专利名称：全光网络中快速动态可配置光分组缓存器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全光网络中的光分组缓存器，尤其涉及一种快速动态可配置 光分组的缓存和时隙交换结构，适用于全光网络中的光交叉连接节点。属于光 通信技术领域。
背景技术：
全光分组交换(optical packet switching, OPS)网络，因为具备细粒度的带宽 分配和超高速的交换能力，被广泛认为是下一代光网络的发展目标。它具有较 高的网络吞吐率，丰富的网络路由功能和出色的灵活性。为了实现这些性能目 标，实用性强、性价比高、扩展性好的全光缓存器件就必不可少了。它至少可 用于光分组同步(packet synchronization)、竞争角牟7央(contention resolution)、光 分组交换(packet switching)和业务流整形(tra伍c shaping)等方面。
目前现有的光缓存技术包含两个大类1)慢光缓存器(slow-lightbuffer), 通过降低光的群速率，延迟光在传输介质中的传输时间而达到缓存作用，该技 术具有物理体积小、易集成和延迟量连续可变等优点，不过由于它的有限的缓 存能力、较小的延迟带宽积等缺点在全光网络中一直没有得到重用；2)光纤 延迟线缓存器(optical delay line),通过光信号在光纤延迟线中传输一段较长距 离来得到延迟缓存，该技术具有较大的传输带宽、较小的传输损耗、对信号格 式和偏振状态有一定的透明性、较高的性价比和可靠性等优点，成为目前一种 很有前途的光缓存技术而得到广泛的研究和应用。
按照结构的不同，光纤延迟线缓存器大致可以分成以下三类。
T. Sakamoto等人在J. Lightwave Technol 2004上发表了题为"Performance analysis of variable optical delay circuit using highly nonlinear fiber parametric wavelength converters,"的文章，提出了重循环(Re-circulating) 光缓存结构， 利用光耦合器或快速光开关将光信号引导到一个光纤环中并不断地循环传输。虽然该光缓存结构具有较小物理体积，但是光纤环中放大器的ASE ( Amplified spontaneous emission)噪声严重降低了信号质量，而且光纤环的长度限制了该 结构的可扩展性(光纤环较长，导致缓存粒度较大，效率不高；光纤环较短， 又限制了缓存光分组的长度)。
P. R. Pruncal, C. Guillemot等人分别在J. Quantum Electron 1993， J. Lightwave Technol. 1998 上发表"Optically processed self-routing, synchronization, and contention resolution for ID and 2D photonic switching architectures，"文章，分另lj提 出了 cascaded-switch禾Q broadcast-and陽select两禾中前馈 (Feed-forward) 光缓存 结构。该结构虽然克服了上述结构对光分组长度的限制，但是具有较大的物理 体积，扩展性较差，成本较高等缺点。
然后Y. K. Yeo等人先后在ECOC2005和J. Lightwave Technol. ， 2006上发表 多篇文章， ("Dynamically Reconfigurable Optical Buffer with Integrated, Simultaneous Wavelength Conversion Capability for Multi-wavelength Packets," ECOC2005, "Performance characterization and optimization of high-speed, ON-OFF optical signal reflectors in a folded-path time-delay buffer," IEEE J. Lightwave Technol., 2006， 24 (1) ， 365-378) 提出了级联反射 (Folded-path) 光缓存结 构。该结构具有n段延迟线单元，每一段延迟线单元基于高速SOA的反射和吸 收光信号的功能，动态地选择光分组的缓存路径。但是该结构对光分组功率损 耗很大，每一段延迟线单元级数不宜过大，而且每段延迟线单元后放大器的ASE (Amplified spontaneous emission) 噪声也严重降低了信号质量。
近年来，全光缓存结构仍是研究的热点和重点，Caroline P. Lai、 SongnianFu、 XimvanLi等人在国际科技期刊上发表多篇文章，围绕光缓存器的结构、器件和 算法上提出各种想法和论点。现已提出的光缓存器结构都有其各自的优缺点， 但是没有一种光缓存器得到学术界、工业界的公认和广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种光网络中快速动态可 配置光分组缓存器，能快速动态可配置光分组的缓存时间，同时可容纳多个光 分组进行缓存和实现多个光分组的时隙交换等功能，具有光缓存时间动态范围 大、重配置时间短、物理体积小、功率消耗低和可扩展性强等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是将M个具有"反射透射"功能的 Sagnac干涉环和M巻光纤延迟线相互间隔熔接串联起来，首尾两端光纤再与一 个2x2快速光开关的输入输出端熔接起来，构成一个大的缓存光纤环，2x2快速 光开关的另一对输入输出端分别作为光分组信号的输入端和输出端。本发明提 出的光缓存器结构实际上就是在传统的基于2x2快速光开关的重循环 (Re-circulating)光纤环(loop)结构中，间隔嵌套了 M个Sagnac干涉环和M 巻光纤延迟线，增加了重循环光纤环的缓存能力，提供了多种缓存路径选择， 可以容纳多个光分组同时进行缓存并可以实现多个光分组的时隙交换。
本发明的快速动态可配置光分组缓存器的具体结构为由M个Sagnac干涉 环、M巻光纤延迟线、一个2x2快速光开关组成。M个具有反射透射功能的Sagnac 干涉环和M巻光纤延迟线互相间隔熔接串联起来，首尾两端光纤再与一个2x2 快速光开关的输入输出端熔接起来，构成一个缓存光纤环，2x2快速光开关的另 一对输入输出端分别作为光分组信号的输入端和输出端。在输入侧，第M个 Sagnac干涉环和快速光开关之间没有光纤延迟线，而在输出侧，第1个Sagnac 干涉环和2x2快速光开关之间有一段光纤延迟线，使得该光缓存器的最小缓存 时延为2t。从输入端进来的光分组信号通过2x2快速光开关2的直连路径直接 传输到输出端或通过交叉连接路径逆时针进入缓存光纤环进行缓存。在缓存光 纤环中，通过改变施加在每一个Sagnac干涉环上的驱动电压，控制经过Sagnac 干涉环的光分组信号是被反射回来还是透射过去，为光分组信号选择不同的光 纤环缓存路径，即具有不同的缓存时延；当缓存时延到达时，光分组须经由第 M个Sagnac干涉环和快速光开关的交叉连接路径传输到输出端。
本发明中，具有"反射透射"功能的Sagnac干涉环是光分组信号传输路径 的控制元件，通过改变它的驱动电压，经过Sagnac干涉环的光分组信号可以被 反射回来，也可以透射过去。M巻光纤延迟线具有相同或不同的长度，光分组 信号在其中传输而引入一定的时延T。
该光缓存器结构实际上就是在传统的重循环(Re-circulating)光纤环结构
中，间隔嵌套了 M个Sagnac干涉环，在每两个Sagnac干涉环之间、输出侧Sagnac 干涉环与快速光开关之间再嵌入一段光纤延迟线。其中每一个Sagnac干涉环具 有"反射透射"功能，即入射光信号可以通过干涉环，也可以被干涉环反射回 来。这样，通过控制调节快速光开关的开关状态(cross-bar)和干涉环的"反射 透射"状态，可以灵活选择了光分组信号在缓存器中的传输路径，从而实现了 快速动态可配置的时延大小。注意，在输入侧第M个Sagnac干涉环和快速光开 关之间没有光纤延迟线，而在输出侧Sagnac干涉环和快速光开关之间有一段光 纤延迟线，这样设计使得该光缓存器的最小缓存时延为2t。
本发明中所述具有"反射透射"功能的Sagnac干涉环包括基于半导体光放 大器SOA的Sagnac干涉环和基于相位调制器PM (phase modulator)的Sagnac 干涉环。在SOA-Sagnac干涉环中，光信号通过50/50的光耦合器后，分别从两 个不同的方向进入SOA,其中逆时针传播的光信号直接进入SOA，而顺时针传 播的光信号首先通过一段单模光纤(SMF)再经过一衰减器(Attenuator)后进 入SOA。由于两反方向传播的光信号进入SOA的功率不同，其经历的相位变化 也不同。由此产生的相位差通过改变增益控制SOA的驱动电压而发生相应改变。 当其相位差为;r时，信号"全透"；当相位差为0时，信号"全反"。而PM-Sagnac 干涉环，利用LiNb03相位调制器在TE和TM不同工作模式下对入射光信号产 生不同的相位变化的原理实现的。改变PM的驱动电压，不同模式的入射光信号 之间的相位差也发生相应变化。当其相位差为;r时，信号"全透"；当相位差为 0时，信号"全反"。本发明提出的光缓存结构就是通过控制Sagnac干涉环中SOA 或PM的驱动电压和快速光开关的开关状态，灵活快速的选择了被缓存的光信号 的缓存路径，即缓存时延。
和现有技术相比，本发明解决了传统技术的各种问题。本发明的缓存器结 构可以同时缓存多个光分组，缓存时延灵活快速可配置，也可以实现多个光分 组的时隙交换等功能，满足全光时隙交换网络的需求。本发明提出的光缓存器 具有物理体积较小，成本较低，功能较全，控制简便，缓存粒度灵活可变、效 率高等优点。总之，利用本发明所述的技术，可以简化全光交换节点的结构，
降低设计和控制成本，提高交换节点的性能，最终促进全光网络的早日实现。
本发明的光分组缓存器适用于光分组交换、光突发交换和微波光子等领域。
图1为本发明的快速动态可配置光分组缓存器的结构示意图。 图1中，l为Sagnac干涉环，2为2><2快速光开关，3为单模光纤延迟线。 图2为本发明的Sagnac干涉环1的两种具体实现方式。 图2中，a) SOA-Sagnac干涉环，b) PM-Sagnac干涉环。4为100m单 模光纤，5为可调衰减器，6为半导体光放大器SOA， 7为光耦合器7， 8为保 偏光纤的一致熔接点，9为相位调制器PM， 10为保偏光纤的正交熔接点，11 为保偏光纤。
图3为光分组在本发明缓存器中的缓存路径示意图。 图4为多个光分组在本发明缓存器中的时隙交换示意图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对实施方式作进一步描述。
图1给出了本发明提出的全光网络中快速动态可配置光分组缓存器的结构 示意图。该结构由M个Sagnac干涉环1、 M巻光纤延迟线3、 一个2x2快速光 开关2组成。2x2快速光开关2可以使用LiNb03光开关(E丄Muiphy， T.O.Murphy, "16x16 strictly nonblocking guided-wave optical switching system, " Journal of Lightwave Technology, 1996,14, 352-358)。 M个具有"反射透射"功能的Sagnac 干涉环1和M巻光纤延迟线3互相间隔熔接串联起来，首尾两端光纤再与一个 2x2快速光开关2的输入输出端熔接起来，构成一个大的缓存光纤环。2x2快速 光开关2的另一对输入输出端分别作为光分组信号的输入端和输出端。
M巻光纤延迟线3具有相同或不同的长度，光分组信号在其中传输而引入一 定的时延t。注意，在输入侧，第M个Sagnac干涉环1和2><2快速光开关2之 间没有光纤延迟线3,而在输出侧，第1个Sagnac干涉环1和2><2快速光开关2 之间有一段光纤延迟线3，这样设计使得该光缓存器的最小缓存时延为2t。从输 入端进来的光分组信号可以通过2x2快速光开关2的直连路径直接传输到输出
端(没有缓存时延)，也可以通过交叉连接路径逆时针进入缓存光纤环进行缓存。 在缓存光纤环中，通过改变施加在每一个Sagnac干涉环上的驱动电压，控制经 过Sagnac干涉环的光分组信号是被反射回来，还是透射过去，从而为光分组信 号选择了不同的光纤环缓存路径，即具有不同的缓存时延。当缓存时延到达时， 光分组必须经由第M个Sagnac干涉环和2x2快速光开关的交叉连接路径传输到 输出端。
本发明提出的光缓存器就是通过控制快速光开关的开关状态(cross-bar)和 干涉环的"反射透射"状态，灵活选择了光分组信号在缓存器中的传输路径， 从而实现了快速动态可配置的时延大小。
本发明中具有"反射透射"功能的Sagnac干涉环也有文章提出(Lilin Yi, Weisheng Hu, "A polarization-independent subnanosecond 2x2 optical multicast switch using a sagnac interferometer", IEEE Photonic Technology Letters, 20 (8), 539-541,2008，本发明作者之一)，并实验验证，目前有两种实现方案基于半 导体光放大器SOA的Sagnac干涉环和基于相位调制器PM (phase modulator) 的Sagnac干涉环。
图2给出了本发明中Sagnac干涉环的两种实现方式a) SOA-Sagnac干涉 环；b) PM-Sagnac干涉环。
SOA-Sagnac干涉环包括100m单模光纤4、可调衰减器5、 SOA半导体光放 大器6和光耦合器7。
PM-Sagnac干涉环包括保偏光纤的一致熔接点8、 PM相位调制器9、保偏光 纤的正交熔接点10、光耦合器7和保偏光纤11。
在SOA-Sagnac干涉环中，因SOA同时具有交叉增益调制(XGM)和交叉 相位调制(XPM)等效应，为了避免两反方向传输信号同时进入SOA，在环中 引入一段单模光纤4，使一路信号进行适当的延迟。光信号通过50/50的光耦合 器7分离后，顺时针光分组信号分别先经过100m单模光纤4延迟、衰减器5衰 减后进入半导体光放大器SOA发生相位变化，逆时针光信号先进入SOA发生 相位变化后再经过相同的衰减、延迟，由于两光信号进入SOA时的光功率不同， 由此产生了相位差。改变施加在增益驱动SOA上的驱动电压，两光信号的相位
差也随之改变。
在PM-Sagnac干涉环中，用LiNb03相位调制器PM代替SOA ，它在TE 和TM不同工作模式下对入射光信号产生不同的相位差。这就要求Sagnac干涉 环内都是保偏光纤11，相位调制器PM与光耦合器7其中一侧耦合时保持两光 纤尾纤快慢轴一致(一致熔接点8)，另一侧要求两光纤尾纤快慢轴正交，即两 光纤熔接角度为90Q (正交熔接点10)。这样，经50/50的光耦合器分离的两反 向光信号一开始偏振模式相同，顺时针光信号通过保偏光纤11直接进入相位调 制器PM，逆时针光信号由于其中的保偏光纤正交熔接而发生模式改变，然后进 入PM。在PM中两反向光信号分别发生不同相位变化而产生了相位差。改变施 加在相位调制器PM上的驱动电压，两光信号的相位差也随之改变。当其相位差 为;r时，两反向光信号，在光耦合器处发生干涉而光信号"全透"；当相位差为 0时，两反向光信号发生干涉而光信号"全反"。
当采用SOA-Sagnac干涉环时，SOA的放大功能可以避免无源器件带来的插 入损耗，减小了缓存传输的功率损耗，但是SOA的XGM效应对输入信号的包 长进行了限制。当采用PM-Sagnac干涉环时，由于不存在非线性效应，对信号 的包长没有了任何限制，而且PM的成本低于SOA，宜于构建大规模低成本的 光缓存器件，但需要引入额外的光信号放大器以补偿缓存传输损耗。
图3给出了本发明提出的光缓存器(示意6个Sagnac环)四种可能的缓存 路径①逆时针圆周路径缓存，②反折路径缓存，③两点间振荡路径缓存， 顺时针圆周路径缓存。
当交换节点没有输出端口冲突时，光分组直接从2x2快速光开关2的直连 路径输出，没有任何时延。当有输出端口冲突时，则逆时针进入缓存光纤环。 在缓存光纤环中，可以逆时针沿圆周路径缓存，也可以在某一 Sagnac干涉环1 处反折顺时针沿圆周路径缓存，也可以在两Sagnac干涉环1间振荡式缓存。当 缓存时延到达时，光分组必须经由第M个Sagnac干涉环和快速光开关的交叉连 接路径传输到输出端。注意一点，在第M个Sagnac干涉环和快速光开关之间没 有光纤延迟线，这样设计使得该光缓存器的最小缓存时延为2t。
图4给出了本发明提出的光缓存器(示意5个Sagnac环，逆时针编号)完 成四个光分组时隙交换的过程。输入的光分组依次为A、 B、 C、 D，希望通过 本发明提出的光缓存器输出次序为D、 C、 A、 B。由此可见最后一个光分组D 要求第一个输出，那么前三个光分组就必须依次进入该光分组缓存器。A、 B光 分组逆时针圆周路径缓存，需要经过较长缓存延迟，C光分组在Sagnac干涉环 1与环5之间反折路径缓存，经过较少的缓存延迟，仅仅让光分组D先直接输出。 在光分组D输出之后，光分组C经由Sagnac干涉环1的"反射"和快速光开关 的交叉连接路径输出，最后逆时针圆周缓存一圈的光分组A和B依次输出。
权利要求
1、一种全光网络中快速动态可配置光分组缓存器，其特征在于由M个Sagnac干涉环(1)、M卷光纤延迟线(3)、一个2×2快速光开关(2)组成，M个具有反射透射功能的Sagnac干涉环(1)和M卷光纤延迟线(3)互相间隔熔接串联起来，首尾两端光纤再与一个2×2快速光开关(2)的输入输出端熔接起来，构成一个缓存光纤环，2×2快速光开关(2)的另一对输入输出端分别作为分组光信号的输入端和输出端；在输入侧，第M个Sagnac干涉环(1)和2×2快速光开关(2)之间没有光纤延迟线(3)，而在输出侧，第1个Sagnac干涉环(1)和2×2快速光开关(2)之间有一段光纤延迟线(3)，使得该光缓存器的最小缓存时延为2τ；从输入端进来的光分组信号通过2×2快速光开关(2)的直连路径直接传输到输出端或通过交叉连接路径逆时针进入缓存光纤环进行缓存；在缓存光纤环中，通过改变施加在每一个Sagnac干涉环上的驱动电压，控制经过Sagnac干涉环的光分组信号是被反射回来还是透射过去，为光分组信号选择不同的光纤环缓存路径，即具有不同的缓存时延；当缓存时延到达时，光分组须经由第M个Sagnac干涉环和快速光开关的交叉连接路径传输到输出端。
2、 如权利要求1的全光网络中快速动态可配置光分组缓存器，其特征在于 所述光纤环缓存路径为逆时针圆周路径缓存、反折路径缓存、两点间振荡路径 缓存或顺时针圆周路径缓存。
3、 如权利要求1的全光网络中快速动态可配置光分组缓存器，其特征在于 所述Sagnac干涉环(1)为SOA-Sagnac干涉环或PM-Sagnac干涉环。
全文摘要
本发明涉及一种全光网络中快速动态可配置光分组缓存器，将M个具有反射透射功能的Sagnac干涉环和M卷光纤延迟线互相间隔熔接串联起来，首尾两端光纤再与一个2×2快速光开关的输入输出端熔接起来，构成一个缓存光纤环。2×2快速光开关的另一对输入输出端作为分组光信号的输入输出端。本发明的光缓存器是在传统的基于2×2快速光开关的重循环光纤环结构中，通过间隔嵌套Sagnac干涉环和光纤延迟线，增加了重循环光纤环缓存能力，提供了多种缓存路径选择，可容纳多个光分组同时进行缓存并可实现多个光分组的时隙交换，缓存时间快速动态可配置，具有光缓存时间动态范围大、重配置时间短、物理体积小、功率消耗低和可扩展性强等优点。
文档编号G02B6/26GK101344614SQ20081004249
公开日2009年1月14日 申请日期2008年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者义理林, 敏 朱, 肖石林, 薇 郭, 荷 陈 申请人:上海交通大学