一种基于高非线性光纤的法布里－珀罗腔结构全光缓存器

摘要

一种基于高非线性光纤的法布里－珀罗腔结构全光缓存器，能实现光子数据的随机读、写、擦除功能。它的特征在于：高非线性光纤置于法布里－珀罗腔内部，通过控制光与光信号(光子数据)的四波混频作用将数据读入，使之在腔内往复传输实现缓存。缓存过程中，控制光为光子数据持续提供增益以补偿数据在腔内的损耗，保证缓存时间。利用另一波长的控制光可以使被缓存数据再次产生四波混频过程，将数据读出。当控制光消失，缓存器被清空。本发明结构简单，控制光为直流光，控制方便，读写速度快，对光子数据的码率，调制格式没有限制。可扩展实现变数据长度的缓存操作。

说明书

技术领域：

本发明涉及光信息处理和全光网络中的一个基本元件，特别是一种基于高非线性光纤的法布里-珀罗腔结构全光缓存器。全光缓存器可以缓存光信号，并且，缓存器的信号写入和读出控制也由光控制信号完成，可根据需要实现随机的数据读取。可用于光纤通信系统、全光信号处理等领域。主要是用于高速率光信号的缓存。

背景技术：

随着信息社会的发展，人们对信息的需求和依赖与日俱增。在可见的将来，以3D网络游戏、IPTV、可视电话、远程医疗、远程教育、视频会议、手机电视等为代表的下一代业务的出现和普及必将使得网络从传统的语音、数据分离业务向语音、数据和图像相结合、向多媒体视讯化方向发展。这使得光通信网络上的数据量急剧增长。为了应对这种“爆炸”式增长，提升现有网络带宽和交换能力已经成为一个刻不容缓的问题。在网络带宽方面，40G光传输系统的研究和应用正在如火如荼的开展，而利用波分复用(WDM)技术在单模光纤上实现T比特级的传输带宽也有报道，带宽已不再是网络的瓶颈。在交换方面，目前仍采用的是传统的电路交换方式，网络交换节点仍对数据进行光-电-光的变换，虽然电路由器已有很大的发展，但是电子器件响应时间及节点设备本身带宽的限制决定了它有限的发展空间，与未来超高速的光纤通信网络目标不相适应。

光分组交换OPS(Optical Packet Switching)技术是解决带宽与交换矛盾的一种有效方案，是网络长远发展的一种优先选择。OPS是以光分组为单位来承载业务，可直接在光域对数据进行传输和交换，避开了电交换的制约。从本质上看，OPS是一个基于全光缓存器的存储-转发过程。全光缓存器可以提供节点对包头信息的处理时间，完成全光网络的调度和数据转发，还可以在不同用户对通道争用时提供解决方案。另一个更为重大的意义是：正如开关和存储构成了现代数字电路的基础，如果光存储技术得以突破，理论上讲，将数字电路的功能转移到光域的进程就迈进了一大步，将为“光子时代”带来曙光。但是，由于光子是波色子，没有静质量，所以实现光随机存储具有相当难度，以至于光内存现在仍处于比较原始的阶段，还没有光RAM的出现，因此对全光缓存技术的研究势在必行。

理想的全光缓存器是一个无需光-电-光转换，可由随机光信号控制光数据流写入和读出的器件。国际上对全光缓存器的研究十分重视，也提出了很多方案和实验报道。利用光信号在光纤中的延时传输是最早用于光信号缓存也是最接近实用的一种方案。常见的几种实现方式为：

1、延时线+光开关——利用光纤的延时特性配合光开关构成。具体形式上，可以用不同的延时线配合开关形成不同组合完成可变的延时也可采用多个光纤光栅(FBG)或啁啾光纤光栅(CFBG)配合快速可调谐波长变换器来改变延时量。这种方案难以实现随机的信号读/写，不是真正意义的全光缓存器；

2、光纤结构法布里-珀罗腔+光开关(即F-P腔+光开关)——通过在光纤两端加反射率可调反射镜，使光信号在腔内存活(缓存)并通过改变反射镜的透射率完成写入和读出，这种方案的一个典型代表由Agarwal A.提出(Anjali Agarwal，Lijun Wang，Yikai su and Prem Kumar.“All-opticalloadable and erasable storage buffer based on parametricnonlinearity in fiber”OFC 2001，ThH5—1，2001)。两个由3dB耦合器构成的光纤全反镜构成F-P腔，作为后腔镜的光纤环中插入一段色散位移光纤(DSF)。将光信号注入腔内后信号将在两个光纤全反镜间传输获得延时缓存，期间相位敏感的参量放大过程为信号提供了增益。当需要读出时，将控制光脉冲注入作为后腔镜的光纤环与光信号发生交叉相位调制(XPM)作用，改变光纤全反镜的透射特性，使缓存信号读出。这种方案的结构的比较复杂，F-P腔结构由两个光纤全反镜构成，存储信号的长度主要由光纤环的长度决定而不是F-P腔腔长决定。读出控制光必须是与信号匹配的光时钟脉冲且在控制时需要与信号严格同步，此外相位敏感的参量放大过程需要注意抽运光与信号之间的相位关系，不便实施。

另一种方案可见于专利申请号“200510011883.7”，名称为“一种改进光纤型全光缓存器性能的方法”。该专利申请所提到的F-P腔+光开关全光缓存方案与上面提到的类似，仍两个由3dB耦合器构成的光纤全反镜构成F-P腔，主要区别在于光纤全反镜中插入一个半导体光放大器(SOA)作为非线性相移器件用于实现读、写控制，控制原理是利用控制光与信号光在SOA里的XPM作用改变一路信号光的相位进而改变光纤全反镜的透射特性完成操作。该方案的控制脉冲也需要是与信号匹配的光时钟脉冲，并且SOA在产生XPM的同时会产生交叉增益调制(XGM)，使得输出的信号恶化。此外，所使用SOA的载流子恢复时间的快慢将限制读写操作速度，对缓存数据的数据率一定限制。

3、光纤环结构——通过开关切换将待缓存信号引入光纤环，使数据在环内绕行完成缓存并可在环内提供增益以延长光信号存活时间。当需要读出时，由开光切换将数据引出，其中双环耦合全光缓存器是一种典型设计(专利申请号“02153429.2”，名称“双环耦合全光缓存器”)。这种方案具有比较好的效果，但是由于两个环路形成的是一种干涉仪结构，对两个环路的对称性要求较高，环境温度、振动等变化也会系统性能造成影响。易受到偏振变化或非线性相移的影响，工作稳定性的保持有一定困难，开关的控制信号也往往需要脉冲信号或者与缓存信号同步的时钟信号，对相位调制信号的缓存不易实现。总体看来，这些基于光纤结构的缓存方案中，简单的延时线+开关方案由于不具备读写功能，不是真正意义上的全光缓存；不带增益的延时结构由于信号的衰减，缓存时间容易受限；由电光开关控制的延时组合或读/写方案最终会受制于“电子瓶颈”，不能达到全光网络的要求。近年来，利用半导体微环结构和通过降低光信号在光纤中群速度的“慢光”效应实现光信号的延时缓存也吸引了众多研究者的注意。但是两种方法由于工艺和原理上的原因，离真正实用尚有较长的路要走。

归纳现有的方案可以看出，由光控光开关控制的带增益反馈腔结构可以保证足够的缓存时间，实现快速的读、写、擦除等功能，是比较接近实用的方案，但是在开关方式的灵活性、方便性、工作的稳定性以及对数据调制方式、码率的透明性方面还需提高。

发明内容：

本发明提出一种与上述方案完全不同的光缓存器，一种基于高非线性光纤的法布里-珀罗腔结构全光缓存器，它适用于Gb/s(p秒级)到几百Gb/s速率(亚p秒级)的光信号存储，采用直流光作为读、写控制光，对信号的调制格式没有限制。

本发明的缓存器，由光输入模块1、缓存控制单元2、光带通滤波器6构成，其特征在于：控制光与信号光通过光输入模块1合为一路并注入缓存控制单元2，缓存控制单元2由前腔镜3和后腔镜4构成一个法布里—珀罗腔结构，即F-P腔结构，将高非线性光纤5置于腔内，利用不同波长的控制光与信号光在高非线性光纤中的四波混频作用，实现光信号的写入和读出，控制光可在缓存时为信号光提供增益，光带通滤波器6用于选择输出被读出的光信号。

为了达到本发明所述的目的，具体实施步骤如下：

1)用波分器或光耦合器构成光输入模块1，它将控制光、信号光合为一路注入缓存控制单元2。

2)利用一对具有相同反射频率ω₁的光纤布拉格光栅作为前腔镜3和后腔镜4构成一个法布里-珀罗腔结构，并将高非线性光纤5置于腔内；或由一个光纤全反镜代替光纤布拉格光栅作为前腔镜3并和反射频率为ω₁的光纤布拉格光栅后腔镜4构成一个法布里一珀腔结构，并将高非线性光纤5置于腔内。由于光纤布拉格光栅只对确定的一个频率范围ω₁反射而对其他频率的光透明，因此写入控制光和信号光可以直接注入到腔内(或在腔内注入)。

3)高非线性光纤5置于F—P腔结构内部，用以实现控制光与信号光之间的非线性作用，即实现四波混频过程，完成写入、读出操作。当控制光和信号光进入腔内的高非线性光纤后，由于产生四波混频过程，实现对信号光的波长变换。通过选择控制光的波长，能够使得转换后的光信号对准光纤布拉格光栅的反射频率，信号光将在腔内往复传输，实现缓存。

4)控制光在读出控制到来之前可以持续为缓存信号提供增益，以补偿光信号在腔内的损耗，以确保足够的缓存时间。

5)当需要读出时，另一波长的读出控制光进入缓存控制单元2，读出控制光与被缓存的光信号在高非线性光纤内产生新的四波混频过程，缓存信号被复制到一个新的波长上，完成信号从腔内的读出。

6)选择合适的滤波器滤出从腔内读出的光信号，实现缓存器的最终输出。

7)当控制光全部消失后，由于腔内的损耗作用，会使被缓存的信号衰减消失，缓存器被清空。

本发明的优势和积极效果：(1)、本发明所提出的全光缓存器结构简单，存储容量大，可实现随机读出，实用性强；(2)、在控制方面采用了光纤中的参量过程，因此具有极高的响应速度(f秒量级)，可缓存几百Gb/s速率的信号，对缓存信号的调制格式没有限制；(3)、本发明所采用的读、写控制光为直流光，避免了其他类型读、写光开关需要时钟光脉冲和同步的要求；(4)、在缓存期间，参量过程可以为光信号提供增益，以获得足够的缓存时间。对于高非线性光纤可以用其他具有相似特性的高非线性介质代替，如高非线性光子晶体光纤。

附图说明：

图1是本发明基于高非线性光纤的法布里-珀罗腔结构全光缓存器示意图。

图中，1光输入模块，2缓存控制单元，6光带通滤波器；

其中2缓存控制单元由3前腔镜、4后腔镜以及5高非线性光纤构成。

图2光纤布拉格光栅对结构型高非线性光纤的F—P腔结构全光缓存器示意图。

图中，1光输入模块：由3×1波分复用器WDM或3dB耦合器构成，作光输入模块，可将写入、读出和信号光耦合为一路；

2缓存控制单元；

3前腔镜：以光纤布格光栅为前腔镜；

4后腔镜：以中心频率与前腔镜相同的光纤布拉格光栅为后腔镜；

5高非线性光纤；

6光带通滤波器；

其中：3、4腔镜为光纤布拉格光栅对结构，3、4腔镜组成F-P腔结构，缓存控制单元2由光纤布拉格光栅对3、4和高非线性光纤5构成。

图3光纤全反镜+光纤布拉格光栅结构型高非线性光纤的F-P腔结构全光缓存器示意图。

图中，1光输入模块：由波分复用器和光耦合器9构成，2缓存控制单元，3前腔镜：它是一个光纤全反射镜，是由3dB光耦合器7的两个输出端相连接构成一个环路8而形成的一个光纤全反射镜，4后腔镜：由光纤布拉格光栅构成，5高非线性光纤，6光带通滤波器，9光耦合器；

其中，波分复用器将控制光和信号光合为一路构成光输入模块1，光耦合器9将光输入模块1的输出引入F-P腔内。以光纤全反镜作前腔镜3和以光纤布拉格光栅作后腔镜4组成F-P腔结构。

缓存控制单元2由光纤全反射镜构成的前腔镜3、光纤布拉格光栅构成的后腔镜4和高非线性光纤5构成。

图4变数据长度型结构的高非线性光纤F-P腔结构全光缓存器示意图。

图中，1光输入模块：由N×1波分复用器和耦合器9构成，2缓存控制单元，3前腔镜：它是一个光纤全反射镜，是由3dB光耦合器7的两个输出端相连接构成一个环路8而形成的一个光纤全反镜，4后腔镜：由n个中心频率不同的布拉格光栅串联而成，5高非线性光纤，6光带通滤波器，9光耦合器；

其中，N×1波分复用器将控制光和信号光合为一路构成光输入模块1，光耦合器9将光输入模块1的输出引入F-P腔内。

以光纤全反射镜作前腔镜3和以n个中心频率不同的光纤布拉格光栅串联为4组成F-P腔结构；n表示光纤布拉格光栅的数目。

缓存控制单元2由光纤全反射镜构成的前腔镜3、不同频率的n个光纤布拉格光栅构成的后腔镜4和高非线性光纤5构成。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明：

缓存器实现方案如图1所示，包括光输入模块1、缓存控制单元2、以及一个带通滤波器6，其中带通滤波器6为现有技术部件。写入控制光(频率为ω₃)与信号光(频率为ω₂)可以在光输入端耦合后进入缓存控制单元2，缓存控制单元2中的两个腔镜3，4构成一个法布里-珀罗腔结构，可以使频率为ω₁的光信号在腔内往复传输。当控制光与信号光在腔内的高非线性光纤5中发生四波混频过程并满足2ω₃-ω₂＝ω₁时，信号光数据将被复制在频率为ω₁的四波混频分量上，被法布里-珀罗腔锁存。写入控制光持续存在为缓存信号提供增益以补偿信号在腔内的损耗，获得足够的缓存时间。当需要将信号读出时，频率为ω₄的读出控制光在光输入端耦合后进入缓存及控制单元并与缓存信号发生新的四波混频过程，产生ω₅(2ω₄-ω₁＝ω₅)的光信号，该光信号通过带通滤波器6后形成缓存器的读出信号输出，最终完成光控的随机读写缓存操作。当所有的控制光消失后，腔内的光信号会由于衰减消失，缓存器被清空。需要注意的是，法布里-珀罗腔所提供的单次信号传输时间应大于信号持续时间的二分之一，以防止缓存信号形成时钟振荡。

本发明的缓存器中，光输入模块1、缓存控制单元2有多种组合方案，下面给出几种：

实施例1：参量过程控制的法布里-珀罗腔结构全光缓存器，如图2所示，它利用一个3×1波分复用器(WDM)1(或者使用耦合器，WDM和耦合器为现有技术部件)可以将频率分别为ω₃、ω₄和ω₂的写入、读出和信号光耦合为一路构成光输入模块。光频率的选择满足2ω₃-ω₂＝ω₁和2ω₄-ω₁＝ω₅两个条件。中心反射频率同为ω₁的光纤布拉格光栅对作为腔镜3和4构成一个法布里-珀罗腔结构，所采用的光纤布拉格光栅为现有技术部件。当需要信号写入时，写入控制光和信号光直接通过腔镜3进入腔内并在高非线性光纤5中发生四波混频过程。所产生的四波混频分量复制了信号光的信息并被法布里-珀罗腔的两个腔镜多次反射，形成往复传输，得到延时缓存。在需要读出之前，写入控制光可以持续为缓存信号光提供参量增益以弥补信号光在腔内的损耗，获得足够的缓存时间。当读出控制光注入法布里-珀罗腔后，缓存信号光与读出控制光产生新的四波混频过程，信号从腔内读出并通过滤波器6后输出。关断所有的控制光，腔内没有增益，缓存信号会由于衰减作用而消失，实现缓存器的清空。

实施例2：参量过程控制的法布里-珀罗腔结构全光缓存器，如图3所示，它与图2的区别在于：利用一个由3dB光耦合器7的两个输出端相连接构成一个环路8形成光纤全反射镜。用此光纤全反射镜用作前腔镜3，它可以和一个中心反射频率为ω₁的光纤布拉格光栅4构成一个对频率ω₁光信号选择反射的法布里-珀罗腔结构。此时控制光与信号光需要一个耦合器9在腔内引入。

实施例3：变数据长度的全光缓存器如图4所示，其构成与图3类似，此时光输入模块由一个N×1波分复用器实现，N×1波分复用器为现有技术部件。波分复用器任一通道的频率为ω_i，其中ω₄和ω₂预留给读出控制光和信号光。将光纤全反射镜3和反射频率分别为ω_j的一系列光纤布拉格光栅4a，4b，4c，…4n构成一组具有不同腔长的法布里-珀罗腔。这里需要满足条件2ω_i—ω₂＝ω_j。根据需要，恰当选取写入控制光频率ω_i，可以将信号光复制在相应的四波混频分量ω_j上并在对应的法布里-珀罗腔内缓存。需要读出时，ω₄的读出控制光进入腔内产生频率为2ω₄—ω_j的四波混频分量，通过可调谐滤波器6滤出获得缓存器输出。