基于波導(dǎo)陣列的全光緩存器的設(shè)計

張 麗，孫慧萍,韓丙辰*

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同037009)

基于波導(dǎo)陣列的全光緩存器的設(shè)計

張 麗，孫慧萍,韓丙辰*

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同037009)

概述了現(xiàn)有主要的全光緩存器的種類、技術(shù)方法，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于波導(dǎo)陣列與光纖光柵的全光緩存器。該系統(tǒng)具有低成本、集成度高等優(yōu)點。同時，給出了對于不同條件下信號處理的分析以及相應(yīng)的控制策略。對不同波長的信號緩存與多個信號的緩存工作機(jī)理及邏輯關(guān)系給出了分析與討論，佐證了系統(tǒng)構(gòu)思的可行性。

全光緩存器；波導(dǎo)陣列；光纖光柵

現(xiàn)在的人們對高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)需求日益增長，人們想通過構(gòu)建全網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到這一需求。真正的IP?over WDM全光網(wǎng)絡(luò)仍處于不成熟的狀態(tài)[1]。現(xiàn)在交換的物理層以及數(shù)據(jù)層之所以抑制了交換能力的上升，是因為還是在基礎(chǔ)電域上。為了實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)還是有很多問題沒有得到解決。例如，光子芯片和邏輯光器材等，然而這些處于實驗階段的技術(shù)并不完美，所以未來的全光網(wǎng)絡(luò)里，光交換是最為重要的。不但是因為它具有帶寬能力，交換能力還有其他方面的優(yōu)勢，而是因為從長遠(yuǎn)的發(fā)展方向來看更加偏向于光交換的發(fā)展。光交換的實質(zhì)就是儲存和轉(zhuǎn)發(fā)，解決光信號端口爭用丟包等光交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題就是在光域中完成信號的緩存。對節(jié)點設(shè)備關(guān)于全光網(wǎng)絡(luò)，存取速度、光緩存器的容量之類的特性的優(yōu)劣是全光交換網(wǎng)的性能基礎(chǔ)。所以說不僅是全光包交換的重要部位，還是現(xiàn)在的研究的熱門都是——全光緩存器。

1 全光緩存器的現(xiàn)狀

光緩存器是光電變換的存儲器件，對于目前的光緩存器是沒有必要進(jìn)行的。正如圖1表示的，數(shù)據(jù)輸出輸入流是一致的，而且具有緩存一段時間的能力。并且緩存器的寫入以及讀出在外部光信號調(diào)制下是可以實現(xiàn)隨機(jī)改變的。在理論上，光的緩存時間為S=L/V，V表示光的群速度，L表示緩存長度?？刂迫核俣燃熬彺骈L度可以調(diào)制緩存時間[2]。

圖1 全光緩存器示意圖

現(xiàn)在的光緩存器的大約可分為兩個種類。用光信號能量轉(zhuǎn)換不利于完成緩存因為其匹配繁瑣，速度慢。所以不適用于大容量的快速交換網(wǎng)絡(luò)。不適用于大容量的快速交換網(wǎng)絡(luò)。最近幾年國內(nèi)外對時域光控制研究較多，也取得了一些成就。在時域中，對光進(jìn)行處理的方案主要有延遲型、反射型、光開關(guān)型以及光纖環(huán)型。

最簡單達(dá)到的方案是延遲線與光開關(guān)的搭配使用。但是從真正意義上來講它并不是緩存，更準(zhǔn)確地說法是暫存器（Transient buffer），實際上是緩存一定時間再出射系統(tǒng)，從而達(dá)到緩存的效果[3]。

在緩存的時間區(qū)間里能夠在很大的范圍內(nèi)，可以隨機(jī)讀出是反射型和光開關(guān)共同搭配下的優(yōu)點，并且還要兩個開關(guān)，因為NOLM、NALM、NFSI等光開關(guān)同步要求比較苛刻，在對處理0或1的長連信號上性能較差，基本不能實現(xiàn)完全的全反射，技術(shù)上也是難以實現(xiàn)的[4]。

近年來研究的熱點都是圍繞著光纖環(huán)，也提出了很多的方法，它們的優(yōu)點各不相同，不過缺失復(fù)用技術(shù)的支撐，對光纖環(huán)路的需求比較大，造成體積龐大，對集成有影響，而且在各種方案中，光開關(guān)、光放大器、波長轉(zhuǎn)換器使用過多，特別是波長轉(zhuǎn)換器和光開關(guān)，使得系統(tǒng)價格昂貴，同時，抗噪聲能力也大幅下降是它們共同的缺點。對光纖環(huán)路的需求比較大，造成體積龐大，對集成有影響，而且在各種方案中，光開關(guān)、光放大器、波長轉(zhuǎn)換器使用過多，特別是波長轉(zhuǎn)換器和光開關(guān)，使得系統(tǒng)價格昂貴，同時，抗噪聲能力也大幅下降。使它走向使用的解決辦法就是降低成本[5]。

如今，有一些國家采取納米材料從而降低光速，以及采用光雙穩(wěn)態(tài)存儲器實現(xiàn)光的緩存，在理論和測試方面均取得了一些進(jìn)展。但是在最近幾年還不能完全實用化。綜上所述，現(xiàn)在的光緩存器上都存在著缺點，最近幾年國內(nèi)外對時域光控制做了跟多研究同時得到了一些成就。延遲型、反射型、光開關(guān)型以及光纖環(huán)型都是在時域中對光進(jìn)行處理的主要方案。

2 光纖光柵及波導(dǎo)陣列方案

近幾年來，光纖通信技術(shù)發(fā)展愈來愈快，越來越多的器材例如光纖光柵、波導(dǎo)光柵陣列等都是適應(yīng)光纖通信的。它們都有著巨大的作用在各自的領(lǐng)域。

2.1 光纖光柵

摻鍺光纖光柵（FBG)是通過折射率沿傳輸方向存在周期變化的光柵構(gòu)成的。利用窄譜反射的特性實現(xiàn)回波信號的提取。能夠研制出各種波長的分變得器件。這些器件剛好滿足正在發(fā)展中的IP over DWDM系統(tǒng)的需要，它的應(yīng)用領(lǐng)域跟隨著種類繁多的新性能與新結(jié)構(gòu)的FBG的面世也在不斷的擴(kuò)大。例如光吸收、光放大、光交換、光發(fā)射和色散補(bǔ)償?shù)群芏喽际撬F(xiàn)在在光網(wǎng)絡(luò)參與的環(huán)節(jié)。

因為FBG有很好的波長選擇性，并且插損低、偏振敏感度低等優(yōu)點。與此同時，調(diào)節(jié)光柵對應(yīng)的放射譜，能夠改良插入損耗以及串燒等性能。光差分復(fù)器是其能夠在系統(tǒng)中被利用的環(huán)節(jié)。由實驗得知在0.4 nm信道間隔下利用精準(zhǔn)的光線設(shè)計和波長調(diào)整是可以完成無串燒的。

2.2 波導(dǎo)陣列

AWG是荷蘭DELFT大學(xué)的M.K.Smit首次提出的，一個N?N AWG是多個輸入/輸出結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)，兩個一樣自由傳播區(qū)內(nèi)的輸入/輸出通道，凹聚焦平板波導(dǎo)以及彎曲波導(dǎo)陣列組成。因為陣列波導(dǎo)之間每兩個相鄰波導(dǎo)都有一樣的長度差L，這樣的結(jié)構(gòu)將會讓陣列波導(dǎo)中傳輸?shù)膹?fù)用光信號構(gòu)成與波長相關(guān)的不同相位差或者相位延遲，那么這個相位延遲的量為DL，這會讓每個固定波長的信號采用不同的傾斜聚焦在平板波導(dǎo)焦線上，經(jīng)過研究可以恰好把輸出波導(dǎo)的端口定位于平板波段對應(yīng)的焦線上。然而不同波前傾斜對應(yīng)的信號被耦合在導(dǎo)波導(dǎo)上，實現(xiàn)信道復(fù)用。這會導(dǎo)致在平板導(dǎo)焦線上聚焦通過不同的傾斜的每個固定波長的信號，經(jīng)過計算可以在平板波段對應(yīng)的焦線上將輸出波導(dǎo)的端口定位，在導(dǎo)波管上不同波前傾斜對應(yīng)的信號會被耦合。然而不同波前傾斜對應(yīng)的信號被耦合在導(dǎo)波導(dǎo)上，實現(xiàn)信道復(fù)用。

由分析傅里葉和復(fù)用器變換的關(guān)系可以得到，時空變換對于信號來講是可逆性的。由輸入端口產(chǎn)生的信號通過復(fù)用器后，再經(jīng)過輸出端的分離：輸入端口的信號經(jīng)由輸出端口進(jìn)行融合匯總，效果如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)陣列數(shù)據(jù)并行輸出圖

因為AWG的結(jié)構(gòu)，一個N?N AWG的輸入與輸出都是對稱的，包括了（l組）的光信號輸入端（a組）的所有端口，在輸出端（b組）的所有端口得到一致的光信號，相反過來也是這個樣子，如圖3所示。

圖3 波導(dǎo)陣列數(shù)據(jù)循環(huán)輸出圖

3 全光緩存器設(shè)計

目前的解決方基于光纖環(huán)來講都有一些相似的缺陷：(1)集成度差，體積大是因為需要很多的光纖環(huán)路;(2)光電/光型波長轉(zhuǎn)換器是目前可以用的較為穩(wěn)定的波長轉(zhuǎn)換器，然而在全光網(wǎng)絡(luò)中，“電子瓶頸”是由這種結(jié)構(gòu)造成的，但是大多數(shù)普通都需要用到波長轉(zhuǎn)換器實施轉(zhuǎn)換，所以這也會影響全光網(wǎng)絡(luò)的性能。

通過以上幾點，得出了全光緩存器的優(yōu)化方案并且是基于波導(dǎo)陣列的方案。它的好處有：

（1）為了減少光纖環(huán)路的總數(shù)而采用了復(fù)用器可以實現(xiàn)循環(huán)位移和輸出信號的特性來實現(xiàn)多波長復(fù)用。

（2）為了從光纖環(huán)路中方便的取得信號進(jìn)而利用了光柵的窄帶波長選擇性。

（3）沒有波長轉(zhuǎn)換器，解決了上文所說的“電子瓶頸”的缺點，緩存器的綜合性能得到了提高。

（4）因為光纖光柵、波導(dǎo)陣列的高度集成特點，所以構(gòu)成全光柵的一維光子集成光緩存器。

3.1 不同波長信號的緩存

不同波長的信號要延遲，由SOA開關(guān)進(jìn)入緩存器，需要用時緩存不同的波長信號時，先經(jīng)由波導(dǎo)陣列光柵的復(fù)用，再解決單位時造成的延遲，最后在通過解復(fù)將其還原成原始信號，最后由各個信號的特點來操控光開關(guān)完成信號輸出或者循環(huán)。AWG的解、復(fù)用器利用圖2（A）、（B）所表達(dá)的結(jié)構(gòu)的原理特性，整體結(jié)構(gòu)圖4所示。

圖4 不同波長信號的緩存示意圖

3.2 多個信號的緩存

多個信號的緩存非常重要，是全光網(wǎng)絡(luò)的重點，由于數(shù)據(jù)交換量發(fā)生了增加，經(jīng)常會導(dǎo)致相同信號不同波長與不相同波長的信號同時抵達(dá)出口，但是現(xiàn)在，通過復(fù)用器所獨有的循環(huán)移位特性我們可以讓多種信號延遲采集。那么在輸入端我們就可以將相同延遲時間的波長A組與波長B組的首信號通過復(fù)用器復(fù)用到輸入端上，則波長A組與波長B組的信號也可以附加到輸入端上，如圖5所示。經(jīng)由復(fù)用器后，由于復(fù)用的特性——循環(huán)位移特性，每個信道的輸出如圖所示規(guī)則分布，同時經(jīng)過單位時隙延遲線延遲后，繼續(xù)應(yīng)用的對稱性，還原得到與輸入一致的信號光。最后經(jīng)由控制開關(guān)將各個信號的需求完成輸出或完成下一次周期的循環(huán)。再通過光柵波長選擇特性在輸出端輸出特定波長信號。

圖5 多個信號的緩存示意圖

3.3 光緩存器延遲時間調(diào)度的控制策略

上文討論了在不同情況下由光纖光柵以及波導(dǎo)陣列所構(gòu)成的全光緩沖器的方案以及實現(xiàn)方式，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)分析，我們可以得出降低交換速度同時造成較大的噪音的原因是由于光緩存器的延遲時間過長;但是如果延遲時間太短，就不會有效的解決沖突問題，而且與此用時光緩存器的工作效率會得到影響。所以說，采用正確的調(diào)度策略使得光開光達(dá)到合適的延遲時間是在緩存過程里最為關(guān)鍵也是最為重要的問題。采取自適應(yīng)的方法是比較有效的，隨時隨地根據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級完成數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)計、分析及安排。

4 結(jié)論

在光通信領(lǐng)域中，全光緩存器是數(shù)據(jù)交換和計算的核心器件之一，全光緩存器的研究與發(fā)展也是一個通信升級的重要流程。本文設(shè)計了一種全光緩存器，并嘗試了一些新的研究，對于不同條件下信號處理的分析以及相應(yīng)的控制策略；對不同波長的信號緩存與多個信號的緩存工作機(jī)理及邏輯關(guān)系給出了分析與討論；分析了該方法在降低成本、提高集成度方面具有一定優(yōu)勢。

[1]Li yaming,Hu weixuan,Cheng buwen,et al.Chin Phys LETT[J].2012,29(3):34205.

[2]Liao Zai-Yi,Yang Hua,Wang Wei.Chinese Physics B[J].2008,17(7):2557.

[3]Zhang S,Li Z,Liu Y,et al.Optical shift register based on an opitcal flip-flop with a single active element[C].Procced-ings Sympo?sium IEEE/LEOS Benelux Chapter,2004:67-70.

[4]Bouchaib Hraimel,Xiupu Zhang,Wei Jiang.Photonics Technology Letters[J].2011,23(4):230.

[5]Wang Yang,Pan Jiao-Qing,Zhao Ling-Juan,et al.Chinese Physics B[J].2010,19(12):124215.

The Design of Optical Buffer Based on Waveguide Array

ZHANG Li，SUN Hui-ping，HAN Bing-chen*
(School of Physics and Electronic Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

This paper outlines the major existing all-optical buffer types,methods,and on this basis,put forward a kind of alloptical buffer based on waveguide array and the optical fiber grating.The system has the advantages of low cost and high integration.At the same time,this paper gives the analysis of signal processing under different conditions and the corresponding control strategy.Analysis and Discussion on the mechanism and logic relation of signal buffer and multiple signal buffer at different wavelengths are given,which proves the feasibility of the system design.

optical buffer;waveguide array;fiber grating

TN25

A

1674-0874(2016)05-0025-03

2016-02-15

山西省科技攻關(guān)項目[2015031002-1];大同市科技攻關(guān)項目[201422-4];山西大同大學(xué)校級科學(xué)研究項目[2013K1]

張麗(1976-),女，山西翼城人，副教授，研究方向：光纖通信。*韓丙辰，教授，通信作者。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕