CN115769515A - 采用光帧模板的通信系统 - Google Patents

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CN115769515A CN202180042422.3A CN202180042422A CN115769515A CN 115769515 A CN115769515 A CN 115769515A CN 202180042422 A CN202180042422 A CN 202180042422A CN 115769515 A CN115769515 A CN 115769515A
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Abstract

一种光通信系统，包括光通信设备和光能源，所述光能源被配置为生成指向所述光通信设备的光帧模板的序列。光通信设备可以使用接收的光帧模板作为光源来生成数据加载的光帧，和/或可以从光帧模板中使用它的一个或多个报头提取编码在其中的控制信息。

Description

采用光帧模板的通信系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年4月14日提交的美国专利申请16/847,705的优先权，所述美国专利申请的全部内容通过引用并入。
技术领域
各个示例实施例涉及光通信装置，并且更具体地但不排他地，涉及光能源。
背景技术
本节介绍了可以有助于更好地理解本公开的各方面。因此，本节的陈述应就此进行阅读，并不应被理解为承认现有技术中有什么或现有技术中没有什么。
随着电子处理芯片的输入/输出(I/O)容量的增加，电信号可能无法在实际可行的电子芯片封装的有限尺寸上提供足够的I/O容量。可行的替代方案可以是使用光信号互连电子芯片封装，与电I/O相比，光信号通常可以以高得多的每单位面积I/O容量被传递。
发明内容
本文公开了光通信系统的各种实施例，光通信系统包括光通信设备和光能源，该光能源被配置为生成指向光通信设备的光帧模板的序列。光通信设备可以使用接收到的光帧模板作为光源来生成数据加载的光帧，和/或可以从光帧模板中使用其一个或多个报头提取编码在其中的控制信息。
根据上面公开的一个示例实施例，提供了一种装置，包括：光源；以及电子控制器，所述电子控制器被连接以使所述光源产生光帧模板的序列，每个所述光帧模板包括各自的帧头和各自的帧体；其中每个帧体包括各自的光脉冲串；并且其中所述光源和所述电子控制器被配置为使用与所述序列的相应的帧头相对应的时间间隔将控制信息压印到至少一些光帧模板的光上。
在上述装置的一些实施例中，所述至少一些光帧模板包括至少三个光帧模板。
在上述任何装置的一些实施例中，所述至少一些光帧模板是彼此的复制。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列中的相应的帧体都不携带有效载荷数据。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列具有第一持续时间；各自的帧头中的每一个帧头具有第二持续时间；各自的帧体中的每一个帧体具有第三持续时间，第二持续时间和第三持续时间的总和小于第一持续时间；并且各自的光脉冲串中的每一个光脉冲串具有第四持续时间的周期，该第四持续时间小于第二持续时间和第三持续时间中较小的一个。
在上述任何装置的一些实施例中，第四持续时间最多为100ps。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少10倍。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少100倍。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少1000倍。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间最多为第三持续时间的10％。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间最多为第三持续时间的1％。
在上述任何装置的一些实施例中，第一持续时间是第三持续时间的至少10倍。
在上述任何装置的一些实施例中，第一持续时间是第二持续时间和第三持续时间的总和的整数倍。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间和第三持续时间的总和是第四持续时间的整数倍。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列是周期性的，其周期等于第二持续时间和第三持续时间的总和。
在上述任何装置的一些实施例中，所述装置还包括参考时钟，所述参考时钟包括以下各项中的至少一个：高精度时钟、能够从全球定位系统获得参考时钟的接收器、以及可连接到同步光网络的层级时钟的设备。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间和第三持续时间是从参考时钟导出的。
在上述任何装置的一些实施例中，第四持续时间是从参考时钟导出的。
在上述任何装置的一些实施例中，序列的至少两个光帧模板的各自的光脉冲串是帧同步的。
在上述任何装置的一些实施例中，至少两个光帧模板的相应的光脉冲串彼此同步。
在上述任何装置的一些实施例中，至少一个光帧模板的相应的光脉冲串延伸到其相应的帧头中。
在上述任何装置的一些实施例中，光源和电子控制器被配置为使用光场参数的数字变化来压印控制信息；并且所述光场参数从以下参数组成的组中选出：光的强度、光的相位、光的载波频率和光的偏振。
在上述装置中的任何一个的一些实施例中，控制信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
在上述任何装置的一些实施例中，光源包括连续波激光器、光调制器、直接调制激光器、有源锁模激光器、无源锁模激光器和光学开关中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器包括强度调制器、相位调制器、偏振调制器和移频器中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括分光器，该分光器被配置为将光帧模板的序列分成两个或更多个部分。
在上述任何装置的一些实施例中，光源包括：第一光脉冲源，第一光脉冲源被配置为以第一载波频率发射光；第二光脉冲源，第二光脉冲源配置为以不同于第一载波频率的第二载波频率发射光；以及光学开关，光学开关被配置为选择由第一光脉冲源发射的光或由第二光脉冲源发射的光。
在上述任何装置的一些实施例中，第一载波频率和第二载波频率之间的差值大于相应的光脉冲串的脉冲重复率。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括光调制器，该光调制器被配置为将不同的相应的有效载荷数据序列加载到多个光帧模板的不同光帧模板的相应的帧体中。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器和光源通过至少一个光纤光学连接。
在上述任何装置的一些实施例中，所述至少一个光纤的长度为至少一米。
根据上面公开的另一示例实施例，提供了一种装置，包括：第一光学接口，第一光学接口是可连接的以接收光帧模板的序列，每个光帧模板包括各自的帧头和各自的帧体，帧体包括各自的光脉冲串；分光器，分光器连接到所述第一光学接口；光调制器，光调制器连接到所述分光器的第一输出，光调制器被配置为将数据加载到各自的帧体中，以将所述光帧模板的序列转换为相应的加载的光帧的序列；以及光接收器，光接收器连接到所述分光器的第二输出，光接收器被配置为从各自的帧头中提取控制信息。
在上述装置的一些实施例中，所提取的信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为调制光的强度、光的相位、光的载波频率和光的偏振中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为以等于相应的光脉冲串的脉冲重复率的符号速率进行调制。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为调制各个光脉冲串的各个脉冲。
在上述任何装置的一些实施例中，光接收器包括如下各项中的一个或多个：p-i-n光电检测器、雪崩光电检测器、相干接收器、电子处理电路和一个或多个光学元件，所述光学元件被配置为将编码的光信号转换为使用强度检测可检测的光信号。
在上述任何装置的一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括偏振滤波器、偏振分离器、延迟干涉仪、波长滤波器、波长解复用器和空间模式解复用器中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括第二光学接口，第二光学接口是可连接的以接收另一个加载的光帧的序列；以及第二光接收器，第二光接收器连接到第二光学接口并被配置为从所述另一序列中提取信息。
在上述任何装置的一些实施例中，所提取的信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号和网络元件的控制命令中的至少一个。
根据又一示例实施例，提供了一种包括控制系统的装置，该控制系统被配置为同步两个或更多个网络元件，该控制系统包括：第一端口，第一端口被配置为从第一网络元件接收第一本地时间信息；第二端口，第二端口被配置为从第二网络元件接收第二本地时间信息；处理器，处理器被配置为根据所述第一本地时间信息和第二本地时间信息计算一个或多个全局时间值；以及第三端口，第三端口被配置为将所述一个或多个全局时间值发送到所述第一网络元件或第三网络元件，第三网络元件不同于所述第一和第二网络元件。
在上述装置的一些实施例中，第一本地时间信息和第二本地时间信息中的每一个包括两个各自的本地时间值，所述本地时间值与相同时间戳相关联，该相同时间戳由第一网络元件和第二网络元件中的每一个在其处接收的从光帧模板和加载的光帧模板的各自的序列中提取。
在上述任何装置的一些实施例中，第一本地时间信息和第二本地时间信息中的每一个表示两个本地时间值的函数，所述本地时间值与相同时间戳相关联，该相同时间戳由第一网络元件和第二网络元件中的每一个在其处接收的从光帧模板和加载的光帧模板的各自的序列中提取。
在上述任何装置的一些实施例中，控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的总和。
在上述任何装置的一些实施例中，控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的差值。
在上述任何装置的一些实施例中，处理器是分布式处理器，分布式处理器的部分位于不同的计算机上。
在上述任何装置的一些实施例中，处理器被物理地集成到一个或多个网络元件中。
附图说明
举例来说，根据以下详细描述和附图，各个公开的实施例的其它方面、特征和益处将变得更加显而易见，在附图中：
图1示出了通信系统的框图，其中可以实践至少一些实施例；
图2根据一个实施例示出了可用于图1的通信系统中的光能源模块的框图；
图3A-3B根据一个示例实施例图示了可以在图1的通信系统中生成的光帧模板和光帧；
图4A-4C根据若干个示例实施例示出了可用于图1的通信系统中的光能源模块的框图；
图5A-5D根据一些实施例图示了可以在图1的通信系统中生成的光帧模板和对应的电驱动信号；
图6A-6C根据若干个附加实施例示出了可用于图1的通信系统中的光能源模块的框图；
图7A-7B根据一些实施例示出了的可用于图6C的光能源模块中的光学开关的框图；
图8根据一个实施例示出了可用于图1的通信系统中的同步通信应答器的框图；
图9A-9D根据一些实施例示出了可用于图8的同步通信应答器中的光接收器的框图；和
图10A-10B根据一个实施例分别示出了可用于图1的通信系统中的各种网络元件的同步的系统和方法。
图11是示例性多天线无线系统的示意图。
图12是导频训练阶段的示例性示意图。
图13是发射波束整形阶段的示例性示意图。
图14和15是多小区(multi-cell)的多输入和多输出(MIMO)无线系统的示例性示意图。
图16至20是示出了无线电处理器和远程无线电头端之间的通信链路的示例性示意图。
具体实施方式
新兴的光学互连旨在将光学应答器与电子处理芯片共同封装，甚至共同集成，这就要求应答器解决方案消耗相对较低的功率，并且对电子处理芯片封装中可能出现的显著温度变化具有足够的鲁棒性。值得关注的是大规模空间并行光学互连解决方案，其将信息复用到相对较少的波长上并且使用相对大量的并行空间路径进行芯片间互连。在这样的系统中，将光源放置在容纳相应的光子和电子处理芯片的封装之外可能是有益的。进一步有益的是，将脉冲光信号既作为光能源分布以提供用于本地调制的光，又作为相应同步岛内的时钟参考分布。
此外，高效的分布式计算可以受益于网络和计算元件的精确同步以及其中的时间戳。在一个示例中，网络元件的精确同步允许电路交换或同步小区交换作为异步分组交换的补充或替代，这可以帮助减少或避免网络元件处的分组缓冲、分组丢失和/或随机分组延迟。在另一个示例中，分布式数据库系统中数据的精确时间戳可以促进高效的数据库处理。
图1示出了通信系统100的框图，其中可以实践至少一些实施例。如图所示，系统100包括节点1011-1016，在一些实施例中，每个节点可以包括以下一个或多个：光通信设备、电子和/或光交换设备、电子/或光路由设备、网络控制设备、流量控制设备、同步设备、计算设备、数据存储设备、无线数字信号处理设备、模拟信号处理设备、混合信号处理设备、无线天线元件和产生无线载波频率的射频振荡器。节点1011-1016可以通过光纤链路1021-10212实现节点1011-1016的合适互连，光纤链路1021-10212在节点内在通信设备之间建立通信路径。系统100还可以包括一个或多个光能源模块103，光能源模块103产生连续波(CW)光，或者产生用于节点1011-1016的一个或多个光通信设备中的一个或者多个的光脉冲串。为了说明的目的，图1中仅示出了一个这样的光能源模块103。本领域普通技术人员将理解，一些实施例可以具有合适地分布在系统100上的多于一个的光能源模块103，并且可以使用例如本文公开的一些技术同步这样的多个能源模块。
一些端到端通信路径可以通过光能源模块103(例如，参见节点1012和1016之间的通信路径)。例如，节点1012和1016之间的通信路径可以由光纤链路1027和1028共同建立，由此来自光能源模块103的光被复用到光纤链路1027和1028上。
一些端到端通信路径可以通过一个或多个光复用单元104(例如，参见节点1012和1016之间的通信路径)。例如，节点1012和1016之间的通信路径可以由光纤链路10210和10211共同建立。复用单元104还通过链路1029连接，以接收来自光能源模块103的光，因此，复用单元104可以进行操作以将所述接收的光复用到光纤链路10210和10211上。
一些端到端通信路径可以通过一个或多个光交换单元105(例如，参见节点1011和1014之间的通信路径)。例如，节点1011和1014之间的通信路径可以由光纤链路1023和10212共同建立，由此来自光纤链路1023和1024的光被静态地或动态地引导到光纤链路10212。
如本文所用，术语“网络元件”是指以通信的目的在系统100内产生、调制、处理或接收光的任何元件。示例性网络元件包括节点101、光能源模块103、光复用单元104和光交换单元105。
一些光分布路径可以穿过一个或多个网络元件。例如，光能源模块103可以经由光纤链路1027、1024和10212向节点1014供应光，使光通过网络元件1012和105。
系统100还可以包括控制系统106，控制系统106被配置为在链路107上与至少一些网络元件交换控制信号。控制系统106可以基于从一个或多个网络元件接收的信息来执行本地或分布式计算。在一些实施例中，控制系统106可以与一个或多个网络元件物理地集成。在一些实施例中，控制系统106可以将这些计算的结果传送给一个或多个网络元件。在一些配置中，从其接收用于计算的信息的网络元件集合可以不同于向其传送相应计算结果的网络元件集合。
图2根据一个示例实施例示出了光能源模块103的框图。光能源模块103包括光源210和电子控制器202。光源210和电子控制器202操作以生成多个光帧模板的序列200，该序列的每个光帧模板包括帧头和帧体。每个帧体包括各自的光脉冲串(例如，参见图3和图5)。电子控制器202操作以产生由光源210使用的电控制信号211，以在各自的帧头时间段期间将控制信息压印(imprint)到包含在至少一些光帧模板内的光上。压印的控制信息可以由系统100的其他网络元件使用，例如，如下文参考各种示例实施例所描述的。
如本文所用，术语“控制信息”是指在一个或多个光帧模板的各自的报头时间段期间，由光能源模块103压印在一个或多个光帧模板上的信息，例如，用于控制、管理和/或监视系统100的一个或多个网络元件，和/或用于促进系统100的一个或多个网络元件内的各种同步操作。在一些实施例中，控制信息可以包括以下信息中的一项或多项：时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、以及可用于控制其他网络元件行为的命令，例如主/从分配命令或重置命令。可以使用光帧模板的不同特征将不同类型的控制信息压印在光帧模板的报头上。例如，可以在帧头的时间段期间使用光的任何合适的数据调制来压印一些类型的控制信息。可以在选定时间和/或对于选定时间使用帧头内的光抑制来压印一些其他类型的控制信息。一些控制信息可以在报头时间段期间被不同地压印，即，可以通过比较两个光帧模板并使用两个帧模板之间检测到的差值来恢复，以获得在报头时段期间通过这种差值编码的控制信息(例如，参见图5D)。例如，在一些实施例中，电子控制器202可以生成电控制信号211，该电控制信号211可以被光源210用于在报头时间段期间实现180度光学相移，导致包含在较早的光帧模板的主体内的光脉冲串相比于包含在后续光帧模板的主体内的光脉冲串具有相差180度的光学相位。在另一个实施例中，电子控制器202可以生成电控制信号211，该电控制信号211可以由光源210使用以在报头时间段期间实现90度光学偏振旋转，导致包含在较早的光帧模板的主体内的光脉冲串相比于包含在后续光帧模板的主体内的光脉冲串具有正交光学偏振状态。
在一些实施例中，电子控制器202可以从一个或多个其他网络元件和/或从控制系统106(也参见图1)接收输入信号222。在一些实施例中，电子控制器202可以从参考时钟电路204接收时钟参考信号231，在一些实施例中，电子控制器202可以使用时钟参考信号231将电控制信号221与包含在一个或多个帧模板内的光脉冲串同步。在一些实施例中，参考时钟电路204可以包括高精度时钟(例如原子钟)、能够从全球定位系统(GPS)获得参考时钟的接收器、或者能够访问同步光网络中的层级时钟(stratum clock)的设备。在一些实施例中，参考时钟电路204可以可选地使用由光源210产生的光的至少一部分232来产生时钟参考信号231。
图3A-3B根据一个示例实施例图示了可以在通信系统100中生成的光帧模板和光帧。更具体地，图3A图示出了由图2的光能源模块103生成的光帧模板350的示例序列200的时间结构。图3B图示了可以由使用图3A的光帧模板350的系统100的网络元件生成的光帧350’的示例序列300的时间结构。
参考图3A，在一示例实施例中，每个光帧模板350具有持续时间TF。帧模板350的序列200通常具有TP>>TF的持续时间。在一些实施例中，TP≥10TF。在一些其他实施例中，TP≥1000TF。在一些实施例中，TP可以是TF的整数倍。
每个光帧模板350包括持续时间为TH的帧头351和持续时间为TB>>TH的帧体352，其中TH+TB＝TF。在一些实施例中，TB≥10TH。在一些实施例中，TB≥100TH。在一些实施例中，TB≥1000TH。
每个光帧模板350的帧体352包括具有脉冲重复周期TS<<TF的各自的光脉冲串353。在一些实施例中，TF≥10TS。在一些其他实施例中，TF≥1000TS。在一些实施例中，倒数周期1/TS可以等于系统100的至少一些网络元件用于通信的一个或多个光信号的符号速率(symbol rate)。在一些实施例中，符号速率可以是至少10GBaud，在这种情况下，脉冲重复周期是至多100ps。在一些实施例中，光帧模板TF的持续时间可以是脉冲重复周期TS的整数倍。在一些实施例中，不同帧模板的光脉冲串353可以“帧同步”，即对于序列200的所有帧同步光脉冲串353，帧模板350的假定开始与该帧模板的各自脉冲串353的第一个光脉冲之间的时间是相同的。
在一些实施例中，包含在第一光帧模板350和第二光帧模板350的各自主体352内的光脉冲串353可以彼此同步。在此，如果(i)第一光帧模板和第二光帧模板的光脉冲串具有大致相同的脉冲重复周期，以及(ii)第一光帧模板的光脉冲串的最后一个脉冲和第二光帧模板的光脉冲串的第一个脉冲之间的时间间隔大约是所述相同脉冲重复周期的整数倍，我们将两个光脉冲串称为“彼此同步”。
在一些实施例中，包含在光帧模板350的主体352内的光脉冲串353延伸到相应的帧头351中。
在一些实施例中，序列200的所有光帧模板350的主体352的光脉冲串353彼此同步并延伸穿过报头351，从而形成“串联的光脉冲串”，例如，跨越序列200的整个持续时间的光脉冲串。为了将串联的光脉冲串区分为光帧模板的序列，可以在序列持续时间内的一个或多个报头时间段内用控制信息压印串联的光脉冲串的光场的一个或多个参数P。在一个示例实施例中(例如，参见图3A)，TS间隔的光脉冲可以存在于每个帧体352中，并且可能存在于一些或所有对应的帧头351中。一些帧头351可以不包含任何光脉冲，或者具有一些或所有在其中被抑制(例如，显著衰减或基本完全消灭)的光脉冲。
在一些实施例中，模块103可以在一个或多个帧头时间段351期间对相应光脉冲串353的光场的一个或多个参数P施加一个或多个改变。这种改变可以响应于电控制信号211，并且被配置为压印上述控制信息，该控制信息随后可以由系统100的一个或多个网络元件使用。在各种实施例中，序列200内的不同报头351可以编码相同或不同的控制信息。
在帧体时间段352期间，光能源模块103通常不对其中携带的对应的光脉冲串353进行可控改变。例如，光脉冲串353的光场的一个或多个参数P可以在一个或更多帧体352内保持基本恒定。通常，光帧模板350的帧体352不加载(即，不携带)有效载荷数据(payloaddata)。然而，光帧模板350的帧体352使得其可以方便地加载有效载荷数据，例如，如下面参照图3B所述。从这个意义上说，光帧350是“模板”，因为这样的光帧模板已经携带了光，该光可以方便地使用但尚未使用有效载荷进行编码。光帧模板350可以以方便和直接的方式转换为传统的光帧350’(本文中也称为“光学帧”或“加载的光帧”)，例如，如下文进一步描述的。这种转换可以包括但不限于：(i)用有效载荷数据调制帧体352内的光脉冲串353的部分(这里称为“加载”或“数据加载”光帧模板)，和(ii)可选地修改一些或所有帧头351，以添加通常可以包含在常规光帧350’的常规帧头351’内的一些选定信息。
如本文所用，术语“有效载荷数据”是指由节点101以显著高于帧重复率RF＝1/TF的符号速率RS压印到帧体上的数字信息。在一些实施例中，RS＝1/TS。在一些实施例中，RS≥10RF。通常，有效载荷数据形成被发送的数据的一部分，该被发送的数据是预期消息和/或将预期消息携带到对应的(例如，远程)数据接收器。报头和元数据可以与有效载荷数据一起发送，以使其能够由对应的数据传输系统进行传递。在联网技术中，有效载荷数据通常被封装在适当类型的数据帧中。此类数据帧的非限制性示例是以太网帧、点对点协议(PPP)帧、光纤通道帧和调制解调器帧。
在一些实施例中，序列200内的所有帧体352是彼此的复制。这里，如果包含在第一帧体中的光脉冲串353具有与包含在第二帧体中的光脉冲串大致相同的周期性，并且第一帧体和第二帧体内的光脉冲串是帧同步的，则第一帧体352被称为第二帧体352的“复制”。脉冲强度的典型的不可控的小波动以及相对相位和定时抖动不应被解释为影响第一帧体352和第二帧体352之间的这种“复制”关系。
在一示例实施例中，由模块103生成的帧头351的光脉冲可以通过数字变化而彼此不同。如本文所用，术语“数字变化”是指参数P的值的变化，根据该变化，参数P的结果值属于由有限且离散的一组值组成的字母表。所述字母表的值可以是这样的，即每个单独的值有助于由系统100中的预期光接收器进行可靠的检测。
在各种实施例中，参数P可以是光的强度、光的相位、光的偏振、光的波长(光学频率)和光的空间分布中的任何一个。
如本文所用，周期T的“光脉冲串”是指其强度随时间段T呈周期性的光信号。在一些实施例中，光脉冲串的光场可以是以T的整数倍呈周期性，即周期为n T，其中n＝1,2,3,…。
如本文所用，术语“周期性”是指以参数或特征(或参数的变化或特征的变化)表征的信号，该参数或特征在持续时间TD内的每个时间段T重复，其中TD显著大于T，例如TD≥10T。在一些情况下，术语“周期性”也可适用于受随机噪声、随机漂移或小模拟抖动调制影响的信号，该调制使用频率远低于1/T(例如，频率小于1/(1000T))的一个或多个正弦波抖动音调，只要噪声、漂移或者抖动没有强到模糊(例如，使其基本上不可检测)该信号的周期性。
参考图3B，在一个示例实施例中，通过用数字信息加载一个或多个主体352(例如通过用符号速率为1/TS的数据调制对应的串353)以产生数据调制主体352’，可以从序列200生成常规光帧350’的序列300。这种数据调制可以包括强度调制、相位调制、偏振调制或频率调制以及它们的任意组合中的任何一种。在图3B中图解说明的示例实施例中，根据比特流360(其在图3B中显示为序列300上的覆盖物)使用二进制(例如，ON/OFF)光强度调制来执行数据调制。
在图3B所示的示例实施例中，帧350’的报头351’与对应的帧模板350的报头351相比保持不变，并携带帧定界符(frame delimiter)控制信息。在一些其他实施例中，可以修改光帧模板350的帧头351以生成对应的光帧350’的帧头351’。
图4A-4C示出了根据若干示例实施例的光能源模块103的框图。
图4A根据实施例示出了光能源模块103的框图。在图4A的实施例中，光能源模块103包括振荡器410，振荡器410被配置为生成周期性电波形411，例如正弦波形、三角波形、矩形波形等。在一些实施例中，振荡器410可以被相位锁定和/或频率锁定到参考时钟230。振荡器410用电波形411驱动第一光调制器420以调制来自CW激光器430的光，使得光调制器输出421处的光是周期为TS的光脉冲串。在一些实施例中，电波形411可以以周期TS呈周期性。在一些其他实施例中，电波形411可以以TS的整数倍呈周期性，并且调制器420可以使其输出强度波形的周期比电驱动波形的周期更短(短整数倍)。
在一些实施例中，光脉冲串的光场的周期性可以以TS的整数倍呈周期性，即，周期为nTS,n＝1,2,3,…。例如，在一些实施例中，调制器420可以是偏置在其传输峰值处的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器或偏置在其传输零值处的马赫-曾德尔调制器，并且信号411可以是周期为2TS的正弦信号，这种信号在两种情况下都可以在调制器输出421处产生周期为TS的周期性光强度波形。然而，如果马赫-曾德尔调制器被偏置在其传输零值处，则光场的相位可以以周期2TS呈周期性。
第二光调制器440进一步调制光调制器输出421处的光脉冲串。在不同的实施例中，调制器440可以被配置为在调制器输出421处调制光脉冲串的强度、相位、频率、偏振或空间分布中的至少一些，以在光调制器输出462处产生序列200。调制器440由电子控制器220产生的电信号221驱动。电信号221可以在帧头351的周期期间呈现数字变化，而在帧体352的周期期间保持在相同的数字值。下面将参照图5A-5D更详细地描述光调制器输出462处的电信号221和所得的光帧模板200的一些示例。
电信号221可以在电子控制器220内自主生成，或者可以至少部分地依赖于外部信息222，该外部信号222由系统100的其他设备或网络元件、或由控制系统106提供给电子控制器220。电子控制器220还可以接收来自振荡器410的参考信号231，以使电信号221与光脉冲串421同步。
在一些实施例中，一个或多个光放大器460可以在光调制器输出462处放大序列200。在一些实施例中，一个或多个分光器480可以将序列200分为两个或更多个信号部分(例如，衰减复制)482，以在各个链路102上输出。
图4B根据另一实施例示出了光能源模块103的框图。在该特定实施例中，调制器420和440的功能被组合成单个光调制器425，并且使用电信号组合单元452将信号发生器410和220的电输出411和221转换成单个电驱动信号426。在一示例实施例中，信号组合单元452可以使用信号411和221的加权和来产生输出信号426。在另一示例实施例中，信号组合单元452可以使用信号411和221的乘积来产生输出信号426。
图4C根据又一实施例示出了光能源模块103的框图。在该特定实施例中，CW激光器430和调制器425由直接调制激光器431代替。
图5A-5D根据若干个示例实施例图示了序列200和对应的电控制信号221。所示信号200和221中的至少一些可以使用图4A-4C中所示的一些电路来生成。下面将参照图6A-6C和7A-7B描述附加电路，该附加电路可用于生成和/或使用所示信号200和221中的至少一些。
在图5A的实施例中，电信号221在每个帧周期TF≈12TS内、在近似持续时间TH≈2TS的报头时间段351期间以数字方式改变其值，并且在持续时间TB＝TF–TH≈10TS的帧体期间保持恒定。当光调制器440作为强度调制器工作时，图5A的下图形框中示出的电信号221产生图5A的上图形框中示出的序列200的强度波形。
在一些实施例中，电信号221可以在持续时间TB≥100TS的帧体内保持恒定。在一些其他实施例中，电信号221可以在持续时间TB≥1000TS的帧体内保持恒定。
如图5A所示，不同的报头可以携带相同的控制信息，在该示例实施例中，该控制信息对应于帧定界符。
在图5B的实施例中，电信号221可以在每个帧周期TF≈12TS内、在近似持续时间TH≈3TS的报头时间段351期间以数字方式改变其值，并且在持续时间TB＝9TS的帧体期间保持恒定。当光调制器440作为强度调制器工作时，图5B的下图形框所示的电信号221产生图5B的上图形框所示的序列200的强度波形。
如图5B所示，不同的报头351可以携带不同的控制信息。在所示的非限制性示例中，一个报头351携带二进制字“0 0 0”，而另一个报头351携带二进制字“0 1 0”。这种不同调制的报头的预置逻辑含义可以在系统100中用作控制信息，例如作为帧标识符、帧计数器、同步时间戳，或者将状态信息从光能源模块103传送到一个或多个网络元件。
在图5C的实施例中，电信号221可以在多个帧周期TF≈12TS内、在近似持续时间TH≈3TS的一些报头时间段351期间以数字方式改变其值，并且在持续时间TB＝9TS的多个帧体期间保持恒定。当光调制器440操作以调制穿过其中的光的参数P时，图5C的下图形框中所示的电信号221导致序列200具有图5C的上图形框中所指示的参数P的不频繁变化。在各种实施例中，参数P可以是光的强度、光的相位、光的偏振、光的波长(光学频率)和光的空间分布中的任何一个。在这样的实施例中，调制器440分别是强度调制器、相位调制器、偏振调制器、移频器和空间光调制器。
虽然图5C中所示的示例说明了参数P在两个值P0和P1之间的二进制调制，但是在一些实施例中也可以实现参数P的其他数量的可能值。例如，调制器440可以被配置为在不同的调制时隙中压印参数P的三个或更多个不同的数字值。此外，在一些实施例中，调制器440可以被配置为引起两个或更多个不同参数P(例如，相位和强度；或光学频率和偏振；或相位、强度和光学频率；或相位、强度、光学频率和偏振)的相应变化。
在图5D的实施例中，电信号221可以在TB≈10.4TS的一个或多个帧体周期内保持基本恒定，并且可以在TH≈0.6TS的至少一个报头时间段351内以数字方式改变其值。当光调制器440操作以调制穿过其中的光的参数P时，图5D的下图形框中示出的电信号221导致序列200具有图5D的上图形框中所指示的参数P的不频繁变化。在各种实施例中，参数P可以是光的强度、光的相位、光的偏振、光的波长或光的空间分布中的任何一个。虽然图5D中所示的示例中示出了参数P在两个值P0和P1之间的二进制调制，但是可以使用参数P的多于两个的值，例如，如上文参考图5C所示。此外，在一些实施例中，调制器440可以被配置为引起两个或更多个不同参数P的相应变化，例如，如上文参照图5C所示。
图6A-6C示出了根据附加示例实施例的光能源模块103的框图。
在图6A所示的实施例中，振荡器410用于驱动脉冲激光器631以在光输出421处产生光波形，该光波形的光强度以周期TS呈周期性。在一些实施例中，脉冲激光器631可以是直接调制激光器，响应于电波形411直接调制该激光器的泵浦电流。在一些其它实施例中，脉冲激光器631可以是有源锁模激光器。在又一些其他实施例中，脉冲激光器631可以是混合锁模激光器。在一些实施例中，电波形411可以以周期TS呈周期性。在一些其他实施例中，脉冲激光器631可以在调制时产生光输出，该光输出的强度波形具有与对应的电波形411不同的周期(例如，通过整数倍乘法因数或整数倍除法因数)。例如，在一些实施例中，脉冲激光器631可以是次谐波驱动的锁模激光器。
调制器440进一步调制脉冲激光输出421处的光脉冲串。调制器440可以调制脉冲激光输出421处光脉冲串的强度、光脉冲串的相位、光脉冲串的频率、光脉冲串的偏振或光脉冲串的空间分布中的任何一个，以在调制器输出462处产生序列200。调制器440可以由电信号221驱动，如通过参照图4-5的示例所讨论的。
在一些实施例中，一个或多个光放大器460可以在调制器输出462处放大序列200的光。在一些实施例中，一个或多个分光器480可以将信号462分为两个或更多个信号部分482，以被引导到各个链路102。
在一些实施例中，可由单个直接调制激光器代替脉冲激光器631和调制器440，并且信号411和221可由信号组合单元适当组合，以生成直接驱动所述直接调制激光器的单个电信号，例如，如参考图4C所述。
在图6B所示的实施例中，脉冲激光器631可以是无源锁模激光器，其在脉冲激光器输出421处生成相对于其光强度以周期TS呈周期性的光波形。时钟恢复电路670操作以使用来自抽头脉冲激光器输出232的光来恢复周期性强度波形的频率和/或相位。然后，可以由电子控制器220使用产生的时钟信号231，例如参照图4A所述。
在图6C所示的实施例中，振荡器410用于生成周期性电波形4111和4112。在一些实施例中，振荡器410可以锁定到参考时钟230。振荡器410分别用电波形4111和4112驱动光调制器4201和4202，连接光调制器4201和4202以调制来自工作在不同的各自的波长λ1和λ2的CW激光器4301和4302的光，以例如在调制器输出601和602处产生相对于其光强度以周期TS呈周期性的光波形。在一些实施例中，两个CW激光器的光学频率间隔|f1-f2|至少为1/TS，其中f1＝c/λ1和f2＝c/λ2，c是在其中测量波长的介质中的光速。在一些实施例中，可以选择两个电波形4111和4112之间的相位差，例如通过使调制器输出601和602处的波形的对应脉冲在时间上重叠来同步调制器输出601和602。在一些实施例中，CW激光器430和调制器420的两种组合可以由两个直接调制激光器或两个锁模激光器代替。
调制器输出601和602处的光脉冲串被输入到光学开关(optical switch)610。光学开关610由电信号221驱动，电信号221由电子控制器220生成，例如如上所述。光学开关610基于电信号221分别将其输入601或602之一切换到其输出690中的一个或多个。一个或多个输出690可以被引导到一个或多个链路102。
图7A-7B示出了根据一些示例实施例的光学开关610的框图。
在图7A的实施例中，光学开关610包括两个开/关强度调制器711和712，之后是光耦合器713。在一些实施例中，开/关强度调制器711和712可以选自电吸收调制器、环形调制器和马赫-曾德尔调制器中的任何一个。在操作中，调制器711和712可以通过电信号221彼此异相驱动，即，每当调制器712阻挡光从其输入到其输出时，调制器711就允许光从其输入到其输出，反之亦然。
在图7B的实施例中，光学开关610包括具有两个输入端口601和602以及两个输出端口690的马赫-曾德尔光调制器715。马赫-曾德尔光调器715包括通过光波导717连接的输入和输出功率分离器716。施加电信号221以适当地调制波导717之间的光相位差，从而将光信号601切换到上输出690并且将信号602切换到下输出690，反之亦然。
图8根据一个实施例示出了可在系统100中使用的同步通信应答器800的框图。在不同的实施例中，应答器800可以是系统100的各种网络元件的一部分。为了说明目的，并且没有任何隐含的限制，下面针对所述应答器是节点1011的一部分的实施例描述应答器800。
在操作中，应答器800通过连接到光链路1026(也参见图1)的光学接口810从光能源模块103接收一个或多个序列200。在一些实施例中，光学接口810可以包括一个或多个光学连接器、连接到光子集成电路(PIC)的一个或多个边缘耦合机构、连接到PIC的一个或者多个垂直耦合机构等。在一个示例实施例中，光学接口810可以连接到一个或多个(例如，级联的)分光器820，为了说明的目的，在图8中仅示出了其中一个。在各种实施例中，例如，如相关技术中已知的，可以使用光功率分离器、波长分离器、偏振分离器和空间分布分离器(例如空间模式分离器或多芯光纤扇出)中的一个或多个来构造分光器820。在一些实施例中，分光器820的一些分光功能中的一个或多个可以集成到光学接口810中。例如，在一些实施例中，偏振分集垂直光栅耦合器可以被配置为同时充当分光器820的偏振分离器和光学接口810的一部分。
光电调制器830在分光器输出822上接收序列200，并使用一个或多个电驱动信号831将数据调制到包含在光帧模板350的主体352内的脉冲上，以在调制器输出832上产生光帧350’。在一些实施例中，可以在强度、相位、偏振或频率上进行调制。在一些实施例中，可以以调制符号速率1/TS进行调制。
在一些实施例中，一个或多个调制器830有时可以不将信息调制到光帧模板350上。可选地或额外地，可以从应答器800的结构中省略(即，不存在于应答器800的结构中)所示的一个或多个调制器830。在这种情况下，光帧模板350可以通过应答器800传递到系统100的其他网络元件，根据以上提供的系统100(图1)的一些方面的功能描述。在一些实施例中，一些这样传递的光帧模板350可以被系统100的其他网络元件用作光能源，以压印有效载荷信息并因此将光帧模板350转换为相应的加载的光帧350’。在一些实施例中，一些这样传递的光帧模板350可以被系统100的其他网络元件接收，以从中提取控制信息。
在一些实施例中，一些调制器830可以被配置为使用多于一个的电驱动信号831来调制在相应输入822处接收的光。此类调制器830的示例包括但不限于同相/正交调制器和分段电极调制器。在各种实施例中，光电调制器830可以是电吸收调制器、环形调制器或马赫-曾德尔调制器。在各种实施例中，光电调制器830可以由半导体材料、硅光子学中使用的材料、聚合物材料或铌酸锂制成。在一些实施例中，光电调制器830可以至少部分地集成在一个或多个PIC中(图8中未明确示出)。在各种实施例中，电驱动信号831可以是二进制或多级的。在一些实施例中，电驱动信号831可以是适当的脉冲形状，或者可以使用数字或模拟滤波器进行预失真，或者可以使用电驱动放大器进行电放大。
在一些实施例中，可以使用一个或多个光接收器880来检测分光器输出822上的一些序列200，以提取其中包含的信息。这样的信息可以在接收器输出882上输出。这样的信息可包括但不限于一个或多个频率分量、一个或多个时间偏移或时钟相位值、以及嵌入序列200中的一条或多条控制信息。
在一些实施例中，由光接收器880提取的信息可以在输出端口883上提供给应答器800外部的设备，以在系统100内进一步使用，例如在控制系统106内使用(例如，用于网络流量同步/仲裁/调度、数据库时间戳、本地时钟同步等)。在一些实施例中，由光接收器880提取的信息可以被馈送到电子信号处理器812和/或数据处理器814。在一些实施例中，电子信号处理器812可以从外部设备接收一个或多个信号813和/或从数据处理器814接收数据，并且可以预处理这些信号以生成用于调制器830的电驱动信号831。在一些实施例中，预处理可以包括任何形式的模拟信号处理、数字信号处理或混合信号处理，包括但不限于重新定时、纠偏、缓冲、比特填充、比特移除、前向纠错编码、线路编码、帧、导频和分组报头的插入、时间戳、线性和非线性预补偿、预均衡、预加重和预失真。
在一些实施例中，调制器输出832上的光帧350’的序列300可以使用一个或多个复用器824在光场的波长、光场的偏振或光场的空间分布中复用，以生成一个或多个光复用信号852。然后，复用信号852可以通过一个或多个输出接口850发送到一个或多个光纤1021。例如，在一些实施例中，输出接口850可以实现为一个或多个光纤连接器、从PIC到光纤的一个或多个边缘耦合器、或从PIC到光纤的一或多个垂直耦合器。在一些实施例中，复用器824的一些复用功能可以集成到一些输出接口850中。例如，偏振分集垂直光栅耦合器可以同时充当复用器824的偏振复用器和输出接口850的一部分。
在一些实施例中，每个调制器输出832可以经由对应的输出接口850直接传递到对应的光纤或光纤链路1021的对应光纤芯，即，在其间不经历任何复用。换言之，在一些实施例中，复用器824或复用器824中的一些部分可能不存在。
应答器800还可以包括输入接口860，该输入接口860被连接以接收一个或多个光信号853，该一个或多个光信号853可以与信号852具有相同的一般形式。在一些实施例中，输入接口860可以类似于输出接口850来实现，例如，使用一个或多个光纤连接器、从PIC到光纤的一个或多个边缘耦合器、或从PIC至光纤的一个或多个垂直耦合器。在一些实施例中，输入接口860可以连接到一个或多个光解复用器826以将信号853解复用为其组成分量(例如，解复用为光场的波长、光场的偏振或光场的空间分布中的一个或多个)，从而产生场解复用信号828。解复用器输出828处的光帧350’的解复用序列可以使用光接收器870将光形式转换为电形式以产生电信号872。
在一些实施例中，解复用器826的一些解复用功能可以集成到一些输入接口860中。例如，偏振分集垂直光栅耦合器可以同时充当解复用器826的偏振解复用器和输入接口860的一部分。
在一些实施例中，每个光信号853可以从对应的输入接口860直接传递到对应的光数据接收器870，即，在其间不经历任何解复用。换句话说，在一些实施例中，解复用器826或解复用器826的一些部分可能不存在。
在一些实施例中，可以使用电子信号处理器815进一步处理电信号872。在一些实施例中，电子信号处理器815可以处理电信号872以生成一个或多个电数据信号816。在一些实施例中，电子信号处理器815还可以接受由光接收器880从序列200中提取的信息882。在一些实施例中，电子信号处理可以包括任何形式的模拟信号处理、数字信号处理或混合信号处理，包括但不限于线性和非线性均衡、时钟恢复、重新定时、纠偏、缓冲、前向纠错解码、线路解码、解帧、导频移除、以及分组报头的检查和处理。
在一些实施例中，电子信号处理器815可以产生数据以供数据处理器817进一步进行电子处理。在一些实施例中，数据处理器817还可以接受由光接收器880从序列200中提取的信息882。
图9A-9D根据一些示例实施例示出了光接收器880的框图。图9A-9D所示的电路还可用于实现光接收器870的各种实施例。为了简单起见，以下描述主要参考光接收器880。从所提供的描述中，本领域普通技术人员还将能够在不进行任何过度实验的情况下制造和使用光接收器870。
在图9A所示的实施例中，光接收器880包括光到电(O/E)转换装置910，O/E转换装置910将光信号822转换为相应的电输出信号882。在各种实施例中，O/E转换装置910可以包括一个或多个p-i-n光电二极管、一个或多个电子雪崩光电二极管、一个或多个自相干接收器、或一个或多个模拟(外差/零差)相干接收器或数字(内差)相干接收器。在一些实施例中，O/E转换装置910还可以包括模拟电子电路、数字电子电路、混合信号电子电路、或辅助O/E转换的数字电子信号处理功能(例如电子偏置电路、电子监控电路、跨阻抗放大器、数字线性或非线性均衡电路、模拟线性或非线性均衡电路、以及各种其他接收器数字信号处理元件)。在一些实施例中，O/E转换装置910可以至少部分地集成在一个或多个PIC中(图9A中未明确示出)。
在图9B所示的实施例中，将O/E转换装置910连接到信息提取装置920。在一些实施例中，信息提取设备920可以包括一个或多个电带通滤波器，该电带通滤波器大致以接收器输入822上的光帧模板350中包含的特征频率分量为中心，例如主时钟频率1/TS或主帧频率1/TF。在一些实施例中，信息提取设备920可以包括锁相环。在一些实施例中，信息提取设备920可以在上述特征频率、特征频率的倍数或特征频率的次谐波下输出一个或多个正弦波电信号。在一些实施例中，信息提取设备920可以包括帧检测电路，该帧检测电路检查在周期TF(例如，图5A中的351)中周期性地出现的一个或多个漏脉冲的接收帧光脉冲串和/或调制帧光脉冲串，并且可以在接收器输出882上输出例如与每个帧的开始一致的同步脉冲。
在一些实施例中，信息提取设备920可以包括报头检测电路，报头检测电路检查在周期TF(例如，图5A中的351)出现的周期性插入的报头的接收信号，并且可以例如在与每个报头的结尾相一致的时间处，在接收器输出882上输出同步脉冲以及报头中包含的相应值。在一些实施例中，报头可以包括时间戳计数器的值。在一些实施例中，报头可以包括关于系统100的状态信息，例如一个或多个逻辑地址、一条或多条诊断信息等。在一些实施例中，报头可以包括来自系统100的控制信息，例如一个或多个重置请求、指向系统100的一个或多个网络元件的一个或多个主/从分配等。
在图9C所示的实施例中，O/E转换装置910前面是光学元件930，光学元件930被配置为将使用光场的参数P(例如，偏振、波长或空间分布)编码的各种接收的光帧模板350(或者，在接收器870的情况下，加载的光帧350’)转换为相应的强度调制光信号932，强度调制光信号932可以使用直接强度检测。在一些实施例中，参数P可以包括一个或多个偏振状态，在这种情况下，光学元件930可以包括一或多个偏振器或偏振分束器。在一些实施例中，参数P可以包括光场的各种相位，在这种情况下，光学元件930可以包括一个或多个光学延迟干涉仪。在一些实施例中，参数P可以包括各种波长，在这种情况下，光学元件930可以包括一个或多个滤光器。在一些实施例中，参数P可以包括各种空间模式，在这种情况下，光学元件930可以包括一个或多个空间模式解复用器。本领域普通技术人员将理解，将在使用各种参数P将帧光脉冲串和/或调制帧光脉冲串转换成适用于直接强度检测的信号中，可以使用各种光学元件的各自相关选择。
在图9D所示的实施例中，各种参数P可以包括两个或更多个光学可分离的参数状态，例如两个正交偏振、两个相反的光学相位、两个或更多正交频率或两个或更多正交的空间模式。在这样的实施例中，光学元件930可以将各种编码的接收的光帧模板350(或者，在接收器870的情况下，加载的光帧350’)分成它们可分离的参数分量，例如，参数分量9321和9322，用于使用两个或更多个O/E转换设备(例如9101和9102)对参数分量9321和9322进行单独检测。在一些实施例中，参数P可以包括各种偏振状态，在这种情况下，光学元件930可以包括具有两个或更多个输出端口的偏振分束器。在一些实施例中，参数P可以包括光场的各种相位，在这种情况下，光学元件930可以包括具有两个或更多个输出端口的一个或多个光学延迟干涉仪。在一些实施例中，参数P可以包括各种波长，在这种情况下，光学元件930可以包括具有两个或更多个输出端口的波长解复用器。在一些实施例中，参数P可以包括各种空间模式，在这种情况下，光学元件930可以包括具有两个或更多个输出端口的空间模式解复用器。在一些实施例中，信息提取设备920可以包括一个或多个差分功能以实现平衡检测。
图10A-10B分别示出了可用于系统100的各种网络元件的同步的系统1001和方法1000。在示例实施例中，系统1001是系统100的一部分，如图1和10A中使用的共同参考数字所示。
图10A根据一个实施例示出了系统1001的框图。如图所示，系统1001包括网络元件1011、1012、103和控制系统106(也参见图1)，控制系统106包括处理器1040。在操作中，系统1001的光能源模块103产生光帧模板350的序列200，光帧模板350的序列200包括帧信息(例如，图5A中的351)和/或一个或多个时间戳(例如，图5B中的351)，并分别经由链路1026和1027将所述序列200的(衰减的)复制提供给节点1011和1012。节点1011的光接收器(RX)8801从在链路1026上的节点103接收的序列200中提取帧定界符或时间戳T0，并记录其本地时间t1，该本地时间t1与提取的时间戳T0一致。网络元件1012的光接收器8802从在链路1027上的节点103接收的序列200中提取相同的时间戳T0，并记录其本地时间t2，该本地时间t2与提取的帧定界符或时间戳T0一致。
在一个实施例中，为了从序列200中提取帧定界符或时间戳，光接收器880检查接收的信号中以已知帧速率1/TF周期性出现的特征，例如一个或多个漏光脉冲(例如，图5A中的351)或在每个TF都增加的周期性出现的计数器值(例如，图5B中的351)。一旦在操作的启动阶段检测到速率为1/TF的预期模式的几次(例如，3次、5次或10次)出现，光接收器880就与帧速率同步，并且能够正确地记录每个后续帧定界符或同步时间戳出现的其本地时间。
节点1012的光发射器(TX)8302使用在链路1027上接收的初期光帧的序列的复制作为光能源，以将发往节点1011的信息调制到其帧体上。网络元件1011的光接收器8701接收调制的光帧的序列，提取时间戳T0，并记录其与时间戳T0一致的本地时间t1+t12。类似地，节点1011的光发射器8301使用在链路1026上接收的所述初期光帧序列的复制作为光能源，以将发往节点1012的信息调制到其帧体上。网络元件1012的光接收器8702接收所述调制的光帧的序列，提取时间戳T0，并记录其与时间戳T0一致的本地时间t2+t12。
节点1011在链路1071上传播其记录的本地时间t1和t2+t12和/或其记录的本地时间差Δ1＝t1–(t2+t12)到控制系统106的处理器1040。节点1012在链路1072上传播其记录的本地时间t2和t1+t12和/或其记录的本地时间差Δ2＝t2–(t1+t12)到控制系统106的处理器1040。
图10B根据一个实施例示出了同步方法1000的流程图。
在步骤1002和1012中，节点1011和1012分别测量本地记录的时间{t1,t2+t12}和{t2,t1+t12}，并且在步骤1004和1014中，将这些测量值和/或它们记录的本地时间差Δ1和Δ2传播到控制系统106的处理器1040。
在步骤1016中，控制系统106的处理器1040以Σ12＝Δ1+Δ2＝–2t12计算Δ1和Δ2的和，和以Δ12＝Δ1–Δ2＝2(t1–t2)计算Δ1和Δ2的差，从而求得节点1011和1012之间的通信延迟t12以及光能源模块103分别与节点1011、1012之间的传播延迟差(t1–t2)。
在步骤1018中，控制系统106的处理器1040将计算出的节点1011和1012之间的通信延迟t12以及光能源模块103分别与节点1011、1012之间的传播延迟差(t1–t2)传回节点1011和1012。
在步骤1022和1032中，相对于从光能源模块103接收到的时间戳，节点1011和1012使用在步骤1018接收到的信息来校准其本地时钟。例如，在一些实施例中，节点1011可以被配置为承担系统100中的主要角色，而节点1012则可以被配置成承担从属角色。在该配置中，节点1011可以调整其本地时钟以始终匹配从光能源模块103接收的相应的时间戳，即节点1011接收的图5B的同步计数器351的值V1乘以帧持续时间TF可以表示节点1011处的绝对时间V1TF。节点1012可以调整其本地时钟，以匹配从光能源模块103接收的相应的时间戳值V2加上传播延迟差(t1–t2)，即，可以获得节点1012处的绝对时间为V2TF+(t1–t2)。
在一些实施例中，节点1011可以被配置为将信息传递给节点1012，使得信息在时间t0处精确到达节点1012。在这种情况下，节点1011可以在其本地时钟读数为t0–t12时将其信息发送给节点1012。
在一些实施例中，控制系统106可以为了同步的目的，在系统100的多于一个网络元件中使用其检索到的信息。本领域普通技术人员将理解，针对三个网络元件描述的上述算法可以无限制地扩展到任意多个网络元件组成的任意大的网络中。
在一些实施例中，控制系统106可以是单独的物理实体(例如，计算机)。在一些实施例中，控制系统106可以分布在不同的物理实体之间(例如，在系统100的网络元件之间)。
虽然本文将系统元件和方法描述为节点101的示例，但诸如节点103、104和105之类的其他网络元件也可以包括所描述的光通信元件，所描述的光通信元件允许它们参与所描述的时间同步方法。因此，针对节点101的任何描述不应被解释为对节点101的限制，而是同样适用于其他网络元件，例如一个或多个的光能源模块103、光复用单元104、或光交换单元105。
在一些实施方式中，图2、4A、4B、4C、6A、6B或6C的光能源模块103可用于在合成定向天线波束的过程中同步多天线无线系统或相控阵雷达系统中的远程无线电头端(RRH)，以改进波束操纵和/或波束整形。在下文中，我们首先描述了传统的多天线无线系统的示例，然后描述了结合了光能源模块103的改进的多天线无线系统。
在一些示例中，在多天线无线系统或相控阵雷达系统中合成定向天线波束以实现波束操纵和/或波束整形中，使用从N个天线(或远程无线电头端)发射的N个无线电波以具有明确定义的相位关系，例如，其被选择为使得N个无线电波在预期移动用户的位置处(在多天线无线系统的情况下)或在目标位置处(在相控阵雷达系统的情况下)进行相长干涉。在一些示例中，多天线无线系统和相控阵雷达系统可以包括由单个通信链路馈送的共处一地的天线元件或由多个独立通信链路馈送的空间分布天线元件。在由多个独立通信链路馈送的空间分布天线元件之间建立和维持明确的相位关系是更加困难的。在多天线无线系统的情况下，可以根据导频信号Sp(t)估计从基带处理单元(BBU)发送到N个天线的正确的相位关系，例如，导频信号Sp(t)首先由移动用户发送并由基带处理单元接收，由此所述基带处理单元调整相位校正项以使从移动用户接收的接收信号强度最大化。下面将更详细地描述该过程。
图11是示例性多天线无线系统1100的示意图，多天线无线系统1100包括基带处理单元(BBU)1102、第一远程无线电头端1104和第二远程无线电头端1106。在此示例中，示出了两个远程无线电头端(N＝2)，应当理解，可以使用额外的远程无线电头端，这些远程无线电头端可以在空间上共处一地或分散，且尽管这里远程无线电头端称为RRH，1104和1106也可以是多元件天线阵列的两个元件，而不管它们是否包括通常与RRH相关联的所有各种子系统。第一远程无线电头端1104和第二远程无线电头端1106生成无线电波形，该无线电波形组合(例如干涉)并形成定向波束1108。通过调整由第一远程无线电头端1104和第二远程无线电头端1106发送的无线电波形的相位关系，可以将定向波束1108引向任意方向，例如朝向移动设备1110。
如本领域已知的，在无线系统中有多种方法来估计和控制无线电相位信息。图12示出了这样一种方法。在导频训练阶段，移动设备1110将调制到射频载波fRF上的导频信号(即，
Figure BDA0003995840980000241
1120)发送到第一远程无线电头端1104和第二远程无线电头端1106。从移动设备1110到第一远程无线电头端1104和从移动设备1110到第二远程无线电头端1106分别存在传播延迟τ1a和τ2a。第一远程无线电头端1104使用由频率在f1的本地振荡器馈送的第一混频器1122来解调射频导频信号sP(t)1120，以产生低频信号(例如中频信号或基带信号1124，这里统称为“基带信号”)，并且将(通常是数字采样的)基带信号1124发送到基带处理单元1102，这里存在τ1b的传播延迟。第二远程无线电头端1106使用由频率在f2的本地振荡器馈送的第二混频器1126来解调射频导频信号sP(t)1120，以产生基带信号1128，并将基带信号1128发送到基带处理单元1102，这里存在τ2b的传播延迟。典型地，f1≈f2＝f，使得f1和f2之间的任何微小差异都可以被缓慢时变的相位捕获，即本地射频振荡器的未知相位差θ1和θ2可以成为时间的缓慢变化函数θ1(t)和θ2(t)。为了便于标记，在随后的方程中省略了这种时间依赖性。基带处理单元1102使用加法器1130组合基带信号1124和1128以生成组合信号：
Figure BDA0003995840980000242
未知相位变量Ψ1和Ψ2可能包含远程无线电头端1104、1106的本地射频振荡器的未知相位差θ1和θ2以及未知传播延迟差τ1a、τ1b、τ2a、τ2b。基带处理单元1102确定最大化接收信号强度的相位变量Ψ1和Ψ2：
Figure BDA0003995840980000243
所确定的相位变量Ψ1和Ψ2反映了特定载波频率下的信道，以及可用于在随机变化的参数基本不变的时间间隔内以最大相长干涉朝向移动设备1110发送数据信号sD(t)。
参考图13，在确定相位变量Ψ1和Ψ2后，基带处理单元1102将第一基带数据信号sD1(t)1140发送到第一远程无线电头端1104，这里存在传播延迟τ1b。第一远程无线电头端1104通过在第一混频器1122处将第一基带数据信号sD1(t)1140与射频载波
Figure BDA0003995840980000251
混频，以将第一基带信号sD1(t)1140转换为射频信号1142。第一远程无线电头端1104向移动设备1110发送射频信号1142，这里存在τ1a的传播延迟。基带处理单元1102将第二基带数据信号sD2(t)1144发送到第二远程无线电头端1106，这里存在τ2b的传播延迟。第二远程无线电头端1106通过在第二混频器1126处将第二数据信号sD2(t)1144与射频载波
Figure BDA0003995840980000252
混合，以将第二基带数据信号sD2(t)1144转换为射频信号1146。第二远程无线电头端1106向移动设备1110发送射频信号1146，这里存在τ2a的传播延迟。第一射频信号1142和第二射频信号1146组合(例如干涉)并形成指向移动设备1110的定向波束。
通常，在包括N个天线的多天线无线系统中，N个天线路径之间的相位关系以及本地射频载波的相位和频率稳定性需要在一个时间间隔内被保持，且在该时间间隔内(a)无线信道基本上没有改变，以及(b)导频估计的有效性仍然准确。如果相位关系在该时间间隔内改变，则产生的波束形成也将以不期望的方式改变。
在一些实施方式中，基带处理单元生成基带等效信号，该基带等效信号将被调制到远程无线电头端(RRH)处的射频载波上。对于非本地远程无线电头端，可以使用单独的射频振荡器生成频率为f1和f2的载波信号，该振荡器可以具有特定百万分率(ppm)范围内的频率稳定性。频率稳定性越小(或频率越稳定)，射频振荡器就越昂贵。
在一些实施方式中，为了使图13的示例中的第一射频信号1142和第二射频信号1146适当地组合(例如，干涉)并被引导到移动设备1110，需要同步由两个远程无线电头端1104、1106发射的射频信号1142和1146的相位，并且信号的定时需要精确到射频载波周期的一小部分。例如，如果使用1GHz的射频载波信号，则载波信号的周期为1ns，并且射频信号1142和1146的定时应精确到10ps的范围内。因此，基带处理单元1102需要将远程无线电头端1140、1144的相对同步控制在10ps的范围内，以使从远程无线电头端1140、1144发射的无线信号具有充分对准的相位和频率，使得组合的无线信号形成定向波束，该定向波束指向预期方向，即指向移动设备1110。如果使用1GHz的射频载波信号，并且基带处理单元1102不能将远程无线电头端1140、1144的相对同步控制在10ps的范围内，则组合的无线信号可能形成不指向移动设备1110的定向波束，从而导致移动设备1110处的较高干涉或噪声。在一些实施方式中，混频器1122和1126的本地振荡器相互关联，其中混频器1122和1126具有高度同步的晶体。这种同步晶体通常是昂贵的。
作为使用昂贵的射频振荡器的替代方案，在一些实施方式中，同步信号可以与sD1(t)和sD2(t)一起发送，它们在所有远程无线电头端上建立公共频率(f1＝f2)和公共射频相位(θ1＝θ2)。一个这样的频率参考可以通过从基带处理单元向远程无线电头端发送未调制的脉冲串或携带调制帧模板的脉冲串来提供，下面将更详细地描述。
参考图14，在一些实施方式中，大规模多输入多输出(MIMO)无线系统1150包括无线电处理器1152，该无线电处理器1152将基带信号发送到远程天线或远程无线电头端1154、1156和158，这些远程天线或远程无线电头端将基带信号转换为广播的射频信号，并组合(例如，干涉)以形成定向波束。系统1150的特征之一是可以向远程天线或远程无线电头端提供准确的相位和频率信息。例如，无线电处理器1152使用光同步信号1160、1162和1164来同步远程无线电头端1154、1156和1158，这些光同步信号是基于共同的光源(例如，共同的光能源模块)生成的。
参考图15，在一些示例中，可以使用光能源模块103来实现无线电处理器1152，该光能源模块103通过光链路1021c、1022c、1023c、1021b、1022b、1023b分别向节点1011、1012、1013、1014、1015、1016发送光能源信号(包括光同步信号)。光能源模块103可以被配置为类似于例如图2、4A、4B、4C、6A、6B或6C中所示的示例。节点1011、1012、1013、1014、1015、1016中的每一个节点可以是应答器，该应答器包括与图8的应答器800的模块类似的模块。例如，由光能源模块103提供的光能源信号可以包括光帧模板350的序列200(图3A)、光帧模板350’的序列300(图3B)、或信号的序列200(图5A、5B、5C或5D)。在一些实施方式中，未调制(无帧)脉冲源可以用于仅传输频率参考，而不是绝对时间。
在一些实施方式中，远程无线电头端1154包括节点1014和以频率f1振荡的本地振荡器。远程无线电头端1156包括节点1015和以频率f2振荡的本地振荡器。远程无线电头端1158包括节点1016和以频率f3振荡的本地振荡器。例如，光信号可以分别通过光链路1021a、1022a、1023a在应答器1011、1012、1013和对应的应答器1014、10151016之间传输。应答器1014、1015、和1016从光能源信号恢复绝对频率。因为只有一个光脉冲源(即光能源模块103)，所以各个远程无线电头端1154、1156、1158处的频率可以是相同的(或几乎是相同的，差异可忽略不计)，并且远程无线电头端1154、1156和1158可以使用频率信息来同步本地振荡器以具有相同的频率，即，f1＝f2＝f3(或几乎相同的频率，差异可忽略不计)。这允许远程无线电头端产生具有精确波束转向和/或波束整形的定向波束。
光链路1021a、1021b、1022a、1022b、1023a、1023b可以包括各种光纤配置。图16示出了在远程无线电头端中的无线电处理器和应答器之间设置三个光纤的示例。图17至19示出了在远程无线电头端中的无线电处理器和应答器之间设置两个光纤的示例。图20示出了在远程无线电头端中的无线电处理器和应答器之间使用单个光纤的示例。
参考图16，在一些实施方式中，多天线无线系统1180包括无线电处理器1182，无线电处理器1182包括光能源模块103和应答器1011。光能源模块103通过第一光纤1184向应答器1014发送光能源信号1181，该光能源信号1181可包括光同步信号。光能源模块103向应答器1011发送光能源信号1186。应答器1011基于光能源信号1186(例如，通过调制光能源信号1186中的光脉冲)生成第一信号1188，并通过第二光纤1190将第一信号1188发送到应答器1014。例如，第一信号1188可以包括数据和/或控制信号。应答器1014基于光能源信号1181(例如，通过调制光能源信号1181中的光脉冲)生成第二信号1192，并通过第三光纤1194发送第二信号1192。在该示例中，使用三个不同的光纤1184、1190和1194，任何波长都可以用于光纤1184，1190和1194中的任何一个，并且相同的波长可以用于信号1182、1188和1192。例如，光能源模块103可以是单波长光能源。
参考图17，在一些实施方式中，多天线无线系统1200包括无线电处理器1202，该无线电处理器1202包括光能源模块103和应答器1011。光能源模块103被配置为生成具有多种波长的光能源信号。例如，光能源模块103通过第一光纤1206向应答器1014发送具有第一波长λ1的第一光能源信号1204。光能源模块103向应答器1011发送具有第二波长λ2的第二光能源信号1208。应答器1011基于光能源信号1208(例如，通过调制光能源信号1208中的光脉冲)生成具有第二波长λ2的第一光信号1210，并通过第二光纤1212向应答器1014发送第一光信号1210。例如，第一信号1210可以包括数据和/或控制信号。应答器1014基于光能源信号1204生成具有第一波长λ1的第二光信号1214，并通过第二光纤1212向应答器1011发送第二光信号1214。在该示例中，光能源103生成两种不同波长的脉冲串(λ1用于1014的上行调制，λ2用于1011的下行调制)。系统1200在光纤1212上提供(解)复用元件D 1216，其中(解)复用元件D 1206可以是波长(解)复用器、光功率分离器或环形器。
参考图18，在一些实施方式中，系统1220在光纤1206上提供(解)复用元件D 1222，其中光能源信号1204和光信号1210都在第一光纤1206中传输。在该示例中，(解)复用元件D1222可以是波长(解)复用器。
参考图19，在一些实施方式中，系统1230在光纤1206上提供(解)复用元件D 1232，其中，光能源信号1204和光信号1214在第一光纤1206中传输。在该示例中，(解)复用元件D1232可以是光功率分离器或环形器。
参考图20，在一些实施方式中，多天线无线系统1240包括无线电处理器1242，该无线电处理器1242包括光能源模块103和应答器1011。光能源模块103被配置为生成具有多种波长的光能源信号。例如，光能源模块103通过光纤1206向应答器1014发送具有第一波长λ1的第一光能源信号1204。光能源模块103向应答器1011发送具有第二波长λ2的第二光能源信号1208。应答器1011基于光能源信号1208生成具有第二波长λ2的第一光信号1210(例如，通过调制光能源信号1208中的光脉冲)，并通过光纤1206向应答器1014发送第一光信号1210。例如，第一信号1210可以包括数据和/或控制信号。应答器1014基于光能源信号1204生成具有第一波长λ1的第二光信号1214，并通过光纤1206向应答器1011发送第二光信号1214。系统1240在光纤1206上提供(解)复用元件D 1244。(解)复用元件D 1244可以既包括波长选择滤波器又包括定向元件(光功率分离器或循环器)，以便分离三种信号。
根据以上公开的示例实施例(例如，在发明内容部分和/或参考一些或所有图1-20的任何一个或任何组合)提供了一种装置(例如，图1中的100)，该装置包括：光源(例如，图2中的210)；以及电子控制器(例如，图2中的202)，连接该电子控制器以使光源产生光帧模板(例如，图3A中的350)的序列(例如，图2、3A中的200)，每个光帧模板包括各自的帧头(例如，图3A中的351)和各自的帧体(例如，图3A中的352)；其中每个帧体包括各自的光脉冲串(例如，图3A中的353)；并且其中所述光源和所述电子控制器被配置为使用对应于所述序列的各自的帧头(例如，如图5A-5D所示)的时间间隔将控制信息(例如，图2中的211)压印到至少一些光帧模板的光上。
在上述装置的一些实施例中，所述至少一些光帧模板包括至少三个光帧模板。
在上述任何装置的一些实施例中，所述至少一些光帧模板是彼此的复制(例如，图3A中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列中的各个帧体都不携带有效载荷数据(例如，图3A中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列具有第一持续时间(例如，图3A中的TP)；各自的帧头中的每一个帧头具有第二持续时间(例如，图3A中的TH)；各自的帧体中的每一个帧体具有第三持续时间(例如，图3A中的TB)，第二持续时间和第三持续时间的总和小于第一持续时间；并且各自的光脉冲串中的每一个光脉冲串具有第四持续时间的周期(例如，图3A中的TS)，第四持续时间小于第二持续时间和第三持续时间中较小的一个。
在上述任何装置的一些实施例中，第四持续时间(例如，图3A-B中的TS，353)最多为100ps。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少10倍(例如,TB≥10TS,图3A-B中的352、353)。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少100倍(例如，TB≥100TS,图3A-B中的352、353)。
在上述任何装置的一些实施例中，第三持续时间是第四持续时间的至少1000倍(例如,TB≥1000TS,图3A-B中的352、353)。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间最多为第三持续时间的10％(例如，TH≤0.1TB,图3A-B中的351、352)。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间最多为第三持续时间的1％(例如，TH≤0.01TB,图3A-B中的351、352)。
在上述任何装置的一些实施例中，第一持续时间是第三持续时间的至少10倍(例如，TP≥10TB,图3A-B中的200、352)。
在上述任何装置的一些实施例中，第一持续时间是第二持续时间和第三持续时间的总和的整数倍(例如，TP是TF的整数倍，图3A-B中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间和第三持续时间的总和是第四持续时间的整数倍(例如，TF是TS的整数倍，图3A-B中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，光帧模板的序列是周期性的，其周期等于第二持续时间和第三持续时间的总和(例如，TF＝TH+TB,图3A-B中的351、353；图5A中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括参考时钟，该参考时钟包括以下各项中的至少一个：高精度时钟、能够从全球定位系统获得参考时钟的接收器、以及可连接到同步光网络的层级时钟的设备。
在上述任何装置的一些实施例中，第二持续时间和第三持续时间是从参考时钟导出的。
在上述任何装置的一些实施例中，第四持续时间是从参考时钟导出的。
在上述任何装置的一些实施例中，序列的至少两个光帧模板的各自光脉冲串是帧同步的(例如，图3A中的200，参见[0078]中的定义)。
在上述任何装置的一些实施例中，至少两个光帧模板的各自的光脉冲串是彼此同步的(例如，图3A中的200，参见[0079]中的定义)。
在上述任何装置的一些实施例中，至少一个光帧模板的相应的光脉冲串延伸到其相应的帧头中(例如，图3A中的200)。
在上述任何装置的一些实施例中，光源和电子控制器被配置为使用光场参数的数字变化来压印控制信息(例如，图5C、5D中的P)；并且所述光场参数从以下参数组成的组中选出：光的强度、光的相位、光的载波频率和光的偏振。
在上述任何装置的一些实施例中，控制信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
在上述任何装置的一些实施例中，光源包括连续波激光器(例如，图4A-4B、图6C中的430)、光调制器(例如，图4A-4B中的420、440、425)、直接调制激光器(例如，图4C中的431)、有源锁模激光器(例如，图6A中的631)、无源锁模激光器(例如，图6B中的631)、以及光学开关(例如，图6C中的610)中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器(例如，图4A中的440)包括强度调制器、相位调制器、偏振调制器和移频器中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括分光器(例如，图4A中的480)，该分光器被配置为将光帧模板的序列分成两个或更多个部分。
在上述任何装置的一些实施例中，光源包括：第一光脉冲源(例如，图6C中的4201和4301的组合)，该第一光脉冲源被配置为以第一载波频率发射光；第二光脉冲源(例如，图6C中的4202和4302的组合)，该第二光脉冲源被配置为以第二载波频率发射光，第二载波频率与第一载波频率不同；以及光学开关(例如，图6C中的610)，该光学开关被配置为选择由第一光脉冲源(例如，图6C中的601)发射的光或由第二光脉冲源发射的光(例如，图6C中的602)。
在上述任何装置的一些实施例中，第一载波频率和第二载波频率之间的差值大于相应的光脉冲串的脉冲重复率(例如，|f1-f2|≥1/TS)。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括光调制器(例如，图8中的830)，该光调制器被配置为将不同的各自的有效载荷数据序列加载到多个光帧模板的不同光帧模板的各自的帧体中(例如，如图3B所示)。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器和光源通过至少一个光纤(例如，图1中的102)光学连接。
在上述任何装置的一些实施例中，至少一个光纤的长度为至少一米。
根据上文公开的另一示例实施例，(例如，在发明内容部分和/或参考一些或所有图1-10的任何一个或任何组合)提供了一种装置(例如，图8中的800)，该装置包括：第一光学接口(例如，图8中的810)是可连接的以接收光帧模板的序列(例如，图3A中的200)，光帧模板中的每个光帧模板包括各自的帧头(例如，图3A中的351)和各自的帧体(例如，图3A中的352)，帧体包括各自的光脉冲串(例如，图3A中的353)；分光器(例如，图8中的820)，该分光器连接到第一光学接口；光调制器(例如，图8中的830)，该光调制器连接到分光器的第一输出，并被配置为将数据(例如，图8中的813)加载到各自的帧体中，以将光帧模板的序列转换为相应的加载的光帧序列(例如，图8中的852)；以及光接收器(例如，图8中的880)，该光接收器连接到分光器的第二输出，并被配置为从各自的帧头中提取控制信息(例如，图8中的882)。
在上述任何装置的一些实施例中，所提取的信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为调制光的强度、光的相位、光的载波频率和光的偏振中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为以等于相应的光脉冲串的脉冲重复率的符号速率进行调制。
在上述任何装置的一些实施例中，光调制器被配置为调制相应的光脉冲串的单个脉冲。
在上述任何装置的一些实施例中，光接收器包括如下各项中的一个或多个：p-i-n光电检测器、电子雪崩光电检测器、相干接收器(例如，图9A-9D中的910)、电子处理电路(例如，图9B-9D中的920)、以及一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被配置为将编码的光信号转换为使用强度检测可检测的光信号(例如，图9C-9D中的930)。
在上述任何装置的一些实施例中，所述一个或多个光学元件包括偏振滤波器、偏振分离器、延迟干涉仪、波长滤波器、波长解复用器和空间模式解复用器中的一个或多个。
在上述任何装置的一些实施例中，该装置还包括第二光学接口(例如，图8中的860)，该第二光学接口是可连接的以接收另一个加载的光帧的序列(例如，图8中的853)；以及第二光接收器(例如，图8中的870)，该第二光接收器连接到第二光学接口并被配置为从所述另一序列中提取信息(例如，图8中的872、816)。
在上述任何装置的一些实施例中，所提取的信息包括：时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
根据上文公开的另一示例实施例，(例如，在发明内容部分和/或参考一些或所有图1-10的任何一个或任何组合)提供了一种装置(例如，图1中的100)，该装置包括被配置为同步两个或更多个网络元件(例如，图1中的1011-1016)的控制系统(例如，图1中的106)，该控制系统包括：第一端口(例如，图10A中的1071)，第一端口被配置为从第一网络元件(例如，图1A中的1011)接收第一本地时间信息；第二端口(例如，图10A中的1072)，第二端口被配置为从第二网络元件(例如，图10A中的1012)接收第二本地时间信息；处理器(例如，图10A中的1040)，处理器被配置为根据第一本地时间信息和第二本地时间信息计算一个或多个全局时间值；以及第三端口(例如，图1中的107105)，第三端口被配置为将一个或多个全局时间值发送到第一网络元件或第三网络元件(例如，图1中的105)，第三网络元件不同于第一网络元件和第二网络元件。
在上述装置的一些实施例中，第一本地时间信息和第二本地时间信息中的每一个包括两个各自的本地时间值，所述本地时间值与相同时间戳(例如，T0)相关联，该相同时间戳由第一网络元件和第二网络元件中的每一个从在其处接收的光帧模板和加载的光帧的各自的序列(例如，图3A中的200、300)中提取。
在上述任何装置的一些实施例中，第一本地时间信息和第二本地时间信息中的每一个表示两个本地时间值的函数，所述本地时间值与相同时间戳(例如，T0)相关联，该相同时间戳由第一网络元件和第二网络元件中的每一个从在其处接收的光帧模板和加载的光帧的各自的序列(例如，图3A中的200、300)中提取。
在上述任何装置的一些实施例中，控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的总和(例如，在图10B中的1016处)。
在上述任何装置的一些实施例中，控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的差值(例如，在图10B中的1016)。
在上述任何装置的一些实施例中，处理器是分布式处理器，分布式处理器的部分位于不同的计算机上。
在上述任何装置的一些实施例中，处理器被物理地集成到一个或多个网络元件中。
虽然本公开包括对说明性实施例的引用，但本说明书不旨在以限制意义来解释。对所描述的实施例的各种修改，以及在本公开的范围内的、对于本公开所属领域的技术人员来说是显而易见的其它实施例被认为落入本公开的原理和范围内，例如，如在以下权利要求中所表达的。
一些实施例可以实现为基于电路的过程，包括在单个集成电路上的可能实施方式。
除非另有明确说明，否则每个数值和范围均应被解释为近似的，如同数值或范围之前有词语“约”或“大约”一样。
应进一步理解的是，在不背离本公开的范围(例如，如以下权利要求中表达的范围)的情况下，本领域的技术人员可以对已经出于解释本公开的性质的目的而描述和说明的部件的细节、材料和布置作出各种改变。
权利要求中使用附图标记和/或附图标号旨在标识所要求保护的主题的一个或多个可能的实施例，以便促进对权利要求的解释。此类使用不应被解释为必然将那些权利要求的范围限制于对应附图中所示出的实施例。
虽然以下方法权利要求(如果有的话)中的元素是以具有对应标记的特定顺序叙述的，但是除非权利要求陈述以其它方式暗示用于实施那些元素中的一些或全部元素的特定顺序，否则那些元素不一定旨在限制于以所述特定顺序实施。
本文对“一个实施例”或“一实施例”的提及意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指代同一个实施例，也不是与其它实施例必定相互排斥的单独实施例或替代性实施例。上述情况适用于术语“实施方案”。
除非本文另有说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来指代多个相似对象中的一个对象，仅指示此类相似对象的不同实例被提及，并不旨在暗示提及的此类相似对象必须在时间上、空间上、排序上或以任何其它方式处于对应的次序或顺序。
同样出于本说明书的目的，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”、“连接(connect)”、“连接(connecting)”或“连接(connected)”是指本领域中已知的或后来开发的任何方式，其中允许在两个或多个元件之间传递能量，并且设想了一种或多种另外的元件的插入，尽管不是必需的。相反，术语“直接耦合”、“直接连接”等暗示不存在此类另外的元件。
如本文参考元件和标准所使用的，术语兼容是指该元件以标准规定的全部或部分方式与其他元件通信，并且其他元件会认为该元件能够足以标准规定方式与其他元件通信。兼容元件不需要按照标准规定的方式进行内部操作。
所描述的实施例在所有方面都被认为只是说明性的而非限制性的。特别地，本公开的范围由所附权利要求书而不是本文的说明书和附图指示。在权利要求的含义和等效范围内的所有变更都应包含在其范围内。
本说明书和附图仅展示本公开的原理。因此，应当理解，本领域的普通技术人员将能够设计出体现本公开的原理并且包括在本公开的精神和范围内的各种布置，即使本文中并未明确描述或示出所述布置。此外，本文所引用的所有实例原则上旨在明确仅用于教学目的以帮助读者理解本公开的原理和发明人为了推动本领域的发展而贡献的概念，并且应被理解为不限于此类具体引用的实例和条件。此外，本文中叙述本公开的原理、方面和实施例的全部陈述以及本公开的具体实例旨在涵盖其等效物。
图中所示的各种元件的功能，包括标记或称为“处理器”和/或“控制器”的任何功能块，可以通过使用专用硬件以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独的处理器提供，其中一些处理器可以共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他地指代能够执行软件的硬件，可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可以包括其他传统和/或惯常的硬件。类似地，图中所示的任何开关都只是概念性的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互，甚至可以手动执行，具体技术可以由实施者选择，更具体地可从上下文中理解。
如在本申请中所使用的，术语“电路系统”可以是指以下中的一者或多者或全部：(a)只能硬件实现的电路实施方案(例如，仅模拟电路系统和/或数字电路系统中的实施方案)；(b)硬件电路和软件的组合，例如(如果适用的话)：(i)模拟硬件电路和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及(ii)一起工作的具有软件的硬件处理器(包括数字信号处理器)、软件和存储器的任何部分，以使装置(例如，手机或服务器等)执行各种功能；以及(c)需要软件(例如，固件)进行操作的硬件电路和/或处理器(例如，微处理器或微处理器的一部分)，但当不需要软件进行操作时，软件可以不存在。电路系统的这一定义适用于这一术语在本申请、包括在任何权利要求中的全部使用。作为另外的实例，如在本申请中所使用的，术语电路系统还涵盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或硬件电路的一部分或处理器的一部分及它(或它们)附带软件和/或固件的实施方案。例如且如果适用于特定权利要求要素的话，术语电路系统还涵盖用于移动装置的基带集成电路、用于移动装置的处理器集成电路、服务器中的类似集成电路、蜂窝网络装置中的类似集成电路或其它计算或网络装置中的类似集成电路。
本文件中描述的各种实施例的系统、装置或模块的一些细节在2020年3月11日提交的美国专利申请16/816,171、2020年3月18日提交的美国专利申请16/822,103、2020年6月1日提交的美国专利申请16/888,890和2021年2月3日提交的美国临时专利申请63/145,368中进行了描述。上述申请的内容通过引用整体并入本文。
本领域的普通技术人员应理解的是，本文中的任何框图表示体现本公开的原理的说明性电路系统的概念视图。

Claims (35)

1.一种装置，其特征在于，所述装置包括：
光源；以及
电子控制器，所述电子控制器被连接以使所述光源产生多个光帧模板的序列，所述多个光帧模板中的每个光帧模板包括各自的帧头和各自的帧体；
其中每个帧体包括各自的光脉冲串；并且
其中所述光源和所述电子控制器被配置为使用与所述序列中的所述各自的帧头相对应的时间间隔将控制信息压印到所述多个光帧模板中的至少一些光帧模板的光上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个光帧模板中的所述至少一些光帧模板的所述帧体是彼此的复制。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个光帧模板的序列中的所述各自的帧体都不携带有效载荷数据。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述多个光帧模板的序列具有第一持续时间；
其中所述各自的帧头中的每一个帧头具有第二持续时间；
其中所述各自的帧体中的每一个帧体具有第三持续时间，所述第二持续时间和所述第三持续时间的总和小于所述第一持续时间；
其中所述各自的光脉冲串中的每一个光脉冲串具有第四持续时间的周期，所述第四持续时间小于所述第二持续时间和所述第三持续时间中较小的一个；
其中所述第三持续时间是所述第四持续时间的至少10倍；
其中所述第二持续时间最多为所述第三持续时间的10％；以及
其中所述第一持续时间是所述第三持续时间的至少10倍。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述序列中的至少两个光帧模板的各自的光脉冲串是帧同步的。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少两个光帧模板的所述各自的光脉冲串彼此同步。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个光帧模板的所述各自的光脉冲串延伸到所述至少一个光帧模板的所述各自的帧头中。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
其中所述光源和所述电子控制器被配置为使用光场参数的数字变化来压印所述控制信息；并且
其中所述光场参数从由以下参数组成的参数组中选出：光的强度、光的相位、光的载波频率和光的偏振。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源包括：
第一光脉冲源，所述第一光脉冲源被配置为以第一载波频率发射光；
第二光脉冲源，所述第二光脉冲源配置为以第二载波频率发射光，所述第二载波频率与所述第一载波频率不同；以及
光学开关，所述光学开关被配置为选择由所述第一光脉冲源发射的光或由所述第二光脉冲源发射的光。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光调制器，所述光调制器被配置为将不同的各自的有效载荷数据序列加载到所述多个光帧模板中的不同光帧模板的所述各自的帧体中。
12.一种装置，其特征在于，所述装置包括：
第一光学接口，所述第一光学接口是可连接的以接收多个光帧模板的序列，所述多个光帧模板中的每个光帧模板包括各自的帧头和各自的帧体，所述帧体包括各自的光脉冲串；
分光器，所述分光器连接到所述第一光学接口；
光调制器，所述光调制器连接到所述分光器的第一输出，所述光调制器被配置为将数据加载到所述各自的帧体中，以将所述多个光帧模板的序列转换为相应的多个加载的光帧的序列；以及
光接收器，所述光接收器连接到所述分光器的第二输出，所述光接收器被配置为从所述各自的帧头中提取控制信息。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述提取的信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光调制器被配置为以等于所述各自的光脉冲串的脉冲重复率的符号速率进行调制。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二光学接口，所述第二光学接口可连接以接收另一个加载的光帧的序列；以及
第二光接收器，所述第二光接收器连接到所述第二光学接口并被配置为从所述另一个序列中提取信息。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述提取的信息包括时钟频率、时钟相位、同步时间戳、帧定界符、帧计数器、状态信息、心跳信号、和网络元件的控制命令中的至少一个。
17.一种包括控制系统的装置，所述控制系统被配置为同步两个或更多个网络元件的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
第一端口，所述第一端口被配置为从第一网络元件接收第一本地时间信息；
第二端口，所述第二端口被配置为从第二网络元件接收第二本地时间信息；
处理器，所述处理器被配置为根据所述第一本地时间信息和所述第二本地时间信息计算一个或多个全局时间值；以及
第三端口，所述第三端口被配置为将所述一个或多个全局时间值发送到所述第一网络元件或第三网络元件，所述第三网络元件不同于所述第一网络元件和所述第二网络元件。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一本地时间信息和所述第二本地时间信息中的每一个包括两个各自的本地时间值，所述本地时间值与相同时间戳相关联，所述相同时间戳由所述第一网络元件和所述第二网络元件中的每一个从在其处接收的光帧模板和加载的光帧的各自的序列中提取。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的总和。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述控制系统被配置为计算接收的第一本地时间信息和接收的第二本地时间信息的差值。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括：
基带处理电路，所述基带处理电路被配置为生成基带信号，所述基带信号被发送到第一远程无线电头端和第二远程无线电头端，
其中，所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端被配置为将所述基带信号转换为射频信号，并发送所述射频信号以生成定向无线波束。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置包括：
光能源，所述光能源包括所述光能源和所述电子控制器，其中所述光能源被配置为将所述光帧模板的序列或从所述光帧模板的序列导出的第一光同步信号发送到所述第一远程无线电头端；
其中所述光能源还被配置为将所述光帧模板的序列或从所述光帧模板的序列导出的第二光同步信号发送到所述第二远程无线电头端。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端被配置为联合操作以生成定向无线波束。
24.根据权利要求22或23所述的装置，其特征在于，所述光帧模板的序列向所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端提供相位同步信息。
25.根据权利要求22至24中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光帧模板的序列向所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端提供频率同步信息。
26.根据权利要求21至25中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一应答器，所述第一应答器被配置为调制所述光帧模板的序列或所述光帧模板的序列的复制以生成第一调制信号，并将所述第一调制信号发送到所述第一远程无线电头端；以及
第二应答器，所述第二应答器被配置为调制所述光帧模板的序列或所述光帧模板的序列的复制以生成第二调制信号，并将所述第二调制信号发送到所述第二远程无线电头端。
27.一种系统，其特征在于，所述系统包括：
光能源模块，所述光能源模块被配置为生成光脉冲的序列，其中所述光能源被配置为将所述光脉冲的序列或从所述光脉冲的序列导出的第一光同步信号发送到第一远程无线电头端，且其中所述光能源被配置为将所述光脉冲的序列或从所述光脉冲的序列导出的第二光同步信号发送到第二远程无线电头端；
第一应答器，所述第一应答器被配置为调制所述光帧模板的序列或所述光脉冲的序列的复制以生成第一调制信号，并将所述第一调制信号发送到所述第一远程无线电头端；和
第二应答器，所述第二应答器被配置为调制所述光帧模板的序列或所述光脉冲的序列的复制以生成第二调制信号，并将所述第二调制信号发送到所述第二远程无线电头端；
其中，所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端被配置为使用所述光脉冲的序列、所述第一光同步信号和/或所述第二光同步信号来同步本地振荡器并联合操作以生成定向无线波束。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述系统包括所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端。
29.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
基带处理单元，所述基带处理单元被配置为生成基带信号，所述基带信号被发送到所述第一远程无线电头端和所述第二远程无线电头端，其中，所述基带处理单元包括电子控制器，所述电子控制器被配置为控制所述光能源模块以产生所述光脉冲的序列。
30.根据权利要求27至29中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为通过第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，所述第一应答器被配置为通过第二光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，并且所述第一远程无线电头端被配置为通过第三光纤将光信号发送到所述第一应答器。
31.根据权利要求27至29中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为通过第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，所述第一应答器被配置为通过第二光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，并且所述第一远程无线电头端被配置为通过所述第二光纤将光信号发送到所述第一应答器。
32.根据权利要求27至29中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为通过第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，所述第一应答器被配置为通过所述第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，并且所述第一远程无线电头端被配置为通过第二光纤将光信号发送到所述第一应答器。
33.根据权利要求27至29中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为通过第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，所述第一应答器被配置为通过第二光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，并且所述第一远程无线电头端被配置为通过所述第一光纤将光信号发送到所述第一应答器。
34.根据权利要求27至29中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为通过第一光纤将光信号发送到所述第一远程无线电头端，所述第一应答器被配置为通过所述第一光纤向所述第一远程无线电头端发送光信号，并且所述第一远程无线电头端被配置为通过所述第一光纤将光信号发送到所述第一应答器。
35.根据权利要求31至34中的任一项所述的系统，其特征在于，所述光能源模块被配置为将具有第一波长的光信号发送到所述第一远程无线电头端，并且所述第一应答器被配置为将具有第二波长的光信号发送到所述第一远程无线电头端，且所述第一波长不同于所述第二波长。
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