波长无关、方向无关和竞争无关的网络节点的制作方法

相关申请

本申请是2014年11月26日提交的名称为"modularopticalsystemsforhigh-speedandhigh-degreeofconnectivity"的美国临时申请号62/084,843的非临时申请，并且涉及2015年5月12日提交的名称为"multipoint,contentionlesswavelengthselectiveswitch(wss)"的美国专利申请序号14/709,770，该美国专利申请是2014年2月9日提交的美国临时专利申请序号62/113,738的非临时申请，上述申请以引用的方式并入本文。

背景技术：

在光wdm传输网络中，具有各种波长上的多个光信道的光信号被从一个位置传输到另一个位置。wdm技术中的一个重要元件是基于可重构光分插复用(roadm)的节点，这种节点可以接纳多种波长下的信号，并且在本地有选择地将这些波长中的一部分下路，而让其它波长通过。这样的能力为wdm网络提供了灵活性和可重构性。

理想的基于roadm的节点具有三个重要特征，称为波长无关、方向无关和竞争无关。波长无关节点这样一种节点：该节点的各个上/下路端口不是因波长选择的；任何波长都可以在任何收发器端口被上路或下路。方向无关节点是这样一种节点：这种节点上的上/下路通道不是因节点度选择的；收发器端口上上路的任何波长都可以被引导到任何出节点度，反之亦然。竞争无关节点是这样一种节点：同一波长可以被同时上路到多个度或从多个度下路到任何可用的收发器端口。

技术实现要素：

一方面，网络节点包括多个网络度接口，每个接口将wdm光信号引导到光传输网络的不同光传输路径上并从光传输网络的不同光传输路径接收wdm光信号。每个网络度接口彼此光学耦合，使得在任何一个网络度接口上接收的wdm光信号中的任何一个或多个波长分量可以被引导到网络度接口中的任何另一个。该网络节点还包括一个上/下路接口，该上/下路接口包括一下路波长选择开关(wss)和一上路wss。下路wss具有多个输入端和多个输出端，每个输入端以光学耦合方式从网络度接口中不同的一个接口接收波长分量。上路wss具有多个输出端和多个输入端，每个输出端以光学耦合方式将波长分量引导到网络度接口中不同的一个接口。上路和下路wss被各自配置为用来将在其任意输入端处接收的波长分量的任意子集引导到其光输出端中不同的一个输出端，前提是由输入端中的任意两个接收的光束的波长分量不能同时被引导到输出端中的同一个。多个收发器端口被各自光耦合到下路wss的不同输出端和上路wss的不同输入端。

附图说明

图1是波长无关且方向无关但非竞争无关的常规节点架构的示意图。

图2表示波长无关、方向无关和竞争无关的节点的一个例子。

图3a和3b分别是诸如多点竞争无关波长选择开关这样的简化光学装置的一个实例的俯视图和侧视图。

图4是输入光束被成像于其上的图3a和3b的波长选择开关中采用的第一开关元件的平面图。

图5是非色散光束被成像于其上的图3a和3b的波长选择开关中采用的第二开关元件的平面图。

图6是图3a和3b的光学装置的侧视图，表示在输入端口上接收的波长的各种不同子集被引导到输出端口中各个不同的端口上。

图7是图3a和3b的光学装置的侧视图，表明开关布局不能执行的使两个波长分量通过的方式。

图8是仅采用单独一个开关元件的波长选择开关的另一种可供选用的实施例中采用的开关元件的平面图。

图9是图3a和3b的波长选择开关的另一种可供选用的实施例中采用的第一开关元件的平面图。

图10表示可以包含一个或多个本文所介绍类型的cdc节点的wdm传输网络的一个实例。

具体实施方式

波长无关-方向无关-竞争无关(cdc)节点在实践中很难实现，尤其是采用大量收发器端口的节点。基于roadm的节点的关键部件是波长选择开关(wss)。提供cdc节点困难的一个原因是缺乏本身竞争无关的实用波长选择开关(wss)。不使用竞争无关wdd实现的cdc节点通常很复杂，并且在采用大量端口时会产生诸如高分离损耗这样的缺陷。由此，常用的节点往往是波长无关且方向无关，而不是竞争无关的。

图1是波长无关且方向无关但非竞争无关的常规节点架构的示意图。节点100是包括网络度接口1201，1202和1203的三度节点。每个网络度接口耦合到一对光放大器102，网络度接口的输入端连接到一1xn光学扇入装置，例如功率分配器(ps)或1xn波长选择开关(wss)104，并且网络度接口的输出端连接到一nx1光学扇出装置，即wss106。来自网络度1的输入端口1081上的复用光信号通过ps/wss104被选择性地分别引导到wss106和网络度2和3的相关联输出端口1102和/或1103。以相同的方式，输入端口1082和1083(网络度2和3)上的复用光信号可以被类似地路由到系统的其他网络度。

上路/下路终端130用于本地上路和/或下路波长。各个上路/下路终端具有包括一对1xnwss132和134的下路部分。第一wss132用于收集来自不同方向的下路流量，第二wss134用于选择哪个波长要被下路到哪个收发器端口。上路/下路终端的上路部分包括用于聚合来自不同收发器的流量的组合器135和用于将组合流量引导到不同方向的分离器137。由于上路/下路终端130中使用了第一1xnwss132，所以在任何给定的时刻只能有一个唯一的波长被下路。这样，节点100存在竞争问题。

在一方面中，本文公开的主题涉及波长无关、方向无关和竞争无关的节点。这一结果在一种实现方式中是这样实现的：使用包括波长选择开关(wss)的上路/下路终端，该波长选择开关的操作被限制为这样一种方式，该方式允许它被以实用方式实现，但仍允许该节点竞争无关地进行操作。如图2所示，cdc节点200被图示为四度节点。当然，更加一般地，节点200也可以被配置为具有任何期望的度数。

cdc节点200是包括网络度接口2201，2202以及2203和2204的四度节点。每个网络度接口耦合到一对光放大器202，网络度接口的输入端连接到一1xn光学扇入装置，例如功率分配器(ps)或1xn波长选择开关(wss)204，并且网络度接口的输出端连接到一nx1光学扇出装置，例如nx1wss206。来自网络度1的输入端口2081上的复用光信号通过ps/wss204被选择性地分别引导到wss206和网络度2，3和4的相关联输出端口2102，2103和/或2104。以相同的方式，输入端口2082，2083和2084(网络度2，3和4)上的复用光信号可以被类似地路由到系统的其他网络度。也就是说，如图2中由连接wss204的输入端口与wss208的输出端口的连线所逻辑上图解说明的那样，每一个网络度接口彼此光耦合，从而在网络度接口中的任何一个上接收到的wdm光信号中的任何一个或多个波长分量是可以引导到网络度接口中的任何其他一个上的。

cdc节点220还包括用于在本地上路和/或下路波长的上下路接口。各个上路/下路终端具有包括第一mxpwss250的下路部分，其中m等于节点中的度数，p是节点中可用的收发器端口的数量。第一mxpwss250的m个输入端口中的每一个光学连接到1xn光学扇入装置204的输出端，并且第一mxpwss250的p个输出端口中的每一个连接到收发器端口270之一。同样地，各个上路/下路终端具有包括第二mxpwss260的上路部分。第二mxpwss260的m个输出端口中的每一个光学连接到光学扇出装置的输入端，即nx1wss206，并且第二pxmwss260的p个输入端口中的每一个连接到收发器端口270之一。为简单起见，第一和第二wss250和260被仅仅表示为与收发器中的4个光耦合。

正如前面提到的那样，mxpwss250和260的操作受到这样的限制：允许它们以不会对cdc节点的操作产生不利影响的实用的、相对简单的方式来实施。特别地，mxpwss250和260中的每一个被配置为能够选择性地将在其输入端口中的任何端口上接收到的wdm光信号中的每一个信号的波长分量的任何子集引导到其光输出端口中不同的一个端口上，只要由输入端口中的任意两个端口接收的光束的波长分量不能被同时引导到输出端口中的同一个端口上。虽然按照这种限制进行操作的wss仍然允许节点是竞争无关，但是这样的wss对于制造商来说可能不那么复杂并且比较简单，因此比不按照这种限制进行操作的wss价格更加低廉。

在审查中的美国专利申请[代理人案号第2062/31号]中示出了可以为cdc节点200的上路/下路终端中使用的wss250和260中的一个或二者采用的适当wss的一个例子，该美国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。下面将参照图3-9图解说明这一示范性的wss。当然，本文公开的cdc节点可以采用按照前面提到的针对它们的功能的限制来进行操作的其他wss。而且，在一些实施例中，wss250和260甚至可以以限制更严格的方式发挥作用。具体来说，可以施加额外的限制，其中在任何给定时刻只有一个单独的波长分量可以被引导到任何给定的输出。

图3a和3b分别是wss100的俯视图和侧视图。图3a的俯视图在本文中也称为色散平面图，图3b的侧视图在本文中也称为开关平面图。光通过诸如光纤之类的光波导被输入和输出wss100，光波导起到输入和输出端口作用。在图3b中可以很好地看出，输入端口阵列101可以包括多个单独的输入光纤1011,1012，1013...101m，这些输入光纤分别耦合到准直器1021，1022，1023...102m。来自一个或多个输入光纤101的光被准直器102转换成自由空间光束。从输入端口阵列101出射的光平行于z轴。虽然在图1b中输入端口阵列101仅示出了四个光纤/准直器对，但是更一般地，可以采用任何适当数量的光纤/准直器对。

在图3a和3b中，两张图中影响两个轴上的光的光学元件都被用实线绘制为双凸面光学器件。另一方面，仅影响一个轴上的光的光学元件在受影响的轴上用实线画出。仅影响一个轴上的光的光学元件在它们不影响的轴上也会用虚线画出。例如，在图3a和3b中，两张图中都用实线绘制了光学元件102,106,109和111。另一方面，光学元件103,104,105,107和110在图3a中用实线绘制(因为它们在色散平面上具有聚焦能力)并且在图3b中用虚线绘制(因为它们在开关平面上保持光束不受影响)。图3b中用实现绘制光学元件108(因为它在开关平面上影响光束)并且在图3a中用虚线绘制(因为它色散平面上保持光束不受影响)。

离开输入端口阵列101的光束被引导到准直器102，准直器102是沿着开关平面上的一个轴准直光束并且使得该光束继续在色散平面上发散的柱面透镜。柱面透镜103接收来自准直器102的光束，并使光束在色散平面上进行准直。透镜103对开关平面上的光束没有显着影响。光束现在在色散平面和开关平面上都得到了准直。

在由柱面透镜103在色散平面上进行准直之后，光束被引导到第一波长色散元件104(例如，衍射光栅或棱镜)，该元件在色散平面上将自由空间光束分离成它们的组成波长分量(或简称"波长")或信道。由于第一波长色散元件104的构造(例如，光栅的取向)，它在开关平面上对光束没有显著影响。色散后的波长然后被引导到柱面透镜105，该透镜在色散平面上将波长聚焦到第一透射开关元件106上。柱面透镜105在开关平面上保持波长不受大的影响。

此时，输入光束在空间上被彼此分离开，但各自在开关元件106上被色散。这在图4中加以图解说明，图4是输入光束在其上成像的第一开关元件106的平面图，也称为光学足迹图。输入光束2021,2022,2023...202m中的每一个都是从输入阵列101的光纤1011,1012,1013...101m之一接收的。如图所示，任何特定输入光束2021,2022,2023...202n沿着x轴被色散成其组成波长分量，并沿着y轴被与其它输入光束在空间上分离开。

第一开关元件106然后在开关平面上以取决于波长的方式使输入光束转向。第一开关元件所作的开关是与第二开关元件109配合进行的。下面在明确了图3a和3b中所示的光学装置的例子中剩余的光学元件之后，将解释说明执行这一开关所采用的方式。

在通过第一开关元件106转向之后，各个输入光束的部分或全部组成波长分量被柱面透镜107在色散平面上重新进行准直。然后使用第二波长色散元件108(例如，衍射光栅或棱镜)来在色散平面上对光束的经过准直的组成分量进行组合或去色散。柱面透镜107和第二波长色散元件108在开关平面中没有显着影响。

第二开关元件109从色散元件108接收重新组合起来的光束。第二开关元件109上接收各个光束的位置是由第一开关元件106执行的开关来决定的。具体地说，重新组合起来的光束各自被选择性地引导到图3b中所示的位置a，b，c，...之一上。图5示出了在不同位置a，b，c...处到达第二开关元件109上的光束2041，2042,2043...204n，这些光束虽然没有被色散，但是在第二开关元件109上被与其它输入光束2041，2042，2043...204n物理上分离开。

柱面透镜110，柱面小透镜阵列111和光纤阵列112以与输入光学器件101,102和103类似的方式形成输出光耦合。特别地，柱面透镜110在开关平面上对光束进行准直，并将光束引导到柱面小透镜阵列111中的各个柱面透镜1111,1112,1113，...111n中的相应的一个上。各个柱面透镜1111,1112,1113，...111n将其对应的光束引导到输出光纤端口阵列112中的输出端口1121，1122,1113...112n中对应的一个。

如图3b所示，在第二开关元件109上的位置a,b,c...与输出端口1121，1122,1123...112n之间存在一对一的关系。也就是说，被从输入端口中的任何一个引导到比如说第二开关元件109上的位置a的各个波束中的重新组合起来的波长的任何子集将总是被第二开关元件109引导到输出端口中同一个预定的端口。更一般地讲，被从输入端口中的任何一个引导到第二开关元件109上的任何特定位置a，b，c...的各个光束中的重组组合起来的波长的任何子集将总是被第二开关元件109引导到输出端口中与第二开关元件109上的特定位置a，b，c...相对应的同一个预定端口。

在操作中，第一和第二开关元件106和109协同操作，从而使得由任何给定输入端口101接收的光束的波长的任何子集可以被路由到任何给定的输出端口112，只要任何给定的输出端口在任意时刻只能接受来自单独一个输入端口的波长的子集。也就是说，开关元件106和109被布置成使得输出端口受到这样的限制：它们在任何给定时刻仅支持与一个输入的连接，而不同时支持与多个输入端的连接。将参照图6和7图解说明这一开关行为。

图6表示被引导到各个不同的输出端口的、在输入端口101上接收的波长的各种不同子集。各个输入端口接收包括波长分量λ1-λn的wdm光束。例如，在图6中，由输入端口1011接收的光束的波长分量λ1和λ5-λ7被引导到输出端口1129，由输入端口1012接收的光束的波长分量λ1被引导到输出端口1121，由输入端口1013接收的光束的波长分量λ1-λn被引导到输出端口1125，并且由输入端口101n接收的光束的波长分量λ3-λ4，λ6和λ10-λn被引导到输出端口1127。

与图6相比照，图7表示一种假设且不允许的情形：波长分量被从第一开关元件106路由到第二开关元件109。具体地说，图6中所示的开关行为是不允许的，因为它表明第二开关元件109上的位置d同时从输入端口1011和输入端口1013接收波长分量。

第一和第二开关元件106和109可以基于各种不同技术平台中的任何一种。例如，第一和第二开关元件可以例如是诸如可编程光学相位调制器或基于微机电(mems)的器件这样的光束转向元件。合适的可编程光学相位调制器的一个例子是液晶附硅(lcos)器件。基于mem的器件的一个例子是数字微镜器件(dmd)。在一些实施例中，第一和第二开关元件106和109基于相同的技术平台或不同的技术平台。例如，在后一种情况下，第一开关元件106可以是可编程光相位调制器，而第二开关元件109可以是基于mem的器件。

在一种可供选用的实施例中，采用单独一个开关元件来代替图3-7中所示的两个开关元件。也就是说，图3-7中所示的第一和第二开关元件二者的功能由一个物理开关元件来完成。图8示出了这种组合开关元件301的光学足迹图。色散光束302和非色散光束303被物理上分离开，并且可以以多种方式定向或布局。例如，尽管图5中的色散光束302和非色散光束303沿着水平方向延伸，但是在其它实施例中，它们可以沿着彼此不同的方向延伸(例如，色散光束302可以沿着水平方向延伸，而非色散光束303可以沿着垂直方向延伸)。

在另一可供选用的实现方案中，可以通过使输入端口取向为使空间上分离的输入光束成像到开关元件106上，以致使得输入光束相对于彼此不重合，来减小串扰。在图9中示出了这种情形，图9是与图4的平面图类似的开关元件106的平面图。不过，在图9中，输入光束是沿着x轴交错的，从而使得任何两个不同输入光束中的相同波长不沿着y轴对齐。

应当注意，这里参考图3-9介绍的wss可以以互易的方式操作，从而输入端口可以用作输出端口，并且输出端口可以用作输入端口。由此，就这一装置的描述而言，术语输入端和输出端可以互换地使用。

图10表示可以包含一个或多个本文所介绍类型的cdc节点的wdm传输网络200的一个实例。wdm传输网络200包括网络节点210-215。各个节点通过光链路220-224连接到至少一个其他节点，光链路220-224可以包括光纤，wdm信号通过这些光纤传播。例如，节点210通过链路220连接到节点211，并且节点211通过链路221连接到节点212。此外，节点211通过链路222连接到节点214，并且节点214通过链路223连接到节点213。再有，节点214通过链路224连接到节点215。在这个例子中，节点211和214是三度节点。各个链路可以包括用于放大wdm信号的一个或多个光放大器230-235。例如，链路220,221,223和224分别包括光放大器230,231,234和235。同样，链路222包括光放大器232和233。信息是通过调制一个或多个光波长以将数据编码到波长上而在wdm传输网络200上发送和接收的。各种不同的调制光波长被组合成单独一个wdm信号，该wdm信号通过传输链路传输。

wdm传输网络可以包括具有终端节点的点对点光网络、环形光网络、网格光网络或任何其它合适的光网络或光网络的组合。图2中所示的节点和光链路的数量是示范性的并且是为了简化说明而给出的。

光放大器230-235可以是任何合适类型的全光放大器(即，没有任何光电转换的放大器)。例如，光放大器可以是诸如掺铒光放大器或拉曼光放大器这样的稀土掺杂光放大器。任何给定传输网络中采用的光放大器都可以全部是相同类型的，也可以是不同类型的。