CN101094177B - 提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法，包括光电混合方案和全光分组方案。本发明的优点在于：光电混合方案实现光分组信号的净负荷包络信号的提取方法，不仅原理简单，而且系统硬件简单，成本较低。全光方案实现光分组信号的净负荷包络信号的提取方法，可用于超高速率光分组信号处理，如40Gbps以上的系统和网络，尤其是随着半导体光放大器技术的发展，本发明的技术效果能越来越体现出其优点。

Description

提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种光分组业务的信号处理，特别是基于光电子器件的一种光分组信号的净负荷包络信号的提取方法，可用于光分组交换或光标记交换网络的交换节点中。

背景技术

随着人们对网络业务需求的急剧增加，网络容量和传输距离都不断升级，尤其是数字分组业务急剧增加，人们纷纷寻求在光层运行IP业务的方法。在光层实现IP业务的传统方法是采用协议映射，该技术将传统的电域IP路由技术同波分复用光传输技术相结合，路由交换由电的IP路由器来完成。随着波分复用传输容量的增加，电路由处理已经成为限制整个网络传输速率和交换容量的瓶颈。而且，采用协议映射技术时，网络的协议层次增加，使网络的复杂性大大增加，数据的传输和路由变得更加复杂。在光层实现IP业务的新的方法是采用全光分组交换技术，主要有光突发交换，光标记交换和光分组交换。

全光分组交换作为一种面向IP业务的光网络技术，它在光层上直接承载IP业务，数据包以光的形式在光分组交换网络中传输，实现IP与光层的融合。

传统光骨干网络中，上层的IP业务是面向非连接的，底层的光传送网是线路交换的，IP包必须通过多层的协议栈加载至光传送网。在光分组交换网络中，经过IP路由器会聚的分组信号将直接加载到光网络，因此它有着非常突出的优点：首先，可以采用统计复用的方式高效、快速地分配光纤传输系统提供的巨大带宽；其次，对进入网络的数据分组的格式是透明的，即不同格式、不同比特率和不同性能的数据分组的转发都在光域上进行，因此可以突破光电/电光转换瓶颈、避免多重协议栈和复杂的协议转换；而且，光分组交换技术与成熟的电子IP路由技术有机结合，充分发挥电子技术与光子技术的优点，即：IP电子路由器完成业务会聚，分类、流控制，服务质量保证等复杂的处理功能；光信头处理单元进行光分组帧头或标签的同步、识别、擦除和重写等简单的信号处理；光载荷处理单元进行光载荷存贮、转发和路由等的全光透明处理。因此光分组交换网络是一种高效、灵活和可靠的承载IP业务的方案。

光分组交换网络的核心技术是实现数据分组的传送、路由、存储和转发等功能的光信号处理技术，包括在光域中实现帧同步、帧头识别、信号再生、时钟提取、竞争解决等功能。这些技术在电域中已经很成熟，但在光域实现仍存在较大困难，因为相应的光器件和光信号处理技术的发展还远远比不上电器件与电信号处理技术。首先，由于光缓存器件及技术进展缓慢，很难在光域中灵活地实现分组存储转发以及分组冲突解决。其次，光信号处理技术还处于发展阶段，在光域实现帧同步、帧头识别、地址识别等分组交换必需的信号处理成为实现光分组交换的技术难题。第三，光子集成技术刚刚起步，其规模和功能还远不能与微电子技术集成电路相比。

按照国际标准化组织ISO制定的开放系统互联OSI七层协议结构，在物理层上面是数据链路层或者介质接入控制MAC子层。在全光分组交换网中，由于介质接入的过程是在光信号的控制下进行的，因此，必须增加一个控制层，它主要实现如下功能：

(1)帧起始位的确定：从连续的数据包的流中分离出一帧的起始信号，即触发信号。

(2)帧同步信号的获得：由于一个节点可能有多个数据包达到，所以必须有一个协调它们同步的帧同步信号；

(3)帧头分离：从连续的数据包流中分离并提取帧头；

(4)帧头识别：识别目的地址，并用识别结果控制交换结构，以便正确路由；

(5)光开关、光缓存器等被控器件的控制光信号的产生。

目前，获得控制光信号的原理主要有三种。

第一种原理：利用帧同步技术确定帧头和帧尾，获得帧头和帧尾的触发信号脉冲后，利用高速光学双稳态触发器产生脉冲宽度等于帧长的光脉冲，即控制光信号。

第二种原理：利用光电探测器从高速光分组信号中提取高速时钟信号，因为帧头速率比净负荷速率低，一般是1∶4或1∶16，所以只在净负荷持续时间内才有时钟脉冲输出，对时钟脉冲进行自混频后就可以得到净负荷包络信号，即控制光信号。

第三种原理：将帧头分离之后的光分组净负荷信号输入到一个单模工作的分布式布拉格反射激光器，该激光器工作波长不同于输入的光信号波长，如果该激光器工作在阈值以上，那么在没有光分组信号输入时，输出自身波长光信号，在净负荷信号持续时间内，自身振荡被抑制，输出分组信号波长的光信号，利用中心波长在激光器工作波长处的滤波器，选择输出反转的净负荷包络信号，再利用半导体光放大器的交叉增益调制效应即可得到光分组净负荷包络信号，即控制光信号。

发明内容

本发明的目的，提供一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法。该方法从高速全光分组信号中提取净负荷包络信号，信号波形为矩形脉冲，持续时间等于光分组信号的净负荷长度。该信号可用于全光分组交换网络节点的控制光信号，以控制光开关、光缓存器等全光信号处理关键器件，提高全光分组交换节点的性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种光电混合方案提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，将全光分组信号转换为电信号，提取高速时钟，利用自混频产生净负荷包络信号，进而驱动激光器，输出净负荷包络的光信号；系统包含：

光探测器、时钟恢复和滤波器、肖特基二极管自混频器、低通滤波器和放大器、激光器，波长为λs的信号光，承载了分组业务，经光探测器后转换为电信号，经时钟恢复和滤波功能模块，输出高速时钟信号，利用肖特基二极管使高速时钟信号自混频，得到低频包络信号，将此信号驱动一特定波长激光器，输出光信号即为原输入光分组信号的净负荷包络信号。

包含：

第一连续光源、第一波分复用器、第一半导体光放大器、第一滤波器、第二连续光源、第二波分复用器、第二半导体光放大器、第二滤波器，波长λs为1552.52nm的信号光，承载了分组业务，将帧头分离后，高速净负荷信号光和第一连续光λcw1为1554.13nm经波分复用器耦合，输入第一半导体光放大器，在其中发生交叉增益调制，由于半导体光放大器的增益恢复时间限制，第一连续光的增益受高速净负荷分组信号调制，在净负荷持续时间内，由于增益饱和，第一连续光不被放大，在其它时间，第一连续光放大输出，用中心波长λcw1为1554.13nm的滤波器选择输出被调制的第一连续光，与第二连续光λcw2为1555.75nm耦合输入第二半导体光放大器，同样基于交叉增益调制，用中心波长λcw2为1555.75nm的滤波器可选择输出被调制的第二连续光，也就是得到了初始输入的光分组信号的净负荷包络信号。

一种提取光分组信号的净负荷包络信号的实现方法，有如下步骤：

信号光经光探测器后转换为电信号；

电信号通过时钟恢复和滤波器，产生两个时钟序列，通过滤波器选择其中速率较高的时钟分量，输出高速时钟信号；

将高速时钟信号分为两路，控制时延差，使其远离四分之一周期或四分之三周期，后进入肖特基二极管自混频器，生成低频包络信号和二倍频信号；

将低频包络信号通过低通滤波器和放大器，得到单一的包络信号驱动下游的激光器。

一种提取光分组信号的净负荷包络信号的实现方法，有如下步骤：

信号光将帧头分离后，得到高速净负荷信号光，将其和第一连续光经第一波分复用器耦合；

耦合后光信号输入第一半导体光放大器，发生交叉增益调制，第一连续光的增益受高速净负荷分组信号调制，在净负荷持续时间内，第一连续光不被放大，在其它时间，第一连续光放大输出，得到高速净负荷的包络信号的翻转信号；

用第一滤波器选择输出被调制的第一连续光，与第二连续光经第二波分复用器耦合；

耦合后的光信号输入第二半导体光放大器，发生交叉增益调制；

用第二滤波器可选择输出被调制的第二连续光，得到初始输入的光分组信号的净负荷包络信号。

本发明的优点在于：光电混合方案实现光分组信号的净负荷包络信号的提取方法，不仅原理简单，而且系统硬件简单，成本较低。全光方案实现光分组信号的净负荷包络信号的提取方法，可用于超高速率光分组信号处理，如40Gbps以上的系统和网络，尤其是随着半导体光放大器技术的发展，本发明的技术效果能越来越体现出其优点。

附图说明

图1为本发明的光电混合方案提取光分组信号的净负荷包络信号的系统原理图；

图2为本发明输入的光分组信号的帧结构与波形图；

图3为本发明的高速时钟信号波形图；

图4为本发明净负荷包络信号波形图；

图5为本发明的光电混合方案电路原理图；

图6为本发明的全光方案提取光分组信号的净负荷包络信号的系统原理图；

图7为本发明的第一连续光和输入光分组净负荷波形图；

图8为本发明的被调制的第一连续光和输入光分组净负荷波形图；

图9为本发明的被调制的第一连续光和第二连续光波形图；

图10为本发明的被调制的第一连续光和被调制的第二连续光波形图。

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，现配合附图说明如下。

实施例1：

本发明提供一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法，具体涉及一种光电混合系统及方案。本发明的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，包含：光探测器、时钟恢复和滤波器、肖特二极管自混频器、低通滤波器和放大器、激光器。

本发明的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的实现方法。如图1、图2所示，波长λs为1552.52nm的信号光，分组帧包括低速帧头、高速净负荷和使它们保持一定时间间隔的保护带。该信号光承载了分组业务，经光探测器后转换为电信号。而后，如图3所示，通过时钟恢复和滤波器，由于帧头和净负荷速率不同，即时钟不同，因此时钟恢复部分会产生两个时钟序列，通过滤波器选择其中速率较高的时钟分量，而不必经过帧头分离，输出高速时钟信号。高速时钟的包络即高速净负荷持续时间，因此，将高速时钟信号分为两路，引入并精确控制时延差，使其远离四分之一周期或四分之三周期，后进入肖特基二极管自混频器，发生自混频，生成低频包络信号和二倍频信号。其后，将低频包络信号通过低通滤波器和放大器，得到单一的包络信号驱动下游的激光器。如图4所示，输出的光信号即为原输入光分组信号的净负荷包络信号。

本发明的系统硬件部分具体安装调试过程如下：全光分组交换网络中业务速率10Gb/s，帧头速率2.5Gb/s，选用带宽达10GHz的光探测器与时钟恢复模块，中心频率为9.95GHz的滤波器，肖特二极管自混频器、低通滤波器和放大器、激光器等关键器件。滤波器通带宽度必须折衷考虑减小净负荷包络信号脉冲的起伏和提高前后沿上升和下降速度，因为这两方面的要求是相互矛盾的，所以必须选择合适的滤波特性，才能获得较高质量的净负荷包络信号。根据交换节点控制光信号的要求，选用符合系统要求(波长、功率等参数)的激光器。根据光电混合方案基本原理设计系统硬件电路，包括光探测器驱动电路、时钟恢复电路、滤波电路、肖特基二极管自混频电路、激光器驱动电路、温度控制和功率控制电路、以及其它辅助电路。硬件安装完毕，进行系统调试，包括所有电路调试，并根据调试情况适当调整系统中涉及到的每个器件，最终制作稳定可靠的系统硬件，外部端口包括信号光输入、电源输入、净负荷包络信号光输出等端口。

光电混合方案中选用时钟恢复和滤波功能模块时，仔细设计并调试锁相环电路，如图5，使输出时钟脉冲相位稳定，幅度稳定，时钟精度高，可以提高净负荷包络信号质量。

本发明的系统涉及一次光电光转换，因此不适合于速率过高的全光分组信号处理，一般在10Gbps以下系统和网络可以考虑光电混合方案。

实施例2：

本发明还涉及一种全光系统及方案。本发明的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，包含：第一波分复用器、第一半导体光放大器、第一滤波器、第二波分复用器、第二半导体放大器、第二滤波器。

本发明的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的实现方法。本发明中选用两个连续光作为探测光，由于探测光的连续性，避免了大多数光信号处理器件中的同步问题。如图6所示，分组帧包括低速帧头、高速净负荷和使它们保持一定时间间隔的保护带。该信号光承载了分组业务，将帧头分离后，高速净负荷信号光和第一连续光λcw1为1554.13nm经第一波分复用器耦合，光信号波形如图7所示。而后，输入第一半导体光放大器，在其中发生交叉增益调制，由于半导体光放大器的增益恢复时间限制，第一连续光λcw1为1554.13nm的增益受高速净负荷分组信号调制，在净负荷持续时间内，由于增益饱和，第一连续光λcw1为1554.13nm不被放大，在其它时间，第一连续光λcw1为1554.13nm放大输出，得到高速净负荷的包络信号的翻转信号，如图8所示。之后，用中心波长λcw1为1554.13nm的第一滤波器选择输出被调制的第一连续光λcw1为1554.13nm，与第二连续光λcw2为1555.75nm经第二波分复用器耦合，输出光信号波形如图9所示。而后，输入第二半导体光放大器，同样基于交叉增益调制，用中心波长光λcw2为1555.75nm的第二滤波器可选择输出被调制的第二连续光λcw2为1555.75nm，即初始输入的光分组信号的净负荷包络信号，波形如图10所示。

本发明的系统硬件部分具体安装调试过程如下：假定全光分组交换网络数据载波λs为1552.52nm，选用波长1554.13nm的第一连续光λcw1和波长1555.75nm的第二连续光λcw2为1555.75nm，并依此选用波分复用器、滤波器和半导体光放大器。完成系统中涉及到的每个器件或功能部件的外围系统，使能正常工作，尤其对于半导体光放大器，需测试其增益恢复时间和饱和工作特性。考虑半导体光放大器的增益线宽因子，一般为5-8、载流子寿命，一般100ps量级等增益动态特性，选用两个半导体光放大器级联结构，不仅能提高系统响应速度，而且有利于降低净负荷包络信号脉冲的幅度波动，改善净负荷包络信号前后沿，提高净负荷包络信号质量。对第一半导体光放大器的工作参数需要仔细考虑，既要求工作在饱和区，又要求增益恢复速度必须慢于净负荷比特速率，确保高速净负荷信号脉冲序列使半导体光放大器一直处于饱和状态，因此，本实施例中第一半导体光放大器饱和功率较低，约3dBm，增益恢复时间约200ps。对第二半导体光放大器的工作参数要求则较宽松，被调制的第一连续光和第二连续光使其饱和，并能快速响应脉冲前后沿变化即可，因此本实施例选用饱和功率约10dBm、增益恢复时间约50ps的第二半导体光放大器。本发明选用两个光滤波器，中心波长分别对应两个连续光波长1554.13nm和1555.75nm，用于依次选择被调制的连续光，并最终输出高速净负荷包络信号。两个滤波器的中心波长分别对应两个连续光波长，第一滤波器要选择通过第一连续光，隔离输入信号光，第二滤波器要选择通过第二连续光，隔离第一连续光，因此，两个滤波器的中心波长和带宽特性的准确选择，能提高获得的净负荷包络信号质量。然后，仔细调整光路，确保各连接点、端面的连接损耗最低。之后，进行系统调试，包括两个连续光源的输出功率、信号光功率、两个半导体光放大器的注入电流，使系统正常工作于饱和状态。调整系统中各个器件工作参数，获取最大的信号消光比和最好的净负荷包络信号脉冲。衡量净负荷包络信号优劣的参数包括其动态范围、平坦程度、均方根抖动的大小，以及随着输入光分组信号光强的变化其锁定时间的变化情况。

全光方案中选用两个连续光时，可降低系统复杂性和成本，而且降低实现难度，不需要本地进行时钟同步等复杂的信号处理，因此，有利于提高系统性能，便于提高净负荷包络信号质量。

实施例3：

提取光分组信号的净负荷包络信号的系统及实现方法，包括以下内容。

第一，光电混合方案中的时钟恢复和滤波功能模块的选用。输入到系统的光分组信号经光探测器后转换为电信号，由于帧头和净负荷速率不同，即时钟不同，因此时钟恢复部分会产生两个时钟序列，通过滤波器选择其中速率较高的时钟分量，而不必经过帧头分离，可较简单地得到高速净负荷时钟脉冲。

第二，光电混合方案中的自混频器的选用。本发明选用肖特基二极管，将高速时钟脉冲分为两路，引入时延差(相位差)后进入肖特基二极管，发生自混频，生成低频包络信号和二倍频信号，低频包络信号就对于光分组信号的净负荷包络信号，经过低通滤波和放大后就得到单一的包络信号，可用于驱动下游的激光器。

第三，全光方案中的半导体光放大器的选用。本发明选用两个半导体光放大器，利用其中的交叉增益调制，分别对两个连续光调制，得到高速净负荷的包络信号。对第一半导体光放大器的工作参数需要仔细考虑，既要求工作在饱和区，又要求增益恢复速度必须慢于净负荷比特速率，确保高速净负荷信号脉冲序列使半导体光放大器一直处于饱和状态。对第二半导体光放大器的工作参数要求则较宽松，被调制的第一连续光和第二连续光使其饱和，并能快速响应脉冲前后沿变化即可。

第四，全光方案中的滤波器的选用。本发明选用两个光滤波器，中心波长分别对应两个连续光波长，用于依次选择被调制的连续光，并最终输出高速净负荷包络信号。

第五，两个连续光的选用。本发明中选用两个连续光作为探测光，由于探测光的连续性，避免了大多数光信号处理器件中的同步问题，简化了本发明涉及到的方法和实现系统。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施范围。即凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (4)

1.一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，其特征在于，包含：

第一连续光源、第一波分复用器、第一半导体光放大器、第一滤波器、第二连续光源、第二波分复用器、第二半导体光放大器、第二滤波器，波长λs为1552.52nm的信号光，承载了分组业务，

将帧头分离后，高速净负荷信号光和波长λcw1为1554.13nm的第一连续光经第一波分复用器耦合，输入第一半导体光放大器，在其中发生交叉增益调制，

由于半导体光放大器的增益恢复时间限制，第一连续光的增益受高速净负荷分组信号调制，在净负荷持续时间内，由于增益饱和，第一连续光不被放大，在其它时间，第一连续光放大输出，用中心波长为λcw1的第一滤波器选择输出被调制的第一连续光，

与波长λcw2为1555.75nm的第二连续光使用第二波分复用器耦合输入第二半导体光放大器，同样基于交叉增益调制，用中心波长为λcw2的第二滤波器可选择输出被调制的第二连续光，也就是得到了初始输入的光分组信号的净负荷包络信号。

2.根据权利要求1所述的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，其特征在于：两个滤波器，中心波长分别对应两个连续光波长，用于依次选择被调制的连续光，输出高速净负荷包络信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种提取光分组信号的净负荷包络信号的系统，其特征在于：两个半导体光放大器，利用其中的交叉增益调制，分别对两个连续光调制，得到高速净负荷的包络信号。

4.一种提取光分组信号的净负荷包络信号的实现方法，其特征在于有如下步骤：

波长λs为1552.52nm的信号光将帧头分离后，得到高速净负荷信号光，将其和波长λcw1为1554.13nm的第一连续光经第一波分复用器耦合；

耦合后光信号输入第一半导体光放大器，发生交叉增益调制，第一连续光的增益受高速净负荷分组信号调制，在净负荷持续时间内，第一连续光不被放大，在其它时间，第一连续光放大输出，得到高速净负荷的包络信号的翻转信号；

用中心波长为λcw1第一滤波器选择输出被调制的第一连续光，与波长λcw2为1555.75nm的第二连续光经第二波分复用器耦合；

耦合后的光信号输入第二半导体光放大器，发生交叉增益调制；

用中心波长为λcw2第二滤波器可选择输出被调制的第二连续光，得到初始输入的光分组信号的净负荷包络信号。

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