法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-05-03
授权
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2017-03-22
实质审查的生效 IPC(主分类):H04B10/00 申请日:20140928
实质审查的生效
2017-02-22
公开
公开
本发明涉及光通信领域，尤其涉及光通信领域中的光交换装置、光交叉节点和交换光信号的方法。
随着Internet业务和多媒体应用的快速发展，网络的业务量正在以指数级的速度迅速膨胀，因而要求网络必须具有高比特率数据传输能力和大吞吐量的交叉能力。因此，光纤通信技术开始渗透于通信网，并且由于全光网(All Optical Network，AON)的光信号在网中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光/电、电/光转换，光纤通信有向全光网全面推进的趋势。
光交叉互连(Optical Cross-connect，OXC)是全光网的一个重要环节。OXC节点的主要功能包括：波长维度、空间维度的交换、本地波长的上下波等。网络对OXC节点的要求有：交换容量大、对波长和数据格式透明、阻塞率低、功耗低、集成度高、成本低等。OXC节点的关键部件光交换装置，例如光开关等主要用于光信号的交换，即将一定数量的输入信号按照一定的映射关系从相应的输出端口输出。
当前，应用于波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)网络的光交换装置主要有两种。一种是三维微机电系统(Three Dimension Micro-Electro-Mechanical System，3D-MEMS)基于微镜反光技术的光开关。该光开关将输入的光信号经过准直器阵列准直后平行入射到MEMS微镜阵列，MEMS微镜阵列的微镜在控制信号的控制下转动方位，将入射光反射到相应的输出端口，而后通过聚焦镜聚焦到输出端口阵列。因此，使用3D-MEMS基于微镜反光技术的光开关是一个微动机械设备，容易受到机械振动的影响，需要额外采取减震措施进行减震。
另一种常用的光交换装置为基于交叉-直通(cross-bar)结构的光开关。基于cross-bar结构的光开关一般由若干个小开关单元组成，每个小开关单元为2×2的结构，具有两种状态：CROSS，输出与输入成交叉状态(输入1->输出2；输入2->输出1)；BAR，输出与输入成直通状态(输入1->输出1， 输入2->输出2)。一个16×16规模的光开关即需要56个小开关单元构成。cross-bar结构的光开关小开关单元较多，结构复杂，通道之间易产生串扰，要到达较好的交换性能，则需增加更多的小开关单元，或进行算法的优化。并且，cross-bar结构的光开关容易产生阻塞。
因此，现有的应用于WDM网络的光交换装置或是结构复杂，存在阻塞问题，或是要求环境具有较高的稳定性，并且可能并不有效适用于轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)网络。
发明内容
本发明实施例提供一种光交换装置、光交叉节点和交换光信号的方法，可以用于WDM网络或OAM网络，结构简单，不存在阻塞问题，环境稳定性要求低。
第一方面，提供了一种光交换装置，该光交换装置包括：
N个输入端口、与所述N个输入端口一一对应的N个轨道角动量OAM调制器、OAM分离器以及与所述OAM分离器连接的M个输出端口，其中，N和M为正整数，所述M个输出端口与M个OAM模式一一对应，
所述N个输入端口中的第一输入端口用于输入第一光信号，所述第一光信号的目标输出端口为所述M个输出端口中的第一输出端口；
所述N个OAM调制器中对应于所述第一输入端口的第一OAM调制器用于将从所述第一输入端口输入的所述第一光信号调制为与所述第一输出端口对应的第一OAM模式的光信号；
所述OAM分离器用于根据经过所述第一OAM调制器调制后的所述第一光信号的第一OAM模式，将从所述第一OAM调制器接收的所述第一光信号传输至所述第一输出端口；
所述M个输出端口中的第一输出端口用于将所述OAM分离器传输的所述第一光信号输出。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述OAM分离器包括一个OAM解复用器，
所述OAM解复用器用于根据经过所述N个OAM调制器调制后的光信号的OAM模式，对光信号进行解复用，并将经过解复用后的光信号中的所述第一光信号传输至所述第一输出端口。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，该光交换装置还包括聚光镜，聚光镜用于将经过所述N个OAM调制器调制后的光信号聚焦到焦点；
所述OAM解复用器位于所述焦点处，用于将聚焦的经过所述N个OAM调制器调制后的光信号进行解复用，并将经过解复用后的光信号中的所述第一光信号传输至所述第一输出端口。
结合第一方面和第一方面的第一种至第二种可能的实现方式中的任一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，该N个OAM调制器包括N个空间光调制器SLM。
结合第一方面和第一方面的第一种至第三种可能的实现方式中的任一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，在N≧2时，所述N个输入端口中的第二输入端口用于输入第二光信号，所述第二光信号不存在目标输出端口；
所述N个OAM调制器中对应于所述第二输入端口的第二OAM调制器用于将从所述第二输入端口输入的所述第二光信号调制为与所述M个输出端口中的任一输出端口对应的OAM模式不同的第二OAM模式的光信号；
所述OAM分离器用于根据经过所述N个OAM调制器调制后的光信号的OAM模式，将所述第一光信号和与所述第一光信号的OAM模式不同的其它光信号分离，并将所述第一光信号传输至所述第一输出端口。
结合第一方面和第一方面的第一种至第三种可能的实现方式中的任一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，在N≧2，M＝1并且所述M＝1个输出端口为第一输出端口时，所述N个输入端口中的第三输入端口用于输入第三光信号，所述第三光信号不存在目标输出端口；
所述N个OAM调制器中对应于所述第三输入端口的第三OAM调制器用于将从所述第三输入端口输入的所述第三光信号调制为与所述M＝1个输出端口对应的OAM模式阶数相等符号相反的第三OAM模式的光信号；
所述OAM分离器用于根据经过所述N个OAM调制器调制后的光信号的OAM模式，将所述第一光信号和与所述第一光信号的OAM模式不同的其它光信号分离，并将所述第一光信号传输至所述第一输出端口。
第二方面，提供了一种光交叉节点，该光交叉节点包括：至少一个根据本发明实施例的光交换装置，至少一个解复用器和至少一个复用器，
其中，所述解复用器用于对接收的光信号进行解复用，以便于解复用后的光信号输入所述光交换装置的N个输入端口中的J个输入端口，其中，N和J为正整数，J小于或者等于N；
所述复用器用于对从所述光交换装置的M个输出端口中的K个输出端口输出的光信号进行复用，其中M和K为正整数，K小于或者等于M。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光交叉节点用于波分复用WDM网络，所述解复用器为WDM解复用器，所述复用器为WDM复用器。
结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述光交叉节点用于轨道角动量OAM网络，所述解复用器为OAM解复用器，所述复用器为OAM复用器。
第三方面，提供了一种交换光信号的方法，该方法包括：
接收输入的J路光信号；
确定所述J路光信号中的第一光信号的目标输出端口为M个输出端口中的第一输出端口，其中，所述M个输出端口与M个OAM模式一一对应；
将所述第一光信号调制为所述第一输出端口对应的第一OAM模式；
根据经过调制后的第一光信号的第一OAM模式，将所述经过调制后的第一光信号从所述第一输出端口输出，其中，J和M为正整数。
结合第三方面，在第三方面的第一种可能的实现方式中，在J≧2，所述J路光信号中的第二光信号不存在目标输出端口时，该方法还包括：
将所述第二光信号调制为与所述M个输出端口中的任一输出端口对应的OAM模式不同的第二OAM模式的光信号；
所述根据经过调制后的第一光信号的第一OAM模式，将所述经过调制后的第一光信号从所述第一输出端口输出，包括：
根据经过调制后的J路光信号的OAM模式，将所述第一光信号和与所述第一光信号的OAM模式不同的其它光信号分离，并将所述第一光信号传输至所述第一输出端口。
结合第三方面，在第三方面的第二种可能的实现方式中，在J≧2，M＝1并且所述M＝1个输出端口为第一输出端口时，所述J路光信号中的第三光信号不存在目标输出端口，该方法还包括：
将所述第三光信号调制为与所述M＝1个输出端口对应的OAM模式阶 数相等符号相反的第三OAM模式的光信号；
所述根据经过调制后的第一光信号的第一OAM模式，将所述经过调制后的第一光信号从所述第一输出端口输出，包括：
根据经过调制后的J路光信号的OAM模式，将所述第一光信号和与所述第一光信号的OAM模式不同的其它光信号分离，并将所述第一光信号传输至所述M＝1个输出端口。
基于上述技术方案，本发明实施例提供的光交换装置、光交叉节点和交换光信号的方法，基于OAM技术实现光信号的交换，可以应用于WDM网络或OAM网络，结构简单，不存在阻塞问题，环境稳定性要求低。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施例的光交换装置的示意性框图。
图2是根据本发明一个实施例的光交换装置的示意性框图。
图3是根据本发明一个实施例的光交换装置的示意性框图。
图4是根据本发明一个实施例的光交换装置的示意性框图。
图5是根据本发明一个实施例的光交叉节点的示意性框图。
图6是根据本发明一个实施例的光交叉节点的示意性框图。
图7是根据本发明一个实施例的交换光信号的方法的示意性流程图。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
应理解，本发明实施例的光交换装置可以应用于各种光网络，包括无源光网络(Passive Optical Network，简称为“PON”)，例如：吉比特无源光网络(Gigabit-capable Passive Optical Networks，简称为“GPON”)系统、10G 以太网无源光网络(10G bit/S Ethernet Passive Optical Network，简称为“10GEPON”)和10G比特无源光网络(10-Gigabit-capable Passive Optical Network，简称为“XG PON”)等。此外，从复用技术角度出发，本发明实施例的光交换装置可以应用于OAM网络，也可以应用于诸如WDM网络等非OAM网络。
轨道角动量(OAM)作为光的一个独立自由度可以用来进行信息的复用，即除了现有的时分复用、波分复用技术以外，OAM模式复用可以用来进一步增加系统的容量。OAM模式复用技术在短距互连领域有很广阔的应用前景，其原理是通过改变光信号的空间相位分布从而改变其OAM模式。理论上上而言，任意两种不同OAM模式的光信号之间是互不干扰的，并且OAM模式满足线性叠加关系。在OAM网络中，需要实现交换功能的OAM光交换开关架构。在非OAM网络中，也可以利用OAM模式复用的上述特性进行光信号的交换。本发明实施例的光交换装置、光交叉节点和交换光信号的方法正是基于上述思想。
图1示出了根据本发明实施例的光交换装置100的示意性框图。如图1所示，该光交换装置100包括：
N个输入端口110、与N个输入端口一一对应的N个OAM调制器120、OAM分离器130以及与OAM分离器130连接的M个输出端口140，其中，N和M为正整数，M个输出端口140与M个OAM模式一一对应，
N个输入端口110中的第一输入端口用于输入第一光信号，第一光信号的目标输出端口为M个输出端口140中的第一输出端口；
N个OAM调制器120中对应于第一输入端口的第一OAM调制器用于将从第一输入端口输入的第一光信号调制为与第一输出端口对应的第一OAM模式的光信号；
OAM分离器130用于根据经过第一OAM调制器调制后的第一光信号的第一OAM模式，将从第一OAM调制器接收的第一光信号传输至第一输出端口；
M个输出端口140中的第一输出端口用于将OAM分离器传输的第一光信号输出。
具体而言，如图1所示，光交换装置100还可以包括与N个输入端口110连接的N个准直器150，用于将N个输入端口110输入的光信号一一进 行准直，并将经过准直的光信号入射到N个OAM调制器120上。准直器用于对从光纤输出的光信号进行准直和扩束，使得从光纤输出的光信号形成平行光，并可以在自由空间中传播更远的距离。
N个OAM调制器120的状态可以通过集成在OAM调制器120中的控制单元来控制，也可以由单独的控制器件控制，本发明实施例对此不作限定。优选地，N个OAM调制器120可以包括N个空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)。其中，N个SLM可以是N个子SLM单元，也可以是一个SLM单元的N个部分，本发明实施例对此不作限定。N个SLM的状态可以通过SLM控制单元控制，其原理可以是基于硅基液晶的技术改变SLM的调制图案，从而调制入射的光信号的空间相位分布，以此改变光信号的OAM模式。SLM控制单元通过程序控制SLM的调制图案，从而使入射的光信号的空间相位呈螺旋式分布，而不同的空间相位变化模式对应于不同的OAM模式。SLM控制单元可以与SLM一一对应，即一个SLM控制单元控制一个SLM；也可以由一个SLM控制单元统一控制N个SLM。此外，SLM控制单元可以集成在SLM上，也可以是一个单独的器件，通过电线等与SLM电连接，本发明实施例对此不作限定。
应理解，N个OAM调制器120也可以基于其它技术，例如薄膜全息图技术、特殊棱镜技术等，对输入的光信号进行调制，改变光信号的OAM模式，本发明实施例对此不作限定。
在本发明一个实施例中，来自不同维度的N路光信号经N个输入端口110和准直器150转换到自由空间后平行入射到N个SLM上，SLM控制单元根据光交叉节点的路由信息，即最终需要将各路光信号交换到哪个输出端口的信息，改变N个SLM的每个SLM的调制图案，将平行入射的N路光信号分别调制成相应的OAM模式的光信号。应理解，光交换装置中的N个输入端口、N和SLM和M个输出端口可以全部被使用，也可以仅有一部分被使用，本发明实施例对此不作限定。
应理解，本发明实施例中M个输出端口与M个OAM模式是一一对应的。当有多于1路的光信号需要输出时，为了使各路光信号不相互干扰，可以保证需要输出的任何两路光信号的OAM模式不同，此时光开光100的对应的多于1个输出端口对应的OAM模式是两两不同的，即M个输出端口分别与M个不同的OAM模式对应。当输入的光信号的路数多于输出的光信号 的路数，则可以将最终需要输出的光信号调制成输出端口对应的OAM模式的光信号，而将其它的不需要输出的光信号调制成与最终需要输出的光信号的OAM模式阶数相等符号相反的或调制成与最终需要输出的光信号的OAM模式不同的其它OAM模式的光信号。这里提到的OAM模式阶数相等符号相反属于OAM模式不同的一种特殊情况，有利于在实际实施过程中进行操作。
将输入的光信号调制为对应的OAM模式之后，就可以根据不同的OAM模式将光信号区分开来，从而实现不同OAM模式的光信号的分离，该分离过程是由OAM分离器130来实现的。当N＝1时，即从输入端口输入的光信号只有1路(第一光信号)时，OAM分离器130根据光信号的OAM模式将第一光信号识别出来，并将第一光信号传输至第一输出端口；当N≧2时，并且从输入端口输入的光信号多于1路时，OAM分离器130根据光信号的OAM模式将第一光信号和与第一光信号的OAM模式不同的其它光信号分离，并将第一光信号传输至第一输出端口。
优选地，该OAM分离器130可以是一个OAM解复用器，其可以接收不同OAM模式的多路光信号(一束光信号)，将多路光信号(一束光信号)分离，并将解复用后的各路光信号通过光纤传输至对应的目标输出端口。此外，OAM分离器130也可以由一个或多个分离器件组成，每个分离器件分别接收经过调制后的一路或多路光信号，将各路光信号传输到各自对应的输目标出端口，例如，OAM分离器130可以包括一个或多个具有分离和OAM转换功能的器件，本发明实施例对此不作限定。
此外，OAM分离器130分离后的光信号可以是不带有OAM模式的光信号，也可以是与未经OAM调制器调制之前OAM模式相同的光信号。以上两种情况可以通过调节OAM分离器130中的器件而实现，并且从光交换装置中输出的光信号可以通过不同器件调节其OAM模式，以使得光信号可以在网络中传输，将在下文中对此进行详细阐述。
应理解，本发明实施例的OAM调制器和OAM分离器可以支持多种OAM模式，至少支持本发明实施例的光交换装置涉及的OAM模式。
可选地，N个输入端口110输入的光信号为单波长的光信号或单OAM模式的光信号。在现有的技术中，通常而言，对于WDM网络的OXC节点，N个输入端口110输入的光信号为来自不同光纤维度的相同波长的光信号， 即单波长的光信号；对于OAM网络的OXC节点，N个输入端口110输入的光信号为来自不同光纤维度的相同OAM模式的光信号，即单OAM模式的光信号。但本发明实施例对此并不作限定，N个输入端口110输入的光信号也可以为不同波长的光信号或者为不同OAM模式的光信号。
具体到需要输出的1路光信号，如第一光信号而言，第一光信号从N个输入端口110中的第一输入端口输入，其目标输出端口为M个输出端口140中的第一输出端口。N个OAM调制器120中对应于第一输入端口的第一OAM调制器，将第一光信号调制为与第一输出端口对应的第一OAM模式。OAM分离器130根据OAM调制器调制后的光信号的OAM模式，将第一光信号传输到第一输出端口，第一输出端口将第一光信号从光交换装置100输出。
因此，本发明实施例提供的光交换装置，基于OAM技术实现光信号的交换，可以应用于WDM网络或OAM网络，结构简单，不存在阻塞问题，环境稳定性要求低。
优选地，如图2所示，OAM分离器130包括一个OAM解复用器131，该OAM解复用器131用于根据经过N个OAM调制器调制后的光信号的OAM模式，对光信号进行解复用，并将经过解复用后的光信号中的第一光信号传输至第一输出端口。
具体而言，OAM解复用器131可以由硅基的光场采样技术实现，将不同的空间相位变化转化成线性相位变化，从而将不同OAM模式的光信号分离开。OAM解复用器可以通过光纤与输出端口耦合，将光信号进一步传输到相应的目标输出端口。
应理解，经过OAM解复用器131解复用后的光信号可以为不带有OAM模式的光信号，也可以为带有OAM模式的光信号(其OAM模式与入射到OAM解复用器131时光信号的OAM模式相同)。并且，OAM分离器130可以只包括一个OAM解复用器，也可以还包括其它器件。
当光交换装置100应用于WDM网络中时，输入光交换装置100的是不带有OAM模式的光信号，优选地应为从光交换装置100输出时也不带有OAM模式，因而OAM分离器130选用解复用后的光信号不带有OAM模式的OAM解复用器较好。如果OAM分离器130选用解复用后的光信号带有OAM模式的OAM解复用器，则可以在光交换装置100之后再加一个解除 OAM模式的器件，以将光信号带有的OAM模式解除。
当光交换装置100应用于OAM网络中时，输入光交换装置100的是本身带有OAM模式的光信号，从光交换装置100输出时可以只是将光信号进行路由，而不改变各路光信号的OAM模式。OAM分离器130可以选用OAM解复用器和OAM模式转换器件的组合。OAM解复用器可以为解复用后的光信号不带有OAM模式的OAM解复用器，也可以为解复用后的光信号带有OAM模式的OAM解复用器；OAM模式转换器件则可以将光信号的OAM模式转换为进入光交换装置100之前的OAM模式。或者，在光交换装置100的输出端口后加一个OAM模式转换器件，也可以达到相同的效果。
其中，解除OAM模式的器件和OAM模式转换器件可以是基于SLM技术的，本发明实施例对此不作限定。OAM分离器130选用的器件也有多种组合方式，本发明实施例对此不作限定。
优选地，如图2所示，经N个OAM调制器120调制的光信号在空间上分布的范围比较大，可以通过聚焦镜将光信号聚焦到尺寸相对较小的OAM解复用器131。具体地，光交换装置100还包括聚光镜160，该聚光镜160用于将经过N个OAM调制器120调制后的光信号聚焦到焦点；OAM解复用器131位于所述焦点处，用于将聚焦的经过N个OAM调制器调制后的光信号进行解复用，并将经过解复用后的光信号中的第一光信号传输至第一输出端口。
应理解，在本发明实施例的光交换装置100中，N个OAM调制器120为N个SLM和SLM控制单元时，SLM和SLM控制单元可以集成在一起也可以通过电线等电连接；OAM解复用器131和M个输出端口140之间可以通过光纤连接；其它器件之间为自由空间，光信号通过折射或反射进行传播。N个准直器150、N个SLM、聚焦镜160和OAM解复用器131可以呈一定角度设置，使得光信号从N个输入端口110入射并经过调制后可以入射到OAM解复用器131。
因此，本发明实施例提供的光交换装置，基于OAM技术实现光信号的交换，可以应用于WDM网络或OAM网络，结构简单，不存在阻塞问题，环境稳定性要求低，并且通过使用OAM解复用器可以简单快速地将不同OAM模式的光信号区分，从而从相应的输出端口输出。
应理解，在M≧2时，M个输出端口分别对应的OAM模式两两互不相 同。具体而言，从M个输出端口140输出的光信号是需要输出的光信号，为了保证在光交换装置中进行光信号的路由时需要输出的光信号之间不互相干扰，将M个输出端口140分别对应的OAM模式设置为两两互不相同的OAM模式。下面对几种常见的例子进行详细说明。
在一个典型的实施例中，如图2所示，光交换装置100包括P个输入端口并输入P路光信号，包括P个输出端口并输出P路光信号。P个SLM将P路光信号中的每一路光信号调制成与各自的目标输出端口对应的OAM模式的光信号，其中P个输出端口的OAM模式为两两互不相同的OAM模式，其中，P为大于或等于2的整数。
为了更方便清楚的阐述本发明实施例的技术方案，分别以WDM网络和OAM网络中，应用该光交换装置的例子进行说明。
表1给出了WDM网络中的一个4×4光交换装置的输入输出映射关系。即输入端口1输入的波长为λ1的光信号需要被交换到输出端口2输出、输入端口2输入的波长为λ2的光信号需要被交换到输出端口3输出、输入端口3输入的波长为λ3的光信号需要被交换到输出端口1输出、输入端口4输入的波长为λ4的光信号需要被交换到输出端口4输出。其中，输出端口1对应的OAM模式为OAM-1，输出端口2对应的OAM模式为OAM-2，输出端口3对应的OAM模式为OAM-3，输出端口4对应的OAM模式为OAM-4。
对于WDM网络而言，SLM控制单元需要将与输入端口1对应的子SLM单元的状态设置为OAM-2、将与输入端口2对应的子SLM单元的状态设置为OAM-3、将与输入端口3对应的子SLM单元的状态设置为OAM-1和将与输入端口4对应的子SLM单元的状态设置为OAM-4，即将波长为λ1的光信号调制成OAM-2模式并以此类推。这样，四种OAM模式的光信号互相不会产生干扰，经过SLM调制后的光信号从SLM上入射到聚光镜160上，经聚光镜聚160焦后入射到OAM解复用器131，并从相对应的输出端口输出。
表1 WDM网络光交换装置的输入输出映射关系表
