基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換研究

宋俊峰，李齊良，陳 心

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換研究

宋俊峰，李齊良，陳 心

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

對基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換進(jìn)行了研究.分析了微環(huán)諧振腔的雙穩(wěn)特性，通過一個鈮酸鋰調(diào)制器將一組隨機序列調(diào)制到偏置信號上，設(shè)置一個重置信號，使得輸入的數(shù)據(jù)信號以低透射態(tài)輸出，設(shè)置信號輸入時，數(shù)據(jù)信號輸出路徑發(fā)生改變，以高透射態(tài)輸出，且設(shè)置信號和重置信號的脈沖寬度大于諧振腔電場建立時間.另外考慮了頻率啁啾引起脈沖前后沿的脈沖波形振蕩及對系統(tǒng)輸出的影響，最終，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換.

非線性光學(xué)；諧振腔；非線性器件

0 引 言

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積龐大，穩(wěn)定性差，不能滿足現(xiàn)代光通信發(fā)展的需求.越來越多的研究者致力于尋找體積小、便于集成、穩(wěn)定性強的光器件.微環(huán)諧振腔具備這些優(yōu)點，從而能應(yīng)用于光學(xué)各領(lǐng)域，比如全光開關(guān)[1]、快慢光傳輸[2]、波長轉(zhuǎn)換[3]等領(lǐng)域.文獻(xiàn)[4]對非線性光纖諧振腔中的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)這種非線性現(xiàn)象進(jìn)行了研究.基于這種光學(xué)雙穩(wěn)性，大量相關(guān)的科學(xué)研究和各類應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注[5-7]，全光分組交換就是基于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的一個應(yīng)用，是一種靈活強大的技術(shù)，在實際應(yīng)用中可提高帶寬利用率，從而帶來可觀的經(jīng)濟效益[8].2015年，文獻(xiàn)[9]利用光子晶體腔的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計了全光分組交換，本文基于非線性光纖構(gòu)成的諧振腔內(nèi)的光學(xué)雙穩(wěn)性，通過給數(shù)據(jù)信號加入偏置脈沖信號和重置脈沖信號，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換功能.光分組交換技術(shù)可應(yīng)用于光科學(xué)的許多領(lǐng)域，例如高速IP子網(wǎng)互聯(lián)骨干網(wǎng)[10].

1 理論模型

圖1為微環(huán)諧振腔的光路示意圖.

圖1 環(huán)形諧振腔中的光路示意圖

本文選擇具有高非線性的材料砷化鋁鎵Al0.2Ga0.8As構(gòu)成微環(huán)諧振腔.假設(shè)雙光子吸收和非線性損耗可以忽略，根據(jù)麥斯威爾的電磁理論，得到光在微環(huán)中的傳播方程[11]：

(1)

折射率n=n0+n2I.其中，n0是線性折射率，n2是非線性折射率，I是微環(huán)中單位面積上的光強.α是微環(huán)材料的吸收系數(shù).A(z,t)是微環(huán)諧振腔中光場的慢變包絡(luò)，δ=2π(1/λ-1/λ0)為失諧量，λ信號波長，λ0為諧振波長，諧振頻率w0=c/2πλ0，c是電磁波傳輸速度，z是沿著諧振腔路徑的線性坐標(biāo).

對于連續(xù)波，本文忽略時間導(dǎo)數(shù)，并假設(shè)系統(tǒng)是無損的.輸入信號Ain和直通輸出信號A1out、下路輸出信號A2out以及環(huán)形腔中的光場幅度A1和A4滿足如下關(guān)系：

(2)

通過求解上式，得到輸出的結(jié)果為：

(3)

(4)

2 雙穩(wěn)態(tài)特性和分組交換開關(guān)

仿真中所用的數(shù)據(jù)取值為信號光波長λ=1.55×10-6m，線性折射率n0=2，非線性折射率n2=2.5×10-13cm2/W，耦合器c1的直通系數(shù)t1=0.6，耦合器c2的直通系數(shù)t1=0.5，L長度上總的失諧量為δL=3，傳輸損耗為α=2×10-5μm-1，微環(huán)諧振腔半徑為10.16 μm.

圖2 直通端和下路端的透射系數(shù)隨輸入功率變化的曲線

通過仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入功率在0～0.9 W變化的過程中，諧振腔出現(xiàn)雙穩(wěn)特性，即在0.58～-0.83 W之間.圖2(a)為直通端口的透射率曲線，圖2(b)為下路端口的透射率曲線.諧振腔有兩種輸出狀態(tài)，并且由圖2(a)和圖2(b)可看出，直通端口和下路端口透射系數(shù)之和為1，當(dāng)直通端處于高透射態(tài)時，下路端處于低透射態(tài)，反之亦然.因此可諧振腔用于全光開關(guān)，偏置功率為0.69 W.

基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換模型如圖3所示.通過一個鈮酸鋰調(diào)制器將一組隨機序列調(diào)制到偏置信號上，設(shè)置一個重置信號，相當(dāng)于對偏置信號加上一個負(fù)反饋，使得輸入的數(shù)據(jù)信號以低透射態(tài)輸出，大部分信號功率從直通端輸出，此時利用一個低通濾波器來抵消掉偏置信號功率，還原出原始的隨機序列，當(dāng)設(shè)置信號輸入時，相當(dāng)于對偏置信號加上了一個正反饋，使得數(shù)據(jù)信號改變了輸出路徑，以高透射態(tài)輸出，同樣的，在輸出端口用一個減法器還原數(shù)據(jù)信號.這樣的輸出狀態(tài)保持直到重置信號再次進(jìn)入，輸入重置信號相當(dāng)于加入一個負(fù)反饋，使得數(shù)據(jù)信號改變了輸出路徑從直通端輸出.設(shè)置信號和重置信號的脈沖寬度大于諧振腔M的電場建立時間，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組交換.

圖3 基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換開關(guān)模型

在仿真中，重置信號的功率為0.04 W，偽隨機序列選用PRBS23，功率為2.5×10-3W，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Gbps.設(shè)置信號功率為0.04 W，開關(guān)時間τswitch可以根據(jù)系統(tǒng)的半高全寬來估計，τswitch=2(ln2)1/2T0=2.16 ps，其中T0=1.3 ps，T0為重置信號和設(shè)置信號的脈沖寬度.設(shè)置信號和重置信號切換的時間不得低于開關(guān)時間，否則傳輸信號的過程會出現(xiàn)失真.

圖4、圖5顯示的是一個數(shù)據(jù)的分組交換過程，圖4(a)顯示的是圖3中a點處已調(diào)信號的波形圖，圖4(b)是設(shè)置信號(實線)和重置信號(虛線)的脈沖圖形.當(dāng)設(shè)置信號出現(xiàn)，被調(diào)信號從下路端輸出，當(dāng)重置信號輸入時，被調(diào)信號改變傳輸路徑從直通端輸出，重置信號和設(shè)置信號的脈沖寬度為2.16 ps.圖5為最終在直通端和下路端得到的輸出結(jié)果，即通過減法器還原得到的初始數(shù)據(jù)信號.從圖5中可看出，當(dāng)加入設(shè)置信號時，相當(dāng)于對已調(diào)信號加上正反饋，由于雙穩(wěn)特性，輸出功率保持在高透射態(tài).當(dāng)輸入重置信號時，相當(dāng)于對已調(diào)信號加入一個負(fù)反饋，輸出功率降至低透射態(tài)并保持此狀態(tài)直到設(shè)置信號再次輸入.另外，我們發(fā)現(xiàn)下路端口輸出的脈沖前后沿出現(xiàn)振蕩，這是由于諧振波長處的色散較大，引起了頻率啁啾，使得脈沖前后沿產(chǎn)生波形的振蕩.而直通端口輸出的脈沖沒有出現(xiàn)脈沖振蕩的現(xiàn)象，那是因為已調(diào)信號直接從直通端輸出，并未經(jīng)過諧振腔產(chǎn)生諧振.最終，我們可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號無失真的全光分組交換.

圖4 分組交換在時域上的示意圖

圖5 直通端和下路端的輸出結(jié)果

3 結(jié)束語

本文對基于微環(huán)諧振腔的全光分組交換進(jìn)行了研究.在忽略時間導(dǎo)數(shù)項情況下，分析耦合模方程，研究表明，利用微環(huán)諧振腔的雙穩(wěn)特性可以實現(xiàn)光的開關(guān)效應(yīng)，通過輸入設(shè)置信號和重置信號，使得已調(diào)數(shù)據(jù)信號在兩個輸出端口得到不同的輸出功率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號在兩個端口的交互輸出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組交換功能.通過仿真發(fā)現(xiàn)，諧振腔內(nèi)的頻率啁啾將引起下路端口輸出脈沖前后沿的脈沖波形振蕩.本文的相關(guān)研究為高速光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和優(yōu)化提供了理論可行的途徑.在今后的研究中，將嘗試使用級聯(lián)微環(huán)諧振腔來構(gòu)造全光分組交換，并分析級聯(lián)微環(huán)諧振腔對于全光分組交換性能的影響.

[1]CHO S Y, SOREF R. Interferometric microring-resonant 2×2 optical switches[J]. Optics Express, 2008, 16(17):13304-13314.

[2]HEEBNER J E, BOYD R W. ‘Slow’ and ‘fast’ light in resonator-coupled waveguides[J]. Journal of Modern optics, 2002, 49(14):2629-2636.

[3]PASQUAZI A, AHMAD R, ROCHETTE M, et al. All-optical wavelength conversion in an integrated ring resonator[J]. Optics Express, 2010, 18(4):3858-3863.

[4]BONIFACIO R, LUGIATO L A. Cooperative effects and bistability for resonance fluorescence[J]. Optics Communications，1976，19(2)：172-176.

[5]ZANG Z. Numerical analysis of optical bistability based on Fiber Bragg Grating cavity containing a high nonlinearity doped-fiber[J]. Optics Communications, 2012, 285(5):521-526.

[6]ZANG Z, ZHANG Y. Low-switching power (<45 Mw) optical bistability based on optical nonlinearity of ytterbium-doped fiber with a fiber Bragg grating pair[J]. Journal of Modern Optics, 2012, 59(2):161-165.

[7]JAFARAADEH H, SAHRAI M, JAMSHIDI-GHALEH K. Controlling the optical bistability in a Λ-type atomic system via incoherent pump field[J]. Applied Physics B, 2014, 117(3):927-933.

[8]CHIARONI D, LAVIGNE B, JOURDAN A, et al. Physical and logical validation of a network based on all-opticalpacket switching systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 1999, 16(12):2255-2264.

[9]NOZAKI K, LACRAZ A, SHINYA A, et al. All-optical switching for 10-Gb/s packet data by using an ultralow-power optical bistability of photonic-crystal nanocavities[J]．Optics Express, 2015, 23(23):30379-30392.

[10]CALLEGATI F, CASONI M, RAFFAELLI C, et al. Performance of a TCP/IP Backbone Based on Optical Packet switching[J]. European Transactions on Telecommunications, 1999, 10(3):213-225.

[11]AGRAWAL G P. 非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用[M].賈東方，譯.北京：電子工業(yè)出版社, 2010:422-428.Study on All-optical Packet Switching Based on Micro-ring Resonator

SONG Junfeng, LI Qiliang, CHEN Xin

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper theoretically investigates all optical packet switching based on micro-ring resonator. Using the bistability characteristics of the micro-ring resonant cavity, we can obtain different output power of the two output ports. By controlling the set signal and the reset signal, we realize the interactive output of the data signal. Finally, we realize the data packet switching function.

nonlinear optics; resonator; nonlinear devices

10.13954/j.cnki.hdu.2016.06.001

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(10904028)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(Y1110078)

宋俊峰(1989-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，光纖通信學(xué).通信作者：李齊良教授，E-mail:liqiliang@sina.com.

TN253

A

1001-9146(2016)06-0001-04