一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器的制造方法

專利名稱:一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器。陣列波導光柵路由器其中一輸入口和輸出口分別作為總輸入和輸出端，其余的輸入口和輸出口均用于連接；陣列波導光柵路由器其余輸出端口經第一光纖延時線與波長轉換器的輸入端連接，波長轉換器的輸出端經半導體光放大器、各自的第二光纖延時線后與陣列波導光柵路由器其余的各個輸入端口連接；復合光包信號從總輸入端口進入，經波分復用為不同波長后從其余輸出端口輸出進行波長轉換，信號放大后傳輸到陣列波導光柵路由器其余輸入端口，形成光緩存環。本實用新型實現了多波長的不同緩存時間控制，高效節能，緩存時間可無限，并且提高了系統的穩定性，具有尺寸小，質量輕，靈活性好，抗電磁干擾等優點。
【專利說明】
一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及了一種全光緩存器，特別是涉及了全光緩存技術的一種基于陣列 波導光柵路由器的全光緩存器。
【背景技術】
[0002] 全光緩存技術是實現全光數字分組交換網的基礎，在光域對信號進行延時緩存， 避免了光電光的交換，有效的提高了全光包交換網絡的節點的吞吐量，降低了丟包率，有效 解決了不同客戶請求響應的競爭沖突，具有容量大、響應速度快、更穩定、更安全、抗電磁干 擾、體積小、質量輕等諸多優點。因此，全光緩存技術已經成為該領域的研究熱點。
[0003] 國內外現有的技術資料中，提供了很多關于實現全光緩存的設計。主要可以分為 兩大類:基于光纖延時線的光緩存和基于慢光效應的光緩存。基于光纖延時線的光緩存技 術主要是通過改變光纖的長度結合使用光開光實現光緩存，其中又可以分為正反饋光緩存 和負反饋光緩存，正反饋光緩存技術同一光包僅一次通過延時光纖，而負反饋光緩存技術 可以實現光在延時光纖中循環。基于慢光效應的光緩存技術通過不同的方法達到最終改變 光傳輸群速度的效果，從而實現慢光效應，實現光緩存。有通過受激布里淵散射效應和受激 拉曼散射效應改變群折射率從而改變群速的方案;也有通過電磁感應透明技術實現光緩存 的方案;還有通過特殊的耦合共振結構減小群速實現光緩存的方案等等。眾多以上方案中， 基于光纖延時線的光緩存技術大量使用光開關，而且延時受限于光纖的長度，雖然有基于 負反饋的光緩存的設計存在，但是該方案大量使用波分復用器，半導體光放大器，偏振控制 器等器件，結構復雜，控制操作復雜;基于慢光效應的光緩存設計結構復雜，慢光時間調控 范圍小，難度大，緩存光帶寬也受到了很大的限制;現有的方案大多數只針對某一波長的光 波進行緩存，效率較低。 【實用新型內容】
[0004] 為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種基于陣列波導光柵路由器 的全光緩存器，解決了上述存在的問題。
[0005] 本實用新型所采用的技術方案是：
[0006] 本實用新型包括陣列波導光柵路由器、第一光纖延時線、波長轉換器、半導體光放 大器、第二光纖延時線、標簽處理和緩存控制臺；陣列波導光柵路由器為(N+l) X (N+1)路 由器，陣列波導光柵路由器其中一個輸入端口作為所述全光緩存器的輸入端，其中一個輸 出端口作為所述全光緩存器的輸出端，其余的輸入端口和輸出端口均用于光緩存環的環路 連接;陣列波導光柵路由器其余的輸出端口分別經各自的第一光纖延時線與波長轉換器的 各個輸入端連接，波長轉換器的輸出端連接半導體光放大器，半導體光放大器輸出端經各 自的第二光纖延時線后分別與陣列波導光柵路由器其余的各個輸入端口連接。
[0007] 信道中傳輸波長范圍為AxwAn的N個復合光包信號從陣列波導光柵路由器一個輸 入端口進入，經波分復用為N個不同波長的光包信號后從其余N個輸出端口輸出經第一光纖 延時線進入到波長轉換器進行波長轉換，再經半導體光放大器進行信號放大，最后經第二 光纖延時線傳輸到陣列波導光柵路由器其余N個輸入端口進入，從而形成N路相互獨立的光 緩存環。
[0008] 波長轉換器連接有緩存控制臺，陣列波導光柵路由器其余N個輸出端口的光信號 經標簽處理提取光包長度、源、目的地信息存儲在緩存控制臺，由緩存控制臺控制波長轉換 器對經過的光包信號進行波長轉換，通過改變波長實現光包信號在光緩存環中的緩存圈數 與緩存輸出，所需輸出的光包信號經陣列波導光柵路由器路由處理后從最終的一個輸出端 口輸出。
[0009] 對于N個不同波長的光包信號，陣列波導光柵路由器具有N+1個輸入端口和N+1個 輸入端口，其中一對輸入端口和輸出端口作為全光緩存器輸入輸出用的端口，其余N對相對 稱的輸入端口和輸出端口作為光緩存環用的連接端口。
[0010] N對端口形成N路光緩存環，每一路光包信號均在各自路的光緩存環中緩存。
[0011]標簽處理利用光標簽交換技術提取光包信號長度、源、目的地信息存儲在緩存控 制臺，緩存控制臺采用現場可編程門陣列FPGA計算各個光包信號所需要的緩存時間并控制 波長轉換器對到達的光信號進行波長轉換。
[0012]經波長轉換器改變波長后的所述復合光包信號在經過陣列波導光柵路由器后，或 者再次進入緩存環，或者從陣列波導光柵路由器的最終輸出端口輸出。
[0013] 對于每一路緩存環，該路緩存環的復合光包信號的光包長度t滿足以下公式：
[0014] t (L1+L2) / v~Twc,
[00?5]其中，v為光信號在光纖延時線中的傳播速度，Twc為波長轉換器的轉換時間，Li為 該路緩存環第一光纖延時線的長度，L2為該路緩存環第二光纖延時線的長度。
[0016] 各個緩存環的光纖延時線長度根據具體情況設計，并不一定需要相等。
[0017] 對于每一路緩存環，所述的第一光纖延時線中光的傳播時間滿足：
[0018] Tfi多Twc，即Li/v多Twc
[0019] 其中，Twc為波長轉換器的響應時間。
[0020] 輸入的每路光包信號中兩個光信號之間的間隔時間Tint erval滿足：
[0021] Tint erva l^Twc
[0022] 其中，Twc為波長轉換器的轉換時間。
[0023] 陣列波導光柵路由器和波長轉換器通過混合集成的方法集成在同一襯底上。
[0024] 本實用新型對于單個緩存環，所設計結構單波長的最短緩存時間To為：To = Tfl+ Tf2，其中Tfl為第一光纖延時線2中光的傳播時間，Tf2為第二光纖延時線5中光的傳播時間， 忽略光信號在陣列波導光柵路由器1以及半導體光放大器4中的傳輸時間。
[0025] 由此本實用新型對于單個波長的具體緩存時間T為最短緩存時間的整數倍，SP:T =mT〇，m=0，1，2 · · · ·
[0026] 本實用新型采用半導體光放大器4對信號光進行光放大，彌補傳輸以及轉換過程 中光信號的損耗，由此本實用新型的光信號在緩存環里無限緩存。
[0027]本實用新型的有益效果是：
[0028] 本實用新型的光緩存器通過一個陣列波導光柵路由器以及N個波長轉換器，N個半 導體光放大器同時實現N個波長的光波信號的不同緩存時間控制，結構緊湊，高效節能，避 免了大量其他控制單元的使用，比如光開光、偏振控制器、光耦合器等等。
[0029] 本實用新型同時對多路波長信號進行獨立緩存控制，最大化優化同一信道以及不 同信道間不同光包的緩存時間設計，緩存時間理論上可以無限制，緩存"讀寫"操作自由，容 量大，速率高，靈活性好。
[0030] 本實用新型的陣列波導光柵路由器、波長轉換器通過集成光學的方法集成在同一 塊襯底上，具有穩定性好，尺寸小，質量輕等優點。
【附圖說明】

[0031] 圖1為本實用新型方案的結構示意圖；
[0032]圖2為緩存光包長度計算說明圖；
[0033]圖3為4X4陣列波導光柵路由器工作原理示意圖；
[0034] 圖4為四通道陣列波導光柵路由器的結構圖。
[0035] 圖中：1、陣列波導光柵路由器，2、第一光線延時線，3、波長轉換器，4、半導體光放 大器，5、第二光纖延時線，6、標簽處理，7、緩存控制臺，8、輸入波導，9、輸入星型耦合器， 10、陣列波導，11、輸出星型耦合器，12輸出波導。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0037] 如圖1所示，本實用新型包括陣列波導光柵路由器（AWGR)l、第一光纖延時線 (FDL1)2、波長轉換器(WC)3、半導體光放大器（S0A)4、第二光纖延時線(FDL2)5、標簽處理 (LP)6、緩存控制臺（BM)7,由上述陣列波導光柵路由器(AWGR)l、第一光線延時線(FDL1)2、 波長轉換器(WC)3、半導體光放大器(S0A)4、第二光纖延時線(FDL2)5連接構成緩存環，由標 簽處理(LP)6、緩存控制臺(WC)3構成控制單元。
[0038] 波長范圍為λ0Ι」λΝ的復合光包信號從陣列波導光柵路由器(AWGR)l的一個輸入通 道進入，經過陣列波導光柵路由器(AWGR)l的波分解復用功能，將被分為N路波長獨立的光 包信號從陣列波導光柵路由器(AWGR)l的N個輸出端口輸出進入N條第一光纖延時線(FDL1) 2中繼續傳播。在第一光纖延時線(FDL1)2中傳播的光利用光標簽交換技術經標簽處理(LP) 6提取光包信號長度、源、目的地等信息反饋給基于現場可編程門陣列(FPGA)的緩存控制臺 (BM)7,由緩存控制臺分析計算出各波長光包信號需要的緩存時間。當在第一光線延時線 (FDL1) 2中的N路光信號傳輸一段時間之后達到各自連接的波長轉換器(WC) 3時，由緩存控 制臺（BM)7控制波長轉換器(WC)3將波長轉變成特定的所需波長，經過波長轉換器(WC)3改 變波長的各路信號之后進入N條第二光纖延時線(FDL2)4,在經過半導體光放大器(S0A)5補 充信號光的損耗之后通過第二光纖延時線(FDL2)4連接的陣列波導光柵路由器(AWGR)l的N 個輸入端口再次進入陣列波導光柵路由器(AWGR)l。再次進入的光信號根據具體改變的波 長條件，或直接從陣列波導光柵路由器(AWGR)l的特定輸出端口輸出，跳出緩存環，或者從 陣列波導光柵路由器(AWGR)l的緩存用輸出端口再次進入第一光線延時線(FDL1)2,進入各 自的緩存環，因為半導體光放大器(S0A)4的光放大功能，補充緩存光能量損耗，理論上可以 達到光信號的無限循環緩存。
[0039] 本實用新型主要利用陣列波導光柵路由器的波長路由原理，通過改變各個緩存通 道的波長，達到最終的緩存效果。圖3中示出了 4通道陣列波導光柵路由器的波長路由原理 圖。從圖中可以看出，從輸入端口 # 1 i、#2 i、#3 i和#4 i輸入的4個波長λ:、λ2、λ3和λ4，分別從輸 出端口 #1〇、#2〇、#3〇和#4〇輸出。并且，同一端口輸入的4個波長，在4個輸出端口從下到上始 終按照心八2、&和λ 4順序循環排列。通過觀察我們可以看出，在端口 #Π 輸入的波長為λ4的光 信號在對稱輸出端口#1〇 口輸出，也就是說，如果連接#1 i和#1〇構成環形，波長為λ4的光信 號將在其中循環傳輸，同理推論#2i與#2〇，#3i與#3〇，#4i與#4〇端口均可以構成緩存環，達 到光緩存的目的。同理推導通過合理設計波長轉換機制，對于N+1通道的陣列波導光柵路由 器，可選取N個對稱輸入輸出通道作為緩存用輸入輸出通道以及一對輸出用輸入輸出通道。
[0040] 對于單個緩存環，所用的第一光纖延時線2的長度為1^，第二光纖延時線5的長度 為L2;所適用的每個獨立波長光包信號的最長光包長度為t。
[0041] 如圖2(a)所示，對單個光包信號而言，當光包的包頭進入第一光纖延時線2時，必 須確保波長波長轉換器3有足夠的時間響應，SPU/v多T w。。當同一光包信號再次進入波長轉 換器3時，必須確保包尾信號已經離開波長轉換器3,即t必須滿足:t彡（LdUO/v-Iw。。其中， v為光包信號在光纖延時線中的傳播速度。綜上得:t彡(U+L2 ) /V-Tw。，U/ν彡Twc。
[0042] 如圖2(b)所示，對于兩個光包#1，#2而言，必須確保當#1的包尾離開波長轉換器3 時，有足夠的時間供#2進行進行波長響應，即，光包信號之間的時間間隔Tint erval&須滿足： Tint erva 1 多 Twco
[0043]為了方便說明，本實用新型實施例選用簡單的四通道陣列波導光柵路由器1對波 長轉換具體的情況加以說明：
[0044] 表1給出了將輸入端口#1〇、#2〇和#3〇作為緩存用輸入端口，輸出端口#1〇、#2〇和# 3〇作為對稱緩存用輸出端口，端口#4i與#4〇作為特定的總輸入與輸出端口的情況下的各波 長轉換情況。
[0045] 表1 4x4AWGR波長轉換規律
[0047] 以下，給出在本實用新型中的關鍵器件陣列波導光柵路由器的一個具體設計案 例。為方便說明，采用設計四通道陣列波導光柵。
[0048] 選用材料氮氧化硅，采用掩埋型二氧化硅條形波導，包層折射率為m的Si02,芯層 的為折射率為n2的SiON。在本實用新型中，采用3umX3um的正方形結構，其中芯層的SiON 寬1.5um，高lum，整個設計尺寸為3000umX1450um。在光波長為1550um時，Si02的有效折射 率nl為1.455，SiON為混合材料，折射率根據配比有不同的變化，這里采用折射率n2為1.6的 SiON材料進行設計，通過有限差分方法(FDM)計算得芯層的有效折射率為neff = 1.500874， 平板區有效折射率為ns = 1.539289。設計所用的光波長為Ai = Ac+(i-8) Δλ，其中Ac = 1.55um，i = l，2,3,4。具體的設計參數如表2所示。
[0049] 表2四通道AWGR主要設計參數
[0051]圖4給出了以上設計的四通道陣列波導光柵路由器的具體設計圖，包括輸入波導 8、輸入星型耦合器9、陣列波導10、輸出星型耦合器11和輸出波導12,輸入波導8依次經輸入 星型耦合器9、陣列波導10、輸出星型耦合器11后與輸出波導12連接。
[0052]本實用新型所設計全光緩存器的所采用的核心器件:陣列波導光柵路由器、波長 轉換器、半導體光放大器尺寸在_量級甚至更小，均采用半導體材料，可通過混合集成的方 法將其集成在同一塊襯底上，具有尺寸小，穩定性好、質量輕等特點。其中現有的技術中，波 長轉換器的響應時間已經可以達到ns量級，具有響應速度快的優點。本實用新型同時對多 路波長信號進行獨立緩存控制，最大化優化同一信道以及不同信道間不同光包的緩存時間 設計，緩存"讀寫"容量大，靈活性好。緩存環中采用半導體光放大器及時補充光信號損耗， 緩存時間理論上可以無限。
[0053]以上結合附圖詳細描述了本實用新型一種基于波長路由的光緩存器的實施方式。 注意，以上實施案例是用來解釋說明本實用新型的，而不是對本實用新型進行限制，在本實 用新型的精神和權利要求的保護范圍內，對本實用新型做出的任何修改和改變，都將落入 本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于： 包括陣列波導光柵路由器（1)、第一光纖延時線（2)、波長轉換器(3)、半導體光放大器 (4)、第二光纖延時線(5)和緩存控制臺（7);所述陣列波導光柵路由器（1)為(N+1)X(N+1) 路由器，陣列波導光柵路由器（1)其中一個輸入端口作為所述全光緩存器的輸入端，其中一 個輸出端口作為所述全光緩存器的輸出端，其余的輸入端口和輸出端口均用于光緩存環的 環路連接； 陣列波導光柵路由器（1)其余的輸出端口分別經各自的第一光纖延時線（2)與波長轉 換器(3)的各個輸入端連接，波長轉換器(3)的輸出端連接半導體光放大器(4)，半導體光放 大器(4)輸出端經各自的第二光纖延時線(5)后分別與陣列波導光柵路由器（1)其余的各個 輸入端口連接； 信道中傳輸波長范圍為λι~λΝ的N個復合光包信號從陣列波導光柵路由器(1)一個輸入 端口進入，經波分復用為Ν個不同波長的光包信號后從其余Ν個輸出端口輸出經第一光纖延 時線(2)進入到波長轉換器(3)進行波長轉換，再經半導體光放大器(4)進行信號放大，最后 經第二光纖延時線(5)傳輸到陣列波導光柵路由器(1)其余Ν個輸入端口進入，從而形成Ν路 相互獨立的光緩存環； 波長轉換器(3)連接有緩存控制臺（7 )，陣列波導光柵路由器（1)其余Ν個輸出端口的光 信號經標簽處理(6)提取光包長度、源、目的地信息后存儲在緩存控制臺（7)，由緩存控制臺 (7)控制波長轉換器(3)對經過的光包信號進行波長轉換，通過改變波長實現光包信號在光 緩存環中的緩存圈數與緩存輸出，所需輸出的光包信號經陣列波導光柵路由器（1)路由處 理后從最終的一個輸出端口輸出。2. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:對 于Ν個不同波長的復合光包信號，陣列波導光柵路由器（1)具有Ν+1個輸入端口和Ν+1個輸出 端口，其中一對輸入端口和輸出端口作為全光緩存器輸入輸出用的端口，其余Ν對相對稱的 輸入端口和輸出端口作為光緩存環用的連接端口。3. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:通 過標簽處理(6)利用光標簽交換技術提取光包信號長度、源、目的地信息存儲在緩存控制臺 (7)，標簽處理(6)后的不同波長的光包信號傳送到緩存控制臺（7)，緩存控制臺（7)采用現 場可編程門陣列，計算各個光包信號所需要的緩存時間并控制波長轉換器(3)對到達的光 信號進行波長轉換。4. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:經 波長轉換器(3)改變波長后的所述光包信號在經過陣列波導光柵路由器(1)后，或者再次進 入緩存環，或者從陣列波導光柵路由器(1)的最終輸出端口輸出。5. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:對 于每一路緩存環，該路緩存環的光包信號的光包長度t滿足以下公式： t ( Ll+L2 ) /V~Twc , 其中，V為光信號在光纖延時線中的傳播速度，Twc為波長轉換器的轉換時間，Li為該路 緩存環第一光纖延時線(2)的長度，1^為該路緩存環第二光纖延時線(5)的長度。6. 根據權利要求1或5所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在 于:對于每一路緩存環，所述的第一光纖延時線(2)中光的傳播時間滿足： Tfl 多 Twc，即 Ll/v 多 Twc 其中，Twc為波長轉換器的轉換時間。7. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:所 述輸入的每路光包信號中相鄰兩個光包信號各個光信號之間的間隔時間Tinterval滿足： T interval ^ Twc 其中，Twc為波長轉換器的轉換時間。8. 根據權利要求1所述的一種基于陣列波導光柵路由器的全光緩存器，其特征在于:所 述的陣列波導光柵路由器(1)和波長轉換器(3)通過混合集成的方法集成在同一襯底上。
【文檔編號】H04Q11/00GK205726199SQ201620327217
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】吳月, 陳陽, 何建軍, 郎婷婷
【申請人】浙江大學