CN100446448C - 高速光信号的串并转换方法及转换装置 - Google Patents
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高速光信号的串并转换技术及转换装置。波长可调谐光源发出波长周期性变化的连续光，受光分频信号的控制，与M bit/s的线路光信号同时注入光控光开关，其中M bit/s的光信号作为控制光。这样，M bit/s的线路光信号通过波长变换后，输出的光脉冲信号序列的波长就出现周期性的变化，一个周期内不同的脉冲，对应了光源的不同的波长。输出信号经过一个WDM后，不同位置的光脉冲由于波长的不同就从不同的端口输出。每个光脉冲经过不同的延时后，就可达到同时输出，这样就完成了串并转换。本发明方案简单经济实用，在路数＞100路的条件下其复杂性仍可接受，几乎不受影响。当路数增加时，插入损耗几乎不增加。系统中的器件的工作性能不因路数增加而下降。
Description
【技术领域】：
本发明涉及通信技术领域，特别是高速光信号的串并转换技术。
【背景技术】：
随着Internet数据量的爆炸性增长，对通信网络的带宽和容量的要求也急剧增加。因此，通信网的两大主要组成部分——传输和交换都面临着前所未有的挑战。在传输部分，WDM技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，传输带宽最高记录已经达到了T比特级。随着光传输技术的发展，带宽已不再是网络的瓶颈。目前40Gb/s的商用系统已经接近实用，05年1月5日，Mintera公司和中国教育网CERNET一起宣布成功完成从北京到天津的40G传输实验。05年1月27日，德国电信下属的固网部门T-Com宣布选择马可尼公司的Multihaul 3000设备建成欧洲第一个40G大容量网络。随着光调制、色散补偿、PMD补偿及高速光器件技术的发展成熟，40G光传输系统的研究和应用正在如火如荼的开展。但在高速率分组交换上，仍然没有太大的突破。高质量的数据业务的交换仍然采用如IP overSDH等多层网络结构方案，开销巨大，无法充分利用底层DWDM带宽资源和强大的波长路由能力。发展具有高度生在生的高速率分组交换网络成为宽带通信网未来发展目标。
目前采用的交换方式是光路交换OCS，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的地端的光路(每一个链路上均需要分配一个专业波长)。光路交换的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦通路被建立，不管通信双方是否处于通话状态，分配的线路都一直被占用，而且线路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信。
从长远来看，光分组交换OPS(Optical Packet Switching)是光交换的发展方向。光分组交换技术主要优势在于：一是大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点，支持未来不同类型数据；二是能提供端到端的光通道或者无连接的传输；三是带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求；四是把大量的交换业务转移到光域，交换容量与WDM传输容量匹配，同时光分组技术与OXC、MPLS等新技术的结合，实现网络的优化与资源的合理利用，因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网网络规划的“宠儿”。
光分组交换网络的发展有十几年的历史，世界上很多国家已作了这方面的研究：如欧洲的ATMOS(ATM Optical Switching)项目和KEOPS(Keys to Optical PacketSwitching)项目，美国的POND(Packet-switched Optical NetworkingDemonstration)项目和MONET(Multi-wavelength Optical Networking)项目，英国WASPNET(Wavelength Switch Optical Packet Network)项目及日NTT光网络实验室项目等。但就目前的光信号处理技术而言，还远远没有达到信号能够在光域进行处理的程度，必须经过光电转换后再进行数据分组的报头处理和缓存。而以计算机和目前的电随机存取存储器(RAM)处理速度来看，还远远不能够处理和存储高速率的光分组数据(10Gb/s或更高的40Gb/s)，这样就使得光通信的大容量的优势荡然无存。所以要想继续提高现有网络的性能，必须解决光分组交换的技术问题。进一步讲，要实现光分组交换，一是要处理高速率的分组头部的协议数据；二是对数据要进行缓存。
对于头部的处理技术而言，目前常见的是头部协议采用低速率的数据，以便计算机能够对其进行处理。而将报头与数据分离的常见的几种方案有：1、固定速率的串行报头标记方法；2、光载波复用的报头标记方法；3、强度调制与相位调制结合的正交调制技术；4、光载波抑制与分离技术等。这些方案各有特点，但总的来讲，都存在数据和报头调制、分离复杂；报头与数据相互干扰；低速率报头占用过多带宽；与现有的通信系统不兼容等问题。
另外一个问题是光学缓存的问题，由于光子是费密子，没有静质量，所以实现光随机存储难度极大，以至于光内存现在仍处于很原始的阶段，还没有光RAM的出现。目前为止，用于实现光随机存储的主要有两种技术：一种是用光学双稳态存储；另一种是用光纤延迟线。但光纤延迟线的缺点是成本昂贵，体积笨重，且很难保证温度稳定性。而且，为了保证系统的随机存储特点，整个系统将十分复杂。
在ECOC’2004会议上，NTT的T.Nakahara等人报道了一种新的用于40Gb/s光分组交换的光子RAM的实验。该方案的思想在于采用新型的串并转换技术将高速率的线路信号变成低速率的并行信号，这样信号就可以采用现有的电RAM进行随机存储和数据处理。该技术的优点在于，1、对于线路信号没有特殊的改变，现有的信号的调制方式、协议都可以不变；2、信号的存储和处理采用了成熟的电子技术，因而具有很强的实用性。3、由于电存储的特点，一方面可以将报头数据存储下来，以便在较低的速率条件下处理头部协议数据，如果存储容量足够的话，也可以将整个数据帧存储下来，进行存储-转发。这样就可以同时解决目前高速率光分组交换的两个主要的问题。
该方案的主要思想和特点表现在高速率的串/并、并/串转换上。但问题也主要出现在这两个环节上。主要的问题有：1、按这个方案的设想，40Gb/s的信号要将速率降到能够使系统连续工作(＜400Mb/s)。变换后的并行线路必须进行大于100路，而该方案采用了设计非常复杂的三维波导结构，几乎不可能达到这个要求(实际的报道路数只有16路)。2、该方案的串并转换的损耗与路数也成正比关系(100路的插入损耗理论上最小为20dB)，这也限制了路数的增加。3，报道中采用的全光开关是多路信号同时注入的(实验中是16路信号+1路控制开关信号)，当路数太多的情况下，信号总功率及信号间的相互干扰最终将导致该系统无法正常工作。所以，尽管该方案的思想是非常好的，但就方案本身而言却有很大的缺陷，很难达到真正实用化的要求。
【发明内容】：
本发明的目的是解决上述方法中不足，提供一种简单实用，性能可靠且几乎不受路数增加的影响的高速光信号的串并转换方法及装置。
本发明提供的高速光信号的串并转换方法，通过如下步骤实现：
1)由宽带光源通过波长可调滤波器调谐后，发出一个波长可以快速调谐的、波长周期性变化的连续光；
2)将上述连续光送入光控光开关，作为被控制光；
3)将M bit/s的高速线路光信号送光控光开关，作为控制光；同时将该线路光信号送入分频时钟产生模块，用于产生分频时钟信号，并送波长可调滤波器，作为波长变化的周期；
4)这个波长周期性连续变化的光信号与M bit/s的线路光信号同时注入光控光开关，这样，线路光信号经过波长变换，并通过N路波分解复用器后，分解成N路速率为M/N bit/s的低速光信号；对于不同的脉冲，对应了光源的不同的波长，输出信号经过一个波分解复用器WDM后，对于被分解后的各路光脉冲由于波长的不同就从不同的端口输出；在从WDM输出的第i路光脉冲后面加入(N-i)*(C/n1)/M长的光纤作为延时，其中i为1至N的自然数，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，最后出来的光脉冲不加延时，每个光脉冲经过不同的延时后，同时输出，这样就完成了串并转换。
一种实现上述高速光信号的串并转换技术的转换装置，包括：
1)一个宽带光源，或梳状光源，可以发出连续光；
2)一个波长快速可调滤波器：用于同时接收光源发出的连续光，和分频时钟产生的分频信号；分频信号作为调制信号，将光源发出的连续光调谐成波长随分频时钟信号周期性变化的连续光，送光控光开关；
3)一个分频时钟产生模块：用于接收M bit/s的高速线路光信号，并经N路分频后，输出M/N Hz的分频时钟信号作为调制信号送入波长可调滤波器；
4)一个光控光开关：用于接收波长周期性连续变化的光信号与M bit/s的线路光信号，并将M bit/s的线路光信号经过波长变换，变成N个波长的光信号，送入N路波分解复用器；
5)一个N路波分解复用器：用于接收N个波长的光信号，并将其分解成N路不同波长的低速光信号后输出；
6)延时光纤：第i路光脉冲延时光纤长度为(N-i)*(C/n1)/M，其中i为1至N的自然数，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，最后N路低速光信号同时输出。
高速光控光开关采用半导体光放大器(SOA)，对高速线路光信号进行波长变换，最后通过波分解复用器区别开不同波长的光，将高速的串行信号变成低速的并行信号。
本发明的优点和积极效果：1、方案简单经济实用，在路数＞100路的条件下其复杂性仍可接受，几乎不受影响。2、当路数增加时，插入损耗几乎不增加。3、系统中的器件的工作性能不因路数增加而下降。
【附图说明】：
图1是本发明转换装置总体结构示意图；
图2是转换装置具体实施方式参考示意图；
图3是波长扫描方法示意图。
【具体实施方式】：
实施例1：串并转换方法
实现方式参见图1：
一个波长可以快速调谐的光源发出波长周期性变化的连续光，调谐速度按现有的通信标准应达到16nm/ns，可调谐范围＞1.6nm，目前的器件水平完全可以达到这个要求(实验报道的可调谐范围3nm，斜率34nm/ns)，它的调谐受到光分频信号(对于N路的串并转换实验，此分频信号是M/N Hz)的控制。这个波长周期性连续变化的光信号与M bit/s的线路光信号同时注入光控光开关，其中M bit/s的光信号作为控制光，这样，M bit/s的线路光信号通过波长变换后，输出的光脉冲信号序列的波长就出现周期性的变化，一个周期内不同的脉冲，对应了光源的不同的波长。输出信号经过一个WDM后，不同位置的光脉冲由于波长的不同就从不同的端口输出。在WDM相邻两个端口输出的光脉冲会有1/M秒的延时，在从WDM输出的第i路光脉冲后面加入(N-i)*(C/n1)/M长的光纤作为延时，其中i＝1到，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，最后出来的光脉冲不加延时，每个光脉冲经过不同的延时后，同时输出，这样就完成了串并转换。对于40Gbit/s的光信号，我们可以通过16通道的WDM变换成16路2.5Gbit/s的光信号，再通过光电转换变成2.5Gb/s的电信号后，可以用FPGA完成存储转发的功能。需要注意的是，各个脉冲的波长间隔并不均等，这就要求WDM的波长间隔也不均等，参见图3。
实施例2：
如图2所示，利用SOA(半导体光放大器)做光控光开关的40Gbit/s全光波长变换的实验装置。本实验中的半导体光放大器采用的是COVEGA公司的，SOA的驱动电流为250mA左右，将波长周期性快速变化的连续光和波长为λ2＝1553nm的40Gbit/s的信号光(伪随机码)通过一个3dB耦合器同时输入SOA。利用SOA交叉相位调制(XGM)的效应，完成了40Gbit/s的全光波长变换实验。40Gbit/s的信号光是通过10Gbit/s的光伪随机码复用后产生的，其中10Gbit/s的光伪随机码是通过周期为27-1的伪随机码序列发生器调制波长为λ2＝1553nm的激光器产生的。
Claims (3)
1、一种高速光信号的串并转换方法，其特征是该方法通过如下步骤实现：
1)由宽带光源通过波长可调滤波器调谐后，发出一个波长可以快速调谐的、波长周期性变化的连续光；
2)将上述连续光送入光控光开关，作为被控制光；
3)将M bit/s的高速线路光信号送光控光开关，作为控制光；同时将该线路光信号送入分频时钟产生模块，用于产生分频时钟信号，并送波长可调滤波器，作为波长变化的周期；
4)这个波长周期性连续变化的光信号与M bit/s的线路光信号同时注入光控光开关，这样，线路光信号经过波长变换，并通过N路波分解复用器后，分解成N路速率为M/N bit/s的低速光信号；对于不同的脉冲，对应了光源的不同的波长，输出信号经过一个波分解复用器WDM后，对于被分解后的各路光脉冲由于波长的不同就从不同的端口输出；在从WDM输出的第i路光脉冲后面加入(N-i)*(C/n1)/M长的光纤作为延时，其中i为1至N的自然数，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，最后出来的光脉冲不加延时，每个光脉冲经过不同的延时后，同时输出，这样就完成了串并转换。
2、一种高速光信号的串并转换装置，其特征是该装置包括：
1)一个宽带光源，或梳状光源，可以发出连续光；
2)一个波长快速可调滤波器：用于同时接收光源发出的连续光，和分频时钟产生的分频信号；分频信号作为调制信号，将光源发出的连续光调谐成波长随分频时钟信号周期性变化的连续光，送光控光开关；
3)一个分频时钟产生模块：用于接收M bit/s的高速线路光信号，并经N路分频后，输出M/N Hz的分频时钟信号作为调制信号送入波长可调滤波器；
4)一个光控光开关：用于接收波长周期性连续变化的光信号与M bit/s的线路光信号，并将M bit/s的线路光信号经过波长变换，变成N个波长的光信号，送入N路波分解复用器；
5)一个N路波分解复用器：用于接收N个波长的光信号，并将其分解成N路不同波长的低速光信号后输出；
6)延时光纤：第i路光脉冲延时光纤长度为(N-i)*(C/n1)/M，其中i为1至N的自然数，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，最后N路低速光信号同时输出。
3、根据权利要求2所述的高速光信号的串并转换装置，其特征是高速光控光开关采用半导体光放大器(SOA)，对高速线路光信号进行波长变换，最后通过波分解复用器区别开不同波长的光，将高速的串行信号变成低速的并行信号。
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