CN105676370A - 一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关 - Google Patents

一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于微环谐振腔的全光分组交换开关，偏置信号源通过铌酸锂调制器一与波分复用器连接；分组数据流通过铌酸锂调制器二与波分复用器连接，波分复用器与两耦合器相连，直通光从第二耦合器的端口输出。微环谐振腔一通过第三耦合器、第一耦合器与两直波导臂耦合，微环谐振腔一的光从第一耦合器的端口进入，另一端口输出。微环谐振腔二通过第四耦合器、第二耦合器与两直波导臂耦合，微环谐振腔二的光经过第二耦合器的端口进入，另一端口输出。两路：写入信号源、铌酸锂调制器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、可变光衰减器依次连接；可变光衰减器与耦合器连接，光从耦合器的端口输出，微环谐振腔的光从耦合器的端口进入，另一端口输出。

Description

一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关。
背景技术
传统的光学系统体积庞大、稳定性差，不能适应现代光纤通信发展的需求。为了实现全光网络，越来越多的科学工作者致力于寻找一些体积小、结构简单、性能稳定的光学器件，而微环谐振腔集这些优点于一身，是其中广泛研究的光器件之一。目前为止，业内已经研制了多种以微环谐振腔为载体的光学器件，如全光开关、滤波器、光延时、波长转换、色散补偿、激光器等等。光在非线性微环谐振腔中传输具有双稳特性，即一种输入对应两种输出状态。利用这种特性，通过加入正反馈信号，能使输入数据从不同路径输出，即可以用来构造基于微环谐振腔的全光分组交换开关。这种分组交换开关能有效降低开关功率、体积小、切换速度快、性能稳定等优点。本发明提出一种不同于现有技术的基于微环谐振腔的全光分组交换开关。
发明内容
本发明提供了一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其采用环形谐振腔，使光信号在腔内环形并累积光学非线性，从而可以有效地降低开关功率，可以高效且快速地分配由光纤传输系统提供的巨大的可用带宽。
本发明采取以下技术方案：
一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关，包括偏置信号源(1-1)、分组数据流(2-1)、第一写入信号源(3-1)、第二写入信号源(4-1)、第一铌酸锂调制器(1-2)、第二铌酸锂调制器(2-2)、第三铌酸锂调制器(3-2)、第四铌酸锂调制器(4-2)、波分复用器(1-3)、第一耦合器(1-4)、第二耦合器(1-5)、第三耦合器(3-6)、第四耦合器(4-6)、第一掺铒光纤放大器(3-3)、第二掺铒光纤放大器(4-3)、第一带通滤波器(3-4)、第二带通滤波器(4-4)、第一可变光衰减器(3-5)、第二可变光衰减器(4-5)、第一微环谐振腔(5-1)、第二微环谐振腔(5-2)。
偏置信号源(1-1)与第一铌酸锂调制器(1-2)的第一端口连接，第一铌酸锂调制器(1-2)的第二端口与波分复用器(1-3)的第一端口连接；分组数据流(2-1)与第二铌酸锂调制器(2-2)的第一端口连接，第二铌酸锂调制器(2-2)的第二端口与波分复用器(1-3)的第二端口连接，波分复用器(1-3)的第三端口与第一耦合器(1-4)的第一端口、第二耦合器(1-5)的第二端口都相连接，直通光从第二耦合器(1-5)的第四端口输出。第一微环谐振腔(5-1)通过第三耦合器(3-6)和第一耦合器(1-4)与两直波导臂耦合，第一微环谐振腔(5-1)中的光从第一耦合器(1-4)的第二端口进入，第四端口输出。第二微环谐振腔(5-2)通过第四耦合器(4-6)和第二耦合器(1-5)与两直波导臂耦合，第二微环谐振腔(5-2)中的光经过第二耦合器(1-5)的第一端口进入，第三端口输出。
第一写入信号源(3-1)与第三铌酸锂调制器(3-2)的第一端口连接，第三铌酸锂调制器(3-2)的第二端口与第一掺铒光纤放大器(3-3)的第一端口连接，第一掺铒光纤放大器(3-3)的第二端口与第一带通滤波器(3-4)的第一端口连接，第一带通滤波器(3-4)的第二端口与第一可变光衰减器(3-5)的第一端口连接，第一可变光衰减器(3-5)的第二端口与第三耦合器(3-6)的第四端口连接，光从第三耦合器(3-6)的第二端口输出，第一微环谐振腔(5-1)中的光从第三耦合器(3-6)的第三端口进入，第一端口输出。
第二写入信号源(4-1)与第四铌酸锂调制器(4-2)的第一端口连接，第四铌酸锂调制器(4-2)的第二端口与第二掺铒光纤放大器(4-3)的第一端口连接，第二掺铒光纤放大器(4-3)的第二端口与第二带通滤波器(4-4)的第一端口连接，第二带通滤波器(4-4)的第二端口与第二可变光衰减器(4-5)的第一端口连接，第二可变光衰减器(4-5)的第二端口与第四耦合器(4-6)的第三端口连接，光从第四耦合器(4-6)的第一端口输出，第二微环谐振腔(5-2)中的光从第四耦合器(4-6)的第四端口进入，第二端口输出。
优选的，选择参数相同的四个耦合器，其透射系数均为t＝0.6耦合系数x＝0.8，传输损耗α＝2×10-5μm-1，为了满足谐振腔的非线性要求，采用硅材料(非线性材料)，谐振腔的半径为9.28μm，非线性折射率为n2＝2.5×10-7μm2/W,线性折射率n0＝2，输入光波长λ＝1550nm，带通滤波器的频带宽度为0.3-nm，分组数据的周期为27-1的伪随机序列，此分组数据为传输速率为10Gb/s的不归零数据，其功率为1μW。偏置信号光功率为800mW,两个写入信号的脉冲宽度为100ps，能量为13fJ,重置信号的脉冲宽度为50ns，周期为1μs，为防止数据丢失，开关时间也设为50ns。
本发明利用光在微环谐振腔中谐振具有双稳特性，通过加入正反馈信号，能使输入数据从不同路径输出，实现对输入数据的分组交换；其次，采用环形谐振腔，使光信号在腔内环形并累积光学非线性，从而可以有效地降低开关功率，可以高效且快速地分配由光纤传输系统提供的巨大的可用带宽。由偏置信号经过调制与分组数据流耦合进入微环谐振腔，当任意一路写入信号加上一个正反馈使得谐振腔处于高透射态时，数据输出的路由发生改变，当重置信号输入负反馈时，谐振腔重新回到了低透射态，数据又返回到原路由输出。
本发明基于微环谐振腔的全光分组交换开关为未来全光网络中光交换、光计算和光传输提供了基础条件，光开关是实现交换系统的核心器件，并是决定网络性能的关键因素，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明基于微环谐振腔的全光分组交换开关的结构示意图。
图2为基于微环谐振腔的分组交换后信号的开关路由示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。
如图1-2所示，本实施例基于微环谐振腔的全光分组交换开关，包括偏置信号源1-1、分组数据流2-1、第一写入信号源3-1、第二写入信号源4-1、第一铌酸锂调制器1-2、第二铌酸锂调制器2-2、第三铌酸锂调制器3-2、第四铌酸锂调制器4-2、波分复用器1-3、第一耦合器1-4、第二耦合器1-5、第三耦合器3-6、第四耦合器4-6、第一掺铒光纤放大器3-3、第二掺铒光纤放大器4-3、第一带通滤波器3-4、第二带通滤波器4-4、第一可变光衰减器3-5、第二可变光衰减器4-5、第一微环谐振腔5-1、第二微环谐振腔5-2。
偏置信号源1-1与第一铌酸锂调制器1-2的第一端口a1连接，第一铌酸锂调制器1-2的第二端口a2与波分复用器1-3的第一端口c1连接。分组数据流2-1与第二铌酸锂调制器2-2的第一端口b1连接，第二铌酸锂调制器2-2的第二端口b2与波分复用器1-3的第二端口c2连接，波分复用器1-3的第三端口与第一耦合器1-4的第一端口s1、第二耦合器1-5的第二端口t1连接，直通光从第一耦合器1-4的第三端口s2、第二耦合器1-5的第四端口t2输出。第一微环谐振腔5-1通过第三耦合器3-6、第一耦合器1-4与两直波导臂耦合，第一微环谐振腔5-1中的光从第一耦合器1-4的第二端口d1进入，第四端口d2输出。第二微环谐振腔5-2通过第四耦合器4-6、第二耦合器1-5与两直波导臂耦合，第二微环谐振腔5-2中的光经过第二耦合器1-5的第一端口p2进入，第三端口p1输出。
第一写入信号源3-1与第三铌酸锂调制器3-2的第一端口e1连接，第三铌酸锂调制器3-2的第二端口e2与第一掺铒光纤放大器3-3的第一端口f1连接，第一掺铒光纤放大器3-3的第二端口f2与第一带通滤波器3-4的第一端口g1连接，第一带通滤波器3-4的第二端口g2与第一可变光衰减器3-5的第一端口h1连接，第一可变光衰减器3-5的第二端口h2与第三耦合器3-6的第四端口i1连接，光从第三耦合器3-6的第二端口i2输出，第一微环谐振腔5-1中的光从第三耦合器3-6的第三端口q2进入，第一端口q1输出。
第二写入信号源4-1与第四铌酸锂调制器4-2的第一端口j1连接，第四铌酸锂调制器4-2的第二端口j2与第二掺铒光纤放大器4-3的第一端口k1连接，第二掺铒光纤放大器4-3的第二端口k2与第二带通滤波器4-4的第一端口11连接，第二带通滤波器4-4的第二端口l2与第二可变光衰减器4-5的第一端口m1连接，第二可变光衰减器4-5的第二端口m2与第四耦合器4-6的第三端口n1连接，光从第四耦合器4-6的第一端口n2输出，第二微环谐振腔5-2中的光从第四耦合器4-6的第四端口o1进入，第二端口o2输出。
本实施例中，选择参数相同的四个耦合器，其透射系数均为t＝0.6耦合系数x＝0.8，传输损耗α＝2×10-5μm-1，为了满足谐振腔的非线性要求，本实施例采用硅材料这种非线性材料，谐振腔的半径为9.28μm，非线性折射率为n2＝2.5×10-7μm2/W,线性折射率n0＝2，输入光波长λ＝1550nm，带通滤波器的频带宽度为0.3-nm，分组数据的周期为27-1的伪随机序列，此分组数据为传输速率为10Gb/s的不归零数据，其功率为1μW。偏置信号光功率为800mW,两个写入信号的脉冲宽度为100ps，能量为13fJ,重置信号的脉冲宽度为50ns，周期为1μs，为防止数据丢失，开关时间也设为50ns。
本发明基于微环谐振腔的全光分组交换开关实现过程：
1、功率为800mW的偏置信号由a1端口进入调制器，使其携带脉冲宽度为50ns，周期为1μs的重置信号，接着，与另一路传输速率为10Gb/s的不归零分组数据流信号耦合进入微环谐振腔，当无写入信号输入时，分组数据从直通端口输出。
2、当写入信号1在重置信号之后加入一个脉冲宽度为100ps，能量为13fJ的正反馈信号时，使得第一微环谐振腔处于高透射态，数据由下路1端口输出，当写入信号2在重置信号之后加入同样的正反馈信号时，使得第二微环谐振腔处于高透射态，数据输出的路由发生改变，由下路2端口输出，
3、当偏置信号再次出现重置信号时，又相当于加上负反馈，谐振腔重新回到了低透射态，数据又返回到原路由输出，从而实现了数据流的分组输出。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是包括偏置信号源(1-1)、分组数据流(2-1)、第一写入信号源(3-1)、第二写入信号源(4-1)、第一铌酸锂调制器(1-2)、第二铌酸锂调制器(2-2)、第三铌酸锂调制器(3-2)、第四铌酸锂调制器(4-2)、波分复用器(1-3)、第一耦合器(1-4)、第二耦合器(1-5)、第三耦合器(3-6)、第四耦合器(4-6)、第一掺铒光纤放大器(3-3)、第二掺铒光纤放大器(4-3)、第一带通滤波器(3-4)、第二带通滤波器(4-4)、第一可变光衰减器(3-5)、第二可变光衰减器(4-5)、第一微环谐振腔(5-1)、第二微环谐振腔(5-2)；
偏置信号源(1-1)与第一铌酸锂调制器(1-2)的第一端口连接，第一铌酸锂调制器(1-2)的第二端口与波分复用器(1-3)的第一端口连接；分组数据流(2-1)与第二铌酸锂调制器(2-2)的第一端口连接，第二铌酸锂调制器(2-2)的第二端口与波分复用器(1-3)的第二端口连接，波分复用器(1-3)的第三端口与第一耦合器(1-4)的第一端口、第二耦合器(1-5)的第二端口都相连接，直通光从第二耦合器(1-5)的第四端口输出；第一微环谐振腔(5-1)通过第三耦合器(3-6)和第一耦合器(1-4)与两直波导臂耦合，第一微环谐振腔(5-1)中的光从第一耦合器(1-4)的第二端口进入，第四端口输出；第二微环谐振腔(5-2)通过第四耦合器(4-6)和第二耦合器(1-5)与两直波导臂耦合，第二微环谐振腔(5-2)中的光经过第二耦合器(1-5)的第一端口进入，第三端口输出；
第一写入信号源(3-1)与第三铌酸锂调制器(3-2)的第一端口连接，第三铌酸锂调制器(3-2)的第二端口与第一掺铒光纤放大器(3-3)的第一端口连接，第一掺铒光纤放大器(3-3)的第二端口与第一带通滤波器(3-4)的第一端口连接，第一带通滤波器(3-4)的第二端口与第一可变光衰减器(3-5)的第一端口连接，第一可变光衰减器(3-5)的第二端口与第三耦合器(3-6)的第四端口连接，光从第三耦合器(3-6)的第二端口输出，第一微环谐振腔(5-1)中的光从第三耦合器(3-6)的第三端口进入，第一端口输出；
第二写入信号源(4-1)与第四铌酸锂调制器(4-2)的第一端口连接，第四铌酸锂调制器(4-2)的第二端口与第二掺铒光纤放大器(4-3)的第一端口连接，第二掺铒光纤放大器(4-3)的第二端口与第二带通滤波器(4-4)的第一端口连接，第二带通滤波器(4-4)的第二端口与第二可变光衰减器(4-5)的第一端口连接，第二可变光衰减器(4-5)的第二端口与第四耦合器(4-6)的第三端口连接，光从第四耦合器(4-6)的第一端口输出，第二微环谐振腔(5-2)中的光从第四耦合器(4-6)的第四端口进入，第二端口输出。
2.如权利要求1所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，第一微环谐振腔(5-1)和/或第二微环谐振腔(5-2)选用硅材料，谐振腔的半径为9.28μm。
3.如权利要求1所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，第一耦合器(1-4)、第二耦合器(1-5)、第三耦合器(3-6)、第四耦合器(4-6)的透射系数均为t＝0.6、耦合系数x＝0.8。
4.如权利要求1-3任一项所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，所述全光分组交换开关的传输损耗α＝2×10-5μm-1。
5.如权利要求1-3任一项所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，所述全光分组交换开关的非线性折射率为n2＝2.5×10-7μm2/W,线性折射率n0＝2。
6.如权利要求1所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，第一带通滤波器(3-4)和/或第二带通滤波器(4-4)的频带宽度为0.3-nm。
7.如权利要求1所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，分组数据流(2-1)的分组数据周期为27-1的伪随机序列，此分组数据为传输速率为10Gb/s的不归零数据，功率为1μW。
8.如权利要求1-3或6或7任一项所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，所述全光分组交换开关的输入光波长λ＝1550nm，偏置信号光功率为800mW。
9.如权利要求1所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，第一写入信号源(3-1)和/或第二写入信号源(4-1)的脉冲宽度为100ps，能量为13fJ,重置信号的脉冲宽度为50ns，周期为1μs。
10.如权利要求1-3或6或7或8任一项所述基于微环谐振腔的全光分组交换开关，其特征是，所述全光分组交换开关的开关时间设为50ns。
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