CN113253539A - 一种基于集成soa串联可调谐激光器的全光包交换开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，包括波导光栅延迟器、SOA全光波长转换器和延迟干涉滤波器，信号光携带光数据经过分波器分为两路，一路进入包头识别器提取出控制信号，该信号输入多稳态触发器转换所需要的连续光，另一路进入波导光栅延迟器，波导光栅延迟器控制待交换的光包与连续光同步到达波分复用器，波分复用器将待交换的光包与连续光同步输入SOA全光波长转换器，SOA全光波长转换器将交换的光包转换到连续光波长上，反码输出，延迟干涉滤波器将反码转换成原码。本发明结构简单易于集成，且无需外部激光的注入就能够实现全光波长转换，极大的节省了成本。

Description

一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关
技术领域
本发明涉及全光包交换开关技术领域，具体的说是一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关。
背景技术
随着互联网和多媒体业务的快速发展，通信流量每年成倍增加，人们对带宽的需求越来越高，这就要求网络必须具有高比特率传输能力和大量吞吐的交叉能力。波分复用技术Wavelength division multiplexing,WDM)虽然能有效地解决人们对带宽的需求，但是单纯利用WDM技术没有从根本上克服网络节点的电子速率“瓶颈”，因为在网络节点仍需要光/电、电/光的转换和进行电信号处理。克服电子“瓶颈”的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网，网络传输和交换过程全部通过光来实现，而不必进行光/电和电/光转换。光通信的带宽极大，因此能大大提高通信网的传输和交换容量。
波分复用技术Wavelength division multiplexing,WDM)和全光交换Alloptical switching,AOS是全光通信网的两个关键技术。AOS包括光电路交换和光分组交换两种方式。光电路交换指的是在全光通信网中依然使用类似于电路交换的方式，信道与波长是相对应的，一个波长对应一个信道，并且可以通过波长来选择信道路由。但是，光电路交换拥有电路交换的缺点，即信道链路是固定的，缺乏灵活性，带宽利用率低。分组交换指的是对信息进行分组后加上相应的包头，然后根据对应的包头进行信息交换。其特征在于信息源和信息宿之间没有固定的信道链路，信息根据包头选择相应的链路传输。相比于光电路交换，光分组交换实现了分组级的处理，能够完成更大数据量的吞吐，带宽的利用率更高，并且还具有高透明性和高灵活性等特点。然而由于分组交换结构复杂，目前尚无能够投入到大规模使用的实施方案。
本文的一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关能够完成光包的分组交换，在全光网通信系统中扮演着重要角色。全光包交换技术涉及两个技术难点：光包同步和光包间竞争的处理。在光交换网络中，按照光包在进入交换核之前是否需要使光包对准，可把光包交换分为同步光交换和异步光交换两类。目前，对于同步光包交换研究较多，同步光包交换网是采用固定时间长度的光包时隙，所有的包大小相同，要求所有光包到达交换核时与本地参考时钟相位对准，即包同步。对于异步包交换，光包的大小可以相同也可以不同，光包到达和进入交换节点时无需对准。本文方案利用了集成的DFB光栅结构，控制光包延迟一定的时间以达到光包同步的效果。光包间竞争是由于多个光包争用同一波长信道所致。因此，本文使用的基于SOA的波长转换技术是有效的解决光包竞争的方法。它是通过转换争用光包的波长，从而使争用光包能以不同的波长从同一网络的同一节点同时离开。它不会导致额外时延，可以减少包丢失率，抑制噪声和信号再生。因此本结构无需担心由光包竞争造成的丢包现象。
本文的一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关涉及以下几项关键技术：光包头识别、多稳态触发、波长转换。其中多稳态触发利用了串联可调谐激光器的多稳态性质。光学多稳态指的是某个光学系统在一定条件下，一种输入可能存在多种输出状态，并且多个输出状态之间可以用光信号控制使之发生转换的现象。光学多稳装置是利用注入光信号来控制输出光强度、波长、偏振等特性的器件，这种新型的控制装置在很多领域都受到重视。串联DFB激光器满足了光学多稳态产生的两个必要条件：光学非线性和反馈机制，是典型的全光多稳态器件，常被用于可调谐激光器和多稳态触发器等研究中。
基于SOA非线性效应的波长转换利用的各种原理主要有：交叉增益调制CrossGain Modulation，XGM、交叉相位调制Cross Phase Modulation，XPM、自相位调制SelfPhase Modulation，SPM、交叉偏振调制Cross Polarization Modulation，XPolM、四波混频Four-Wave mixing，FWM等。其中最为常用且最为成熟的原理是XGM。目前，利用SOA的XGM效应进行的高速波长转换有三种主流方案：级联SOA、蓝移滤波、辅助光注入。其中级联SOA和蓝移滤波的方案无需外部辅助光注入，但结构较为复杂，而利用辅助光注入的方案需要外部光源作为辅助，也具有一定的缺陷。
目前基于SOA的非线性效应进行波长转换已经有了许多成熟的方案。例如2005年日本的KDDI公司利用XPM和XAM，使用EAM结合延迟干涉仪Delay interferometer，DI的结构完成了100Gbit/s的归零码RZ开关键控OOK信号的全光波长转换。2007年荷兰埃因霍温理工大学的COBRA研究组也利用XGM和XPM，使用SOA结合两个蓝移滤波器的结构完成了速率高至320Gbit/s的RZ-OOK信号全光波长转换。
但是，上述方案虽然完成了高比特速率信号的波长转换，其所用器件都是分立的，系统复杂度高，完成难度大，实验成本高。如，授权公告号CN103220063B公开了一种全光波长路由集成芯片，包括分布式布拉格反射激光器、多模干涉仪、半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪，并通过波导连接并集成在同一半导体基片上，其探测光波长是固定的，且其系统复杂度高，实验成本高。申请公布号为CN 102841479 A公开了一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，具体包括半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪，半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪依次连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片。其在使用时需要滤波器，功率利用率低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，本发明无需外部激光的注入就能够实现全光波长转换，极大的节省了成本。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，包括波导光栅延迟器、SOA全光波长转换器和延迟干涉滤波器，信号光携带光数据经过分波器分为两路，一路进入包头识别器提取出控制信号，该信号输入具有多稳态特征的多级DFB激光器串联的多稳态触发器，利用多稳态触发器的多稳态效应产生波长转换所需要的连续光，另一路进入波导光栅延迟器，通过波导光栅延迟器控制待交换的光包与连续光同步到达波分复用器，通过波分复用器将待交换的光包与连续光同步输入SOA全光波长转换器，SOA全光波长转换器将交换的光包转换到连续光波长上，并完成全光波长转换后的反码输出，延迟干涉滤波器将反码转换成原码。
本发明的进一步改进在于：多稳态触发器中的一个DFB激光器为主激光器，另外DFB激光器为副激光器，其中主激光器的输入光功率小于阈值，其激射阈值平稳，且能正常发光。
本发明的进一步改进在于：波导光栅延迟器为由DFB光栅和外加的电极组成的延迟可调的DFB光栅滤波器，通过电极调节延迟时间。
本发明的进一步改进在于：延迟干涉滤波器由一臂具有特定延迟的马赫增德尔干涉结构构成。
本发明的有益效果是：本发明所提供的方案属于辅助光注入的方式，但是区别在于本发明所用的辅助光是由串联DFB激光器产生的，无需外部激光的输入，能很好地实现集成。本发明的延迟干涉滤波器具有对波长的周期滤波特性。当连续光波长位于滤波周期的最小值附近时，由于啁啾效应产生的红移波长或者蓝移波长会对应不同的透过率，连续光输出的反码会被转换成原码。本发明利采用集成的串联可调谐激光器和SOA分别实现多稳态触发和波长转换，结构简单易于集成。此外，本专利无需外部激光的注入就能够实现全光波长转换，极大的节省了成本。
附图说明
图1是本发明组成结构示意图。
图2是双稳态触发器触发原理示意图。
图3是双稳态触发器特性曲线示意图。
图4是波导光栅延迟器结构示意图。
图5是波导光栅延迟器的透射谱。
图6是波导光栅延迟器的时延谱。
图7是SOA全光波长转换器工作状态示意图。
图8是延迟干涉滤波器的滤波特性曲线图。
其中：1-分波器，2-包头识别器，3-波导光栅延迟器，4-SOA全光波长转换器，5-延迟干涉滤波器，6-波分复用器，7-多稳态触发器。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明是一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，包括波导光栅延迟器3、SOA全光波长转换器4和延迟干涉滤波器5，光数据包由波长为λ0的信号光携带，经过分波器1分为两路，一路进入包头识别器2提取出控制信号，该信号输入具有多稳态特征的多级DFB激光器串联的多稳态触发器7，利用多稳态触发器7的多稳态效应产生波长转换所需要的连续光，另一路进入波导光栅延迟器3，波导光栅延迟器3能够产生特定延迟，通过波导光栅延迟器3控制待交换的光包与连续光同步到达波分复用器6，通过波分复用器6将待交换的光包与连续光同步输入SOA全光波长转换器4，SOA全光波长转换器4将交换的光包转换到连续光波长上，并完成全光波长转换后的反码输出，延迟干涉滤波器5将反码转换成原码。
串联DFB激光器存在多稳态效应，其具有选择输出光频率的能力。由串联DFB激光器组成的多稳态触发器中的每一个DFB激光器都具有开启、关闭两种输出状态，且两种状态可以通过外部施加的光信号脉冲进行控制，这个特性和电子器件中被广泛应用的逻辑门十分相似。同时，前置的包头识别器可以通过识别不同的光包包头输出对应的光脉冲信号。包头识别器输出的不同的光脉冲信号可以控制多稳态触发器7中串联DFB激光器的开启、关闭的状态，从而选择不同的波长输出。
多稳态触发器7由多个DFB激光器串联构成，其中一个DFB激光器为主激光器，另外DFB激光器为副激光器，其中主激光器的输入光功率小于阈值，其激射阈值平稳，且能正常发光。包头识别器2产生的脉冲信号控制最前端的激光器开启和关闭，最前端的激光器控制下一个激光器开启和关闭，当前一个激光器的输出光达不到多稳态的触发要求时，后一个激光器的阈值就不发生变化，可以正常发光即，则该发光的激光器为主激光器，主激光器前后的副激光器均处于熄灭状态，主激光器可以是一串DFB激光器中的任何一个。多级DFB激光器串联的多稳态触发器7具有多稳态特征，体现在其可以输出不同的波长。在一定条件下可能存在两种以上的输出状态，并且输出状态可由输入的光功率或偏置电流控制。本发明通过多稳态触发器7实现多个波长的产生，用作波长转换所需的连续光。
波导光栅延迟器3为由DFB光栅和外加的电极组成的延迟可调的DFB光栅滤波器，通过电极调节延迟时间。其延迟量是特定且可调的，并且等于包头识别以及串联DFB可调谐激光器带来的延迟，用于控制信号同步。
SOA全光波长转换器4具有多种非线性效应，会导致信号光对SOA的载流子进行调制，然后以振幅或者相位的形式体现在连续光上，从而达到光信息的波长转换目的。
以双稳态触发器为例，双稳态触发器由两个DFB激光器串联构成，两个DFB激光器分为第一激光器和第二激光器，第一激光器波长为λ1，第二激光器波长为λ2。包头识别器2产生的脉冲信号控制第二激光器的开启和关闭，第二激光器控制第一激光器的开启和关闭，此时，第一激光器为主激光器，第二激光器为副激光器，其结果是在同一时刻触发器仅有一个波长λ1或λ2输出，该波长即为连续光，后续的波长转换将把信号光上的信号转换到连续光波长上。SOA工作在饱和状态，偏置电流为55mA，增益峰值在1550nm，输入的信号光波长为1552nm。信号光经过包头识别器2及多稳态触发器7后产生一个波长为1545nm的连续光。当信号光输出高电平时，SOA的载流子被消耗，SOA进入饱和工作状态。由于饱和SOA的载流子需要一定的恢复时间，导致SOA对连续光的增益很小，可以视为输出低电平。反之当信号光输出低电平时，SOA对连续光的增益较大，可以视为输出高电平。因此，SOA全光波长转换器完成了将信号光波长转换到连续光波长的反码输出。
延迟干涉滤波器5由一臂具有特定延迟的马赫增德尔干涉结构构成。其滤波特性具有周期性，滤波的最低点位于输入的连续光波长附近。注入信号光导致SOA内部产生周期性的折射率分布，连续光经过这样折射率周期性分布的结构时会产生啁啾效应，导致转换后的信号上升沿是红移的，而下降沿是蓝移的。当这样的连续光进入延迟干涉滤波器5后，其红移频率和蓝移频率分别对应不同的透过率，因此连续光经过延迟干涉滤波器5后可将啁啾产生的上升沿或者下降沿滤除，从而可得到恢复的原码。

Claims (4)

1.一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，包括波导光栅延迟器（3）、SOA全光波长转换器（4）和延迟干涉滤波器（5），其特征在于：信号光携带光数据经过分波器（1）分为两路，一路进入包头识别器（2）提取出控制信号，该信号输入具有多稳态特征的包括多级DFB激光器串联的多稳态触发器（7），利用所述多稳态触发器（7）的多稳态效应产生波长转换所需要的连续光，另一路进入波导光栅延迟器（3），通过所述波导光栅延迟器（3）控制待交换的光包与连续光同步到达波分复用器（6），通过波分复用器（6）将待交换的光包与连续光同步输入SOA全光波长转换器（4），所述SOA全光波长转换器（4）将交换的光包转换到连续光波长上，并完成全光波长转换后的反码输出，所述延迟干涉滤波器（5）将反码转换成原码。
2.根据权利要求1所述一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，其特征在于：所述多稳态触发器（7）中的一个DFB激光器为主激光器，另外的DFB激光器为副激光器，其中所述主激光器的输入光功率小于阈值，其激射阈值平稳，且能正常发光。
3.根据权利要求2所述一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，其特征在于：所述波导光栅延迟器（3）为由DFB光栅和外加的电极组成的延迟可调的DFB光栅滤波器，通过所述电极调节延迟时间。
4.根据权利要求3所述一种基于集成SOA串联可调谐激光器的全光包交换开关，其特征在于：所述延迟干涉滤波器（5）由一臂具有特定延迟的马赫增德尔干涉结构构成。
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Kurumida et al. All-optical label recognition with SOA-MZI multistage switching scheme

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