CN1866809B

CN1866809B - 延迟时间与输出波长可调的光缓存器

Info

Publication number: CN1866809B
Application number: CN2006100279763A
Authority: CN
Inventors: 徐新余; 苏翼凯
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: CN1866809A

Abstract

一种光通信技术领域的延迟时间与输出波长可调的光缓存器，本发明中，2×1光耦合器的两个输入端口一个为光缓存器的输入口，与外界相连，另一个端口则与偏振控制器联接，2×1光耦合器的输出端与掺铒光纤放大器相连；掺铒光纤放大器输出端连接光滤波器的输入端，而光滤波器输出端则与光单边带调制器连接；射频信号源、偏置电压控制器、相移电压控制器分别与光单边带调制器相应的控制端口连接；而光单边带调制器输出端连接环行器的输入端；环行器的输出端与布拉格光纤光栅连接，而环行器的环回端口则与偏振控制器连接。本发明具有延迟时间与输出波长可调以及调节方便，功率损伤小的特点，可以满足高速光分组交换下光路由系统的性能要求。

Description

延迟时间与输出波长可调的光缓存器

技术领域

本发明涉及一种光通信技术领域的光缓存器，具体是一种延迟时间与输出波长可调的光缓存器。

技术背景

近年来随着Internet的迅速发展，数据业务呈快速增长趋势，这要求网络有足够的带宽可以利用，并且要求网络节点有足够高的数据吞吐量，而这些正是在WDM网中应用分组交换技术的优势所在。WDM光传送网具有优异的传输性能，为信息的传输提供了足够的带宽；而分组交换技术是快速交换数据的最佳选择。光分组交换技术将二者有机的结合，能极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，被认为是为下一代光网络的发展趋势之一。

全光缓存器是实现光分组交换的关键器件，光缓存性能的好坏直接影响着全光分组交换网的性能。目前光缓存按实现原理可分为3种：基于光纤的光缓存器，如光延迟线构成的存储阵列、光纤环构成的光存储器等；基于光栅实现的光缓存器，可实现不同波长在光纤光栅中不同的延迟时间；基于慢光实现的光缓存器，可实现对延迟时间的精密调节；基于波长变换的光纤环状光存储器，可实现对数据包单元的存储以及波长变换，并具有可升级，灵活性好的特点。

经对现有技术的文献检索发现，在美国专利，专利号为US6900920B2，专利名称为：“Variable semiconductor all-optical buffer using slow lightbased on electromagnetically induced transparency”(基于电场致透明原理的慢光实现可变的半导体全光缓存器)中，Connie J.等人提出了基于电场致透明原理的慢光实现了可变的半导体全光缓存器，这种光缓存适合于光缓存的精细调节，一般只能达到几个比特量级，对于某些路由系统要求的长延迟时间显然难以胜任；；而在IEEE Photonics Technology Letters 2002年(电子与电气工程师协会《光子技术快报》)第10期卷14的“Electrically tunabledelay line using an optical single-side-band modulator”(光单边带调制器实现电控可调延迟线)中，Tetsuya Kawanishi等人利用信号波长在布拉格光栅频带内反射的原理，提出了基于波长变换的光缓存，该光缓存结构较延迟线构成的光缓存简单，并能实现数据包的缓存以及波长变换功能，但其延迟时间的调节比较困难，而且输出波长固定，对某些不一需要输出波长变换的系统并不适用。

以上结果表明，目前已有的解决方案，不能完全满足光路由器对光数据包延迟时间与输出波长可调的性能要求，尤其是在基于存储-转发机制的光分组交换技术中要求能实现数据包延迟时间可调，以及在WDM高速传输系统中要求可调的输出波长。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提出一种延迟时间与输出波长可调的光缓存器。本发明可以实现数据包延迟时间任意可调，并且输出波长也是可调的，能满足全光分组交换下对数据包缓存和波长可调的要求，适用于全光分组交换中有缓存和波长调节需求的光路由系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括2×1光耦合器、掺铒光纤放大器、光滤波器、光单边带调制器、环行器、布拉格光纤光栅、偏振控制器、射频信号源、偏置电压控制器、相移电压控制器。2×1光耦合器的两个输入端口一个为光缓存器的输入口，与外界相连，另一个端口则与光缓存器内部的偏振控制器联接，2×1光耦合器输出端与掺铒光纤放大器相连；掺铒光纤放大器输出端连接光滤波器的输入端，而光滤波器输出端则与光单边带调制器连接；射频信号源、偏置电压控制器、相移电压控制器分别与光单边带调制器相应的控制端口连接；而光单边带调制器输出端连接环行器的输入端；环行器的输出端与布拉格光纤光栅连接，而环行器的环回端口则与偏振控制器连接，以使环回的光信号重新耦合至光缓存器的输入端。

本发明中，2×1光耦合器将外部输入光信号以及光缓存器内经布拉格光纤光栅反射并通过环行器环回的光信号耦合然后输入至掺铒光纤放大器。从耦合器输出的光信号先经掺铒光纤放大器放大后输至光滤波器，再由光滤波器抑制带外噪声后输入光单边带调制器。光单边带调制器通过偏置电压控制器和相移电压控制器的调节将输入光信号的波长往长波长或往短波长方向搬移，信号波长的搬移间隔由光单边带调制器射频输入端射频信号源的信号频率决定；波长变换后的光信号经由环行器到达布拉格光纤光栅，当光信号此时的波长落入布拉格光纤光栅的反射带宽内，光信号会被反射并经由环行器环回输入到偏振控制器，偏振控制器调节好信号的偏振态后将信号重新输入至光缓存器输入端的2×1耦合器。各个器件有序互连构成了基于波长变换的光纤环结构。

本发明中，调节相移电压控制器的输出可以使光缓存器输出延迟时间与波长可调的光信号：输出光信号波长在两个波长间可选，一个是输入光缓存器的光信号的初始波长，另一个是输入初始信号波长搬移出布拉格光纤光栅另一反射带宽边缘时的波长；当布拉格光纤光栅的反射带宽大于两倍的波长搬移间隔时，输出光信号利用该光缓存器既可得到任意奇数次的延迟圈数而保持输出波长与初始信号波长一样，也可得到任意的延迟圈数同时改变输出波长。在本发明的光缓存器中，布拉格光纤光栅的带宽大于两倍的波长变换间隔，以保证光信号在该光缓存器中能实现延迟时间与输出波长可调。

本发明中光信号在光缓存器中延迟1圈的时间周期应大于输入的光信号数据包的周期长度，从而使相移电压控制器输出的信号不要求与输入光单边带调制器的光信号保持严格同步，但要求在有光信号输入调制器的时间周期内保持电平不变。

本发明中相移电压控制器输出电压改变光单边带调制器内部两个马赫-曾德调制器输出光信号的相位差，从而决定光单边带调制器波长变换的方向，该值根据输入信号的延迟时间进行调整；相移电压控制器输出低电平，光单边带调制器波长变换往长波长方向；相移电压控制器输出高电平，光单边带调制器波长变换往短波长方向。

本发明中光单边带调制器内部由双马赫-曾德调制器组成，射频信号源输出的射频信号经过移相器加载到光单边带调制器的射频输入端，偏置电压控制器输出稳定电压提供给光单边带调制器内双马赫-曾德调制器的偏置电压；相移电压控制器输出高低电平提供给光单边带调制器以改变光单边带调制器波长变换的方向。

本发明利用光单边带调制器的波长变换特性以及布拉格光纤光栅的反射和投射特性，实现了延迟时间与输出波长可调的光信号缓存结构。只要调节相移电压控制器的输出就能控制该光缓存器的延迟时间和输出波长，调节方便；光缓存器使用的基本都是常用器件，容易实现；利用此光缓存器的延迟时间任意可调以及输出波长可调的特性，可以满足高速光分组交换下光路由系统对光存储的性能要求；同时引入掺铒光纤放大器和光滤波器对光缓存器中的光信号进行补偿，提高了光缓存器的抗噪声能力，使延迟后的输出光信号具有良好的信噪比。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图1中，2×1光耦合器1、掺铒光纤放大器2、光滤波器3、光单边带调制器4、环行器5、布拉格光纤光栅6、偏振控制器7、射频信号源8、偏置电压控制器9、相移电压控制器10、分路器11以及移相器12。

图2为光单边带调制器波长变换结构及相应输出光信号的波长变换示意图。

图2(a)为光单边带调制器波长变换结构：光单边带调制器4、射频信号源8、偏置电压控制器9、相移电压控制器10、分路器11以及移相器12；图2(b)为相移电压控制器输出高电平以及低电平时相应输出光信号的波长变换示意图。

图3为基于波长变换的光纤环的基本原理示意图以及相应的波长变换过程。

图3(a)为基于波长变换的光纤环的基本原理示意图；图3(b)为调节偏置电压控制器9和相移电压控制器10使得光单边带调制器4输出波长往短波长搬移时，光纤环相应的波长变换过程。

图4：为本发明延迟时间与输出波长可调的频谱示意图。

图4(a)(b)(c)所示分别为光信号在光缓存器中环行1圈、3圈以及2圈后的输出频谱示意图。(a)(b)中输出信号的波长与初始输入信号波长相同，而(c)中输出信号的波长与初始输入信号波长不同，相差3Δλ。

图5：不同延迟时间下相移电压控制器输出信号及相应光缓存器输出信号时域波形示意图。

图5(a)(b)(c)所示分别为信号在延迟1圈、3圈以及2圈下相移电压控制输出信号及信号时域输出波形示意图，光信号在光缓存器中延迟1圈的时间由光纤环的环行长度决定。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

在本实施例中，一种延迟时间与输出波长可调的光缓存器可以实现对输入数据包任意可调的延迟时间，并且输出波长也是可调的。

一种延迟时间与输出波长可调的光缓存器结构示意图如图1所示，包括2×1光耦合器1、掺铒光纤放大器2、光滤波器3、单边带调制器4、环行器5、布拉格光纤光栅6、偏振控制器7、射频信号源8、偏置电压控制器9、相移电压控制器10、分路器11以及移相器12。2×1光耦合器1能把输入光信号耦合到光缓存器中，也能把被布拉格光纤光栅6反射并经环行器5和偏振控制器7后的光信号重新耦合进光缓存中。掺铒光纤放大器2和光滤波器3能够放大耦合进光缓存器的光信号，同时补偿环回的光信号在光缓存器中的功率损失，抑制带外噪声的引入。偏置电压控制器9、相移电压控制器10控制单边带调制器4的三个偏置电压，使得调制器输出信号的波长往长波长或短波长方向搬移，固定好偏置电压控制器9后，相移电压控制器10的信号输出基本要与输入光单边带调制器4的光信号同步。射频信号源8输出信号频率需高于输入光缓存器的数据率，使得光信号频谱搬移距离高于输入光信号的带宽，同时要根据输入信号频率与布拉格光纤光栅的带宽边缘的间隔来选择调制器的射频输入。

在上述光缓存器中，2×1光耦合器1、掺铒光纤放大器2、光滤波器3、环行器5、布拉格光纤光栅6、偏振控制器7、偏置电压控制器9、相移电压控制器10、分路器11以及移相器12都是本领域中所熟知的。比如光滤波器3，滤波带宽为1.6nm；环行器5，布拉格光纤光栅6可以采用商用的产品；偏置电压控制器9可以采用Caltek稳压电源；相移电压控制器10可以是惠普的脉冲发生器；所以下面不再进一步描述。

本发明光缓存器中的波长变换结构可以有多种实现方案，下面给出其中一种。如图2所示，在本实施例中，波长变换结构由光单边带调制器4，射频信号源8，偏置电压控制器9，调制器相移电压控制器10，分路器11以及移相器12组成。偏置电压控制器9与光单边带调制器4内的双马赫-曾德调制器(见附图2(a))的偏置电压输入端口DC_A、DC_B连接；而相移电压控制器10与光单边带调制器4的偏置电压输入端DC_C连接，由DC_C控制下面马赫-曾德调制器输出光信号的相位偏移；射频信号源8通过分路器11和移相器12把相差90°的两路射频信号分别加载到双马赫-曾德调制器的射频输入端口RF_A、RF_B。相移电压控制器输出电压改变光单边带调制器内部两个马赫-曾德调制器输出光信号的相位差，从而决定单边带调制器波长变换的方向，该值根据输入信号的延迟时间进行调整；相移电压控制器输出低电平，单边带调制器波长变换往长波长方向；相移电压控制器输出高电平，单边带调制器波长变换往短波长方向。图2(b)示出了相移电压控制器10输出分别为高低电平时光信号的波长变换过程。

在该光缓存器中，波长变换结构结合耦合器1、环行器5、布拉格光纤光栅6、偏振控制器7构成了基于波长变换的光纤环，如图3(a)所示；当信号输入到该光纤环，其波长为λ₀，调节偏置电压控制器9和相移电压控制器10使得光单边带调制器4输出波长往短波长搬移，则输出光信号波长一直搬移并不断被布拉格光纤光栅6反射直到波长搬移出布拉格光纤光栅6的反射带宽外，如图3(b)所示。

在上述实现方法中，调节光单边带调制器的相移电压控制器可以输出不同延迟时间和输出波长可调的光信号：

图4所示是光缓存器输出的光谱示意图，分别为

波长输出为λ₀，延迟1圈，如图4(a)所示；

波长输出为λ₀，延迟3圈，如图4(b)所示；

波长输出为λ₀-3Δλ，延迟2圈，如图4(c)所示；

由图4可知，该光缓存器若输出波长为λ₀，则通过控制光单边带调制器相移电压控制器的输出可以使光信号在光缓存器中延迟任意奇数次的延迟时间。

在本实施例中，光缓存器所能实现的延迟时间取决于调制器相移电压控制器10的输出信号，输出信号与输入光缓存的数据包不一定保持严格同步，但长度必须大于数据包的长度。移相器需保持90°相移，使得输入到调制器内的双马赫-曾德调制器射频端的射频信号严格的90°相位差。经过射频信号源8、偏置电压控制器9、调制器相移电压控制器10、移相器12的精细调节，得到如图5所示的不同的延迟时间下的信号输出以及相应的调制器相移电压控制器的控制信号示意图：

数据包延迟1圈，相移电压控制器输出高电平的持续时间基本等于一个数据包周期的时间长度，如图5(a)所示；

数据包延迟3圈，相移电压控制器输出高电平的持续时间为一个数据包周期+一个光缓存器延迟周期的时间长度，如图5(b)所示；

数据包延迟2圈，相移电压控制器输出高电平的持续时间为一个数据包周期+两个光缓存器延迟周期的时间长度，如图5(c)所示。

在本实施例中所采用的系统参数为：射频信号源输出信号10Gb/s，掺铒光纤放大器增益20dBm，光滤波器的带宽为1.6nm，光纤环延迟一圈的时间约为320ns，调节偏振控制器和光单边带调制器的偏置电压可以使输出信号光信号功率损失最小。

本发明输入端由2×1光耦合器将外部输入数据与内部环行的数据耦合并输入至光缓存器中，采用光单边带调制器对输入数据进行波长变换，并利用布拉格光纤光栅的反射和投射特性以及环行器的环回功能，实现了基于波长变换的光纤环结构的光缓存器。同时掺铒光纤放大器和光滤波器的引入可以有效的补偿光信号在光缓存器中环行的功率损失，从而使该缓存器满足了光路由器对存储数据的信噪比要求。

Claims

1.一种延迟时间与输出波长可调的光缓存器，包括2×1光耦合器、掺铒光纤放大器、光滤波器、光单边带调制器、环行器、布拉格光纤光栅、偏振控制器、射频信号源、偏置电压控制器、相移电压控制器，其特征在于：2×1光耦合器的两个输入端口一个为光缓存器的输入口，与外界相连，另一个端口则与偏振控制器联接，2×1光耦合器的输出端与掺铒光纤放大器相连；掺铒光纤放大器输出端连接光滤波器的输入端，而光滤波器输出端则与光单边带调制器连接；射频信号源、偏置电压控制器、相移电压控制器分别与光单边带调制器相应的控制端口连接；而光单边带调制器输出端连接环行器的输入端；环行器的输出端与布拉格光纤光栅连接，而环行器的环回端口则与偏振控制器连接，以使环回的光信号重新耦合至光缓存器的输入端；射频信号源通过分路器和移相器把相差90°的两路射频信号分别加载到光单边带调制器的射频输入端口；

所述的布拉格光纤光栅的带宽大于两倍的波长变换间隔；

所述的射频信号源输出信号频率高于输入光信号的频率；

所述的移相器保持90°相移。

2.根据权利要求1所述的延迟时间与输出波长可调的光缓存器，其特征是：2×1光耦合器把输入光信号耦合到光缓存器中，或把被布拉格光纤光栅反射并经环行器和偏振控制器后的光信号重新耦合进光缓存中；从2×1耦合器输出的光信号先经掺铒光纤放大器放大后输至光滤波器，再由光滤波器抑制带外噪声后输入光单边带调制器，。

3.根据权利要求1所述的延迟时间与输出波长可调的光缓存器，其特征是：光单边带调制器通过偏置电压控制器和相移电压控制器的调节将输入光信号的波长往长波长或往短波长方向搬移，信号波长的搬移间隔由光单边带调制器射频输入端射频信号源的信号频率决定；波长变换后的光信号经由环行器到达布拉格光纤光栅，当光信号此时的波长落入布拉格光纤光栅的反射带宽内，光信号会被反射并经由环行器环回输入到偏振控制器，偏振控制器调节好信号的偏振态后将信号重新输入至光缓存器输入端的2×1耦合器。

4.根据权利要求1或者3所述的延迟时间与输出波长可调的光缓存器，其特征是：相移电压控制器输出电压改变光单边带调制器内部两个马赫-曾德调制器输出光信号的相位差，从而决定光单边带调制器输出信号波长变换的方向，该输出电压根据输入信号的延迟时间进行调整；相移电压控制器输出低电平，光单边带调制器输出信号波长变换往长波长方向；相移电压控制器输出高电平，光单边带调制器输出信号波长变换往短波长方向。

5.根据权利要求1或者2或者3所述的延迟时间与输出波长可调的光缓存器，其特征是：光单边带调制器内部由双马赫-曾德调制器组成，射频信号源通过分路器和移相器把相差90°的两路射频信号分别加载到双马赫-曾德调制器的射频输入端口，偏置电压控制器输出稳定电压提供给光单边带调制器内双马赫-曾德调制器的偏置电压；相移电压控制器输出高低电平提供给光单边带调制器以改变光单边带调制器波长变换的方向。