基于有源垂直耦合器的4×4Crosspoint光开关矩阵理论及应用研究

摘要

光交换作为光网络中的关键技术，对光通信系统发挥着重要的作用。近年来，英国的布里斯托大学研究开发了一种纳秒级的基于有源垂直耦合器(AVC)的4×4 Crosspoint电控光开关矩阵模块，与其它的光开关相比具有极大的优势。本文研究了此器件开关特性及其在光网络方面的应用等，主要包括以下几个方面： 首先对耦合模理论进行了简单的分析，这是Crosspoint工作的基本原理，便于从物理机制上了解其工作过程。基于耦合模理论，描述了Crosspoint的设计过程，包括波导和晶片结构，并利用FIMMWAVE软件建立了器件的物理模型，通过对开关过程的模拟，调整参数使得输出最优化，并反馈至设计制作过程。并简要介绍了器件的制作、封装及在封装后的具体开关特性参数。 介绍了基于Crosspoint的光报头检测系统，即通过接收处理155Mbps的光报头，对所需要开启的开关进行操作。对如何设计整个系统和相应的控制电路各部分进行了详细的描述，分析了实验的结果和Crosspoint的误码率(BER)特性。在此基础上，设计了一种使输入光包的功率均衡的方法，实验结果表明Crosspoint可以很好的运用于光分组交换和光功率均衡。 研究了不同的码型调制方式及其对Crosspoint的影响，对RZ—DPSK、RZ和NRZ信号分别经过开关后的特性进行了比较分析，结果表明优化传输码型可以有效的提高接收系统的灵敏度，改善系统的误码率特性。 由于Crosspoint独特的设计，可以独立的完成无损耗的组播技术，相当于集成了开关、分路器和放大器的功能于一体。对不同级数的组播技术分别进行了详尽的研究，从1×2、1×4、2×4到4×4的完全利用，当开关的注入电流变化时，分析研究了在每个不同级数的情况下的系统的传输特性、接收误码率特性和光信噪比的变化情况。实验结果表明Crosspoint光开关可以很好的实现无损耗的组播技术。 在光交换节点中，实现光包的缓存和时隙分配是必备的要求。提出了一种Crosspoint的新型光缓存方案，实验结果表明即使在光环路中光包循环9次，功率代价依然不大。基于此误码率特性，能够提供从1个时隙到999个时隙连续可调的缓存深度，并且时隙长度可调。这种新型的光缓存方案可以简单的实现多种方式的时隙分配，包括光包的时隙交换、串并和并串转换、压缩等功能。实验结果充分的表明了这种有大范围可变长度、简单结构的光缓存的可行性和实用性。

目录

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第一章绪论

1.1光通信的历史回顾

1.2光交换技术

1.2.1光分组交换技术

1.2.2光突发交换技术

1.2.3两种交换技术的比较

1.3目前的光开关技术综述

1.3.4 MEMS光开关

1.3.5电光效应开关

1.3.6热光效应光开关

1.3.7全光开关

1.4光开关的主要性能参数

1.5本论文的主要工作与创新点

第二章基于有源垂直耦合器(AVC)的光交叉连接开关(OXS)

2.1 Crosspoint光开关简介

2.2 Crosspoint光开关矩阵的理论基础

2.3 Crosspoint光开关矩阵设计

2.3.1波导结构设计

2.3.2制作工艺流程

2.3.3数值模型

2.3.4封装

2.4 Crosspoint光开关矩阵特性

2.5本章小结

第三章光报头检测及光功率均衡系统

3.1光报头检测系统

3.1.1设计思想

3.1.2电路实现

3.1.3实验结果

3.2光功率均衡系统

3.2.1系统原理

3.2.2电路实现

3.2.3实验结果

3.3本章小结

第四章数据调制方式对开关特性的影响

4.1归零RZ码

4.1.1特点及优势

4.1.2调制原理

4.1.3实验结果及讨论

4.2差分相移键控DPSK码

4.2.1特点及优势

4.2.2调制与解调原理

4.2.3实验结果及讨论

4.3本章小结

第五章Crosspoint的组播技术(Multicast)实现

5.1引言

5.2光Multicast技术与网络节点

5.2.1光树与光Multicast技术

5.2.2光Multicast网络节点

5.3 Crosspoint的Multicast原理

5.3.1 Multicast原理

5.3.2 Crosspoint光开关的Multicast功能描述

5.3.3数值模拟

5.3.4 Multicast级联能力

5.4 Multicast实验及讨论

5.4.1 Multicast实验的电路设计与实现

5.4.2 1×4 Broadcast实验

5.4.3 WDM信号的1×4 Broadcast实验

5.4.4 2×4Multicast实验

5.4.5 4×4 Multicast实验

5.5本章小结

第六章光缓存及时隙分配技术

6.1引言

6.2光缓存及时隙分配

6.2.1光缓存的类型

6.2.2光纤缓存器

6.2.3基于光缓存的时隙分配

6.3光缓存系统原理

6.4光缓存及时域分配实验研究

6.4.1光缓存

6.4.2光时隙交换

6.4.3光串并与并串转换

6.4.4光包压缩

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1目前的工作总结

7.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢