用于高速光分组交换的新型全光串并转换方法

摘要

一种新型全光串并转换方法。包括：由皮秒光脉冲源产生重复频率为M/NHz的光脉冲；经掺铒光纤放大器放大后通过色散位移光纤使光谱展宽；再通过N路波分解复用器，输出N路不同波长的M/NHz窄脉冲，然后调节每路的传输延时后再进入N路波分复用器进行时分/波分复用，输出波长周期性变化的MHz光脉冲；上述MHz光脉冲与Mbit/s的线路光信号进行波长变换，其中Mbit/s线路信号作为控制光，MHz光脉冲作为受控制光，MHz光脉冲便复制了线路光信号的信息，成为波长周期性变化的Mbit/s光信号；再进入N路波分解复用器，不同时序上的光脉冲由于波长的不同就从波分解复用器的不同端口输出，最后再分别经过不同的延时光纤可以同时输出，这样就完成了全光串并转换。

说明书

【技术领域】：本发明涉及通信技术领域，特别是高速光信号的串并转换技术。

【背景技术】：随着Internet数据量的爆炸性增长以及无线通信3G业务的逐渐展开，对通信网络的带宽和容量的要求也急剧增加。因此，通信网的两大主要组成部分——传输和交换都面临着前所未有的挑战。在传输部分，DWDM技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，传输速率最高记录已经达到了Tb/s级。随着光传输技术的发展，带宽已不再是网络的瓶颈。目前40Gb/s的商用系统已可实用。但在高速率分组交换上，仍然没有太大的突破。高质量的数据业务的交换仍然采用如IP over SDH等多层网络结构方案，开销巨大，无法充分利用底层DWDM带宽资源和强大的波长路由能力。发展具有高度生存性的高速率分组交换网络成为宽带通信网未来发展目标。

目前采用的交换方式是光路交换OCS，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的地端的光路(每一个链路上均需要分配一个专业波长)。光路交换的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦通路被建立不管通信双方是否处于通话状态，分配的线路都一直被占用，而且线路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信。

从长远来看，光分组交换OPS(Optical Packet Switching)是光交换的发展方向。光分组交换技术主要优势在于：一是容量大、数据率和格式的透明性高、可配置性灵活能支持未来不同类型数据等特点；二是能提供端到端的光通道或者无连接的传输；三是带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求；四是把大量的交换业务转移到光域，交换容量与DWDM传输容量匹配，同时光分组技术与OXC、MPLS、ASON等新技术的结合可实现网络的优化与资源的合理利用，因而，光分组交换技术势必成为下一代全光网络规划的“宠儿”。

光分组交换网络的发展已有十几年的历史，世界上很多国家已作了这方面的研究。但就目前的光信号处理技术而言，还远远没有达到信号能够在光域进行处理的程度，必须经过光电转换后再进行数据分组的报头处理和缓存。而以目前的计算机和电随机存储器(RAM)处理速度来看，还远远不能够处理和缓存高速率的光分组数据(10Gb/s或更高的40Gb/s)，这样就使得光通信大容量的优势荡然无存。所以要想继续提高现有网络的性能，必须解决光分组交换的技术问题。进一步讲，要实现光分组交换，一是要处理高速率分组数据的头部协议；二是要对高速光数据包进行缓存。

对于头部的处理技术而言，目前常见的是头部协议采用低速率的数据，以便计算机能够对其进行处理。而将报头与数据分离的常见的几种方案有：1、固定速率的串行报头标记方法；2、光载波复用的报头标记方法；3、强度调制与相位调制结合的正交调制技术；4、光载波抑制与分离技术等。这些方案各有特点，但总的来讲，都存在数据和报头调制分离技术的复杂性；报头与数据相互干扰；低速率报头占用过多带宽；与现有的通信系统不兼容等问题。另外，还有采用全光的办法进行报头处理的实验报道，但由于光学处理的技术上还远没有成熟，目前能够实现的功能还很原始。在可以预见的将来，用全光的办法还是不可能完成协议的处理。

另外一个问题是光学缓存的问题，由于光子是玻色子，没有静质量，所以实现光随机存储难度极大，以至于光内存现在仍处于很原始的阶段，还没有光RAM的出现。目前为止，用于实现光随机存储主要有两种技术：一种是用光学双稳态存储；另一种是用光纤延迟线。光纤延迟线的缺点是成本昂贵，体积笨重，且很难保证温度稳定性。而且，为了保证系统的随机存储特点，整个系统将十分复杂。

在ECOC’2004和APOC’2005的会议上，NTT的T.Nakahara等人报道了一种用于40Gbit/s光分组交换的光子RAM的实验。该方案的思想在于采用新型的串并转换技术将高速率的线路信号变成低速率的并行信号，这样信号就可以采用现有的电RAM进行随机存储和数据处理。该技术的优点在于，1、对于线路信号没有特殊的改变，现有信号的调制方式、协议都可以不变；2、信号的存储和处理采用了成熟的电子技术，因而具有很强的实用性。3、由于电存储的特点，一方面可以将报头数据存储下来，以便在较低的速率条件下处理头部协议数据，如果存储容量足够的话，也可以将整个数据帧存储下来，进行存储—转发。这样就可以同时解决目前高速率光分组交换的两个主要问题。

该方案的主要思想和特点表现在高速率的串/并、并/串转换上。但问题也主要出现在这两个环节上。主要的问题有：1、按这个方案的设想，40Gbit/s的信号要将速率降到能够使系统连续工作(小于400Mb/s)。变换后的并行路数必须大于100路，而该方案采用了设计非常复杂的三维波导结构，几乎不可能达到这个要求(实际的报道路数只有16路，因此该系统无法处理连续的40Gbit/s速率下的光数据报，实验报道的33bit数据报的重复频率仅为42MHz)。2、该方案的串并转换的损耗与路数也成正比关系(100路的插入损耗理论上最小为20dB)，这也限制了路数的增加。3，报道中采用的全光开关是多路信号同时注入的(实验中是16路信号+1路控制开关信号)，当路数太多的情况下，信号总功率及信号间的相互干扰最终将导致该系统无法正常工作。所以，尽管该方案的思想是非常好的，但就方案本身而言却有很大的缺陷，很难达到真正实用化的要求。

按以上的分析，要想真正达到实用，一个好的串/并方案应该解决以下几个问题：1、方案要尽量简单，在路数＞100路的条件下其复杂性应该是可以接受的。2、在路数增加的条件下，插入损耗不应该增加过多。3、系统中器件的工作性能不应该由于路数增加而下降。

国内目前关于光分组交换的理论和实验研究还处于起步阶段，有关的理论和实验研究凤毛麟角。

综上所述，在很长一段时间内，高速率光信号的处理与存储仍然需要采用较低速率的电子器件来完成。这样，就需要将高速率的光信号变成较低速率的信号，因此高速率光串/并转换技术是至关重要的。如果在该技术上获得突破，不仅可以实现报头处理功能，而且可以直接应用于光分组数据的存储转发，从而实现光分组交换，此外高速率光串/并转换技术在其它高速率光信号处理技术方面也是大有前途的。

【发明内容】：本发明的目的是解决上述方法中的不足，提供一个新的可用于40Gbit/s系统的全光串并转换方法，并可以扩展实现大于100路的串并转换。

本发明提供的用于高速光分组交换的新型全光串并转换方法，将M bit/s的高速线路光信号，通过1:N的串并转换，输出N路M/N bit/s的低速光信号，具体步骤如下：

1)由皮秒光脉冲源产生重复频率为M/NHz，脉冲宽度小于(1/M)s；

2)上述光脉冲经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后通过色散位移光纤(DSF)，使光谱展宽到大于N路波分解复用器的输入波长范围；

3)光谱展宽后的光脉冲再通过N路波分解复用器进行光谱切片，从不同端口输出N个波长的窄脉冲，通过调整各路的衰减使N路脉冲的能量保持均衡，然后各路加入不同长度的光纤，调节每路的传输延时，其中第1路信号不加延时，第i路信号与第1路信号的时延差为(i-1)/M，其中i＝2至N，然后再进入N路波分复用器，同时进行波分/时分复用，输出波长周期性变化的M Hz光脉冲；

4)上述MHz光脉冲与Mbit/s的线路光信号同步注入高速可调波长变换单元，其中Mbit/s线路信号作为控制光，波长周期性变化的MHz光脉冲作为受控制光，利用交叉增益效应实现波长变换后，波长周期性变化的MHz光脉冲便复制了线路光信号的信息，成为波长周期性变化的Mbit/s光信号；

5)上述波长周期性变化的Mbit/s光信号再进入N路波分解复用器，不同时序上的光脉冲由于波长的不同就从波分解复用器的不同端口输出，最后再在波分解复用器输出的各路后面加入不同长度的光纤作为延时，其中第N路信号不加延时，第i路信号与第N路信号的时延差为(N-i)/M，其中i＝1至N-1，每个光脉冲经过不同的延时后同时输出，这样就完成了一个全光串并转换。

本发明的优点和积极效果：本发明方案从理论上能够克服现有方案的不足，可扩展实现大于100路的串并转换，为下一步光子随机存储器(Photonic RAM)的研究及光分组交换的最终实现打下良好的基础。同时，本方案提出的高速率全光串并转换技术在其它高速信号处理领域也有很好的应用前景。

【附图说明】：

图1是本发明转换方法总体结构示意图。

【具体实施方式】：

实施例1

参见图1，以16路的串并转换举例说明：

1)由皮秒光脉冲源产生重复频率为2.5GHz的光脉冲，将重复频率为2.5GHz的光脉冲先进行压窄，使其脉冲宽度小于25ps；

2)将上述脉冲光通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大后进入色散位移光纤(DSF)，使其光谱展宽大于12.8nm；

3)展宽后的光脉冲再通过16路的波分解复用器进行光谱切片(本实施例N选16)，得到16路波长不同但重复频率都为2.5GHz的光脉冲；

4)每路信号通过适当长度的光纤调整其延时，其中第1路信号不加延时，第i路信号与第1路信号的时延差为(i-1)/(4*10¹⁰)，其中i＝2至16，再经过16路波分复用器，进行波分与时分双重复用，得到波长周期性变化的脉冲光；

5)此脉冲光进入波长变换器，作为被控制光；

6)将40Gbit/s的高速线路光信号也送入波长变换器，作为控制光；

7)这个波长周期性变化的光脉冲与40Gbit/s的线路光信号同时注入波长变换器，其中40Gbit/s的线路光信号作为控制光，这样，线路光信号经过波长变换，并通过16路波分解复用器后，分解成16路速率为2.5Gbit/s的低速光信号；对于不同的脉冲，对应了光源的不同的波长，输出信号经过一个波分解复用器后，不同位置的光脉冲由于波长的不同就从不同的端口输出；再从波分解复用器输出的各路光脉冲后面加入不同的光纤延时，第16路不加光纤延时，在第i路光脉冲后面，加入与第16路光纤长度差为(16-i)*(C/n1)/(4*10¹⁰)的光纤作为延时，其中i＝1至15，C为光速，n1为光纤折射率，C/n1为光在光纤中的传输速率，这样每个光脉冲经过不同的延时后同时输出，这样就完成了串并转换。

本发明对16路以上的串并转换(如50路、100路等)同样适用。