專利名稱：多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地講是一種多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器， 即對(duì)多波長(zhǎng)的波分復(fù)用信號(hào)進(jìn)行并行緩存的光緩存器。
技術(shù)背景隨著高速全光網(wǎng)的發(fā)展，波長(zhǎng)交換的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，全光網(wǎng)正從以波長(zhǎng)為交 換粒度的光波長(zhǎng)交換網(wǎng)向以包為粒度的光分組交換網(wǎng)過(guò)渡，光分組交換將成為 全光網(wǎng)的重要方向之一。全光分組交換實(shí)質(zhì)是一種存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，因此如何在 光域中完成光數(shù)據(jù)分組的存儲(chǔ)成為全光分組交換的技術(shù)關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的容 量、吞吐量、丟包率等特性均取決于存儲(chǔ)器性能的優(yōu)劣。目前已經(jīng)提出了多種全光緩存器的方案，如果按照存儲(chǔ)體(介質(zhì))進(jìn)行分類，主要有以下3種基于電誘導(dǎo)透明(EIT)原理的以半導(dǎo)體量子點(diǎn)、原子氣 和固態(tài)材料為存儲(chǔ)體的慢光緩存器；以啁啾光柵為存儲(chǔ)體的光柵型緩存器；以 光纖為存儲(chǔ)體的光纖環(huán)路型緩存器。雖然EIT介質(zhì)具有長(zhǎng)的緩存時(shí)間以及可以 調(diào)節(jié)的延時(shí)特性，但是它昂貴的成本、特定波長(zhǎng)的限制以及還沒(méi)有進(jìn)行讀寫控 制實(shí)驗(yàn)，許多問(wèn)題尚未暴露。目前處于對(duì)光速減慢的探索階段，離適用于高速 數(shù)據(jù)緩存的實(shí)際緩存器相距甚遠(yuǎn)。至于光柵，由于帶寬很窄不能在高速率下使 用，沒(méi)有實(shí)際意義。而當(dāng)前比較實(shí)際的還是基于光纖型的光緩存器。前兩種緩存器都是基于對(duì)群速度進(jìn)行控制，而光纖型緩存器是基于對(duì)緩存 長(zhǎng)度進(jìn)行控制的，目前以光纖為存儲(chǔ)體的全光緩存器按結(jié)構(gòu)分為以下三類第一類是基于"延遲線+光開關(guān)"的方案(如圖1)， 一個(gè)基本的設(shè)計(jì)包含一個(gè)
2X2光開關(guān)和一組不同延遲時(shí)間的光纖。利用光纖的延遲特性配合光開關(guān)來(lái)調(diào) 節(jié)延遲時(shí)間，就構(gòu)成了"交換延遲線"。第二類是基于"反射光纖(FP腔)+光開關(guān)"的方案(如圖2)。基本思想是 在一根光纖的兩端，分別加一個(gè)透過(guò)率(反射率)可調(diào)的鏡片M1和M2。當(dāng)需 要把光信號(hào)引入時(shí)，可將M1調(diào)整到透光狀態(tài)，待光信號(hào)進(jìn)入光纖后，Ml立刻 轉(zhuǎn)換為全反射狀態(tài)，M2此時(shí)也是全反射狀態(tài)，于是光信號(hào)就在由兩個(gè)全反射鏡 組成的FP腔中來(lái)回運(yùn)動(dòng)，被存儲(chǔ)于光纖中。當(dāng)需要讀出的時(shí)候，只需將M2改 成透光狀態(tài)即可。原則上，光子可以在FP腔中存活相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。常見(jiàn)的改變 透過(guò)率的方法有非線性環(huán)路鏡NOLM, T比特非對(duì)稱解復(fù)用器TOAD或非線性光 纖薩格奈克干涉儀NFSI (Nonlinear Fiber Sagnec Interferometer )等光開關(guān)。目 前，可以將32bit的1Gb/s的信號(hào)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)lms以上。第三類是基于光纖環(huán)(Fiber Loop)的方案， 一個(gè)基本的設(shè)計(jì)包含一個(gè)2X2 光開關(guān)和一個(gè)光纖環(huán)路，存儲(chǔ)時(shí)間是光信號(hào)在環(huán)內(nèi)延遲時(shí)間的整數(shù)倍。帶有功 率補(bǔ)償?shù)墓饫w環(huán)，如果不考慮噪聲的積累，理論上光子可在其中存活很長(zhǎng)的時(shí) 間。關(guān)鍵是如何將光子引入(寫操作)和將光子輸出(讀操作)。在具體實(shí)現(xiàn)寫 入與讀出方式上包括a.采用光耦合器輸入、光耦合器輸出(如圖3); b.采用 光耦合器輸入、光開關(guān)輸出(如圖4); c.采用光耦合器輸入、采用解復(fù)用器輸 出；d.采用光纖環(huán)+TOAD光開關(guān)等。這種設(shè)計(jì)的基本困難是存儲(chǔ)時(shí)間只能是固 定的或者是環(huán)時(shí)間的整數(shù)倍。目前經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，雙環(huán)耦合全光緩存器、全光交換網(wǎng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)多粒度 光緩存器和延遲時(shí)間與輸出波長(zhǎng)可調(diào)的光緩存器都沒(méi)有涉及到多波長(zhǎng)光信號(hào)的 并行緩存問(wèn)題，而密集波分復(fù)用技術(shù)DWDM已經(jīng)在目前的通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng) 用，所以緩存器也必須適應(yīng)這種需求。盡管光纖是一種廣譜器件，多波長(zhǎng)應(yīng)用 沒(méi)有問(wèn)題，但是在上述光緩存器中都必須使用快速的光開關(guān)，這種光開關(guān)或者
是基于SOA的，或者是使用高非線性光纖(包括光子晶體光纖)的。這些器件 存在嚴(yán)重的交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等不同波長(zhǎng)光的相互作用， 而且這種作用的強(qiáng)度是隨機(jī)且不可控制的。比如當(dāng)使用8波長(zhǎng)時(shí)，8個(gè)波長(zhǎng)都是 'T'碼與只有1個(gè)波長(zhǎng)是"1"碼其余是"0"碼相比，總功率相差達(dá)到8倍。這種合 成信號(hào)的總功率大范圍變化的現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，因此，必須很好 的解決多波長(zhǎng)緩存時(shí)的功率均衡問(wèn)題，這就是本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器。該緩存器是針對(duì) 密集波分復(fù)用DWDM信號(hào)并行緩存的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，采用功率均衡一并行緩存 一解復(fù)用一功率均衡一重新復(fù)用的多波長(zhǎng)并行存儲(chǔ)技術(shù)，可以保持多波長(zhǎng)信號(hào) 的同步緩存。本發(fā)明的技術(shù)方案是多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器是由一個(gè)具有增益飽和特性的輸入功率均衡 器、 一個(gè)光緩存單元、 一個(gè)1XN波分復(fù)用解復(fù)用器、具有增益飽和特性的輸出 功率均衡器組以及一個(gè)NX1波分復(fù)用器組成輸入功率均衡器具有單輸入端和單輸出端，其輸入端與外界相連，輸出端 與緩存單元的輸入端相連。緩存單元具有一個(gè)信號(hào)光輸入端、 一個(gè)輸出端以及讀寫控制信號(hào)的控制端， 信號(hào)光輸出端與解復(fù)用器相連，控制端與外界相連。解復(fù)用器具有一個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口，每個(gè)輸出端口只輸出一個(gè)波 長(zhǎng)的信號(hào)，每個(gè)輸出端口都配接一個(gè)輸出功率均衡器，輸出功率均衡器的輸出 端與波分復(fù)用器的輸入端相連。波分復(fù)用器是有N個(gè)輸入端和單輸出端的器件，多個(gè)單波長(zhǎng)的信號(hào)在這里
合成為一個(gè)多波長(zhǎng)信號(hào)，與外界相連。1 XN解復(fù)用器和NX 1波分復(fù)用器使用陣列波導(dǎo)光柵AWG。功率均衡器是一個(gè)具有增益飽和的器件，當(dāng)輸入光纖將總功率波動(dòng)很大的 多波長(zhǎng)信號(hào)引入該器件后，在輸出端輸出一個(gè)總功率基本穩(wěn)定的多波長(zhǎng)信號(hào)。 這個(gè)總功率基本穩(wěn)定的多波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入緩存單元進(jìn)行緩存，緩存單元將多波長(zhǎng) 信號(hào)緩存一段時(shí)間之后讀出，進(jìn)入解復(fù)用器。由于在緩存器中總功率基本穩(wěn)定， 就不能保證每個(gè)波長(zhǎng)的功率基本穩(wěn)定，所以解復(fù)用后的單個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入功率 均衡器組，使得每個(gè)波長(zhǎng)的功率達(dá)到基本穩(wěn)定，然后進(jìn)入波分復(fù)用器重新合成 為多波長(zhǎng)的信號(hào)(這時(shí)的總功率還是變動(dòng)的)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用一個(gè)緩存單元就可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的緩存，可以保證 同步緩存，而且可以有效克服多波長(zhǎng)信號(hào)之間的交叉調(diào)制，提高信噪比，具有 良好的緩存性能。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于多波長(zhǎng)信號(hào)緩存時(shí)間的環(huán)周期倍數(shù)的任 意可調(diào)，并可通過(guò)光的寫信號(hào)和讀信號(hào)控制寫入與讀出的時(shí)刻。由于讀出時(shí)刻 可在信號(hào)存入之后根據(jù)需要進(jìn)行，因此可以實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)而不需要在緩存前事 先設(shè)定，具有很大的靈活性，是真正意義的全光緩存器，適用于全光路由器或 者全光交換機(jī)使用。


圖1是基于"延遲線+光開關(guān)"的全光緩存器原理圖。 圖2是基于"反射光纖(FP腔)+光開關(guān)"的全光緩存器原理圖。 圖3是采用"光耦合器輸入、光耦合器輸出"的全光緩存器原理圖。 圖4是采用"光耦合器輸入、光開關(guān)輸出"的全光緩存器原理圖。' 圖5是雙環(huán)耦合全光緩存器(通過(guò)式)原理圖。 圖6是雙環(huán)耦合全光緩存器(返回式)原理圖。
圖7為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為功率均衡器的輸入輸出特性以及功率均衡的原理圖。圖8 (a)為功率均衡器的輸入輸出特性。它具有增益飽和的特點(diǎn)。圖8 (b)為功率均衡原理圖。當(dāng)輸入光的功率在較大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出光的功率變化不大。圖9為從緩存器讀出的光信號(hào)示意圖。它是對(duì)圖1的輸入信號(hào)進(jìn)行了一段時(shí)間的延遲r。延遲的時(shí)間由緩存單元的控制信號(hào)所決定。 圖IO為解復(fù)用器解復(fù)用后的不同波長(zhǎng)輸出信號(hào)。可以看出單個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)由于受到交叉增益調(diào)制的影響，而幅度不穩(wěn)定。 圖ll是經(jīng)過(guò)功率均衡器組的輸出信號(hào)圖。這時(shí)每個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)幅度基本一致。 圖12是經(jīng)過(guò)復(fù)用器合成的多波長(zhǎng)信號(hào)的波形圖?；旧媳３至溯斎胄盘?hào)的原貌，但延遲了一段時(shí)間。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明緩存器結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括一個(gè)輸入功率均衡器l, 一個(gè)光緩存單元2， 一個(gè)波分復(fù)用的解復(fù)用器3，輸出功率均衡器4組，以及一個(gè)波分復(fù)用器5。輸 入功率均衡器1是一個(gè)具有增益飽和的器件，當(dāng)輸入光纖將總功率波動(dòng)很大的 多波長(zhǎng)信號(hào)引入該器件后，在輸出端輸出一個(gè)總功率基本穩(wěn)定的多波長(zhǎng)信號(hào)。 這個(gè)總功率基本穩(wěn)定的多波長(zhǎng)信號(hào)在進(jìn)入緩存單元2進(jìn)行緩存，緩存單元將多 波長(zhǎng)信號(hào)緩存一段時(shí)間之后讀出，進(jìn)入解復(fù)用器3。由于在緩存器中總功率基本 穩(wěn)定，就不能保證每個(gè)波長(zhǎng)的功率基本穩(wěn)定，所以解復(fù)用后的單個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn) 入功率均衡器組4，使得每個(gè)波長(zhǎng)的功率達(dá)到基本穩(wěn)定，然后進(jìn)入復(fù)用器5重新 合成為多波長(zhǎng)的信號(hào)(這時(shí)的總功率是變動(dòng)的)。在上述緩存器中，波分復(fù)用器 5與解復(fù)用器3可以采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，比如其波道間隔為100GHz的AWG等。
本發(fā)明的緩存器中，功率均衡器與緩存單元可以有多種組合方案，下面給 出幾種實(shí)施例1:功率均衡器1與功率均衡器4組(它們釆用同種器件構(gòu)成)為半導(dǎo)體光放大器SOA，有明顯的增益飽和特性。緩存單元3使用發(fā)明者的專利產(chǎn)品"雙環(huán)耦 合全光緩存器"(專利號(hào)ZL 02 1 53429.2， 2002)。雙環(huán)耦合全光緩存器，如圖5、圖6所示，它不僅存儲(chǔ)的是光信號(hào)，而且讀 寫操作也是由另一光信號(hào)的控制。這種緩存器利用一個(gè)3x3光纖耦合器的兩側(cè) 端口經(jīng)過(guò)光纖反饋構(gòu)成雙環(huán)結(jié)構(gòu)，以中間端口作為緩存器的輸入、輸出端口。 它有兩種結(jié)構(gòu)通過(guò)式和返回式。通過(guò)式結(jié)構(gòu)如圖5所示，以3x3光纖耦合器 的兩側(cè)中間端口分別作為輸入端和輸出端，在每個(gè)光纖環(huán)都有一個(gè)SOA，并通 過(guò)WDM光纖耦合器引入和導(dǎo)出控制光。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)流從耦合器的左側(cè)中間端 口輸入時(shí)，平行排列的3x3耦合器將把光分配到右側(cè)的環(huán)Loopl中，形成順時(shí) 針和逆時(shí)針的兩束光，這兩束光光經(jīng)過(guò)SOAl時(shí)在寫控制光P胃的作用下產(chǎn)生;r 的相移差。當(dāng)這兩束光返回到3x3耦合器時(shí)，由于存在了;r的相位差，干涉的結(jié) 果將進(jìn)入右側(cè)的環(huán)Loop2。如果Loop2不引入控制光，二者始終保持著;r的相位 差，于是光信號(hào)始終存在于兩個(gè)環(huán)之中。這就是存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)需要讀出的時(shí)候， 只需利用Loop2的SOA2使兩束光再次產(chǎn)生的;r的相位差，于是光脈沖就從耦合 器的右側(cè)中間端口讀出。返回式結(jié)構(gòu)與通過(guò)式結(jié)構(gòu)的區(qū)別是省去一個(gè)SOA2，而 增加一個(gè)光環(huán)形器，如圖6。實(shí)施例2:功率均衡器1與功率均衡器4組(它們采用同種器件構(gòu)成)為摻餌光纖放 大器，它有明顯的增益飽和特性。緩存單元3使用"反射光纖(FP腔)+光開關(guān)"
的緩存單元，這種緩存器兩端的光開關(guān)，使用非線性環(huán)路鏡NOLM，或者使用 T比特非對(duì)稱解復(fù)用器TOAD，或者使用非線性光纖薩格奈克干涉儀 NFSI (Nonl inear Fiber Sagnec Interferometer ) 等光開關(guān)。 實(shí)施例3:功率均衡器1與功率均衡器4組(它們采用同種器件構(gòu)成)為光纖拉曼放 大器，它有明顯的增益飽和特性。緩存單元3使用"光纖環(huán)+光開關(guān)"的緩存單元。
權(quán)利要求
1.一種多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于它由一個(gè)具有增益飽和特性的輸入功率均衡器(1)、一個(gè)光緩存單元(2)、一個(gè)1×N波分復(fù)用解復(fù)用器(3)、具有增益飽和特性的輸出功率均衡器(4)組以及一個(gè)N×1波分復(fù)用器(5)組成輸入功率均衡器(1)具有單輸入端和單輸出端，其輸入端與外界相連，輸出端與緩存單元的輸入端相連；緩存單元(2)具有一個(gè)信號(hào)光輸入端、一個(gè)輸出端以及讀寫控制信號(hào)的控制端，信號(hào)光輸出端與解復(fù)用器相連，控制端與外界相連；解復(fù)用器(3)具有一個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口，每個(gè)輸出端口只輸出一個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)，每個(gè)輸出端口都配接一個(gè)輸出功率均衡器(4)，輸出功率均衡器(4)的輸出端與波分復(fù)用器的輸入端相連；波分復(fù)用器(5)是有N個(gè)輸入端和單輸出端的器件，多個(gè)單波長(zhǎng)的信號(hào)在這里合成為一個(gè)多波長(zhǎng)信號(hào)，與外界相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其輸 入功率均衡器(1)與輸出功率均衡器(4)組是半導(dǎo)體光放大器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其輸 入功率均衡器(1)與輸出功率均衡器(4)組是摻鉺光纖放大器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其輸 入功率均衡器(1)與輸出功率均衡器(4)組是拉曼光纖放大器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其緩 存單元(2)使用雙環(huán)耦合全光緩存器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其緩 存單元(2)使用"反射光纖(FP腔)+光開關(guān)"的緩存器，其中光開關(guān)為非線 性環(huán)路鏡N0LM、T比特非對(duì)稱解復(fù)用器TOAD和非線性光纖薩格奈克千涉儀NFSI 光開關(guān)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于其緩 存單元(2)使用"光纖環(huán)+光開關(guān)"的緩存器，其中光開關(guān)為半導(dǎo)體光放大器 光開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，其特征在于1X!H 解復(fù)用器(3)和NX1波分復(fù)用器(5)使用陣列波導(dǎo)光柵AWG。
全文摘要
一種多波長(zhǎng)并行緩存全光緩存器，針對(duì)密集波分復(fù)用信號(hào)并行緩存的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，由輸入功率均衡器、光緩存單元、波分復(fù)用解復(fù)用器、輸出功率均衡器組以及波分復(fù)用器組成，采用功率均衡—并行緩存—解復(fù)用—功率均衡—重新復(fù)用的多波長(zhǎng)并行存儲(chǔ)技術(shù)，可以保持多波長(zhǎng)信號(hào)的同步緩存，有效克服多波長(zhǎng)信號(hào)之間的交叉調(diào)制，提高信噪比，具有良好的緩存性能。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)于多波長(zhǎng)信號(hào)緩存時(shí)間的環(huán)周期倍數(shù)的任意可調(diào)，并可通過(guò)光的寫信號(hào)和讀信號(hào)控制寫入與讀出的時(shí)刻。由于讀出時(shí)刻可在信號(hào)存入之后根據(jù)需要進(jìn)行，因此可以實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)而不需要在緩存前事先設(shè)定，具有很大的靈活性，是真正意義的全光緩存器，適用于全光路由器或者全光交換機(jī)使用。
文檔編號(hào)H04L12/56GK101127570SQ200710120850
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者吳重慶, 鵬 彭, 田昌勇 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)