CN101394232A - 一种基于soa-mzi光标记插入擦除的装置与方法 - Google Patents

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忻向军
张琦
余重秀
王葵如
师严
胡晓明
曹永盛
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Abstract

本发明公开一种信息处理设备，主要用于FSK/ASK正交联合调制方式光标记交换中标记信息的擦除和插入，其中所述信息处理设备包括光标记的擦除和插入部分以及新标记的产生。所述光标记的擦除插入部分主要通过半导体光放大器－马赫曾德干涉仪同时实现旧标记的擦除与新标记的插入。由于半导体光放大器－马赫曾德干涉仪采用干涉原理，因此提高了变换信号的消光比，减小了半导体光放大器中的增益变化和变换信号的啁啾，进一步改进了接收灵敏度。此种标记擦除和插入的方法所需输入功率低、速率较高、可以在很大频宽泛围内变换标记的波长。由于这种标记擦除插入的方法具有信号质量不劣化且消光比还能改进的重要特点，因此而成为十分看好的技术。

Description

一种基于SOA-MZI光标记插入擦除的装置与方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种基于SOA-MZI的光标记交换中标记插入和擦除的方法和装置。
背景技术
随着互联网的迅猛发展，以突发性为显著标志的IP业务呈爆炸性增长，对网络带宽的需求不断的扩大。传统的电交换网络由于电子器件的物理限制，已几乎达到极限，继续增加带宽将非常困难。随着密集波分复用(DWDM，DenseWavelength Division Multiplexing)技术的高速发展，充分挖掘光纤的巨大带宽，并将交换功能从电域向光域转移，实现波长路由成为可能。以波长为基本交换粒度的自动交换光网络，其交换方式属于线路交换的范畴，决定了其灵活性和带宽利用率都较差。从理论上讲，光分组交换(OPS，Optical Packet Switching)能对DWDM的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配，比线路交换有着更多的优势。
光标记交换(OLS，Optical Label Switching)是OPS的一种实现形式，是基于一种光电混合的光分组交换结构，即将数据包的业务数据信息与网络路由和控制信息进行分离传送处理，使高速业务数据信息的传输与交换在光域内进行，实现全光的交换。OLS利用各种方法将光包的包头地址信息打在光包上，在交换节点上根据光标记来实现全光交换，进入OLS网络前先要将标记和净荷压缩，之后就只需要对标记进行处理，因此有效利用了全光网络资源，改善路由器电子瓶颈问题，光网络资源合理利用问题；OLS可以在全光域中实现高速净荷的路由选择和传输，因此解决了传统电交换中光电转换速度慢、价格高的问题。通过OLS核心路由中标记的插入与处理，光分组可以选择相应路由，被送达到正确的目的地。光标记的产生、传送、提取与重写是光标记交换网的核心技术，将成为光通行领域重点研究课题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了解决其他标记擦除插入方法的消光比差、速率低、接收灵敏度不够的问题，提供了一种新型的标记擦除和插入的方法，用以改进信号质量和消光比，结构简单、实现容易。
本发明采用的光标记交换技术方案为：
首先，IP数据包信息在边缘路由器，形成频移键控/幅移键控(FSK/ASK，Frequency Shift Keying/Amplitude Shift Keying)正交联合调制信号：
低速IP数据包的头信息对单分布反馈式激光器(DFB，DistributedFeed-back)进行直接强度调制，产生FSK光标记信号，继而进入马赫-曾德尔调制器(MZM，Mach-Zehnder Modulator)。
高速IP数据包的净负荷经过相关的编码技术转换成适合光纤传输的信号，继而输入到M-Z调制器。
边缘路由器部分的M-Z调制器，用于产生FSK/ASK正交联合调制信号。
其次，FSK/ASK正交信号经过系统传输部分，并产生信号色散及引入各类噪声：
掺铒光纤放大器，用于提高FSK/ASK信号发射功率，或者放大在光纤传输中减弱的信号。
单模色散光纤和色散补偿光纤，在给信号提供长距离传输路径的同时，分别产生正的和负的信号色散。
然后，新的FSK标记信号的产生，以及核心路由中进行新标记的擦除和旧标记的插入：
首先，低速IP数据包的头信息对DFB激光器进行直接调制，产生新的FSK光标记信号。
再次，将新的FSK光标记信号和旧的FSK/ASK正交调制信号一起输入半导体光放大器-马赫曾德干涉仪(SOA-MZI，Semiconductor OpticalAmplifier-Mach Zehnder Interferometer)波长变换器中：
上臂的SOA的作用在于旧FSK/ASK调制信号注入到此SOA时，载流子密度的改变导致有源区折射率的改变，进而改变新标记信号的相位，从而产生交叉相位调制(XPM，Cross Phase Modulation)。
下臂SOA的作用在于放大新标记信号。
MZ干涉仪作用在于使上下臂两路光信号产生干涉，从而将对新标记信号的相位调制转化为强度调制。
之后，对进行标记擦除插入后的新的FSK/ASK正交信号经过系统传输部分，并产生信号色散及引入各类噪声：
掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifiers)，用于提高FSK/ASK信号发射功率，或者放大在光纤传输中减弱的信号。
单模色散光纤(SMF，Single Mode Fiber)和色散补偿光纤(DCF，DispersionCompensation Fiber)，在给信号提供长距离传输路径的同时，分别产生正的和负的信号色散。
最后，通过传输和交换的信号进入系统的IP头信息与IP净负荷的接收部分，解调出信号：
首先，耦合器将传送过来的信号分成功率比恰当的两部分，使其分别进入FSK信号接收机和ASK信号接收机。
在ASK和FSK信号接收机部分，信号首先经过窄带光滤波器(OBPF，Optical Bandpass Filter)；再经过光电检测器对ASK和FSK信号进行光电转换，并通过前置放大器放大小信号；最后经低通滤波器滤波整形分别解调出IP净负荷和头信息。
本发明的有益效果是，由于采用了干涉原理，所以提高了变换信号的消光比，进一步改进了接收灵敏度，改善了信号质量，减小了误码率，并具有实际可操作性。
附图说明
图1为本发明边缘路由器的结构图，用于产生FSK/ASK正交联合调制光信号，由信号发生器、DFB可调激光器、M-Z调制器(MZM)、高斯滤波器(GaussianFilter)构成。
图2为本发明基于FSK/ASK正交调制的新型光标记系统模型进行标记擦除和插入的原理图。其中标记擦除插入部分由半导体光放大器-马赫曾德干涉仪(SOA-MZI)波长变换器构成；传输部分由掺铒光纤放大器(EDFA)、单模光纤(SMF)、色散补偿光纤(DCF)构成；接收机部分由耦合器(Coupler)、光带通滤波器(OBPF)、光电探测器、放大器、低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)构成；
图3为本发明中FSK/ASK正交联合调制信号的光谱图；
图4为本发明中新的FSK标记信号的光谱图；
图5为本发明中标记擦除和插入后信号经ASK接收机的眼图。误码率小于10-9。
图6为本发明中标记擦除和插入后信号经FSK接收机的眼图。误码率小于10-9。
具体实施方法：
低速IP数据包的头信息Label，本发明以155Mb/s为例。对DFB激光器进行直接强度调制，利用该激光器啁啾效应产生的频率调制，产生FSK光标记信号FSK Label，激光器工作波长为λ0，本发明以1552nm为例，频差Δf为20GHz。FSK Label继而进入M-Z调制器光信号输入端。高速IP数据包的净负荷Payload，转换成适合的信号格式后输入到M-Z调制器的臂。由此产生了FSK/ASK正交联合调制信号。原理图如图1所示，即为图2中的边缘路由器模块。
在此形成的FSK/ASK正交联合调制信号进入图2中的传输模块，其中包括：
两个掺铒光纤放大器(EDFA)，分别位于边缘路由器后和传输路径中，分别用于提高FSK/ASK信号发射功率和增强信号在光纤传输中衰减的能量。
单模色散光纤(SMF)和色散补偿光纤(DCF)，分别用于给输入的信号提供长距离传输路径和补偿SMF产生的正色散。
如图2所示，传输后的FSK/ASK正交信号进入到核心路由器，其中包括：
新标记的产生：新的标记信号直接通过数据包的头信息对另一个激光器，中心工作波长选取为1550nm进行FSK调制产生，产生过程与边缘路由器中的FSK标记信号的产生过程相同。此过程同样需选取恰当的频差Δf，本发明以频差Δf为20GHz为例。
旧标记的擦除和新标记的插入：在核心路由器里，利用SOA-MZI波长变换器同时实现标记的擦除和插入。新标记信号经耦合器后以1:1的功率比等份，其中一束和旧FSK光标记信号一起通过耦合器耦合进入MZ干涉仪的一个臂—下面均称为上臂，新FSK光标记信号的另一束则注入到另一个臂—后面均称为下臂中。两束光在MZ输出端的耦合器处耦合，并发生干涉。
在SOA-MZI波长变换器中，旧的光标记信号的输入会使SOA中载流子密度发生改变，进而导致有源区折射率的改变，从而改变了新光标记信号的相位发生变化，此即为交叉相位调制效应(XPM)。利用MZI使两个干涉臂中的新光标记信号发生干涉，将新光标记信号的相位调制转化为强度调制，实现了标记的擦除和插入。
经过标记的擦除和插入后，新的FSK/ASK信号进入图2中的传输模块，与边缘路由器后的传输模块完全相同。
传输后的IP头信息与IP净负荷的接收模块：
FSK和ASK信号接收机，分别用于将IP头信息和IP净负荷解调出来。进入FSK和ASK信号接收机的信号分别经过：
窄带光滤波器(OBPF)，在两个接收机中分别用于滤除FSK信号中的一个峰值点和滤除正交信号在信道中引入的噪声。
光电检测器及前置电放大器，利用光电检测原理直接将光信号转化为电信号，从而将IP头信息和IP净负荷解调出来，继而通过前置放大器将小信号放大。
低通滤波器，根据系统传递函数确定低通滤波器的低通带宽，用于对解调信号进行整形，减少解调信号的误码率。
综上，本发明由于采用基于SOA-MZI的装置以及干涉原理对光标记进行了擦除和插入，提高了变换信号的消光比，进一步改进了接收灵敏度，改善了信号质量，减小了误码率，并具有实际可操作性。该发明简单、易行，使得光标记交换方案更具有实际可操作性。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以作出若干等同变形和替换，这些等同变形和替换也应视为为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种信息处理及传输设备，用于FSK/ASK正交联合调制光信号的产生、传输及解调，其特征在于，包括：
边缘路由器，用于将来自接入网的IP数据包进行汇集、缓冲及前向纠错，并对IP数据包的头信息和净负荷进行分离，IP数据包的头信息作为标记信号，然后对其进行FSK调制，而高速的净负荷通过控制光的强度变化—ASK调制，实现与头信息的正交调制；
信号传输线路，用于给所述的边缘路由器产生的正交光信号提供色散度最小，衰减度最小的传输路径；
信号接收机，用于分离所述的边缘路由器产生、信号传输线路传输来的FSK/ASK正交光信号，并分别对FSK信号和ASK信号进行检测、放大和判决，解调出标记信号和净负荷。
2、根据权利要求1所述的信息处理设备，其特征在于，所述边缘路由器包括：
信号发生器，用于汇集、缓冲及前向纠错来自接入网的IP数据包，并分离IP数据包的头信息和净负荷，产生155Mb/s或622Mb/s的低速标记信号和10Gb/s的高速净负荷；
单分布式反馈激光器，用于对输入的标记信号进行FSK调制，IP包头信息作为标记信号，驱动一个小的偏置电流直接调制单分布式反馈激光器，利用激光的啁啾产生两个光谱强度不均衡偏移的码频，并根据网络运营状况确定某一个波长λ作为激光器的工作波长；
马赫-曾德尔调制器，用于实现标记信号和净负荷的正交联合调制，已调的155Mb/s或622Mb/s的低速标记信号—FSK信号进入马赫-曾德尔调制器，而10Gb/s的高速净荷信号进入马赫-曾德尔调制器的电信号控制端，通过对输入FSK信号的ASK调制实现FSK/ASK信号的正交联合调制。
3、根据权利要求2所述的信号产生装置，提出一种谱均衡方法，其特征在于，在分布反馈式激光器后接有一个高斯滤波器，用于均衡单分布式反馈激光器产生的两个不均衡码频，使其两个码频的光谱强度趋于相等，并将经过此处理的谱均衡信号输入到M-Z调制器。
4、根据权利要求1所述的信息处理设备，其特征在于，所述FSK/ASK正交联合调制光信号传输线路，包括：
掺铒光纤放大器，用于提高FSK/ASK正交光信号发射功率，或者放大在光纤传输中已减弱的信号；
单模色散光纤，用于给信号提供长距离传输路径；
色散补偿光纤，用于给信号提供长距离传输路径，同时补偿由于单模色散光纤产生的光色散。
5、根据权利要求1所述的信息处理设备，其特征在于，所述接收机部分包括：
耦合器，用于将传送过来的信号分成功率比恰当的两部分，使其分别进入FSK信号接收机和ASK信号接收机；
FSK信号接收机，用于分离出正交信号中的光标记信号部分，并对FSK信号进行检测、放大、滤波和判决，解调出标记信号，即IP数据包的头信息；
ASK信号接收机，用于直接对正交信号进行强度检测、放大、滤波和判决，解调出净负荷；
6、一种信息处理设备，用于光标记交换系统中标记的擦除和插入，其特征在于，包括：
核心路由器，用来产生新的标记并进行标记的擦除和插入。
7、根据权利要求6所述的信息处理设备，其特征在于，所述核心路由器包括：
新标记的产生模块，用于产生新的标记信号；
标记的擦除和插入模块，由SOA-MZI波长变换器构成，利用SOA的交叉相位调制(XPM)，用于同时实现旧标记的擦除和新标记的插入。
8、根据权利要求5所述的信号接收设备，其特征在于，所述FSK信号接收机包括：
窄带光滤波器，用于滤除正交信号频谱中的一个峰值点，留下另一单频率信号信息；
光电检测器及前置电放大器，用于将由窄带光滤波器产生的单频光信号转化为电信号，将IP头信息解调出来，继而将微弱的电信号放大；
低通滤波器，用于对IP数据包头信息信号进行整形，减少头信息信号的误码率；
所述ASK信号接收机包括：
窄带光滤波器，用于滤除正交信号在信道中引入的噪声；
光电检测器及前置电放大器，用于直接探测正交光信号信号强度，即将ASK信号转化为电信号，从而将IP净负荷解调出来，继而将此微弱的电信号放大；
低通滤波器，用于对解调的净负荷信号进行整形，减少净负荷信号的误码率。
9、一种信息处理方法，应用于前述的信息产生、传输和接收的装置，其特征在于，包括：
FSK/ASK联合正交光信号的产生步骤：
a接入网传来的IP数据包首先在边缘路由器信号发生器进行汇聚，缓冲及前向纠错，并对其头信息和净负荷进行分离，产生155Mb/s或622Mb/s的低速标记信号及10Gb/s的高速净负荷信号；
b 155Mb/s或622Mb/s的低速标记信号通过FSK调制器实现FSK调制，之后将信号输入到马赫-曾德尔调制器的光信号输入端；
c高速的净负荷信号输入到马赫-曾德尔调制器的电信号控制端，通过控制输入标记信号的光强度实现FSK/ASK的联合光调制，并将信号输入到传输线路；
FSK/ASK联合正交光信号的传输步骤：
d FSK/ASK正交联合信号通过光纤放大器的放大和正、负色散光纤的传输，以及波长转换和路由后到达另一边缘路由器的光接收机部分；
旧FSK标记信号的擦除与新FSK标记信号的插入步骤：
e 155Mb/s或622Mb/s的低速IP数据包的头信息对DFB激光器进行直接调制，产生新的FSK光标记信号；
f将新的FSK光标记信号和旧的FSK/ASK正交调制信号一起输入半导体光放大器-马赫曾德干涉仪SOA-MZI波长变换器中，同时实现标记的擦除与插入；
FSK/ASK联合正交光信号的接收及解调步骤：
g FSK/ASK正交信号通过一光分离耦合器件，将光功率分成合适的两部分分别进入FSK信号接收机和ASK信号接收机；
h正交信号通过光窄带滤波器形成单频信号，通过光电检测器将该单频光信号转化为电信号，并通过滤波整形器解调出FSK信号；
i同上述FSK信号解调，正交信号通过光窄带滤波器滤除噪声信号，并通过光电检测器和滤波整形器解调出ASK信号。
10、根据权利8、9所述的信息处理方法，其特征在于FSK信号和ASK信号处于同一信号频率，并采用共路的形式，正交信号每到一个路由器，只需提取并处理155Mb/s或622Mb/s的低速光标记信号，即可实现高速路由。
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