一種全光緩存器的設計與研究

趙迎　于玥　劉赟

【摘 要】本文在介紹了全光緩存器主要種類和特點的基礎上，分析了現有全光緩存器存在的主要問題，給出了解決該問題的一些方法，最終提出了一種全光緩存器并完成了其結構設計與控制策略分析。

【關鍵詞】全光緩存器；AWG；FBG

0 引言

隨著時代的發展，人們對網絡的需求與依賴越來越強烈，通過構建全光網絡的方式提高網絡速度與容量是一個重要的發展方向，但目前真正意義上的全光網絡還并不成熟[1]?，F有的交換數據層是在電域實現的，限制了交換的能力。要想實現全光網絡需要解決光子芯片，光器件等諸多核心問題，其中光交換就是一個重要的議題。具有強的交換能力、大的帶寬范圍等優勢，會使基于光交換的技術發展更加強大。而光交換的基礎是儲存和轉發，需要解決的主要問題是光信號端口的丟包現象，以及對光信號的緩存應用。對全光網絡而言，全光交換的性能主要取決于光緩存器對應的容量、速度等。故全光緩存器的研究是十分必要的，也是本文的研究重點。

1 全光緩存器簡介

光緩存器不需要光電變換，均采用輸入和輸出光的形式完成信息的傳遞，數據流的拷貝也具有緩存的能力。緩存器的寫、讀均在外部調制的條件下進行，可以任意的改變需要的內容。理論上講，光緩存時間可以理解為光的群速度，而控制群速度就能實現對調制緩存時間的控制[2]。

目前，光緩存器可分兩類：1）使用光信號能量緩存，但該方法速度較慢、匹配過程較難。在大容量交換網絡中難以應用。其中，對時域信號光的研究很多，例如延遲結構、光開關結構和光纖環結構。光開關結構與延遲線聯合使用后，可以得到一種簡易的實現手段。雖然其并不是真正的緩存，但是也能達到信息緩存的目的[3]。如果光開關和反射結構一起應用的話，緩存時間的范圍是較大的，并且可以隨機讀寫[4]。當光放大器要求較高時，其信號處理能力就相對較差了，同時，這種方法很難做到全反射，并且技術實現也是困難的。

2）光纖環結構，也是當前的一個研究熱點，同樣存在多種方法，各自特色，但其共同的缺陷是：沒有復用技術使光纖環路過大，體積大，集成度低。在實際應用中，光開關、轉換器、放大器的使用太多，大大增加了系統的成本，不利于系統的實用化。有一些研究機構采取納米材料，以光雙穩態存儲器完成緩存，也取得了一些進展，但總體的看與實用化還是相差深遠。綜上所述，光緩存器的發展仍舊有很大的空間，改善光緩存器的存儲性能仍是一個重要的研究方向，本文也就對應的提出了一種光緩存器的設計思路。

2 全光緩存器的設計

首先從問題出發，針對目前光纖環結構存在的問題入手。1）需要大量光纖環路配合，體積大；2）需要波長轉換器，容易產生“電子瓶頸”問題，影響網絡的總體性能。

設計思路：

1）采用波導陣列結構，利用AWG復用器完成位移的循環變化，從而實現減少光纖環路，縮小系統體積。

2）用FBG光柵選擇可是的波長通道。

3）不采用波長轉換器，避免產生“電子瓶頸”問題。

2.1 波長選擇

對于不同的波長而言，采用時間延遲的方式分離，由SOA控制緩存器，當存在不同波長信號時，利用波導陣列復用技術，完成波長的區分。再根據不同的信號特點控制信號的循環。

2.2 多信號輸出

當存在多信號時，數據量是十分大的，會遇到同一信號中不同波長信號同時輸出的問題，使用AWG復用器移位性能，令其循環輸出，避免沖突，實現多信號的分時采集功能。輸入部分把延遲波長復用到N*N AWG的端口上，則輸出端可以的得到相同的數據流結構。通過復用器相應的循環位移功能，信道輸出可以按規律分布，采用AWG特性還原原有的信號光。再根據信號的控制命令，輸出下一個周期的數據。

2.3 控制策略分析

在不同情況下，波導陣列構成的全光緩存器可以實現響應的功能，經分析我們可知光緩存器能夠延遲的時間太長會導致交換速度的降低，同時造成噪音增大的問題；但是如果延遲時間太短，就不能達到解決信號沖突的問題，且光緩存器的能力受限。由此可見，在緩存過程中需要折中的考慮以上兩個問題，我們采用了自適應法實現，可以隨時根據網絡的數據流量進行判斷，有效的提高了系統的應用能力。

3 結論

在光通信中，對于全光緩存器的研究十分重要的，本文設計了一種全光緩存器，對不同條件下的光信號分析和控制提出了相應的策略，為全光網絡的應用提出了新的思路。

【參考文獻】

[1]Li yaming，Hu weixuan，Cheng buwen，Liuzhi，Wang Qiming.Chin.Phys.LETT， 2012，29（3）：34205.

[2]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 Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter，2004；67-70.

[3]Wang Yang，Pan Jiao-Qing，Zhao Ling-Juan，Zhu Hong-Liang，Wang Wei.Chinese Physics B，2010，19（12）：124215.

[4]吳重慶.全光緩存器研究的新進展[J].半導體光電，2005，26（5）：369-373.

[責任編輯：田吉捷]