专利名称：全光交换网动态可重构多粒度光缓存器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多粒度光缓存器，尤其涉及多粒度光延迟线树的结构。光缓存是全光分组交换网必不可少的技术，是实现分组包头读取、分组同步、解决路由竞争的关键器件，属于光通信技术领域。
背景技术：
光交换/光路由属于全光网络中关键光节点技术，光交换器件是光交换/光路由的基础。实现光交换系统的关键是开发高速光逻辑器件，即光的读写器件和存储器件。光存储器可以实现光信号的存储。常用的光存储器有双稳态激光二极管光存储器和光纤延迟线。双稳态激光二极管光存储器的原理是利用双稳态激光二极管对输入光信号的响应和保持特性存储光信号。光纤延迟线光存储器的原理是利用光信号在光纤中的传输延时特性达到存储光信号的目的。由于它是无源器件，比双稳态存储器稳定。国内外研究机构针对基于光纤延迟线的光缓存进行了大量研究。光交换系统中的光存储器要求存储时延能够以纳秒量级进行变化；当竞争发生/解除时数据包能够方便灵活地进入/退出光缓存；光缓存还应该对不同比特率、调制格式及波长透明。目前在实验室研究、演示的光纤延迟线光缓存可以分为两类基本结构环路型和行波型。环路型光缓存，结构紧凑，需要的元器件少。但是数据包在环路中多次循环导致ASE噪声的积累，因此循环次数受到限制。另外由于环路长度固定，为防止前后数据碰撞的发生，数据包的最大长度也受到限制(Langenhorst R.，Eiselt M.，Pieper，W.Fiber，Loop optical buffer，IEEEJournal of Lightwave Technology，1996，14(3)，324-335)。和环路结构相比，行波光缓存体积大但存储数据包的长度不受限制(Hunter D.K.，Cotter D.，AhmadR.B.，2×2 buffered switch fabrics for traffic routing，merging，and shaping inphotonic cell networks，IEEE Journal of Lightwave Technology，1997，15(1)，86-101)。行波光缓存可以用2×2光开关和光纤延迟线组成，或者采用广播-选择的方式通过由LiNbO3材料制成的定向耦合器连接光纤延迟线组成(Murphy E.J.，AmbroseA.F.，Irvin R.W.，16×16 strictly nonblocking guided-wave optical switchingsystem，IEEE Journal of Lightwave Technology，1996，14(3)，352-358)。这类光缓存具有动态重构的特点，但需要解决插损大、偏振敏感以及串扰的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的基于多粒度光纤延迟线、SOA增益开关和相移器构成光延迟线树，再由多粒度光延迟线树级联构成光缓存器。本发明的光缓存器提供的缓存时延具有更多的可变值和更大的可变范围(变化范围为10ns至1毫秒)，同时又具备结构紧凑、可升级、缓存时延在纳秒量级内动态可重构的特点；存储的数据包长度不受限制，数据包进出光缓存灵活，积累噪声比较低，能满足未来广交换网对光缓存的要求。
为实现这样的目的，本发明由多级光延迟线树构成光缓存器，相邻延迟线树之间具有10倍递增的粒度(如图2所示)；如图1所示，每级延迟线树由3dB耦合器(7)，1×、2×、4×、7×本级单位长度光延迟线(8)、TOAD环(9)组成；其中TOAD环(9)如图3所示，由3dB耦合器(4)、相移器(5)、SOA增益开关(6)、光纤环(10)组成。在每级延迟线树，通过控制TOAD环中SOA增益开关、相移器使得最多两个不同粒度延迟线级联能够提供10个可变的缓存时延值，分别为{0×，1×，2×，3×，4×，5×，6×，7×，8×，9×}2倍本级单位长度光延迟。总共n级光延迟线树级联，控制各级延迟线树中SOA增益开关、相移器，整个光缓存器可提供10n个可变时延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。本发明的核心在于对多粒度光延迟线的设计和对SOA增益开关、相移器的控制。光延迟线的基本粒度T取决于SOA增益开关和相移器的响应速度，在ns量级。以一级延迟线树为例，控制步骤如下1)数据包输入环形器端口(1)，从输出端口(2)进入光缓存器，经过3dB耦合器(4)分成两路分别进入TOAD环(9)和光纤延迟线1T(8)。控制SOA增益开关S0处于开状态，其它所有元器件处于关状态，则数据包通过TOAD环从输入端口返回到环形器端口(2)，再通过环形器输出端口(3)离开缓存器；在缓存器中经历的时延为零。
2)数据包输入环形器端口(1)，从输出端口(2)进入光缓存器，经过3dB耦合器(4)分成两路分别进入TOAD环(9)和光纤延迟线1T(8)。控制SOA增益开关S0′处于开状态，其它所有元器件处于关状态，数据包通过光纤延迟线1T后进入TOAD环，然后从TOAD环的输入端返回，再次经过延迟线1T后，通过环形器离开缓存器；在缓存器中经历的时延为2×1T。
3)将步骤1)中的相移器P0置于开状态，同时打开增益开关S1′，其它元器件置于关状态，数据包在缓存器中经历的时延为2×2T。
4)将步骤2)中的相移器P0′置于开状态，同时打开增益开关S1′，其它元器件置于关状态，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+2T)。
5)将步骤1)中的相移器P0、P1打开，同时打开增益开关S1、S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×4T。
6)将步骤2)中的相移器P0′、P1打开，同时打开增益开关S1、S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+4T)。
7)将步骤3)中的相移器P1′打开，同时打开增益开关S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(2T+4T)。
8)将步骤1)中的相移器P0、P1、P2打开，同时打开增益开关S1、S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×7T。
9)将步骤2)中的相移器P0′、P1、P2打开，同时打开增益开关S1、S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+7T)。
10)将步骤3)中的相移器P1′、P2打开，同时打开增益开关S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(2T+7T)；以上控制步骤可以用表一表示数据包在延迟线树中经历时各延值时元器件的工作状态。
按照上述控制步骤，对每级延迟线树进行相似的控制，则在每个延迟线树都可得到10个可变的时延值，从而整个n级延迟线树级联的光缓存器可以提供10n个可变时延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。
表一各元件的工作状态
说明“√”表示元件处于开状态；“×”表示元件处于关状态；相移器处于开状态时使TOAD环中相反方向传输的光产生相对相移π；相移器处于关状态时相反方向传输的光不产生相对相移。
本发明具有显著的有益效果。本发明不限制缓存数据包的长度；当交换节点资源动态可用/不可用时，通过增益开关和相移器的控制，使得正在缓存的数据包退出/进入缓存器。通过对各级光延迟线树的控制，光缓存器能够提供各个可变值的缓存时延，变化范围在10ns-1ms之间，满足光交换网对光缓存的要求。
图1为本发明中多粒度光延迟线树的示意图。
图2为本发明动态可重构多粒度光缓存器示意图。
图3为本发明中环形器的示意图。
图4为本发明中TOAD环的示意图。
图5为数据包在本发明光缓存器中缓存时延为9750×2T的流程图。
图6为数据包在本发明光缓存器中缓存时延为123×2T的流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明技术方案的具体实施方式
作详细描述。
如图1所示，本发明基于环形器(如图2)、耦合器(7)、多粒度光纤延迟线(8)、TOAD环(9)构成光纤延迟线树，其中TOAD环(9)如图3所示，由3dB耦合器(4)、相移器(5)、SOA增益开关(6)、光纤环(10)构成。数据包输入环形器端口(1)，从端口(2)输出进入到光纤延迟线树；在光纤延迟线树中经过缓存后返回到环形器端口(2)，从环形器端口(3)输出(即从光延迟线树退出)，经过光放大器补偿数据包在缓存器中的经历的功率损耗。本发明的特点是数据包写入、读出缓存器将两次经过同一光延迟线，因此每个延迟线提供两倍的缓存时延。
如图2所示，光缓存器级由4级光延迟线树构成，每级光延迟线树结构相同，不同的是各级延迟线树基本延迟粒度10倍递增。控制各级延迟线树(如发明内容描述)，该缓存器能够提供104个可变缓存时延。数据包到达交换网节点，该节点根据资源利用情况，决定数据包是否进入缓存器进行缓存以及相应的缓存时延。一旦数据包需要缓存的时延确定，数据包在光缓存器内各级延迟线树的时延也就确定。通过控制各级延迟线树中的SOA增益开关及相移器，实现数据包在各级延迟线树的缓存时延。根据交换网对缓存的需要，加上更高级的延迟线树，该缓存器还可升级。下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1欲将数据包在光缓存器中缓存时延为9750×2T。
数据包在4级延迟线树缓存时延为9×1000×2T；在3级延迟线树缓存时延为7×100×2T；在2级延迟线树缓存时延为5×10×2T；在1级延迟线树缓存时延为0。数据包在缓存器中经历的过程如附图5中虚线所示，步骤如下(1)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)首先进入第4级延迟线树，此时该延迟线树中增益开关S0，S1′，S2，S3打开，相移器P0，P1′，P2打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线2000T，然后再通过光延迟线7000T，从TOAD环返回后再通过延迟线7000T，顺原路再一次经过延迟线2000T，然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。此时该延迟线树中的所有SOA开关和相移器关闭。在第4级延迟线树数据包经历的缓存时延为(2000T+7000T)×2。
(2)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)进入第3级延迟线树。此时该延迟线树中增益开关S0，S1，S2，S3打开，相移器P0，P1，P2打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线700T，从TOAD环返回后再通过延迟线700T，然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。此时关闭该延迟线树中所有SOA开关和相移器。在第3级延迟线树数据包经历的缓存时延为700T×2。
(3)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)进入第2级延迟线树。此时该延迟线树中增益开关S0′，S1，S2′打开，相移器P0′，P1打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线10T后在通过延迟线40T，从TOAD环返回后再通过延迟线40T，顺原路再一次经过延迟线10T然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。此时关闭该延迟线树中所有SOA开关和相移器。在第2级延迟线树数据包经历的缓存时延为(10T+40T)×2。
(4)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)进入第1级延迟线树。此时该延迟线树中只有增益开关S0打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包直接从TOAD环返回到环形器端口(2)，从端口(3)输出，关闭增益开关S0。这时数据包在第1级延迟线树没有进行缓存。至此数据包在整个缓存器中的缓存结束，总的缓存时延为9750×2T。
实施例2欲将数据包在光缓存器中缓存时延为123×2T。
数据包在4级延迟线树缓存时延为零；在3级延迟线树缓存时延为1×100×2T；在2级延迟线树缓存时延为2×10×2T；在1级延迟线树缓存时延为3×2T。数据包在缓存器中经历的过程如附图6中虚线所示，步骤如下(1)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)首先进入第4级延迟线树，此时该延迟线树中增益开关只有增益开关S0打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包直接从TOAD环返回到环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。这时数据包在第4级延迟线树没有进行缓存。此时该延迟线树中的所有SOA开关和相移器关闭。
(2)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口2进入第(3)级延迟线树。此时该延迟线树中增益开关S0′打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线100T，从TOAD环返回后再通过延迟线100T，然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。此时关闭该延迟线树中所有SOA开关和相移器。在第3级延迟线树数据包经历的缓存时延为100T×2。
(3)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)进入第2级延迟线树。此时该延迟线树中增益开关S0，S1′打开，相移器P0打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线20T，从TOAD环返回后再通过延迟线20T，然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，经过放大后，进入下一级延迟线树。此时关闭该延迟线树中所有SOA开关和相移器。在第2级延迟线树数据包经历的缓存时延为20T×2。
(4)数据包从环形器端口(1)输入，通过端口(2)进入第1级延迟线树。此时该延迟线树中增益开关S0′，S1′打开，相移器P0′打开，其他增益开关和相移器关闭。数据包通过光延迟线1T后在通过延迟线2T，从TOAD环返回后再通过延迟线2T，顺原路再一次经过延迟线1T然后输入环形器端口(2)，从端口(3)输出，关闭该延迟线树中所有SOA开关和相移器。这时数据包在第1级延迟线树经历的缓存时延为(1T+2T)×2。至此数据包在整个缓存器中的缓存结束，总的缓存时延为123×2T。
权利要求
1.一种动态可重构多粒度光缓存器结构，其特征在于不同粒度光延迟线树级联，数据包通过环形器依次写入各级光纤延迟线树，再通过环形器从光纤延迟线树读出；数据包在每个延迟线树中，通过各TOAD环和不同粒度光延迟线的组合经历10个(0，1，2...7，8，9)不同值的时延。
2.如权利要求1所述的动态可重构多粒度光缓存器，其特征在于所述的各级延迟线树分别由4种不同粒度的光纤延迟线(8)构成；构成一级延迟线树的时延粒度是1T，2T，4T，7T；构成二级延迟线树的粒度是10T，20T，40T，70T，…构成n级延迟线树的粒度是10n-1T，2×10n-1T，4×10n-1T，7×10n-1T。
3.如权利要求1所述的动态可重构多粒度光缓存器，其特征在于所述的延迟线树由耦合器(7)、光纤延迟线(8)和TOAD环构成(9)；其中TOAD环(9)由3dB光耦合器(4)、SOA增益光开关(6)、相移器(5)和光纤环(10)组成，相移器(5)关时环路中正、反向传输的光相位相同(耦合器引起的突变相位除外)，相移器(15)开时环路中正、反向传输的光相位相差π弧度(耦合器引起的突变相位除外)。
4.如权利要求1所述的动态可重构多粒度光缓存器，其特征在于在每个延迟线树中控制TOAD环的状态和不同粒度光延迟线的组合提供10个(0，1，2...7，8，，9)不同值的时延；以一级延迟线树为例，控制步骤如下1)数据包输入环形器端口(1)，从输出端口(2)进入光缓存器，经过3dB耦合器(4)分成两路分别进入TOAD环(9)和光纤延迟线1T(8)；控制SOA增益开关S0处于开状态，其它所有元器件处于关状态，则数据包通过TOAD环从输入端口返回到环形器端口(2)，再通过环形器输出端口(3)离开缓存器；在缓存器中经历的时延为零；2)数据包输入环形器端口(1)，从输出端口(2)进入光缓存器，经过3dB耦合器(4)分成两路分别进入TOAD环(9)和光纤延迟线1T(8)；控制SOA增益开关S0′处于开状态，其它所有元器件处于关状态，数据包通过光纤延迟线1T后进入TOAD环，然后从TOAD环的输入端返回，再次经过延迟线1T后返回到环形器端口(2)，再通过环形器输出端口(3)离开缓存器；在缓存器中经历的时延为2×1T；3)将步骤1)中的相移器P0置于开状态，同时打开增益开关S1′，其它元器件置于关状态，数据包在缓存器中经历的时延为2×2T；4)将步骤2)中的相移器P0′置于开状态，同时打开增益开关S1′，其它元器件置于关状态，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+2T)；5)将步骤1)中的相移器P0、P1打开，同时打开增益开关S1、S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×4T；6)将步骤2)中的相移器P0′、P1打开，同时打开增益开关S1、S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+4T)7)将步骤3)中的相移器P1′打开，同时打开增益开关S2′，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(2T+4T)；8)将步骤1)中的相移器P0、P1、P2打开，同时打开增益开关S1、S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×7T；9)将步骤2)中的相移器P0′、P1、P2打开，同时打开增益开关S1、S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(1T+7T)；10)将步骤3)中的相移器P1′、P2打开，同时打开增益开关S2、S3，其他元器件关闭，数据包在缓存器中经历的时延为2×(2T+7T)；以上控制步骤可以用表一表示数据包在延迟线树中经历时各延值时元器件的工作状态；表一 各元件的工作状态
说明“√”表示元件处于开状态；“×”表示元件处于关状态；相移器处于开状态时使TOAD环中相反方向传输的光产生相对相移π；相移器处于关状态时相反方向传输的光不产生相对相移。
5.如权利要求4所述的控制步骤，对每级延迟线树进行相似的控制，则在每个延迟线树都可得到10个可变的时延值，从而整个n级延迟线树级联的光缓存器可以提供10n个可变时延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。
全文摘要
一种基于光纤延迟线和SOA增益光开关的全光交换网动态可重构多粒度光缓存器，具有纳秒量级的读写速度，支持全光交换网中不定长度数据包的缓存。整个光缓存器由不同粒度的光延迟线树级联，每个延迟线树由4种不同粒度的光延迟线组成。每个延迟线树通过最多两个不同粒度延迟线的组合，可以提供10个基本单位(0，1，2，3…9)的缓存时延。因此，两级光延迟线树级联的光缓存器可以提供100个基本单位的缓存时延，三级级联的光缓存器可以1000个基本单位的缓存时延。与已经报道过的光缓存器相比，本发明结构紧凑，缓存时延变化范围大(10ns～1ms)，插入损耗低，数据包可以随机读取的特点。
文档编号H04L12/56GK1633108SQ200510002008
公开日2005年6月29日 申请日期2005年1月12日 优先权日2005年1月12日
发明者杨爱英, 孙雨南 申请人:北京理工大学