在由高级防御研究计划机构授予的第n66001-12-2-4007号合同下通过政府支持作出本发明。政府具有本发明中的特定权利。
背景技术：
光通信是用于数字信息的高速、高带宽交换的领先解决方案。光通信通过诸如光学纤维和波导之类的光传送介质、使用光信号跨越长距离传送信息。
能够使用不同类型的光源作为光发射机(例如，发光二极管(led)、红外光、激光器，等等)来由光信号承载信息。能够使用不同类型的调制方案来对光信号进行编码以改变光信号的光学相位或强度。
附图说明
图1是本公开的示例装置的框图；
图2是装置的示例操作的图；
图3是用于检测光学数据包中的错误的示例方法的流程图；以及
图4是用于检测光学数据包中的错误的另一个示例方法的流程图。
具体实施方式
本公开公开了用于编码在光学数据包中的信息的全光学错误检测和校正解决方案的系统和技术。甚至在同一系统内传送多个不同的波长的情况下，错误检测和校正也能够发生。
如以上讨论的，光通信系统通过诸如波导之类的光传送介质、使用光信号跨越长距离传送信息。能够使用不同类型的光源作为光发射机来由光信号承载信息。能够使用不同类型的调制方案对信息进行编码以改变光信号的强度或光学相位。
可以相对于相同频率的稳定的参考信号的相位来定义光学相位，并且光学相位能够采用0和2π之间的值。能够使该间隔之外的相位值对2π取模来识别它们。
当具相同的波长和相当的功率的两个光信号具有类似的光学相位时，它们相长干涉。当具相同的波长和相当的功率的两个光信号的相对光学相位大致为π时，它们相消干涉。
光学和电子通信的当前解决方案一次传送整体数据包——即，固定长度序列的许多比特。然而，数据包中可能发生错误。当前解决方案使用高光功率或者较低的调制速率以便实现高信噪比(snr)，或等同地实现低比特错误率(ber)。当当前解决方案在检测到错误时使用整个数据包以便被完全地重新传送，这受到高延迟惩罚。
另外，通过电子地执行错误处理，其可以使用从光信号到电信号以及返回的延迟和能量密集的转换。因此，当前光通信技术实施使用大量能量的电子纠错技术。
本公开提供全光学解决方案来检测和校正通过光信号传送的光学数据包中的错误。通过本公开所描述的技术可以使用诸如波分复用(wdm)之类的现存的光学通信方案。作为结果，消除可能是昂贵的附加的波长转换。wdm方案也实现在不同的光模式之间共用电路中的波导和闸。
在一个示例中，本公开的示例利用与线性区块码相关联的编码方案。在一个示例中，可以通过全光学解决方案利用与低密度奇偶校验(ldpc)码相关联的方法以提供自主错误检测和校正。通过汉明(7.4)码给出用于线性区块码的示例。对汉明(7.4)方法的回顾可以为读者提供通过在本文描述的全光学解决方案所实施的编码理论中的一些背景。此外，对ldpc，以及具体对它们的子类命名的“扩展器码”的回顾可以为读者提供关于通过在本文描述的装置和系统所实施的基于迭代的消息传递的解码方案的一些背景。
通过二元奇偶校验矩阵h来充分地描述线性区块码。能够通过计算错误伴随式c＝hx(模2)来针对错误检查数据包“x”。当c中的任何比特为非零时，错误已经发生。
图1图示出本公开的示例装置100。装置100可以包括总线波导102、多个光闸104-1至104-n(在本文也被个体地称为光闸104或共同地称为光闸104)，以及注入连结器106。总线波导102可以回转到闭环中或具有反射端以形成围绕光闸104的大型光谐振器。
在一种实施方式中，可以部署或布置光闸104，以实施与线性区块码相关联的解码方案。在一个示例中，线性区块码可以是ldpc编码方案。
每个光闸104存储光学数据包的一个比特。在一个示例中，光学数据包可以包括以编码理论项表示的消息。可以根据应用和光闸104实际上如何被实施来以各种方式初始化光闸104的初始状态。
光闸104可以与在总线波导102中传播的不同波长的约束信号108集合的相互作用。约束信号108可以是经由注入连结器106连结到总线波导102中的光信号以提供全光学解决方案以自主地检测和校正消息中的比特错误。换句话说，能够在光学数据包中检测和校正比特错误，而不用将光学数据包转换为电信号以及转换回光学数据包。
在一个示例中，对于ldpc的每个奇偶校验检查可以存在具有单独的光波长的一个约束信号108。可以在最初利用相当的输入功率注入每个约束信号108。
在一种实施方式中，每当至少一个约束信号108在通过光闸104和总线波导102传播之后拾取特定总相移时，装置100可以确定在比特中已经发生错误。
例如，如果固定波长的约束信号108以相位0在注入连结器106进入总线波导102并且以总往返相位0返回到注入连结器106，则可以确定消息中已经发生比特错误。
对于每个约束信号108，光学往返相位0指示参与那个约束信号108的至少一个数据比特具有错误。对于每个约束信号108，当往返相位是0时，可以将约束比特定义为1，并且如果往返相位是π，则可以将约束比特定义为0。
完整的约束比特集合给出错误伴随式。当所有约束比特等于0时，在光闸104中编码的输入数据处于有效的码字中。
对于包含非零比特的每个可能的错误伴随式，存在最可能有效的码字。可以设计系统，使得比特错误被校正并且光闸104的比特序列收敛至最可能有效的码字。
当约束信号108具有往返相位0时，约束信号108可以相长干涉在注入连结器106注入的另一个约束信号108。这可以导围绕总线波导102传播的该特定波长的光功率的增进。
可以通过光闸104自主地确定具有高概率错误的比特的位置。从它们的谐振约束模式接收超过相应的功率水平阈值的功率的那些光闸104很可能包含错误。例如，对于ldpc编码方案的代码字，每个单独的波长可以对应于一个约束c，如下面关于图2所讨论的。当在光闸104发生比特错误时，与光闸104相关联的每个约束信号108可能处于错误状态，使光闸104的功率水平阈值被超过。这可以使光闸104切换相应的内部状态，这改变其谐振约束信号108的往返相位，这导致在注入连结器106的相消干涉，这减小光闸104的总功率水平。
随着装置100继续操作，直到装置100的总功率水平达到稳定状态或平衡，消息可以被自动地校正。换句话说，当装置100的总功率水平达到稳定状态时,存储在每一个光闸104的比特值可以是消息的在光闸104的初始状态中编码的校正的比特值。
图2图示出实施编码方案的装置100的示例，该编码方案使用也标记为块c1至c6的六个约束202-1至202-6(在本文被个体地称为约束202或共同地称为约束202)。在一种实施方式中，多个光闸104可以被图示为节点z1至z8。图2图示出使用八个光闸104-1至104-8(在本文被个体地称为光闸104或共同地称为光闸104)的示例实施方式。
在一种实施方式中，光闸104可以如期望地被部署为对约束信号108进行操作。例如，光闸104可以具有通过其约束信号108能够进入并且离开光闸104的至少一个物理输入连结器和至少一个物理输出连结器。能够通过同一物理元件来实现输入和输出连结器。
光闸104可以与特定的谐振光波长集合相互作用。例如，约束202-1至202-6的每一个可以具有与光闸104-1至104-8的子集相关联的波长。例如，与约束202-1相关联的波长可以是光闸104-1、104-3、104-4、104-6和104-7的谐振波长。与约束202-2相关联的波长可以是光闸104-2、104-3、104-5和104-7的谐振波长。在其余约束202-3至202-6与光闸104-1至104-8之间的关联在图2中通过在它们之间画出的线或边缘来图示出。
光闸104可以不连结到未处于谐振波长中的一个谐振波长的约束信号108。换句话说，非谐振的约束信号108可以简单地传递通过光闸104而未改变或以恒定相移a(理想地a＝0)传递通过。
当总入射光功率低于光闸104的功率阈值水平时，光闸104具有至少两个稳定的内部状态x∈{0、1}。作为结果，光闸104能够承载信息比特。能够通过输入信号的特定组合确切地设置内部状态x∈{0、1}。能够连续地或在光闸104输入处于特定读出配置中时读出内部状态x∈{0、1}。
当谐振约束模式中的总入射光功率低于功率阈值水平时，光闸104通过以其内部状态x为条件将约束信号108的光学相位
当总入射光功率处于或高于功率阈值水平时，直到总功率再次降低前，内部比特状态x能够变为未被定义，在此点，其随机地变为0或1。替换地，内部比特状态x能够确切地切换到当前状态的逻辑倒数xk→xk，其中对于n比特，k＝1至n。
可以通过采用诸如光学克尔效应、自由载流子色散，或者热光效应之类的在不同的波长上工作的任何色散非线性来实现光闸104。能够通过采用谐振结构来实现用于与约束信号108的子集相互作用的选择性波长灵敏度。利用这些基础成分，可以实现双稳态光学系统的工程化，其通过有条件的相移π或0对波长的子集进行移位的。
其余的问题可以是如何确保光闸104与高于特定总入射功率的先前的状态无关地切换其内部状态。存在若干方式来实现这，但是一个示例可以是添加实施全光学逻辑的附加的非线性元素。具有可能较小的硬件开销的另一种方法可以从一个此类双稳态设备开始、对其进行重复，并且以两个双稳态设备将总是假定相对的内部状态的方式将两者共同连接。如果被正确地实施，该构造的对称性可以实现在阈值功率时的期望的分叉行为。
在给定光闸104的这些属性时，约束信号或信号108可以传播通过总线波导102。无论何时约束信号108传递通过具有等于约束信号108的波长的相关联的谐振波长的光闸104，约束信号108拾取状态相关的相移
应当注意到，单个相移π对应于乘以因子(-1)。光闸104的谐振波长可以被设计为使得如果hjk＝1则光闸104与约束信号108的波长发生谐振，其中hjk是ldpc的二值奇偶校验矩阵。矩阵hjk可以指定哪些比特参与哪些约束，如通过在约束202-1至202-6与光闸104-1至104-8之间的在图2中画出的示例关联所表示的。换句话说，矩阵hjk可以用于预定义与每一个光闸104相关联的谐振波长。
在总线波导102内部的完整往返之后，约束信号108可以到达注入连结器106，像这样：
在到达注入连结器106之前，约束信号108可以通过最后的移相器204以补偿来自光闸104的所有状态独立的相移。另外，最后的移相器204可以用于强制执行与通过相长干涉引起的错误增进功率相对应的约束模式。在一个示例中，最后的移相器204可以对传递通过总线波导102的所有约束信号108施加相移π。当总体相移是指示无错误的0时，最后的移相器204可以确保约束信号108相消干涉注入连结器106处的输入约束信号108。替换地，当总体相移是指示错误已经发生的π时，最后的移相器204可以确保约束信号108相长干涉在注入连结器106的输入约束信号108。
在注入点，返回的约束信号108可以干涉在注入点处注入的附加约束信号108的振幅，使得在(例如，在一些往返之后被实现的)平衡状态，总线波导102内部的约束信号108的振幅满足
注入连结器106可以被设计为具有非常接近于1的振幅透射率。这可以旨在求解ej可以导致信号通过在下面的公式给出的以约束值cj为条件的不同的信号模式振幅ej：
对于高透射率和小的往返损耗0≤1-tη≤1。因而，用于违犯的约束cj＝1的信号模式相比用于满足的约束cj＝0的信号模式以下面的因子更大程度地增进总线波导102内部的功率：
这可以对于所有约束信号108同时地发生。
对于比特状态由于传输错误已经被破坏的给定光闸104，高可能性地，具有该光闸104参与的大多数约束(例如，奇偶校验检验和)将指示错误cj＝1。光闸104可以与约束信号108的不同的谐振波长子集发生谐振。因而，具有被破坏的比特的光闸104将以高可能性与处于错误状态在中最大数量的约束信号108发生谐振。因此，包含被破坏的比特的光闸104可以更高的光学输入功率的形式接收连贯的反馈，驱动它们达到相应的功率阈值水平并且切换相应的内部状态。当这对于给定光闸104发生时，利用该光闸104谐振的所有约束模式将使相应的光学相位翻转并且因此改变相应的功率水平。
可以通过围绕总线波导102拾取总相移的约束信号108来计算约束检验和。当与光闸104中的一个相关联的多个约束使光闸104由于处于错误状态而增进功率时，可以引起存储在光闸104中的消息比特被切换，如上所述。
在平衡状态，可以通过在下面的公式给出所传送的外部注入振幅uj'：
如果透射率被匹配为等于内部往返衰减(例如，t＝η)，那么在约束被违犯时所传送的注入振幅可以消失。通过监视总传送的功率水平
图3图示出用于检测光学数据包中的错误的示例方法300的流程图。在一个示例中，可以通过装置100来执行方法300的框。
在框302，方法300开始。在框304，方法300在注入点将约束信号接收到一系列多个光闸中。在一个示例中，约束信号可以包括具有等同的输入功率水平，但是具有不同波长的多个约束信号。
在一个示例中，光闸可以被安排为实施线性区块码编码方案(例如，ldpc编码方案)。被部署的光闸的数量可以等于数据包中的比特(例如，用于实施编码方案的实际的消息比特加冗余比特)的总数量。
如上所述，每一个光闸可以存储0或1的二元比特值。可以由约束信号将被存储的比特值作为相移来读出。例如，当没有施加相移时，可以读出值0，并且当施加相移时，可以读出值1。
当约束信号的波长与光闸的谐振波长相匹配时，可以施加相移。例如，每个光闸可以与多个谐振波长相关联。也就是说，可以针对相应的校验和的每个约束选择多个不同的光闸子集。可以基于与每一个光闸相关联的二元奇偶校验和约束(例如，在以上描述的矩阵h的二元值)来预先确定与每个光闸相关联的多个谐振波长。
在框306，方法300确定通过一系列多个光闸的约束信号受到总体相移，其中，总体相移指示消息的被破坏的比特。例如，对于特定约束信号，当穿过一系列光闸时，总体相移应当为零。例如，光信号可以从相位0或2π开始。第一光闸可以施加相移π、第二光闸可以施加相移π，并且第三光闸可以不施加相移。因而，约束信号没有错误，这是因为总体相移是0。然而，为了确保约束信号相消干涉在注入连结器处的输入约束信号，最后的移相器可以施加全局相移π。因而，约束信号从相位0开始并且利用相位π返回到注入连结器。因此，没有相长干涉发生并且约束信号的功率水平在下一个往返中减小。
然而，如果约束信号受到来自光闸的总体相移π并且在施加最后的移相器之后以相位0返回到注入连结器，那么错误已经发生。以下讨论的方法400可以确定消息的比特被破坏。
在框308，方法300响应于确定约束信号受到总体相移而增加功率水平。例如，当约束信号以相移0(例如，总体相移π加上将施加于所有约束信号的最后的相移π)到达注入连结器时，约束信号可以在注入连结器相长干涉被注入到总线波导中的输入约束信号。因此，在被其他约束信号干涉时，返回相移的约束信号可以使系统的总体或总功率增加。
在框310，方法300重复确定和增加，直到功率水平超过多个光闸中的至少一个光闸的功率水平阈值，以指示多个光闸中的该至少一个光闸是被破坏的比特的源。例如，当重复框306和框308时，可以增加系统的总功率，直到其超过光闸中的一个的功率水平阈值。可以将具有超过相应的功率水平阈值的总功率水平的光闸识别为具有错误的比特或存储被破坏的比特。
在框312，方法300响应于功率水平阈值被超过，切换多个光闸中的该至少一个光闸的内部状态。例如，如果引起比特错误的光闸的值是1，则可以将该值切换到0以将总功率水平减小回功率水平阈值之下。
在一个示例中，可以确切地切换或可以随机地切换该值。在一个示例中，可以重复分别在框306、308、310和312中的确定、增加、重复和切换，直到总功率水平达到稳定状态。当总功率水平达到稳定状态时每一个光闸中所存储的值可以是与消息的每个比特相关联的值。在框314，方法300结束。
图4图示出用于检测光学数据包中的错误的示例方法400的流程图。在一个示例中，可以通过光闸104中的一个来执行方法400的框。
在框402，方法400开始。在框404，方法400在光闸处接收约束信号。在一个示例中，约束信号可以是被接收的多个约束信号中的一个约束信号。多个约束信号可以具有等同的功率水平，但是具有不同的波长。
在一个示例中，光闸可以被安排为实施线性区块码编码方案(例如，ldpc编码方案)。被部署的光闸的数量可以等于比特(例如，用于实施编码方案的实际的消息比特加冗余比特)的数量。
在框406，方法400确定约束信号的波长与光闸的谐振器的谐振波长相匹配。在一个示例中，可以基于存储在具有相应的校验和的相关联的约束的光闸中的比特值的参与，来选择谐振器的谐振波长。
在框408，方法400可以向约束信号施加贡献约束信号的总体相移的、存储在谐振器中的相移。光闸对谐振的约束信号给予的相移可以被表示为存储在光闸中的0或1的二元比特值。可以由约束信号将被存储的比特值作为相移来读出。例如，当没有施加相移时，可以读出值0，并且当施加相移时，可以读出值1。
来自所有光闸的总体相移指示消息的被破坏的比特。例如，对于特定约束信号，总体相移在穿过一系列光闸之后应当为零，或在传递通过最后的移相器后等同地为π。例如，光信号可以从相位0或2π开始。第一光闸可以施加相移π、第二光闸可以施加相移π，并且第三光闸可以不施加相移。因此，光信号从相位0开始并且以总体相移0传递通过光闸，但是然后传递通过最后的移相器并且以相位π到达返回注入连结器。因此，约束信号相消干涉在注入连结器处的输入约束信号。
然而，如果约束信号在传递通过光闸104和总线波导102之后接收总体相移π，最后的移相器可以施加相移π。作为结果，约束信号以相位0返回到注入连结器并且相长干涉输入约束信号以约束信号中的功率，指示消息的比特被破坏。
在框410，方法400在光闸处接收随后的约束信号，该随后的约束信号包括与附加约束信号组合的具有总体相移的约束信号，其中，随后的约束信号的功率水平超过光闸的功率水平阈值。例如，当约束信号以相移0(例如，总体相移π加上将施加于所有约束信号的最后的相移π)到达注入连结器时，约束信号可以在注入连结器处相长干涉被注入到总线波导中的输入约束信号。当与其他约束信号组合时，相移的约束信号可以使系统的总体或总功率增加。
在框412，方法400响应于功率水平阈值被超过，切换光闸的内部状态。例如，如果引起比特错误的光闸的值是1，则可以将该值切换到0以将总功率水平减小回功率水平阈值之下。
在一个示例中，可以确切地切换或可以随机地切换该值。在一个示例中，可以重复框404-412，直到总功率水平达到稳定状态。
在一种实施方式中，可以通过连接在总线波导内的多个光闸中的每一个来执行方法400。当总功率水平达到稳定状态时每一个光闸中所存储的值可以是与消息的每个比特相关联的值。在框414，方法400结束。
将理解的是，以上公开的变体和其他特征和功能，或者其替换方式可以被组合为许多其他不同的系统或者应用。可以随后由那些本领域技术人员在其中作出各种目前未预见到的或者意料之外的替换方式、修改、变化，或者改善，其也意欲被所附权利要求所包含。