波长和空间全光路由器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化可扩展的N2×N2波长和空间全光路由器。N根单模输入光纤连接第一组波长转换及路由模块后，再经第一空间光路由器与第二组波长转换及路由模块连接，然后经过第二组波长转换及路由模块后，与第二空间光路由器的输入端口连接到第三组波长转换及路由模块，光信号输出进入N根单模输出光纤，完成波长和空间的全光路由；第一空间光路由器和第二空间光路由器镜像工作。本发明用于波分复用光纤通信系统中，可完成光纤内各个信道的任意交换及光纤间各信道的任意交换，并完成波长转换；并能通过对波长转换及路由模块的级联和线性增加，实现更完整的路由功能，增加路由信道数目。整个路由结构可以通过平面光波导技术实现集成。
【专利说明】模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤通信全光路由技术，尤其是涉及一种模块化可扩展的N2XN2波长 和空间全光路由器。
【背景技术】
[0002] 在光纤诞生并成功应用以后，光纤通信技术迅猛发展，WDM通信方式的发明使得光 纤通信带宽大大提高。光纤通信数据的急速增大直接对光通信网络中的各处理节点提出了 更高要求，全光通信网络成为未来光通信网络的发展方向。
[0003] 以波长为依据的光信号包转发是WDM光网络中信号路由的一个重要方式。目前的 主流技术多采用光-电-光波长转换及路由的处理方式，它的优点是技术上较成熟，可实现 定时、再生、整形功能，但这种方案由于引入了光电变换和时钟提取，需要很多高成本、高功 耗的高速光电仪器，对信号比特率和信号格式不透明，信号处理速度存在"电子瓶颈"问题， 不符合全光网络"高数据吞吐量，高信号处理带宽，低能耗"的发展要求。还有一种基于微电 子机械系统开关（MEMS-Switches)的路由结构，已经有支持32输入/输出端口交换的商用 器件报道"GlimmerglassIntelligentOpticalSystem, "数据表可亦www.glimmerglass. ^获取。但是这种结构的最大缺陷是信道切换时间长，达毫秒量级，只适用于一对结点间 持续通信时间长度在秒量级的情况。
[0004] 全光路由不需要经过电域处理，直接将信息从一个光波长转换到另一个光波长， 通过光无源器件的转发，达到路由目的。WDM系统光路由器中主要有光解复用、波长转换、 光复用、光路由等模块。全光路由不存在"电子瓶颈"问题，带宽巨大，对信号速率和格式透 明，且单片集成的全光路由芯片能耗更将比光-电-光路由大大降低。
[0005]目前提出的全光路由器主要有光开关、无源阵列波导光栅器件和基于半导体光放 大器（SOA)波长转换两种。"Multi-pathRoutinginanMonolithicallyIntegrated 4X4BroadcastandSelectWDMCross-connection"，EC0C，Septemberl8_22,2011，InP PHOTONICS(Mo. 2.LeSaleve)报道了一种基于SOA光开关的全光交叉互连，该结构实现了 4X4光信号交叉互连。这种全光路由方式主要由广播选择模块与波长选择模块2部分组 成。在广播选择模块中，4个输入端口的光信号通过级联多模干涉耦合器（MMI)分别输入到 每一个阵列波导光栅（AWG)的输入端口。在进入AWG之前，每一路上都有SOA开关，通过调 节SOA注入的电流，来控制每一路的通断。经过4个循环4X4阵列波导光栅路由器（AWGR) 的转发后，信号进入波长选择模块。根据路由表设计，调节波长选择模块AWG各输出端口上 SOA电流，可以决定之后连接的级联MMI上各路信号的波长，进而可以达到控制整个路由芯 片输出端上每一路的波长。但是，此方法只能进行不同输入端口光信号的转发，而不能将原 信号转移到另一波长上，而且随着输入信号通道数目（N)的增加，需要相应增加至N个循环 NXNAWGR以及2N个SOA开关。同时，每一路输入信号都要经过级联MMI扩展至N个输出端 口，整个路由系统单侧引脚数目为N2个，会大大增加器件尺寸。这种芯片结构十分不利于 信道数目的扩展，增加一路信号，整个芯片的设计都要变化，且器件设计难度大大增加。"An 8x8InPMonolithicTunableOpticalRouter(MOTOR)PacketForwardingChip，',Journal ofLightwaveTechnology,Vol. 28,Issue4,pp. 641-650 公开了一种基于SOA波长转换的 光路由方式。这种方式通过将原信号经过SOA的交叉调制作用转移到可调谐激光器发出的 新波长上，再用AWGR转发到对应信道。但是，这种结构转发能力有限，没有在光网络层面提 出多光纤之间的信号交换。
[0006] 上述全光路由结构均不能完整实现光网络中全光路由的波长转换及端口透明转 发的功能需求，并且系统的扩展性不够好。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种模块化可扩展的N2XN2波长和 空间全光路由器。
[0008] 本发明采用的技术方案是：
[0009] 本发明包括第一空间光路由器、三组波长转换及路由模块及第二空间光路由器；N 根单模输入光纤和第一空间光路由器之间连接有第一组波长转换及路由模块，通过第一组 波长转换及路由模块将单模输入光纤中复用的各个光信号内的各信道进行波长转换处理 传送到第一空间光路由器中；第一空间光路由器的输出端口经第二组波长转换及路由模块 与第二空间光路由器的输入端口连接，将每组不同波长的光信号经过波长转换处理传送到 第二空间光路由器各自对应的输入端口中；第二空间光路由器将由第二组波长转换及路由 模块输出的每组不同波长的光信号传送到第二空间光路由器各自对应的输出端口；第二空 间光路由器经第三组波长转换及路由模块连接单模输出光纤，通过第三组波长转换及路由 模块将第二空间光路由器各路输出端口的光信号经波长转换处理重新加载在该路输出端 口中的任意信道上；第一空间光路由器和第二空间光路由器镜像工作，使得由第二空间光 路由器输出的每路光纤中的各个光信号波长与第一空间光路由器各自对应的输入光纤中 的各个光信号波长一致。
[0010] 所述的波长转换及路由模块包括依次连接的光解复用器、N个第一波长转换器、第 三空间光路由器、N个第二波长转换器和光复用器；第一空间光路由器每路输出端口的光 信号先经过光解复用器分解为单波长信号，各个单波长信号经各自的第一波长转换器传输 到第三空间光路由器中，第三空间光路由器对单波长信号进行空间路由后再经第二波长转 换器波长转换后传送到光复用器，光复用器将各个单波长信号合并为一路光信号输出到第 二空间光路由器。
[0011] 所述的第一波长转换器或者第二波长转换器包括将转换前光信号滤除的光滤波 器结构。
[0012] 所述的第一波长转换器及第二波长转换器中不包括光滤波器结构，第三空间光路 由器与第一空间光路由器、第二空间光路由器具有不同的信道间隔，使得单模输入光纤及 单模输出光纤中所传输的光信号的波长与第三空间光路由器的传输光谱不匹配。
[0013] 所述的光解复用器为IXN光解复用器，采用阵列波导光栅或衍射刻蚀光栅。
[0014] 所述的光复用器为NX1光复用器，采用阵列波导光栅、衍射刻蚀光栅或多模干涉 奉禹合器。
[0015] 所述的第一空间光路由器或第二空间光路由器为循环阵列波导光栅或循环衍射 刻蚀光栅。
[0016] 所述的第三空间光路由器为循环阵列波导光栅或循环衍射刻蚀光栅。
[0017] 所述的第一波长转换器或第二波长转换器为利用半导体光放大器的非线性效应 将一波长的光信号加载在另一个不同波长的直流激光上的波长转换结构。
[0018] 所述的第一空间光路由器、第二空间光路由器和波长转换及路由模块全部或部分 集成在同一芯片上。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 基于波长转换及路由模块，有极好的拓展性，降低了全光路由的设计难度，同时具 有空间路由和波长转换的效果，可以实现输入端一共N2个信道之间波长与端口的任意交 换。
[0021] 本发明逻辑清晰，可完整实现全光路由中信号波长转换、转发的功能，并对光的信 号格式完全透明。
[0022] 本发明相比传统光-电-光路由器及现有光路由结构享有更大的带宽，可完成更 高比特率的光数据处理、交换。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的结构示意图。
[0024] 图2是本发明波长转换及路由模块的结构示意图。
[0025] 图3是本发明第一空间光路由器路由路径示意图。
[0026] 图4是本发明第二空间光路由器路由路径示意图。
[0027] 图5是本发明第三空间光路由器路由表示意图。
[0028] 图6是本发明全光路由工作方式示例。
[0029] 图7是实施例的光解复用器示意图。
[0030] 图8是实施例的光复用器示意图。
[0031] 图9是实施例的第一种波长转换器结构图。
[0032] 图10是实施例的第二种波长转换器结构图。
[0033] 图11是实施例的波长转换器信号转换原理及效果图。
[0034] 图12是实施例的空间光路由器示意图。
[0035] 图13是实施例的第三空间光路由器的第一输入端口透射光谱示意图。
[0036] 图中：A、波长转换及路由模块，3、第一空间光路由器，4、光解复用器，5、第一波长 转换器，6、第三空间光路由器，7、第二波长转换器，8、光复用器，9、第二空间光路由器，L1、 L2、…LN为单模输入光纤的序号，LI'、L2'、···LN'为单模输出光纤的序号，10、可调谐激 光器，11、非线性光放大器，12、延时波导，13、线性光放大器，14、调相器。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0038] 如图1所示，整个路由器主要由第一空间光路由器3、三组波长转换及路由模块A 及第二空间光路由器9构成；N根单模输入光纤和第一空间光路由器3之间连接有第一组 波长转换及路由模块A，通过第一组波长转换及路由模块A将单模输入光纤复用的各个光 信号内的各信道进行波长转换处理传送到第一空间光路由器3中；第一空间光路由器3的 输出端口经第二组波长转换及路由模块A与第二空间光路由器9的输入端口连接，将每组 不同波长的光信号经过波长转换处理传送到第二空间光路由器9各自对应的输入端口中； 第二空间光路由器9将由第二组波长转换及路由模块A输出的每组不同波长的光信号传送 到第二空间光路由器9各自对应的输出端口；第二空间光路由器9经第三组波长转换及路 由模块A连接单模输出光纤，通过第三组波长转换及路由模块A将第二空间光路由器9各 路输出端口的光信号经波长转换处理重新加载在该路输出端口中的任意信道上；第一空间 光路由器3和第二空间光路由器9镜像工作，使得由第二空间光路由器9输出的每路光纤 中的各个光信号波长与第一空间光路由器3各自对应的输入光纤中的各个光信号波长一 致。
[0039]每组波长转换及路由模块A中的波长转换及路由模块A数量均与单模输入光纤的 根数相同。
[0040]如图2所示，系统中每个波长转换及路由模块A设计均相同，包括依次连接的光解 复用器4、N个第一波长转换器5、第三空间光路由器6、N个第二波长转换器7和光复用器 8,负责进行空间光路由器3-个输出端口的一组N个波长光信号的波长转换及路由。
[0041] 如图2所示，第一空间光路由器3每路输出端口的光信号先经过光解复用器4分 解为单波长信号，各个单波长信号经各自的第一波长转换器5传输到第三空间光路由器6 中，第三空间光路由器6对单波长信号进行空间路由后再经第二波长转换器7波长转换后 传送到光复用器8,光复用器8将各个单波长信号合并为一路光信号输出到第二空间光路 由器9。
[0042] 优选地，第一波长转换器5或者第二波长转换器7包括光滤波器结构，第一波长转 换器5或者第二波长转换器7的光滤波器结构将转换前光信号滤除。
[0043] 优选地，在第一波长转换器5和第二波长转换器7中不包含光滤波器的情况下，第 一波长转换器5和第二波长转换器7的输出端口会同时存在原光信号和转换后光信号。如 果第三空间光路由器6与第一空间光路由器3、第二空间光路由器9设计相同，则原光信号 会路由至3的某一输出端口，干扰路由至该端口输出的转换后光信号。为避免原光信号对 转换后光信号串扰，即第三空间光路由器6中每个端口中光信号串扰，第三空间光路由器6 与第一空间光路由器3、第二空间光路由器9具有不同的信道间隔，使得单模输入光纤及单 模输出光纤中所传输的光信号的波长与第三空间光路由器6的传输光谱（即透射光谱）不 匹配。
[0044]具体实施时，对于波长转换及路由模块A，使得第三空间光路由器6与第一空间光 路由器3、第二空间光路由器9的信道间隔有一定偏差，使原光信号不能通过第三空间光路 由器6。原光信号进入第一波长转换器5,使信号加载至一组新的波长，与第三空间光路由 器6信道匹配，即在波长转换及路由模块A中采用一组不同波长完成信道交换。在波长转 换模块A中，通过第一次波长转换器5,使经光解复用器4解复用后的光信号转移到一组不 同波长间隔的光上，通过第三空间光路由器6,再经过第二次波长转换器7,将第三空间光 路由器6空间路由后的光信号重新转换至符合第二空间光路由器9信道间隔的波长，继续 传输。
[0045] 光解复用器4为IXN光解复用器，为根据输入光纤内N个信道的波长间隔所设计 的单端输入、N个端口单波长输出的光无源器件，优选的采用阵列波导光栅AWG或衍射刻蚀 光栅EDG。
[0046] 光复用器8为NXl光复用器，为N个输入的单波长光信号合并为单端口输出的光 无源器件，优选的采用阵列波导光栅AWG、衍射刻蚀光栅EDG或多模干涉耦合器MMI。
[0047] 优选的第一空间光路由器3、第二空间光路由器9和第三空间光路由器6可相同或 者不相同，可采用循环阵列波导光栅AWGR或循环衍射刻蚀光栅EDGR。
[0048] 所述的第一波长转换器5或第二波长转换器7的结构可相同或者不相同，具体为 利用半导体光放大器SOA的非线性效应将一波长的光信号加载在另一个不同波长的直流 激光上的波长转换结构。
[0049] 优选的，第一波长转换器5或第二波长转换器7可采用如图9所示的结构，包括可 调谐激光器10、非线性光放大器11和延时波导12,可调谐激光器10发出的探测光和信号 光经波导连接非线性光放大器11输入端，非线性光放大器11的输出端分别连接光波导和 延时波导12后输出信号。
[0050] 优选的，第一波长转换器5或第二波长转换器7可采用如图10所示的结构，包括 可调谐激光器10、非线性光放大器11、延时波导12、线性光放大器13和调相器14,信号光 分为两路，分别经光波导和延时波导12后连接各自的线性光放大器13输入端，可调谐激光 器10发出两路探测光，两个线性光放大器13输出端与各自对应的可调谐激光器10的输出 端经耦合器耦合，将两个线性光放大器13输出端的信号与可调谐激光器10的两路探测光 分别耦合，形成两路光信号后连接到各自的非线性光放大器11输入端，两路非线性光放大 器11的其中一个非线性光放大器11输出端连接调相器14后与另一路的非线性光放大器 11的输出端耦合后输出最终的光信号。
[0051] 上述的可调谐激光器为可调谐的半导体激光器，非线性光放大器11采用非线性 光放大器，线性光放大器13采用线性半导体光放大器。
[0052] 本发明的N为正整数，当需要时，只需增加输入和输出光纤数目，并对应增加三个 空间光路由器3、6、9端口数目和波长转换及路由模块A的数目，其中波长转换及路由模块 A结构与设计均相同。
[0053] 本发明的工作原理如下：
[0054] 本发明中，图中出现的各信号波长下标一样则代表波长一样。输入光纤中传输的 一组光信号波长矩阵如式1。其中下标第一个数字i代表光纤序号，第二个数字j代表信道 序号，例如λu表示第一根输入光纤的第二个信道波长。
【权利要求】
1. 一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征在于：包括第一空间光 路由器（3)、三组波长转换及路由模块（A)及第二空间光路由器（9);N根单模输入光纤和第 一空间光路由器（3)之间连接有第一组波长转换及路由模块（A)，通过第一组波长转换及 路由模块(A)将单模输入光纤中复用的各个光信号内的各信道进行波长转换处理传送到第 一空间光路由器（3)中；第一空间光路由器（3)的输出端口经第二组波长转换及路由模块 (A)与第二空间光路由器（9)的输入端口连接，将每组不同波长的光信号经过波长转换处理 传送到第二空间光路由器（9)各自对应的输入端口中；第二空间光路由器（9)将由第二组 波长转换及路由模块(A)输出的每组不同波长的光信号传送到第二空间光路由器（9)各自 对应的输出端口；第二空间光路由器（9)经第三组波长转换及路由模块（A)连接单模输出 光纤，通过第三组波长转换及路由模块(A)将第二空间光路由器（9)各路输出端口的光信 号经波长转换处理重新加载在该路输出端口中的任意信道上；第一空间光路由器（3)和第 二空间光路由器（9)镜像工作，使得由第二空间光路由器（9)输出的每路光纤中的各个光 信号波长与第一空间光路由器（3)各自对应的输入光纤中的各个光信号波长一致。
2. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的波长转换及路由模块(A)包括依次连接的光解复用器（4)、N个第一波长转换 器（5)、第三空间光路由器（6)、N个第二波长转换器（7)和光复用器（8);第一空间光路由器 (3)每路输出端口的光信号先经过光解复用器（4)分解为单波长信号，各个单波长信号经各 自的第一波长转换器（5)传输到第三空间光路由器（6)中，第三空间光路由器（6)对单波长 信号进行空间路由后再经第二波长转换器（7)波长转换后传送到光复用器（8)，光复用器 (8)将各个单波长信号合并为一路光信号输出到第二空间光路由器（9)。
3. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的第一波长转换器（5)或者第二波长转换器（7)包括将转换前光信号滤除的光 滤波器结构。
4. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的第一波长转换器（5)及第二波长转换器（7)中不包括光滤波器结构，第三空间 光路由器（6)与第一空间光路由器（3)、第二空间光路由器（9)具有不同的信道间隔，使得 单模输入光纤及单模输出光纤中所传输的光信号的波长与第三空间光路由器（6)的传输光 谱不匹配。
5. 根据权利要求2所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的光解复用器（4)为IXN光解复用器，采用阵列波导光栅（AWG)或衍射刻蚀光 栅（EDG)。
6. 根据权利要求2所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特 征在于：所述的光复用器（8)为NXl光复用器，采用阵列波导光栅（AWG)、衍射刻蚀光栅 (EDG)或多模干涉耦合器。
7. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的第一空间光路由器（3)或第二空间光路由器（9)为循环阵列波导光栅或循环 衍射刻蚀光栅。
8. 根据权利要求2所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的第三空间光路由器（6)为循环阵列波导光栅或循环衍射刻蚀光栅。
9. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特征 在于：所述的第一波长转换器（5)或第二波长转换器（7)为利用半导体光放大器的非线性 效应将一波长的光信号加载在另一个不同波长的直流激光上的波长转换结构。
10. 根据权利要求1所述的一种模块化可扩展的N2XN2波长和空间全光路由器，其特 征在于：所述的第一空间光路由器（3)、第二空间光路由器（9)和波长转换及路由模块（A) 全部或部分集成在同一芯片上。
【文档编号】G02F1/35GK104317137SQ201410548755
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】武英晨, 何建军 申请人:浙江大学