基于波导阵列的全光缓存器的设计

张 丽，孙慧萍,韩丙辰*

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同037009)

基于波导阵列的全光缓存器的设计

张 丽，孙慧萍,韩丙辰*

(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同037009)

概述了现有主要的全光缓存器的种类、技术方法，并在此基础上，提出了一种基于波导阵列与光纤光栅的全光缓存器。该系统具有低成本、集成度高等优点。同时，给出了对于不同条件下信号处理的分析以及相应的控制策略。对不同波长的信号缓存与多个信号的缓存工作机理及逻辑关系给出了分析与讨论，佐证了系统构思的可行性。

全光缓存器；波导阵列；光纤光栅

现在的人们对高质量的网络需求日益增长，人们想通过构建全网络来达到这一需求。真正的IP⁃over WDM全光网络仍处于不成熟的状态[1]。现在交换的物理层以及数据层之所以抑制了交换能力的上升，是因为还是在基础电域上。为了实现全光网络还是有很多问题没有得到解决。例如，光子芯片和逻辑光器材等，然而这些处于实验阶段的技术并不完美，所以未来的全光网络里，光交换是最为重要的。不但是因为它具有带宽能力，交换能力还有其他方面的优势，而是因为从长远的发展方向来看更加偏向于光交换的发展。光交换的实质就是储存和转发，解决光信号端口争用丢包等光交换网络的关键问题就是在光域中完成信号的缓存。对节点设备关于全光网络，存取速度、光缓存器的容量之类的特性的优劣是全光交换网的性能基础。所以说不仅是全光包交换的重要部位，还是现在的研究的热门都是——全光缓存器。

1 全光缓存器的现状

光缓存器是光电变换的存储器件，对于目前的光缓存器是没有必要进行的。正如图1表示的，数据输出输入流是一致的，而且具有缓存一段时间的能力。并且缓存器的写入以及读出在外部光信号调制下是可以实现随机改变的。在理论上，光的缓存时间为S=L/V，V表示光的群速度，L表示缓存长度。控制群速度及缓存长度可以调制缓存时间[2]。

图1 全光缓存器示意图

现在的光缓存器的大约可分为两个种类。用光信号能量转换不利于完成缓存因为其匹配繁琐，速度慢。所以不适用于大容量的快速交换网络。不适用于大容量的快速交换网络。最近几年国内外对时域光控制研究较多，也取得了一些成就。在时域中，对光进行处理的方案主要有延迟型、反射型、光开关型以及光纤环型。

最简单达到的方案是延迟线与光开关的搭配使用。但是从真正意义上来讲它并不是缓存，更准确地说法是暂存器（Transient buffer），实际上是缓存一定时间再出射系统，从而达到缓存的效果[3]。

在缓存的时间区间里能够在很大的范围内，可以随机读出是反射型和光开关共同搭配下的优点，并且还要两个开关，因为NOLM、NALM、NFSI等光开关同步要求比较苛刻，在对处理0或1的长连信号上性能较差，基本不能实现完全的全反射，技术上也是难以实现的[4]。

近年来研究的热点都是围绕着光纤环，也提出了很多的方法，它们的优点各不相同，不过缺失复用技术的支撑，对光纤环路的需求比较大，造成体积庞大，对集成有影响，而且在各种方案中，光开关、光放大器、波长转换器使用过多，特别是波长转换器和光开关，使得系统价格昂贵，同时，抗噪声能力也大幅下降是它们共同的缺点。对光纤环路的需求比较大，造成体积庞大，对集成有影响，而且在各种方案中，光开关、光放大器、波长转换器使用过多，特别是波长转换器和光开关，使得系统价格昂贵，同时，抗噪声能力也大幅下降。使它走向使用的解决办法就是降低成本[5]。

如今，有一些国家采取纳米材料从而降低光速，以及采用光双稳态存储器实现光的缓存，在理论和测试方面均取得了一些进展。但是在最近几年还不能完全实用化。综上所述，现在的光缓存器上都存在着缺点，最近几年国内外对时域光控制做了跟多研究同时得到了一些成就。延迟型、反射型、光开关型以及光纤环型都是在时域中对光进行处理的主要方案。

2 光纤光栅及波导阵列方案

近几年来，光纤通信技术发展愈来愈快，越来越多的器材例如光纤光栅、波导光栅阵列等都是适应光纤通信的。它们都有着巨大的作用在各自的领域。

2.1 光纤光栅

掺锗光纤光栅（FBG)是通过折射率沿传输方向存在周期变化的光栅构成的。利用窄谱反射的特性实现回波信号的提取。能够研制出各种波长的分变得器件。这些器件刚好满足正在发展中的IP over DWDM系统的需要，它的应用领域跟随着种类繁多的新性能与新结构的FBG的面世也在不断的扩大。例如光吸收、光放大、光交换、光发射和色散补偿等很多都是它现在在光网络参与的环节。

因为FBG有很好的波长选择性，并且插损低、偏振敏感度低等优点。与此同时，调节光栅对应的放射谱，能够改良插入损耗以及串烧等性能。光差分复器是其能够在系统中被利用的环节。由实验得知在0.4 nm信道间隔下利用精准的光线设计和波长调整是可以完成无串烧的。

2.2 波导阵列

AWG是荷兰DELFT大学的M.K.Smit首次提出的，一个N∗N AWG是多个输入/输出结构的光波导，两个一样自由传播区内的输入/输出通道，凹聚焦平板波导以及弯曲波导阵列组成。因为阵列波导之间每两个相邻波导都有一样的长度差L，这样的结构将会让阵列波导中传输的复用光信号构成与波长相关的不同相位差或者相位延迟，那么这个相位延迟的量为DL，这会让每个固定波长的信号采用不同的倾斜聚焦在平板波导焦线上，经过研究可以恰好把输出波导的端口定位于平板波段对应的焦线上。然而不同波前倾斜对应的信号被耦合在导波导上，实现信道复用。这会导致在平板导焦线上聚焦通过不同的倾斜的每个固定波长的信号，经过计算可以在平板波段对应的焦线上将输出波导的端口定位，在导波管上不同波前倾斜对应的信号会被耦合。然而不同波前倾斜对应的信号被耦合在导波导上，实现信道复用。

由分析傅里叶和复用器变换的关系可以得到，时空变换对于信号来讲是可逆性的。由输入端口产生的信号通过复用器后，再经过输出端的分离：输入端口的信号经由输出端口进行融合汇总，效果如图2所示。

图2 波导阵列数据并行输出图

因为AWG的结构，一个N∗N AWG的输入与输出都是对称的，包括了（l组）的光信号输入端（a组）的所有端口，在输出端（b组）的所有端口得到一致的光信号，相反过来也是这个样子，如图3所示。

图3 波导阵列数据循环输出图

3 全光缓存器设计

目前的解决方基于光纤环来讲都有一些相似的缺陷：(1)集成度差，体积大是因为需要很多的光纤环路;(2)光电/光型波长转换器是目前可以用的较为稳定的波长转换器，然而在全光网络中，“电子瓶颈”是由这种结构造成的，但是大多数普通都需要用到波长转换器实施转换，所以这也会影响全光网络的性能。

通过以上几点，得出了全光缓存器的优化方案并且是基于波导阵列的方案。它的好处有：

（1）为了减少光纤环路的总数而采用了复用器可以实现循环位移和输出信号的特性来实现多波长复用。

（2）为了从光纤环路中方便的取得信号进而利用了光栅的窄带波长选择性。

（3）没有波长转换器，解决了上文所说的“电子瓶颈”的缺点，缓存器的综合性能得到了提高。

（4）因为光纤光栅、波导阵列的高度集成特点，所以构成全光栅的一维光子集成光缓存器。

3.1 不同波长信号的缓存

不同波长的信号要延迟，由SOA开关进入缓存器，需要用时缓存不同的波长信号时，先经由波导阵列光栅的复用，再解决单位时造成的延迟，最后在通过解复将其还原成原始信号，最后由各个信号的特点来操控光开关完成信号输出或者循环。AWG的解、复用器利用图2（A）、（B）所表达的结构的原理特性，整体结构图4所示。

图4 不同波长信号的缓存示意图

3.2 多个信号的缓存

多个信号的缓存非常重要，是全光网络的重点，由于数据交换量发生了增加，经常会导致相同信号不同波长与不相同波长的信号同时抵达出口，但是现在，通过复用器所独有的循环移位特性我们可以让多种信号延迟采集。那么在输入端我们就可以将相同延迟时间的波长A组与波长B组的首信号通过复用器复用到输入端上，则波长A组与波长B组的信号也可以附加到输入端上，如图5所示。经由复用器后，由于复用的特性——循环位移特性，每个信道的输出如图所示规则分布，同时经过单位时隙延迟线延迟后，继续应用的对称性，还原得到与输入一致的信号光。最后经由控制开关将各个信号的需求完成输出或完成下一次周期的循环。再通过光栅波长选择特性在输出端输出特定波长信号。

图5 多个信号的缓存示意图

3.3 光缓存器延迟时间调度的控制策略

上文讨论了在不同情况下由光纤光栅以及波导阵列所构成的全光缓冲器的方案以及实现方式，经过严谨分析，我们可以得出降低交换速度同时造成较大的噪音的原因是由于光缓存器的延迟时间过长;但是如果延迟时间太短，就不会有效的解决冲突问题，而且与此用时光缓存器的工作效率会得到影响。所以说，采用正确的调度策略使得光开光达到合适的延迟时间是在缓存过程里最为关键也是最为重要的问题。采取自适应的方法是比较有效的，随时随地根据交换网络的优先级完成数据流量的统计、分析及安排。

4 结论

在光通信领域中，全光缓存器是数据交换和计算的核心器件之一，全光缓存器的研究与发展也是一个通信升级的重要流程。本文设计了一种全光缓存器，并尝试了一些新的研究，对于不同条件下信号处理的分析以及相应的控制策略；对不同波长的信号缓存与多个信号的缓存工作机理及逻辑关系给出了分析与讨论；分析了该方法在降低成本、提高集成度方面具有一定优势。

[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

山西省科技攻关项目[2015031002-1];大同市科技攻关项目[201422-4];山西大同大学校级科学研究项目[2013K1]

张丽(1976-),女，山西翼城人，副教授，研究方向：光纤通信。*韩丙辰，教授，通信作者。

〔责任编辑 高彩云〕