CN100589348C

CN100589348C - 多波长并行缓存全光缓存器

Info

Publication number: CN100589348C
Application number: CN 200710120850
Authority: CN
Inventors: 吴重庆; 田昌勇; 彭鹏
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101127570A

Abstract

一种多波长并行缓存全光缓存器，针对密集波分复用信号并行缓存的问题而设计的，由输入功率均衡器、光缓存单元、波分复用解复用器、输出功率均衡器组以及波分复用器组成，采用功率均衡—并行缓存—解复用—功率均衡—重新复用的多波长并行存储技术，可以保持多波长信号的同步缓存，有效克服多波长信号之间的交叉调制，提高信噪比，具有良好的缓存性能。本发明实现对于多波长信号缓存时间的环周期倍数的任意可调，并可通过光的写信号和读信号控制写入与读出的时刻。由于读出时刻可在信号存入之后根据需要进行，因此可以实现事件触发而不需要在缓存前事先设定，具有很大的灵活性，是真正意义的全光缓存器，适用于全光路由器或者全光交换机使用。

Description

多波长并行缓存全光缓存器

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地讲是一种多波长并行缓存全光缓存器，即对多波长的波分复用信号进行并行缓存的光缓存器。

背景技术

随着高速全光网的发展，波长交换的缺点逐渐显现，全光网正从以波长为交换粒度的光波长交换网向以包为粒度的光分组交换网过渡，光分组交换将成为全光网的重要方向之一。全光分组交换实质是一种存储-转发技术，因此如何在光域中完成光数据分组的存储成为全光分组交换的技术关键。网络中节点的容量、吞吐量、丢包率等特性均取决于存储器性能的优劣。

目前已经提出了多种全光缓存器的方案，如果按照存储体(介质)进行分类，主要有以下3种：基于电诱导透明(EIT)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；以啁啾光栅为存储体的光栅型缓存器；以光纤为存储体的光纤环路型缓存器。虽然EIT介质具有长的缓存时间以及可以调节的延时特性，但是它昂贵的成本、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。目前处于对光速减慢的探索阶段，离适用于高速数据缓存的实际缓存器相距甚远。至于光栅，由于带宽很窄不能在高速率下使用，没有实际意义。而当前比较实际的还是基于光纤型的光缓存器。

前两种缓存器都是基于对群速度进行控制，而光纤型缓存器是基于对缓存长度进行控制的，目前以光纤为存储体的全光缓存器按结构分为以下三类：

第一类是基于“延迟线+光开关”的方案(如图1)，一个基本的设计包含一个2X2光开关和一组不同延迟时间的光纤。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”。

第二类是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的方案(如图2)。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M1和M2。当需要把光信号引入时，可将M1调整到透光状态，待光信号进入光纤后，M1立刻转换为全反射状态，M2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FP腔中来回运动，被存储于光纤中。当需要读出的时候，只需将M2改成透光状态即可。原则上，光子可以在FP腔中存活相当长的时间。常见的改变透过率的方法有非线性环路镜NOLM，T比特非对称解复用器TOAD或非线性光纤萨格奈克干涉仪NFSI(Nonlinear Fiber Sagnec Interferometer)等光开关。目前，可以将32bit的1Gb/s的信号存储时间长达1ms以上。

第三类是基于光纤环(Fiber Loop)的方案，一个基本的设计包含一个2X2光开关和一个光纤环路，存储时间是光信号在环内延迟时间的整数倍。带有功率补偿的光纤环，如果不考虑噪声的积累，理论上光子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包括：a.采用光耦合器输入、光耦合器输出(如图3)；b.采用光耦合器输入、光开关输出(如图4)；c.采用光耦合器输入、采用解复用器输出；d.采用光纤环+TOAD光开关等。这种设计的基本困难是存储时间只能是固定的或者是环时间的整数倍。

目前经过分析发现，双环耦合全光缓存器、全光交换网动态可重构多粒度光缓存器和延迟时间与输出波长可调的光缓存器都没有涉及到多波长光信号的并行缓存问题，而密集波分复用技术DWDM已经在目前的通信系统中广泛应用，所以缓存器也必须适应这种需求。尽管光纤是一种广谱器件，多波长应用没有问题，但是在上述光缓存器中都必须使用快速的光开关，这种光开关或者是基于SOA的，或者是使用高非线性光纤(包括光子晶体光纤)的。这些器件存在严重的交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频等不同波长光的相互作用，而且这种作用的强度是随机且不可控制的。比如当使用8波长时，8个波长都是“1”码与只有1个波长是“1”码其余是“0”码相比，总功率相差达到8倍。这种合成信号的总功率大范围变化的现象，导致信号质量严重下降，因此，必须很好的解决多波长缓存时的功率均衡问题，这就是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种多波长并行缓存全光缓存器。该缓存器是针对密集波分复用DWDM信号并行缓存的问题而设计的，采用功率均衡-并行缓存-解复用-功率均衡-重新复用的多波长并行存储技术，可以保持多波长信号的同步缓存。

本发明的技术方案是：

多波长并行缓存全光缓存器是由一个具有增益饱和特性的输入功率均衡器、一个光缓存单元、一个1×N波分复用解复用器、具有增益饱和特性的输出功率均衡器组以及一个N×1波分复用器组成：

输入功率均衡器具有单输入端和单输出端，其输入端与外界相连，输出端与缓存单元的输入端相连。

缓存单元具有一个信号光输入端、一个输出端以及读写控制信号的控制端，信号光输出端与解复用器相连，控制端与外界相连。

解复用器具有一个输入端口和N个输出端口，每个输出端口只输出一个波长的信号，每个输出端口都配接一个输出功率均衡器，输出功率均衡器的输出端与波分复用器的输入端相连。

波分复用器是有N个输入端和单输出端的器件，多个单波长的信号在这里合成为一个多波长信号，与外界相连。

缓存单元使用“光纤环+光开关”的缓存器，其中光开关为半导体光放大器光开关，1×N解复用器和N×1波分复用器使用阵列波导光栅AWG。

功率均衡器是一个具有增益饱和的器件，当输入光纤将总功率波动很大的多波长信号引入该器件后，在输出端输出一个总功率基本稳定的多波长信号。这个总功率基本稳定的多波长信号进入缓存单元进行缓存，缓存单元将多波长信号缓存一段时间之后读出，进入解复用器。由于在缓存器中总功率基本稳定，就不能保证每个波长的功率基本稳定，所以解复用后的单个波长信号进入功率均衡器组，使得每个波长的功率达到基本稳定，然后进入波分复用器重新合成为多波长的信号(这时的总功率还是变动的)。

本发明的优点在于使用一个缓存单元就可以实现多波长的缓存，可以保证同步缓存，而且可以有效克服多波长信号之间的交叉调制，提高信噪比，具有良好的缓存性能。本发明可以实现对于多波长信号缓存时间的环周期倍数的任意可调，并可通过光的写信号和读信号控制写入与读出的时刻。由于读出时刻可在信号存入之后根据需要进行，因此可以实现事件触发而不需要在缓存前事先设定，具有很大的灵活性，是真正意义的全光缓存器，适用于全光路由器或者全光交换机使用。

附图说明

图1是基于“延迟线+光开关”的全光缓存器原理图。

图2是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的全光缓存器原理图。

图3是采用“光耦合器输入、光耦合器输出”的全光缓存器原理图。

图4是采用“光耦合器输入、光开关输出”的全光缓存器原理图。

图5是双环耦合全光缓存器(通过式)原理图。

图6是双环耦合全光缓存器(返回式)原理图。

图7为本发明的结构示意图。

图8为功率均衡器的输入输出特性以及功率均衡的原理图。

图8(a)为功率均衡器的输入输出特性。它具有增益饱和的特点。

图8(b)为功率均衡原理图。当输入光的功率在较大范围内变动时，输出光的功率变化不大。

图9为从缓存器读出的光信号示意图。它是对图1的输入信号进行了一段时间的延迟T。延迟的时间由缓存单元的控制信号所决定。

图10为解复用器解复用后的不同波长输出信号。可以看出单个波长的信号由于受到交叉增益调制的影响，而幅度不稳定。

图11是经过功率均衡器组的输出信号图。这时每个波长的信号幅度基本一致。

图12是经过复用器合成的多波长信号的波形图。基本上保持了输入信号的原貌，但延迟了一段时间。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

缓存器结构如图7所示，包括一个输入功率均衡器1，一个光缓存单元2，一个波分复用的解复用器3，输出功率均衡器4组，以及一个波分复用器5。输入功率均衡器1是一个具有增益饱和的器件，当输入光纤将总功率波动很大的多波长信号引入该器件后，在输出端输出一个总功率基本稳定的多波长信号。这个总功率基本稳定的多波长信号在进入缓存单元2进行缓存，缓存单元将多波长信号缓存一段时间之后读出，进入解复用器3。由于在缓存器中总功率基本稳定，就不能保证每个波长的功率基本稳定，所以解复用后的单个波长信号进入功率均衡器组4，使得每个波长的功率达到基本稳定，然后进入复用器5重新合成为多波长的信号(这时的总功率是变动的)。在上述缓存器中，波分复用器5与解复用器3可以采用标准产品，比如其波道间隔为100GHz的AWG等。

本发明的缓存器中，功率均衡器与缓存单元可以有多种组合方案，下面给出几种：

实施例1：

功率均衡器1与功率均衡器4组(它们采用同种器件构成)为半导体光放大器SOA，有明显的增益饱和特性。缓存单元3使用发明者的专利产品“双环耦合全光缓存器”(专利号ZL 02 1 53429.2，2002)。

双环耦合全光缓存器，如图5、图6所示，它不仅存储的是光信号，而且读写操作也是由另一光信号的控制。这种缓存器利用一个3×3光纤耦合器的两侧端口经过光纤反馈构成双环结构，以中间端口作为缓存器的输入、输出端口。它有两种结构：通过式和返回式。通过式结构如图5所示，以3×3光纤耦合器的两侧中间端口分别作为输入端和输出端，在每个光纤环都有一个SOA，并通过WDM光纤耦合器引入和导出控制光。当输入数据流从耦合器的左侧中间端口输入时，平行排列的3×3耦合器将把光分配到右侧的环Loop1中，形成顺时针和逆时针的两束光，这两束光光经过SOA1时在写控制光P_wr的作用下产生π的相移差。当这两束光返回到3×3耦合器时，由于存在了π的相位差，干涉的结果将进入右侧的环Loop2。如果Loop2不引入控制光，二者始终保持着π的相位差，于是光信号始终存在于两个环之中。这就是存储效应。当需要读出的时候，只需利用Loop2的SOA2使两束光再次产生的π的相位差，于是光脉冲就从耦合器的右侧中间端口读出。返回式结构与通过式结构的区别是省去一个SOA2，而增加一个光环形器，如图6。

实施例2：

功率均衡器1与功率均衡器4组(它们采用同种器件构成)为掺饵光纤放大器，它有明显的增益饱和特性。缓存单元3使用“反射光纤(FP腔)+光开关”的缓存单元，这种缓存器两端的光开关，使用非线性环路镜NOLM，或者使用T比特非对称解复用器TOAD，或者使用非线性光纤萨格奈克干涉仪NFSI(Nonlinear Fiber Sagnec Interferometer)等光开关。

实施例3：

功率均衡器1与功率均衡器4组(它们采用同种器件构成)为光纤拉曼放大器，它有明显的增益饱和特性。缓存单元3使用“光纤环+光开关”的缓存单元。

Claims

1.一种多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于它由一个具有增益饱和特性的输入功率均衡器(1)、一个光缓存单元(2)、一个1×N波分复用解复用器(3)、具有增益饱和特性的输出功率均衡器(4)组以及一个N×1波分复用器(5)组成：

输入功率均衡器(1)具有单输入端和单输出端，其输入端与外界相连，输出端与光缓存单元的输入端相连；

光缓存单元(2)具有一个信号光输入端、一个输出端以及读写控制信号的控制端，信号光输出端与1×N波分复用解复用器相连，控制端与外界相连；

1×N波分复用解复用器(3)具有一个输入端口和N个输出端口，每个输出端口只输出一个波长的信号，每个输出端口都配接一个输出功率均衡器(4)，输出功率均衡器(4)的输出端与N×1波分复用器的输入端相连；

N×1波分复用器(5)是有N个输入端和单输出端的器件，多个单波长的信号在这里合成为一个多波长信号，与外界相连。

2.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其输入功率均衡器(1)与输出功率均衡器(4)组是半导体光放大器。

3.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其输入功率均衡器(1)与输出功率均衡器(4)组是掺铒光纤放大器。

4.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其输入功率均衡器(1)与输出功率均衡器(4)组是拉曼光纤放大器。

5.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其光缓存单元(2)使用双环耦合全光缓存器。

6.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其光缓存单元(2)使用“反射光纤FP腔+光开关”的缓存器，其中光开关为非线性环路镜NOLM、T比特非对称解复用器TOAD或非线性光纤萨格奈克干涉仪NFSI光开关。

7.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于其光缓存单元(2)使用“光纤环+光开关”的缓存器，其中光开关为半导体光放大器光开关。

8.根据权利要求1所述的多波长并行缓存全光缓存器，其特征在于1×N波分复用解复用器(3)和N×1波分复用器(5)使用阵列波导光栅AWG。