基于微环谐振器的全光缓存技术的理论的研究

《基于微环谐振器的全光缓存技术的理论的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景20世纪是信息爆炸的一个世纪，电子技术给人们的生产生活带来了深刻的变革。然而随着各类新型业务的蓬勃发展，诸如可视电话、高清晰度电视（HDTV）、远程医疗、家庭办公等，人们对信息的传输、处理和存储速率有了更高的要求(Tb/s量级)。电子作为电子时代的信息载体，由于其回路延迟的“瓶颈效应”和电磁波带宽的限制，已经无法满足未来更高程度的信息化，人们亟待寻找另一个信息载体作为突破。光子作为电子的替代，其本征带宽高达200THz，系统的响应时间可达皮秒量级，且具有处理速度高、无电磁串扰、互连能力与并行能力强等优点。在当今的长距离通

2、信网络中，以光子作为信息载体的光纤链路已经占据了主导地位，特别是密集波分复用（DWDM）、光时分复用（OTDM）、掺铒光纤放大器等关键光通信技术的迅猛发展，使得在损耗系数低于0.2dB/km的光纤链路上，传输速率很容易达到几十太比特[1-5]每秒。如果说20世纪是电子时代，那么21世纪将属于光子时代。然而，要发挥光通信技术的巨大优势，并将该技术的应用商业化和规模化，还面临着很多的挑战。其中最主要的两个难点在于：（1）网络节点处的速率提升。尽管光通信网络中光信号的传输带宽很高，但是在光网络节点处，还没有成熟的全光信号再生和全光交换模块，而是需要把光信号变成电信号进行

3、处理。目前电信号处[6]理的速率还限制在40Gb/s左右，已经接近电子线路的极限速率。光通信网络中存在巨大的传输和交换带宽不匹配的问题。如何提升光通信网络节点处的速率是一个巨大的难题。（2）器件尺寸减小以及成本的降低。目前长距离光纤通信中采用的一些关键器件均为分离器件，包括光源、光放大器、光探测器、光开关、光滤波器、光分插/复用器、光调制器、光缓存器等。这些器件体积大、产量低、封装及制造费用高昂。要将光通信技术从洲际、城域互连推广到终端、芯片间甚至片上互连，减小器件尺寸、降低生产成本是必须解决的一大难题。从20世纪70年代光纤通信技术出现并推广开始，科研界及工业界

4、就为解决上述1华中科技大学硕士学位论文两个难点进行了坚持不懈地研究与探索，为光电技术融入到人们生活作了很多尝试。目前被广泛研究的解决方案如下：针对第一个难点，为了提升网络节点处的速率，人们提出了全光分组交换网络(OpticalPacketSwitch，OPS)，能有效的解决节点的带宽扩展问题，被认为是未来光[7]交换的发展方向。OPS的节点对信号在光域上进行再生和交换，避免了光电光转换过程，从而降低了节电处的功率消耗，也大大提升了信号处理速率（理论上可以达到Tbit/s以上），进一步提高了网络的灵活性和可靠性。图1-1为分组交换网络节点的基本构架。网络节点具有两个

5、功能：再生和交换。再生的作用是恢复光信号质量，为下一步的信号处理或进一步的传输做准备。而交换技术则是由一系列配套技术实现的。一方面对负载进行时钟提取以及全光再生，送入光开关单元等待路由或交换，另一方面，利用全光逻辑操作对帧头进行识别和处理，控制光开关单元的路由或交换。同时还需配备光缓存、波长转换等技术解决网络冲突问题。目前，全光分组交换网路节点处器件都已相对成熟，而光缓存还没有明确的技术途径。由于全光缓存器是全光路由的关键，所以光缓存必将成为光纤[8]通信系统的研究重点。同步帧头识别和处理光开关：路时钟恢复光逻辑由或交换波长变换光再生阵列信号质量恢复解决冲突（波长

6、域）信号监测光缓存信道管理（QoS）解决冲突（时域）图1-1光分组交换网络节点的基本构架针对第二个难点，受到微电子集成电路的启迪，人们有意制作大规模集成光路，达到减小尺寸和降低成本的目的。集成光路的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller[9]博士首先提出来的，其基本思想为：在同一衬底上制作光源、调制器、探测器、缓存器、路由器等关键器件，构成具有一定独立功能的微型光学系统。集成光路相比2华中科技大学硕士学位论文于集成电路有诸多优点，包括带宽增加、波分复用、多路开关、功耗小和引线少等。由于绝缘体上硅（SiliconOnInsulator，SOI）波导具有导光能力

7、强、对通信波段透明、与CMOS工艺兼容、加工成本及材料成本低等优点，基于SOI的硅基光子学技术近年来越来越受到人们的重视。微电子器件领域的领军人Intel公司更是投入巨额的资金与人力开发成本低廉结构紧凑的硅基光电子芯片。在一些关键器件如调制器、激[10-12]光器和探测器的研究上，Intel取得了一系列举世瞩目的突破，并于2010年7月发布了世界上首个速率达50Gb/s的芯片间互连系统，进一步验证了硅基光子器件商用化的可能性以及必然性。目前，硅基光子学的研究已经进入了飞速发展的阶段。在众多集成器件中，微环谐振器一直是人们的研究热点，其最早于1969年被[13][1

8、4]Mar