专利名称：区分单播和组播的分束发送光开关结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤通信技术领域的光开关，具体地说，涉及的是一种区 分单播和组播的分束发送光开关结构。
背景技术：
随着高清电视、视频会议、互动远程教学等带宽密集型业务的出现，光组 播已经得到了业界广泛的关注。在目前存在的组播的多种实现方式中，波分复 用(WDM)光组播是一种带宽利用最有效的方式，因为它不像多路单播的实现方式 那样需要将光组播信号分别沿独立的单播路径从源节点发送到各个目的节点， 而是在交叉结点处进行光信号的复制然后将复制的信号转发到下游节点去。要 实现WDM组播，光网络中的节点必须配备组播光交叉连接(Multicast-Capable Optical Cross-Connect, MC-0XC，)。组播光交叉连接通常是由解复用器、某 种组播光开关作为核心结构、和复用器构成，它不仅要完成端口之间的光路连 接而且要实现光信号的复制。其中，比较重要的是其核心部分组播光开关结构 的设计，业界通常使用无源的分光器来实现组播信号的光域复制，因为这种方 式结构简单、器件造价低。
经对现有技术的文献检索发现，胡卫生等在《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》1998年7月第10巻第7号上发表的"Multicasting Optical Cross Connects Employing Splitter_and_Delivery Switch" (采用 分束发送开关的光组播交叉连接)，该文中提出一种分束发送光开关结构(SaD-一Splitter and Delivery)，这种结构对单、组播业务均能做到严格无阻塞， 不足之处就是并不区分单、组播业务，无论是单播信号还是组播信号都会被分 光，这样会为单播信号引入不必要的功率损失。而光信号要想被接收单元检 测，其功率必须超过某个门限值，尽管光放大器如EDFA能够提高输入光信号的 功率，但是EDFA的引入同时会带来某些负面效应，如增加成本，引入噪声等。
因此，设计比较完善的光组播交换结构时应避免为单播信号引入损耗，使单、 组播信号能够分开处理。另一方面，大量的分光器会使制造过程变得复杂，从 而提高生产成本，但是分光器太少又可能会造成比较多的组播业务不能被满 足，使结构本身的阻塞率性能下降，这样，设计光组播交换结构时应在基本不 影响阻塞率性能的情况下尽量减少分光器的使用。检索中还发现，Ali等在 《IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS》2000年10月第18 巻第 10号发表的"Power-Efficient Design of Multicast Wavelength-Routed Networks"提出只有组播被分光的分束发送光组播交换结构(M0-SaD—-Multicast only Splitter and Delivery)。这种结构是从功率有效的角度考虑 提出的。它虽然不会为单播业务引入不必要的功率损失，但是由于它在每个波 长上只能建立一个组播业务，因此会给组播业务带来比较大的阻塞率。此外， 它也并未考虑功率均衡(即单、组播业务的接收功率应基本相同)，当组播信 号在网络中经过多个Mo-SaD后其功率会远远小于单播信号的功率，这样会增加 整个网络的管理复杂度。
因此，制造一种功率有效、可达到严格无阻塞，并且易于整个网络功率管 理的光组播交换结构是一个有待解决并且极具现实意义的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种区分单播和组播的分束 发送光开关结构(SUM-SaD)，使其结合微机电系统(MEMS)三面光开关和分束 发送光组播交换结构(SaD)实现、区分单播和组播的分束发送。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的区分单播和组播的分束 发送光开关结构包括现有的SaD组播交换结构、MEMS三面光开关、EDFA光放大 器。其中MEMS三面光开关一部分输出端口通过EDFA光放大器与SaD组播交 换结构的输入端相连，构成实现对组播信号分路的专用附加通路。组播信号先 被交换到MEMS光开关中与EDFA放大器相连的输出端口，经过放大、SaD分光 后被从MEMS光开关的另外一个输入端转发到整个结构的输出端，即MEMS三面 光开关中不与EDFA放大器相连的输出端。而单播信号则被MEMS三面光开关直 接交换到整个结构的输出端。因此，只有组播业务经过该结构时才会被分路，
这样就避免了给单播业务带来不必要的功率损失，弥补了 SaD光组播结构中存 在的不足。
MEMS是利用半导体工艺实现的微机械结构，它将电、机械和光集合在一块 芯片上，是一种微机电系统。MEMS光开关通过静电作用使微镜面发生转动，从 而改变光路。这种光开关同时具有波导光开关体积小、易于大规模集成和机械 光开关的高性能的优点。MEMS光开关从工艺结构上分为两维和三维MEMS光开 关，都已经是现有成熟的产品。两维MEMS三面光开关即本发明所述的MEMS三 面光开关。典型的尺寸是10cra(业界只给出了两维MEMS的标准尺寸，未给出微 小镜面的尺寸)。它是在微小镜面的两面镀膜，从而实现三面工作，通过控制中 间芯片上微镜面矩阵中不同的微镜面转动就可实现不同的光路连接。
SaD组播交换结构是一种现有技术中实现光组播的典型结构，PxQ SaD由p 个lxQ分光器、PxQ个1x2光开关、PxQ个光门构成。这种光开关利用平面 硅波导技术在一片硅板上实现，利用光门可达到-40dB的串话。
EDFA光放大器的数目为该光开关的输入端口数N的一半，以使区分单播和 组播的分束发送光开关达到严格无阻塞。EDFA光放大器是为了补偿分光器给组 播信号带来的功率损失而引入的。但是由于EDFA本身会引入噪声，并且具有非 线性特性，因此选择合适的放大器增益是一个值得解决的技术问题。为了完全 补偿分光损失，应该使放大器的增益刚好等于分光引起的损耗值。这样，即使 组播信号经过多级本发明提出的交换结构后，其功率值也能保持和单播信号值 基本相同，因此整个网络比较易于管理，从而弥补了现有结构MO-SaD的不足。
在本发明中，EDFA放大器的数目是一个可灵活配置的参数，它代表了该组 播交换结构在某个波长上能够同时建立的组播数目。实际中可根据不同的输入 业务优选该数目，使得组播阻塞率近似最优。 一般情况下，EDFA的最优数目为 2个或者3个，这样能达到比Mo-SaD更好的阻塞率性能，同时能降低SaD中使 用的分光器的数目。
综上所述，本发明中，只有组播业务经过该结构时才会被分路，这样就避 免了给单播业务带来不必要的功率损失；同时，本发明的开关结构可达到严格
无阻塞，可以使得组播阻塞率近似最优。
图l为本发明的结构示意图。
图2为基于SUM-SaD的支持多波长的组播光交叉连接(MC-0XC)。
图3为16x 16基于SUM-SaD的组播光交叉连接在某种特定输入下的吞吐量 结果(吞吐量和阻塞率之和为1)曲线示意其中图3(a)-(f)分别为组播业务占总业务中的比例为0.1， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 0.9时的吞吐量结果。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示。区分单播和组播的分束发送光开关结构是由1个Nx(N+D) MEMS三面光开关、D个EDFA光放大器和一个DxN SaD组播光开关组成的。 MEMS三面光开关中的所有输出端中有N个用作为整个结构的输出端，另外的D 个输出端经由EDFA光放大器连接到SaD的输入端，构成组播信号的专用附加通 路。
本实施例，D是一个可灵活配置的参数，这里D越小，所需要的EDFA光放 大器越少，同时SaD组播交换结构中所需要的分光器越少，这种结构的成本也 就越低。但是，D同时表征了这种结构能够同时建立的某一波长的组播的最大 数目，如果D太小，可能造成比较大的组播阻塞率。因此，应选择合适的D使 得SUM-SaD能用最少的成本获得近似最优的阻塞率性能。另外，衡量光开关的 另一个重要指标是其是否具有严格无阻塞特性。
很明显的， 一个NXN区分单播和组播的分束发送光开关对于单播业务是
严格无阻塞的。对于组播业务而言，先假设EDFA的数目D小于！，当！个输
2 2
出端口数均为2的组播业务(波长相同)同时到达该结构时，某些组播业务将 由于EDFA通路的缺少无法被满足。因此，其中SaD的输入端口数不应该小于
^ ;另一方面，由于组播业务至少有2个输出端，也就是说至多^个组播业 2 2
务会被NXN的区分单播和组播的分束发送光开关同时服务，因此，从经济的
角度考虑，SaD的输入端口数又不需要大于二。因此，NXN的区分单组播的
2
分束发送光开关为了达到严格无阻塞，EDFA的数目D应该为^。
2
由以上分析可以得到，NXN的区分单、组播的分束发送光开关要做到严格
无阻塞，必须由1个iVx^ MEMS三面光开关、^个EDFA光放大器、1个
2 2
!xiV SaD组播光开关构成。 2
为了能应用于波分复用光网络，交换节点必须能够支持多波长。与SaD结 构相类似，区别单播和组播的分束发送光开关SUM-SaD可组成光组播交叉连接 以支持多波长。可支持W个波长的NXN光组播交叉连接是由N个解复用器、W 个NXN区别单、组播的分束发送光开关SUM-SaD、 N个复用器组成的(如图2 所示)。每个SUM-SaD对应着一个波长。在每个输入端口，单个波长被解复用器 抽取后被送到相应的SUM-SaD转发，转发过程如上所述。这种MC-0XC当需要支 持新的波长时只需要增加一个SUM-SaD模块，因此具有波长模块性。假设SUM-SaD 中有D个EDFA光放大器，由于它并不具备波长转换功能，则基于SUM-SaD 的MC-OXC在每个波长上只能最多同时建立D个组播业务，若把这种特性定义为
MC-OXC的D-tree特性，则可以得到^-tree NxN的基于SUM-SaD的MC-OXC
2
可达到严格无阻塞。 .
很明显地，D应取值的大小与具体业务模型(业务量)相关。可以找到在 某一特定输入业务模型下使基于SUM-SaD的MC-OXC达到近似最优阻塞率性能 的尽可能小的D值。
接下来给出一种最常用的、输入为异步业务下的16x16基于SUM-SaD的 MC-OXC的最优D值。
假定到达过程服从泊松分布，到达率为/l，每个分组的服务时间服从指数 分布，平均值为w。并且假定光分组的波长服从均匀分布，输出端口数服从参 数为P的截断几何分布，光分组到达MC-OXC的任何一个输出端口的概率相同， 可以用数值计算的方法计算组播比例q为某一固定值时对应的截断几何分布的
参数p。仿真中取 =1，义=0. 1 1.0，每条链路上支持的波长数为W=32。组播 业务分别占O.l， 0.2， 0.4, 0.6, 0.8, 0.9时的吞吐量(等于1减去阻塞率的 值)结果(如图3所示)表明实际中D无需取SUM-SaD要达到严格无阻塞所需
要的上那么大，在此种输入业务模式下，D为2时的16x16基于SUM-SaD的 2
MC-OXC就可以到达近似最优的性能。
需要指出的是，这里只仿真了扇出分布为截断几何分布时的阻塞率性能， 通过仿真其他扇出分布时的阻塞率性能也能同样得到类似的结论，即基于SUM-SaD的MC-OXC要到达近似最优的阻塞率性能所需要的D —般取2， 3即可。
权利要求
1、一种区分单播和组播的分束发送光开关结构，其特征在于，包括分束发送组播交换结构SaD、MEMS三面光开关、EDFA光放大器，其中MEMS三面光开关一部分输出端口通过EDFA光放大器与SaD组播交换结构的输入端相连，构成实现对组播信号分路的专用通路，组播信号先被交换到MEMS光开关中与EDFA放大器相连的输出端口，经过放大、SaD分光后被从MEMS光开关的另外一个输入端转发到整个结构的输出端，即MEMS三面光开关中不与EDFA放大器相连的输出端；单播信号则被MEMS三面光开关直接交换到整个结构的输出端。
2、 根据权利要求1所述的区分单播和组播的分束发送光开关结构，其特征 是，所述的EDFA光放大器，其数目为该光开关的输入端口数N的一半，区分单 播和组播的分束发送光开关达到无阻塞。
3、 根据权利要求1所述的区分单播和组播的分束发送光开关结构，其特征 是，所述的EDFA光放大器，其增益等于分光损耗，组播信号的功率得到补偿。
4、 根据权利要求1或2或3所述的区分单播和组播的分束发送光开关结 构，其特征是，所述的EDFA光放大器，其数目为2-3个。
全文摘要
本发明涉及一种光纤通信技术领域的区分单、组播的分束发送光开关结构，包括SaD组播交换结构、MEMS三面光开关、EDFA光放大器，其中MEMS三面光开关一部分输出端口通过EDFA光放大器与SaD组播交换结构的输入端相连，构成实现对组播信号分路的专用通路。组播信号先被交换到MEMS光开关中与EDFA放大器相连的输出端口，经过放大、SaD分光后被从MEMS光开关的另外一个输入端转发到整个结构的输出端。而单播信号则被MEMS三面光开关直接交换到整个结构的输出端。本发明中，只有组播业务经过该结构时才会被分路，这样就避免了给单播业务带来不必要的功率损失；同时，本发明的开关结构可达到严格无阻塞。
文档编号H04Q3/52GK101384092SQ20081020162
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者浩 何, 张春蕾, 宏 杜, 胡卫生 申请人:上海交通大学