CN1186659C - 双环耦合全光缓存器 - Google Patents

Abstract

一种基于3×3光纤耦合器的双环耦合全光缓存器，它不仅存储的是光信号(光子)，而且读写操作也是在另一光信号的控制下根据需要进行的。它以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。在一个光纤环上通过两个WDM光纤耦合器引入和导出控制光，利用交叉相位调制(XPM)效应改变两个环上信号光的相位差，实现光信号在光纤环内的写入与读出。控制读写操作的光信号，既可以采用正逻辑，也可以采用副逻辑。根据需要，可以在光纤环中增加光放大器进行功率补偿。还可以由多个这样的缓存器(比如8个这样的缓存器)、在同一读写控制光信号的控制下构成的并行信号的全光缓存器，比如以8比特为一个并行字节的并行全光缓存器。

Description

双环耦合全光缓存器

一、技术领域

本发明涉及一种基于3×3光纤耦合器实现的全光缓存器。全光缓存器不仅被缓存的是光信号，而且控制读写操作的也是光信号而不是电信号，并且可以根据需要随机的读取。它是光信息处理的基本元件，将广泛用于光纤通信、光信号(息)处理、光分组交换、光计算等领域。主要用于暂存高速率的光信号。

二、背景技术

正如电的缓存器把电信号暂存在芯片中一段时间，然后根据需要在电控制信号的控制下读出一样，光缓存器是将光信号缓存在一个特殊的器件中、并能在控制信号的控制下进行写入和读出的装置。国际上对于全光缓存器的研究目前尚处于一些实验室阶段，主要有如下三类：

一类是基于“延迟线+光开关”的方案，利用光子在光纤中传输会产生延迟(大约1m是5ns)的特性，配合光开关来调节延迟时间。当两个数据包冲突时，可以将优先级低的一个包经过延迟线暂存一段时间后再输出，这样就构成了“交换延迟线”(Switched DelayLine----SDL)。但它不是一个真正意义的缓存器，而只是一个延时器，不仅暂存时间很有限，而且不能控制读出时间。比如，要暂存一个40-80字节长度的数据包，对于2.5Gb/s的系统，大约需要1-3km的光纤，暂存时间很难达到ms量级。同时暂存时间的调节也比较困难，对于比较复杂的调节要求，而且只能用电信号控制，将导致节数的增加，从而成本、损耗及串音都会增加。

第二类是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的方案，它是在一根光纤的两端，分别加一个透过率(反射率)可调的镜片构成。通过调节两端镜片的透过率(反射率)，对光信号进行写入和读出，从而使光信号在光纤的两个镜片之间的FP腔中得到暂存。这种方案的优点在于，它是真正意义的缓存器，缓存时间可以在比较大的时间范围内变动，实现根据需要随机读出。而且很难做到100％全反射，因此存储损耗较大，需要对其进行功率补偿，同时，由于目前采用的光开关对于信号的同步要求较高，处理长连“0”或长连“1”的能力弱，技术上实现比较困难。

第三类是基于光纤环(Fiber Loop)的方案。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)。根据输入、输出及使用的光开关不同，研究者们已经提出了多种基于光纤环的结构方案：

1、采用2×2光耦合器输入、光2×2耦合器输出的方案。

最简单的输入输出方式，可用光纤耦合器实现。美国MIT的K.Hall(K.Hall，et al，“All-Optical Buffering of 40 Gb/s Data Packets”IEEE，P.T.L.，V.10，1998.)等人在1998年，以及I.I.T的K.Bose(Kushawaha，S.K.Bose，et al，“Analytical Modeling for Performance Studies of anFLBM-Based All-Optical Packet Switch”，IEEE Communication Lett.V.5，4，pp227，2001.)等人在2001年采用的都是这种方案。所不同的是，K.Hall在环中是使用电吸收调制器EOM作为光信号的延迟控制，而K.Hall则使用SOA光开关作为光信号的延迟控制。在输入端，先将要缓存的包的波长转换到一个特定的波长上去，然后打开他所对应的光开关，要缓存几个周期，EOM或SOA就打开几个周期。此方案的优点是可以同时并行处理多个包，但由于采用耦合器输出，所以光信号每在环中环行一次，就要输出一次光信号，这是不符合缓存器要求的。

2、采用光耦合器输入、光开关输出的方案。

此方案与前者有些类似，由马里兰州大学的Y.Chai等人于1998提出(Y.Chai，et al，“Optical DRAM Using Refreshable WDM Loop Memory”，ECOC’98 pp171.)，所不同的是采用的是1×2的光开关，当需要输出时，将光开关切换到输出的波分复用器上，从而克服了方案1的缺点。

3、采用2×2光耦合器输入、采用解复用器输出的方案。

由S.L.Danielsen等人提出(L Danielsen，et.al，“10Gb/s operaion of a multiwavelengthbuffer architecture employing a monolithically integrated all-optical interferometric michelsonwavelength converter，”IEEE Phot.Technol.Lett.8(1996)434.)。在输入端，先将缓存器中包的波长转换到一个特定的波长上去：如果一个它需要存储一个环路周期，则它在进入缓存器之前将被变换成波长λ₂上，经解复用器和波长转换器再将波长λ₂转换为λ₁。由于λ₁是缓存器的输出波长，因此这将导致信号在光纤环中环行一周后输出。同样，如果一个包需要存储两个周期，它将被变换成波长λ₃上，在缓存器中信号先转换成λ₂再转换成λ₁，这样信号在光纤中环行两周。依次类推，一个包可以通过n个波长转换器存储n个周期。因而，如果两个包同时到达则一个包转换成λ₁波长上另一个包转换成λn波长上。结果使得两个包都得以保存下来。

4、采用光纤环+TOAD光开关的方案

A.J.Poustie等人提出了一种基于TOAD的再生型全光缓存器的方案(A.J.Poustie，K.J.Blow，R.J.Manning，”Storage threshold and amplitude restoration in an all-optical regenerativememory，”Optics Communications 146 (1998)262.)。它由两个级联的TOAD和光纤延迟线(DELAY LINE)组成。每个TOAD由一个光纤耦合器，两个导入导出开关脉冲的波分复用耦合器，偏振控制器以及一个稍稍偏离环中心的SOA组成。光纤延迟线(DELAY LINE)和掺铒光纤放大器(AMPLIFY)分别用来控制脉冲到达时间和TOAD的开关能量。具有一定数据格式的波长为λ₁的输入信号通过TOAD1的输入端进入缓存器，并将它的数据格式拷贝到时钟控制信号波长λ₂上，进入光纤存储环。TOAD2的作用是一个波长转换器，将λ₂的数据格式重新拷贝到波长λ₁上，这样就完成了TOAD1中输入信号的再生。通过放大器放大存储信号反馈到TOAD1的输入端，循环再生能使信号在光纤环中保持相当长的时间。基于SOA的TOAD(或SLALOM)只需要极低的开关能量(典型值为1pJ/脉冲)，而且结构相对紧凑能够尽量减少光信号处理中的延时。

就以光纤为存储体的缓存器而言，还有AWG结构的方案(K.Guild，et.al，“A Novel Routingand Buffering in an All-Optical Node”，CLEO’99，pp1279.)。除了以上三利类型以光纤为存储体的缓存器外，尚提出多种其他存储体的缓存器。但所有的方案都是基于2×2耦合器的单光纤环的结构，不仅结构复杂，而且对称性和稳定性差，存储时间比较短。

三、发明内容

本发明提出一种基于3×3光纤耦合器的双光纤环全光缓存器，它适用于Gb/s速率(p秒级)以上的光信号的存储。本发明结构简单、存储容量大，并可根据需要控制读出时间，具有很强的实用性。

本发明的双环耦合全光缓存器，由一个3×3光纤耦合器、连接光纤或连接光波导、和两个波分复用耦合器(WDM)构成，其特征在于：采用平行排列的3×3光纤耦合器，将耦合器的两侧端口经过连接光纤反馈构成双环结构，以耦合器的中间端口作为缓存器的输入、输出端口，在一个光纤环上安装两个波分复用耦合器(WDM)用以引入和导出控制光，利用交叉相位调制(XPM)效应改变两个环上信号光的相位差，实现光信号在光纤环内的写入与读出。

本发明光信号的写入不需要另外的任何控制，即便对于某些需要控制的场合，只需在前面加一个光开关。由于本发明是对整个帧进行控制，所以不需要像NOLM那种同步要求极高、功率很大的控制脉冲，输入控制相对简单。由于光信号在光纤环内通过相位调制实现控制，因此光信号的存储时间较长，原则上只要耦合器做的好，环路的对称性好，功率补偿恰当，就可以存储较长时间。由于采用相位控制，光信号的读出很容易，只要关闭控制光信号即可。维持光信号的控制光，由于只有单向信号，不像萨格奈克干涉仪那样，存在双向信号，因此对于光纤中的走离、反向信号的XPM效应等都不敏感，易于控制，同时控制光不一定要使用与信号光同步的光脉冲，同样只要对整个帧进行控制即可。控制光对于维持和读出的控制，也可采用另一方案：上下两个环用机械调整的方法，固定调整为π弧度的相差，从而可以使信号一直在环中存储下去，不再需要控制光。当要读出时，再用控制光使其中一个环产生π弧度相差，从而读出。这种方法对于长延迟的随机存储器是很有用的。

四、附图说明

图1是本发明双坏耦合全光缓存器所采用的3×3光纤耦合器的示意图。

图2是本发明基于3×3光纤耦合器的双环耦合全光缓存器的原理图。

图3是由双环耦合全光缓存器制成的八比特并行信号的全光缓存器原理图。

五、具体实施方式

实施例1：

图2中，比照图1，可以看到，本发明的双环耦合全光缓存器是将3×3耦合器的两个侧臂以光纤材料相连接封闭为两个等长的光纤环，中间臂作为全光缓存器的输入、输出端口。在其中的一个光纤环中接入两个WDM，用以将控制光导入和导出。此处采用的3×3耦合器，在制作过程中使其符合下述矩阵：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]\left(z\right)=\left[\begin{array}{ccc}1/2& j\sqrt{2}/2& -1/2\\ j\sqrt{2}/2& 0& j\sqrt{2}/2\\ -1/2& j\sqrt{2}/2& 1/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]\left(0\right)$

如图2所示，缓存器的具体工作过程如下：

当输入光信号从2端输入时，根据上述矩阵，耦合后它被分成两路从1’和3’端分别进入两个光纤环，由于两个光纤环的长度相等，当不加控制光时，这两路光脉冲将同时反馈到输入端1和3，经过光耦合器干涉后，重新从2’端输出，只是延迟了一个环路周期。当要暂存光信号时，令加入WDM的光纤环(33’)中的光信号在控制光的作用下，利用交叉相位调制产生π弧度的相移，这样经过光耦合器干涉之后，光信号会重新分配到两个光纤环路之中而不从2’端输出。这样，只要控制光一直存在，则光脉冲将一直在两个环中交换，形成一个全光缓存器。当需要读出的时候，只要关闭控制光即可。本发明可以采用正逻辑的光平信号(即有光为逻辑“1”，无光为逻辑“0”)作为写入控制，采用负逻辑(即有光为“0”，无光为“1”)作为读出控制。本发明也可以采用负逻辑的光平信号(即有光为逻辑“0”，无光为逻辑“1”)作为写入控制，采用正逻辑(即有光为“1”，无光为“0”)作为读出控制。此处的控制光不一定要使用与信号光同步的光脉冲，同样只要对整个帧进行控制即可。

实施例2：

如图2所示，基于控制光对于维持和读出的控制方式不同，本发明的双环耦合全光缓存器也可采用另一方案：可采用其他的方法，使上下两个光纤环(11’和33’)的长度不同，使光信号在其中通过时产生固定的相差-π弧度(或其整数倍)，从而可以使信号一直在环中存储下去，不再需要控制光。当要读出时，再用控制光使其中一个环产生π弧度相差，从而读出。这种方法对于长延迟的随机存储器是很有用的。

实施例1和实施例2中，光子的存储采用的是光纤环路，随着光波导技术和制造技术的进一步发展，此光纤环路也可采用其他光波导材料制成；为了补偿光耦合器和光纤环内的功率损失，可以根据需要在两个光纤环中加入单向放大器，用以补偿光子在光纤环中的能量损失。这样，光纤环中的光子，可以存活很长的时间。当需要读出的时候，只要使控制光关闭(相当于加一个低光平有效的信号)即可。此处的单向放大器可采用掺铒光纤放大器、半导体光放大器或其他光放大器。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，可利用多个这样的全光缓存器(比如8个这样的缓存器)、在同一读写控制光信号的控制下可构成并行信号的全光缓存器。比如如图3所示，以8比特为一个并行字节的并行信号的全光缓存器。

Claims (7)

1.一种双环耦合全光缓存器，由一个3×3光纤耦合器、连接光纤或连接光波导、以及两个波分复用耦合器构成，其特征在于：采用平行排列的3×3光纤耦合器，将耦合器的两侧端口经过连接光纤反馈构成双环结构，以耦合器的中间端口作为缓存器的输入、输出端口，在一个光纤环上安装两个波分复用耦合器用以引入和导出控制光，利用交叉相位调制效应改变两个环上信号光的相位差，实现光信号在光纤环内的写入与读出。

2.根据权利要求1所述的双环耦合全光缓存器，其特征在于：把3×3光纤耦合器的两侧输出端口用光纤连接到对应的输入端口从而构成两个等长度的光纤环。

3.根据权利要求1或2所述的双环耦合全光缓存器，其特征在于：采用有光为逻辑“1”，无光为逻辑“0”正逻辑的光平信号作为写入控制，采用有光为“0”，无光为“1”负逻辑作为读出控制。

4.根据权利要求1或2所述的双环耦合全光缓存器，其特征在于：采用有光为逻辑“0”，无光为逻辑“1”负逻辑的光平信号作为写入控制，采用有光为“1”，无光为“0”正逻辑作为读出控制。

5.根据权利要求1所述的双环耦合全光缓存器，其特征在于：使用上下两个光纤环的长度不同，使光信号在其中通过时产生固定的相差-π弧度，从而使信号一直在环中存储下去，不再需要控制光，当要读出时，再用控制光使其中一个环产生π弧度相差，从而读出。

6.据权利要求1或2或5所述的双环耦合全光缓存器，其特征在于：当缓存时间较长时，根据需要在双光环中引入光放大器，用以补偿光子在光纤环中的能量损失。

7.根据权得要求1或2或5所述双环耦合全光缓存器，其特征在于：利用多个这样的缓存器、在同一读写控制光信号的控制下构成并行信号的全光缓存器。

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