專利名稱：用于高速光分組交換的新型全光串并轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是高速光信號的串并轉(zhuǎn)換技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著Internet數(shù)據(jù)量的爆炸性增長以及無線通信3G業(yè)務(wù)的逐漸展開，對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量的要求也急劇增加。因此，通信網(wǎng)的兩大主要組成部分——傳輸和交換都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。在傳輸部分，DWDM技術(shù)的進步使得一根光纖上能夠承載上百個波長信道，傳輸速率最高記錄已經(jīng)達到了Tb/s級。隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，帶寬已不再是網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。目前40Gb/s的商用系統(tǒng)已可實用。但在高速率分組交換上，仍然沒有太大的突破。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的交換仍然采用如IP over SDH等多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，開銷巨大，無法充分利用底層DWDM帶寬資源和強大的波長路由能力。發(fā)展具有高度生存性的高速率分組交換網(wǎng)絡(luò)成為寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標(biāo)。
目前采用的交換方式是光路交換OCS，網(wǎng)絡(luò)需要為每一個連接請求建立從源端到目的地端的光路(每一個鏈路上均需要分配一個專業(yè)波長)。光路交換的缺點是網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率不高，一旦通路被建立不管通信雙方是否處于通話狀態(tài)，分配的線路都一直被占用，而且線路接續(xù)時間長，通信效率低，不同類型終端用戶之間不能通信。
從長遠來看，光分組交換OPS(Optical Packet Switching)是光交換的發(fā)展方向。光分組交換技術(shù)主要優(yōu)勢在于一是容量大、數(shù)據(jù)率和格式的透明性高、可配置性靈活能支持未來不同類型數(shù)據(jù)等特點；二是能提供端到端的光通道或者無連接的傳輸；三是帶寬利用效率高，能提供各種服務(wù)，滿足客戶的需求；四是把大量的交換業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到光域，交換容量與DWDM傳輸容量匹配，同時光分組技術(shù)與OXC、MPLS、ASON等新技術(shù)的結(jié)合可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與資源的合理利用，因而，光分組交換技術(shù)勢必成為下一代全光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的“寵兒”。
光分組交換網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已有十幾年的歷史，世界上很多國家已作了這方面的研究。但就目前的光信號處理技術(shù)而言，還遠遠沒有達到信號能夠在光域進行處理的程度，必須經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后再進行數(shù)據(jù)分組的報頭處理和緩存。而以目前的計算機和電隨機存儲器(RAM)處理速度來看，還遠遠不能夠處理和緩存高速率的光分組數(shù)據(jù)(10Gb/s或更高的40Gb/s)，這樣就使得光通信大容量的優(yōu)勢蕩然無存。所以要想繼續(xù)提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能，必須解決光分組交換的技術(shù)問題。進一步講，要實現(xiàn)光分組交換，一是要處理高速率分組數(shù)據(jù)的頭部協(xié)議；二是要對高速光數(shù)據(jù)包進行緩存。
對于頭部的處理技術(shù)而言，目前常見的是頭部協(xié)議采用低速率的數(shù)據(jù)，以便計算機能夠?qū)ζ溥M行處理。而將報頭與數(shù)據(jù)分離的常見的幾種方案有1、固定速率的串行報頭標(biāo)記方法；2、光載波復(fù)用的報頭標(biāo)記方法；3、強度調(diào)制與相位調(diào)制結(jié)合的正交調(diào)制技術(shù)；4、光載波抑制與分離技術(shù)等。這些方案各有特點，但總的來講，都存在數(shù)據(jù)和報頭調(diào)制分離技術(shù)的復(fù)雜性；報頭與數(shù)據(jù)相互干擾；低速率報頭占用過多帶寬；與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)不兼容等問題。另外，還有采用全光的辦法進行報頭處理的實驗報道，但由于光學(xué)處理的技術(shù)上還遠沒有成熟，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的功能還很原始。在可以預(yù)見的將來，用全光的辦法還是不可能完成協(xié)議的處理。
另外一個問題是光學(xué)緩存的問題，由于光子是玻色子，沒有靜質(zhì)量，所以實現(xiàn)光隨機存儲難度極大，以至于光內(nèi)存現(xiàn)在仍處于很原始的階段，還沒有光RAM的出現(xiàn)。目前為止，用于實現(xiàn)光隨機存儲主要有兩種技術(shù)一種是用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)存儲；另一種是用光纖延遲線。光纖延遲線的缺點是成本昂貴，體積笨重，且很難保證溫度穩(wěn)定性。而且，為了保證系統(tǒng)的隨機存儲特點，整個系統(tǒng)將十分復(fù)雜。
在ECOC’2004和APOC’2005的會議上，NTT的T.Nakahara等人報道了一種用于40Gbit/s光分組交換的光子RAM的實驗。該方案的思想在于采用新型的串并轉(zhuǎn)換技術(shù)將高速率的線路信號變成低速率的并行信號，這樣信號就可以采用現(xiàn)有的電RAM進行隨機存儲和數(shù)據(jù)處理。該技術(shù)的優(yōu)點在于，1、對于線路信號沒有特殊的改變，現(xiàn)有信號的調(diào)制方式、協(xié)議都可以不變；2、信號的存儲和處理采用了成熟的電子技術(shù)，因而具有很強的實用性。3、由于電存儲的特點，一方面可以將報頭數(shù)據(jù)存儲下來，以便在較低的速率條件下處理頭部協(xié)議數(shù)據(jù)，如果存儲容量足夠的話，也可以將整個數(shù)據(jù)幀存儲下來，進行存儲—轉(zhuǎn)發(fā)。這樣就可以同時解決目前高速率光分組交換的兩個主要問題。
該方案的主要思想和特點表現(xiàn)在高速率的串/并、并/串轉(zhuǎn)換上。但問題也主要出現(xiàn)在這兩個環(huán)節(jié)上。主要的問題有1、按這個方案的設(shè)想，40Gbit/s的信號要將速率降到能夠使系統(tǒng)連續(xù)工作(小于400Mb/s)。變換后的并行路數(shù)必須大于100路，而該方案采用了設(shè)計非常復(fù)雜的三維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，幾乎不可能達到這個要求(實際的報道路數(shù)只有16路，因此該系統(tǒng)無法處理連續(xù)的40Gbit/s速率下的光數(shù)據(jù)報，實驗報道的33bit數(shù)據(jù)報的重復(fù)頻率僅為42MHz)。2、該方案的串并轉(zhuǎn)換的損耗與路數(shù)也成正比關(guān)系(100路的插入損耗理論上最小為20dB)，這也限制了路數(shù)的增加。3，報道中采用的全光開關(guān)是多路信號同時注入的(實驗中是16路信號+1路控制開關(guān)信號)，當(dāng)路數(shù)太多的情況下，信號總功率及信號間的相互干擾最終將導(dǎo)致該系統(tǒng)無法正常工作。所以，盡管該方案的思想是非常好的，但就方案本身而言卻有很大的缺陷，很難達到真正實用化的要求。
按以上的分析，要想真正達到實用，一個好的串/并方案應(yīng)該解決以下幾個問題1、方案要盡量簡單，在路數(shù)＞100路的條件下其復(fù)雜性應(yīng)該是可以接受的。2、在路數(shù)增加的條件下，插入損耗不應(yīng)該增加過多。3、系統(tǒng)中器件的工作性能不應(yīng)該由于路數(shù)增加而下降。
國內(nèi)目前關(guān)于光分組交換的理論和實驗研究還處于起步階段，有關(guān)的理論和實驗研究鳳毛麟角。
綜上所述，在很長一段時間內(nèi)，高速率光信號的處理與存儲仍然需要采用較低速率的電子器件來完成。這樣，就需要將高速率的光信號變成較低速率的信號，因此高速率光串/并轉(zhuǎn)換技術(shù)是至關(guān)重要的。如果在該技術(shù)上獲得突破，不僅可以實現(xiàn)報頭處理功能，而且可以直接應(yīng)用于光分組數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)光分組交換，此外高速率光串/并轉(zhuǎn)換技術(shù)在其它高速率光信號處理技術(shù)方面也是大有前途的。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決上述方法中的不足，提供一個新的可用于40Gbit/s系統(tǒng)的全光串并轉(zhuǎn)換方法，并可以擴展實現(xiàn)大于100路的串并轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明提供的用于高速光分組交換的新型全光串并轉(zhuǎn)換方法，將M bit/s的高速線路光信號，通過1:N的串并轉(zhuǎn)換，輸出N路M/N bit/s的低速光信號，具體步驟如下1)由皮秒光脈沖源產(chǎn)生重復(fù)頻率為M/NHz，脈沖寬度小于(1/M)s；2)上述光脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后通過色散位移光纖(DSF)，使光譜展寬到大于N路波分解復(fù)用器的輸入波長范圍；3)光譜展寬后的光脈沖再通過N路波分解復(fù)用器進行光譜切片，從不同端口輸出N個波長的窄脈沖，通過調(diào)整各路的衰減使N路脈沖的能量保持均衡，然后各路加入不同長度的光纖，調(diào)節(jié)每路的傳輸延時，其中第1路信號不加延時，第i路信號與第1路信號的時延差為(i-1)/M，其中i＝2至N，然后再進入N路波分復(fù)用器，同時進行波分/時分復(fù)用，輸出波長周期性變化的M Hz光脈沖；4)上述MHz光脈沖與Mbit/s的線路光信號同步注入高速可調(diào)波長變換單元，其中Mbit/s線路信號作為控制光，波長周期性變化的MHz光脈沖作為受控制光，利用交叉增益效應(yīng)實現(xiàn)波長變換后，波長周期性變化的MHz光脈沖便復(fù)制了線路光信號的信息，成為波長周期性變化的Mbit/s光信號；5)上述波長周期性變化的Mbit/s光信號再進入N路波分解復(fù)用器，不同時序上的光脈沖由于波長的不同就從波分解復(fù)用器的不同端口輸出，最后再在波分解復(fù)用器輸出的各路后面加入不同長度的光纖作為延時，其中第N路信號不加延時，第i路信號與第N路信號的時延差為(N-i)/M，其中i＝1至N-1，每個光脈沖經(jīng)過不同的延時后同時輸出，這樣就完成了一個全光串并轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明方案從理論上能夠克服現(xiàn)有方案的不足，可擴展實現(xiàn)大于100路的串并轉(zhuǎn)換，為下一步光子隨機存儲器(Photonic RAM)的研究及光分組交換的最終實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。同時，本方案提出的高速率全光串并轉(zhuǎn)換技術(shù)在其它高速信號處理領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。

圖1是本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式實施例1參見圖1，以16路的串并轉(zhuǎn)換舉例說明1)由皮秒光脈沖源產(chǎn)生重復(fù)頻率為2.5GHz的光脈沖，將重復(fù)頻率為2.5GHz的光脈沖先進行壓窄，使其脈沖寬度小于25ps；2)將上述脈沖光通過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后進入色散位移光纖(DSF)，使其光譜展寬大于12.8nm；3)展寬后的光脈沖再通過16路的波分解復(fù)用器進行光譜切片(本實施例N選16)，得到16路波長不同但重復(fù)頻率都為2.5GHz的光脈沖；4)每路信號通過適當(dāng)長度的光纖調(diào)整其延時，其中第1路信號不加延時，第i路信號與第1路信號的時延差為(i-1)/(4*1010)，其中i＝2至16，再經(jīng)過16路波分復(fù)用器，進行波分與時分雙重復(fù)用，得到波長周期性變化的脈沖光；5)此脈沖光進入波長變換器，作為被控制光；6)將40Gbit/s的高速線路光信號也送入波長變換器，作為控制光；
7)這個波長周期性變化的光脈沖與40Gbit/s的線路光信號同時注入波長變換器，其中40Gbit/s的線路光信號作為控制光，這樣，線路光信號經(jīng)過波長變換，并通過16路波分解復(fù)用器后，分解成16路速率為2.5Gbit/s的低速光信號；對于不同的脈沖，對應(yīng)了光源的不同的波長，輸出信號經(jīng)過一個波分解復(fù)用器后，不同位置的光脈沖由于波長的不同就從不同的端口輸出；再從波分解復(fù)用器輸出的各路光脈沖后面加入不同的光纖延時，第16路不加光纖延時，在第i路光脈沖后面，加入與第16路光纖長度差為(16-i)*(C/n1)/(4*1010)的光纖作為延時，其中i＝1至15，C為光速，n1為光纖折射率，C/n1為光在光纖中的傳輸速率，這樣每個光脈沖經(jīng)過不同的延時后同時輸出，這樣就完成了串并轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明對16路以上的串并轉(zhuǎn)換(如50路、100路等)同樣適用。
權(quán)利要求
1.一種用于高速光分組交換的新型全光串并轉(zhuǎn)換方法，其特征是該方法通過如下步驟實現(xiàn)1)由皮秒光脈沖源產(chǎn)生重復(fù)頻率為M/N Hz，脈沖寬度小于(1/M)s；2)上述光脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后通過色散位移光纖(DSF)，使光譜展寬到大于N路波分解復(fù)用器的輸入波長范圍；3)光譜展寬后的光脈沖再通過N路波分解復(fù)用器進行光譜切片，從不同端口輸出N個波長的窄脈沖，通過調(diào)整各路的衰減使N路脈沖的能量保持均衡，然后各路加入不同長度的光纖，調(diào)節(jié)每路的傳輸延時，其中第1路信號不加延時，第i路信號與第1路信號的時延差為(i-1)/M，其中i＝2至N，然后再進入N路波分復(fù)用器，同時進行波分/時分復(fù)用，輸出波長周期性變化的M Hz光脈沖；4)上述M Hz光脈沖與M bit/s的線路光信號同步注入高速可調(diào)波長變換單元，其中M bit/s線路信號作為控制光，波長周期性變化的M Hz光脈沖作為受控制光，利用交叉增益效應(yīng)實現(xiàn)波長變換后，波長周期性變化的M Hz光脈沖便復(fù)制了線路光信號的信息，成為波長周期性變化的M bit/s光信號；5)上述周期性變化的M bit/s光信號再進入N路波分解復(fù)用器，不同時序上的光脈沖由于波長的不同就從波分解復(fù)用器的不同端口輸出，最后再在波分解復(fù)用器輸出的各路后面加入不同長度的光纖作為延時，其中第N路信號不加延時，第i路信號與第N路信號的時延差為(N-i)/M，其中i＝1至N-1，每個光脈沖經(jīng)過不同的延時后同時輸出，這樣就完成了一個全光串并轉(zhuǎn)換。
全文摘要
一種新型全光串并轉(zhuǎn)換方法。包括由皮秒光脈沖源產(chǎn)生重復(fù)頻率為M/NHz的光脈沖；經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后通過色散位移光纖使光譜展寬；再通過N路波分解復(fù)用器，輸出N路不同波長的M/NHz窄脈沖，然后調(diào)節(jié)每路的傳輸延時后再進入N路波分復(fù)用器進行時分/波分復(fù)用，輸出波長周期性變化的MHz光脈沖；上述MHz光脈沖與Mbit/s的線路光信號進行波長變換，其中Mbit/s線路信號作為控制光，MHz光脈沖作為受控制光，MHz光脈沖便復(fù)制了線路光信號的信息，成為波長周期性變化的Mbit/s光信號；再進入N路波分解復(fù)用器，不同時序上的光脈沖由于波長的不同就從波分解復(fù)用器的不同端口輸出，最后再分別經(jīng)過不同的延時光纖可以同時輸出，這樣就完成了全光串并轉(zhuǎn)換。
文檔編號H04L12/56GK1874609SQ20061001440
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者于晉龍, 胡浩 申請人:天津大學(xué)