专利名称：波长偏振混合标记的光分组交换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光分组交换系统，尤其涉及一种基于光波长和偏振态混合标 记的光分组交换系统，解决了光分组的光信头构成、路由信息承载及交换信息 处理等问题，属于光通信技术领域。
背景技术：
在已开展研究的光交换技术中，按交换方式的不同，通常将光交换技术分 为3类，光线路交换OCS(Optical Circuit Switching),光分组(包)交换OPS(Optical Packet Switching)和介于二者之间的光突发交换OBS(Optical Burst Switching)。较 早研究的光交换模式是光线路交换，基本交换单元呼叫，整个一次呼叫的带宽 保留在双进程中。它的主要缺陷是，在数据传送之前必须首先建立波长路由通 道，且通道波长一直被占用，直至一次呼叫完成才被释放。光突发交换(OBS)中， 信号被分成包含路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组的控制 信息通过路由器电子处理而数据分组不经过光电转换直接在端到端的透明传输 信道中传输。OBS的通信带宽只需单向保留，交换粒度优于光线路交换，但控 制信息需要占用额外的信道资源。更为理想的是光分组交换技术(OPS)， OPS将 光信息分成固定的光载荷和承载路由信息的光信头，构成具有固定格式的光分 组进行传送，它是一种无连接(Connectionless)自路由(Self-routing)的传输方式， 信息发送前不必等待直接发送，在光交换节点处进行存贮转发(S&F)，在目标节 点将各分组排序恢复原始数据流。该技术试图直接在光层上实现小粒度的分组 交换，具有少的开销、高的带宽利用率、传送信息格式透明等优点。
随着多协议标记交换MPLS(Multi-Protocol Label Switching)技术的发展，人们 将标记交换的思想引入OPS，将光分组(Optical Packet)分成携带路由信息的光信 头(Optical Header)和时间长度固定的光包(Optical Payload)，光分组在OPS交换节 点完成光信头(标记)的识别和路由查找，更新(交换)后的光信头与光包(载
荷)形成新的光分组继续进入下一级光网络传输。这种方式的光标记在电域内完 成识别和处理，载荷在整个光网络中透明传输。现在报道光标记交换技术研究的 文章也非常多，其研究成果引起广泛关注。值得注意的是一种多波长光标记方式 的光分组交换的方法。Shilin Xiao等人在《正EE Photonics Technology Letters》(电 气和电子工程师协会光子技术快报)2003， 15(4):605-607上发表的"Realizationof Multi-wavelength Label Optical Packet Switching"(多波长标记光分组交换的实现) 提出了一种带内波长标记的OPS技术的具体实现方法，并实现了一个简单的光标 记交换系统。
在该系统中，光信头由若干具有不同波长的光脉冲组成，这些光脉冲的不同 组合代表了不同的路由信息。这种光信头中光脉冲的波长与光包的载波属于同一 波长信道，不占用额外的波长资源。在交换节点处，通过对光信头中光脉冲不同 波长组合的判决实现光波路由选择。由于构成光信头的光脉冲的标记波长只能在 通信信道通带内取值，且不同波长的光脉冲要占用一定带宽，过多的波长标记会 在相互之间引起串绕，这就限制了可用以标记的脉冲的数目，致使光信头可携带 的信息量受限。
光除了幅度、相位、频率之外还有一个特性就是偏振。偏振光可以分为椭 圆偏振光和线偏振光。如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，这 种光称为线偏振光。椭圆偏振光可以分解为任意两个方向互相垂直的线偏振光， 当这两个分量振幅相等时就是圆偏振光。根据光的偏振特性，近年来提出了一 种称为偏振移位键控(POLSK)的数字传输技术，它通过调整外部偏振控制器产生 两个正交的偏振态，分别代表数据'T'和"O"，通过调制传输信号的两个线性正交 偏振态，进行信息传输。Sergio Benedetto在《IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS》VOL.40，NO.4，APRIL1992上发表的"Theory of Polarization Shift Keying Modulation，，上阐述了偏振态移位键控(Polarization Shift Keying, PolSK)技术的原理。偏振移位键控技术有受光源相位噪声影响很小、能有效的抑 制光纤传输过程中的非线性效应的特点，但该技术因为光纤偏振态色散的影响， 偏振信息在光纤中长距离传输后偏振方向会发生变化，且其接收机(Stokes接收
机)结构比较复杂，需要接收模块偏振轴和发送模块偏振轴方向一致，实现难 度大，在一定程度上限制了这种调制方式在高速数据传输中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种波长偏振混合标记的光 分组交换系统，提高光信头可携带的信息量，从而提升整个光标记交换网络的 性能。
为实现这一目的，本发明以光信头承载路由信息，用波长和偏振态共同作 为标记参数。在光标记交换边缘节点中光标记控制模块的统一控制下，波长标 记产生模块输出的不同波长的光脉冲在偏振标记产生模块进行偏振标记加载， 携带波长和偏振信息的光信头和光包经过定时和波分复用后发送到核心节点， 波长标记探测模块分离出光信头的不同波长的光脉冲，再经偏振标记检测模块 检测其携带的路由信息。光标记核心控制单元通过得到的路由信息控制光开关 交换矩阵进行光包交换。
本发明的方案具体描述如下
系统包括光标记交换边缘节点和光标记交换核心节点。其连接关系为用 于演示的计算机用户终端通过电缆连接光标记交换边缘节点，光标记交换边缘 节点通过光纤与光标记交换核心节点相连，光标记交换核心节点与光标记交换 核心节点之间经光纤互连。
光标记交换边缘节点主要功能模块包括电子输入输出线卡、光包打包拆 包处理器、光标记控制模块、波长标记产生模块、偏振标记产生模块和波分复 用器。电子输入输出线卡与用户终端连接，电子输入输出线卡的输出分别连接 光包打包拆包处理器和光标记控制模块，电子输入输出线卡的输出连接光标记 控制模块，光包打包拆包处理器的控制信号输出和光包输出分别连接光标记控 制模块及波分复用器，光标记控制模块的输出分别与波长标记产生模块及偏振 标记产生模块相连接，波长标记产生模块的输出与偏振标记产生模块相连接， 偏振标记产生模块的输出连接到波分复用器，波分复用器的输出连接到光标记 交换核心节点。
光标记交换核心节点的主要功能模块包括波长标记检测模块、由若干个 单路光偏振检测单元构成的偏振标记检测模块、光标记核心控制单元、光开关 交换矩阵、光标记产生模块和输出波分复用器；波长标记检测模块与光标记边 缘节点的输出相连，波长标记检测模块将光信头和光包分离，光信头输出连接 到偏振标记检测模块，光包输出连接到光开关交换矩阵，偏振标记检测模块与 光标记核心控制单元相连接，光标记核心控制单元的路由控制输出连接到光开 关交换矩阵，同时光标记核心控制单元控制光标记产生模块产生下一路光信头 的输出，光开关交换矩阵输出的光包和由光标记产生模块的新的光信头一起连 接到输出波分复用器。
本发明方案中采用了一种新型的光信头的标记方式，即光信头所携带的信 息由信道带内光脉冲的波长和偏振态组成。波长偏振混合标记光交换的光分组 的构成描述如下在时域上，光信头和光包有先后次序，每一个光信头携带其 对应光包的路由信息。携带有效通信信息的光包工作于某一指定波长的载波，
如符合ITUT规定的DWDM波长系列中的波长^ 。光信头所携带的路由信息由
光脉冲的波长和偏振态组成，光信头脉冲波长是指与光包在同一通信信道内的 波长，作为偏振标记的偏振态是指圆偏振态或线偏振态，每一个光信头由若干 不同波长的光脉冲组成，每一个光脉冲有一种偏振态。
在光标记交换边缘节点，电子输入输出线卡将用户终端业务流的数据信息 输至光包打包拆包处理器，同时将业务流的路由信息通知到光标记控制模块。 光标记控制模块根据输入的业务流的路由信息，控制波长标记产生模块和偏振 标记产生模块产生对应的由不同波长的光脉冲及其偏振态共同组成的光信头， 光包打包拆包处理器每产生一个光包就发送一个信号通知光标记控制模块，将 经严格排队和定时控制后的光信头连同光包一起接入波分复用器，复用产生的 光分组通过光纤发送至远端光标记交换核心节点。
在光标记交换核心节点，波长标记检测模块将到达核心节点的光分组的光 信头和光包分离，组成光信头的不同波长的光信号输入到偏振标记检测模块， 这些承载着路由信息的光信号通过偏振标记检测模块检测其中的偏振信息，再
将偏振标记检测模块输出完整的光路由信息到核心控制单元；光标记核心控制 单元根据探测到的光路由信息控制光开关交换矩阵，完成光包的交换，同时控 制与之相连的光标记产生单元，由光标记产生模块产生下一跳光信头；光包通 过光开关交换矩阵后再与新的光信头一起接入对应输出端口的波分复用器，波 分复用器的输出端口连接到目的节点。
本发明通过在波长标记中引入特殊光偏振态的方法，大幅度提高了信头可 携带的信息量，n个波长所能携带的信息将扩大1.5M咅，提升了整个光标记交换 网络的性能，同时保留了多波长光标记交换方法不需占用额外的波长资源，光 信头容易进行处理等优点。本发明能有效降低因为长距离光纤传输引起的偏振 轴方向变化所带来的影响，因为使用的偏振标记是线偏振态和圆偏振态，在一 定程度上克服了传输中偏振轴方向会发生旋转的不足。并能随着相关技术的发 展，很好地和现有标记交换技术融合，平滑过渡到理想的光分组交换技术，可 以较快实用化，且成本较低，结构简单，容易实现。
图1为本发明中波长偏振混合标记的边缘节点结构图。 图2为本发明中波长偏振混合标记的核心节点结构图。 图3为本发明中偏振标记的加载和解偏说明。 图4为本发明的偏振标记产生模块的结构示意图。 图5为本发明的单路偏振标记检测模块的结构示意图。
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。
本发明的波长偏振混合标记的光分组交换系统包括光标记交换边缘节点 和光标记交换核心节点。其连接关系为用于演示的计算机用户终端通过电缆 连接光标记交换边缘节点，光标记交换边缘节点通过光纤与光标记交换核心节 点相连，光标记交换核心节点与光标记交换核心节点之间经光纤互连。
图1给出了本发明中的光标记交换边缘节点结构示意图，光标记交换边缘
节点产生光分组，其主要功能模块包括电子输入输出线卡、光包打包拆包处 理器、光标记控制模块、波长标记产生模块、偏振标记产生模块和波分复用器。
用户终端与电子输入输出线卡连接，电子输入输出线卡的输出分别连接光 包打包拆包处理器和光标记控制模块，电子输入输出线卡的输出连接光标记控 制模块，光包打包拆包处理器的输出分别连接光标记控制模块及波分复用器， 光标记控制模块的输出分别与波长标记产生模块及偏振标记产生模块相连接， 波长标记产生模块的输出与偏振标记产生模块相连接，偏振标记产生模块的输 出连接到波分复用器，波分复用器的输出连接到光标记交换核心节点。
电子输入输出线卡将用户终端业务流的数据信息输至光包打包拆包处理 器，同时将业务流的路由信息通知到光标记控制模块。光标记控制模块根据输 入的业务流的路由信息，控制波长标记产生模块和偏振标记产生模块产生对应 的光信头，该光信头由不同波长的光脉冲及其偏振态共同组成。光包打包拆包 处理器每产生一个光包就发送一个信号通知光标记控制模块，将经严格排队和 定时控制后的光信头连同光包一起接入波分复用器，复用产生的光分组通过光 纤发送至远端光标记交换核心节点。
图2是本发明的光标记交换核心节点结构图。如图2所示，光标记交换核 心节点的主要功能模块包括波长标记检测模块、由若干个单路光偏振检测单 元构成的偏振标记检测模块、光标记核心控制单元、光开关交换矩阵、光标记 产生模块和输出波分复用器。
波长标记检测模块与光标记交换边缘节点的输出相连，波长标记检测模块 将光信头和光包分离，光信头输出连接到偏振标记检测模块，光包输出连接到 光开关交换矩阵，偏振标记检测模块与光标记核心控制单元相连接，光标记核 心控制单元的路由控制输出连接到光开关交换矩阵，光标记核心控制单元产生 的下一路光信头的控制输出连接到光标记产生模块，光开关交换矩阵的输出和 光标记产生模块的输出一起连接到输出波分复用器。
波长标记检测模块将到达核心节点的光分组的光信头和光包分离，组成光 信头的不同波长的光信号输入到偏振标记检测模块。这些承载着(波长)路由
信息的光信号通过偏振标记检测模块检测其中的偏振信息，再将偏振标记检测 模块输出完整的光路由信息到核心控制单元。光标记核心控制单元主要完成路 由光信息的探测、光开关矩阵的控制和新路由信息的产生等功能，即根据探测 到的光路由信息控制光开关交换矩阵，完成光载荷的交换，同时控制与之相连 的光标记产生单元，由光标记产生模块产生下一跳光信头。光包通过光开关交 换矩阵后再与新的光信头一起接入对应输出端口的输出波分复用器。输出波分 复用器的输出端口连接到目的节点。
图3详细说明了本发明偏振标记的加载和提取的过程。波长标记产生模块 用分布式反馈(DFB)激光器产生不同波长的线偏振光，输入到偏振标记产生模 块，偏振标记产生模块根据光标记控制模块输入的控制信息决定每路输出光的 偏振态(包括线偏振态、圆偏振态)。偏振标记检测模块由若干个单路光偏振 检测单元组成，通过单路光偏振检测单元提取对应波长脉冲的偏振态。
图4是偏振标记产生模块的结构示意图。如图4所示，偏振标记产生模块 包括一个高速光开关、三个1X2保偏耦合器、 一个90°旋转器。三个1X2保偏 耦合器分别为输入耦合器、中间绿耦合器、输出耦合器。
根据控制电平输出圆偏振光或线偏振光的原理结构，信号从左至右传输。 因为波长标记产生模块输出的光是由高线偏振特性的DFB激光器产生，所以偏 振标记产生模块的输入光其实是线偏振光，偏振标记产生模块中的高速光开关 受光标记控制模块的电平控制，若需要线偏光输出则控制光路直通，若需要圆 偏振光输出则控制光路斜通，高速光开关的直通输出直接连接到输出耦合器， 高速光开关的斜通输出接到输入耦合器，输入耦合器的输出为两路偏振方向平 行的线偏振光， 一路直接连接到中间级耦合器，另一路经90°旋转器后连接到中 间级输出耦合器，控制光程使两路光相位差正好为^/2，中间级耦合器的输出连 接到输出耦合器的另一输入端。该模块中所有光纤均使用保偏光纤。
图5是本发明中单路光偏振检测单元的原理结构图。如图5所示，单路光 偏振检测单元由一个分光器及两个主轴呈45。的偏振光束分离器(PBS)构成，
输入光(线偏振态或圆偏振态)经分光器到两个主轴呈45°的偏振光束分离
器PBS上，PBS将输入光分为两路偏振方向正交的光。如果是圆偏振光输入， 则两路输出的光强应该相等，如果是线偏振光输入，则两路信号应该是不等光 强，当两路信号功率的比值在门限范围内(如1附近一个范围)时就判别为圆 偏振光，当比值在这个范围之外就判别为线偏振光。
考虑到输入光偏振方向正好与PBS内两偏振片偏振方向成45。时光强比也 是l,采用2组偏振轴成45。的PBS进行两路比较，这样即使线偏振光的方向与 其中一个PBS两偏振轴夹角为450，另外一路也能有效检测出其偏振态，从而提 取出偏振标记。
本发明中，用户终端通过电缆与光标记交换边缘节点进行高速业务流发送 与接收，光标记交换边缘节点内与用户终端直接相连的是电子输入输出线卡， 该线卡负责接收来自计算机终端的10M/100M电以太数据包并负责将数据信息 转发给光包打包拆包处理器，同时将业务流对应的目的地址通知光标记控制模 块，光标记控制模块根据收到的路由信息进行査表，并准备好光路由的控制信 息，等待光打包拆包处理器的通知。光包打包拆包处理器根据数据包的业务优 先级和目的地址分配至相应的数据集中队列排队，当一个光包封装完成后，光 包打包拆包处理器发送通知到光标记控制模块，驱动其产生光标记控制信号。 光标记控制模块与波长标记产生模块和偏振标记产生模块相连，波长标记产生 模块根据控制线的电平产生不同波长组合的光脉冲，这些光脉冲再通过保偏光 纤连接到偏振标记产生模块，偏振标记产生模块同样根据控制信息控制光脉冲 的偏振态，偏振状态由设计者定义，与光标记交换核心节点偏振标记检测模块 相对应。在将产生的光信头和光包严格定时间隔后，发送光包与光信头一起复 用进入波分复用器经光纤输出。
在光标记交换核心节点，输入光先经过波长标记检测模块，分离光信头和 光包，光信头中不同波长的光脉冲也分路到不同光纤中。不同波长的光脉冲送 至偏振标记检测模块，偏振标记模块由多个单路光偏振检测单元组成，分别检 测不同波长的光脉冲的偏振态，不同的偏振态分别代表不同的路由信息。核心 节点通过光电探测器探测解偏后的路由信息，得到信头所携带的路由信息，并
根据这些路由信息产生控制电平控制交换矩阵，建立光包对应的输出光路，光 包经过光开关交换矩阵交换到输出端口，在与下一跳光信头进行复用之后输出 到下一跳光标记交换核心节点或接收光标记交换边缘节点。
本发明大大增加了信头所能携带的信息量，有效降低了因为长距离光纤传 输引起的偏振轴方向变化所带来的影响。因为作为偏振标记的偏振态是圆偏振 态和线偏振态，所以检测端可以采用直接检测的方法。偏振标记检测模块使用 先让输入的光脉冲先通过偏振光束分离器，再将两路偏振方向相互垂直的输出 光的光强相比的办法，在一定程度上屏蔽了光纤弯曲和色散所带来的影响。
权利要求
1.一种波长偏振混合标记的光分组交换系统，包括光标记交换边缘节点和光标记交换核心节点，其特征在于所述光标记交换边缘节点包括电子输入输出线卡、光包打包拆包处理器、光标记控制模块、波长标记产生模块、偏振标记产生模块和波分复用器；电子输入输出线卡与用户终端连接，电子输入输出线卡的输出分别连接光包打包拆包处理器和光标记控制模块，电子输入输出线卡的输出连接光标记控制模块，光包打包拆包处理器的输出分别连接光标记控制模块及波分复用器，光标记控制模块的输出分别与波长标记产生模块及偏振标记产生模块相连接，波长标记产生模块的输出与偏振标记产生模块相连接，偏振标记产生模块的输出连接到波分复用器，波分复用器的输出连接到光标记交换核心节点；电子输入输出线卡将用户终端业务流的数据信息输至光包打包拆包处理器，同时将业务流的路由信息通知到光标记控制模块，光标记控制模块根据输入的业务流的路由信息，控制波长标记产生模块和偏振标记产生模块产生对应的由不同波长的光脉冲及其偏振态共同组成的光信头，光包打包拆包处理器每产生一个光包就发送一个信号通知光标记控制模块，将经严格排队和定时控制后的光信头连同光包一起接入波分复用器，复用产生的光分组通过光纤发送至远端光标记交换核心节点；所述光标记交换核心节点包括波长标记检测模块、由若干个单路光偏振检测单元构成的偏振标记检测模块、光标记核心控制单元、光开关交换矩阵、光标记产生模块和输出波分复用器；波长标记检测模块与光标记边缘节点的输出相连，波长标记检测模块将光信头和光包分离，光信头输出连接到偏振标记检测模块，光包输出连接到光开关交换矩阵，偏振标记检测模块与光标记核心控制单元相连接，光标记核心控制单元的路由控制输出连接到光开关交换矩阵，光标记核心控制单元产生的下一路信头控制输出连接到光标记产生模块，光开关交换矩阵的输出和光标记产生模块的输出一起连接到输出波分复用器；波长标记检测模块将到达核心节点的光分组的光信头和光包分离，组成光信头的不同波长的光信号输入到偏振标记检测模块，这些承载着路由信息的光信号通过偏振标记检测模块检测其中的偏振信息，再将偏振标记检测模块输出完整的光路由信息到核心控制单元；光标记核心控制单元根据探测到的光路由信息控制光开关交换矩阵，完成光载荷的交换，同时控制与之相连的光标记产生模块，由光标记产生模块产生下一跳光信头；光包通过光开关交换矩阵后再与新的光信头一起接入对应输出端口的输出波分复用器，输出波分复用器的输出端口连接到目的节点。
2. 根据权利要求1的波长偏振混合标记的光分组交换系统，其特征在于所 述偏振态为圆偏振或线偏振。
3. 根据权利要求1或2的波长偏振混合标记的光分组交换系统，其特征在 于所述偏振标记产生模块包括高速光开关、三个1X2保偏耦合器、90°旋转器； 三个1X2保偏耦合器分别为输入耦合器、中间级耦合器、输出耦合器；高速光 开关的直通输出直接连接到输出耦合器，高速光开关的斜通输出接到输入耦合 器，输入耦合器的输出为两路偏振方向平行的线偏振光， 一路直接连接到中间 级耦合器，另一路经90°旋转器后连接到中间级耦合器，中间级耦合器的输出连 接到输出耦合器。
4. 根据权利要求1或2的波长偏振混合标记的光分组交换系统，其特征在 于所述单路光偏振检测单元由一个分光器及两个主轴呈45°的偏振光束分离器 构成，输入光经分光器到两个主轴成45。的偏振光束分离器上，分为两路偏振方 向正交的光，根据两路信号功率的比值是否在门限范围内来判定光的偏振态， 从而提取出偏振标记。
全文摘要
一种波长偏振混合标记的光分组交换系统，以光信头承载光路由，由波长和偏振态标记路由信息。在边缘节点光标记控制模块的统一控制下，波长标记产生模块输出不同波长的光脉冲，偏振标记产生模块控制光脉冲的偏振态，携带波长和偏振信息的光信头和光包经过波分复用后发送到核心节点。核心节点将光信头和光包分离，并将光信头的不同波长的光脉冲输入至波长标记检测模块，经偏振标记检测模块检测其携带的偏振信息，由偏振标记检测模块识别其偏振态，获得路由信息。核心节点根据得到的路由信息控制交换矩阵进行光包交换。本发明解决了多波长标记因为同一信道内可用波长数有限而带来的信头可承载信息量受限问题，解决了光传输中偏振轴方向不一致的问题。
文档编号H04J14/02GK101110761SQ20071004518
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月23日 优先权日2007年8月23日
发明者刘智鑫, 铮 梁, 瞿科锋, 肖石林, 磊 蔡, 赵智慧 申请人:上海交通大学