光标记交换中关键技术的研究

论文摘要

互联网以及各种数据业务、多媒体业务的迅猛增长,对网络带宽、电信网的传输以及交换能力提出了更高的要求。尽管波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）技术充分利用了光纤的巨大带宽,使得传输容量和传输速率都得到了极大的提高,但是目前在交换层面上仍以电交换为主,造成了核心节点电子器件处理速度与传输网络速率之间的失配,限制了通信网的进一步发展。未来光交换将以全光交换技术突破电处理的瓶颈,能支持多粒度带宽、多样性业务。但是由于全光器件的研制仍在实验室阶段,因此提出了基于光电混合的光标记交换,其结合了电子与光子技术的优势,采用电控光的方式完成交换过程,成为光交换领域的研究热点。本论文分析和总结了大量国内外有关各种光标记产生以及相关关键技术的文献,主要针对目前研究较为前沿的两种技术——正交调制光标记技术以及光码（Optical Code, OC）标记技术展开研究,对其工作原理进行了理论分析,并通过仿真,分析了系统的参数设置及系统性能；并在标记交换与识别等方面展开了相关研究,提出了相应的方案。本文的工作和创新点如下：1、基于频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）的正交调制光标记技术的研究（1）提出了一种基于半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）-交叉增益调制（Cross Gain Modulation, XGM）的FSK信号实现方案,其具有结构简单、易于集成等优势；基于此FSK信号发生方案实现了40Gbit/s的FSK/幅移键控（Amplitude Shift Keying, ASK）正交调制光标记交换仿真系统。对此FSK/ASK标记系统的性能进行了分析,包括激光器功率、FSK信号发生器中信号光的消光比、经过背靠背（Back-to-Back, B2B）传输和光纤传输之后系统性能以及ASK消光比对整个系统性能的影响等。结果表明：利用此方案实现的FSK/ASK光标记系统具有良好的传输性能以及接收机灵敏度。（2）提出了一种基于偏振移位键控（Polarization Shift Keying,PolSK）的FSK信号产生方案,优势在于其对速率透明且频率间隔可调；基于此信号发生器,实现了1.25Gbit/s FSK标记以及40Gbit/s ASK净荷的正交调制光标记系统。通过仿真,对该信号B2B、60km以及96km单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）+色散位移光纤（Dispersion Conpensation Fiber, DCF）传输后的误码率（Bit Error Ratio, BER）特性、ASK净荷的消光比以及FSK标记的频率间隔对系统性能的影响进行了分析,并确定了ASK净荷消光比和FSK标记频率间隔的最佳取值。（3）提出基于反转归零（Inverse Return-to-zero, IRZ）调制格式解决ASK净荷消光比受限的方案,搭建了基于PolSK的40Gbit/s FSK/IRZ正交调制光标记系统的仿真模型,并将此系统的消光比与同速率FSK/ASK标记系统进行了比较；此外,讨论了不同IRZ的占空比对经过FSK标记及IRZ净荷的影响。结果表明,与ASK净荷相比,将IRZ调制格式作为净荷,可以明显地提高净荷的消光比；较高的IRZ净荷占空比有利于改善FSK标记的性能,但却不利于IRZ净荷的探测。2、基于差分相移键控（Differential Phase Shift Keying, DPSK）/脉冲位置调制（Pulse Position Mudulation, PPM）的正交调制光标记系统（1）提出基于PPM调制格式解决DPSK/ASK正交调制的光标记系统中消光比受限的方案；搭建了40Gbit/s DPSK/PPM正交调制光标记系统的仿真模型,分析了PPM净荷消光比对系统性能的影响,并与同速率的DPSK/ASK标记系统进行了比较；分析了系统经过B2B、96km SMF+DCF传输之后,DPSK标记与PPM净荷的BER与接收光功率之间的关系；此外,还讨论了PPM脉冲宽度对系统性能的影响。结果表明：DPSK/PPM具有良好的传输性能,并且通过引入PPM调制格式可以明显提高净荷的消光比。（2）提出一种基于SOA-四波混频（Four Wave Mixing, FWM）效应实现DPSK标记擦除的方案；通过理论和仿真对该方案进行了分析,搭建了40Gbit/s DPSK/PPM光标记交换系统,在核心节点处利用FWM实现了2.5Gbit/s和10Gbit/s DPSK标记的擦除,并利用DPSK再调制实现标记的重新写入。结果表明：通过分析标记擦除之后PPM净荷以及新DPSK标记的误码率与接收光功率的关系,实现了不同速率下DPSK标记的标记擦除,证实了该方案具有对速率透明、处理速度快、结构简单的优点。3、基于谱幅度编码（Spectral Amplitude Code, SAC）的光码标记交换系统（1）提出了时间堆栈的SAC标记交换系统结构,该系统具有处理灵活、结构简单的优点；并提出了基于FWM效应以及光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的SAC标记识别方案,此方案具有处理速度快、对速率透明的优点,并且可以避免其他方案中移除标记时导致净荷信息丢失的问题。（2）搭建了40Gbit/s基于时间堆栈SAC标记的光标记交换仿真系统,核心节点通过SOA的FWM效应产生与SAC标记相对应的边带,利用布拉格波长固定的FBG对边带进行滤波从而实现识别；通过讨论转发节点处光开关输出端口净荷的误码率特性,证实了两个转发节点良好的转发性能,说明了利用FWM边带实现SAC标记识别的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光通信网络的现状及发展趋势
• 1.2 光交换技术
• 1.2.1 光线路交换技术
• 1.2.2 光分组交换技术
• 1.2.3 光突发交换技术
• 1.3 光标记交换技术
• 1.3.1 光标记交换网络节点结构
• 1.3.2 光标记的产生方式
• 1.3.3 光标记交换的标记处理
• 1.3.4 光标记交换的竞争解决
• 1.4 本文的研究内容及章节安排
• 参考文献
• 第二章 光调制技术
• 2.1 光调制原理
• 2.2 常见调制格式
• 2.2.1 幅移键控ASK
• 2.2.2 频移键控FSK
• 2.2.3 相移键控PSK
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于FSK的正交调制光标记交换系统
• 3.1 基于XGM的FSK/ASK正交调制光标记方案
• 3.1.1 半导体光放大器特性研究
• 3.1.2 基于XGM产生FSK信号的原理
• 3.1.3 基于XGM的FSK/ASK正交光标记系统
• 3.1.4 结果分析与讨论
• 3.2 基于PolSK的FSK光标记方案
• 3.2.1 PolSK的调制原理
• 3.2.2 基于PolSK产生FSK信号的原理
• 3.2.3 基于PolSK的FSK/ASK正交调制光标记方案
• 3.2.4 基于PolSK的FSK/IRZ正交调制光标记系统
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于DPSK/PPM的正交调制标记交换
• 4.1 基于DPSK/PPM的正交调制光标记系统
• 4.1.1 PPM信号的调制原理
• 4.1.2 DPSK/PPM正交调制光标记系统
• 4.1.3 结果分析与讨论
• 4.2 基于FWM的核心节点的标记交换
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 基于FWM标记擦除方案的DPSK/PPM标记交换系统
• 4.2.3 结果分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于光谱幅度码（SAC）的光码标记交换
• 5.1 光码（OC）标记交换系统
• 5.1.1 系统结构及工作原理
• 5.1.2 常用OC标记的编码方式
• 5.2 SAC光码标记的识别
• 5.2.1 SAC标记的产生与识别
• 5.2.2 基于FWM实现SAC标记识别的原理
• 5.3 时间堆栈的SAC光码标记识别
• 5.3.1 时间堆栈的SAC标记
• 5.3.2 基于FWM的时间堆栈SAC标记识别原理
• 5.3.3 时间堆栈的SAC标记识别系统
• 5.3.4 结果分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与前景展望
• 6.1 本文工作与成果总结
• 6.2 前景与展望
• 附录 缩略语
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表及录用学术论文目录