一种全光缓存器的设计与研究

【摘 要】本文在介绍了全光缓存器主要种类和特点的基础上，分析了现有全光缓存器存在的主要问题，给出了解决该问题的一些方法，最终提出了一种全光缓存器并完成了其结构设计与控制策略分析。

【关键词】全光缓存器；AWG；FBG

0 引言

随着时代的发展，人们对网络的需求与依赖越来越强烈，通过构建全光网络的方式提高网络速度与容量是一个重要的发展方向，但目前真正意义上的全光网络还并不成熟[1]。现有的交换数据层是在电域实现的，限制了交换的能力。要想实现全光网络需要解决光子芯片，光器件等诸多核心问题，其中光交换就是一个重要的议题。具有强的交换能力、大的带宽范围等优势，会使基于光交换的技术发展更加强大。而光交换的基础是储存和转发，需要解决的主要问题是光信号端口的丢包现象，以及对光信号的缓存应用。对全光网络而言，全光交换的性能主要取决于光缓存器对应的容量、速度等。故全光缓存器的研究是十分必要的，也是本文的研究重点。

1 全光缓存器简介

光缓存器不需要光电变换，均采用输入和输出光的形式完成信息的传递，数据流的拷贝也具有缓存的能力。缓存器的写、读均在外部调制的条件下进行，可以任意的改变需要的内容。理论上讲，光缓存时间可以理解为光的群速度，而控制群速度就能实现对调制缓存时间的控制[2]。

目前，光缓存器可分两类：1）使用光信号能量缓存，但该方法速度较慢、匹配过程较难。在大容量交换网络中难以应用。其中，对时域信号光的研究很多，例如延迟结构、光开关结构和光纤环结构。光开关结构与延迟线联合使用后，可以得到一种简易的实现手段。虽然其并不是真正的缓存，但是也能达到信息缓存的目的[3]。如果光开关和反射结构一起应用的话，缓存时间的范围是较大的，并且可以随机读写[4]。当光放大器要求较高时，其信号处理能力就相对较差了，同时，这种方法很难做到全反射，并且技术实现也是困难的。

2）光纤环结构，也是当前的一个研究热点，同样存在多种方法，各自特色，但其共同的缺陷是：没有复用技术使光纤环路过大，体积大，集成度低。在实际应用中，光开关、转换器、放大器的使用太多，大大增加了系统的成本，不利于系统的实用化。有一些研究机构采取纳米材料，以光双稳态存储器完成缓存，也取得了一些进展，但总体的看与实用化还是相差深远。综上所述，光缓存器的发展仍旧有很大的空间，改善光缓存器的存储性能仍是一个重要的研究方向，本文也就对应的提出了一种光缓存器的设计思路。

2 全光缓存器的设计

首先从问题出发，针对目前光纤环结构存在的问题入手。1）需要大量光纤环路配合，体积大；2）需要波长转换器，容易产生“电子瓶颈”问题，影响网络的总体性能。

设计思路：

1）采用波导阵列结构，利用AWG复用器完成位移的循环变化，从而实现减少光纤环路，缩小系统体积。

2）用FBG光栅选择可是的波长通道。

3）不采用波长转换器，避免产生“电子瓶颈”问题。

2.1 波长选择

对于不同的波长而言，采用时间延迟的方式分离，由SOA控制缓存器，当存在不同波长信号时，利用波导阵列复用技术，完成波长的区分。再根据不同的信号特点控制信号的循环。

2.2 多信号输出

当存在多信号时，数据量是十分大的，会遇到同一信号中不同波长信号同时输出的问题，使用AWG复用器移位性能，令其循环输出，避免冲突，实现多信号的分时采集功能。输入部分把延迟波长复用到N*N AWG的端口上，则输出端可以的得到相同的数据流结构。通过复用器相应的循环位移功能，信道输出可以按规律分布，采用AWG特性还原原有的信号光。再根据信号的控制命令，输出下一个周期的数据。

2.3 控制策略分析

在不同情况下，波导阵列构成的全光缓存器可以实现响应的功能，经分析我们可知光缓存器能够延迟的时间太长会导致交换速度的降低，同时造成噪音增大的问题；但是如果延迟时间太短，就不能达到解决信号冲突的问题，且光缓存器的能力受限。由此可见，在缓存过程中需要折中的考虑以上两个问题，我们采用了自适应法实现，可以随时根据网络的数据流量进行判断，有效的提高了系统的应用能力。

3 结论

在光通信中，对于全光缓存器的研究十分重要的，本文设计了一种全光缓存器，对不同条件下的光信号分析和控制提出了相应的策略，为全光网络的应用提出了新的思路。

【参考文献】

[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]吴重庆.全光缓存器研究的新进展[J].半导体光电，2005，26（5）：369-373.