CN1392696A - 一种用于全光交换节点中的n×n光交换结构 - Google Patents

Abstract

一种用于全光交换节点中的N×N光交换结构，由2n级构成，其中n＝log₂N，其特征在于：在第n级与第n+1级中间设置有半导体光放大器“开/关”门，形成第2n+1级；还可以根据具体的需要在任意二级光开关中设置不同数目的半导体光放大器“开/关”门。本发明采用重构的扩展Bense光交换结构，它对串扰有更好的限制。在一个N×N的扩展Bense光交换结构中加入半导体光放大器“开/关”门(即SOA gate)，对路由进行等价的变化。本发明保留了扩展Bense光交换结构的一些优良的性质如：广义无阻塞性、硬件的最优性等，同时它还对串扰有很好的降低作用。

Description

一种用于全光交换节点中的N×N光交换结构

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，具体涉及一种用于全光交换节点中的N×N光交换结构，它尤其适用于DMDW系统，可以解决该系统中N×N全光交换节点中的串扰问题。

背景技术

随着IP技术的不断发展和广泛应用，光通信的容量和丰富多彩的业务量正呈现指数增长趋势。以密集波分复用(DWDM)技术为主体的光网络已被公认为是缓解日益增长的通信容量的最为有效的方式。而光网络的建立和信道之间的信息交换，势必要在网络的拓扑结构中引入全光交换节点。全光交换节点一般由波分复用器(MUX)、光开关(Optical Switch)和解复用器(DMUX)等组成。在这些光无源器件中，由于器件不可能实现光通道之间的完全隔离，使得输入信号的一部分功率泄漏到其它本不应该去的输出信道中，导致光信道之间信息的串扰(Cross-talk)。串扰作为一种噪声会随着信道间隔的减少和光交换规模的扩大，而趋于严重。此外，在DWDM的全光网络中，为了弥补光网络中器件和光纤所带来的各种损耗，线性的光放大器(如掺铒光纤放大器EDFA)常常被应用。它们在放大光信号的同时，信道间的串扰也获得了放大。这样，经过网络中大量节点的传输，这些串扰量不断加以积累，从而对DWDM的光纤通信系统产生十分有害的影响，如信噪比降低、误码率增加等，最终可能导致通信无法进行。为此，如何有效地消除串扰是光交换节点所必须解决的问题。

光交换中的串扰，可分为带间串扰(interband crosstalk)和带内串扰(intraband crosstalk)。所谓带间串扰是指串扰成分与传输的信号光信道拥有不相同的波长；带内串扰是指串扰成份与传输的信号光信道拥有相同的波长。图1是由2×2光开关所组成的一种光交换结构(这种光开关可以是任意类型的光开关)，它由I、II、III三级构成。图中实际的通路用粗实线表示，而泄漏通路用虚线表示，所有的实线连接都使用同一窄带波长。从图中可以看出输入端信号S₂的一部分信号功率泄漏到输出端信号S₁上，由于信号S₁和S₂所占的波长是不相同的，这样就形成了带间串扰。此外，S₁的部分功率通过一个错误的跳数后又回到了输出端口S₁上，由于S₁始终占用同一波长，这样就形成了带内的串扰。

对于带间串扰可以在输出端设置可调谐窄带滤波器(TOF)来进行消除，而带内串扰由于它和信号在同一波长上，用滤波器是无法消除的。所以，消除带内串扰，改善DWDM系统的通信质量尤为重要。在光交换节点中信道之间的串扰多是由于解复用器和光开光的不完善所造成的，这些串扰项可以用阶次(Order)来进行归类，如一阶、二阶等。图2A和2B所示为用于光交换中的2×2光开关的两种工作状态：平行(bar)和交叉(cross)，由于其不完善性将引进串扰。在这两种状态中输入信号功率的一部分ξ(图中用∈号来加以示意)就会泄漏到错误的输出端口中。泄漏参数ξ通常用分贝表示为ξ_dB＝10log₁₀ξ，称为光开关的单元串扰。如果每个光开关单元的串扰相同，则高阶串扰将是一阶串扰的连乘，因为|ξ|是小于1的数，所以高阶串扰比低阶串扰小得多。在图2A中所示的光开关工作在平行状态。正是由于光开关的非完善性从而引发了串扰，在图中串扰用虚线来表示，信号S₁中含有一阶串扰量∈S₂即为信号S₂中的部分光功率；信号S₂中含有一阶串扰量∈S₁即为信号S₁中的部分光功率。图2B为光开关工作在交叉状态，同样的，每个信号中都含有一阶串扰量。可以想象，在一个由很多光开关组成的光交换节点中，随着光开关数的增加，串扰量也会因为不断的积累而增加这势必造成信噪比(SNR)的下降，从而导致误码的产生使通信不能进行，因而必须通过一定的方法来降低串扰量。前面曾指出高阶串扰比低阶串扰小得多，因而消除串扰一种常用的方法是通过扩展光开关以增加光开关数目为代价，使串扰从低阶向高阶转换，如图3A和3B就是分别对图2A和2B的2×2光开关进行扩展所得到对应的两种工作状态：平行和交叉。这种结构中的光开关在某一时间内只有一个输入端被激活(图中粗实线表示)，而另一个输入端没被激活(图中用细实线表示)，这样可以对一阶串扰进行合理的路由使其进入到未被激活的线路中，从而使一阶串扰向二阶转换。因而图2A和2B中的一阶串扰∈¹就变为图3A和3B中的二阶串扰∈²，串扰的影响就得到一阶的降低。从图中可以看出每个输出端出了自身的信号外还含有一个二阶的串扰量∈²。以图3A和3B中的2×2光开关为其本单元再加上Bense光交换结构的递归分解就可以构成扩展的Bense光交换结构(DBN)。如图4就为一种4×4的DBN结构，它由16个光开关构成4×4的光交换矩阵，4行用(1)、(2)、(3)、(4)来表示。4列也称为四级用I、II、III、IV来表示。图4中假设在输入信号S₁到S₄和对应的输出端之间来建立连接，在图中用黑体的粗实线来表示，这种连接是通过一种环形算法来得到的。对这种光交换结构可以通过表1来分析其每个输出端的信噪比。表中的P₁、P₂、P₃、P₄分别代表四个输入端口S₁到S₄的光功率，m代表光开关的串扰系数，同时为了讨论方便忽略高于二阶的串扰和光开关的损耗。

                   表1  4×4扩展Bense光交换结构中各级后的串扰量

开关	输出	一级后	二级后	三级后	四级后
						(1)	上	P1	P1+m2P2	P1+m2(P3+P2+P4)	P1+2m2(P3+P2+P4)
下	mP1	m(P1+P2)	m(P1+P2+P3)	m(P1+P2+P3+P4)
					(2)		上	mP2	m(P3+P4)	P3+m2(P1+P2+P4)	P2+2m2(P1+P3+P4)
下	P2	P3+m2P4	m(P1+P2+P3)	m(P1+P2+P3+P4)
						(3)	上	P3	P2+m2P1	m(P2+P3+P4)	P3+2m2(P1+P2+P3)
下	mP3	m(P1+P2)	P2+m2(P1+P3+P4)	m(P1+P2+P3+P4)
					(4)		上	mP4	m(P3+P4)	m(P1+P2+P4)	P4+2m2(P1+P2+P3)
下	P4	P4+m2P3	P4+m2(P1+P2+P3)	m(P1+P2+P3+P4)

从表中可以得到每个输出端口的信号量和串扰量。举信号S₁为例，信号S₁中含有从其它的端口中串入的串扰量即噪声功率为2m²(P₃+P₂+P₄)，从而由信噪比的计算公式可以得出其输出信号的信噪比即：

              SNR＝10log₁₀(P_s/P_n)，                    (1)

其中P_S为信号功率，P_n为噪声功率。

为了比较方便，假设每个输入端的信号功率都是相同的且为P这样就可由表1看出其每个输出端口的信噪比都是一样的且为： $\mathrm{SNR}=10\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{P}{{6m}^{2}P}\right)---\left(2\right)$

通过对4×4扩展Bense光交换结构分析不难得出对一个N×N的扩展Bense光交换结构有如下的规律：

●经过第二级，有一个输入端口的二阶串扰串入到信号中去；

●经过第三级，有两个输入端口的二阶串扰串入到信号中去；

●经过第四级，有三个输入端口的二阶串扰串入到信号中去；

●经过第N级，有N-1个输入端口的二阶串扰串入到信号中去。

通过这种规律就可以求出任意的N×N的扩展Bense光交换结构的信噪比。对N×N的扩展Bense光交换结构其级数为2K(其中K＝log₂N)，由于每一级有N个光开关所以其所需要总的光开关个数为N×2K，因而任意输出端口的串扰量即噪声功率为： $P_n=m^{2}P\underset{i=1}{\overset{2K-1}{\mathrm{\Σ}}}i=K(2K-1)m^{2}P,---\left(3\right)$ 由此其信噪比为： $\mathrm{SNR}={10\log }_{10}\left(\frac{P}{P_n}\right)$ $={10\log }_{10}\left(\frac{P}{K(2K-1)m^{2}P}\right)$ ＝2|X|-10log₁₀K(2K-1)，               (4)式中 $\left|X\right|={10\log }_{10}\left(\frac{1}{m}\right).$ 从(4)可以看出随着K值的增大也就是光开关数目的增加交换规模的扩大其信噪比将很快下降，因而扩展Bense光交换结构对串扰的消除是很有限的，这就有必要采取措施来进一步降低串扰而提高信噪比。

消除串扰的方法有多种，目前国内外消除串扰的方法主要包括：(1)通过对网络节点拓扑结构的设计，使串扰量由低阶向高阶转换，从而一定程度上消除串扰对传输系统的影响，但势必造成网络节点的复杂化和无源器件的数目的增加，单个网络节点成本也随之增加。(2)通过集中提高网络节点中无源器件的性能来降低串扰，这势必会使器件的成本升高，同时在交换节点的规模很大时也不能很好的消除串扰。(3)通过对传输的光信号及其相位作扰码，这样会导致系统的复杂化，而且仅适合局部的网络。因而上述方法都不能彻底的消除DWDM光通信系统中的串扰，其消除串扰的方法大都从单方面去考虑：一方面他们只考虑到网络的拓扑结构；另一方面只从改善光交换节点中的器件的性能来降低串扰。但都没有和DWDM系统综合起来考虑因而其对串扰的降低程度也是有限的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服上述缺陷的用于全光交换节点中的N×N光交换结构，该全光交换结构综合考虑了网络拓扑结构与DWDM系统的特点，使得光交换结构中的器件对串扰的容忍度得到提高，串扰得到了改善甚至消除。

为实现上述发明目的，一种用于全光交换节点中的N×N光交换结构，由2n级光开关矩阵构成，其中n＝log₂N，其特征在于：在第n级与第n+1级之间设置有半导体光放大器“开/关”门，形成第2n+1级。

可根据具体的路由要求，在上述任意两级之间设置不同数量的半导体光放大器“开/关”门。

本发明采用重构的扩展Bense光交换结构，对串扰有更好的限制。在一个N×N的扩展Bense光交换结构中加入半导体光放大器“开/关”门(即SOAgate)，只对路由进行等价的变化。因此，本发明既保留了扩展Bense光交换结构的一些优良的性质如：广义无阻塞性、硬件的最优性等，同时又可大幅度降低串扰。在具体实施方式部分将对本发明的技术效果作具体说明。

附图说明

图1为全光光交换中的带间、带内串扰示意图；

图2A、2B分别为2×2光开关的两种工作状态即：平行和交叉示意图；

图3A、3B分别为2×2扩展的Bense光开关结构的两种状态即：平行和交叉；

图4为4×4扩展Bense光交换结构示意图；

图5为本发明光交换结构的一种具体实施方式的结构示意图；

图6为扩展Bense结构的递归算法示意图；

图7为用于DWDM系统中全光交换节点的结构示意图；

图8为解复用器产生串扰的示意图；

图9本发明光交换结构的另一种具体实施方式的结构示意图；

图10为采用本发明的DWDM系统中全光交换节点的两波长交换示意图。

具体的实施方式

本发明的结构如图5所示，称之为重构的扩展Bense光交换结构，可大幅度减小串扰。对一个N×N的扩展Bense光交换结构可以采用如图6所示的递归分解，图中3是表示由光开关1所构成的 光交换结构，所以图5和图4的区别仅为在递归分解的第II级与第III级之间加入半导体光放大器“开/关”门2，形成第V级。这样加入半导体光放大器“开/关”门2后只是对路由进行等价的变化因而不仅没有改变扩展Bense光交换结构的一些优良的性质如：广义无阻塞性、硬件的最优性等，同时它还对串扰有很好的降低作用。

本发明将和DWDM系统综合来考虑。将图5这种结构用于DWDM系统的全光交换节点中对串扰的降低对比于扩展的Bense结构有明显的改变。图7为本发明中所采用的一种用于DWDM系统中的全光交换节点结构，它由I、II、III三部分组成。第一部分是解复用器4；第二部分是光交换结构5；第三部分是复用器6。这种结构在复用到每根光纤的波长数m大于输入到节点中的光纤数N的条件下将不同波长的信道进行分组，使各个全光交换单元不同波长的信道进行空间交换，一方面避免在光交换单元中引起波长阻塞；另一方面降低带内串扰量。在图7中所采用的光交换结构5如图5所示。采用图7这种交换结构可以将串扰降低到三阶从而完全消除低于三阶的串扰。由于图7中将不同波长的信道在一定条件下进行分组，使各个全光交换单元不同波长的信道进行空间交换，因此，如果复用器和解复用器是理想的情况，由于在同一交换单元中所交换的是不同的波长，所以将不存在带内串扰，对带间串扰可用可调谐的窄带光滤波器(TOF)来进行消除。但实际中由于的复用器和解复用器不完善性其也会存在信道间的串扰(如图8所示)，这样在图7所示的全光交换节点中虽然同一交换单元中交换的是不同的波长但其同样会存带内串扰，所以采用图5的结构来降低带内的串扰。为了说明，在图8中选用有多层介质膜干涉滤光片所构成的解复用器8来解复用，8个波长的信号光通过准直透镜7后进入解复用器，解复用后通过准直透镜输出。设信道间的串扰系数为m并忽略二阶信道串扰则很容易得到λ_j信道中含有λ_i信道中的一阶串扰功率∈P_i为：

式中P_i为信道λ_i中的光功率，N为输入到解复用器中的波长总数。由于半导体光放大器“开/关”门的引入，当它工作在“开”时它将完全隔离了来自相同载波波长不同信息的串扰，所以这将对带内的串扰进行消除。当它工作在“关”时它相当于一个光吸收器，使光产生较大的损耗而完全不能通过，这样就能使串扰的蔓延得到很好的限制。为了分析半导体光放大器“开/关”门对串扰的限制，假设是在最坏的情况下：即交换的是最后的一个波长在经过解复用器后其它的信道中都有它的一阶串扰量∈P_N。为了便于分析仅对4×4的重构的扩展Bense结构加以说明。

                   表2为图5所示的光交换结构各级后的带内串扰量

开关	输出	一级后	二级后	三级后	四级后
						(1)	上	P4	P4+m3P4	P4+m3P4	P4+2m3P4
下	mP4	mP4+m2P4	mP4	mP4+m2P4
					(2)		上	m2P4	2m2P4	mP4+m3P4	mP4+2m2P4
下	mP4	mP4+m3P4	m2P4	mP4+m2P4
						(3)	上	mP4	mP4+m2P4	m2P4	mP4+2m3P4
下	m2P4	mP4+m2P4	mP4+m2P4	2m2P4
					(4)		上	m2P4	2m2P4	m2P4	mP4+2m3P4
下	mP4	mP4+m3P4	mP4+m3P4	2m2P4

其交换的情况就为图5中的四个输入端口分别为P₄，mP₄，mP₄，mP₄，mP₄(P₄表示第四信道的光功率)。引入半导体光放大器“开/关”门后第II和第III级将不存在串扰。为了讨论方便假设光开关的串扰系数也为m，则其经过每一级交换后其带内的串扰如表2所示(忽略高于三阶的串扰)，这对比于表1其每个输出端的串扰都得到了降低。对其它的交换波长可以用同样的方法来进行分析，如N×N的光交换情况(总是针对最坏的情况即交换最后一个波长)：对N×N的全光交换节点它一共有2K+1(K＝log₂N)级即引入的中间SOA gate级和各边的K级。由于半导体光放大器“开/关”门的作用使得中间级K+1及1级和K+2级都不存在串扰。对第2级和第K+3级开始，有一个信道中的三阶串扰加入到正在传输信道中，对第3级和第K+4级，有两个信道中的三阶串扰加入到正在传输信道中，对第K级和2K+1级，有K-1个信道的三阶串扰加入到正在传输的信道中，这就相当于1、2………2K-1个自然数相加由SOA的引入后分为两组1、2………K-1个自然数相加，这自然它的总和就会减少即串扰的影响降低，所以对每一个输出端口其总的串扰量即噪声功率可以表示为： $P_n=2m^3{P}_N\underset{i=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}i=K(K-1)m^3{P}_N,---\left(6\right)$ 其中P_N表示正在交换的最后一个光信号的光功率，P_n表示其对应的噪声功率。 $\mathrm{SNR}=10{\log }_{10}\frac{P_N}{P_n}$ $={10\log }_{10}\frac{P_N}{K(K-1)m^3{P}_N}$

             ＝3|x|-10log₁₀K(K-1)。           (7)这和扩展Bense光交换结构(4)式相比其信噪比提高了一倍多，同时它对K的依赖性也降低了很多，还可以看出只要提高解复用器中的串扰系数m，就可以很好的消除带内的串扰，而不需要改变光交换的路由，这对DWDM系统来说将是很有用的。当然，加入半导体光放大器“开/关”门对带间串扰也有很好的限制作用。对带间串扰假设在最坏的情况下即图7中光交换结构的每个输入端都被激活，对于4×4的情况也就是图5的S₁到S₄四个输入端口分别为P₁、P₂、P₃、P₄，它们分别对应于信号S₁到S₄的功率。同样的分析对于N×N的情况，在假设每个端口信号光功率均为P的情况下可以得出每个输出端口的串扰量即噪声功率为： $P_n={2m}^{2}P\underset{i=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}i=K(K-1)m^{2}P$ 所以其对应的输出端口信噪比为： $\mathrm{SNR}=10l{\mathrm{og}}_{10}\frac{P}{P_n}$ $=10{\log }_{10}\frac{P}{K(K-1)m^{2}P}$

                 ＝2|x|-10log₁₀ K(K-1)。将该式与式(4)对比，可以看出信噪比对K的依赖大大降低，也就是说带间串扰得到了减小。由上面的分析还可以看出如果要进一步提高信噪比，可以在每两级之间引入半导体光放大器“开/关”门，这就相当于将1、2………2K-1的自然数相加通过不断的二分法后变为相等的单元数相加(这种单元数往往是很小的)这样其总和自然减少了即串扰量降低了。为了方便集成，也可做成一种新的2×2低串扰光开关，其结构如图9所示。从图9可以看出，这种光开关可以完全消除现有的2×2光开关中的串扰。用图9所示的交换单元来代替扩展Bense结构中的2×2光开关，就将获得更低的串扰和更高的信噪比。用加入半导体光放大器“开/关”门的方法进行递归就可以大大降低图7所示的全光交换节点中的串扰。

在光交换节点中所必须考虑的另一个问题是光损耗问题。随着光交换节点规模的扩大，光所经过的器件(如光开关)就自然增加。由于光开光插入损耗的存在，使得大部分的有用的光能量被损失掉了，如果不进行光损耗的弥补，同样会对通信质量产生很大的影响。正如背景技术所说，为了弥补光网络中的器件和光纤所带来的损耗，线性的光放大器(如掺铒光纤放大器EDFA)常常被应用，但它们在放大光信号的同时，信道间的串扰也获得了放大，这当然不是我们所希望的。然而半导体光放大器“开/关”门引入后这种问题就会得到完全的解决，这是因为半导体光放大器“开/关”门有如下的优点：

●在降低串扰的同时可以对光进行放大来弥补损耗；

●有较高的消光比；

●有很低的插入损耗；

●有很低的开关时间，为纳秒数量级；

●具有低的偏振敏感性；

●体积小，重量轻，便于集成化。正因为半导体光放大器“开/关”门有这些独特的优点，因而它的引入能解决光交换节点中的串扰和损耗问题，这无疑对光通信质量有很好的改善作用，也更有利于光交换结构的大规模集成。

本发明可选用图5或图7所示的路由来加以实施。为了更详细地说明其原理，选用如图10所示的两个波长λ₁、λ₂的全光交换节点来加以说明。两个波长被耦合到同一根光纤中，在全光交换节点处用解复用器4将两波长分开，然后通过一定的组合将不同的波长在同一个交换单元进行交换。由于引入了抗串扰能力强的半导体光放大器“开/关”门，使得带内串扰控制在三阶以上，从而很好地消除了带内串扰。对于带间串扰还可以在输出端加一个窄带的可调谐光滤波器(TOF)9，将串扰滤出。图中给出的只是一种路由情况，可根据需要来选择不同的路由。此外，可以采用图9所示的2×2光开关为单元来扩展任意级数的、无串扰的全光交换结构。

早已证明扩展的Bense结构是一种无阻塞的光交换结构，本申请专利中将具有高转换速度以及高消光比的半导体光放大器“开/关”门引入到扩展的Bense结构中，并通过合理的DWDM的信道分组交换方法，消除DWDM光通信系统中的各类串扰。

不难看出，上述只是列举了本发明的一些具体实施方式，本领域普通技术人员可根据上述说明采用其它更多方式加以实现。

Claims (2)

1.一种用于全光交换节点中的N×N光交换结构，由2n级构成，其中n＝log₂N，其特征在于：在上述第n级与第n+1级之间设置有半导体光放大器“开/关”门，形成第2n+1级。

2.根据权利要求1所述的光交换结构，其特征在于：在其它两级之间设置有半导体光放大器“开/关”门。

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