CN1147327A - 光纤通信网 - Google Patents

Abstract

一个包含许多透明的无源光学网络(TONS)的光长途通信系统。每一个TON联接了相应的一组终端，每一个TON的端头连接到一个公共的中央开关结点上。每一个终端包含了选择了波长/时间通道来形成与相应TON内或另一TON里的另外一个终端之间的联结的装置。中央开关结点包含了一个光的空间/波长开关，该开关被设置来提连接到不同TON上的用户之间的开关。

Description

光纤通信网

发明背景

本发明与光纤通信网和适用于该种网络的开关结构有关。

光学传输系统为超高容量的远程通信网络提供了潜在的基础。可以设想：这种高容量将被用于为大量的系统提供高带宽服务，比如：高比特率数据传输。点播电视节目(VOD)或可视电话。然而，实际上在实现这样一个高容量网络时，合适的开关技术的设计，成了影响网络性能的最主要的限制。现有的技术中，开关结构是电子的(比如：ATM开关)，因此其容量被限制在远远低于在光学领域中所能达到的程度。开关功能的控制和管理也出现了进一步的困难，并且在中断处理，网络智能，网络管理和服务管理中需要将软件成本减至最小。

为了将有源开关的使用和前面讨论过的相关限制减到最小，曾提出过使用无源光网(PoNs)。然而至今为止，这样的PoNs一直被用于接口电路到某个局域开关结点的复接和合并，客户至客户间的连接依然由以节点为中心的交换提供。

发明概述：

根据本发明的第一个方面，本发明给出了一个由多个透明的无源光学网络(ToNs)组成的光长途的通信系统，每个无源光学网络又提供了多个终端的连接。这些ToNs的端头被联接到公共的中心开关结点上，其特征在于：每一个终端，包括选择波长通道的装置，用于形成与该ToN中或该组ToNs中其它一个中的用户站的连接；还在于中心开关结点包含一个光学空间/波长开关，用来提供被联接至不同ToNs的用户间的联接。

本发明使用放大了的PoNs(透明的PoNs或′ToNs′)为网络提供足够的容量用于进行分布式的开关操作。波长通道，和更为可取的时间空隙被动态地分配给各个客户到客户的连接。时间空隙的使用是优选的，不过当网络工作于比较低容量时，可能被省略。这种分布式的开关功能，连同在联接多个ToNs的结点处的空间交叉开关提供了能覆盖整个地区或国家的系统。

可取的是该开关是一个时分和波分复用能重新安排的空间开关，更为可取的是它和光网总线有多级连接。一个可重组的开关并非自然而然地提供完全的无阻塞交叉联接，而是通过需要的时候重分配例如空间或波长通道给正在持续的联接来起到无阻塞开关的作用。

更为合适的是每一级包含一个2×2的光学切换开关阵列。最好所述切换开关阵可由空间光调制器(SLM)阵列来提供，该调制器阵列排列于波长多路分解器和波长复用器及耦合器分解器之间。在该发明的这个方面的实施例中，开关操作以分布方式进行，在中央处理器的控制下，用户终端动态地给他们的发射器和接收器分配波长通道和时间空隙。一对发射和接收用户终端将被分配一用于它们连接的持续时间的公共的波长和时间空隙。这种分布式的通道分配用于同中心开关结点相结合，以在正确的时间和波长上与适当的空间纤维相连接。开关结点以如下方式使用空间光调制器：很多波长通道被同时选择并定线到期望的的输出端口。进一步的实施例使用一个类似于MONET的结构中SLMS设置成时分及波分多级可重组空间开关。用户或终端的波长和时间空隙灵活性，与MOVET总线结构中的空间光调制器的结合，产生了一个可以由相对较少的开关硬件构成的超高容量的开关网络。多级可重组开关的网络结构甚至进一步减少了必要的开关硬件。

根据本发明的第二个方面，给出了另一种光长途的通信系统，包括多个TON，每个TON连接了多个终端。其特征在于终端均含有选择波长通道的装置以建立与另外选中的终端的联接。并在于多个TON均在它们的端头和一个公共的无源路由结点相连。

更为合适的是每个终端包含选择时间空隙的装置，连同选择的波长一起定义了用于联接的通道。

该发明的第二个方面完全消除了网络中的有源开关结点，而是完全依赖无源路由结点来实现不同TON之间的连接。

较好的是无源结点包括一波长复用器，其被配置成同与之相连的多个TON的交叉互联，更好的是至少该结点的某些端口被连接到各自的一组波长转换器上，一个自一TOM被引导至所述端口之一的输入波长上的信号被转换成不同的波长并被耦合回同一TON。

使用一简单的无源波长多路器，仅有一个波长，各TON在该波长上能输出一可被发送回同样的TON的信号，然而，典型地对于电话业务，可能，来自于某一TON的业务中的30％到70％是希望保留在同一地理区域中，因此需要输送回同样的TON。本发明的第二方面通过使用伪端口来克服这个问题。为了实现TON内部的路由，这些伪端口可能包含一面镜子将信号反射回TON、其它的伪端口包含了波长转换器用来把信号从一个TON输运到其它的TON。波长的转换可以通过使用先进的全光学器件形式的波长转换器来实现，也可以简单地通过使用用户终端的替代物来选择波长通道，以光电的方式转换信号，然后用新的波长重新发射信号。

这一方面的较好的实施例是将波长路由技术应用于任何一对PON之间的业务需求。其实际做法是以简单的波长分解多路器的形式使用无源波长路由结点(PWRN)。这个装置有N×N个连接点，其中每一个PON能在N个不同波长上和其它所有的PON同时连接，因为在所给的任意对端口之间只有一个可利用的波长，需要一组伪端口以在它们之间同时耦合在一个以上的波长。两种类型的伪端口是可能的。为了耦合同样的端口之间的多个波长(即保留在同样的POM中的业务)。伪端口只需提供以一反射镜形式的简单的反射。为了耦合不同端口之间的多个波长(即用于一PON与另一PON之间的业务)，伪端口必须具有将输入波长转换为不同输出波长的功能。其形式可以是高级的波长转换器，也可以是简单地使用接收器，电子再发生器和可调整的发射器，就像主PON端口。这些镜子为一个PON内部的业务提供了一种开关结点旁路的方式，避免了波长转换的使用。虽然这种结构拓扑地同三级，波长/波长/波长的开关体系等价，但是一个单一的波长分解多路器的使用很大程度上减少了在其等价体系中所需要的波导内部连接的数目。同时也极大地减少了需要的多路器端口的总数目，这是因为多路器的三级在一个多路器装置中有效地结合。这些减少提供了巨大的开销节省。而且，根据电信业务统计，通过进行仅与高于一个波长容量的PON-PON电信业务级别有关的波长转换，和应用镜系端口于一PON内部保留的业务，将有可能大规模在减少需要的波长转换的数量。

在传统的三级波长/波长/波长结构中，波长转换器可能必须将来自于不同的上游的PON中的上游波长转换成相同的波长。也就是来自于不同的上游PONS的脉冲流必须交叉合并。这将产生附加的技术困难、不同PON之间的测距列以及通道分配的额外的计算。通过允许上游和下游PONS之间的大约一个波长值的小容量连接，本发明避免或减小了上述额外的任务。对相对较大数量的PON端口，不同的PON的特定对间的业务级可以相对较小，有可能不超过单一波长通道的容量，这可以不需要波长转换来处理。

该发明也包括了根据第一和第二方面的系统的操作方法。

附图说明：

实现本发明的不同方面的系统实例将参考附图，仅通过实例，作出进一步的详细描述。

图1给出了作为波长通道数目的函数的PON容量及分裂(split)的曲线。

图2是一个时分、波分空间开关的原理图。

图3是使用单边无源波长路由结点的宽带国家网的示意图。

图4给出了作为图3的网络及运行比特率的函数的多路器端口的总数的曲线。

图5所示为图3中的波长输运节点中使用的波长多路器。

图6所示为包含图2中的开关的国家光网络。

图7给出了一种替代的网络设置。

图8是用来说明在终端中及在中心开关上控制并给出信号的结构的示意图。

图9给出了一个适当的开关网络，该网络采用通过一个双面无源波长输运结点的终端间的波长输运。

图10a和图10b说明了用于选通波长通道以增加PON分裂的设计。

图11a和图11b给出了应用波长多路分解，选通和再复用等的不同程度的集成的系统的示意图。

实施例的描述：

一个光长途的通信系统由多个透明的无源光网络TON1，TON2…TONn(如图6)组成。这些TON在它们的下游端连接到多个终端上。每一个终端包含一个发射级：T1…Tm，被配置以选择用于输出信号的时间和波长，还包含一个接收级：R1…Rm，用来接收由特定的用户终端决定其特征的时间和波长空隙上的信号。在它们的上行末端，这些TON连接到公共的空间开关S上。

终端可能设置在用户的住宅内，也可能在中间网络站被采用，这些站高于用户业务已经被集合和分解的网络之上。例如，终端可能安置在一个窄带或宽带PON系统端头或中继站上。在另一种情况中，终端在其发射级T1、Tn上都包含有一个可调的波长源。在这个例子中，该源可能是一个可调激光器，比如一个可调的DBR(分布式的布喇格反射器)或者一个辅助光栅垂直耦合器件。或者，该可调源可采用放大器和调制器的形式，例如在RACII“MUNDI”项目中所表明的那样(D.J.Pratt et al“Tunable Source Options for Race-2070 Project(Mundi)”cost 240 workshop Marcoussis，法国1993年10月25日)。这个设计使用了一个机械地可调的光滤波器，和半导体放大器/调制器来从一组参考波长中选出需要的波长通道，该组参照波长是由中心站点发射向多个用户终端的。这种方式缓解了终端所要求的调节精度。对于多点连接，电学可调器件更适合于提供波长间的快速调节。

每一个终端都将在一个或多个中央处理器的控制下分配给时间空隙和波长通道。相同的中央处理器还控制中央空间开关中的设置。除了终端上可能使用的缓冲存贮器外，在光开关结点上没有存贮元件。所以，波长通道和开关中的SLM象素的时间开关必须以电路开关操作的形式进行，使用用于在多级开关网络，比如Clos网和使用中心控制处理器的置换排列网络中的电路开关操作的传统的路径设置算法。虽然这样的算法中的运算不能分布到PON外连，其原因在于在实质上为时间顺序中断建立算法中会产生长时间的延迟，尽管如此，多个处理器间的分布式处理仍然可以在开关结点上或其附近被采用。

终端和中央开关结点间的控制信号通过信号通道传送。这可以通过几种方式进行。例如：时间和波长通道的一个子集可以分配给信号通道。图8所示终端被设置成以这样的方式起作用的终端。终端上可调的发射器81和接收器82由处理器83控制。该处理器通过在光纤通道上多路复用带有用户信号数据的信号业务的方式和与开关节点相关联的中央处理器84进行通信，并因此接选择用于连接的时间和波长通道。

在这样一个全光的端到端的网络中，一个主要的问题是脉冲传播时间的差异和变动。因为终端之间没有中间的电子再定时功能，纤维中的光谱色散和热效应能够产生大的变动。在英国，夏天和冬天的最大的传播延时差异可以达到每一千公理光纤链路接有5微秒的差异，不过，由于光纤埋在地下，热变动发生得相对缓慢。测距协议因此能够处理传播延迟中的热变动。光谱色散较难处理。例如：跨过铒放大器的30nm频谱宽度的传播时间的范围在通过开关结点的50km的端到端联接中为25.5ns。但是，对于相距1000km的用户来说，其变动将为0.5微秒。对于在联接期间不包括其它的终端的终端间的点到点联接，这样的变动可以通过在终端上使用不同的延迟线(也就是再次使用测距协议)来调节到可接受的程度。但是对于同时包含多于一个终端的多点联接，时间空隙间的波长的变动需要延迟线的变化，这将由于某些时间段的无法进入而导致阻塞问题。因此，为了同步的目的，最好使用长的时间空隙和它们之间的长的安全带，例如1以量级是可取的。这就需要终端上的缓冲存储器，以脉冲串，即包或者单元形式计时输出储存的数据。ATM单元将是可行的，但是单元间的额外的时间安全带将导致修改了的ATM结构。这还将导致高的比特率来补偿由于安全带而降低的传输效率。为了调整不同波长上或来自不同TOM的脉冲到达时间的变动，终端必须使用脉冲串式的接收器。在每一个小包或单元的开始需要统一的比特，这也将同步修改基本的ATM的结构。(NB ATM仅仅是单元格式的一个有用的基础。它的异步特性不能用来作为开关的模式，因为光通路上存储单元的缺乏要求必须使用电路开关。)所有的终端和中央开关必须使它们的时间空隙能够足够准确地同步。但是由于时间空隙可能会持续若干微秒，这也可能会是相对草率的，也许会达到大约1微秒的相同的量级(这也将加到时间空隙的长度上去)。

中央空间开关是一个时分及波分开关。每一个光学波导或总线包含了一组来自于上游TON中的用户的时分业务的波长。一个中央处理器或处理器组通过该开关控制了时间空隙、波长通道以及空间通路的分配。该开关在光学上是透明的。开关元件是空间光调制器像素(开/关门或闸)。适合的技术可以是MQW半导体光电子调制器，高速液晶(需要在合适的速度下演示)，PLZT，电-光及磁-光的材料，等等。某些技术更好地应用于反射，而不是传输，就像已经表明的那样。这将简单地导致一个折叠的几何图形，而不是图中所展示的整齐的图象和发散光。图中给出了一个需要最小可能量的硬件的开关结构，这是通过使用多级的，可重组的网络结构(置换网络)来实现的。例如Waksman的(A.Waksman，“一个置换网络”，J.Assoc.ComputingMachiery Vol.15，159-163(1968))和Goldstein与Lelbholz的(L.J.Goldstein和SWLeibholz“瞬态阻塞情况下的信号开关网络的综合，”IEEE Trans.Electron Comput.Vol EC-16，637-641(1967))网络，使用2×2的光学交叉点作为开关元件。其它的，具有较低的硬件效率的结构也可以使用。开关的每一级使用它自己的光学图象和散射系统。使用衍射光栅，这些将波长通道从每一个输入波导和总线中分出来，并将一个给定的波长从两个输入波导切换到两个输出波导(也就是一个2×2切换开关)。该2×2元件是通过在SLM中使用4个闸，连同整块(bulk)光分裂器和耦合器(全息地产生或是通过需要的光栅结构的计算机生成之后的电子束产生，或从这样一个中适当地复制而成)。分裂器在每一个波长下提供每一个输入波导的两份拷贝，闸选择由哪一个输出波导来接收光，耦合器允许两个输入中的任何一个光连接到一个输出波导或总线上去。波长通道使用一个衍射栅格也被再复用。然后输出波导或总线携载再复用的波长通道到达开关的下一级。

每一个TON的最大可能的分裂主要被上游容量所限制。一个非常大的客户基地可以由下游方向来服务。从一个单一的端头到数千万的用户的下游广播的可能性已经被证实超过5-7公里[2]。实验论证了以1nm的通道间隙输运16个波长通道间共用的40Gbit/s的容量的能力。对于，比如说：256个没有压缩的视频通道，或者8000个被压缩成5Mbit/s的通道，这已经足够了。在这样的网络中，通道选择是通过使用一个可调的光滤波器和电的时间空隙或ATM单元选择的组合，在用户终端上实现的。具有如此的容量，一个单独的CATV端头可以服务整个国家。计算机模型显示：在原则上，具有拉平的波长的光学放大器可以支持400或更多的波长通道。这些通道横穿铒掺杂光纤放大器窗口，在2.5Gbit/s情况下，超500km。准确的数目取决于放大器间隔。这给出了1Tbit/s的下行容量，能满足至少200,000个压缩的视频通道。光纤中的非线性效应可能会轻微地减小该容量到大约0.5Tbit/s[6]。一个单独的TON中的这样的容量可以有不同方式来使用。例如：通过参差的但却是同时的发射或成千部电影标题的多个拷贝来实现点播视频图书馆服务。如果整个国家的覆盖无需开关，这将可以由一个单独的服务器来提供。这么多通道的另一可能的应用，如果有足够低的穿透性和足够高的集中程度，可以从单一的国家服务器来推广全国范围内的Vod服务。

如果相同的容量应用于电话技术，这将相当于一千三百万的电话通道。足够支持具有相对较低集中程度的英国全国的电话业务。如果在上游方向上能够支持相同数量的通道，那么整个的电话服务就可以由一个单一的环回TON来提供，而根本不需要任何中央开关结点。然而TONS聚集来自大量客户的上游的业务的能力被严格限制了，无法和下游方向所能得到的分裂相匹配。

上游TON：

正如上面所述：上行TON的分裂和容量至今为止仍然是通向无开关网络的一个障碍。由于产生放大了的自发的发射的放大器中的量子过程，光学放大器造成了上游和下游TON之间的主要差异。存在一个在上游放大的TON中能够耦合在一起的最大的用户光纤数目。超过这个数目，由于信号和放大的自发发射间的打击噪声，更多的放大器输出的耦合将使信噪比坏到无法接受的程度。这严重地限制了业务量可以集中(上游分裂)的用户的最大数目和能够支持的相应的容量。

图1给出了客户的可得到的分和容量。这些客户均被同时提供一平均的4.8Mbit/s的比特率-足够支持高质量的压缩的视频信息。仅用一个工作通道，功率安排便足够在2.5Gbit/s的集中速率上联接512个客户。但是，集中的比特率如果减小的话，就可以支持更多的客户。较大的分裂降低功率预算。例如，在155M/bit/s上，大约5200个客户光纤可被耦合在一起。但是为了保持相同的呼叫率和集中程度，需要160个波长来携带附加的的容量和补偿比特率的减少。总的TON容量是25Gbit/s，在每一个波长上为155Mbit/s的比特率下。

在限制的情况下，如果集中的比特率精确地等于客户的比特率，而且每一个客户联接均分配有它自己的波长(也有是没有采用电的复用)，TON分裂可以各在4.8Mbit/s上支持94000个用户，使用相同数目的波长。这样，虽然在限制的情况下上游TON容量能够达到下游TON的容量，其分束也能到达到百万的用户(除非对于非常低的窄带电话速率才有可能)。然而，将所有的用户都限制在象4.8Mbit/s这样低的最大速率下是不可取的，这是因为统计上的更高速度业务的多路复用将成为不可能。而且，象94000个单独的波长这样高的波长密度也难于实现。一个实用的折衷的方案也许是在对于上游TON采用155Mbit/s的比特率和一个5200路的分裂。

从上面可以看到，很明显，通过使用高密度波分复用(HDWDM)，连同相对较低的工作比特率，上游TON中可以得到大的容量和分裂。上游和下游TON之间的不对称性显然造成了完全分布的开关的一个障碍。但是，图中所描述的系统能够通过如下方法来克服这一限制：将大量的TON连接到一个公共的开关结点上，这些结点提供了横跨开关操作来完成分布于客户终端之中的波长和时间开关功能。

在300Mbits的工作比特率下，使用208×208象素的SLM′s图2中所示的开关，连同在连接到TON之上的开关上的客户终端处的时间和波长通道的动态分配，以及图1中的假设条件，潜在地具有提供大约13Tbit/s开关通过量的能力。假定网络上共有611,00个客户，每一个有大约21Mbit/s的连续的比特率，每一个TON可以为多达大约2900个客户服务。

客户群实际上可以通过两种不同途径可能地扩散到整个国家。第一种途径是使用包含可调发射器和可调接收器的终端，作为中介的网络站点，在多路客户信号和时间、波长的灵活的光TON系统之间起到介面作用。站点的客户侧其身可以是在其端头带有电子转换功能的PON，也可以是通向每一个客户的单独的光纤，甚至还可以是通向每一个客户的电缆(双轴电缆或是铜的或铝的线对)。它们将为集中的客户业务分配时间空隙和波长通道。这可以在不同程度的灵活性下得到。在站点上使用电子开关和延迟线(例如：移位寄存器)，便可获得完全的通道分配自由度。第二种途径扩展用户群的途径是增加TON的分裂尺寸。其一种实现方法已经出现在我们的欧洲专利申请中：“无源光学网”，95年3月24日递交。这种方法使用了光学门(开-断开关)，当一个时间空隙中没有信号出现时，关断来自于上游PON放大器的放大了的自发发射。这样几个光学放大器的输出能够被耦合在一起，形成一个大的PON，而不降低信噪比。这种方式下，给定的PON容量可以在更多的客户间分享。当然，光学门必须和时间空隙相同步。在PON支持WDM和动态波长分配情况下，这种基本的方法必须得到扩展，这样选通才会应用到将要顺序连接到一起的每一个上游PON中的每一个波长通道。图1给出了两种选通波长的设计。它们的不同之处在于其PON连接(耦合)和波长再复用进行的次序不同。图11给出了几种图10b中使用的多路复用器设计。其中的多路分解、再复用和选通功能可以通过改变程度来集成。它们都是通过使用穿过同一色散光学系统的两条通路来工作的。要么通过使用沿着相同的光学通道反射回，要么，像图11c)中给出的，通过使用带有联接输入输出端口对之间的光学开关的两个波导(比如光纤)阵列。设计b)基本上与英国专利GB2,152,317B中给出的一样。设计a和设计b可以被平面集成在III-V半导体光电器件中，可能使用一个弯曲的光栅摄谱仪，或是一个带有半导体光学放大器门(很可能是以衬底上的阵列形式)的“相量(phasor)”的结构。或者，整块镜片可以以在一个或多个衬底上以阵列形式集成的光电子半导体放大器/门提供给散射和成像。

通过在这个特定的例子中将客户群扩大43倍，使用以上的任何一种方法，一个上游的PON能够收集来自大约126,00个客户的业务。如此大的客户群现在允许例如26,000,000个客户之间的整个宽带电信业务在一个单一的开关结点内被互连。这种增加分裂的方法可以和没有开关的网络一起使用，例如图7中所示的网络。

空间开关的设计是基于参考文献3中所给出的MONET结构上发展起来的一种背平面结构。空间光调制器SLMS被用作开关器件。开关起到时分及波分多级可重组空间开关功能，其中每一个空间光调制器阵列代表一级2×2的光开关。表1中给出了相关的开关参数。这个开关仅需要15个空间光调制器来提供2,600,000个客户间的，每个客户5Mbit/s的同步联接(也就是10∶1的集中程度)。总的流通量将为13Tbit/s。这相当于大约120个ATM开关的容量，每个具有160Gbit/s的流通量，使用传统的结构来完成核心网络上的传输，而且假定来自一个结点上的大约50％的电信业务将希望被连接到其它结点上。开关任务分布到整个网络上，并且在中心网点和客户终端之间被分担。于是整个网络将类似于单一的开关来工作。

应该可以理解：上面段落中引用的数字值仅仅是举例。其它的波长通道，时间空隙，波导总线，功率预算和客户群的数目的组合也是可能的。

在图3所示的第二种实现中，有源开关被从网络中完全去掉了。其输运客户终端或是中间网络站点来完成的波长和时间通道的选择的基础之上进行的。连接不同TON的网络中结点是一个无源的波分多路复用器件。

下面的分析是关于图3中的单面输运结点的。多路复用器上的TON端口数n，依赖于网络上的全体客户数目N，和每一个TON的上游分裂数m。这又依赖于每一个波长通道的操作的集中比特率B。端口连接任何一个TON和任何一个一个其它的TON所需要的波长数目是n，即端口的数目。输送任何级别的电信业务，不管多么小，同时到所有的TON，这个波长通道的数目是必须的。但是仍有两个更进一步的标准必须要满足。首先，来自于一个独立的TON的电信业务的一定的比例希望保持在同一个地理区域内部。在电话网络中，也许是30％-70％。但是仅有一个波长能够耦合回到多路复用器内的同一光纤，没有任何地方近到足以保持如此高比例的电信业务。一组伪端口加到了多路复用器上。每一个附加的端口可以用来提供一个附加的波长，使用简单的反射，从一个TON回到它自身。其次，更多的伪端口可以用来提供不同的TON间的相同的功能，通过较小的电信业务的增加，提供不同的TON间容量的瞬时再组合。在这种情况下，伪端口将来自于某一TON的输入波长转化成一个不同的输出波长。这种转换允许需要的足够多的波长耦合回到同一个TON，各经一个不同的伪端口。波长转换功能可以通过使用先进的全光器件形式的波长转换器来实现。适合的器件包括一个可饱和的吸收器连同一个DFB激光器(可以是可调的)或连同一个多重光栅腔激光器阵列，或者是一个安排来提供四波混合(FWM)的半导体光学放大器(SOA)或者简单地通过使用用户终端的等价物来选择波长通道，光电地转换信号，然后在一个新的波长上再发射。附加的端口将在整个网络上统计地共用，这样可以减少需要的波长转换的数目。

表2给出了N＝20,000,000个用户时，多路复合器上所需要的端口数目，使用用于上游TON分裂数m的原先的结果，作为工作的比特率B的函数。伪端口的数目由下式给出：

              d＝pmb/B    (1)其中b假定为4.8Mbit/s的用户比特率，这似乎对于高质量的压缩视频是足够了。p是该比特率下的总的电信业务的比例，该比例的电信量要么期望保持在TON内部，要么被耦合到另一个TON上，被取为50％。假定在这个比特率下没有集中。在这些非常充裕的电信业务假设下，在理想的50Mbit/s的操作比特率下，显然有一个最小的多路复合器端口数目2142(见图4)。这对应着13,430个客户的一上游分裂。这样，每一个上游TON端口都必须最少支持2,142不同的波长通道。

表2中同时给出了相应的总的网络容量；在50Mbit/s的操作比特率下160Tbit/s。在较高的比特率上工作是所期望的，尤其对于满足商业用户较高速的数据要求。为了更大程度的将来试验，它甚至能提供更大的潜在的网络容量。如果非线性特性和噪声积累允许工作在155Mbit/s的比特率下，令人惊异的2,351Tbit/s的容量对于长期的容量增长将是可用的(也就是20,000,000个客户每个同时具有118Mbit/s的容量)。但是，由于有如此多的波长，要决定整个网络能够透明地支持的最大的工作比特率还有待于进一步的研究。如果早先描述的用来增加TON分裂大小的方法，也就是同无源的波长路由结点一同使用的各波长通道中使用选通，那么将有可能使用较少的波长通道和较少的PWPN端口便可得到给定的净容量(开关通过量)。

在透明的光学网络之间执行波长路由功能的无源波长多路复用器从原理上讲是一个非常简单的器件(见图5)它必须比存在的基于光栅的波长分解多路复用器大，后者已经构造出来了，其通道间距为约1nm[7]，但应该与商用的光学摄谱仪和能在任何一个物理实验室中可发现的单色仪相同。它可以由一个曲面镜(假如抛物面的或球面的)或一个透镜，衍射光栅和光纤及不完全准直的微透镜的线性阵列组成。光纤和微透镜阵列可以替换为使用平面工艺假如硅上的二氧化硅制成的波导阵列。

一个n×n的器件可以使用两单态的光纤阵列，每组有n个光纤，其中的n，比如可以等于32。每一阵列可以通过将光纤固定在相应的V型槽中来实现。这些槽是通过电子束曝光掩膜在硅上刻蚀出来的。硅的沟槽有一间距，比如说128μm厚。每一光纤阵列由一组微透镜中断。这是通过将玻璃衬底上形成的一层光致抗蚀剂构型成圆柱岛的形状来制成的。然后加热衬底，使光致抗蚀剂圆柱融化在表面积张力作用下形成球形表面。这个阵列然后对准并连接到光纤阵列的前表面上。可以用一个二氧化硅管来提供低的热膨胀以支持光纤/微透镜阵列和输出透镜。

多路复用器的其它的设计可以使用一个单独的球面光栅来成像和散射。光栅可以用全息方法制成。

无源多路复用器件将以比传统的用于波长多路复用功能强大的多的方式得到应用。与只是将来自于多个输入光线的光接合到一个输出光纤中(1×n)联接不同，该器件将来自于所有输入光纤的光耦合到所有其它的光纤上(n×n联接)。其作为一个简单多路复用器的容量被扩大了和光纤端口数目相同的倍数。就像已经讨论过的那样，这将导致一个简单的器件中非常巨大的通过量。

然而，多路复用器的详细的光学设计用来提供高的波长分辨率。由于光学放大器可以补偿其损失，波导之间的接合效率不需要非常高。而且，近来的多路复用器的设计使用附着于光纤末端的微透镜缓解了偏差的要求[7，8]。由于整个国家网络上仅需要一个器件，如果需要的话，相对较大的资源可以花在附加的偏差校正镜片上。

作为使用单一的波长多路复用器件的替代方法，波长路由结点的功能可以通过一组较小的波长多路复用器的互连接来实现，每一个小的复用器有较宽松的性能要求。

图9给出了一个通过一个双面无源波长路由结点在终端之间采用波长路由的开关网络。其多路复用器是n×n双面器件，除了主TON端口外，还有两种附加的伪端口。类型a的伪端口为与上游TON相同的倾向TON提供附加的波长通道；类型b的伪端口为与上游TON不同的下游TON提供附加的波长通道。波长转换既可通过可调的RXS和TXS也可通过上面讨论过的波长转换器件所影响。

图10a和图10b给出了选通每一个波长通道来得到更大的上游PON分裂的设计。图10a在再复用之前将每一个波长的PON组合在一起，图10b是在将PON组合在一起之前再复用波长。在图11c(i)中，纸面内的第一个光纤阵列A1，通过环回联接被连到阵列A1后边的第二阵列A2上，也就是说与之平行但又在图11c(i)的纸面外边。该装置的其它部分包括透镜1101和反射衍射光栅1102。图11c(ii)是阵列A1和A2在装置影响下的交叉互联的端视图。图11a，b和c解释了波长多路分解，选通，和再复用的不同可能程度的集成。

附表：

表1：用于英国的单一的13Tbit/s宽带开关的可能的设计参数，在一个可重组的开关网络结构中使用3-D空间光调制器(SLM′s)。其容量相当于约120个160Gbit/s通过量的ATM开关。

客户量                                 26,000,000同时的5Mbit/s宽带联接的数目(10∶1集中程度) 2,600,000客户ONU比特率                            300Mbit/s时分因子(时间空隙的数目)                 60波长数目                                 208总线数目                                 208空间/波长通道数目                        43,264闸阵列大小                               208×2083-DSLM光学开关数目                       15

	比特率Mbit/s	PON分裂	TON多路复用器端口数n	多路复用器伪端口数d	多路复用器总端口数	总网络容量Tbit/s
							155.6	5199				3847	81	3928	2351
		140	5678	3522	99	3621			1786
							130	6041				3311	113	3424	1474
		120	6459	3096	131	3227			1199
							110	6946				2879	153	3033	960.5
		100	7523	2659	183	2841			755.4
							90	8215				2434	222	2656	582.0
		80	9066	2206	275	2481			438.0
							70	10136				1973	352	2325	321.1
		60	11531	1734	467	2201			229.1
							50	13430				1489	653	2142	159.5
		40	16184	1236	983	2219			109.7
							30	20586				972	1667	2639	76.9
		20	28893	692	3510	4202			58.2
							10	51581				388	12533	12920	50.1
		4.86	94307	212	47154	47366			48.8
		表2：用于2千万用户终端之间直接采用波长-路由技术的宽带国家网络的作为工作比特率的一函数的多路器端口数及总网络容量。

表3：图7所示网络的规格200×200端口PWRN22伪端口10GHz通道空间1000路PON分裂178,00个客户每个客户155Mbit/s＝2.8Tbit/s保证的开关通过量＝28Tbit/s标准电信业务的开关通过量表4：用于图1的参数客户比特率b＝4.8Mbit/s，每2路分裂3.6dB损耗n＝1时的参数2.488Gbit/s速率；0dBm起动功率；-34dBm放大器1/P；7dB噪声数；2.1dB对于3km光纤；512路分裂。

                        参考文献

1、刊载于1988年9月在英国布赖登召开的ECOC会议的会议记录中由J.R.斯特恩等人著的“用于电话的无源光网络”。

2、刊载于电子学报(1991年)第27卷22期51-2052页中的由D.S.福里斯特等人著的“527公里范围的39.81GBit/S，43,800,000路WDM广播网络”。

3、刊载于英国技术杂志(1991年)第9卷4期19-29页中的由P.希利等人著的“未来网络节点的光转换及互连”。

4、刊载于J.光波技术(1993年)第11卷5/6期667-679页中的由G.R.希尔等人著的“基于光网络单元的传送网络层”。

5、刊载于J.光波技术(1990年)第8卷10期1548-1557页中的由A.R.克拉帕里维著的“对由光纤非线性所施加的光波通信的限”

6、刊载于IEEE光技术学报(1993年)第5卷6期666-668页中的由A.R.克拉帕里维及R.W.特片奇著的“什么是放大光波系统中单模式光纤的实际容量”。

7、刊载于电子学报(1991年)第27卷6期520-521页中的由D.R.怀斯利著的“带有1nm信道间隙及0.7nm带宽的32信道WDM多路复用器”。

8、刊载于1987年8月圣地亚哥SPIE会议“O-E/FIBRES87”的会议记录中的G.R.查布林及A.M.希尔著的“高倍道密度单模式波分多路复用器的设计”。

Claims (23)

1、一个光长途的通信系统，包括多个透明的无源光网络(TONs)，每个TON提供到其相应的多个终端的联接，这些TON的端头被连接到一个公共的中央开关结点上，其特征在于在每一个终端(80)包含了用于选择波长通道来形成与相应TON中另一个终端或者该多个TON中另一TON中的终端之间相连的装置(81，82，83)，且中央开关结点包含了用被配置以在连接到不同TON上的用户间提供开关连接的光空间波长开关(85)。

2、根据权利要求1所述的一个系统，其中开关是时分及波分可重组空间开关，且终端包含了选择时间和波长通道的装置。

3、根据权利要求2所述的一个系统，其中开关由联接到一光总线上的多个级组成。

4、根据权利要求3所述的一个系统，其中空间开关内的多级中的每一级包含一个2×2光转换开关阵列。

5、根据权利要求4所述的一个系统，其中转换开关阵列由空间光调制器(SLM)阵列提供。后者设置在一个波长多路分解器，光分裂器，波长复用器和一个光耦合器之间。

6、根据权利要求5所述的一个系统，其中波长多路分解器通过光分裂器被耦合到一个为该多路分解器携带输入的总线上，而每一个光复用器则通过该光耦合器被耦合到携带多路分解器输出到后一级的总线上。

7、一个光长途的通信系统，包含多个TON，每个TON连接着多个终端，其特征在于每一个终端上包含有用于选择波长/时间通道来建立与选中的另一个终端间的联接的装置，且该多个TON在它们的端头处被联接到一个公共的无源路由结点上。

8、根据权利要求7所描述的一个系统，其中无源结点包含一个波长复用器，其被配置以实现连接到该结点上的多个TON的交叉互联。

9、根据权利要求8所描述的一个系统，其中结点的某些端口联接到相应的波长转换器上，来自于某个被引导到其中的一个端口的TON的输入波长的信号被转换成不同波长并被耦合到不同的TON上。

10、根据权利要求7所描述的一个系统，其中结点的某些端口被连接到反射端口用于将光耦合回到相同的TON。

11、根据权利要求8所描述的一个系统，其中的复用器是一个双面的器件，多路复用器的一个或多个输入端口是连接到一个波长转换器并连回到多路复用器的另一个输入端口上的伪端口。

12、根据权利要求11所描述的一个系统，其中上述的一个或多个端口通过一个分裂器联接到波长转换器上。

13、根据权利要求8，11或12所描述的一个系统，其中一个或多个输入端口是通过环回路径被连接到多路复用器的另外一个输入端口上的伪端口。

14、根据前面任何一个权利要求所描述的一个系统，其中的这些TON包括了具有大于800的分裂，并携带个波长通道的存取TON，其中的是一个大于或等于4的整数。

15、根据权利要求14所描述的一个系统，其中存取TON的分裂大体上大于或等于1000。

16、根据权利要求15所描述的一个系统，其中存取TON的分裂的范围大体上在1000到2000之间。

17、操作一个光长途通信系统的方法，该系统包含多个透明的无源光学网络(TONS)，每一个TON提供了到相应的多个终端的连接。这些TON的端头被连到一个公共的中央开关结点上，其特征在于在一个终端上选择一个波长通道，用于形成与相应的TON内部或该多个TON中另外一个TON内部的另外一个终端的联接，并输运在公共结点处在上述波长通道上接收的信号，使用一个光交叉互联空间波长开关来提供连接在不同TON上的终端间的交叉互联。

18、操作一个光长途通信系统的方法。该系统包含多个TON，每个TON连接着多个终端，该多个TON在它们的端头处被连到一个公共的结点上，其特征在于在一个终端处选择一个波长通道用于建立与另外一个选中的终端之间的联接，并在公共结点处被动地输运在选定的波长通道上接受到的信号，从而将信号引导到原先的TON或是连在该结点上的多个TON中的另外一个上去。

19、根据权利要求18所描述的一种方法，其中在公共结点处被动地输运信号是由一个波长多路复用器来完成的，并且在波长多路复用器，至少输入信号中的一些通过伪端口被连接回到一个或多个TON的。

20、根据权利要求19所描述的一种方法，其中至少某些通过伪端口被引导的信号在波长上被转换。

21、参照权利要求8所描述的一个系统，其中多路复用器是一个单面的n端口的器件，其中每个端口是一输入/输出端口。

22、根据权利要求8所描述的一个系统，其中多路复用器是一个双面的n×n端口器件。

23、根据权利要求17到20中任何一个描述的方法其中这些终端选择一波长/时间通道。

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