專利名稱：偏振型光緩存器及其調節方法
技術領域：
本發明涉及光通信技術領域，具體地講是一種偏振型光緩存器及其調節方 法，即利用偏振態在半導體光放大器或者光纖中的非線性旋轉作為偏振控制開 關，實現對于數據分組信號進行緩存的光緩存器。
背景技術：
隨著高速全光網的發展，波長交換的缺點逐漸顯現，全光網正從以波長為交 換粒度的光波長交換網向以包為粒度的光分組交換網過渡，光分組交換將成為 全光網的重要方向之一。全光分組交換實質是一種存儲-轉發技術，因此如何在 光域中完成光數據分組的存儲成為全光分組交換的技術關鍵。網絡中節點的容 量、吞吐量、丟包率等特性均取決于存儲器性能的優劣。
目前已經提出了多種全光緩存器的方案，如果按照存儲體(介質)進行分
類，主要有以下3種基于電誘導透明(EIT)原理的以半導體量子點、原子氣 和固態材料為存儲體的慢光緩存器；以啁啾光柵為存儲體的光柵型緩存器；以 光纖為存儲體的光纖環路型緩存器。雖然EIT介質具有長的緩存時間以及可以 調節的延時特性，但是它昂貴的成本、特定波長的限制以及還沒有進行讀寫控 制實驗，許多問題尚未暴露。目前處于對光速減慢的探索階段，離適用于高速 數據緩存的實際緩存器相距甚遠。至于光柵，由于帶寬很窄不能在高速率下使 用，沒有實際意義。而當前比較實際的還是基于光纖型的光緩存器。
前兩種緩存器都是基于對群速度進行控制，而光纖型緩存器是基于對緩存 長度進行控制的，目前以光纖為存儲體的全光緩存器按結構分為以下三類
第一類是基于"延遲線+光開關"的方案(如圖1)， 一個基本的設計包含- -個
2X2光開關和一組不同延遲時間的光纖。利用光纖的延遲特性配合光開關來調 節延遲時間，就構成了"交換延遲線"。
第二類是基于"反射光纖(FP腔)+光開關"的方案(如圖2)。基本思想是 在一根光纖的兩端，分別加一個透過率(反射率)可調的鏡片M1和M2。當需 要把光信號引入時，可將M1調整到透光狀態，待光信號進入光纖后，Ml立刻 轉換為全反射狀態，M2此時也是全反射狀態，于是光信號就在由兩個全反射鏡 組成的FP腔中來回運動，被存儲于光纖中。當需要讀出的時候，只需將M2改 成透光狀態即可。原則上，光子可以在FP腔中存活相當長的時間。常見的改變 透過率的方法有非線性環路鏡NOLM， T比特非對稱解復用器TOAD或非線性光 纖薩格奈克干涉儀NFSI (Nonlinear Fiber Sagnec Interferometer )等光開關。目 前，可以將32bit的1Gb/s的信號存儲時間長達lms以上。
第三類是基于光纖環(Fiber Loop)的方案， 一個基本的設計包含一個2X2 光開關和一個光纖環路，存儲時間是光信號在環內延遲時間的整數倍。帶有功 率補償的光纖環，如果不考慮噪聲的積累，理論上光子可在其中存活很長的時 間。關鍵是如何將光子引入(寫操作)和將光子輸出(讀操作)。在具體實現寫 入與讀出方式上包括a.采用光耦合器輸入、光耦合器輸出(如圖3); b.采用 光耦合器輸入、光開關輸出(如圖4); c.采用光耦合器輸入、采用解復用器輸 出；d.采用光纖環+TOAD光開關等。這種設計的基本困難是存儲時間只能是固 定的或者是環時間的整數倍。
經過分析發現，上述緩存器中的絕大部分都要使用半導體光放大器SOA，或 者作為寫入和讀出控制的光開關，或者作為非線性元件，因此S0A在這種光纖 型緩存器中起著關鍵作用。但是，S0A是一種具有多種光-光互作用的器件，包 括交叉增益調制、交叉相位調制、交叉偏振調制以及4波混頻等等。以往的緩
存器僅僅利用了交叉增益調制和交叉相位調制，但是這兩種工作方式的缺點在 于由于受到增益恢復時間的限制，最快的速度只能達到數十PS的量級，限制 了開關速度的進一步提高。SOA中的交叉偏振調制，是目前己經知道的最快的光
-光互作用現象，速度可達fs級，已經有用于320Gb/s系統的報道。同時，基
于交叉相位調制的緩存器，必須使用干涉原理，而干涉的基礎是要求偏振態一 致。由于光纖是一個偏振不穩定器件，偏振態受環境影響很大，所以基于交叉 相位調制的光開關長時穩定性不夠理想。利用偏振態作為開關，可以回避偏振
不穩定的問題。此外，目前基于干涉原理的SOA光開關TOAD，緩存深度(緩存 數據包的長度與光纖長度之比)受到一定限制，這是因為TOAD中順時針與逆時 針的兩路光不能在S0A中相遇，否則它們之間將相互干擾。這使得基于這種光 開關的最大緩存深度達不到50%。基于交叉偏振調制的光緩存器，不需要使用千 涉原理，因此緩存深度可達90%以上，這就是本發明的出發點。
發明內容
本發明的目的就是提供一種偏振型光緩存器及其調節方法，該緩存器是針 對目前光緩存器的開關速度不夠快、回避偏振態不穩定的問題而設計的。
本發明的技術方案如下
偏振型光緩存器是由一個輸入偏振控制器、 一個偏振合束器、 一個非線性 偏振旋轉功能單元、 一個偏振分束器和一段保偏光纖組成。非線性偏振旋轉功 能單元由前、后端偏振器、 一個可控非線性旋轉功能器件以及偏振態在線監測 單元組成。偏振態在線監測單元由一個1X2光纖耦合器和一個偏振控制器構成。
上述器件連接關系如下
輸入偏振控制器是一個單輸入單輸出器件，它的輸入端與外界相連，它的 輸出端與偏振合束器的一個偏振輸入端相連。
偏振合束器是一個2輸入1輸出的器件，它的兩個輸入端分別輸入正交的
兩個線偏振態(分別稱為X偏振態和Y偏振態)，它的輸出端把這兩個線偏振態 合成一個橢圓偏振態(特殊情況下，也可能合成為圓偏振態或者線偏振態)，并 連接到非線性偏振旋轉功能單元。
非線性偏振旋轉功能單元由前端偏振器、可控非線性偏振旋轉功能器件和 后端偏振器依次連接組成，其間還插接偏振態在線監測單元。前、后端偏振器
都是單輸入單輸出器件；可控非線性偏振旋轉功能器件分為電控和光控兩種
電控器件包括一個電流輸入端和電流輸出端，光控器件包括一個波分復用耦合
器和一個濾波器。偏振態在線監測單元中的1X2的光纖耦合器的輸入端與非線 性偏振旋轉功能單元的輸出端相連，它的兩個輸出端其中之一與偏振分束器的 輸入端相連，它的另一個輸出端與偏振控制器相連，這個偏振控制器的輸出端 與偏振分析儀連接。
非線性偏振旋轉功能單元的輸出與偏振分束器的輸入端相連，偏振分束器 是一個1X2的器件，它的輸入端可以為任意偏振態，它的兩個輸出端為兩個正 交的線偏振態(分別稱為X'偏振態和Y'偏振態)，其中一個輸出端與保偏光 纖相連，另一個作為緩存器的輸出與外界相連。
保偏光纖的輸出端反饋到偏振合束器的另一個輸入端，構成一個光纖環路， 光信號在這個環路中緩存。
本發明偏振型光緩存器的工作原理如下對于進入緩存器的光數據分組， 首先經過輸入偏振控制器調整到Y偏振態，然后經過偏振合束器到達非線性偏 振旋轉功能單元。如果這個數據分組不需要緩存，則非線性偏振旋轉功能單元 對其偏振態不旋轉，仍然為Y偏振態，這個信號到達偏振分束器時，它就從Y' 偏振態端輸出。如果這個數據分組需要緩存，則非線性偏振旋轉功能單元對其
進行偏振旋轉，使之為X偏振態，這個信號到達偏振分束器時，它就從X'偏振
態端輸出。從x'偏振態端輸出的信號進入保偏光纖，反饋到偏振合束器的x偏
振態端，重新進入非線性偏振旋轉功能單元。如果不需要讀出，則非線性偏振 旋轉功能單元保持其偏振態不變，于是這個數據組就在這個保偏光纖構成的環
路中繼續緩存；如果需要讀出，則非線性偏振旋轉功能單元使其偏振態旋轉為Y 偏振態，然后偏振分束器的Y'偏振態端輸出，完成了整個緩存操作。
非線性偏振旋轉功能單元對輸入信號的偏振旋轉的工作原理以及調節方法
如下前端偏振控制器將輸入的偏振態首先隨意轉變為一個任意偏振態，然后
調節非線性偏振旋轉功能器件的控制參量，對于電控型就是調節電流的大小， 對于光控型就是調節注入光功率的大小，這時發現在這個單元的輸出端的偏振 態在邦加球上畫出一個圓。然后再調節前端偏振控制器，使它在邦加球上的偏 振態落入前一個圓的內部，然后再改變控制參量，將再畫出一個同心圓。依次 多次調節，最終發現同心圓會縮成一點。這表示再改變控制參量，輸出偏振態 不再變化，則稱這個偏振態為調節參量的偏振主態。找到偏振主態之后，調節 后端偏振控制器，將偏振主態調到邦加球的北極(或南極)。然后再調整前端偏 振控制器，使偏振態調整到邦加球的赤道上。這時，再調節控制參量，會發現
偏振態在赤道上旋轉，并記錄下邦加球赤道上X偏振態和Y偏振態所對應的控
制參數(電流或者光功率)。在使用時，只要給定這兩個控制參數，就可以實現 兩個正交線偏振態的轉換。
偏振態在線監測單元的工作原理及調節方法如下對于1X2的光纖耦合器
的兩個輸出端而言，由于它們的信號都來自于同一個輸入端，因此可以把1X2
偏振分束器的輸入端與偏振分析儀的輸入端看作同一個輸入端經過不同的變換 矩陣得到的結果。為了達到在線監測的目的，必須保證二者始終相同，也就是 保證二者的變換矩陣相同。每個變換矩陣都可以描述為一個旋轉的邦加球，為
了使兩個邦加球相同，只需要保證球的一個大圓有3點重合，再加上圓外 -點 重合就可以了。具體做法是調解在線偏振監測單元的偏振控制器，使得赤道上 的3點互相重合，然后再使得北極重合就可以了。
本發明偏振型光緩存器的優點在于讀寫反應速度快，光纖環的緩存深度達
到90%以上，便于級聯等。
圖1是基于"延遲線+光開關"的全光緩存器原理圖2是基于"反射光纖(FP腔)+光開關"的全光緩存器原理圖3是采用"光耦合器輸入、光耦合器輸出"的全光緩存器原理圖4是采用"光耦合器輸入、光開關輸出"的全光緩存器原理圖；。
圖5是雙環耦合全光緩存器(通過式)原理圖6是雙環耦合全光緩存器(返回式)原理圖7為本發明的結構示意圖8為非線性偏振旋轉功能單元結構示意圖9為偏振態在線監測單元結構示意圖io為非線性偏振旋轉功能單元對輸入信號的偏振旋轉的工作原理以及調 節方法在邦加球上的顯示圖11為改變S0A的偏置電流時，偏振方向的角度與偏置電流的大小之間的 關系；
圖12為改變注入S0A的另一個波長的光功率從而實現偏振態非線性旋轉的 方案示意圖13改變注入HNHB的另一個波長的光功率從而實現偏振態非線性旋轉 的方案示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
在本實施例中，緩存器可以實現對延遲時間按照光纖環延遲時間的整數倍 任意可調，并具有開關速度快、緩存深度大、以及便于級聯等優點。
偏振型光緩存器的結構如圖7—13所示包括一個輸入偏振控制器l、 一個 偏振合束器2、 一個非線性偏振旋轉功能單元3、 一個偏振分束器4、 一段保偏 光纖5以及一個偏振態在線監測單元6。非線性偏振旋轉功能單元3由一個前端 偏振器7、 一個可控非線性旋轉功能器件8以及一個后端偏振器9組成。偏振態 在線監測單元6由一個1X2的光纖耦合器10與一個偏振控制器11組成。
非線性偏振旋轉功能單元3對信號的偏振態調節方法如下前端偏振控制 器7將輸入的偏振態首先隨意轉變為一個任意偏振態，然后調節非線性偏振旋 轉功能器件8的控制參量，對于電控型就是調節電流的大小，對于光控型就是 調節注入光功率的大小，這時發現在這個單元的輸出端的偏振態在邦加球上畫 出一個圓，參見圖10。然后再調節前端偏振器7，使它在邦加球上的偏振態落 入前一個圓的內部，然后再改變控制參量，將再畫出一個同心圓。依次多次調 節，最終發現同心圓會縮成一點。這表示再改變控制參量，輸出偏振態不再變 化，則稱這個偏振態為調節參量的偏振主態。找到偏振主態之后，調節后端偏 振控制器9，將偏振主態調到邦加球的北極(或南極)。然后再調整前端偏振器 7，使偏振態調整到邦加球的赤道上。這時，再調節控制參量12，會發現偏振態 在赤道上旋轉，并記錄下邦加球赤道上X偏振態和Y偏振態所對應的控制參數 (電流或者光功率)。在使用時，只要給定這兩個控制參數，就可以實現兩個正 交線偏振態的轉換。
偏振態在線監測單元6的調節方法如下對于1X2的光纖耦合器10的兩個 輸出端而言，由于它們的信號都來自于同一個輸入端，因此可以把1X2偏振分
束器4的輸入端與偏振分析儀的輸入端看作同一個輸入端經過不同的變換矩陣 得到的結果。為了達到在線監測的目的，必須保證二者始終相同，也就是保證 二者的變換矩陣相同。每個變換矩陣都可以描述為一個旋轉的邦加球，為了使 兩個邦加球相同，只需要保證球的一個大圓有3點重合，再加上圓外--點重合 就可以了。具體做法是調解在線偏振監測單元的偏振控制器11，使得赤道上的
3點互相重合，然后再使得北極重合就可以了。
本發明的緩存器中，可控非線性旋轉功能器件8可以有多種選擇，下面給
出幾種
第一種非線性旋轉功能器件8采用半導體光放大器SOA，控制參量12為 改變注入SOA的電流。當注入SOA的電流改變時，即使保持輸入偏振態不變， 輸出偏振態也會發生變化，表現在邦加球上就是偏振態旋轉。當電流比較小時， 旋轉的角度隨電流呈線性變化，當電流比較大時，呈非線性變化，參見圖11， 對于圖中所示的SOA,電流大約在40mA-90mA變動，就可以從水平偏振態變為 垂直偏振態。
第二種非線性旋轉功能器件8采用半導體光放大器SOA，控制參量12為 改變注入SOA的另一個波長的光功率。當注入SOA的另一個波長的光功率改 變時，即使保持輸入偏振態不變，輸出偏振態也會發生變化，表現在邦加球上 就是偏振態旋轉，參見圖14，除了SOA以外，還包括兩個波分復用WDM光纖 耦合器，分別置于SOA的前后，它們的作用是將另一個波長的光引入和引出 SOA.
第三種非線性旋轉功能器件8采用高雙折射且高非線性的光纖HNHB， 包括光子晶體光纖PCF，控制參量12為改變注入這種光纖的另一個波長的光功 率。當注入高雙折射且高非線性的光纖的另一個波長的光功率改變時，由于兩
個光之間的非線性交叉偏振調制，即使保持輸入偏振態不變，輸出偏振態也會 發生變化，表現在邦加球上就是偏振態旋轉，見圖15，除了高雙折射且高非線
性的光纖以外，還包括兩個波分復用WDM光纖耦合器，分別置于高雙折射且 高非線性的光纖的前后，它們的作用是將另一個波長的光引入和引出SOA。
權利要求
1.一種偏振型光緩存器，其特征在于它由一個輸入偏振控制器(1)、一個偏振合束器(2)、一個非線性偏振旋轉功能單元(3)、一個偏振分束器(4)和一段保偏光纖(5)組成；非線性偏振旋轉功能單元(3)由前、后端偏振器(7)和(9)、一個可控非線性旋轉功能器件(8)以及偏振態在線監測單元(6)組成，偏振態在線監測單元(6)由一個1×2光纖耦合器(10)和一個偏振控制器(11)構成輸入偏振控制器(1)是一個單輸入單輸出器件，它的輸入端與外界相連，它的輸出端與偏振合束器(2)的一個偏振輸入端相連；偏振合束器(2)是一個2輸入1輸出的器件，它的兩個輸入端分別輸入正交的兩個線偏振態(分別稱為X偏振態和Y偏振態)，它的輸出端把這兩個線偏振態合成一個橢圓偏振態(特殊情況下，也可能合成為圓偏振態或者線偏振態)，并連接到非線性偏振旋轉功能單元(3)；非線性偏振旋轉功能單元(3)由前端偏振器(7)、可控非線性偏振旋轉功能器件(8)和后端偏振器(9)依次連接組成，其間還插接偏振態在線監測單元(6)；前、后端偏振器(7)和(9)都是單輸入單輸出器件；可控非線性偏振旋轉功能器件(8)分為電控和光控兩種電控器件包括一個電流輸入端和電流輸出端，光控器件包括一個波分復用耦合器和一個濾波器；偏振態在線監測單元(6)中的1×2的光纖耦合器(10)的輸入端與非線性偏振旋轉功能單元(3)的輸出端相連，它的兩個輸出端其中之一與偏振分束器(4)的輸入端相連，它的另一個輸出端與偏振控制器(11)相連，這個偏振控制器(11)的輸出端與偏振分析儀連接；非線性偏振旋轉功能單元(3)的輸出與偏振分束器(4)的輸入端相連，偏振分束器(4)是一個1×2的器件，它的輸入端可以為任意偏振態，它的兩個輸出端為兩個正交的線偏振態(分別稱為X’偏振態和Y’偏振態)，其中一個輸出端與保偏光纖(5)相連，另一個作為緩存器的輸出與外界相連；保偏光纖(5)的輸出端反饋到偏振合束器(2)的另一個輸入端，構成一個光纖環路，光信號在這個環路中緩存。
2. —種偏振型光緩存器的調節方法，其特征在于非線性偏振旋轉功能單元 (3)對信號的偏振態調節方法是前端偏振控制器(7)將輸入的偏振態首先隨意轉變為一個任意偏振態，然 后調節非線性偏振旋轉功能器件(8)的控制參量(12)，對于電控型就是調節 電流的大小，對于光控型就是調節注入光功率的大小，這時發現在這個單元的 輸出端的偏振態在邦加球上畫出一個圓，然后再調節前端偏振器(7)，使它在 邦加球上的偏振態落入前一個圓的內部，然后再改變控制參量(12)，將再畫出 一個同心圓，依次多次調節，最終發現同心圓會縮成一點，這表示再改變控制 參量，輸出偏振態不再變化，則稱這個偏振態為控制參量的偏振主態；找到偏 振主態之后，調節后端偏振控制器(9)，將偏振主態調到邦加球的北極(或南 極)，然后再調整前端偏振器(7)，使偏振態調整到邦加球的赤道上；這時，再 調節控制參量(12)，會發現偏振態在赤道上旋轉，并記錄下邦加球赤道上X偏 振態和Y偏振態所對應的控制參數(電流或者光功率)，在使用時，只要給定這 兩個控制參數，就可以實現兩個正交線偏振態的轉換；偏振態在線監測單元(6)的調節方法是對于1X2的光纖耦合器(10)的 兩個輸出端而言，由于它們的信號都來自于同一個輸入端，因此可以把1X2偏 振分束器4的輸入端與偏振分析儀的輸入端看作同一個輸入端經過不同的變換 矩陣得到的結果，為了達到在線監測的目的，必須保證二者始終相同，也就是 保證二者的變換矩陣相同；每個變換矩陣都可以描述為一個旋轉的邦加球，為 了使兩個邦加球相同，只需要保證球的一個大圓有3點重合，再加上圓外--點 重合就可以了，具體做法是調解在線偏振監測單元的偏振控制器(11)，使得赤道上的3點互相重合，然后再使得北極重合就可以了。
3.根據權利要求2所述的偏振型光緩存器的調節方法，其特征在于可控非線性旋轉功能器件(8)可以有如下選擇第一種非線性旋轉功能器件(8)采用半導體光放大器SOA，控制參量 12為改變注入SOA的電流當注入SOA的電流改變時，即使保持輸入偏振態 不變，輸出偏振態也會發生變化，表現在邦加球上就是偏振態旋轉，當電流比 較小時，旋轉的角度隨電流呈線性變化，當電流比較大時，呈非線性變化；第二種非線性旋轉功能器件(8)采用半導體光放大器SOA，控制參量 12為改變注入SOA的另一個波長的光功率當注入SOA的另一個波長的光功 率改變時，即使保持輸入偏振態不變，輸出偏振態也會發生變化，表現在邦加 球上就是偏振態旋轉；除了 SOA以外，還包括兩個波分復用WDM光纖耦合器， 分別置于SOA的前后，它們的作用是將另一個波長的光引入和引出SOA;第三種非線性旋轉功能器件(8)采用高雙折射且高非線性的光纖HNHB， 包括光子晶體光纖PCF，控制參量12為改變注入這種光纖的另一個波長的光功 率當注入高雙折射且高非線性的光纖的另一個波長的光功率改變時，由于兩 個光之間的非線性交叉偏振調制，即使保持輸入偏振態不變，輸出偏振態也會 發生變化，表現在邦加球上就是偏振態旋轉；除了高雙折射且高非線性的光纖 以外，還包括兩個波分復用WDM光纖耦合器，分別置于高雙折射且高非線性 的光纖的前后，它們的作用是將另一個波長的光引入和引出SOA。
全文摘要
偏振型光緩存器及其調節方法，是針對目前光緩存器的開關速度不夠快、回避偏振態不穩定的問題而設計的，即利用偏振態在半導體光放大器或者光纖中的非線性旋轉作為偏振控制開關，實現對于數據分組信號進行緩存的光緩存器。該光緩存器由輸入偏振控制器、偏振合束器、非線性偏振旋轉功能單元、偏振分束器和保偏光纖組成。其中非線性偏振旋轉功能單元由前、后端偏振器、可控非線性旋轉功能器件以及偏振態在線監測單元組成，偏振態在線監測單元由光纖耦合器和偏振控制器構成。通過偏振型光緩存器對輸入信號的偏振旋轉的調節，回避偏振不穩定的問題。本發明偏振型光緩存器的優點在于讀寫反應速度快，光纖環的緩存深度達到90％以上，便于級聯。
文檔編號H04L12/56GK101114886SQ20071012112
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月30日 優先權日2007年8月30日
發明者吳重慶, 木 程, 爽 趙 申請人:北京交通大學