ls t o r a g ei ns o a b a s e dd l o b ，w h e nt h eo v e r l a p p i n ga r e ai sl e s st h a nh a l f o f p u l s ew i d t h ，t h ep u l s ed i s t o r t i o ni ss ol i t t l et h a ti tc a n b ei g n o r e d w h e nt h ep a c k e t p u l s e so f d u a l w a v e l e n g t ho v e r l a pc o m p l e t e l y , t h ep u l s e d i s t o r t i o ni st h em o s ts e v e l e s ot h a tt h eo u t p u tp e a kp o w e rw i l lb er e d u c e db ya p p r o x i m a t e l y3 0 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ec o l t e c t n e s so f t h i sm o d e d k e y w o r d s ：a i 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 ；d u a l l o o po 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 la m p l i f i e r ；c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ；c r o s sg a i nm o d u l a t i o n c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 致谢 在毕业论文即将宪成之际，博士研究生这段令我终生难忘的岁月也即将被画 上圆满的句号，在此我谨向给予我帮助的所有人们表达我最衷心的谢意! 首先，我要特别感谢我的恩师吴重庆教授。在交大求学的这五年中，吴老师 渊博的学识、严谨的治学态度以及献身科学的崇高精神无时无刻不在深深影响着 我。从吴老师那里我不仅学到了丰富的专业知识和科学的工作方法，使我在专业 领域得到了很大的进步；而且吴老师从平时的言传身教中教会了我很多做人的道 理和做事的方法，所有这些将成为我一生宝贵的财富。在吴老师的耐心指导和帮 助下，我才得以顺利完成博士阶段的学习。能够成为吴老师的学生是我的幸运， 再次向吴老师表示深深的感谢! 感谢盛新志教授、王智教授这五年来在学习和科研方面给予我的帮助。还有 新加坡南洋理工大学网络技术研究中心的沈平教授，感谢您在生活和学习上的鼓 励与帮助。特别要感谢付松年博士，感谢他在我整个硕士和博士期间在论文和科 研及生活方面所给予的大力帮助，我从他那里不仅学到如何做有计划的做实验、 如何严谨的写论文，而且还学会了如何开朗乐观地去面对生活中的困难，能认识 付博同样也是我的幸运。这些年在实验室度过的无数个日日夜夜，无数的美好回 忆我将会珍藏一生。读博期间这个可爱的集体曾给了我无数的快乐与幸福，是实 验室的兄弟姐妹们陪伴我走过了这一难忘的历程。特别要感谢董辉博士，刘爱民 博士，魏斌博士、程木博士、李政勇博士，感谢你们的无私帮助。感谢己毕业的 何娜、董贤子、李保海、方志方、韩兵、王辉、刘劲、王岩、高华丽、倪东、孙 士杰、盛积业、陈春桢、季江辉、李赞、黄涛、刘绮、刘衍飞、姜楠、王丹、刘 晓东，感谢你们在学习和生活中所给予我的帮助，和你们一起分享快乐的这段岁 月我永远不会忘记。 感谢父母对我的养育之恩以及经济上巨大的支持，感谢姐姐、姐夫对我无微 不至的关怀，求学2 l 载，能够报答您们的唯有我所取得的这些成绩。父母和家人 的这份爱我会永远铭记在心。感谢我的朋友，他在学业上给我鼓励和帮助使我克 服困难，坚强地走下去。 最后，再次感谢所有给予我关心和支持的人们! 1 绪论 1 1 全光包交换网概念的提出 近年来随着因特网及多媒体业务的多样化，网络流量飞速增长，约8 1 5 个月 数据量就会翻番。快速增长的业务流量对网络带宽提出了更高的要求，各国纷纷 采用波分复用技术对已有的网络传输链路进行扩容，链路容量已经不再是网络瓶 颈。但在网络的交换节点处仍需对数据进行光一电一光的变换，虽然路由器制造 商已推出了太比特级的电路由器，但由于电子器件响应时间及节点设备本身带宽 的限制形成了网络节点处的电子速率瓶颈，与超大容量的光纤传输系统仍不适应， 从而引起了互连网的拥塞。由于电路由器的升级空间有限，这种局面促使人们将 研究目标转向了全光包交换网络( o p s ：o p t i c a l p a c k e ts w i t c h ) i t 4 。o p s 是分组级 的光信号处理，与波分复用网络相比更加灵活，能有效利用光纤巨大的带宽资源， 它的优点还在于：光信号在通过交换单元时不需要进行光一电一光的变换，因此 它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明， 可以大大提高交换单元的吞吐量，给下一代网络带来广阔的应用前景。光交换可 以分为两种情况，一是在光域内交换，但控制还必须在电域内完成，称为电控光 交换；二是实现全光的交换，由光控制的光交换，这也是发展的目标。由于光逻 辑器件的功能还非常简单，不能完成控制部分复杂的控制操作，因此目前的光交 换单元还都要由电信号来控制。即电控光交换【6 l 。近年来多种基于o p s 的策略被 提出，所有这些策略的共同点就是采用光电混合对数据包进行处理：包头是在电 域处理，净负荷则在光域处理f 7 - l l l 。o p s 网络节点的结构如图1 1 所示【1 2 】。主要包 括三部分：包同步：用来对入口数据进行相位校准，在每个输入端口按初始参数 无源地对齐光包。包缓存单元：利用全光缓存器按需求提供一定的延缓时间以便 节点进行包头处理，而且当不同用户争用同一通道时，光缓存器能够提供有效的 解决方案，在提高网络节点吞吐量的同时可降低丢包率。包交换单元的作用是将 包发送到合理的路由并实时地解决冲突，同时管理光包的填充以保证无负载时系 统能够正常运行。目前全光开关和信号处理器件相对成熟，因此光缓存器的研制 成为研究的重点。 i e 峦窑迢厶堂盛堂焦途塞l缝途 辩 图i1 全光包交换网络的节点结构 f i g i it h en o d ec o n f i g u r a t i o no f a l l - o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k 1 。2 全光缓存器的定义及其应用 t 3 j n 如图1 2 所示，全光缓存器首先是一个无需进行光电变换且具有光输入与光输 出数据流的器件，输出数据流五。，f ) 是输入数据流厶( 0 ，t ) 的拷贝( 为器件长 度) ，而且数据在一定的色散和失真范围内能够缓存一定的时间r ，即 兀。( l ，t ) “厶( o ，t f ) 。缓存器的写入与读出时间以及数据被缓存的时间则是由外 部控制信号控制且是随机可变的。图1 3 为缓存器在全光包交换中如何解决数据包 冲突的示意图。当来自a 、b 两个不同信道的数据包同时到达交换节点且需要被路 由到相同目的地址时，缓存器可以让其中一个数据包在其中暂存的同时允许优先 级高的数据包通过，当线路空闲时在释放其中的数据包。除了全光通信系统，全 光缓存器还在全光信号处理、射频光子学( 如相位振列天线) 及非线性光学中有 着广泛的应用t 1 4 l 。 z = 0z l il 图1 2 全光缓存器的定义示意图 f i g 1 2d e f i t u t i o no f a na u - o p t i c a lb u f f e r j e 塞銮逼太堂堙堂焦途塞!缝监 图1 3 全光缓存器在包交换网络中的应用 f i g 1 3o p t i c a lb u f f e rp r o v i d i n gc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni na i lo p t i c a ls w i t c h 1 3 全光缓存器的研究进展 光子是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子是不可能 停下来的，唯一的办法是使光信号延迟一段时间，以便对高速光信号进行处理。 光信号的传输时间可表示为t = l v ，其中为光传输路径长度，v 。是群速度，所 以“光缓存”可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度；另一方面是延长传输 路径【1 4 1 。目前提出的全光缓存器可分为两大类：一类是慢光型( s l o wl i g h tt y p e ) 全 缓存器；一类是光纤延迟线或光纤环型( f i b e rd e l a yl i n eo rf i b e rl o o pt y p e ) 全光缓 存器。下面将傲详细介绍。 就前一方法而言，通常将真空中的光速与介质中的光速比值定义为减慢因子 s ，即s = c 咋= n + m d n d w 。由于普通介质的折射率与真空中的数值相差不大，所 以单纯依靠增大折射率一来获得光速减慢的程度很有限，于是人们就纷纷将目标转 向了增大折射率的相对变化率d n d c o 。目前已提出的慢光型缓存器方案按原理可 分为以下几种： 1 ) 基于电诱导透明e r r 原理的光缓存器【1 4 】 电磁诱导透明技术( 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 i t ) 是利用量子 相干效应消除电磁波传播过程中介质影响的一种技术。基于e i t 原理的超低速和 停止光脉冲的最初试验是利用原子气在超低温和8 0 0 c 实现的【15 1 ，减慢因子q 高 达7 个数量级，但试验系统过于复杂，离可实用化还有很长的一段距离。最近在 掺镨硅酸钇晶体固体材料or ：y 2 s i 0 5 ) 中也观察到了光速的减慢和停止现象，所观 c d c d c d 丝塞銮堑态堂盟圭堂焦论塞 !绪盈 测到的群速度降低到了3 3 m s f l 6 】。 类似于e i t 的现象在温度达3 0 k 的g a a s a 1 g a a s 量子阱中也曾观察到( 如图 1 4 ) ，但是由于多体互作用不是很理想【1 7 1 。近年来c h a n g - h a s n a i n 等人的理论计算 表明，在室温下利用新的多泵浦方案可以得到4 0 左右的减慢因子，对于1 0 g b s 的系统有8 7 n s 的缓存且不会出现脉冲的展宽和失真，试验中光速已减慢到了 9 6 0 0 m s 1 引。 2 ) 利用光纤受激布里渊散射实现慢光效应【1 9 】 2 0 0 5 年y o s h i t o m o 等人报道了室温条件下利用普通单模光纤中的受激布里渊 ( s b s ：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 ) 这一非线性现象实现了光速减慢。在s b s 过程中泵浦光和斯托克斯光场之间通过声波发生强烈的耦合作用，导致斯托克斯 光场呈指数形式放大【2 0 1 。 当斯托克斯光场沿+ z 方向传播而泵浦光沿一z 方向传播时，频率为0 9 的斯托克 斯光场e 。( 2 ，功可表示为 e ( z ，c o ) = e , ( 0 , w ) e g t p 。( 1 1 ) 其中 9 2 9 。1 + 2 i ( c o - o p + o s ) i f s 代表斯托克斯光场的复增益，j 。为泵消光强度，国，为泵浦光频率，k 是布里渊线 宽，g o 为中心带宽处的增益，q 。为布里渊频移。假定光纤介质的长度是l ，当带 宽很窄的脉冲( 即4 一，) 2 r ； 1 ) 通过光纤介质时，在泵浦光的作用下产生 的延迟时间可表示为 疗 乃三二 l 一3 1 2 ( c a c o d f s 】2 ( 1 3 ) i 占 其中g = g o i ，l 是功率增益，q = 国，一q 口为布里渊峰值增益对应的斯托克斯频 率。由( 1 3 ) 式可知光速减慢因子可通过泵浦光的强度来控制，且当= 珊：时光 场可获得最大的时间延迟量，其数值为g k 。 该方案实验系统如图1 5 所示，通过调节泵浦光的功率，可使s b s 效应产生的 斯托克斯光的延迟时间线性可调，当增益g 为2 9 d b 时观察到单脉冲的最大延迟为 2 5 n s ，带宽3 5 m h z ，所需的泵浦功率为2 5 0 m w 。和e i t 原理的慢光效应相比较， 该方案的优点在于实验装置简单，在室温条件下即可实现，为光速减慢的研究开 辟了新的领域。 4 a 【塞銮逼态堂谴堂焦i 金塞!缝监 图1 4 基于半导体量子点的慢光缓存器 f i g 1 4s c h e m a t i co f a no p t i c a lb u f f e rb a s e do n 图t 5 基于光纤s b $ 效应的慢光缓存器 f i g 1 5s l o wt y p eo p t i c a lb u f f e rb a s e do ns b s s e m i c o n d u c t o rq ds t l l l c t l l r c $ i nl i b e l 2 0 0 6 年m i g u e l 等人利用展宽泵浦光的方法在6 7 公里的色散位移光纤中将 s b s 慢光效应的带宽提高到了3 2 5m h z ，产生的最大延迟为2 7a s ，对应的泵浦光 功率为3 0 m w l 2 1 i 。同年z h a o m i n gz h u 等人在2 公里的高非线性光纤中实现了 1 2 6 g h z 、4 7 p s 的光速减慢【2 2 1 。2 0 0 6 年o f c 中报道日本的c j a u r e g u i 等人在2 公 里的b i s m u t h - o x i d 光纤中实现了4 6i l s 的光速减慢 2 3 1 。表1 1 详细列出了近年来基 于s b s 效应的光速减慢实验的研究进展，由该表可以看到通过展宽泵浦光频谱的 方法虽然可以将工作带宽提高到1 2 6g h z ，但离高速通信网的要求还相距甚远。 由于布里渊增益谱很窄，泵谱光波长为1 5 0 0 r i m 时对应增益谱仅为1 0g h z 2 0 ，所 以带宽问题成为该类缓存器继续向前发展的最大限制因素。 表1 1 基于s b s 效应的光速减慢研究进展 光纤介质类型泵浦光功率增益延时时间带宽 k w a n gy o n gs o n g ， s 咂，1 1 8 k mt e n so f r o w3 0 d b3 0 n s3 5 姗z 2 0 0 5 k w a n gy 0 n gs o n g ， d s f ，6 7 k mt e n so f r o w2 5 d b1 8 n s3 5 m z 2 0 0 5 y o s h i t o m o ，2 0 0 5d s f ，0 5 k m2 5 0 m w2 9 d b2 5 n s3 0 m h z h e l t a z e 。2 0 0 6 d s f ，6 7 k m3 0 r i l w 3 0 d b2 7 n s3 2 5 m 比 z h a o m i n gz h u ， h n l f ，2 k m5 8 0 m w1 4 d b 4 7 p s 1 2 6 g h z 2 0 0 6 c j a u r e g u i ，2 0 0 6 b i h n l f ，2 m4 1 0 m w 2 9 d b 4 6 n s4 0 瑚z i e夏銮垣鑫堂燧堂焦湓塞 !绪盈 3 ) 利用光纤受激拉曼散射实现慢光效应 为了解决上述s b s 的带宽限制，j a y e s h a r p i n g 等人提出了利用光纤中的受激 拉曼散射( s r s ) 来实现慢光效应脚铡。同s b s 相比，s r s 的增益带宽可达3 0 t h z ， 但其阈值也相对较高。在文献 2 4 】报道的实验中，当泵浦光功率为2 6 w 时，对 宽度为4 7 0 f s 的超高速脉冲实现了3 7 0 f s 的延迟。 但上述三种类型的慢光型全光缓存器仅限于对实验现象的研究，尚未实现对 数据包的读写控制，严格来说并非真正意义上的缓存器。此外e r r 原理的慢光型 全光缓存器方案由于昂贵的成本和复杂的工艺，在成为可实用的全光缓存器之前 还有很长的一段路要走。而基于s b s 和s r s 原理的慢光型缓存器虽然在室温条件 下即可实现光速减慢且实验装置和工艺相比e i t 原理要简单的多，但所需的控制 光功率均在几十毫瓦到几百毫瓦，甚至是“瓦”数量级的光功率，实现的最大延 迟也仅为几十纳秒，远远不能满足网络的实际需要。所以慢光型全光缓存器离真 正可实用的全光缓存器还相距甚远【2 6 1 。 光纤延迟线或光纤环型全光缓存器主要有以下几种方案：最早被提出来的方 案是利用光纤的延时特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换延迟 线 ( s w i t c h e dd e l a yl i n e ，s d l ) ，它是由美国m a s s a c h u s e t t s 大学的i c h l a m a t a c 等人 在1 9 9 1 年提出的f 2 7 】，其结构如图1 6 所示。光子在光纤中传输会产生5 n s m 的时 阃延时，对于1 0 g b s 的码流可以容纳大约5 0 比特，对2 5 g b s 的码流可以容纳1 2 个比特，原则上该结构的缓存器可以精确到1 个比特。当两个数据包冲突时，可 以将优先低的数据包在延迟线中暂存一定时间后再输出。但它的缺点也是显而易 见的：首先它不能进行“读写”控制，并不是真正意义上的缓存器，严格地说 只是一个可调延时器，延时时间也非常有限。此外，存储时间不能随意调节，对 于比较复杂的调节要求，将导致节点数的增加，成本、数据串音都会随之增加。 s w ls w 2 s w 3 图1 6 交换延迟线( s d l ) f i g 1 6s w i t c h e dd e l a yl i n e 1 9 9 7 年g l e n nd b a r t o l i n i 等人提出了法布里一珀罗谐振腔的方案，其结构见 图1 7 2 8 1 。该方案的基本思想是在一根光纤的两端分别加一个反射镜和非线性光纤 环路镜( n o l m ) 。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。当需要将数据 6 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 该为非线性光纤环路镜( n o l m ) 用于存储数据包的。读写”控制陟3 0 1 。 o m m 匕卜电争哪- 辫t 图1 7 基于法布里一珀罗腔的光缓存器图1 8 光纤环耦合方式输出的光缓存器 f i g 1 7 a l l - o p f i e a l b u f f e r b 删o n f a b r y - p e r o tf i g 1 sa l l 螂i c a l b u f f e r b a s e d o n f i b e r l o o p e a v i t y c o u p l i i 培 使用最为广泛是基于光纤环( f i b e rl o o p ) 的方案1 3 “。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”。文献 3 2 中采用的是光耦合输入一耦合输出的方式， 其结构如图1 8 所示。光纤环中的_ 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1 0 g b s 、1 2 5 k b 数据包的存储。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 年该系统实现了4 0 g b ，s 、3 0 0 圈的信号存储【3 3 】。 波长变换技术在1 9 9 6 年提出用于光纤环数据的读写操作【，5 1 ，其结构如图1 9 所示，环两侧的阵列波导光栅a w g 起复用和解复用的功能，光纤布拉格光栅f d b 控制缓存器的输出波长为厶，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 姐2 ，a 2 寸如，a 3 呻以，a 。_ 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厶 时，则经历五2 哼如，a 3 斗厶，兄4 寸以变换后缓存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。 7 韭惠銮亟鑫堂蝗堂焦i 盆塞 !缮j 盆 围 图1 9 基于波长变换的环行全光缓存器图l 1 0 双环耦合全光缓存器 f i g 1 ，9o p t i c a lb u f f e r b a s e d w a v e l e n g t hc o n v g l t o l f i g ，1 ，t 0d u a l d o o po p t i c a lb u f f e r 2 0 0 5 年基于3 3 平行排列耦合器的双环耦合全光环缓存器( d l o b ：d u a l - l o o p o p t i c a l b u f f e r ) 方案被提出，其结构如图1 1 0 所示 3 6 l 。该缓存器巧妙地利用了3 3 平行排列耦合器的于涉特性，由光纤连接耦合器两侧的边端口形成o o 字型光纤环， 数据包的读写控制则是由放置于环中的半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 这一非线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进 入耦合器的2 端口，它在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时 针方向传输。当同步控制光脉冲不存在时，两柬信号光绕行右侧环一周后返回耦 合器二次干涉后将由原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦 合器w d m 引入光纤环时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光间将会产 生一非线性相移。调节控制光的功率使得该相移达到万时，信号光干涉后将会出现 在1 、3 端口，此后信号光将会一直在0 0 字型光纤环中绕行，这就是存储效应。当 要读出数据时只需再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。该方案 的优点在于结构简单易于集成、读写速度快易操作。目前已实现了2 5 g b s 、3 2 圈 的数据存储。 1 4 本文的研究内容与结构 论文的结构安排如下： 第一章绪论阐述了全光包交换网概念提出的背景及网络中的关键技术。作为全 光包交换网络中的核心器件，全光缓存器性能的优劣直接关系到网络节点处的吞 吐量及丢包率等特性。本章给出了全光缓存器的定义，综述了慢光型全光缓存器 和光纤型全光缓存器的研究进展。 第二章对半导体光放大器中的交叉相位调制效应及噪声特性做了详细描述，以 基于s o a 的双端口全光开关为例，在分析s o a 噪声特性的基础上得到了“返回” 式与“透过”式光开关输出信噪比，噪声指数的表达式，提出了干涉仪“附加噪 声因子”的概念，并给出了实验结果。 第三章首先详细介绍了基于s o a 的萨格纳克型双环耦合全光缓存器的工作原 理，随后分析了在这种结构的缓存器中读写数据包所需要的控制光功率和数据数 据包峰值功率、s o a 小信号增益及s o a 线宽增强因子之间的关系。详细分析了 d l o b 中由于控制光脉冲和数据包之间采用“帧同步”这一同步方式而导致的啁 啾及码型恶化现象。此外还讨论了d l o b 输出消光比导致的接收机灵敏度恶化情 况。由于在s o a 中交叉增益调制效应和交叉相位调制效应并存，所以会导致d l o b 中缓存后输出的数据包与未缓存数据包的输出功率间存在不均衡。不均衡的输出 功率使得网络下一节点无法正确接收d l o b 输出的数据包，极大地增加了网络的 误码率。本章提出了均衡d l o b 输出功率的新方法，该方法简单易行，d l o b 的 性能得到了显著改善。 第三章所提到的d l o b 具有结构紧凑、读写易于控制且所需控制光功率小等 优点，但是在该结构的全光缓存器中数据包的“写入”和。读出”均使用3 x 3 耦 合器的同一端口，在缓存过程中没有用的数据包无法实现随意擦除，缓存器的灵 活性受到很大限制。第四章提出了一种新型的可擦除的双环耦合全光缓存器，其 “擦除”功能由添加在左侧光纤环的s o a 来完成，在擦除过程中不会对缓存数据 包造成干扰。本章详细介绍了可擦除双环耦合全光缓存器的工作原理、环路噪声 抑制等问题，最后给出了6 2 2 m b s 速率数据包的实验结果。 第五章在分析了d l o b 所能存储数据包长度与光纤环长关系，为了将双环耦 合全光缓存器的存储深度提高到1 0 0 ，本文提出了新型的m z - - d l o b 结构，该 结构的缓存器巧妙的利用两个环型器将参与干涉的c w 和c c w 方向的信号光在 空间分路从而有效避免了在s o a 的中的交叠。本章还对该结构缓存器的稳定性问 题进行了详细分析，提出了调节“偏振主态”的新方法用于稳定其输出。此外针 对d l o b 中的双波长存储，提出了理论模型用于分析不同波长信号光脉冲之间的 码间干扰。实验结果进一步证明了该模型的正确性。 第六章小结了论文所取得的研究成果，并指出了以后的研究方向。 韭塞塞逼盔堂丝堂焦迨塞 2圭昱签出趣盔墨鲤丝鳇丛塞 2 半导体光放大器的性能研究 2 1 引言 1 9 6 2 年首台半导体激光器研制成功，它的原理是基于激光半导体介质固有的 受激辐射激光放大机制，这种机制不仅可以用于制作相干激光器，也可以用来制 作相干光放大器。当偏置电流低于振荡闺值时，激光二极管就能对输入相干光实 现放大【3 7 1 。8 0 年代人们对光纤的研究取得了突破性进展，推动了光纤通信的快速 发展，人们又开始着力研究半导体光放大器( s o 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 ) 并希望它能成为光纤通信线路的中继放大器。1 9 8 9 年掺铒光纤放大器( e d f a ：e r d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 研制成功，由于其高增益、高输出功率、低串音、偏振不灵 敏及连接损耗小等优良特性取代s o a 成为理想的在线中继放大器，对s o a 的研 究就转向了其各种非线性效应【3 8 】。s o a 由于其良好的非线性特性如交叉增益调制 ( x g m ：c r o s sg a i nm o d u l a t i o n ) 【3 拼、交叉相位调制( x p m ：c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ) 【4 3 4 8 1 及四波混频( f w m ：f o u rw a v e l e n g t hm i x i n g ) 4 9 - 5 2 1 ，成为全光信号处理的关键 器件。 本章对半导体光放大器中的交叉相位调制效应及噪声特性做了详细描述。此 外，以基于s o a 的双端口全光开关为例，在分析s o a 噪声特性的基础上得到了 “返回”式与“透过”式光开关输出信噪比、噪声指数的表达式，提出了干涉仪 “附加噪声因子”的概念，并给出了实验结果。 2 2s o a 交叉相位调制的起源 5 3 1 基于萨格奈克环( s a g n a c ) 的太赫兹光学非对称解复用器( t o a d ) 或半导体光放 大器光纤环镜( s l a l o m ) 5 4 - 5 6 1 、光开关 5 7 1 、马赫一曾德尔结构的干涉仪( m z i ) 5 8 - 5 9 1 等均是利用信号光和控制光在s o a 中发生的交叉相位调制( x p m ) 这一非线 性现象来实现的。 s o a 的非线性源于有源层自由载流子的带间跃迁及带内驰豫。当脉冲宽度f 。远 大于s o a 带内驰豫时间气( * 1 t m ) 且忽略波导和材料色散的影响时，光脉冲 的慢变包络振幅a ( z ，t ) 按下列方程演化 罢+ 上警：譬一i 1 c i n t 一 ( 2 1 ) 0 2 v gu i i i c 其中v 。是光场群速度，为光频，万是介质折射率，c 为真空中光速，f 为模式 限制因子，z 是介质磁