基于微环谐振腔的全光分组交换研究

宋俊峰，李齐良，陈 心

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)



基于微环谐振腔的全光分组交换研究

宋俊峰，李齐良，陈 心

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

对基于微环谐振腔的全光分组交换进行了研究.分析了微环谐振腔的双稳特性，通过一个铌酸锂调制器将一组随机序列调制到偏置信号上，设置一个重置信号，使得输入的数据信号以低透射态输出，设置信号输入时，数据信号输出路径发生改变，以高透射态输出，且设置信号和重置信号的脉冲宽度大于谐振腔电场建立时间.另外考虑了频率啁啾引起脉冲前后沿的脉冲波形振荡及对系统输出的影响，最终，实现了数据的分组交换.

非线性光学；谐振腔；非线性器件

0 引 言

传统的光学系统体积庞大，稳定性差，不能满足现代光通信发展的需求.越来越多的研究者致力于寻找体积小、便于集成、稳定性强的光器件.微环谐振腔具备这些优点，从而能应用于光学各领域，比如全光开关[1]、快慢光传输[2]、波长转换[3]等领域.文献[4]对非线性光纤谐振腔中的光学双稳态这种非线性现象进行了研究.基于这种光学双稳性，大量相关的科学研究和各类应用得到广泛的关注[5-7]，全光分组交换就是基于光学双稳态的一个应用，是一种灵活强大的技术，在实际应用中可提高带宽利用率，从而带来可观的经济效益[8].2015年，文献[9]利用光子晶体腔的光学双稳态设计了全光分组交换，本文基于非线性光纤构成的谐振腔内的光学双稳性，通过给数据信号加入偏置脉冲信号和重置脉冲信号，实现了数据的分组交换功能.光分组交换技术可应用于光科学的许多领域，例如高速IP子网互联骨干网[10].

1 理论模型

图1为微环谐振腔的光路示意图.

图1 环形谐振腔中的光路示意图

本文选择具有高非线性的材料砷化铝镓Al0.2Ga0.8As构成微环谐振腔.假设双光子吸收和非线性损耗可以忽略，根据麦斯威尔的电磁理论，得到光在微环中的传播方程[11]：

(1)

折射率n=n0+n2I.其中，n0是线性折射率，n2是非线性折射率，I是微环中单位面积上的光强.α是微环材料的吸收系数.A(z,t)是微环谐振腔中光场的慢变包络，δ=2π(1/λ-1/λ0)为失谐量，λ信号波长，λ0为谐振波长，谐振频率w0=c/2πλ0，c是电磁波传输速度，z是沿着谐振腔路径的线性坐标.

对于连续波，本文忽略时间导数，并假设系统是无损的.输入信号Ain和直通输出信号A1out、下路输出信号A2out以及环形腔中的光场幅度A1和A4满足如下关系：

(2)

通过求解上式，得到输出的结果为：

(3)

(4)

2 双稳态特性和分组交换开关

仿真中所用的数据取值为信号光波长λ=1.55×10-6m，线性折射率n0=2，非线性折射率n2=2.5×10-13cm2/W，耦合器c1的直通系数t1=0.6，耦合器c2的直通系数t1=0.5，L长度上总的失谐量为δL=3，传输损耗为α=2×10-5μm-1，微环谐振腔半径为10.16 μm.

图2 直通端和下路端的透射系数随输入功率变化的曲线

通过仿真结果，发现当输入功率在0～0.9 W变化的过程中，谐振腔出现双稳特性，即在0.58～-0.83 W之间.图2(a)为直通端口的透射率曲线，图2(b)为下路端口的透射率曲线.谐振腔有两种输出状态，并且由图2(a)和图2(b)可看出，直通端口和下路端口透射系数之和为1，当直通端处于高透射态时，下路端处于低透射态，反之亦然.因此可谐振腔用于全光开关，偏置功率为0.69 W.

基于微环谐振腔的全光分组交换模型如图3所示.通过一个铌酸锂调制器将一组随机序列调制到偏置信号上，设置一个重置信号，相当于对偏置信号加上一个负反馈，使得输入的数据信号以低透射态输出，大部分信号功率从直通端输出，此时利用一个低通滤波器来抵消掉偏置信号功率，还原出原始的随机序列，当设置信号输入时，相当于对偏置信号加上了一个正反馈，使得数据信号改变了输出路径，以高透射态输出，同样的，在输出端口用一个减法器还原数据信号.这样的输出状态保持直到重置信号再次进入，输入重置信号相当于加入一个负反馈，使得数据信号改变了输出路径从直通端输出.设置信号和重置信号的脉冲宽度大于谐振腔M的电场建立时间，最终实现数据的分组交换.

图3 基于微环谐振腔的全光分组交换开关模型

在仿真中，重置信号的功率为0.04 W，伪随机序列选用PRBS23，功率为2.5×10-3W，数据传输速率为10 Gbps.设置信号功率为0.04 W，开关时间τswitch可以根据系统的半高全宽来估计，τswitch=2(ln2)1/2T0=2.16 ps，其中T0=1.3 ps，T0为重置信号和设置信号的脉冲宽度.设置信号和重置信号切换的时间不得低于开关时间，否则传输信号的过程会出现失真.

图4、图5显示的是一个数据的分组交换过程，图4(a)显示的是图3中a点处已调信号的波形图，图4(b)是设置信号(实线)和重置信号(虚线)的脉冲图形.当设置信号出现，被调信号从下路端输出，当重置信号输入时，被调信号改变传输路径从直通端输出，重置信号和设置信号的脉冲宽度为2.16 ps.图5为最终在直通端和下路端得到的输出结果，即通过减法器还原得到的初始数据信号.从图5中可看出，当加入设置信号时，相当于对已调信号加上正反馈，由于双稳特性，输出功率保持在高透射态.当输入重置信号时，相当于对已调信号加入一个负反馈，输出功率降至低透射态并保持此状态直到设置信号再次输入.另外，我们发现下路端口输出的脉冲前后沿出现振荡，这是由于谐振波长处的色散较大，引起了频率啁啾，使得脉冲前后沿产生波形的振荡.而直通端口输出的脉冲没有出现脉冲振荡的现象，那是因为已调信号直接从直通端输出，并未经过谐振腔产生谐振.最终，我们可以实现数据信号无失真的全光分组交换.

图4 分组交换在时域上的示意图

图5 直通端和下路端的输出结果

3 结束语

本文对基于微环谐振腔的全光分组交换进行了研究.在忽略时间导数项情况下，分析耦合模方程，研究表明，利用微环谐振腔的双稳特性可以实现光的开关效应，通过输入设置信号和重置信号，使得已调数据信号在两个输出端口得到不同的输出功率，实现数据信号在两个端口的交互输出，实现数据的分组交换功能.通过仿真发现，谐振腔内的频率啁啾将引起下路端口输出脉冲前后沿的脉冲波形振荡.本文的相关研究为高速光网络构建和优化提供了理论可行的途径.在今后的研究中，将尝试使用级联微环谐振腔来构造全光分组交换，并分析级联微环谐振腔对于全光分组交换性能的影响.

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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

国家自然科学基金资助项目(10904028)；浙江省自然科学基金资助项目(Y1110078)

宋俊峰(1989-)，男，江苏南通人，硕士研究生，光纤通信学.通信作者：李齐良教授，E-mail:liqiliang@sina.com.

TN253

A

1001-9146(2016)06-0001-04