CN101026892B

CN101026892B - 光分组交换中的标签与净荷的分离方法

Info

Publication number: CN101026892B
Application number: CN2006100227241A
Authority: CN
Inventors: 邱昆; 庞莹; 凌云
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2006-12-30
Filing date: 2006-12-30
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-12-30
Also published as: CN101026892A

Abstract

本发明为光分组交换中的标签与净荷的分离方法，与光纤通信有关，解决已有分离方法所需系统结构复杂，成本高的问题。1×2分束器(1)的输入与光分组信号连接，分束器(1)的2输出分别与第一半导体光放大器(2)和第二半导体光放大器(3)连接，第一、二半导体光放大器(2)、(3)形成增益与载流子浓度的非线性关系，增益随载流子浓度波动，在增益波形峰值的右侧为I区，增益随载流子浓度的增加而减小，在增益波形峰值的右侧为II区，增益随载流子浓度的增加而增加，调整第一、第二半导体光放大器(2)、(3)的注入电流，使第一半导体光放大器(2)工作于I区，而第二半导体光放大器(3)工作于II区，半导体激光器的输出反射回光环行器，再由光环形器输出。

Description

光分组交换中的标签与净荷的分离方法

技术领域：

本发明涉及光分组交换中的标签与净荷的分离技术，尤其涉及到采用比特序列标签形式的光分组交换技术，在不需要进行任何光电转换的情况下，直接分离不同传输速率的标签信号和净荷信号，属于光纤通信领域。

背景技术：

光分组交换(Optical Packet Switching，OPS)是一种最理想的光交换形式。OPS采用通用多协议标签交换(Generalized MultiprotocolLabel Switching，GMPLS)协议，以IP分组为交换粒度，在光域上进行路由和交换，克服了电交换形式的电子瓶颈和提供了比波长和突发包小的交换粒度。根据GMPLS协议的要求，光分组交换的网络节点分为边缘节点和核心节点。在交换网络中的路由和交换机制是基于标签交换路径(LabelSwitching Path，LSP)的建立，保持和拆除进行的。边缘节点主要负责根据标签分配协议(Label Distribution Protocol，LDP)根据QoS和流量工程的要求完成LSP的建立和拆除。核心节点根据到达分组的标签，对照标签转发表完成对光分组的交换功能，同时为分组更新标签。因此在核心交换节点为了获得标签信息需要从分组信号中提取标签；为了更新标签需要擦除旧的标签，这就要求在核心交换节点对标签和净荷信号进行分离。

为了简化标签和净荷的分离，现已提出了许多的光分组格式，如副载波调制标签，多波长标签，正交调制标签，光正交码标签和比特序列标签。其中副载波标签和正交调制标签格式存在着标签信号与净荷信号的干扰问题；多波长标签存在着对波长资源的浪费问题；而光正交码标签存在着标签数目少和标签内容过于简单的问题。比特序列标签格式采用在时域上区分标签和净荷，标签先于净荷发送，在标签和净荷之间留有保护时隙，克服了标签与净荷信号的干扰问题。同时标签采用低速率的调制方式，利于在核心节点对标签信息进行读取和处理。但比特序列标签格式却面临着在时域上分离高速传输的净荷和标签信号的难题。特别是如何快速的获得分组到达的信息，并在标签和净荷之间的保护时隙，对光路进行切换来实现净荷和标签的分离。这就要求分离标签和净荷的电子系统具有高速的信号检测，处理和控制功能，来避免光路切换的时间误差导致切换时刻发生在标签或净荷信号时隙，使得标签或净荷被截断。论文“IST-LASAGNE：Towards All-Optical Label Swapping Employing Optical Logic Gatesand Optical Flip-Flops”(Journal of Lightwave Technology 2005.23(10)，pp2993-3011)提出了一种采用基于半导体光放大器的马赫一曾德干涉仪(Semiconductor Optical Amplifier-based Mach-ZehnderInterferometer，SOA-MZI)的分离方案，但却需要全光恢复出净荷信号的时钟信号，增加了系统的复杂度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，操作控制方便，成本低廉的光分组交换中的标签与净荷的分离方法。

本发明是这样实现的：

本发明光分组交换中的标签与净荷的分离方法，1×2分束器1的输入接光分组信号，输出分别与第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器3连接，第一、二半导体光放大器为法布里-珀罗型半导体光放大器或用光环型器与1×2分束器连接的法布里-珀罗型半导体激光器，分束器1输入的光分组信号中标签信号与净荷信号采用归零码调制，标签信号的脉冲宽度要比净荷信号的脉冲宽度大，第一、二半导体光放大器2、3形成增益与载流子浓度的非线性关系，增益随载流子浓度波动，在增益波形峰值的右侧为I区，增益随载流子浓度的增加而减小，在增益波形峰值的右侧为II区，增益随载流子浓度的增加而增加，调整第一、第二半导体光放大器2、3的注入电流，使第一半导体光放大器2工作于I区，而第二半导体光放大器3工作于II区，第一半导体光放大器2输出净荷信号被抑制，标签信号被放大的光分组信号，第二半导体光放大器3输出标签信号被抑制，净荷信号被放大的光分组信号，第一、二半导体光放大器2、3的注入电流低于其受激辐射的阈值电流，半导体激光器的输出反射回光环行器，再由光环形器输出。

注入电流略小于阈值电流开始逐渐的减小注入电流，当第一半导体光放大器2的自发辐射谱在信号波长的增益最小时，锁定此时的注入电流即使其工作在I区，继续减小注入电流，当第二半导体光放大器3的自发辐射谱在信号波长的增益最大时，锁定此时的注入电流即能保证其工作在II区。

将第一、二半导体光放大器分别用光纤与光谱仪相连接，在第一半导体光放大器从略小于阈值电流开始逐渐的减小注入电流，在光谱仪得到自发辐射谱在信号波长处的最小增益时，锁定此时的注入电流为保证第一半导体光放大器工作在I区的电流，在第二半导体光放大器重复上述过程并继续减小注入电流当光谱仪得到自发辐射谱在信号波长的增益最大时，锁定此时的注入电流为保证第二半导体光放大器在II区工作的电流。

注入电流保证第一半导体光放大器2初始工作点提供负增益，注入电流保证第二半导体光放大器3的初始工作点设置在增益的峰值附近。

本发明采用法布里-珀罗型半导体光放大器(Fabry-PerotSemiconductor Optical Amplifier，FP-SOA)来对标签信号或净荷信号进行提取，从而实现对标签和净荷信号的分离。本发明的系统为通过在一个3dB光分束器两输出端分别连接上一个FP-SOA，两分支分别为标签提取分支和净荷提取分支。3dB光分束器的功能在于将输入的光分组信号分到两个输出端口。3dB分支器输出的光信号分别被注入与其连接的FP-SOA。在标签提取分支中，FP-SOA放大标签信号而抑制了净荷信号；在净荷提取分支中，FP-SOA放大净荷信号而抑制标签信号。提取的标签信号输入到标签检测与处理功能，实现对交换矩阵的配置；提取的净荷信号输入到交换矩阵完成交换。

本发明的关键特征在于利用了标签信号的脉冲宽度比净荷信号的脉冲宽度大和FP-SOA的增益随着脉冲能量和载流子浓度度变化的特性来实现标签和净荷信号的分离。

在光分组交换中在每个节点需要对标签信号进行处理，而净荷信号则是透明的通过交换节点。为了利于对标签信号进行处理，标签信号的传输速率低于净荷信号的传输速率。因此在比特序列标签分组格式中，若标签信号与净荷信号都采用归零(Return-to-Zero，RZ)码调制方式，标签信号的脉冲宽度要比净荷信号的脉冲宽度大。本发明正是利用了RZ标签信号与RZ净荷信号的脉冲宽度这一差异，即标签信号脉冲与净荷信号脉冲的能量差异，作为实现分离标签信号与净荷信号的依据。

本发明同时利用了FP-SOA的增益对光功率敏感的特性，即利用光功率对载流子浓度的影响，同时载流子浓度对FP-SOA增益的影响，最后转换为光功率对增益的影响。特别是在SOA两端面镀上一定的放射膜，引入一定的反射率构成的FP结构的SOA将形成增益与载流子浓度的非线性关系。增益随载流子浓度波动，在一定的载流子浓度区，增益随载流子浓度的增加而增加；而在另一载流子浓度区，增益随载流子浓度的增加与减小。这是与两端面反射率接近为零的行波半导体光放大器(Traveling WaveSemiconductor Optical Amplifier，TWSOA)的最大区别。FP-SOA的增益对光功率敏感的物理过程为：FP结构使得FP-SOA的输出光为两端面内多光束干涉的结果，因此具有波长选择性，形成在谐振波长增益最高，在失谐波长增益下降的随波长波动的增益曲线；选择某一频率的光信号注入到FP-SOA中，注入光信号的光功率决定了消耗的载流子数目，导致载流子浓度随注入光信号功率变化；载流子浓度的变化将引起FP-SOA中有源区折射率的变化，导致注入光信号在FP-SOA腔内的单程相移和单程增益发生变化；特别是单程相移的变化导致增益与波长关系曲线的往长波(红移)或短波(蓝移)方向移动。这就导致了增益随着注入光功率的大小发生变化。增益与注入光功率的变化规律为：随着光功率的增大，导致载流子浓度减小和折射率的增大，使得增益曲线往长波方向移动；当注入光信号波长位于谐振波长的短波附近时，增益将随着注入光功率的增大而下降，当注入光信号波长位于谐振波长的长波附近时，增益将随着注入光信号的增大而增大。由于FP-SOA的输出端为多光束干涉的结果，在一定的反射率条件下，甚至可以实现增益小于1的情形，即输出光信号功率小于输入光信号功率。FP-SOA不但有放大光信号功率的功能，也具有抑制光信号功率的功能。

本发明利用FP-SOA增益随载流子浓度增大而增大区域来实现对净荷信号的提取和对标签信号的抑制；利用FP-SOA增益随载流子浓度增大而减小区域来实现对标签信号的提取和对净荷信号的抑制。当光分组信号注入到FP-SOA中，标签的宽脉冲信号消耗的载流子数目大于净荷信号窄脉冲消耗的载流子数目，导致宽脉冲信号的载流子浓度低于窄脉冲信号的载流子浓度。当FP-SOA工作在增益随载流子浓度增大而增大区域时，窄脉冲将获得比宽脉冲大的增益；当FP-SOA工作在增益随载流子浓度增大而减小区域时，宽脉冲将获得比窄脉冲大的增益。通过设置注入电流的大小可以设定初始载流子浓度的大小，从而设定FP-SOA的工作区域。通过优化FP-SOA端面反射率和腔长可以获得增益随载流子浓度变化陡峭的响应特性来提高放大信号与抑制信号的输出功率比。特别是利用FP-SOA抑制光信号功率的特性能提高输出信号的抑制比。

本发明中使用的半导体光放大器的材料为InP-InGaAsP，结构可为传统块体，量子井或量子点结构。

本发明避免了已有技术在分离标签与净荷信号时的电子检测，处理和控制功能，根据输入光分组标签与净荷脉冲宽度差异引起的FP-SOA增益差异实现对标签或净荷信号的提取，无任何同步要求，适合于异步的比特序列标签光分组交换。本发明结构简单，无需其他控制光及其复杂的光信号处理过程，易于实现；3dB分束器与FP-SOA便于集成。

附图说明：

图1为本发明的原理图之一。

图2为本发明的原理图之二。

图3为一个FP-SOA实施例中增益与载流子浓度关系曲线。

图4为一个FP-SOA实施例中增益与波长关系曲线及其载流子浓度变化的影响示意图。

图5为设置FP-SOA注入电流的系统框图。

图6为FP-SOA工作在I区时的自发辐射谱。

图7为FP-SOA工作在II区时的自发辐射谱。

图8为实施例的工作原理图之一。

图9为实施例的工作原理图之二。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作经一步描述。

如图1所示，本发明的方案采用一个3dB分束器连接两个FP-SOA组成。输入光分组信号经过3dB分束器分别注入FP-SOSA1和FP-SOA2中。FP-SOA1工作在增益随载流子浓度增加而下降区域，实现提取标签信号和抑制净荷信号的功能，并将标签信号输入光标签处理单元。FP-SOA2工作在增益随载流子浓度增加而增大区域，实现提取净荷信号和抑制标签信号的功能，并将净荷信号输入光交换矩阵。

如图2所示，在方案中使用FP-LD代替FP-SOA时，需采用光环行器连接3dB分束器与FP-LD。其中FP-LD工作在阈值电流之下，保证不产生受激辐射，不形成激光输出。FP-LD的工作电流的设置与FP-SOA工作电流的设置方法相同。3dB分束器的输出经过光环行器后，输入到FP-LD中，进FP-LD放大后反射回光环行器，再由光环行器输出。

如图3所示，FP-SOA的增益与载流子浓度呈波动关系，但存在一个增益最陡的峰。该最陡的增益随载流子变化能够保证分离出的标签或净荷信号拥有最大的抑制比。而在增益峰的两侧，分别出现了增益随载流子浓度增大而增大或减小的两个区域：区域I和区域II。通过调节注入电流，使得图1中的FP-SOA1工作在区域I；图1中的FP-SOA2工作在区域II，可以实现FP-SOA1提取出光标签信号，FP-SOA2提取出净荷信号。为了保证FP-SOA不产生受激辐射形成激光器，要求FP-SOA的注入电流低于受激辐射的阈值。在FP-SOA受激辐射阈值的理论值为

J_{th} = \frac{qd}{τ} [N_{i} + \frac{1}{Γa} (\frac{1}{L} \ln [\frac{1}{\sqrt{R_{1} R_{2}}}] + α)]

(参考文献“Analytical Model ofSemiconductor Optical Amplifier”，Journal of Lightwave Technology，1994，12(1)，49-54)。但由于FP-SOA的有源区的载流子密度是不均匀的，而且无法直接测量，因此在保证注入电流小于阈值电流后，确定FP-SOA的工作电流时可根据图4增益与波长的关系曲线来确定。

如图4所示，FP-SOA的增益与波长关系曲线将随着载流子浓度的减少而向长波方向移动。当载流子浓度从2.478×10²⁴m^-3变化到2.46×10²⁴m^-3时，谐振波长往长波方向移动，在1.55μm处的增益降低了15.4dB。

如图5所示为采用FP-SOA的自发辐射谱来设置注入电流的系统框图。在保证注入电流小于阈值电流和不输入信号光时，用光纤连接光谱仪。通过光谱仪可以观察到FP-SOA的发辐射谱。为了让FP-SOA工作在I区，从注入电流略小于阈值电流开始逐渐的减小注入电流，当得到的FP-SOA的自发辐射谱在信号波长的增益最小时(如图6所示在信号波长处的自发辐射功率为A点)，锁定此时的注入电流即能保证FP-SOA工作在I区。同理，继续减小注入电流，当得到的FP-SOA的自发辐射谱在信号波长的增益最大时(如图7所示在信号波长处的自发辐射功率为B点)，锁定此时的注入电流即能保证FP-SOA工作在II区。

如图8所示，一个对四个标签脉冲与四个净荷脉冲光分组信号进行标签提取的工作原理。FP-SOA的工作区设置在图3中的I区位置，注入电流保证初始工作点提供负增益(损耗)。由于标签信号宽脉冲消耗的载流子数目多，导致载流子浓度进入正增益区，使得宽脉冲被放大。放大的宽脉冲将进一步加剧载流子的消耗，导致载流子浓度进一步往高增益区移动，形成正反馈的过程，使得标签信号被放大。而净荷信号由于消耗的载流子数目少，使得载流子浓度变化不大，保证了增益仍然为负值，即净荷信号被抑制。

如图9所示，一个对四个标签脉冲与四个净荷脉冲光分组信号进行净荷提取的工作原理。FP-SOA的工作区设置在图3中的II区位置，注入电流保证初始工作点设置在增益的峰值附近。由于窄脉冲消耗的载流子数目少，载流子浓度值在增益峰值附近，保证了窄脉冲的净荷信号被放大。由于宽脉冲消耗的载流子数目多，载流子浓度减少到负增益区，使得宽脉冲标签信号被抑制。需要说明的是，在图9中窄脉冲的载流子变化的深度出现了甚至比宽脉冲大的情形，这是由于窄脉冲放大以后对载流子浓度的进一步消耗造成的，但这不会影响在该工作区对净荷信号的提取和对标签信号的放大。

Claims

1.光分组交换中的标签与净荷的分离方法，1×2分束器的输入接光分组信号，输出分别与第一半导体光放大器和第二半导体光放大器连接，第一、二半导体光放大器为法布里——珀罗型半导体光放大器或为用光环行器与1×2分束器连接的法布里——珀罗型半导体激光器，分束器输入的光分组信号中标签信号与净荷信号采用归零码调制，标签信号的脉冲宽度要比净荷信号的脉冲宽度大，第一、二半导体光放大器形成增益与载流子浓度的非线性关系，增益随载流子浓度波动，在增益波形峰值的右侧为I区，增益随载流子浓度的增加而减小，在增益波形峰值的左侧为II区，增益随载流子浓度的增加而增加，调整第一、第二半导体光放大器的注入电流，使第一半导体光放大器工作于I区，而第二半导体光放大器工作于II区，第一半导体光放大器输出净荷信号被抑制且标签信号被放大的光分组信号，第二半导体光放大器输出标签信号被抑制且净荷信号被放大的光分组信号，第一、二半导体光放大器的注入电流低于其受激辐射的阈值电流，法布里——珀罗型半导体激光器的输出反射回光环行器，再由光环行器输出，将第一、二半导体光放大器分别用光纤与光谱仪相连接，在第一半导体光放大器从略小于阈值电流开始逐渐的减小注入电流，在光谱仪得到自发辐射谱在信号波长处的最小增益时，锁定此时的第一注入电流为保证第一半导体光放大器工作在I区的电流，在第二半导体光放大器从略小于阈值电流开始逐渐的减少第二注入电流，在光谱仪得到自发辐射谱在信号波长处的最小增益时，并继续减小第二注入电流，当光谱仪得到自发辐射谱在信号波长的增益最大时，锁定此时的第二注入电流为保证第二半导体光放大器在II区工作的电流，第一注入电流保证第一半导体光放大器初始工作点提供负增益，第二注入电流保证第二半导体光放大器的初始工作点设置在增益的峰值附近。