基于布拉格衍射原理的光分组交换系统和方法

摘要

本发明涉及基于布拉格衍射原理的光分组交换系统和方法。包括光分组生成模块、光净荷和光标签分离模块、标签处理模块和光开关模块，光分组生成模块产生的光分组通过光纤后进入光净荷和光标签分离模块被分离为两路光净荷和一路光标签，光标签和一路光净荷进入标签处理模块后输出路由控制信号到光开关模块，另一路光净荷直接进入光开关模块并根据路由控制信号输出。本发明的有益效果是具有很高的传输效率的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，尤其涉及光分组交换技术领域。

背景技术

网络分组业务量的不断增加，给网络节点的交换能力提出了更高的要求。为此，人们提出了光分组交换(0ptical Packet Switching，OPS)技术，被认为是下一代光网络发展的方向，并受到广泛关注。光分组交换的最小颗粒是光分组，它由光净荷和光标签两部分组成，光净荷即需传输的数据，它始终在光域传输，相当于光传送网中传输的数据信息；光标签则携带路由和交换的信息，在节点可以进行光电转换，用于控制光开关矩阵，相当于自动交换光网络中的控制信息。

在光分组交换网络中，光标签的识别处理十分关键。目前已有的光标签识别处理方案包括：比特串行(Bit-serial)光标签处理方案，正交调制(0rthogonal Modulation)光标签处理方案，副载波(Subcarrier Multiplex：SCM)光标签处理方案和多波长(Wavelength Division Multiplex：WDM)光标签处理方案等。SCM标签处理方案中，光净荷和光标签由同一波长传输，它们分别采用基带和副载波光调制技术得到；该方案能够很方便的实现光净荷和光标签的分离，但是副载波的介入会降低信道的传输质量。WDM标签处理方案以特定波长承载光标签，因而易于实现光标签识别，但光标签占用了额外的波长信道，降低了信道的利用率。

对于光标签和光净荷在频域分开传输的WDM标签处理方案和SCM标签处理方案，在网络节点处利用滤波器就能实现标签的提取，例如利用一个窄带的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)滤波器，将布拉格(Bragg)波长对准光标签或光净荷，使光标签和光净荷一个反射一个透射从而实现两者的分离，FBG滤波器是用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成周期性的折射率调制分布，从而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射。该方案的优点在于结构简单，易于实现，但是现有的FBG滤波器的传输特性制作完成后就固定不可调节，只能处理一个信道对应的光分组，这样每一个信道都需要一个FBG滤波器进行光标签和光净荷的分离。由于一根光纤往往同时包含几十个波长信道，现有的处理方案就必须设置对应数量的FBG滤波器，增加了光分组交换系统的复杂程度，同时也降低了系统的灵活性和传输效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的光标签识别处理方案中传输效率低的不足，提出了基于布拉格衍射原理的光分组交换系统和方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于布拉格衍射原理的光分组交换系统，包括光分组生成模块、光净荷和光标签分离模块、标签处理模块和光开关模块，其特征在于，光分组生成模块产生的光分组通过光纤后进入光净荷和光标签分离模块被分离为两路光净荷和一路光标签，光标签和一路光净荷进入标签处理模块后输出路由控制信号到光开关模块，另一路光净荷直接进入光开关模块并根据路由控制信号输出。

上述光分组生成模块包括激光器、光强调制器、数据信息终端和微波磁光调制器，其中激光器经光强调制器后，将光引入微波磁光调制器；数据信息终端有两个端口，分别与光强调制器和微波磁光调制器相连，输出要传送的数据以及所对应的路由信息。

上述光净荷和光标签分离模块包括光环行器、磁光光栅-珐珀(MOG-FP)滤波器、光分束器，MOG-FP滤波器将输入的光分组一部分透射一部分反射，从而实现光标签和光净荷的分离；光环行器从其端口接收光分组后将被MOG-FP滤波器反射的光信号由端口至端口输出到分束器，透射的光信号直接从其端口输入到MOG-FP滤波器；光分束器将输入光分为两束，其中光分束器的端口的衰减与经过MOG-FP滤波器的衰减相同，端口与光开关矩阵相连输出光净荷。

上述标签处理模块包括两个光电探测器和光电探测器以及光功率比较器，光电探测器和光电探测器分别将输入的光标签和光净荷的光功率转化为电信号，光电探测器和光电探测器的输出端与光功率比较器相连；光功率比较器通过运算电路计算出光标签与光净荷的光功率比值，此光功率比值即可表示路由信息，光功率比较器的输出端与路由控制单元相连；光净荷由分束器分为两路，一路进入下述的标签处理模块与光标签进行功率比较，提取交换路由信息并送入路由控制单元产生路由控制信号；另一路通过下述的光开关矩阵后与由标签产生模块新产生的光标签组成新的光分组。

光开关模块包括光开关矩阵、路由控制单元、光标签产生单元，路由控制单元端口与光开关矩阵相连，路由控制单元从光功率比较器获取路由控制信息以控制光开关矩阵对光净荷的输出；光标签产生单元的一输入端与光开关矩阵的输出端相连，另一输入端与路由控制单元的端口相连，以获得下一个节点的路由信息，形成新的光分组。

为了实现上述目的，本发明还提出了基于布拉格衍射原理的光分组交换方法，包括步骤：

(1)在光分组生成模块，需要传送的数据通过光强调制器加载到光域，而路由信息则通过微波磁光调制器加载到光域，从而形成光分组；

(2)在光净荷和光标签分离模块，磁光光栅-珐珀(MOG-FP)滤波器使光标签和光净荷分别透射和反射，实现光分组的光标签和光净荷分离；

(3)在标签处理模块，对光标签和光净荷进行功率比较，得到光功率比值表示的路由信息，下述的光开关模块中的路由控制单元根据该路由信息产生路由控制信号，并对光开关矩阵进行正确的配置，使光净荷交换到光开关矩阵中与路由信息对应的输出端口，光开关模块的光开关矩阵按路由信息使光净荷从正确的端口输出；

(4)在光开关模块，下个节点的路由信息通过光标签产生单元加载到光域，与光开关矩阵输出的光净荷组成新的光分组，然后从光开关模块输出；

循环重复上述步骤，就不断形成新的光分组继续向下一个节点传输。

本发明的有益效果是：本发明利用微波磁光调制器的Bragg衍射效应产生光分组，标签信息用净荷与标签的光功率相对大小表示，采用频率较低的微波静磁波对净荷光信号进行衍射调制，光标签与光净荷以略有不同的频率在同一个波长信道内分开传输，可通过一个具有磁可调的MOG-FP滤波器透射和反射，将两者分离，基本上不会影响净荷的信号质量，也不占用额外的波长通道，所以本发明具有很高的传输效率的特点。进一步的，本发明还具有如下有点：(1)本发明利用微波磁光调制器光产生光标签，具有结构简单、易于集成的特点。(2)本发明利用相对光功率(即光功率比值)表示路由信息，在电域上易于处理。(3)本发明采用MOG-FP滤波器进行光标签与光净荷分离，具有磁可调特性，可用于对多路波长信号的处理，并且作为无源器件，响应速度快。(4)本发明采用的光标签方法可以同其它光标签方案结合，如比特串行光标签和正交调制光标签，从而增大标签容量。(5)本发明利用微波静磁波引起Bragg衍射，输出的衍射光和未衍射光的波长差合适，既不致太大超过单个波长信道的宽度，又不致太小造成分离的困难。

附图说明

图1是本发明整体结构的原理框图。

图2是图1基础上展开的本发明整体结构的具体原理框图。

图3是激光器产生的光信号的频域图。

图4是激光器产生的光信号的时域图。

图5表示微波磁光调制器输出的光分组频域图。

图6表示MOG-FP滤波器22分离出的光标签频域图。

图7表示MOG-FP滤波器22分离出的光净荷频域图。

图8表示MOG-FP滤波器22分离出的光净荷时域图.

附图标记说明：光分组生成模块1、激光器11、光强调制器12、数据信息终端13、微波磁光调制器14、光净荷和光标签分离模块2、光环行器21、MOG-FP滤波器22、光分束器23、标签处理模块3、光电探测器31、光电探测器32、光功率比较器33、光开关模块4、光开关矩阵41、路由控制单元42、光标签产生单元43。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，基于布拉格衍射原理的光分组交换系统，包括光分组生成模块1、光净荷和光标签分离模块2、标签处理模块3和光开关模块4，光分组生成模块1产生的光分组通过光纤后进入光净荷和光标签分离模块2被分离为两路光净荷和一路光标签，光标签和一路光净荷进入标签处理模块3后输出路由控制信号到光开关模块4，另一路光净荷直接进入光开关模块4并根据路由控制信号输出。

如图2所示，下面对组成本发明的光分组交换系统的具体结构做进一步的说明。

光分组生成模块1包括激光器11、光强调制器12、数据信息终端13和微波磁光调制器14，其中激光器11经光强调制器12后，将光引入微波磁光调制器14。数据信息终端13有两个端口，分别与光强调制器12和微波磁光调制器14相连，输出要传送的数据以及所对应的路由信息。

微波磁光调制器14的工作原理与声光调制器类似，它由光耦合输入、光耦合输出、磁光薄膜波导以及外加磁场单元组成。在外加磁场H₀的作用下，通过长度为L的微带线变换器(Microstrip Transducer)，微波电流可在厚度为d的磁光薄膜中激发静磁波，静磁波引起波导材料折射率的周期变化，形成移动的光栅，从而导致入射导波光的Bragg(布拉格)衍射，其衍射效率η(衍射光与入射光的功率比)与激发静磁波的微波电流强度以及导波光的相位失配有关。由于衍射效率很难达到100％，所以输出导波光通常会包括衍射光和未衍射光两部分，衍射光的频移等于静磁波频率f_s，约在0.5-30GHz或更高的频率范围。而且根据Bragg衍射中的相位匹配条件，多频静磁波可对多路输入光进行调制。此外，研究表明，当导波光脉冲宽度大于1.1ps(接近1Tb/s的数据率)时，连续静磁波对光脉冲的峰值衍射效率基本接近于连续导波光入射的情形，而且输出光脉冲形状基本保持不变。也就是说，在通常情况下，静磁波对导波光脉冲的衍射可按连续光近似处理。其它条件不变时，衍射效率仅与微带线变换器的驱动电流有关。

本发明利用微波磁光调制器的Bragg衍射效应产生光分组，光信号在微波磁光调制器14的Bragg衍射作用下，分成未衍射光和衍射光，两者的波长稍有不同，它们分别对应于光净荷和光标签。标签的路由信息用光净荷与光标签的相对功率比表示，它与微波磁光调制器14的Bragg衍射效率具有一一对应的关系，可通过调微波磁光调制器14的驱动电流加以改变。由于光标签和光净荷的波长不同，可通过下述的MOG-FP滤波器22的透射和反射，将两者分离。

光净荷和光标签分离模块2包括光环行器21、磁光光栅-珐珀(MOG-FP)滤波器22、光分束器23组成，MOG-FP滤波器22将输入的光分组一部分透射一部分反射，从而实现光标签和光净荷的分离；光环行器21从其端口1接收光分组后将被MOG-FP滤波器22反射的光信号由端口2至端口3输出到分束器23，透射的光信号直接从其端口2输入到MOG-FP滤波器；光分束器23将输入光分为两束，其中光分束器23的端口1的衰减与经过MOG-FP滤波器22的衰减相同，端口2与光开关矩阵41相连输出光净荷。

本发明所指的MOG-FP滤波器是由两个磁光光栅(magneto-optical Grating，MOG)形成的法布里-珀罗(Fabry-Pérot，FP)腔。MOG-FP滤波器是一种具有磁光效应的光栅结构，可通过在传统FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)中掺入铈、铋等元素增强磁光特性或在拉制的钇铁石榴石光纤上写入光栅等方法获得，也可以采用磁光多层膜或一维磁光子晶体结构等其它方式实现。MOG-FP滤波器位于螺线管中，与螺线管连接的磁场控制器通过控制输入电流的大小改变螺线管所产生的磁场，从而实现MOG-FP滤波器的磁可调滤波。

MOG-FP滤波器的透射谱依据FP腔长的不同在MOG的反射带宽内能表现单通或梳状滤波特性，因此它既能作为带通滤波器用于提取单信道中的光标签，又能作为梳状滤波器用于多信道中光标签和光净荷的分离。MOG-FP滤波器分离光标签和光净荷的原理与FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)类似，光标签或光净荷对准MOG-FP滤波器的透射峰，因而能透过MOG-FP滤波器，另一个则被MOG-FP滤波器反射。并且在磁光效应的作用下，外加磁场的变化可使MOG-FP中传播的左右旋圆偏振光的透射谱发生移动。利用MOG-FP滤波器这种特殊结构和固有的特性，可实现磁可调滤波的功能，因此MOG-FP滤波器适用于波分复用网络。

标签处理模块包括两个光电探测器31和光电探测器32以及光功率比较器33，光电探测器31和光电探测器32分别将输入的光标签和光净荷的光功率转化为电信号，光电探测器31和光电探测器32的输出端与光功率比较器33相连；光功率比较器33通过运算电路计算出光标签与光净荷的光功率比值，此光功率比值即可表示路由信息，光功率比较器33的输出端与路由控制单元42相连。光净荷由分束器23分为两路，一路进入下述的标签处理模块3与光标签进行功率比较，提取交换路由信息并送入路由控制单元42产生路由控制信号；另一路通过下述的光开关矩阵41后与由标签产生模块43新产生的光标签(由光功率比值表示)组成新的光分组。

本发明利用微波磁光调制器的Bragg衍射效应产生光分组，光标签的路由信息用光净荷与光标签的光功率相对大小(即相对功率比)表示。光净荷在磁光调制器的Bragg衍射作用下，分成未衍射光和衍射光，两者的波长稍有不同，它们分别对应于光净荷和光标签，它与前述的微波磁光调制器14的Bragg衍射效率具有一一对应，可通过调整磁光调制器的驱动电流加以改变。

光开关模块包括光开关矩阵41、路由控制单元42、光标签产生单元43，路由控制单元42端口1与光开关矩阵41相连，路由控制单元42由光功率比较器33得到路由控制信号以控制光开关矩阵41对光净荷的输出；光标签产生单元43的一输入端与光开关矩阵41的输出端相连，另一输入端与路由控制单元42的端口2相连，以获得下一个节点的路由信息，组成新的光分组。

对应于上述基于布拉格衍射原理的光分组交换系统，本发明还提供基于布拉格衍射原理的光分组交换方法，其步骤如下：

(1)在光分组生成模块1，需要传送的数据通过光强调制器12加载到光域，而路由信息则通过微波磁光调制器14加载到光域，从而形成光分组；

本步骤中，从激光器11发出的连续光经过光强调制器12后，会被调制为载有传输数据的信号光。路由信息通过微带线变换器的驱动电流输入微波磁光调制器14，改变衍射效率，从而加载到光域，并且产生光分组。

(2)在光净荷和光标签分离模块2，MOG-FP滤波器22使光标签和光净荷分别透射和反射，实现光分组的光标签和光净荷分离；

本步骤中，可通过提高的MOG反射率，使MOG-FP滤波器22的透射峰变得很细，便于精确地分离光分组。MOG-FP滤波器22的透射峰与光分组中的光标签或光净荷的波长对准，必要时可通过外加磁场对其进行调节，使分离的效果达到最好。

(3)在标签处理模块3，对光标签和光净荷进行功率比较，得到光功率比值表示的路由信息，下述的光开关模块4中的路由控制单元42根据该路由信息产生路由控制信号对光开关矩阵41进行正确的配置，使光净荷交换到光开关矩阵41中与路由信息对应的输出端口，这是由于光开关矩阵具有多个输入、输出端口，可以把任一输入端口的光纤信号可控地连接到任一输出端口，从而实现光净荷的路由选择；本步骤中，光信号经过光电转换变为电信号，然后通过运算电路得出其功率比，即路由信息。光开关模块4的光开关矩阵41按路由信息使光净荷从正确的端口输出。

(4)在光开关模块4，下个节点的路由信息通过光标签产生单元43加载到光域，与光开关矩阵41输出的光净荷组成新的光分组，然后从光开关模块4输出。

循环重复上述步骤，就不断形成新的光分组继续向下一个节点传输。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。

光分组生成模块1的激光器11的工作波长λ＝1552.52nm，高斯码型的伪随机数据速率为10Gb/s。图3、图4分别表示激光器11产生的光信号的时域图和频域图。随后光信号经微波磁光调制器14发生衍射产生光分组，静磁波的频率为10GHz，因此衍射光的波长为1552.44nm。图5表示经微波磁光调制器14输出的光分组频谱图，其中光标签的载波强度比光净荷低5dBm。光分组经50km光纤传输后，进入网络节点进行光标签处理。

MOG-FP滤波器22中心波长为1552.4nm、带宽为10GHz。光分组入射到MOG-FP滤波器22后，光标签将透射过去，光净荷则反射，分离出的光标签频域图如图6所示，分离出的光净荷频域图如图7所示。被反射的光净荷通过光环行器21后，被光分束器23分为两路，恰当设计分光比可使其中一路光净荷信号的衰减与标签经过MOG-FP滤波器22的衰减相同；该路光净荷和光标签由光电二极管31、32转化为电信号，通过比较相应电流的大小判决出标签路由信息送入路由控制单元42产生路由控制信号，进而控制光开关矩阵41。另一路光净荷经过光开关矩阵41输出后，与新的光标签组成新的光分组，继续传输。图8和图4比较表明，该方案并不会对波形产生很大的影响，因此相对与其它标签形式，该方案不需要引入额外的整形过程。

以三个端口的光开关矩阵41为例，说明标签处理过程。表1给出了分别设定三种微波磁光调制器14的驱动电流I₀时，它们对应的衍射效率η、发送和提取的标签值(仿真结果)，以及对应的光开关矩阵41端口编号，其中“标签值”是指由标签处理模块测量的结果，它对应于光净荷与光标签的功率比。

表1驱动电流与标签值的对应关系

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。