基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器及其级联的研究

摘要

由于全光分组交换（OPS）具有对数据速率、调制格式、传输协议等透明的优点，同时OPS具有高吞吐量、高传输速率，能有效的解决目前交换节点中存在的“电子瓶颈”问题，全光分组交换被认为是下一代网络交换技术的首选方案。光缓存是实现全光分组交换的关键技术之一。光缓存器可以在光域内完成数据包的存储而不需要经过光-电-光的变换，是实现光分组同步、竞争解决和流量整形的关键。本文提出了一种基于半导体光放大器（SOA）非线性偏振旋转的光缓存器结构，并且实验实现了该缓存器的多级级联。该缓存器具有结构简单、可级联、易集成、功耗小、重构速度快、易于控制和成本低等优点。另外，本文对基于半导体光放大器非线性偏振旋转的光缓存器的关键问题进行了研究和讨论。本文的创新点和主要工作包括以下几点： 1、对半导体光放大器的非线性偏振旋转进行了理论研究。在建立非线性偏振旋转的理论模型的基础上，提出了一种寻找SOA偏振主态，以及通过调节注入电流获得SOA两个正交线偏振态的方法，从而实现了两个正交线偏振态之间的转化。利用上述方法，实现了基于SOA非线性偏振旋转的光开关。对光开关的分光比和开关速度进行了深入研究，结果表明，先开关在“通态”和“切换态”时，开关的两个输出端口的分光比并不相同，且光开关的分光比随着输入光功率的变大而变大，增加输入信号光的功率可以改善光开关的开关速度，但考虑到SOA的增益饱和效应，输入信号光的功率不易大于0dBm。 2、提出了一种基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的新结构。该缓存器利用SOA中同样的非线性偏振旋转，既可以实现“读”操作，也可以实现“写”操作，控制简单，读写速度快。与NOLM结构的光缓存器相比，没有被缓存的数据可以直接通过而不需要在光纤环中绕行一周；由于SOA不在光纤环中放置，缓存器的缓存深度可以达到80％以上。所以，该缓存器具有结构简单、读写速度快、功耗小、易级联等优点。利用该缓存器，实现了2．5Gbps速率的1024比特数据的12圈的缓存，每一圈的缓存时间为0．91μs。实验中，还提出了一种利用PBS和耦合器在线监测系统实现两个正交线偏振态之间相互转化的方法。实验测量了信号的椭圆度对PBS分光比的影响，指出缓存结果中出现的“漏光”现象是由于信号光的椭圆度降低导致PBS的分光比降低造成。 3、提出了基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的级联结构，该级联结构具有控制元件少的优点，每一级的缓存单元只需一个控制元件（SOA），且级联结构中没有2×2光开关，易于集成。首次实现了两级、三级该缓存器的级联，两级光缓存器可提供60个不同的缓存时间，最大缓存时间为～40μs；三级缓存器可提供140多个不同的缓存时间，最大缓存时间为～50μs。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩写词索引

声明

致谢

1绪论——可变时延光缓存器研究的必要性

1.1 光分组交换介绍

1.2 可变时延光缓存器是当前光分组交换的迫切要求

1.3 国际上实现可变时延光缓存器的方案

1.3.1 基于控制光传输路程长短的光缓存器

1.3.2 基于控制光的群速度的慢光缓存器

1.3.3 小结

1.4 论文的主要内容和结构

2 基于SOA非线性偏振旋转的光开关

2.1 光开关的实现方案和性能评价

2.2 SOA中的非线性偏振旋转

2.2.1 SOA的非线性偏振旋转理论模型

2.2.2 SOA的偏振主态

2.2.3 SOA的非线性偏振旋转密勒矩阵

2.3 基于SOA非线性偏振旋转的光开关

2.3.1 基于SOA非线性偏振旋转的光开关原理

2.3.2 基于SOA非线性偏振旋转的光开关的实验

2.4 基于SOA非线性偏振旋转的光开关性能的研究

2.4.1 光开关的分光比和消光比分析

2.4.2 光开关的开关速度分析

2.5 本章小结

3 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器

3.1 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的原理

3.1.1 数据信号的产生

3.1.2 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的读写控制

3.1.3 光纤环长的测量

3.2 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的实验

3.3 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的性能分析

3.4 本章小结

3.5 附录一 实验所需器件的研制

3.5.1 可变包长2.5Gb/s直接调制信号源

3.5.2 同步触发的电平转化和分配

4 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的级联

4.1 光缓存器级联的一般问题

4.1.1 光缓存器的连接方式

4.1.2 光缓存器的级联控制

4.2 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的级联

4.3 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器级联的控制

4.4 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器级联实验

4.4.1 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器两级级联实验

4.4.2 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器三级级联实验

4.5 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的级联特性的研究

4.5.1 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器级联的噪声积累

4.5.2 基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的级联偏振度的分析

4.6 本章小结

4.7 附录：基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器的实物照片

5 总结和展望

5.1 已取得的研究成果

5.2 需要进一步研究的问题

参考文献

附录 琼斯矩阵和密勒矩阵的关系

作者简历及论文资助项目

攻读博士期间论文发表情况