CN101621718A

CN101621718A - 基于n×n光开关矩阵的可调谐多环路多进制的光缓存器

Info

Publication number: CN101621718A
Application number: CN200910055840A
Authority: CN
Inventors: 迟楠; 张俊文
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2010-01-06

Abstract

本发明涉及光网络通信技术领域，具体涉及一种基于N×N光开关矩阵的可调谐多环路多进制的光缓存器，其结构由一个N×N的光开关矩阵，光开关控制模块和N－1个光延时器构成。其中，N－1个光延时器的延时量设计为彼此成K倍，即满足K进制关系，假设光在每个环路中转的圈数分别为n₁，n₂，…，n_N－1，则该缓存的总延迟时间为T＝n₁d₁+n₂d₂+…+n_N－1d_N－1，可调节的最小精度可以根据需要对最小光延时器延时量进行设计。本发明光缓存器调节速度可达纳秒级高速响应，调节精度高且稳定，可以实现大的动态调节范围；同时结构简单、成本低、可靠性高。本发明所涉及的大动态范围可灵活调谐的光缓存，在光分组交换，全光计算、光信息处理和光同步时隙对准中非常有实用意义。

Description

基于N×N光开关矩阵的可调谐多环路多进制的光缓存器

技术领域

本发明涉及光网络通信技术领域，更具体的说是涉及了一种新的光缓存机制，即提出了一种基于N×N光开关矩阵的可调谐多环路多进制的光缓存器。

背景技术

在光信息包交换网络中，光缓存技术是所有全光路由器的基本功能，这是由路由器的三个主要功能要求所决定的：第一，由于分组突发到达性，当多于一个以上分组到达时，需要缓存其中的某些分组以排队处理；第二，实际中还需要对分组的有效数据部分进行延时缓存，以等待分组标签头的处理完成；第三，光缓存器对于数据包和新形成的标签头的时钟同步和重组而言是至关重要的。

理论上，光脉冲的缓存时间τ＝L/vg，其中L是光脉冲的缓存长度，vg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，其中起决定性作用的是存储体(介质)和存储效应。目前主要有以下4种存储体：光纤，啁啾光栅，基于电诱导透明(EIT)原理的以半导体量子点、原子气和固态材料等慢光存储体，以及垂直腔面发射激光器。大部分光纤型缓存器是控制光纤的长度，但也有利用光纤内的受激辐射效应(SBS和SRS)来控制群速度，而啁啾光栅和慢光缓存器都是控制群速度。虽然基于电诱导透明EIT、光子晶体等原理的全光缓存器已经提出多年，但仍然处于机理探索阶段。

目前，唯一实用的光缓存依然是光纤延时线技术。不过，这些光纤的光延时线都是固定长度的。这种缓存中，分组进入后，产生的时延也是固定的。因此，光分组交换器的设计者所面临的最基本的困难就是在固定时延长度的光纤上实现可变长度的缓存延时。可循环回路的缓存技术更为紧凑可行，不过这种技术需要一些器件来实现。因此，所面对的挑战便是要在短的器件长度上实现大的带宽下如此大的延时变化范围。

因此，基于上述问题，本发明提出了基于光开关矩阵的多环路多进制光缓存器。一方面能实现大范围高精度的的可调谐光缓存；另一方面，基于半导体光开关矩阵器件结构紧凑适合集成。

值得注意的是，通过其他机制也能实现光缓存，但是都需要大量的光开关和光纤，器件数量多结构分散。

一种报道的基于光纤的SOA光开关的分立光缓存的基本单元如图1所示，其中A1，A2为输入端口，B1，B2为输出端口。这是一个基于SOA光开关的光缓存单元，其中SOA开关控制输入输出，当输入的光信号需要缓存时，开关控制信号注入光纤环，光纤环中可以加入光隔离器。单个结构中光纤长度固定，延时精度不可以控制，为了实现大范围的高精度调节，需要很多这种分立的单元。

2004年，由美国乔治亚大学的Y.K.Yeo等人提出了一种典型的基于结构如图2所示。这是一种树状结构，分为n段，每段由许多个开关控制环和一定延时时间的光纤线构成，其中，光开关控制环由光耦合器和光开关门构成，T为延时单位时间，通过接通或者断开每一个“树枝”中的光开关门，可以获得不同的延时。我国北京理工大学杨爱英等人对于上述结构进行了改进，提出了如图3的结构。整个缓存器由4级延迟线树枝组成，每个树枝通过组合长度的延迟线，可以得到最多1000个基本时间单位的延迟。在这两种树状结构中，都采用了许多由电流独立控制的半导体光放大器(SOA)，并以它为基础构成一个光开关，其开关速度在纳秒级。这种开关的基本要求是：在含有SOA的光纤环路中顺时针和逆时针的两分路的光信号不能在SOA中相遇，否则就会产生诸如交叉增益调制等相互串扰。所以这种结构的光纤中通常还需要加入光隔离器件。无疑，这就大大的增加了光缓存的复杂度和成本。大量分立器件的存在，使得性能稳定性控制困难，难以集成化。

我们查阅了国内目前的相关专利情况，就我们所知，没有见到其他基于有源垂直耦合器半导体光开关矩阵多环路多进制光缓存的相关类似专利的内容。

发明内容

本发明提出了一种新型的基于N×N半导体有源垂直耦合器AVC(active vertical coupler)光开关矩阵的多环路多进制光缓存器，这种方案实现了大范围的高精度多环路多进制可调谐的光缓存，解决了目前基于SOA器件的光缓存分立器件多，结构不紧凑，稳定性差，性能难控制等问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于N×N半导体有源垂直耦合器AVC(active vertical coupler)光开关矩阵的可调谐多环路多进制光缓存器，包括：N×N的光开关矩阵，具有N个输入端口及N个输出端口，所述输入端口用于接收信号光，所述输出端口用于输出信号光；N-1个具有不同延时时间的延时器，分别连接在所述光开关矩阵的相对应的N-1个输入端口及N-1个输出端口之间，构成N-1个彼此延时时间成K倍的环路；开关控制模块，用于通过控制所述光开关矩阵中的每个光开关元的状态，控制信号光进入特定环路；并通过所述光开关矩阵控制光信号在各个环路中环行的次数以控制总的延时量；其中，N为大于1的自然数，K为大于等于2的自然数。

其中，N×N有源垂直耦合器光开关矩阵(OXS)，其结构特征在于光开关矩阵是一个N×N个半导体光开关单元以及相应的波导通路构成的单片集成器件。所述的光开关矩阵是一个以InP为衬底的多层半导体结构，由N×N个光开关单元构成的网状结构。这种网状结构一共有N个输入端口和N个输出端口。光开关控制模块对有源垂直耦合器AVC开关单元控制的原理为：当光开关控制部件对光开关单元有直流光注入时，开关处于触发开的状态，信号光将被反转90度；当光开关控制部件对光开关单元没有直流光注入时，开关处于关的状态，信号光将直接通过单元。因此，光开关控制模块根据不同的延时需要在不同时刻有不同的直流控制光输出。

同时，在输入端口和输出端口之间接光延时器构成N-1个环路，每个光环路中接一个彼此延时成K倍光延时缓存器，剩下的一个输入端口和输出端口作为信号光的初始输入端口和最终输出端口。N-1个光延时缓存器彼此的延时长之间形成K的倍数关系。最短的延时时间d₁构成了本专利所设计的多环路多进制光缓存器的延时精度，其他光延时缓存延时长以K的倍数增加。连接OXS与光延时缓存器的可以是特定长度的光纤，也可以是其他光延时器。

本发明的工作原理：

在光开关矩阵的控制下，本发明所提出的方案能形成K进制的N-1环路可调谐光缓存，通过光开关矩阵控制环路的循环次数n_i，就可以形成大范围的可调谐多进制光缓存。总的延时为T，则T＝n₁d₁+n₂d₂+...+n_N-1d_N-1，其中n_i取值为0到K-1，以此构成0到(K^N-1-1)d₁的大范围延时量。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.利用了新型光开关矩阵的高速响应特性使得调节速度可达纳秒级高速响应；

2.多环路缓存的设计方案可以达到很小的稳定调节间隔，即很高的调节精度且调节稳定；

3.可以通过控制光开关矩阵来控制环路，可以实现很大的动态调节范围；

4.在结构和成本上，避免了传统设计需要大量的光纤和开关，该方案结构简单，只用了一个光开关模块，成本更低，可靠性更高；

5.光延时缓存器若采用与光开关矩阵同样的半导体材料，可望单片集成，形成体积更小，能耗低，更灵活稳定的光缓存。

总之，基于上述优点本发明提出的大动态范围可灵活调谐的光缓存，在可变长度光分组交换和光同步时隙对准中非常具有实用意义。

附图说明

通过以下对本实用新型的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1.一种基于SOA开关和光纤环的光缓存单元模块。

图2.美国乔治亚大学的Y.K.Yeo等人提出了一种典型的多级树状可控光缓存方案图。

图3.北京理工大学杨爱英等人提出的改进了的多级树状可控延时光缓存方案图。

图4.一个5×5的基于AVC的光开关矩阵OXS的结构图。

图5.有源垂直耦合器光开关控制单元原理图。

图6.N×N的多环路多进制可调谐光缓存器的一般性结构图。

图7.基于4×4的OXS光开关多环路多进制调谐光缓存的环路连接图。

图8.基于光纤延时线的10Gb/s实验结构图。

图9.实施实验中对OOK和DPSK信号背靠背直接测量和通过缓存后测得的信号误码率曲线。

图10.实施实验中测得的波形：(a)DPSK信号经过4.1us的缓存后，(b)PDSK信号经过9.1us缓存，(c)OOK信号经过4.1us，(d)OOK信号经过9.1us的缓存。

具体实施方式

如图4所示的为一种5×5的基于有源垂直耦合光开关矩阵的结构，对于5×5的OXS矩阵含有25个光开关单元，同时具有5个输入端口A1～A5和5个输出端口D1～D5。如图5所示，AB为横向，CD为纵向，交叉结构的下层为无源光波导，上层为有源垂直耦合器。光开关控制模块对光开关单元的控制原理为：信号光由A输入，当光开关控制部件对光开关单元没有直流光注入时，开关处于关的状态，信号光将直接通过单元，此时如图5中(a)部分所示；当光开关控制部件对光开关单元有直流光注入时，开关处于触发开的状态，信号光将被反转90度，此时如图5(b)部分所示。因此，光开关控制模块根据不同的延时需求在不同时刻有不同的直流控制光输出。如图6所示，为这种多环路光缓存的一般性结构，包括一个N×N的半导体光开关矩阵(OXS)，一个开关控制模块，以及N-1个延时不同的光延时缓存器；其中N-1个延时不同的半导体微环延时器分别连接在光开关矩阵的N-1对输入输出端口，构成N-1个环路，剩下的一个的输入端口作为信号光初始输入端口，一个的输出端口作为经延时的信号光的最终输出端口。在光开关矩阵的控制下，本发明所提出的方案能形成K进制的N-1环路可调谐光缓存，通过光开关矩阵控制环路的循环次数n_i，形成大范围的可调谐多进制光缓存，总的延时为T，则T＝n₁d₁+n₂d₂+...+n_N-1d_N-1，其中n_i取值为0到K-1，以此构成0到(K^N-1-1)d₁的大范围延时量。例如，当N＝4，K＝10，此时可形成如图7所示的3个环路，便可以形成0～999d₁的范围的延时，可以控制n₁，n₂，n₃使之实现十进制进制的调节。同理，当N＝5时，如图4所示的情形，此时若取K＝16，则n₁～n₄可以实现十六进制调节(n_i取0～15)，这样可达到的十六进制的调节范围为0～65535d₁的大范围延时。

基于这种结构我们已经做了基于光纤延时线的对10Gb/s的OOK信号和DPSK信号的光缓存实验，实验结果已经发表在Electronics Letters，Volume 42，Issue 25，p.1474-1476，2006，充分证明了这种方法的可行型和创新性。

实验的结构如图8所示。载荷信号光源是一个波长在1550nm的可调谐的外部激光器。外部的马赫哲德调制器(MZM)产生10Gb/s的信号(伪随机码PRBS215-1)。随着外加调制器偏置的不同，可以产生NRZ的OOK(偏置于半极大值)信号或者DPSK信号(0偏置)。通过另一个激光器产生同步的155Mb/s的标记信号，并通过一个3dB的耦合器和载荷信号组合，因此在此通过波长标记的方式来产生一个光分组。在输入光纵横式开关矩阵(OXS)之前，分组载荷信号经过了放大，滤波，衰减以及因为OXS对偏置的敏感还需要进行偏振调整处理。第一个通过A4端口切换到环路中，OXS中的开关单元A2D2和A3D3控制在环路中。最后信号通过D4端口输出，而输入到OXS中的光功率保持在4dBm以避免光信噪比的衰减。在实验中，我们使用了两段光纤环路，长度分别约为20m和200m，相应的分别可以产生100ns和1us的延时。根据我们提出的方案，形成10进制的三个环路长度还需要一个2m长的环路连接在A1和D1之间。然而，如此短的缓存长度相当于10Gb/s的信号100bits的长度。如此短的分组长度对于测试误码率显得困难。因此，我们只用了两个环路来证实我们的方案的可行性。在此，由于OXS还存在比较大的光纤-光纤的传输损耗，尽管有一个比较小的芯片上的信号增益，实验中环路还需要EDFA。不过，以后当无损的OXS出现时，就可以不使用EDFA。

为了实现切换的功能，一小部分输入的分组需要进行光-电标记处理。输出的DPSK信号载荷通过一段基于光纤的稳定的马赫哲德延时干涉仪(MZDI)进行相位的解调制，然后通过一个前置放大的10GHz的接收机检测。图9显示的是对OOK信号和DPSK信号进行的背靠背直接测量和经过光缓存后的测得的误码率曲线。通过图9可以看出，对于OOK而言，经9.1us后损耗约为6.5dB。功率的损耗是由于EDFA的自发辐射和开关的模式效应产生的。然而，对于DPSK信号，延时9.1us后的损耗仅为3.3dB。图10的(a)-(d)显示的经过OXS环路后接收到的光分组信号的具体情形。可以明显的看出，OOK信号经过了更多的循环环路后受到了很强的模式效应影响。对于连续的长“1”序列，第一个“1”功率会很高，而随后的“1”则功率递减。模式效应在连续的长“0”后的逻辑“1”处也很明显，此时“1”会很高。开关经过的环路越多，模式效应产生的影响就更糟。因此，当采用OOK的载荷时，对多级的OXS最大的限制因素就是模式效应。相比之下，DPSK信号则在经过多环路后保持了一个非常清晰的波形，只存在非常小的信号损耗和变形。这些损耗和变形主要是由积累的噪声引起的。

Claims

1.基于N×N光开关矩阵的可调谐多环路多进制的光缓存器，其特征在于包括：

N×N的光开关矩阵，具有N个输入端口及N个输出端口，所述输入端口用于接收信号光，所述输出端口用于输出信号光；

N-1个具有不同延时时间的延时器，分别连接在所述光开关矩阵光输入输出端口中相对应的N-1个输入端口及N-1个输出端口之间，构成N-1个彼此延时时间成K倍的环路；

开关控制模块，用于通过控制所述光开关矩阵中的每个光开关单元的状态，控制信号光进入特定环路；并通过所述光开关矩阵控制信号光在各个环路中环行的次数以控制总的延时量；

其中，N为大于1的自然数，K为大于等于2的自然数。

2.如权利要求1中所述的光缓存器，其特征在于：所述光开关矩阵是一个由N×N的半导体光开关单元以及相应的波导通路构成的单片集成器件，所述的光开关矩阵是一个以InP为衬底的多层半导体结构，其中N×N个所述光开关单元构成网状结构，该网状结构一共有N个输入端口和N个输出端口，其中用N-1个输入输出端口作为光延时环路链接口，剩下的一个输入端口和输出端口作为信号光的初始输入端口和最终输出端口，当所述光开关单元关闭时，信号光直接通过该单元；当所述光开关单元打开时，信号光就会反射并反转90度传播。

3.如权利要求2所述的光缓存器，其特征在于：当所述光开关控制模块对所述光开关单元有直流光注入时，开关处于触发开的状态，信号光将被反转90度；当所述光开关控制模块对所述光开关单元没有直流光注入时，所述光开关单元处于关的状态，信号光将直接通过该单元，所述光开关控制模块根据不同的延时需要在不同时刻有不同的直流控制光输出。

4.如权利要求1或2所述的光缓存器，其特征在于：在所述输入端口和输出端口之间接光延时器构成N-1个环路，每个光环路中接一个彼此延时成K倍光延时缓存器，剩下的一个的输入端口作为信号光初始输入端口，一个的输出端口作为经延时的信号光的最终输出端口。

5.如权利4所述的光缓存器，其特征在于：所述的的N-1个光延时缓存器彼此的延时长之间形成K的倍数关系，最小的延时d₁构成所述多进制光缓存器的延时控制精度，其他光缓存延时长以K的倍数增加。

6.如权利4所述的光缓存器，其特征在于：所述所述光延时缓存器为特定长度的光纤。

7.如权利5所述的光缓存器，其特征在于：在所述光开关矩阵的控制下，形成K进制的N-1个环路可调谐光缓存，通过光开关矩阵控制环路的循环次数n_i，形成大范围的可调谐多进制光缓存，总的延时为T，则T＝n₁d₁+n₂d₂+...+n_N-1d_N-1，其中n_i取值为0到K-1，以此构成0到(K^N-1-1)d₁的大范围延时量。