CN1092882C - 光tdma网络中的信道选择 - Google Patents

Abstract

在一个光网络中节点上的接收器接收光时钟信号及OTDM数据流。检测器将时钟信号转换到电域。可变延时级将选择的延时施加到电域中的时钟信号上。可采用电吸收调制器的非线性电光调制器在其光输入端接收OTDM数据流。调制器的电控制输入端连接到可变延时级的输出端。电光调制器输出通过设置可变延时级的延时选择的OTDM信道。可变延时级可包括多个逻辑门，尤其是AND门，它们连接在一对微带延时线之间。对各个门进行控制以提供具有时钟信号的不同相应延时的不同通路。

Description

光TDMA网络中的信道选择

本发明涉及用于传输TDMA(时分多址联接)信号的光网络，并具体涉及用于该种网络节点中的接收器。

实施本发明的网络例如可被用作互连计算机系统的局域网络(LAN)。计算机系统在处理速度及存储容量方面能力的增强使得传统的个人计算机能处理涉及实时电视、动画制作及计算机作图的多媒体应用。与这些应用相关的宽带数据对网络提出高要求，而传统的LAN的性能已不能适应要求。

使用同步TDMA的光网络可以提供更宽的带宽，因此可用作高速度LAN，以取代传统的LAN。但是在现有的光网络中，信号传输是在光域中进行的，而实际上，对于诸如信道选择这样的功能需要某些电子电路。已经认识到，网络基础结构是这些电子元件构成了限制网络性能的阻碍。

在“使用全光多路分解的高速广播及选择TDMA网络”(L P Barry等人著，ECOC‘95年，第437-440页)中描述了一个实验的OTDM网络。在该网络节点中的接收器上，检测出光时钟信号及在电域中将可变时延施加给检测的时钟信号以选择具体的TDMA信道。在脉冲整形后，通过驱动本地光源、即DFB激光器使信号转换回光域，该激光器产生在后继全光转换级中使用的光信号。

由Prucnal等人写的论文“超快速全光同步多路联接光纤网络”(IEEE，通信选择领域杂志SAC-4，1986年12月9日，第9期)提出一种替换的方案，其中不同的延时因此不同的TDMA信道在光域中选择。光信号在各具有不同特征延时的不同路径之间被分开，对每个路径中的电光门进行控制，以使信号仅通过具有所需延时的通路。

根据本发明的第一方面，提供了一种适用于光TDMA(时分多址联接)网络中节点上的接收器，该接收器包括：

a)用于光时钟信号的输入端；

b)检测器，它被设置来将在所述输入端上接收的光时钟信号转换到电域；

c)可变延时级，用于对电域中的时钟信号施加延时；及

d)非线性电光调制器，它包括：

i)光输入端，用于接收TDMA数据流，及

ii)电控制输入端，它与可变延时级的输出端相连接；

在使用时，该电光调制器输出TDMA信道，该TDMA信道通过设置可变延时级的延时来选择。

最好，电光调制器是一种电吸收调制器(EAM)。

本发明人已经发现，通过将电域中的信道选择与使用具有快速非线性度的光电开关读选择的信道相结合可以获得重大的优点。尤其是，可以获得相对高的开关速度而无通常与全光信道选择相关的功率损耗。并发现当使用EAM时特别有利。这种器件的快速响应时间可以使开关窗短到几皮秒(微微秒)。因此，接收机作为整体可以在40G bit/s或更高的位速率上操作。

最好，该接收器包括将光域中的时钟信号与接收的TDMA数据流相分离的装置。所述用于分离的装置最好包括极化光束分光器，在使用时，时钟信号相对TDMA数据流以不同的极化状态来标记。

最好，用于分离的装置的第一输出端与电光调制器的光输入端相连接，在使用时，TDMA数据从第一输出端传送到调制器，及该用于分离的装置的第二输出端与检测器相连接，在使用时，光时钟信号从第二输出端传送到检测器。

最好，一个脉冲发生器连接在可变延时级的输出端及电光高调制器的控制输入端之间。

电光调制器需要具有较短于延时级输出脉宽的驱动信号。在此情况下，某些有利的脉冲整形方式可被使用，具体地，延时级的输出可施加于电脉冲发生器。这可以是使用分极恢复二极管的器件，以从正弦波产生短的电脉冲。

最好，可变延时级包括：多个逻辑门；使每个门的第一输入端与时钟信号的输入路径相连接的装置；控制装置，它与每个门的第二输入端相连接；及将各个门的输出端共同连接到延时的时钟信号的输出路径的装置；用于将门的输入端及输出端连接到各个输入及输出路径的所述装置用于通过不同门提供各个不同长度的路径，在使用时，控制装置对门施加控制信号，以选择路径及对时钟信号的相应延时。

本发明的这个有利特征使用了逻辑门阵列来提供适于集成结构及能快速重构型的电子信道选择器。该信道选择器不限制应用于根据本发明第一方面的接收器，而可应用于另外接收器的设计，或用于节点发送器中。具体地，它可与一接收器中的本地光源相结合，在该接收器中，在本发明第一方面的电光调制器的位置上使用全光开关。

根据本发明的第二方面，提供了根据上述方案中任一个的接收器，其中可变延时级包括：

多个逻辑门；

使每个门的第一输入端与时钟信号的输入路径相连接的装置；

控制器，它与每个门的第二输入端相连接；及

将各个门的输出端共同连接到延时的时钟信号的输出路径的装置；

将门的输入端及输出端连接到各个输入及输出路径的所述装置用于通过不同门提供各个不同长度的路径，在使用时，控制器对门施加控制信号，以选择路径及对时钟信号的相对延时。

最好，至少一个所述连接输入及输出的装置包括一个微带延时线。该连接输入及输出的装置最好包括一对微带延时线且各个门连接在这对微带延时线之间。

最好在门的输入侧上门与微带延时线的相邻连接被相应于t/2的路径长度分隔，在门的输出侧上门与微带延时线的连接被相应于t/2的路径长度分隔，在使用时，门受到控制以t的倍数改变延时，其中t相应于TDMA信号时域中的信道间隔。

根据本发明的第三方面，提供了一种操作光TDMA(时分多址联接)网络节点上的接收器的方法，该方法包括：

a)接收TDMA数据流及相关的光时钟信号；

b)检测光时钟信号并由此将光时钟转换到电域；

c)对电域中的时钟信号施加可变延时；

d)使TDMA数据流通过非线性电光调制器；及

e)根据延时的时钟信号控制调制器，由此使调制器输出多个TDMA信道中选择出的一个信道。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于从在光通信网络上传输的多个TDMA(时令多址联接)信道中选择地多路分解出某一个信道的方法，该方法包括：

a)接收TDMA数据流及相关的光时钟信号；

b)检测光时钟信号及由此将光时钟信号转换到电域中；

c)根据从所述多个信道中分解出哪个信道来设置可变延时的值；

d)将所述可变延时施加在电域中的时钟信号上；

e)将TDMA数据流通过非线性电光调制器；及

f)根据延时的时钟信号控制调制器，由此使该调制器输出一个或多个选择的TDMA信道。

本发明还包括一个含有根据第一及第二方面的接收器的光网络，及使用该网络形成的LAN。

现在将参照附图并仅以例子的方式来详细描述实施本发明的系统，附图为：

图1是实施本发明的网络的概图；

图2是表示图1中一个节点结构的示图；

图3是用于图1网络中的一个发送器的概图；

图4是用于图1网络中的一个接收器的概图；

图5是电信道选择器的电路图；

图6是表示具有本地光源的电信道选择器的使用的示图；

图7是基于图6方案的接收器的详细示图；

图8是一个脉冲源的概图。

一个光网络包括多个与一光导纤维母线1相连接的节点N1、N2、N3……。在本例中，该网络为局域网络(LAN)，及多台个人计算机PC1、PC2、PC3……经由光导纤维母线彼此相连接并与网络服务器2相连接。为了简明起见，虽然仅图示出三个节点，实际上该网络可支持很多的节点。该网络使用一种被本发明人称为“可再入母线”的技术。如图2中所示，每个节点包括连接在母线1两点上的发送器21及连接在光纤母线1的发送器下游一个点上的接收器22。发送器21及接收器22通过电子接口23连接到各台个人计算机。

该网络使用同步TDMA(时分多址联接)协议规程操作。时钟信号流被分配给网络的所有用户，由此保证每个节点均为同步的。一个时钟脉冲标志着每个帧的开始。帧被精确地分为时隙—例如为100G bit/s线速率的10ps宽度的时隙。通常，每个节点具有可调谐的发送器和可调谐的接收器，由此可在任何时隙中发送及接收。网络的颗粒度(granularity)，即整个网络带宽与单个信道带宽之间的关系，可以被选择得相对高，以使得每个用户能以其本身速率超过100Gbit/s的光纤线路进入到相对低速率(如155Mbit/s)的信道。为了减少所需电子部件的成本，在该例中每个节点内的电子速率最大为2.5Gbit/s。时钟源典型地位于与服务器2相连接的网络控制器3中。时钟以相对于光纤线路峰值线速率(100G bit/s)相对低的重复速率、如155或250MHz产生皮秒(微微秒)宽度光脉冲的规则信号流。该时钟源可由锁模激光器或具有外部脉冲压缩的可转换增益激光器来提供。作为一个指引，对于100Gbit/s的LAN需要约2ps的脉冲宽度，而对于40G bit/s的系统约5-7ps就能满足。适于在100G bit/s或更高速率下操作的脉冲源已公开在本申请人共同提交的、未结案的题为“光脉冲源”之欧洲专利申请中并作为权利要求提出(申请人案号：A25146)，申请日为1996年2月16日，该较早申请的公开文献结合于此作为参考。该脉冲源可包括具有其输出受电吸收调制器(EAM)控制的脊形波导可增益转换分配反馈的半导体激光二极管(DFB-SLD)。连续波(CW)的光被射入DFB-SLD的光腔中。对DFB-SLD及EAM施加同步RF驱动。该脉冲源被概要地表示在图8中。

图3表示其中一个节点上的发送器。在发送器上，一部分分配时钟流被分流，然后经过一个电光调制器被编码。例如这可以是铌酸锂调制器、如从United Technologies公司可商购的型号为APE MZM-1.5-3-T-1-1-B/c的调制器，或电吸收调制器(EAM)。一种合适的EAM被描述在D.G Moodie等人的论文中，该论文发表于电子通讯(Electron.Letts.)第31卷第16期(1995年8月3日)第1370-1371页上。然后在发送器中的可变时延使受调制的脉冲流置入正确的时隙中，以便向前发送。数据及时钟流必须是可被区别的，在此例中使用了极化来区分时钟和帧的其余部分。在发送器中，极化器P消除了数据信道穿透到电光调制器(EOmod)内并被调制的可能性。该极化器不需要为分立器件，而可与EO调制器集成在一起。例如，上述UnitedTechnologies公司的EAM是在操作上具有内有极化选择性的。延时线提供所需的延时，将数据脉冲以与时钟流正交的极性插入到相应的时隙中。该极性的转动可通过简单的极化旋转器如阻尼板或使用极化维持纤维实施回路的方式来实现，然后在再将其插入到光纤线路前通过波导的实际转动来获得转动。

在接收器上，在从光纤线路分出一部分光后，使时钟及数据分离。使用极化光束分光器(PBS)来执行该功能。然后使用可变时延装置迫使时钟和数据脉冲受到相对(可编程)的光延时。这意味着时钟脉冲可与任何数据脉冲时隙重叠，因此可用于多路分解或读出任何信道。在信道被多路分解后，使用以高至2.5Gbit/s速率操作的接收器使其转换回电域，该速率为每用户被分配的带宽。

图4详细地表示接收器的结构，并尤其表示，如何使用一个电信道选择器(ECS)来提供信号，该信号在适当的放大及整形后用于驱动电吸收调制器(EAM)。该电信道选择器(ECS)被表示在图5上。首先使用检测器52来检测光LAN的时钟，该检测器例如是一个PIN光电二极管。在放大后，信号被滤波以产生一净化的正弦电波形。然后该信号被输入到延时级53，后者包括一系列的以线性阵列布置的AND门LG。该阵列被作成低成本的单芯片，它能以NEL NLB6202型号被商购到。这些AND门用于控制对微带延时线的连接。延时线被精确地以等于LAN信道间隔的延时分极。对于以40G bit/s操作的系统，信道延时t等于25ps。这些AND门通过来自多路分解器54的输入进行控制。在该例中，多路分解器是由NEL公司制造的NL 4705器件。多路分解器将由连接于节点的PC产生的输入串行延时选择字转换成用于AND门阵列的合适选通信号，并由此选择适当的延时。

作为替换可使用离散的逻辑门来设置延时，即可使用连接可变的微波模拟移相器。一种合适的器件可从Vectronics微波公司以型号DPV 2425-360L商购到。该器件的带宽为2.5GHz，它响应于0至10伏的输入控制电压产生0至360度的相位移。

电信道选择器在其输出端产生阶梯的正弦波。然后它可被放大及适当整形，以便产生后一级所需的合适驱动信号。该后一级例如可为EAM或激光二极管。如果由ECS输出的脉冲需要缩短以驱动后面的元件，则可使用电脉冲发生器。一种适用的同轴分步恢复二极管梳状发生器可以作为MW 15900系列的ELISRA型号商购到。假定电子时钟恢复能以分皮秒的瞬时抖动来进行及微带延时能被精确地控制到皮秒级，就很有可能在高至100G bit/s速率时使用电信道选择器。

虽然图4的电路使用了EAM，但也可替换地使用ECS与本地光源的组合。由于这种光源，ECS可在发送器中用于可编程的信道插入(图6)，或在接收器中用于信道分解(图7)。在信道分解的情况下，本地皮秒脉冲激光器的输出与光AND门中的数据相组合。近年来的皮秒脉冲激光器方面的进展已有可能作到，使用基于半导体的有源介质来产生稳定的皮秒宽度光脉冲。这种激光器的一个例子是后置线性调频脉冲补偿的可增益转换的DFB激光器，正如在上述的我们共同提出的未结案申请中所描述的。这在从MHz至几十GHz的宽广重复速率下提供了一种简单可靠的皮秒宽度脉冲源。在本例中，这种脉冲源是在宽带放大后由ECS的输出及使用了一个脉冲发生器驱动的。然后，所产生的光脉冲流直接地在光AND门中用于多路分解出所需的信道。光AND门作为多路分解器的使用被详细地描述在本申请人较早的国际申请：No.PCT/GB95/00425中，申请日为1995年2月28日。该脉冲源的波长依赖于光AND门设计，但波长不是全部地被限制为与数据波长相同。光AND门可为SLA-NOLM或为基于集成半导体的器件。

Claims (18)

1、一种适用于光TDMA网络中节点上的接收器，该接收器包括：

a)用于光时钟信号的输入端；

b)检测器，它被设置来将在所述输入端上接收的光时钟信号转换到电域；

c)可变延时级，用于对电域中的时钟信号施加延时；及

d)非线性电光调制器，它包括：

i)光输入端，用于接收TDMA数据流，及

ii)电控制输入端，它与可变延时级的输出相连接；

其中该光时钟信号和该TDMA数据流必须是可区分的，在使用时，该电光调制器输出TDMA信道，该TDMA信道通过设置可变延时级的延时来选择。

2、根据权利要求1的接收器，其中电光调制器是一种电吸收调制器。

3、根据权利要求1或2的接收器，包括用于将光域中的时钟信号从接收到的TDMA数据流中分离的装置。

4、根据权利要求3的接收器，其中所述用于分离的装置包括极化光束分光器，在使用时，时钟信号相对TDMA数据流以不同的极化状态来标记。

5、根据权利要求3或4的接收器，其中所述用于分离的装置的第一输出端与电光调制器的光输入端相连接，在使用时，TDMA数据从第一输出端传送到调制器，该用于分离的装置的第二输出端与检测器相连接，在使用时，光时钟信号从第二输出端传送到检测器。

6、根据上述权利要求中任一项的接收器，还包括一个脉冲发生器，它连接在可变延时级的输出端及电光调制器的电控制输入端之间。

7、根据以上权利要求中任一项的接收器，其中可变延时级包括：

多个逻辑门；

使每个门的第一输入端与时钟信号的输入路径相连接的装置；

控制器，它与每个门的第二输入端相连接；及

将各个门的输出端共同连接到延时的时钟信号的输出路径的装置；

用于将门的输入端及输出端连接到各个输入及输出路径的所述装置用于通过不同门提供各个不同长度的路径，在使用时，控制器对门施加控制信号，以选择路径及对时钟信号的相应延时。

8、用于光网络中节点的接收器，包括：

a)用于光时钟信号的输入端；

b)检测器，用于将时钟信号转换到电域；

c)可变延时级，用于对电域中的时钟信号施加可选择的延时，该可变延时级包括：

多个逻辑门；

使每个门的第一输入端与时钟信号的输入路径相连接的装置；

控制器，它与每个门的第二输入端相连接；及

将各个门的输出端共同连接到延时的时钟信号的输出路径的装置，

将门的输入端及输出端连接到各个输入和输出路径的所述装置用于通过不同门提供各个不同长度的路径，在使用时，控制器对门施加控制信号，以选择路径及对时钟信号的相应延时；及

d)一个开关，它根据延时的时钟来控制并用于从TDMA数据流中选择一个或多个信道，

其中该光时钟信号和该TDMA数据流必须是可区分的。

9、根据权利要求7或8的接收器，其中至少一个所述用于连接的装置包括一个微带延时线。

10、根据权利要求9的接收器，其中所述用于连接的装置包括一对微带延时线，各个门连接在这对微带延时线之间。

11、根据权利要求10的接收器，其中在门的输入侧上门与微带延时线的相邻连接被相应于t/2延时的路径长度分隔，及在门的输出侧上门与微带延时线的连接被相应于t/2延时的路径长度分隔，在使用时，门受到控制以t的倍数改变延时，其中t相应于在TDMA数据流中信道时域上的信道间隔。

12、一种光网络，它包括根据权利要求1至11中任一项的接收器。

13、一种局域网络，它与多个计算机系统互连并包括根据权利要求12的光网络。

14、一种操作光TDMA网络节点上的接收器的方法，该方法包括：

a)接收TDMA数据流及相关的光时钟信号，其中该光时钟信号和该TDMA数据流必须是可区分的；

b)检测光时钟信号并由此将光时钟转换到电域；

c)对电域中的时钟信号施加可变延时；

d)使TDMA数据流通过非线性电光调制器；及

e)根据延时的时钟信号控制调制器，由此使调制器输出多个TDMA信道中选择出的一个信道。

15、根据权利要求14的方法，其中调制器是一个电吸收调制器。

16、根据权利要求15或16的方法，其中步骤(c)包括：

i)在第一时间上，对电域中的时钟信号施加第一延时，由此选择一个TDMA信道；

ii)在后于第一时间的第二时间上，对电域中的时钟信号施加第二延时，由此选择另一个TDMA信道。

17、用于从在光通信网络上传输的多个TDMA信道中选择地多路分解出某一个信道的方法，该方法包括：

a)接收TDMA数据流及相关的光时钟信号，其中该光时钟信号和该TDMA数据流必须是可区分的；

b)检测光时钟信号及由此将光时钟信号转换到电域中；

c)根据从所述多个信道中分解出哪个信道来设置可变延时的值；

d)将所述可变延时施加在电域中的时钟信号上；

e)使TDMA数据流通过非线性电光调制器；及

f)根据延时的时钟信号控制调制器，由此使该调制器输出一个或多个选择的TDMA信道。

18、根据权利要求17的方法，还包括后面的改变可变延时的值，由此选择地分解一不同的TDMA信道。

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