CN1710839B

CN1710839B - 一种改进光纤型全光缓存器性能的方法

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Publication number: CN1710839B
Application number: CN2005100118837A
Authority: CN
Inventors: 李亚捷; 吴重庆; 刘爱明
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: CN1710839A

Abstract

一种改进光纤型全光缓存器性能的方法。在光纤环路中增加一个或两个可调衰耗器；增加一个直流基座光，即向光纤环内的光放大器中引入功率范围是0dBm-15dBm的连续光，当放大后的信号离开放大器时此基座光由波分复用器导出光纤环，这个直流基座光可由另一直流光源产生，其波长与信号光和控制光的波长均不相同，并用一个波分复用器导入和导出光纤环；或者直接在控制缓存器读写的控制光脉冲上加上相同功率值的直流偏置使得其自身产生一个同波长的直流基座光；采用反相控制光脉冲。本发明的内容：加可调衰耗器，抑制光纤环的净增益使得环路不产生自激；加直流基座光抑制噪声和为加反相控制光做好准备；加反相控制光脉冲提高输出信号传输比。

Description

一种改进光纤型全光缓存器性能的方法

技术领域

本发明专利涉及一种改进光纤型全光缓存器性能的方法。属于光信息处理元件领域。

背景技术

全光缓存器不仅被缓存的是光信号，而且用于控制读写操作的也是光信号而不是电信号。它是光信息处理的基本元件，可广泛用于光纤通信、光信号(息)处理、光分组交换、全光路由器、光计算等领域。随着高速全光网的建设，全光网正从以波长为粒度的光传送网向以分组为粒度的光交换网过渡。光分组交换实质上是一种存储-转发技术，全光缓存器是实现光分组交换的关键器件，光存储器性能的好坏直接决定了全光分组交换网的性能。虽然在理论上提出了各种实现全光缓存的方案，如果按照存储体(介质)进行分类，主要有以下3种：以光纤为存储体的光纤型缓存器；以啁啾光栅为存储体的光栅型缓存器；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。但是，以光纤为存储体的全光缓存器是目前的主要形式。以光纤为存储体的全光缓存器目前尚处于实验室研究阶段，按其结构可以分成以下三类：第一类是基于“延迟线+光开关”的方案，第二类是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的方案，第三类是基于光纤环(Fiber Loop)的方案。基于光纤环和基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的全光缓存器方案能够实现对光信号的读写控制，存储时间可以根据用户的需要以环周期的整数倍进行实时控制，因此成为普遍采用的方案。它又可以分为单环和双环两种结构。单环结构的全光缓存器原理如图1，一个处于交叉连接的2x2光开关将光脉冲引入光纤环，然后光开关变为平行连接，使光纤环闭锁，光信号就一直在光纤环中循环。当需要读出的时候，重新使光开关处于交叉连接状态，打开光纤环，光信号就从环中输出。光开关常常使用非线性光环路镜(如图2)NOLM或TOAD，并以半导体放大器(SOA)作为产生非线性相移的元件。其工作原理是：当数据由输入端口进入耦合器并被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时针方向传输。当引入控制光后，这两束光将会产生π的相位差，当它们再次返回耦合器干涉的结果将会使数据由图中所示的输出端口输出，此时光开关处于透射状态(“开”态)。若没有控制光的作用，两束无相位差的光干涉后将会沿原输入端输出，光开关则处于反射状态(“关”态)。

双环全光缓存器的原理如图3，它利用一个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。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传输的两束光，其中一束光经过非线性元件时在写控制光P_wr的作用下产生π的相移。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，只需在Loop1对一束光再次产生的π的相位差。于是光脉冲就从耦合器的左侧中间端口读出。

通过式结构的基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的全光缓存器的原理如图4所示。在一段反射光纤的两端分别连接一个基于非线性光纤环路镜的光开关构成FP腔，采用SOA作为非线性元件。左右环中的SOA分别完成数据的写和读操作。当数据流输入到光开关1后，由于写控制光P_wr的存在此开关处于透射状态，则数据流经过一段反射光纤后进入光开关2。当没有读控制光P_re时，开关2处于反射状态。这样数据流就会在FP腔中来回运动亦即被缓存。当需要读出缓存数据时引入读控制光P_re，开关2将处于透射状态，数据将由图示的输出端口读出。图5所示的返回式缓存器结构和通过式结构不同的是数据的读写均使用同一个SOA且增加了环行器。当写入数据时，光开关1处于透射状态将数据引入FP腔，而光开关2则始终处于反射状态。当需要读出数据时在读控制光P_re的作用下使开关1变为反射状态，数据经环行器即被读出。

在上述几种结构的缓存器中，为了补偿光纤环中功率损耗或实现非线性相移，常常在光纤环中加入半导体放大器(SOA)或掺铒光纤放大器(EDFA)。光纤环中SOA或EDFA的加入不可避免地带来噪声，如自发辐射噪声、拍噪声等，甚至会引起环内的自激。因此，噪声成为以光纤为存储体的全光缓存器的主要问题之一。虽然可以通过使用噪声指数低的有源放大元件或在光纤环中加入窄带滤波器来降低这类以光纤作为存储体的全光缓存器的噪声水平，但这两种途径对缓存器的构成元件提出了更高要求，增加了它的成本。本发明提出了一种更为实用的、能有效抑制以光纤作为存储体的全光缓存器噪声的新方法。另一个重要问题是：当采用SOA作为产生非线性相移的元件时，不可避免的引入非线性交叉增益调制，从而引起顺时针和逆时针方向的信号光功率不平衡，将导致输出信号的传输比(经过缓存器输出和不经过缓存器输出的光功率比值)下降，限制缓存周期和减小缓存时间。这将进一步使得全光网络中下一个节点无法正确接收信号，增加了通信链路的误码率，大大降低了网络的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术之缺点，而提供一种改进光纤型全光缓存器性能的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

对于在缓存器中使用一个光纤环路包括非线性光环路镜NOLM环的全光缓存器，在光纤环路中增加一个可调衰耗器；对于使用双光纤环包括非线性光环路镜NOLM环的全光缓存器，在每个光纤环路中各增加一个可调衰耗器或者只在一个环路中增加一个可调衰耗器；并向光纤环内的光放大器引入一个直流基座光，它在信号光被放大后离开光放大器。

在光纤环路中增加一个(对单环结构缓存器)或两个(对双环结构缓存器)可调衰耗器；增加一个直流基座光，即向光纤环内的光放大器中引入功率范围是0dBm-15dBm(当直流光功率大于15dBm时，光放大器将工作于饱和放大区，继续增加直流光功率已无太大意义)的直流光，当放大后的信号离开放大器时此基座光也由波分复用器导出光纤环，这个直流基座光可由另一直流光源产生，其波长与信号光和控制光的波长均不相同，并用一个波分复用器导入和导出光纤环；或者直接在控制缓存器读写的控制光脉冲上加上同样功率值的直流偏置使得其自身产生一个同波长的直流基座光；采用反相控制光脉冲，在没有电控制信号到来的时候，加一个基座光，电控制信号的作用是使基座光功率降为零，这样就实现了控制光脉冲的反相调制。

(1)针对光纤环的自激问题，本发明提出一种改进光纤型全光缓存器性能的方法，它的使用能有效抑制自激现象。当光纤环中加入光放大器时，如果光纤环的闭环增益(即光放大器的增益和环路中其它元件的损耗抵消后的净增益)大于1，那么光纤环就会出现自激现象，这时的缓存器就相当于一个光纤激光器。此时存储信号质量严重劣化。因此，消除光纤环自激的基本条件是要使光纤环的闭环增益小于1。为此，本发明提出在光纤环路中增加一个(对单环结构缓存器)或两个(对双环结构缓存器)可调衰耗器，作为增益调节元件实时调节其损耗值来抵消光放大器的增益，从而使得光纤闭环的增益等于或小于1，这样就能有效的抑制自激现象的发生。

(2)在自激被有效抑制后，由于光信号每在环路中循环一周，就会引入一次新的噪声，如放大后信号的散粒噪声、光放大器的自发辐射噪声(ASE)等。总的噪声随着存储时间(缓存的圈数)增加而累积，从而使得信号通过缓存器后信噪比下降。光放大器的理论分析和实验结果都得出：随着进入SOA或者EDFA中平均光功率的增加，光放大器将会工作于饱和区，增益下降。而噪声的功率谱密度是正比于增益的，当增益下降到1时，几乎不会引入新的噪声。根据此理论本发明提出一种通过加一个直流基座光来抑制这种光缓存器噪声累积的方法。具体做法是向光纤环内的光放大器中引入功率范围是0dBm-15dBm(当直流光功率大于15dBm时，光放大器将工作于饱和放大区，继续增加直流光功率已无太大意义)的直流光，当放大器放大信号的时候在信号光的基础上增加了放大器的输入功率，以此来降低其增益值，从而避免引入新的噪声。当放大后的信号离开放大器时此基座光由波分复用器导出光纤环。这个基座光可由另一直流光源产生，其波长与信号光和控制光的波长均不相同，并用一个波分复用器导入和导出光纤环(图6a)；或者直接在控制缓存器读写的控制光脉冲上加上相同功率值的直流偏置使得其自身产生一个同波长的直流基座光(图6b)，以此来提高进入光放大器的光功率从而达到降低放大器增益、抑制噪声的目的。

(3)针对采用SOA作为非线性元件所引起的非线性交叉增益调制，从而导致输出信号传输比下降的问题，本发明提出采用反相控制脉冲的新方案，参见图7。本发明简单易行，效果明显。

以SOA作为非线性元件的全光缓存器是利用控制光和信号光在SOA中产生的交叉相位调制(XPM)这种非线性现象使顺时针传输和逆时针传输的两束信号光间的相位差达到π从而完成光信息的“写入”和“读出”。但在非线性元件SOA中，交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)并存。两者的关系可用下式描述：

其中

为相移，G为增益，α为线宽增强因子，但二者差一个负号，这是传输比下降的根本原因。因此，如果将传统使用的正相控制光脉冲反相调制，上述的关系式将变为：

这样传输比不仅不下降，反而会增加，关键是如何产生一个反相调制的控制光脉冲。结合上面提出的通过降低光放大器增益来抑制噪声而加直流基座光的方法，在没有电控制信号到来的时候，加一个基座光，电控制信号的作用是使基座光功率降为零，这样就实现了控制光脉冲的反相调制。控制光反相后产生的过大增益，可用前面的可变衰耗器来平衡以避免自激。

本发明在环内采取了3个措施：加可调衰耗器，抑制光纤环的净增益使得环路不产生自激；加直流基座光抑制噪声和为加反相控制光做好准备；加反相控制光脉冲提高传输比。采用这3个措施后，缓存器的性能大大提高。信噪比的增加幅度和所加直流基座光的功率是成比例的，当加0dBm的直流基座光时，信噪可提高3dB.采用反相控制光脉冲后，传输比由原来的0.35提高到了4.26。

附图说明

图1是以光纤为存储体的单环全光缓存器原理图。

图2是采用SOA作为非线性元件的基于非线性光纤环路镜的光开关原理图。

图3是双环全光缓存器原理图。

图4是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的全光缓存器(通过式结构)的原理图。

图5是基于“反射光纤(FP腔)+光开关”的全光缓存器(返回式结构)的原理图。

图6是一种抑制以光纤为存储体的全光缓存器噪声的方法示意图。

图7是提高以光纤为存储体的全光缓存器输出信号传输比的方法示意图。

图8改进以光纤为存储体的单环全光缓存器噪声性能实施方案。

图9改进以光纤为存储体的单环全光缓存器的开关性能实施方案。

图10本发明中反相控制光脉冲+直流基座光的产生。

图11双环全光缓存器实施方案。

图12反射光纤(FP腔)+光开关的缓存器(通过式)实施方案。

图13反射光纤(FP腔)+光开关的缓存器(返回式)实施方案。

具体实施方式

实施例1：

对于图1所示的单环全光缓存器，具体的实施方案见图8和图9。图8是抑制自激和光纤环内噪声的实施方案。首先在光纤环内引入一个可调衰耗器VOA，根据放大器的增益变化实时调节环内光功率，从而保证在缓存器工作的整个过程中光纤环内的净增益为1，这样就可有效避免自激现象的产生。为达到抑制噪声的目的，通过放置于放大器两侧的波分复用器引入和引出功率是15dBm(当直流光功率大于15dBm时，光放大器将工作于饱和放大区，继续增加直流光功率已无太大意义)的直流光作为基座光使用，此直流光由另外的可调谐光源产生且其波长和信号光、控制光互异。此基座光和被放大的信号光一起进入光放大器，当放大后的信号光离开放大器时该基座光也由波分复用器导出光纤环。此发明方法的目的是当放大器放大信号的时候在信号光的基础上增加放大器的输入功率来降低其增益值，这样就可有效的抑制噪声。图9是改进这种缓存器所使用得光开关性能的实施方案。将传统中使用的正相控制光脉冲按照发明内容中所述的反相调制方法反相调制后变为图7示例中的格式后，加到用于读写控制的光开关控制光导入处。此法显著提高了输出信号的传输比。此发明简单易行，效果明显。

可调衰耗器是现有的技术部件，使用的是招金光电子科技有限公司生产的“电可调衰耗器”。波分复用器也是现有的技术部件，我们使用的是三一光电子有限公司的产品。直流基座光：即用一个光源产生一个具有一定幅度(或是功率)的直流光，使用的是可调谐激光器产生的直流光。

实施例2；

对于图3所述的双环全光缓存器，具体实施方案见图10。图10展示了在双环中为了避免自激而分别放置一个可调衰耗器的实例，根据放大器的增益变化实时调节环内光功率，从而保证在缓存器工作的整个过程中光纤环内的净增益为1，这样就可有效避免自激现象的产生。将传统中使用的正相控制光脉冲按照发明内容中所述的反相调制方法反相调制为图7示例中的格式，用于提高缓存器输出信号的传输比。用于抑制噪声、功率为5dBm的直流基座光通过在控制光脉冲上增加等功率的直流偏置产生，其波长和控制光相同，和控制光一起引入到光纤环中，以同时达到抑制噪声和提高输出信号传输比的目的。

可调衰耗器是现有的技术部件，使用的是嘉慧光电子技术有限公司生产的“电可调衰耗器”。波分复用器也是现有的技术部件，使用的是武汉光讯科技有限责任公司的产品。直流基座光：即用一个光源产生一个具有一定幅度(或是功率)的直流光，使用的是可调谐激光器产生的直流光。

实施例3：

对“反射光纤(FP腔)+光开关”(通过式)的这类全光缓存器，具体实施方案见图11和图12。这类通过式全光缓存器，数据的“写入”和“读出”逻辑操作分别由左右环中的SOA完成。图11是用于产生抑制噪声和提高传输比的反相控制光脉冲的原理图。图中功率是12dBm的直流基座光由另外的可调谐光源产生且其波长和信号光、控制光互异，用于抑制噪声；将传统中使用的正相控制光脉冲按照发明内容中所述的反相调制方法反相调制为图7示例中的格式，用于提高缓存器输出信号的传输比。两者先使用一个波长适配的波分复用器合路(见图11)，然后可由另一个波长适配的波分复用器共同引入到全光缓存器的控制光输入处，以同时达到抑制噪声和提高输出信号传输比的目的。为抑制自激现象的产生，在环中各放置了一个可调衰耗器，放置的具体位置如图中所示。根据放大器的增益变化实时调节环内光功率，从而保证在缓存器工作的整个过程中光纤环内的净增益为1，这样就可有效避免自激现象的发生。

可调衰耗器是现有的技术部件，是武汉东隆光电科技工程有限公司生产的“电可调衰耗器”。波分复用器也是现有的技术部件，使用的是光库通讯有限公司的产品。直流基座光：即用一个光源产生一个具有一定幅度(或是功率)的直流光，使用的是可调谐激光器产生的直流光。

实施例4：

对“反射光纤(FP腔)+光开关”(通过式)的这类全光缓存器，具体实施方案见图13。它和通过式的区别在于数据的“写入”和“读出”逻辑操作均由同一个SOA完成，右侧的光纤环中没有SOA，光开关2始终处于反射(“关”)态。故用于抑制自激的可调衰耗器放置在了左面的光纤环中。用于抑制噪声的、功率是0dBm的直流基座光由另外的光源产生，直流基座光的波长和控制读写的控制光、信号光波长均不同，基座光和反相调制后的控制光通过一个波分复用器采用图11所示的方法合路后共同引入到光纤环中，以同时达到抑制噪声和提高输出信号传输比的目的。

Claims

1.一种改进光纤环路型全光缓存器性能的方法，其特征在于：对于在缓存器中使用一个光纤环路包括非线性光环路镜NOLM环的全光缓存器，在光纤环路中增加一个可调衰耗器；对于使用双光纤环包括非线性光环路镜NOLM环的全光缓存器，在每个光纤环路中各增加一个可调衰耗器或者只在一个环路中增加一个可调衰耗器；并向光纤环内的光放大器引入一个直流基座光，它在信号光被放大后离开光放大器。

2.根据权利要求1所述的一种改进光纤环路型全光缓存器性能的方法，其特征在于：直流基座光直接由控制光的光源通过改变其直流偏置电流的方法产生；直流基座光与控制光呈反相关系：即在不需要读写的时候光源的偏置电流较大，从而输出的光功率值也较大；在需要读写的时候使驱动光源的电流减小，从而输出的光功率变小。

3.根据权利要求1所述的一种改进光纤环路型全光缓存器性能的方法，其特征在于：直流基座光由另外一个与控制光不同波长的光源产生，并用两个波分复用器分别导入和导出光放大器；直流基座光与控制光呈反相关系：即在不需要读写的时候一直都有直流基座光与控制光，总功率值较大；在需要读写的时候控制光变小，从而使导入到光放大器的总功率变小。