WO2008043223A1 - Procédé de multiplication pour vitesse de paquet de données tout optique ultra-rapide à auto-adaptation du type compatible multidébit de données - Google Patents

Procédé de multiplication pour vitesse de paquet de données tout optique ultra-rapide à auto-adaptation du type compatible multidébit de données Download PDF

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WO2008043223A1
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Jianguo Zhang
Wei Zhao
Xiaoping Xie
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Xi'an Institute Of Optics And Precision Mechanics Of Chinese Academy Of Sciences
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Definitions

  • the present invention relates to a rate multiplication method for multiple data rate and/or multiple communication protocol compatible adaptive all-optical data packets. It has fast, real-time information processing capabilities and can be used up to 3 ⁇ 4 high. Specifically, a multi-audio-compatible surface high-speed adaptive W ⁇ I rate multiplication method. Background technique
  • the electrical signal of the port unit is processed, according to the I of the letter protocol » & frame structure specification, packaged into a battery with a specified rate
  • the main drawback of this method is: electrical packaging processing, electro-optical to photoelectric conversion process need to be implemented in the electrical domain.
  • the location and bandwidth of the electronic device and the circuit are significantly lower than that of the optical device, so that the communication network of the electronic signal-removing method has a rate of Limit problem.
  • current commercial optical fiber systems of the highest SDH do 40Gb / s, for ⁇ 3 ⁇ 4 long terms, the highest communication speed optical Ethernet network commercialized only reached only 10Gb / s o
  • the photoelectric conversion rate and the like of this embodiment It is adopted by the current SDH system, the Ethernet network, the secret key system, the commercialized optical fiber transmission system and the communication network.
  • the object of the present invention is to provide a multi-data rate compatible ultra-high speed adaptive all-optical data packet rate multiplication method, which solves the technical problem that the data rate is limited in the process of electric energy conversion in the background art, and also The problem of mutual communication between networks and systems with different communication rates and/or protocols is fundamentally solved.
  • the technical solution of the present invention is:
  • a multi-data rate compatible ultra-high speed adaptive all-optical packet rate multiplication method includes the following steps in sequence:
  • RM t , 1 where ⁇ 1, 2, ⁇ , " ⁇ , /. p is the number of superfast light » & required to be multiplied.
  • r - is the time period of the super-high-speed optical i»a signal after compression.
  • the cycle time shortening amount ⁇ 7 determined by the formula 2 the time period of the original low-speed optical data packet signal is compressed by the optical data «rate multiplication unit, thereby converting the low-speed optical data packet signal of the rate into multiples of the rate f op Ultra-high-speed light! ⁇ Packet signal, only one of these multiple ultra-high-speed optical signals is to maintain the original correct frame structure, and the rest are ⁇ frame structure.
  • the optical gating signal filters out the ultra-fast optical bread signal of the correct frame structure at the output of the optical » ⁇ 1 rate multiplying unit.
  • the optical reversal multiplication unit can adopt a fully parallel structure, and the ⁇ mmm unit is:
  • the input packet rate is ⁇
  • the pulse width is ⁇
  • the packet length is ⁇ : the optical packet signal is divided into paths;
  • the relative delay path between the first optical path and the +1 optical path is asic : 'C . x £ 5
  • the optical multiplication unit can be used in a fully parallel configuration, and the W&il rate multiplication unit is: '
  • the pulse width is AP
  • the package is used as the optical signal input unit of the optical ratio
  • the first passive optical splitter is divided into the spare number, and then the parallel optical path is follows the formula 3:
  • the optical surface magnetic multiplication unit can be turned into a full parallel structure, and the optical »» rate is multiplied
  • the unit is:
  • the active optical device doubles the speed of each idle speed, and the output signal of a parallel optical path only contains a lazy bean light pulse.
  • the TO-1 ⁇ electro-optic switch inputs the input.
  • the serial data is separated into a parallel parallel single ratio «signal;
  • the optical-multiplying unit of the full-parallel structure separately occupies passive optical splitters and combiners, and uses ⁇ only electro-optical intensity on the parallel optical path between the input and output stages.
  • the modulator or the simple electro-optical switch 3 ⁇ 4 selects a ⁇ -channel parallel single-bit surface signal;
  • optical rate multiplication unit can be fully connected in series, and the optical itig ⁇ I rate multiplication unit is:
  • the time delay of the delay light path of the basic unit of the first stage "divide/close" is more than the "reference light path”:
  • the retardation optical path of the j-th order "divide/close” basic unit should be larger than the "reference optical path” by the optical path amount ⁇ /)' ⁇ ):
  • optical rate multiplication unit can employ a full series structure, and the optical rate multiplication unit is:
  • the input end rate is B
  • the pulse width is ⁇ ?
  • the ⁇ optical 3 ⁇ 43 ⁇ 4 ⁇ S rate multiplying unit can adopt a full series structure, and the optical multiplication unit is:
  • the "I" adjacent bit group" is promptly deleted at the relevant intermediate level, and the required "adjacent bit group” or "adjacent bit pair" is selected to be input to the next-level "divide/close” base.
  • the optical rate multiplying unit may adopt a serial-to-hybrid type structure, and the optical surface rate multiplying unit is: a parallel structure as a backbone, and a full-series optical data rate multiplying unit is respectively inserted in the parallel optical path; or Taking the series structure as the backbone, in the first stage "divide/close" base: the output end of the ⁇ unit is connected in parallel with a full string of optical rate multiplication units and a parallel optical unit.
  • the invention adopts the original electronic or optical data packet from the end user or the network interface device to perform real-time pulse width compression, and generates an optical data packet which is consistent with the original data packet rate but whose pulse signal duration is greatly shortened. . Then, by eliminating these extra idle periods caused by pulse width compression, the purpose of reducing the data period is achieved, thereby realizing the rate multiplication of the packet signal.
  • the ultra-high speed all-optical communication system and network with transparent rate and protocol transparency can be designed by the method of the present invention. The specific advantages are as follows:
  • the present invention does not need to perform electro-optical conversion, and does not need data storage recombination, so that the lower-speed optical data packet signal can be multiplied to the required ultra-high-speed optical «packet signal Q
  • Multi-protocol content It can directly use all-optical mode transparently compatible with user data of different protocols, for example, to produce ultra-high-speed IP I ⁇ package, ultra-high-speed ATM ultra-high-speed all-optical Ethernet ultra-high-speed full-light Fibre Chteng 1 bread.
  • Multi-rate compatible It can be directly used in all-optical mode and is compatible with Kb/s Mb/s, Gb/s and other irrigation rates based on ultra-short optical pulse signals.
  • the invention can directly use the all-optical signal processing mode to transparently be compatible with the data packets of various interface rates of Kb/s ' to Gb/s, and pass the low-speed optical data packet signals formed by sampling the ultrashort optical pulse periodic signals.
  • the over-adaptive all-optical rate multiplication technique converts into the ultra-high-speed optical » packet signal required. After this rate increase, the to-be-transmitted data packet signals at all interfaces in the all-optical network have the optical signal transmission rate specified by the all-optical communication network.
  • Each optical interface unit sends ultra-high-speed optical data packets to the all-optical network for real-time transmission and exchange. In engineering applications, this will help design general-purpose optical communication networks and systems, reduce their production and operating costs, and promote the popularization of optical networks and systems.
  • the data frame structure of the original protocol can be maintained. After the rate multiplication, the ultra-high speed optical data packet maintains the frame structure of the original low-speed optical packet.
  • the invention can be directly compatible with end user data with different frame structures or data of network interface devices with different protocols, such as: IP data packet, ATM
  • IP data packet IP
  • Mj rate multiplication generates ultra-high-speed optical packet signals required for all-optical communication networks, but still maintains the frame structure of the original low-speed bread.
  • the speed of the »3 ⁇ 4 signal can be increased by 8 times after ⁇ .
  • the multiplication rate is optional.
  • the rate multiplication factor ⁇ can be automatically selected according to the network requirements.
  • the invention can directly multiply the ultra-low speed of the low-speed light » ⁇ signal transparency formed by sampling the ultra-short optical pulse period signal in the optical domain.
  • the low-speed short-pulse optical packet signals of the order of Kb/s to Gb/s can be multiplied to the rates of 100 Gb/s, 160 Gb/s, 320 Gb/s, 500 Gb/s, 640 Gb/ according to the transmission capacity of the network. s, even after the higher-speed all-optical package, the optical fiber network performs ultra-high speed data exchange and exchange.
  • the invention does not need manual adjustment in the process of realizing ultra-high speed optical packet rate multiplication, and can realize adaptive operation through flexible and automatic electronic control programming, and is especially suitable for flexible and rapid networking of all-optical networks.
  • the invention can be used not only for civil and military ultra-high speed all-optical communication networks and systems on the ground, but also for supporting ultra-high speed optical intercommunication diagrams of future ultra-high speed optical satellite communication networks, aviation optical networks and shipborne optical networks.
  • Figure 1 is more than the present invention! 3 ⁇ 4 rate compatible High-speed, adaptive all-optical Schematic diagram of the basic principle of the packet rate multiplication method;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic principle of pulse width compression of a packet signal according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the principle of an optical optical expansion unit (V0DLM) for programming electronic control according to the present invention
  • Fig. 7 is a schematic diagram of a "serial" rate multiplying unit shaped brain high-speed light after 3 ⁇ 4 ⁇ 4 of the present invention
  • Fig. 8 is an excellent optical structure of the full parallel structure of the present invention! ⁇ Two schematic diagrams of the packet rate multiplication unit; '
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a "full-parallel" rate multiplication unit-shaped fine high-speed light of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an optical rate multiplying unit using a full-series structure according to the present invention;
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the improved "serial" rate multiplying unit forming ultra-high speed light according to the present invention
  • FIG. 13 is a schematic diagram of forming an ultra-high speed optical data packet of the electro-optical gate (or full-light gate) of the present invention
  • Figure 14 is a schematic diagram showing an embodiment of the improved "serial" rate multiplying unit for forming a high speed light according to the present invention
  • Figure 15 is a schematic diagram of an implementation of the optical packet rate multiplying unit of the serial-to-hybrid structure of the present invention. Specific example '
  • the "multiple data rate and/or multi-communication protocol" compatible adaptive all-optical packet rate multiplication method proposed by the present invention mainly includes four functional blocks, as shown in FIG. 1: (1) generating a low speed based on ultrashort optical pulses. Light 1»3 ⁇ 4 signal, (2) select from multiplication factor multiplication factor, (3) signal cycle time of compressed light »&, and (4) generation of super-idle light packet signal.
  • the "time slot” width known as the ultra-high speed optical pulse signal, should be less than " ⁇ " in order to reduce intersymbol interference.
  • the pulse width of the conventional low-speed packet signal needs to be compressed.
  • the original electrical packet signal or optical packet signal of rate is converted into a low-speed optical signal having a rate A but a very narrow data pulse width. That is to say, after the medium width is compressed, each bit of the glossy packet occupies only a small part of the «cycle, and most of the period of the period (, - is in an idle state.
  • the rate multiplication factor ⁇ can be any value greater than 1; Determine the amount of time that the original data cycle needs to be shortened (AT)
  • the optical signal it outputs may only contain a super-fast light »& signal corresponding to the original word, that is, the signal required for direct output.
  • the &1 rate may increase the output of the unit not only with an ultra-high-speed optical »fef word that corresponds to the original package, but also other ultra-short optical pulse sequence modes, ie, unwanted signals.
  • the rate multiplying unit also needs to cascade an optical device or subsystem with a gating function to allow only the ultra-high-speed optical fiber corresponding to the original »3 ⁇ 4 signal under the action of the gate control signal.
  • the signal appears at the output of the all-optical packet rate multiplier, eliminating the need for other ultrashort optical pulse sequences.
  • the data rate of the original packet signal 1, 2, ..., " is generally low, and the pulse width is silent.
  • the original «package of the input end can be an electronic signal or an optical signal, as shown in Figure 2.
  • a commonly used implementation is super-fast electro-optic or ⁇ 6 sampling technology. Its working principle is as follows:
  • the pulse width of the ultrashort optical pulse signal should be less than 10ps 3 ⁇ 4, which is multiplied by ⁇ 1)3 ⁇ 4 at super high speed.
  • Electro-optic sampling input the original low-speed electric packet signal and the periodic ultra-short optical pulse sampling sequence with the repetition frequency equal to the electro-optic intensity modulator, and generate the rate after photoelectric sampling, .
  • Low speed optical fiber signal see Figure 3 (a).
  • a commonly used electro-optic intensity modulator can be a LiNb0 3 intensity modulator or an electroabsorption modulator or the like.
  • the low-speed leakage packet signal can be any rate ⁇ 3 ⁇ 4 ⁇ « packet signal of the order of Kb/s, Mb/s or Gb/s, and the frame structure of the low-speed power packet signal can be any of the IP protocol MATM protocol or the Ethernet protocol. Frame structure.
  • the first low-speed original packet signal may be formed after photoelectric conversion, m
  • the sample generation rate is S
  • the low-speed light based on the ultrashort pulse «package signal see Figure 3(b).
  • the feature of this scheme is that the structure is relatively simple, the photonic devices used are relatively mature, and it is easy to implement at the current stage. But its main drawback is that there is a parallel of photoelectric conversion that limits its »3 ⁇ 4m. With the popularization and application of all-optical communication networks and the increasing rate of optical networks, mm: like technology to effectively overcome the bottleneck problem of photoelectric conversion.
  • the implementation of all ship-like components can be varied.
  • it can be a fast optical logic AND gate, or a fast, ultra-narrow optical time gate.
  • Ultrafast optical sampling can be achieved by utilizing nonlinear optical effects in various fiber or semiconductor optical devices.
  • the whole ship-like component using fiber optics is easy to implement, and its working speed is fast, but the disadvantage is that the size rail of the lining optical sampling component is not conducive to miniaturization and integration.
  • the all-optical sampling component based on semiconductor optical devices has the advantage of being lazy and easy to integrate, but its current implementation is higher than that of fiber optics.
  • the single-chip semiconductor optical device has the characteristics of simple structure and easy implementation, but its operation is limited by the fiber re-time of the semiconductor optical device.
  • a full-scale semiconductor device can be used to sew multiple semiconductor optical devices, and M can be used for high-speed optical sampling.
  • a semiconductor optical amplifier can be used in an interference strip structure to increase the operating speed.
  • the full-light rate multiplier can be used as the intrusion
  • the end of the »3 ⁇ 4 letter ⁇ S rate adaptively determines the amount of time required to shorten the original period, and then the corresponding control signal 13 ⁇ 4 to the » & 3 ⁇ 4 rate multiplication unit, automatic:! Crane choose the correct optical path, to The required rate multiplication factor.
  • the time delay amount control signal is generated, and then the control signal is switched to the all-optical ship rate multiplying unit, adaptive
  • the ground speed is 3 ⁇ 43 ⁇ 4.
  • the light «packet signal generated after pulse width compression has a relatively low rate and the data transmission rate of the all-optical communication network.
  • p is extremely high. This requires that at the interface of each end user and the fiber network ⁇ at a certain h node of the optical network - a full rate multiplier converts the low speed optical packet signal into a super high speed optical packet signal, as shown in FIG. As shown, optical packets with a uniform rate are then sent to the network for transmission and exchange. Therefore, the all-optical data ⁇ ! rate multiplication technology is a core 3 ⁇ 47i of a super-fast switching network that realizes multi-rate communication and multi-frame structure compatibility.
  • a distinguishing feature of an optical packet rate multiplying unit employing a fully parallel configuration is a strip-parallel optical path.
  • the optical rate multiplying unit can be divided into two basic types: basic type and type.
  • basic type and type For the optical data packet A with a data rate of A and a pulse width shortened to ⁇ , a fully parallel optical data multiplication unit first needs to split the input optical packet signal into paths, and then respectively inject the strip parallel optics. The path is processed with corresponding delays.
  • the first optical path is used as the "reference optical path", and its function is to fix the last bit signal of the low-speed optical packet to the second of the ultra-high-speed optical data packets to be generated. On the gap, as shown in Figure 4.
  • the second and third optical paths should be ⁇ 7] and the time delay amount respectively than the first path, so as to locate the second and third positions of the low-speed light bread separately from the tree. Go to the H and 2nd time slots of the ultra-fast light bread produced by the whip. After the delay processing, these t3 ⁇ 4 tree words are now arranged at the same time interval r.
  • the j 'th optical path should have more time delay than the first path (Aty)
  • ⁇ 7] is the amount of cycle time reduction required for the rate data, as determined by Equation 2.
  • the adaptive rate multiplication factor selection circuit In order to achieve an adaptive rate multiplication of the optical packet signal, in addition to the "reference optical path", the remainder of the optical packet rate multiplying unit - the length of one parallel optical path called the optical path must be incubated with the input optical packet signal The rate) changes accordingly.
  • the adaptive rate multiplication factor selection circuit to first generate a corresponding optical control signal according to its calculated ?M,. value, and then send it to the control - 1 variable optical delay line module ( V0DLM) in order to automatically select the required amount of time delay, thus producing -1 desired optical path quantities. If all the speeds of the low-speed light, which are required to be rate-increasing, are different, then the first mode-capable energy can adaptively generate any one of the required optical paths according to the state of the applied control signal. Kind, as shown in Figure 5.
  • Nn Nn where c is the speed of light in the vacuum and n is the refractive index of the optical waveguide material.
  • c the speed of light in the vacuum
  • n the refractive index of the optical waveguide material.
  • the basic optical packet rate multiplying unit of the fully parallel structure in addition to the variable optical delay line module, also includes a passive optical device, as shown in FIG.
  • the pulse width is ⁇ ?
  • an optical packet signal having a length of K bits is input to the basic optical packet rate multiplying unit, it is first divided into a ring by a passive optical splitter, and then sent to a parallel optical path according to the formula.
  • the determined amount of time delay ') is processed correspondingly to the optical packet signals on each optical path, as shown in FIG.
  • the path optical data packet signals subjected to the delay positioning processing are input into a passive optical combiner, and after the time-staggered superposition, an ultra-high speed is generated at the output end of the optical data packet rate multiplying unit.
  • the light pulse sequence is shown in Figure 7 G). It not only contains the required high-speed optical packet signal, but also contains the unwanted front-end optical pulse signal mode.
  • the end time of the time slot is used as the required ultra-high speed optical data.
  • all the ⁇ :bit data of the desired ultra-high speed optical packet signal will appear on consecutive consecutive time slots before this time point, and therefore only need to be in the basic optical packet rate multiplying unit
  • the output is terminated by an electro-optic or all-optical time gate component, which is correct under the action of the gate control signal: the tM exit rate is increased and the duration is shortened to ⁇ ultra-high speed optical packet signal.
  • the gate control signal should immediately set the time gate to the open ("Off") state.
  • the time gate component can be comprised of a commercially available electro-optic intensity modulator or electro-optical switch, or a time gate that is extinguished by a fast optical logic AND gate.
  • the basic optical packet rate multiplication unit is easier and less expensive to implement, it has a problem associated with the use of passive optical devices.
  • the time gate component driven by the gate control signal not only allows the required ultra-high speed light
  • the packet signal passes through it, and it is possible that some of the bits that should be discarded before and/or after the ultra-high-speed optical packet are also present at the output of the time gate along with the useful signal.
  • the present invention can sculpt the following type of optical rate multiplying unit.
  • the operating speed of this electro-optical switch is equivalent to the data rate of the input low-speed optical data packet.
  • the first output port of the lx electro-optical switch is connected to the "reference beam path", ie the first optical path, and the first output port will be connected to the first optical path.
  • the optical signal of the Jth output port of the off is only the (-j + i) bit data bit signal of the low speed optical data packet, U ' ⁇ , / (.
  • each of the remaining optical paths contains a variable optical delay line module to produce the amount of time determined by Equation 3.), resulting in the output of the first optical path.
  • the signal is positioned just above the ⁇ -_/ + 1) bit time slot of the generated super-fast optical data packet.
  • the source combiner can guarantee ⁇ 1
  • Another implementation is to use a passive optical splitter and combiner at the input and output stages of the optical parallel multiplying unit of the fully parallel configuration, respectively, on the parallel optical paths connecting the input and output stages, respectively.
  • the operating range of the electro-optic surface controller Her simple electro-optical switch is at the input low speed;) 1 6»3 ⁇ 4» rate ⁇ o
  • the crane-type optical surface rate multiplying unit with full parallel structure has more expensive control and needs more control signals because it has more active optical devices. And the surgery is only silent.
  • the previous period of the original packet signal is ⁇ , but it can also be less than 7 ⁇ ,. 3. 2 full series structure
  • the full-parallel optical packet rate multiplying unit can achieve multiplication of the low-speed optical packet rate having an arbitrary value, when the value becomes large, the structure of the optical packet rate multiplying unit becomes Increase, j» ever added. If the length of the original light i3 ⁇ 4 signal is set, the following cake is satisfied
  • the invention can use an all-series structure to effectively implement the optical » packet rate multiplication unit, as shown in FIG.
  • the M-level optical "divide/close” basic unit is connected in series
  • ⁇ "divide/close” base * ⁇ element can use a pair of optical splitters and combiners and a pair of optical delay lines, One is only used as a "reference light path", see Figure 10.
  • each "divide/close" basic single room 3 ⁇ 43 ⁇ 4 with direct cascading, or all or part of the active optical device level we can divide the optical data packet rate multiplication unit of the full series structure into basic type and preferred type. class. When d is straight, the use of such a full-line optical packet rate multiplying unit can significantly degrade the structural and implementation difficulties.
  • the full-series optical pickup rate multiplication unit has the same basic working principle as the full-parallel optical multiplication unit, that is, the input time envelope with the rate A and the pulse width ⁇ according to the cycle time shortening amount determined by the formula 2
  • the desired rate multiplication factor determined by Equation 1 is obtained.
  • the full-wake optical rate multiplication unit processes the input light cage signal, it does not separately compare the separate delay processing, and ⁇ 131 each level "divide/close" base: ⁇ ⁇ related earning The relative delay processing of the hops into groups.
  • the first-level "divide/close” element ⁇ establishes the first and second ratios of the input optical signal, the third and fourth ratios, 5 and the sixth ratio [ ⁇ , ..., the second W -1 and the second W are separated from the "adjacent bit pairs".
  • the second level "divide/close” basic unit is the output of the 3 ⁇ 4m-level primitive Based on the optical signal, the 1 3 ⁇ 4m 4 ratio is established as a "adjacent bit group"; the 5th to 8th ratios are set to extinguish another "adjacent bit group";...;
  • the third-level “divide/close” baseliner is the first 3 ⁇ 4 8 ratio of the input light »3 ⁇ 4 signal, and the "adjacent bit group” will be The ninth-sixth ratio ( ⁇
  • Equation 6 we can design a corresponding variable optical delay line module.
  • the optical multiplying unit using a full series of tangential hooks can also be classified into a basic type and two types.
  • the basic optical multiplication unit of the full series configuration except for the variable light ® 3 ⁇ 4 module, is extinguished by the passive optical device. Since the pair of passive passive 2 x l combiners and the l x 2 splitter can be replaced by a passive optical 2 X 2 directional coupler, the basic optical packet rate is multiplied
  • an electro-optical or all-optical time gate component needs to be cascaded, and the gate control signal can be correctly selected.
  • a common problem with the basic optical packet rate multiplying unit is if the duration 2 of the ultra-high speed optical packet signal exceeds the period of the original signal before the rate multiplication /1. Then, the time gate component driven by the pass gate control signal not only allows the required ultra high speed optical packet signal to pass through it, but also may allow the optical pulse sequence mode before and/or after the ultra high speed optical turnaround Some of the bits that are discarded are also present at the output of the time gate along with the useful signal. To understand this problem, we can face the type of optical multiplication unit.
  • a preferred type of optical multiplication unit of a full series configuration may cascade an electro-optic or plenoptic time gate component at the output of each stage "divide/close” base unit or in some selected “divide/close” primitives
  • the output is cascaded with electro-optic or all-optical time gate components, as shown in Figure 10.
  • the time gate component Under the action of the gate control signal, the time gate component can "negative bit pair” I “adjacent bit groups" for the useless optical pulse caused by the "divided-delay-combined" optical processing process.
  • the duration of the super-fast optical packet signal at the output of the basic unit 2 w r can exceed the period 1/A of the original packet signal before the rate multiplication, or can be smaller than the period of the original packet signal. 1/5,., thus effectively solving the problem of limited length of light bread signal caused by the basic optical surface boat multiplication unit.
  • this solution comes at the expense of increasing the cost of the optical »3 ⁇ 41 rate multiplying unit due to the time gate components and the corresponding control circuitry.
  • the output of the first unit "divide/close" basic unit
  • the end cascades a time gate component, so it is necessary to establish the first and second ratios, the third and fourth ratios, and the fifth and sixth ratios.
  • the optical pulse sequence signal input to the last stage "divide/close” primitive after being filtered by the 3 ⁇ 4M gate control signal contains only one "adjacent bit group" by the first ratio ⁇ Another "adjacent group of bits” consisting of 5 to 8 bits, and having a larger time interval between them, as shown in Figure 13 (f). This ensures the "divide/close” at the last level.
  • the ultra-high-speed optical signal generated by the output of the base element may have a duration greater than 1/A.
  • the light Rate multiplier means to output only the rate of the input optical signal bread-one correspondence, the level is 2 M bits a length of the ultrafast optical packet signal Videos, see FIG. 13 (j) in the station with the grain in order to save ⁇ ⁇ .:
  • the output stage 3 ⁇ 4m—a time gate component the optical pulse sequence signal input by the IJ to the third-level “divide/close” primitive contains only two “adjacent bit groups” that are far apart, respectively. 1 to 4th ratio and 5 3 ⁇ 4 8 m, as shown in Fig. 13 (f). Then at the output of the optical rate multiplication unit, we can also get the correct ultra-high speed light » & signal, see Figure 13 (j ).
  • the optical packet rate multiplication unit using a serial-to-hybrid structure is mainly implemented in two forms.
  • the first form is a parallel structure with a backbone, and then a full string of optical multiplication units can be inserted in some of the parallel optical paths or its parallel optical paths, as shown in Figure 14, depending on the particular needs.
  • the simplest full-length 3 ⁇ 4 ⁇ irig ⁇ l rate multiplication unit is just a single-level "divide/close" basic unit; and the simplest full-scale «optical» packet rate multiplication unit is considered to contain only There is an optical 3 ⁇ 4 « case where there is only a single delayed optical path.
  • the second form is a series structure with a backbone, and then, depending on actual needs, an optical ratio multiplication unit and a parallel optical branch at the output of the first stage "divide/close" basic unit and 3 ⁇ 4 ⁇ a full string of ⁇ .
  • the time gate component cascaded at the output of the first stage "divide/close” base unit is The first and second bits, the third and fourth bits, the fifth and sixth bits, the seventh and eighth bits, and the ninth and tenth ratios (the five "phases" The adjacent bit pairs ", and there is a large time interval between them.
  • the electro-optic switch feeds the first four "adjacent bit pairs" to the second on the first parallel optical branch.
  • Level "divide/close” base transponder and send the last "adjacent pair of bits" into the second parallel optical branch.
  • the time gate output of the third-level "divide/close” basic unit The end produces an ultra-high-speed smooth signal sequence consisting of the 1 3 ⁇ 4m 8 ratio tree, as shown in Figure 13 (j) and Figure 15. After it is properly delayed by a variable optical delay module, And another light-assist signal sequence from the second line of optics (by the 9th and 10th immm
  • the electro-optical switch of the low-speed light bread signal will be the first to the sixteenth position of the low-speed light bread signal «3 ⁇ 4 ⁇ to the first line, which contains a four-level "divide/close”"
  • the full-series optical packet rate multiplying unit consisting of the basic unit and a variable optical delay line module VODLMttl are multiplied at the rate of the first sixteen packets of the packet.
  • the electro-optical switch compares the last two of the input optical signals to the second cake line, and only contains a single-stage "divide/close” basic unit, and the rate of the last two sides of the solid input optical packet signal is multiplied.
  • the hybrid optical spectroscopy multiplication unit In order to multiply the rate of the low-speed input signal of the real capsule, whether it is a full-faceted optical rate multiplying unit, see Figures 4, 6, and 8, or a full string of ⁇ optical multiplication units, see Figure 10, 11, or string-and
  • the hybrid optical spectroscopy multiplication unit see Figures 14 and 15, requires a strobe gate control signal to properly turn on the corresponding electro-optical switching device, electro-optical or plenoptic time gate components to ensure optical rate.
  • the output signal of the multiplying unit is always corresponding to the low-speed optical i3 ⁇ 4m signal of the hard-to-reach end, and the rate I of the output signal «package signal is ?M,. times the signal rate of the input optical packet.
  • time gate control signal generator for the desired electronic or optical control signal for the corresponding electro-optical device, electro-optical or plenoptic time gate component tree, and the time gate control signal generator should be responsive to input to the optics
  • the rate multiplier unit's ⁇ 3 ⁇ 4 dawn «package signal synchronization can ensure that the required input light is turned over by the correct optical path, and the output of the optical rate multiplying unit is At the intermediate stage time gate component, the desired ultra-high speed light bread signal high speed light flip sequence is screened out.

Description

技术领域
本发明涉及一种多数据速率和 /或多通信协议兼容型自适应全光数据包的 速率倍增方法。它具有快速实时的信息处理能力， 可满^ ¾高¾11作的要求。 具體及一种多聽率兼容麵高速自适应 W^I率倍增方法。 背景技术
随着互联网的普及应用和对多媒体通信及宽带业务需求的不断增加， 各种 通信协议和标准被不繊制定出 者得到了 ¾¾， 例如， ATM、 SDH,各种以 太网 (Ethernet)协议、 光 道 (Fibre Channel)等等。 就对通信网络及系 统的设计提出了挑战， 如何确保所设计出的通信网 /系统能自适应地兼容各 种已有的通信协议和标准， 而且还能灵活地支持未来新通信协 示准的应用 以 统的升级衡弋。但是，目前的互联网络和^ 1信系统在针对不同速率、 不同协议的用户时， 其传输和交棚的駕包都^) ¾电 言号处理、光信号 传输的方式进行。步骤如下：
1)根据 IP协议、 ATM协议、各种以太网协议、 光^ M协议等不同通信协 议的要求， 将原始的用户«或¾¾信网,口单元的 电信号处理， 按照相 «信协议的 I» &帧结构的规定， 封装成为具有指定速率的电«包 信号
2)将封装好的电«包通过电缆直接传输； 或 ¾¾过电光转换后仍然保持 原来电麵包的帧结构和速率， 但^16»¾信"¾行働。
3) 在光网络的某些节点上， 如果遇到需要把不同的数据通信速率进行转换 时， 必须首先将光» &经过光电转换«电«^后， 在电域中进行相应的 麵信 報换， 再经过等速率的电光转换变戯 i»a后进行下一步的通 信。
这种方式 «主要缺陷是： 电 的封装处理、 电光转 光电转换 过程都需要在电域中实现。但是， 电子器件与电路的处 和带宽都明显地 低于光学器件， 从而使得删电子信号处理方式的通信网络存在着鎌速率受 限的问题。这 « 成了该类光通信网络的传输速率的瓶颈限制。例如， 目前商 用化的 SDH光纤系统最高做到了 40Gb/s，针对^ ¾长来讲,商用化的光 Ethernet 网络的最高通信速率仅仅只达到 10Gb/so 虽然这种等速率的电 光电转换方 式被当前 SDH系统、 Ethernet网、密鍵分細系^/网 商用化光纤传输 系统与通信网络所采用， 但是， 由于受电子并 页¾ ^的限制， 采用电信号处理 技术的光«信网将无法满足十纏增长的 IP麵业务的需求，因此， 无法支持 网络上不断提高的通信速率。 另外， 这种等速率电光 /光电转换方式的应用也 限制了网络的可扩展性和对未来超高舰信协议的兼容能力。
随着 40Gb/s光传输系统的商用化以 160Gb/s光通信系统的研发， 超 高速、超大容量、全 «明据俞和交换的通信网络， 即狭 的^ 联网， 成为未躯联网的雄目标。而不同终端用户或网嫌口设备的带宽速率的需 求也可能是不同的， 因此实现全光的多速率接口、 自 的兼豁种不同速率 的用户 «， 将成为设 i† 高速全¾ ：联网的一个核心技术， 它将直接影响到 网络的可扩展性和工作灵活性。 目前， 实 高速^ n联网存在着下列技术 难题：
1) 需要将现有的低速光翻包信号变成超高速光数据包， 然后进行传输与 交换。 ¾巌«光»¾的信 率实现几倍、几十倍甚 S±万倍的提升。
2) 当不同终端用户或网络的接口设备具有不同的通信协议时， 在实纏高 速的光 率倍增过程中必须能兼容这些协议； 而且在实 的速率 倍增后， 还必须保持原有通信协议的帧结构不变。
3) 当不同终端用户或网络的接口设备具有不同速率的光薩包时， 在实现 超高速的 率倍增过程中必须能兼容， 将各种较低速率的光 »S信号 倍增成通信网络需要的超高速光» &信号。
4) ¾^ 须是自适应的。 发明内容
本发明的目的在于提供一种多数据率兼容型超高速自适应全光数据包速率 倍增方法， 其解决了背景技术中电¾ /光电转换过程中数据^!率受限的技术问 题， 同时还从根本上解决了具有不同通信速率和 /或协议的网络与系统之间的互 輕通问题。 本发明的技术解决方案是：
一种多数据率兼容型超高速自适应全光数据包速率倍增方法， 依顺序包括 如下步骤：
(1) 信号的脉冲宽度压缩 ··
(1. 1)产 ^ffl短光脉冲采样序列： 采用能与夕卜部数据时钟信号同步的超短 脉冲激光源， 产生重复频率等于 A. d e {1, 2, ..., η})的周期性超短光脉冲采样序 列。
(1. 2)将原始低速电 «包信号和重复频率等于 的周期性超短光脉冲采 样序列经超快电光采样后生成速率为 、 基于超短脉冲的原始低速光数据包 信号； 或将原始的光数据包信号和重复频率等于 的周期性超短光脉冲采样 序列经 样后生成速率为 、基于超短脉冲的原 «光« ^信号；
(2) 选择自 率倍增因子
(2. 1)计算出速率倍增因子 ί :
RMt = ， ① 其中， {1, 2, ···, "}， /。p为倍增后所需要达到的超高速光» &的数率。
(2. 2)确定出原数据周期需要缩短的时间量 Δ7]：
ΔΓί (R 1 ， ②
Figure imgf000005_0001
该式中 r = -为压缩后超高速光 i»a信号的时间周期。
J op
(3) 压縮原始低速光翻包信号的时间周期：
按照公式②所确定的周期时间縮短量 Δ7， 利用光学数据 «率倍增单元 对原始低速光数据包信号时间周期进行压缩， 从而将速率为 的低速光数据 包信号转换成速率为 fop的多个超高速光! ^包信号， 这多个超高速光«包 信号中只有一个是保持原始正确帧结构， 剩余的都是 ^帧结构。
(4) 获取具有正确帧结构的超高速光« ^信号：
光门控信号在光学»^1率倍增单元的输出端筛选出正确帧结构的 超高速光麵包信号。 光学翻 率倍增单元可采用全并联结构， ^ mmm 单元是：
(1) 将输入的速率为 Α·、脉冲宽度为 Δ^、包长度为^:比 ί立的光 包信 号分成 路；
(2) 分别注入^:条并行的光学路径， 进行延时处理， 第 条光学路径的时间
Figure imgf000006_0001
1)ΔΤ; ， ③ 其中， ;' = 2, 3,...,^：;
贝 IJ， 全并 «光学 »«率倍增单元的第 j条光学路径比参考 «多出的 光程 Δ¾)，
ΔΙ(;') = - t l)(RMi 1) ， ④
n n
其中， c为真空中的光速， " 为光波导材料的折射率， j = U , i e {l, 2, ...,«}；
第 条光学路径和第 + 1条光学路 间的相对延时光程 asic为： 'C . x£ ⑤
n
其中， j'e{l,2,...， :— l};
(3) 再将 条將的光学路棚亍合路输出。
光学 率倍增单元可采用全并联结构， 滅学 W&il率倍增 单元是： ' ·
速率为 B、脉冲宽度为 AP、包做为 K比 立的光 言号输入光学数 据舰率倍增单元时， 首先舰无源光分路器分成^備号， 然后 ^:条并 行的光学路径， 按照公式③：
Δί« =(7·-ΐ)Δ ， ③ 其中， ;=2,3,...,^； 确定的时间延迟量 Δ^·'')对各条光学路; 的光数据包信 号进行延时处理， 再将经过延时定位处理后的 κ 路光 «包信号 r入无源 光合路器， 在时间上交错叠加之后， 在 学 i^I率倍增单元的输出端产 生了一^高速的光脉冲序列。
光学麵磁率倍增单元可翻全并联结构， 该光学»»率倍增 单元是：
通有源光器件对每一 氐速光 率倍增， 一条并行光学 路径的输 俞出信号只包含有一懒豆光脉冲， 在光学 倍增单元 的输入端 TO—个 1 κ电光开关将输入的 比 立串行数据分离成 路并行 的单比 «信号；
全并联结构的光学 率倍增单元的输 俞出级分别棚无源 的光分路器和合路器， 而在连接输入和输出级之间的^:条并行的光学路径上 分别使用 κ只电光强度调制器或者^只简单的电光开关 ¾择出 κ路并行的 单比特麵信号；
光学»¾¾率倍增单元直接输出所需要的速率为/。 p = 1/r、长度为 比 細勺光 信号。
光学 率倍增单元可 全串联结构， 该光学 itig^I率倍增 单元是：
第 级 "分 /合"基本单元的延迟光路比 "参考光路"多出的时间延迟量 为：
As = 2J~lATi ， ⑥ 其中， Δ2是②式中的、 速率为 A的数据包所需要的周期时间缩短量， j = 1, 2, 3, M；
第 j级 "分 /合"基本单元的延迟光路应该比 "参考光路"多出的光程量 △/)'·)为：
Figure imgf000007_0001
其中， ζ· e {1, 2,…， "}； _/ = 1, 2, …， M。 光学 率倍增单元可釆用全串联结构， 该光学 率倍增 单元是：
输入端 率为 B,、 脉冲宽度为 Δ?、包长度为 Κ = 2Μ比 ί立的光 «包 信号， 各级 "分 /合"基林元按照公式⑥：
Figure imgf000007_0002
其中， 是②中的、 速率为 的数据包所需要的周期时间缩短量， j = 1, 2, 3, M ； 确定的时间 分别对光!^信号进行倍增处理。
± ^光学 ¾¾^S率倍增单元可采用全串联结构， 该光学 率倍增 单元是：
在每级 "分 /合"基本单元的输出端级 个电光或全光时间门部件， 或 在某些选定的 "分 /合"基本单元的输出端级联电光或全光时间门部件， 在选 通门控制信号的作用下， 所述的电光或全光时间门部件就对由 "分路-延时- 合路"光学处理过程造成的无用光脉冲^ ¾效的 "相邻比特对" I "相邻比特 组"在有关的中间级上进行及时摒除， 选出需要的 "相邻比特组"或 "相邻 比特对"输入到下一级的 "分 /合"基轉元。
上述光学麵 率倍增单元可釆用串-并混合型结构， 该光学麵舰率 倍增单元是： 以并联结构为骨干， 在其中的并行光路上分别插入全串联型的光 学数据 率倍增单元； 或以串联结构为骨干， 在第一级 "分 /合"基: Φ单元的 输出端并联一支全串 的光学 率倍增单元和一条并行的光学 各。
本发明具有以下优点：
本发明通D寸来自终端用户或网络接口设备的原始电子或光学数据包进行 实时的脉冲宽度压缩， 产生.出与原始数据包速率一致， 但各脉冲信号持续时间 被大大縮短了的光数据包。 然后再通过消除这些因脉宽压縮而导致的多余的空 闲时间段， 达到减小数据周期的目的， 从而实现数据包信号的速率倍增作用。 采用本发明獰出的方法能设计出速率透明、协议透明的超高速全光通信系统与 网络。具体优点如下：
1.全光透明。对于超高速全光数据包的形成， 本发明无需进行电光转换， 也 无需数据存储重组， 即可将较低速光数据包信号倍增至需要的超高速光 «包 信号 Q
2.多协议犛容。可直接釆用全光方式透明兼容不同协议的用户数据， 例如， 产生出超高速 IP I ^包、超高速 ATM 超高速全光 Ethernet 超高速全光 Fibre Ch騰 1麵包等。
3.多速率兼容。可直接采用全光方式透明兼容 Kb/s Mb/s、 Gb/s等各灌率 的以超短光脉冲信号为基础的«包。
本发明可以直接釆用全光信号处理方式透明兼容 Kb/s '至 Gb/s各种接口速 率的数据包， 将这些被超短光脉冲周期信号采样后形成的低速光数据包信号通
_ 过自适应的全光速率倍增技术转换成为所需要的超高速光 »包信号。 经过这 种速率提升作用后， 全光网络中所有接口处的待传光数据包信号都具有了全光 通信网所指定的光信号传输速率。 各个光接口单元再将超高速的光数据包信号 送入全光网络迸行实时传输和交换。 在工程应用方面， 这将有助于设计出通用 化的光通信网络与系统， 降低它们的生产和运行成本， 促进光网络与系统的普 及应用 α
4.可保持原有协议的数据帧结构。速率倍增后， 超高速光数据包可保持原始 低速光觀包的帧结构不变。
本发明可以直接兼容具有不同帧结构的终端用户数据或不同协议的网络接 口设备的数据， 例如： IP数据包、 ATM |¾g包、 lOMb/s的 Ethernet数据包、快 速 Ethernet/千兆 Ethernet/万兆 Ethernet i¾¾、光乡1 薩包等， Mj 速率倍增生成全光通信网所需的超高速光数据包信号， 但是仍然保持了原始低 速麵包的帧结构不变。
5.可高倍率速率倍增。 假设原始 包的数据率为 Βυ 率倍增后的全 光¾ ¾的«率为 贝 IJ ite的速率倍增因子^^为
根据网络的需要， »¾信号的速率经过倍增后可提高 ιο^ιο8倍。
6. 倍增率可选。可以根据网络需求自动选取 率倍增因子 ^^的大小。
本发明可以直接在光域中将经过超短光脉冲周期信号采样后所形成的低速 光» ^信号謝 ¾率透明的超»¾率倍增。 该处理后， Kb/s至 Gb/s量 级的低速短脉冲光数据包信号可以根据网络传输容量的需要倍增到速率为 100Gb/s、 160Gb/s、 320Gb/s、 500Gb/s、 640Gb/s， 甚至更高速率的全光 包 后， 再 光纤网络进行超高速的据俞与交换。
7.可实现灵活的自 喿作。
本发明在实现超高速的光数据包速率倍增的过程中无需手动调整， 通过灵 活的、 自动的电控编程即可实现自适应操作， 尤其适合全光网络的灵活、 快速 组网。
8.应用范围宽广。
] 本发明不仅能用于地面上的民用与军用超高速全光通信网络与系统， 而且 可用于支持未来的超高速光卫星通信组网、航空光纤网络及舰载光纤网络的超 高速光互 附图说明 '
图 1 为本发明多！ ¾速率兼容 高速、 自适应全光 «包速率倍增方法 的基本原理示意图；
图 2为本发明实现方案示意图；
图 3为本发明 包信号脉冲宽度压缩的基本原理示意图；
图 4为本发明删全并联结构的光学»¾¾率倍增单元的原理示意图； 图 5为本发明^^进行编程电控的可变光延 ¾模块 (V0DLM)结构图； 图 6为本发明 "全平行"速率倍增基: 意图；
图 7为本发明¾¾后的 "串行"速率倍增单元形脑高速光 »¾示意图； 图 8为本发明全并联结构的优 光学！ ^包速率倍增单元的两种实现方 案示意图； '
图 9为本发明¾¾的 "全平行"速率倍增单元形細高速光 »¾示意图； 图 10为本发明采用全串联结构的光学 率倍增单元的原理示意图； 图 11为本发明全串联结构的基本型光学数据包速率倍增单元的原理示意 图；
图 12为本发明改进后的 "串行"速率倍增单元形成超高速光» ^意图； 图 13为本发明电光门 (或全光门)形成超高速光数据包示意图；
图 14为本发明改进后的 "串行"速率倍增单元形成高速光 «^示意图； 图 15为本发明釆用串-并混合型结构的光学数据包速率倍增单元的一种实 现方案原理示意图。 具体实 式'
本发明提出的 "多数据速率和 /或多通信协议"兼容型自适应全光数据包 速率倍增方法主要包括四个功能块， 如图 1所示： （1)产生基于超短光脉冲的 低速光 1»¾信号， （2)选择自^ ¾率倍增因子， （3)压縮 光»&的信 号周期时间， （4)超髙速光数据包信号的生成。 为便于叙述， 假设所有需要进 行速率提升的低速数据包信号总共有"种不同的数据率 (i = 1, 2,…， " )， 而经 率倍增后生成的超高速光数据包信号具有一个统一的数据率 ΛΡ， 并且超 高速光数据脉冲的宽度为 Δ 。 此时光信号的数据周期为 τ。ρ = yf ， 它也常
/ J op
被称为超高速光脉冲信号的 "时隙 (time slot) "宽度" 为了减小码间干扰 (intersymbol interference) , Λ?应该小于" τ。
本发明的技术原理如下：
1.首先需要对常规的低速数据包信号的脉冲宽度进行压缩。 经过这一处理 后， 速率为 的原始电数据包信号或光数据包信号就被转换成速率为 A但数 据脉冲宽度极窄的低速光 信号。也就是说， 赚中宽度压缩后， 光麵 包的每一位比樹言息 ¾只占用了«周期的一小部分， 而该周期 余的大 部分时间段( , - 则处于空闲状态。
2.根据原始 i¾包信号的速率 和倍增后所需要达到的 «率/。 p = ， 自 ffi地计算出数据包的速率倍增因子?M,.， 速率倍增因子 ^可为大于 1的任 意数值；
Figure imgf000011_0001
确定出原数据周期需要缩短的时间量 AT)
Δ7] (RM; - l)r ， i e {l, 2, .·., n} ②
Figure imgf000011_0002
3. 按照公式②所确定的周期时间缩短量， 采用光学技术实现超快时间压缩 过程。 其结 就會瞓 麵周期中的空闲时间段， 从而使得基于超短光脉 沖的聽序列具有了一个新的周期 = τ， 因此其翻率就觀升到了所需要 的^值。
4.根据全光纖键率倍增单元或子系繊删的光学餅的类型和系统结 构， 如果该速率倍增单元输入端的信号是基于超短光脉冲的一个低速光数据 包， 则它输出的光信号可能只包含有一个与原始 言号——对应的超高速 光»&信号， 即直接输出所需要的信号。 &1率 ί咅增单元输出的可 能不仅含有—个与原觀包完全对应的超高速光 »fef言号， 而且还包含有其 它的超短光脉冲序列模式， 即不需要的信号。在这种情况下， 该速率倍增单元 还需要级联一个具有门控 功能的光学器件或子系统， 以便在 门 控制信号的作用下， 仅让与原始»¾信号一对应的超高速光类纖信号出 现在全光数据包速率倍增器的输出端， 而摒弃掉不需要的其它超短光脉冲序 列。
本发明的实 ί见步骤如下：
1.低速 m¾信号的脉冲宽度压縮
相对于倍增后的光学数据包信号的«率^而言， 原始聽包信号的数 据率 = 1, 2, ..., ")—般是较低的， 且脉冲宽度默。 另外， 根据全光麵包 速率倍增 网络中 时所处的 ， 其输入端的原始 «包可以是电子信 号， 也可以是光学信号， 如图 2所示。 为了将宽脉冲的电子或光学信号转换成 很窄的蕭冲信号， 需要删一些电光或全光器件， 目前常用的一种实现方案 就是麵超快电光或^ 6采样技术。其工作原理如下：
1. 1.产^短光脉冲釆样序列： 能与外部 «时钟信号同步的超^ a 冲激光源， 产«复频率等于 ( i e {1, 2, ..., η} )的周斯鹏短光脉冲釆样序列。
超短脉 光 以 ¾Ξ动锁纖光器、 增益开关激光器、连赚 (CW)激 光器级联电吸收调制器 ^它类型的电光 ¾ ^调制器。超短光脉冲信号的脉宽 应小于 10ps ¾宜， 以 {1)¾于超高速的全光 率倍增。
1. 2.电光采样： 将原始低速电数据包信号和重复频率等于 的周期性超 短光脉冲采样序列输入至电光强度调制器， 经光电采样后生成速率为 ,.、 基 于超騰中的原始低速光类纖信号， 参见图 3 (a)。
常用的电光强度调制器可以是 LiNb03强度调制器或者电吸收调制器等。 低速电漏包信号可以是 Kb/s、 Mb/s或 Gb/s量级的、任意速率的 ί¾Ιΐ« 包信号，并且低速电 «包信号的帧结构可以是 IP协MATM协议或 Ethernet 协议等任意的帧结构。
如果需要进行速率倍增的原始光数据包信号具有一个低的数据率 ， 那 么可以首先经过光电转换后形成低速的原始电 包信号， m 样方式生成速率为 S,、基于超短脉冲的低速光 «包信号，参见图 3(b)。该方 案的特点是结构较简单， 使用的光子器件较成熟， 易于现阶段的技术实现。但 它的主要缺点是存在着光电转换的并 页 从而限制了其 »处 ¾m。 随 着全光通信网的推广应用和光网^ ¾口速率的不断增加， m m : 样技术来有效克服光电转换的瓶颈问题。
1. 3全¾¾样： 将原始的光 包信号和重复频率等于 的周期 超短光 脉冲采样序列输入至全光采样部件， 经超快舰样后生成速率为 、基于超 短脉冲的原始光 信号， 参见图 3(c) 0
全舰样部件的实现形式可以是多种多样的。例如， 它可以是一 快光 学逻辑 "与" （AND)门， 或者是一^快、超窄的光学时间门。 可以通过利用 各种光纤或半导体光器件中的非线性光学效应来实现超快光学采样。一般来 讲， 采用光纤的全舰样部件易于实现， 其工作速度很快， 但缺点是麟全光 采样部件的尺寸軌 不利于小型化和集成化实现。基于半导体光器件的全光 采样部件具有懒只小和易于集成的优点， 但当前它的实现赫比采用光纤的方 案要高。删单只半导体光器件的^ ¾样器具有结构简单、实现容易的特点， 但其工作 却受到半导体光器件的纖 灰复时间的限制。 为了解决这个问 题， 全¾¾样器可以棚多只半导体光器件， M 当的构 »实麵高速的 光学采样， 例如， 可以将半导体光放大器用在干涉條型的结构中以提高工作 速度 c
2.自适 i¾率倍增因子的选择
由于在同一个网络中需要进行速率倍增的原始数据包信号总共有„种不同 的翻率 ( = 1, 2, ..., n )， 就要求全光翻 率倍增器能根据其当繊入 端的»¾信^ S率自适应地确定出原麵周期需要缩短的时间量， 然后再将 相应的控制信 1¾到 »&¾率倍增单元中， 自动：！鶴择出正确的光程， 以 顿需要的速率倍增因子。
2. 1禾 IJ用公式①， 自适 J¾t也计算出当前的速率倍增因子?M,.， i€ {1, 2, ..., n} o 从公式①和②可知， 对于设定的光通信网传输速率 /flp = ?M;与原数据周期需要縮短的时间量 Δ7是一" ^应的。 也就是说， 一旦计算 出了 值， 与之相对应的 Δ7)值也就确定下来了
2. 2根据计算出的 数值， i e {1， 2, ..., n}， 生 目应的时间延迟量控制信 号， 然后将该控制信号 ¾Λ到全光觀舰率倍增单元中， 自适应地¾¾ 确的光程。
3.低速光 的信号周期时间 j»
经过脉冲宽度压缩后产生的光«包信号具有相对较低的«率 ^而全 光通信网络的数据传输速率 /。p极高。这就要求在每个终端用户与光纤网络的 接口处^ 在光网络的某^ h节点处 —个全 率倍增器将低速的光 « 包信号转换成超高速的光数据包信号， 见图 2所示， 然后再将具有统一速率 的光数据包送到网络上进行传输和交换。 因此， 全光数据^!率倍增技术 是实现多速率通信、 多帧结构兼容的超高速^ 6交换网的一种核心 ¾7i。
若要完 光学! ^周期的时间压缩， 就需要OT超 率倍增 单元。一雌讲， 它主要; 翻以下三种结构来加以实现的。 为了便于解 释其工作原理， 我们假设—个原始的醫包共含有 比 立。
3. 1全并联结构
采用全并联结构的光学数据包速率倍增单元的一个显著特征是具有 条 并行的光学路径。根据所個的光学潘的种类和功能， 该光学 率倍 增单元又可以分为基本型和 型两大类。针对数据率为 A、 脉冲宽度被缩 短为 Δ 的光 «包输入信号， 一个全并联型的光数据^!率倍增单元首先需 要将输入的光数据包信号分成 路， 然后分别注入 条并行的光学路径进行 相应的延时处理。为便于说明其工作原理， 假设第一条光学路径被用作为 "参 考光路"， 其作用就是将低速光 «包的最后一位比特信号固定到将要生成的 超高速光数据包的第 ^个时隙上， 如图 4所示。 以此为基础， 第二条和第三 条光学路径应该分别比第一条路径多出 Δ7]和 的时间延迟量， 以便将低速 光麵包的倒鄉二、第三位比樹言号分别定位到鞭生成的超高速光麵包 的第 H个和第 ― 2个时隙上面。经此时延处理后， 这些 t¾樹言号现在都按 相同的时间间隔 r排列。 以此类推， 第 j '条光学路径应该比第一条路径多出的 时间延迟量 Aty)为
At = (;· - ΐ)Δΐ;. ， = 2, 3, ..., Κ ③ 其中 Δ7]是速率为 的数据所需要的周期时间缩短量， 由公式②确定。其结果 将导致经重新定位后得到的 K 比特光数据信号具有一个新的周期 7， 并且 与输入的光 信号是 ~~ ^应的。 因此， 只需要对该光学羅爐率倍增 单元进行适当的控制， 就能选择出所要的速率为 长度为 比特位的 光«包信号。也就是说该光学 率倍增单元将只输出一个与其输入的 光翻包信号完全对应的超高速光« ^信号， 从而完成了所需要的速率倍增 功能。
为了实现光数据包信号的自适应速率倍增， 除 "参考光路"夕卜， 光学数 据包速率倍增单元的其余 - 1条并行光学路径的长度称为光程都必须育 艮随 输入光数据包信号的速率 ）变化作相应的调整。这就要求自适应速率倍增 因子选择电路根据其计算出的?M,.数值首先产生出一个对应的光禾 M 择控制信 号， 然后将它分别送去控制 - 1个可变光延迟线模块 (V0DLM)以便自动选择 出所需要的时间延迟量， 因此产生出了 -1个所要的光程量。如果所有需要 进行速率提升的低速光 «包信号总 种不同的 «率 ， 那么第 路可 模減能根据所施加的控制信号的状态， 自适应地产生出《种所需 要的光程中的任意一种， 如图 5 。
根据公式②和③， 我们可以计算出全并薩光学 ¾¾«率倍增单元的第 j 条光学路 4 该比第一条路径即 "参考 «"多出的光程 ΔΖ¾) , j = l, 2, ..., K
Δ¾) = - Δ4') =—(j - ){RMi — 1)， i e {1, 2, ·.,, "} ④
n n 其中 c为真空中的光速， n为光波导材料的折射率。例如对于普通单 纤， 77= 1. 5。一»讲，在设计駕信网时， /。值都需要職设定，例如 100 Gb/s 或 160 Gb/s或者 320 Gb/s等。 因此由公式④可知， 对于指定的第 _ /条光学路 径， 其 ΔΖ^)只题率倍增因子 的函数。而鄉 条光学路径和第 + 1条 光学路 间的相对延时光程 ， e {l, 2, ...J— 1}， 仅由原薩周期需要 缩短的时间量 Δ7确定
Figure imgf000015_0001
3. 1. 1全并联结构的基本型光学 »Μ率倍增单元 全并联结构的基本型光学数据包速率倍增单元， 除了可变光延迟线模块之 夕卜， 还包括无源光器件， 如图 6所示。 当速率为 、 脉冲宽度为 Δ？、包长度为 K比特位的光数据包信号输入到该基本型光学数据包速率倍增单元时， 首先被 一个无源光分路器分成^ 言号， 然后送入 条并行的光学路径， 按照公式③ 所确定的时间延迟量 ')对各条光学路径上的光数据包信号作相应的处理， 见图 7所示。 再将这些经过时延定位处理后的 路光数据包信号输入一个无源光合 路器， 通过在时间上的交错叠加之后， 就在该光学数据包速率倍增单元的输出 端产生了一个超高速的光脉冲序列， 如图 7 G)所示。 它不仅包含了所需要的 比樹雄高速光觀包信号， 而且还包含了不需要的额汐卜光脉冲信号模式。
由于 "参考光路"的作用是将低速光数据包的最后一位比特信号固定到将 要生成的超高速光数据包的第 个时隙上， 以此时隙的结束时刻作为所需超高 速光数据包信号的结束时间， 在这个时间点之前的 个连续时隙段上将出现所 需超高速光数据包信号的全部^:比特位数据， 因此只需要在该基本型光学数据 包速率倍增单元的输出端后面级联一个电光或全光时间门部件， 在选通门控制 信号的作用下就能正确: tM 出经 率提升后持续时间被缩短为 Κτ的超高速 光数据包信号。一旦长度为 比特位的超高速光数据包信号全部通过了时间门 之后， 选通门控制信号应立即将此时间门设置到断路（ "Off" )状态。 视具体的 应用情况， 此时间门部件即可以由商用化的电光强度调制器或电光开关构成， 也可以是由一 快的光学逻辑 "与" (AND)门戶 滅的^ ¾时间门。
虽然基本型的光学数据包速率倍增单元实现较容易、 成本较低， 但它存在 着一个问题， 是与使用无源光器件有关的。 经过速率倍增后， 如果超高速光数 据包信号的持续时间 超过了速率倍增之前的原数据包信号的周期 R， 那 么受选通门控制信号驱动的时间门部件不仅能让所需要的超高速光数据包信号 通过它， 而且 有可能让该超高速光聽包之前和 /或之后的光脉冲序列模式应 摒弃掉的部分比特位也跟随有用信号一道出现在该时间门的输出端。 为了解决 这个问题， 本发明可以棚如下的 型光学 率倍增单元。
3. 1. 2全并联结构的鶴型光学»«率倍增单元
全并联结构的働型光学 率倍增单^ 棚有源光器件来确保
¾ ^每一 ^氏速光»©¾ 率倍增的期间， 其 可一条并行光学路径的输 俞出信号只能包含有一^短光脉冲， 如图 8 (a)和 8 (b)所示。 当这些经 过了延时处理的光脉冲信号再 «—"^¾源光合路 ¾¾行#¾之后， 输出的信 号就正好是一 度为 比特位的超高速光数据包信号， 如图 9 (j)所示。 为 了将输入的低速光数据包的 比特位串行数据转换为 比特位并行数据， 我 们可以在优选型光学籠包速率倍增单元的输入端棚一个 1 X K电光开关将 输入的 比樹立串行! ^分离成^:路 亍的单比特!^信号， 见图 8 (a)所示。 此电光开关的工作速率与输入的低速光数据包的数据率 ,.相当。 为便于说明 其工作原理， 假设这个 l x 电光开关的第一个输出端口是与 "参考光路"即 第一条光学路径相连接的， 并且第 个输出端口将连接到第 条光学路径。在 此情况下， 来自电光幵关的第 J个输出端口的光信号仅为低速光数据包的第 ( - j + i)位数据比特信号， U '··，/(。然后再将 路并行的单比特数据信号 送入按照公式④设计出的 条并行的光学路径， 除"参考光路"夕卜， 其余的 每条光学路径都包含有一个可变光延迟线模块， 以便产生出由公式③所确定 的时间 量^?)。 就导致第 条光学路径的输出信号正好定位到 生成 的超高速光数据包的第^- _/ + 1)位时隙上面。 当 条并行光学路径的输出信 号舰一^ ¾源光合路器进行叠加之后， 就能保证^ 1^6»倍增后所产生 的超高速数据信号正好是所需要的周期为 r = 、 长度为 比特位的光数据 包信号， 见图 9 (j)戶 ¾。
另一种实现方案是在全并联结构的光学 率倍增单元的输入和输出 级分别使用无源的光分路器和合路器， 而在连接输入和输出级之间的 条并 行的光学路径上分别使用 κ只电光强度调制器或者 A:只简单的电光开关来选 择出 路并行的单比特数据信号， 如图 8 (b)所示。 这样也能确保经过速率倍 增后所产生的超高速数据信号正好是所需要的周期为 r = l/fop、 长度为^:比特 位的光 信号。此处， 电光麵周制器赫简单的电光开关的工作速箱 当于输入的低速;) 16»¾的»率^ o
与駕勺基本型光学翻爐率倍增单元相比， 全并联结构的鶴型光学 麵舰率倍增单元由于更多地棚了有源光器件， 使得其财更高， 需要更 多的控制信号， 且術只默。但是， 这种鶴型光学 率倍增单元會 直接输出所需要的速率为 = l/r、长度为 比 f立的光 »包信号， 并且该 数据包信号的持续时间 Κτ既可以大于或等于速率倍增之前的原数据包信号的 周期 Β， 但也可以小于 7 Β,.。 3. 2全串联结构
虽然使用全并联型的光数据包速率倍增单元可以实现对具有任意 值的 低速光数据包速率的倍增， 但是当 值变大的时候， 该类光学数据包速率倍 增单元的结构^^变得 ， 增大， j»曾加。如果原始光 i¾ 信号的 长度为 比樹立， 且满足下列餅
K = 2M ⑧
其中 ≥ 1为整数， 贝 IJ本发明可以采用一种全串联的结构来有效实现光学»包 速率倍增单元， 如图 10所示。 它的一个显著特征就是由 M级光学 "分 /合"基本 单元串联构成的， ^ "分 /合"基 * ^元可采用一对光学分路器和合路器以 及一对光学延迟线， 其中的一条只是用作 "参考光路"来实现， 见图 10。 再根 据各个 "分 /合"基本单 间¾¾用直接级联， 还是全部或部 有源光器 件级 来的情况， 我们可以将全串联结构的光数据包速率倍增单元分为基本 型和优选型两类。 当d直很大时， 使用这种全串联型光学数据包速率倍增单元 可以显著降 ί«结构的 性和实现的难度。
全串联型光学聽舰率倍增单元与全并联型光 率倍增单元一样 都具有相同的基本工作原理， 即按照公式②所确定的周期时间缩短量 对速 率为 A、脉冲宽度为 ΛΡ的输入光包信号的 比樹 在时域上做相应 的重新定位处理， 从而形成了一个长度为 AT比特位的超高速输出光数据包， 其周期为 r = l/ 。 经此处理后， 就得到了由公式①确定出的所需速率倍增因 子。但是， 全串醒光学 率倍增单元在处理输入的光籠包信号时， 不是分别对 比 ί立翻作独立的延时处理， 而^ 131每级 "分 /合"基: Φ 満有关的賺匕欄亍跳 成组的相对延时处理。
为了便 牟释全串 «光学 率倍增单元的工作原理， 我们假设第 一级 "分 /合"基 元 ^于将输入光 信号的第 1与第 2比 {立、第 3与第 4比樹立、 第 5与第 6比 [立、 …、第 2W - 1与第 2W比 立分别 自的 "相邻比特对" ο然后第二级 "分 /合"基本单元是 ¾m—级基 元的 输出光信号基础上将第 1 ¾m 4比樹立賊一个 "相邻比特组"； 将第 5至 第 8比樹立滅另一个"相邻比特组"； …；
Figure imgf000018_0001
特组成最后一个 "相邻比特组"。 以此类推， 第三级 "分 /合"基林元是用 于将输入光»¾信号的第 1 ¾ 8比難Μ^—个 "相邻比特组"， 将 第 9 16比 (立|@^二个"相邻比特组"， …， 将第 - 7 2 比特 位组成最后一个 "相邻比特组"。 因此， 第 j级 "分 /合"基林元是用于将 输入光麵包信号的第 1纖 立賺瞧 一个 "相邻比特组"， 将 第 2 1至第 2 比膨 二个 "相邻比特组"， …， 将第 - 2 1位至 第 位数据比特组成最后一个 "相邻比特组" j = 1， 2, ..., M。 如果按照公式
②所确定的 ΔΤ数值作相应的时间间隔压缩， 那么这些 "相邻比特组" 内部 的任意两个相邻数据比特位都具有一个相同的时间间隔 因此， 在第 级 "分 /合"基本单元的输出端， 就能得到速率被提升为 /βρ = ΐΛ的所需光数据 包信号。 就要求第一级 "分 /合"基本单元的延迟光路比它的 "参考:) W" 多出的时间延迟量为 Δ^) = ΔΤ^.； 而第 _/级 "分 /合"基: W元的延迟^ W应比 其 "参考光路"多出的一个时间延迟量为 Δ^')
As = 2^1^ ， j = 1, 2, 3, ..., M ⑥ 其中 是速率为 的数据所需要的周期时间缩短量， 由公式②确定。 为了实 现光画包信号的自适应速率倍增， 除 "参考光路"夕卜， 每级 "分 /合"基本 单元的 各的长度都必须随输入光 «包信^ I率的变化作相应的调整。 与全并联结构的光学 率倍增单元的情况类似， 自¾©1率倍增因 择电路应根据计算出的 RA^数值首先产生出一个对应的光程选择控制信号， 然后将它分别送去控制 ^个可变光延迟线模块 (V0DLM)以便产生出所要的 个光程量。 因此， 用于第 _ /级 "分 /合"基本单元的延迟光路应该比它的 "参 考光路"多出的光程量 Δ ')为
Δ/ 1, 2, ..·, Μ ⑦
Figure imgf000019_0001
根据公式⑥， 并参见图 5所示的结构， 我们就可以设计出相应的可变光延迟 线模块。
类似于全并联结构的光学 率倍增单元的情况， 采用全串联辯勾的 光学 率倍增单元也可以分为基本型和 两种。
3. 2. 1全串联结构的基本型光学 率倍增单元
全串联结构的基本型光学 率倍增单元， 除了可变光 ®¾模块之 夕卜， 是由无源光器件滅的。 由于一对串联的无源光 2 x l合路器和 l x 2分路器 可以用一支无源光 2 X 2方向耦合器代替， 因此该基本型光学数据包速率倍增
_ 11 单元的结构如图 11所示。 当它输入端的信号是一^ I率为 A.、 脉冲宽度为
AP , 包长度为 = 2 匕特位的光数据包信号时， 各级 "分 /合"基林元按 照公式⑥所确定的时间延迟量 Δ5 分别对光数据信号进行相应的处理。 图 12 显示了当 = 3时， 第一级 ¾m三级 "分 /合"基: 长度为 8 比 (立的 输入光数据包信号进行处理的一个例子。 由于使用了无源光 2 X 2方向耦合器 的原故， 这种 M;在时间上交错叠加后形成的超高速光脉冲序列不仅包含了所 需要的 比特位超高速光麵包信号， 而且还包含了不需要的一些其它光脉 冲信号模式， 如图 12 (h) 。 因此， 在该基本型光学! 率倍增单元的 输出端后面还需要级联一个电光或全光时间门部件， 在选通门控制信号的作用 下就能正确地选择出经过速率提升后的超高速光数据包信号。 一旦长度为^ 比 的超高速光 »¾信号全部 ® 了时间门之后， 门控制信号] ^即 将此时间门设置到断路（ "Off" )状态。
作为基本型光学数据包速率倍增单元存在的一个共同问题， 如果超高速光 数据包信号的持续时间 2 超过了速率倍增之前的原数 信号的周期 / 1。， 那么受选通门控制信号驱动的时间门部件不仅能让所需要的超高速光数据包信 号通过它， 而且还有可能让该超高速光翻包之前和 /或之后的光脉冲序列模式 应摒弃掉的部分比特位也跟随有用信号一道出现在该时间门的输出端。 为了解 决这个问题， 我们可以麵働型的光学 率倍增单元。
3. 2. 2全串联结构的«型光学 率倍增单元
全串联结构的优选型光学数 率倍增单元可以在每级 "分 /合"基本 单元的输出端级联一个电光或全光时间门部件或者在某些选定的 "分 /合"基 元的输出端级联电光或全光时间门部件， 见图 10所示。在 门控制信 号的作用下， 该时间门部件就能对由 "分 ¾~延时-合路"光学处理过程造成 的无用光脉冲^ ¾效的 "相邻比特对" I "相邻比特组"在有关的中间级±¾ 行及时的摒除， 其结果只选出需要的 "相邻比特组" I "相邻比特对"输入到 下一级的 "分 /合"基；$ 元。 由于 iM¾—处理后， 所需要的 "相邻比特组" I "相邻比特对"之间总是具有足够的时间间隔，因] ¾就能确保在最后一级 "分
/合"基本单元的输出端超高速光数据包信号的持续时间 2wr既可以超过速 率倍增之前的原数据包信号的周期 1/A， 也可以小于原数据包信号的周期 1/5,.， 从而有效解决了因棚基本型光学麵艇率倍增单元所带来的光麵 包信号长度受限问题。 当然这一解决方案是以增加光学»¾1率倍增单元的 成本为代价由于■了时间门部件和相应的控制电路。
图 13给出了一个 M = 3的例子。与上节讨论的全串联结构基本型光学数 据舰率倍增单元的各级输出光信号相比， 如果我们在 i<麵光学麵繊率 倍增单元的第一级 "分 /合"基本单元的输出端级联一个时间门部件， 那么就 肯,出由所要的第 1与第 2比樹立、第 3与第 4比 {立、第 5与第 6比 (立、 第 7与第 8比樹立分别繊的四个 "相邻比特对"， 它们之间具¾»：的时 间间隔， 见图 13 (d)麻。若 TO第二级 "分 /合"基林元的输出端级联一 个时间门部件， 那么经 ¾M门控制信号筛选后输入到最后一级 "分 /合"基 元的光脉冲序列信号就只包含了由第 1 比 {立滅的一个 "相邻 比特组"和由第 5至第 8比特位組成的另一个 "相邻比特组"， 并且它们之 间具有更大的时间间隔， 如图 13 (f)所示。这样就能确保在最后一级"分 /合" 基^ 元输出端所产生的超高速光 «包信号可以具有一个大于 1/A的持续时 间。经 后一级應门控制信号的作用后， 该 光学 率倍增单 元就只输出与速率为 的输入光麵包信号一一对应的、长度为 2M比特位的 超高速光画包信号，见图 13 (j)。在工禾 用中， 为了节省^ Φ:和便于实现， 我们可以根据实际的要求只在某些指定的 "分 /合"基林元的输出端级联时 间门部件。例如， 如果我们在第二级 "分 /合"基林元的输出端级 ¾m—个 时间门部件， 贝 IJ输入到第三级 "分 /合"基 元的光脉冲序列信号就只包含 了两个相距较远的 "相邻比特组"， 分别是由第 1至第 4比樹立和第 5 ¾ 8 m, 如图 13 (f)麻。然后在该 光学 率倍增单元 的输出端， 我们同样可以得到正确的超高速光» &信号， 见图 13 (j)。
3. 3串—并混合型结构
从 3. 1节的讨论中， 我们知道個全并«的光»«率倍增单元可以 实现对具有任意 值的低速光数据包速率的倍增， 但是当 K值变大的时候， 光学籠 率倍增单元的结构将会变得錄， 術只增大， ]»曾加， 见 图 4。虽然棚全串麵的光学觀舰率倍增单元可以克月 ½些缺点， 但是 它所能处理的输入光数 信号的长度 必须等于 2W， 其中 M≥ 1为 βί。在 实际系统与网络中， 原始光数据包信号的长度为^:比特位， 可能无法满足 的要求， 例如 ATM网络等。 就使得成本有效的全串 β光学讓包 速率倍增单元不能应用到 = 2Μ的情况。 为了有效地解决这个问题 全 光«« 倍增技术的推广]¾)¾， 我们结合±¾的全串 ¾ 和全并 ra^数 据包速率倍增单元的优点， 提出串-并混合型结构， 实现结构较简单、体积较 小、 成本较低的全光数据包速率倍增单元。 它具有处理 ≠2W的光数据包信 号之能力。其基本的工作原理可以结合 3. 1节和 3. 2 TO^:并麵和全 串联型的光»^1率倍增单元的工作原»[ 率释。
采用串-并混合型结构的光数据包速率倍增单元主要通过两种形式来实 现。第一种形式是以并联结构为骨干， 然后根据具体的需要可在其中的某些并 行光路上或者它的 并行光路上分别插入全串輕的光学 率倍增单 元， 如图 14所示。在此处， 最简单的全串¾ ^学 irig^l率倍增单元只是 一个单级的 "分 /合"基本单元； 而最简单的全并«光学 «包速率倍增单 元则被认为是仅仅包含有一条光学 ¾«的情形， 即只有单条延时光学路径。 第二种形式是以串联结构为骨干， 然后视实际需要可在第一级 "分 /合"基本 单元的输出端并¾ ^支全串 β的光学 率倍增单元和一条并行的光学 支路。 图 15给出了一个 = 10的例子。 当长度为 10比籠的鍵光¾$½ 信号输入到该串-并混合型的光学麵包速率倍增单元之后,第一级 "分 /合" 基本单元输出端所级联的时间门部件就肯,出由第 1与第 2比特位、第 3与 第 4比特位、第 5与第 6比特位、第 7与第 8比特位、第 9与第 10比 (立分 别组成的五个 "相邻比特对"， 且它们之间具有较大的时间间隔。 然后在控 制信号的作用下， 电光开关将前四个 "相邻比特对"送入到位于第一条并行 光学支路上的第二级 "分 /合"基轉元， 而将最后一个 "相邻比特对"送入 第二条并行光学支路。 经此处理后， 在第三级 "分 /合"基本单元的时间门输 出端就产生了由第 1 ¾m 8比樹 规成的超高速光麵信号序列，如图 13 (j) 和图 15所示。 当它通过一个可变光延¾模块作适当的延时处理后， 再与来 自第二 行光学 的另一个光讓信号序列 (由第 9与第 10 immm
"相邻比特对"）在无源光合路器中进行叠加， 就形成了长度为 10 比 (立、 新周期为 r = l//。p的超高速光数据包信号， 见图 15。 该种串 -并混合型结构也 可以根据需要灵活地在第 r级 "分 /合"单元的输出端并联一支全串联型的光 学 率倍增单元和一条并行的光学支路,其中 r < M 0 当^: = 18时， 它可以被 为 = 24 +2， 其对应的 值为 2。 因此， 我们 也可以采用图 14戶 ^的结构， OT两支全串 «的光学»^31率倍增 单 能实辦速率为 、包长度为 18比難的输入光« ^信号的速率倍 增。首先在控制信号的作用下， 输 Λ¾的电光开关将低速光麵包信号的第一 位至第十六位«比 ¾Λ到第一条^ ίϊ光路上， 它包含有一个由四级 "分 / 合"基本单元构成的全串联型光学数据包速率倍增单元和一个可变光延迟线 模块 VODLMttl, 以实 ¾¾^诞俞入光«包信号的前十六 的速率倍增。然 后电光开关再将输入光 信号的最后两 ^比 到第二餅行幾 上， 仅含有一个单级 "分 /合"基本单元， 实麵输入光翻包信号的最后两 位麵的速率倍增。 «^第一条并行舰上的可变光 ¾ ¾模块进行正 确的延日¾制， 就能使得来自于第一条并行 «的«序列与来自于第二 行光路的麵序列经过一个无源光合路器进行叠加之后， 正好形成长度为 18 比 (立、新周期为 τ· = 1//。 的超高速¾«包信号。
4.超高速光 信号的获取
为了实囊低速输入 信号的速率倍增， 无论是全并麵光学麵 率倍增单元， 见图 4、 6、 8， 还是全串 β光学数 率倍增单元， 见 图 10、 11， 或者是串-并混合型光觀繊率倍增单元， 见图 14、 15， 都需要 ■选通门控制信号对其内部的相应电光开关器件、 电光或全光时间门部件进 行正确的开通时间控制， 以确保光学 率倍增单元的输出信号与難入 端的低速光 i¾m信号总是——对应的， 且输出光«包信号的速率 I 子是输 入光数据包信号速率的 ?M,.倍。 这就要求使用时间门控制信号发生器给相应 的电光幵关器件、 电光或全光时间门部件樹共所需的电子或光学控制信号， 并 且该时间门控制信号发生器应貪 与输入到光学 率倍增单元的 ί¾Ι光 «包信号同步。在此情况下， 乡 Sffi当的延时处理后， 所 iif共的 β门控制 信号就能确保需要的输入光翻比樹言号被 正确的光学路径， 赫在光学 率倍增单元的输出端或中间级的时间门部件处筛选出所需要的超高速 光麵包信号 高速光翻序列。

Claims

权 利 要 求
1.一种多 «率兼容型超高速自适应全光 率倍增方法， 其实现步骤 包括：
(1)低1»^信号的脉冲宽度压縮：
(1.1)产生超短光脉冲采样序列： 采用能与夕卜部数据时钟信号同步的超短脉 冲激光源， 产 复频率等于 ( e {1, 2, ·.., "})的周期 '膙短光脉冲采样序列；
(1.2)将原始低速电数据包信号和重复频率等于 Bi的周期性超短光脉冲采样 序列经超快电^ ¾样后生成速率为 、 基于超短脉冲的原始低速光 »包信号; 或将原始的光数据包信号和重复频率等于 的周期性超短光脉冲采样序列经全 光采样后生成速率为 基于超短脉冲的原始 β光 » ^信号；
(2)选择自¾¾率倍增因子
(2.1)根据原始低速数据包信号的速率^和倍增后所需要达到的超高速光数 据包的数率 ΛΡ， 自适应地计算出数据包的速率倍增因子?M,， 速率倍增因子 ,.为大于 1的任意数值： , ， ①
Figure imgf000024_0001
其中， z' e {1, 2, ..·, "} ;
(2.2)确定出压缩过程中所需要缩短的时间量 ：
ATf {RMi - l)T ， ②
Figure imgf000024_0002
该式中 r = -—为压缩后光数 信号的时间周期；
J op
(3)压缩原始低速光«包信号周期时间：
按照公式②所确定的周期时间缩短量 Δ7， 利用光学数据 率倍增单元对 原始低速光数据包信号时间周期进行压缩， 从而将速率为 的低速光 »包信 号转换成速率为 ^的多个超高速光数据包信号， 这多个超高速光数据包信号中 只有一个是保持原始正确帧结构， 剩余的都^ ti¾帧结构；
(4)获取具有正确帧结构的超高速光 1¾^信号：
M:光门控信号在光学¾^¾¾率倍增单元的输出端 出正确帧结构的 超高速光麵包信号。
2.根据权利要求 1 的多 «率兼容型超高速自适应全光 率倍 增方法， 其特征在于： 戶满的光学 率倍增单元为全并联结构， 就学 麵舰率倍增单元是：
(1)将输入的速率为 、 脉冲宽度为 ΔΡ、包长度为 Κ比 立的光麵包信 号分成 路；
(2)分别注入 条并行的光学路径， 进行延时处理， 第 条光学路径的时间 延迟量△ )为：
=(·- 1)Δη ， ③ 其中， j = 2,3,〜，K;
贝 IJ， 全并联型光学 率倍增单元的第 条光学路径比参考 «多出的 光程 ，
AL? = - Atf l){RMi - 1) ， ④ n n
其中， c 为真空中的光速， n 为光波导材料的折射率， j = \,2 K , ie{l, 2, ...,«}；.
第 条光学路径和第 + 1条光学路 间的相对延时光程 A )sic为： ⑤
Figure imgf000025_0001
其中， e{l,2,...,A:-l};
(3)再将 条并行的光学路 @£行合路输出。 3.根据权利要求 2 ¾的多 l¾g率兼容 高速自 全光 率倍 增方法， 其特征在于： 腿的光学麵舰率倍增单元为全并联结构， 该光学 麵舰率倍增单元是： 速率为^、脉冲宽度为 Δ？、包长度为 比 f立的光麵包信号输入光学数 据包速率倍增单元时， 首先通过无源光分路器分成 路信号， 然后送入 条并 行的光学路径， 按照公式③：
Figure imgf000026_0001
(/ - 1)Δ7 ， ③ 其中， 7 = 2, 3, ..., ^； 确定的时间延迟量 Δ 对各条光学路 的光数据包信 号进行延时处理， 再将经过延时定位处理后的 路光数据包信号输入无源光 合路器， 在时间上交错叠加之后， 在该光学|¾^1率倍增单元的输出端产生 了一个超高速的光脉冲序列。 4.根据权利要求 2戶 Μ的多 »率兼容型超高速自适应全光 率倍 增方法， 其特征在于： 戶 M的光学 率倍增单元为全并联结构， 该光学 贿繊率倍增单元是：
通过有源光器件对每一个低速光数据包进行速率倍增， 任何一条并行光 学路径的输 俞出信号只包含有一 短光脉冲， 在光学 率倍增单 元的输入端使用一个 I X 电光开关将输入的 比特位串行 «分离成 ^路并 行的单比特 信号；
或在全并联结构的光学数据包速率倍增单元的输入和输出级分别使用无 源的光分路器和合路器， 而在连接输入和输出级之间的 条并行的光学路径 上分别 κ只电光强度调制器或者 κ只简单的电光开 选择出 κ路并行 的单比特麵言号；
光学数据包速率倍增单元直接输出所需要的速率为 fop、 长度为 κ 的光 信号。
5.根据权利要求 1戶 ί¾的多 «率兼容 ¾¾高速自适应全光 ¾ M率倍 增方法， 其特征在于： 戶 的光学««率倍增单元为全串联结构， 该光学 薩爐率倍增单元是：
第 级 "分 /合"基本单元的延迟光路比 "参考光路"多出的时间延迟量 为：
Asf ^ ^A^ ， ⑥ 其中， 是②式中的、 速率为 Α的数据包所需要的周期时间缩短量， j = 1, 2, 3, ..., M；
第 级 "分 /合"基本单元的延迟光路应该比 "参考光路"多出的光程量 △)'·) '为：
Δ/ = - A. = ^I(RM,. - 1) ， ⑦ n n
其中， · e {1, 2,…， "}； j = 1, 2, ..., Μ。
6.根据权利要求 5腿勺多麵率兼容型超高速自舰全光麵包速率倍 增方法， 其特征在于： 戶 的光学 率倍增单元为全串联结构， 该光学 麵舰率倍增单元是：
输入端 ^¾率为 、 脉冲宽度为 Λ？、包长度为 ^ = 2M比樹立的光 «包 信号， 各级 "分 /合"基轉元按照公式⑥：
= HT ， ⑥ 其中， 是②式中的、 速率为 的数据包所需要的周期时间缩短量， j = 1, 2, 3， ..·, ; 确定的时间 «量 分别对光 信号进行倍增处理。
7.根据权利要求 5戶 ¾的多 «率兼容型超高速自适应全光»&1率倍 增方法， 其特征在于： 戶 M的光学 »M率倍增单元为全串联结构， 该光学 »«率倍增单元是：
在每级 "分 /合"基本单元的输出端级联一个电光或全光时间门部件， 或 在某些选定的 "分 /合"基本单元的输出端级联电光或全光时间门部件， 在选 通门控制信号的作用下， 所述的电光或全光时间门部 ί牛就对由 "分路-延时-合 路"光学处 禾 S 成的无用光脉冲^ ¾效的 "相邻比特对" I "相邻比特组" 在有关的中间级上进行及时摒除， 选出需要的 "相邻比特组"或 "相邻比特 对"输入到下一级的 "分 /合"基 元。
8.根据权利要求 1戶 ί¾的多 i¾率兼容 高速自适应全光 率倍 增方法， 其特征在于： 所述的光学麵包速率倍增单元为串 -并混合型结构， 该光学««率倍增单元是：
以并联结构为骨干， 在其中的并行光路上分别插入全串联型的光学数据 包速率倍增单元； 或以串联结构为骨干， 在第一级 "分 /合"基本单元的输出 端并联一支全串联型的光学 率倍增单元和一条并行的光学支路。
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