一種低串擾的n×n光交換結構的制作方法

專利名稱：一種低串擾的n×n光交換結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于光通信器件技術領域，具體涉及一種低串擾的N×N光交換結構，它尤其適用于DMDW系統，可以解決該系統中N×N全光交換節點中的串擾問題。
光交換中的串擾，可分為帶間串擾(interband crosstalk)和帶內串擾(intraband crosstalk)。所謂帶間串擾是指串擾成分與傳輸的信號光信道擁有不相同的波長；帶內串擾是指串擾成份與傳輸的信號光信道擁有相同的波長。


圖1是由2×2光開關所組成的一種光交換結構(這種光開關可以是任意類型的光開關)，它由I、II、III三級構成。圖中實際的通路用粗實線表示，而泄漏通路用虛線表示，所有的實線連接都使用同一窄帶波長。從圖中可以看出輸入端信號S2的一部分信號功率泄漏到輸出端信號S1上，由于信號S1和S2所占的波長是不相同的，這樣就形成了帶間串擾。此外，S1的部分功率通過一個錯誤的跳數后又回到了輸出端口S1上，由于S1始終占用同一波長，這樣就形成了帶內的串擾。
對于帶間串擾可以在輸出端設置可調諧窄帶濾波器(TOF)來進行消除，而帶內串擾由于它和信號在同一波長上，用濾波器是無法消除的。所以，消除帶內串擾，改善DWDM系統的通信質量尤為重要。在光交換節點中信道之間的串擾多是由于解復用器和光開光的不完善所造成的，這些串擾項可以用階次(Order)來進行歸類，如一階、二階等。圖2A和2B所示為用于光交換中的2×2光開關的兩種工作狀態平行(bar)和交叉(cross)，由于其不完善性將引進串擾。在這兩種狀態中輸入信號功率的一部分ξ(圖中用∈號來加以示意)就會泄漏到錯誤的輸出端口中。泄漏參數ξ通常用分貝表示為ξdB＝10log10ξ，稱為光開關的單元串擾。如果每個光開關單元的串擾相同，則高階串擾將是一階串擾的連乘，因為|ξ|是小于1的數，所以高階串擾比低階串擾小得多。在圖2A中所示的光開關工作在平行狀態。正是由于光開關的非完善性從而引發了串擾，在圖中串擾用虛線來表示，信號S1中含有一階串擾量∈S2即為信號S2中的部分光功率；信號S2中含有一階串擾量∈S1即為信號S1中的部分光功率。圖2B為光開關工作在交叉狀態，同樣的，每個信號中都含有一階串擾量。可以想象，在一個由很多光開關組成的光交換節點中，隨著光開關數的增加，串擾量也會因為不斷的積累而增加這勢必造成信噪比(SNR)的下降，從而導致誤碼的產生使通信不能進行，因而必須通過一定的方法來降低串擾量。前面曾指出高階串擾比低階串擾小得多，因而消除串擾一種常用的方法是通過擴展光開關以增加光開關數目為代價，使串擾從低階向高階轉換，如圖3A和3B就是分別對圖2A和2B的2×2光開關進行擴展所得到對應的兩種工作狀態平行和交叉。這種結構中的光開關在某一時間內只有一個輸入端被激活(圖中粗實線表示)，而另一個輸入端沒被激活(圖中用細實線表示)，這樣可以對一階串擾進行合理的路由使其進入到未被激活的線路中，從而使一階串擾向二階轉換。因而圖2A和2B中的一階串擾∈1就變為圖3A和3B中的二階串擾∈2，串擾的影響就得到一階的降低。從圖中可以看出每個輸出端出了自身的信號外還含有一個二階的串擾量∈2。以圖3A和3B中的2×2光開關為其本單元再加上Bense光交換結構的遞歸分解就可以構成擴展的Bense光交換結構(DBN)。如圖4就為一種4×4的DBN結構，它由16個光開關構成4×4的光交換矩陣，4行用(1)、(2)、(3)、(4)來表示。4列也稱為四級用I、II、III、IV來表示。圖4中假設在輸入信號S1到S4和對應的輸出端之間來建立連接，在圖中用黑體的粗實線來表示，這種連接是通過一種環形算法來得到的。對這種光交換結構可以通過表1來分析其每個輸出端的信噪比。表中的P1、P2、P3、P4分別代表四個輸入端口S1到S4的光功率，m代表光開關的串擾系數，同時為了討論方便忽略高于二階的串擾和光開關的損耗。
表1 4×4擴展Bense光交換結構中各級后的串擾量

從表中可以得到每個輸出端口的信號量和串擾量。舉信號S1為例，信號S1中含有從其它的端口中串入的串擾量即噪聲功率為2m2(P3+P2+P4)，從而由信噪比的計算公式可以得出其輸出信號的信噪比即SNR＝10log10(Ps/Pn)，(1)其中Ps為信號功率，Pn為噪聲功率。
為了比較方便，假設每個輸入端的信號功率都是相同的且為P這樣就可由表1看出其每個輸出端口的信噪比都是一樣的且為SNR=10log10(P6m2P)-------(2)]]>通過對4×4擴展Bense光交換結構分析不難得出對一個N×N的擴展Bense光交換結構有如下的規律●經過第二級，有一個輸入端口的二階串擾串入到信號中去；●經過第三級，有兩個輸入端口的二階串擾串入到信號中去；●經過第四級，有三個輸入端口的二階串擾串入到信號中去；●經過第N級，有N-1個輸入端口的二階串擾串入到信號中去。
通過這種規律就可以求出任意的N×N的擴展Bense光交換結構的信噪比。對N×N的擴展Bense光交換結構其級數為2K(其中K＝log2N)，由于每一級有N個光開關所以其所需要總的光開關個數為N×2K，因而任意輸出端口的串擾量即噪聲功率為Pn=m2PΣi=12K-1i=K(2K-1)m2P,--------(3)]]>由此其信噪比為SNR=10log10(PPn)]]>=10log10(PK(2K-1)m2P)]]>＝2|X|-10log10K(2K-1)， (4)式中|X|=10log10(1m).]]>從(4)可以看出隨著K值的增大也就是光開關數目的增加交換規模的擴大其信噪比將很快下降，因而擴展Bense光交換結構對串擾的消除是很有限的，這就有必要采取措施來進一步降低串擾而提高信噪比。
消除串擾的方法有多種，目前國內外消除串擾的方法主要包括(1)通過對網絡節點拓撲結構的設計，使串擾量由低階向高階轉換，從而一定程度上消除串擾對傳輸系統的影響，但勢必造成網絡節點的復雜化和無源器件的數目的增加，單個網絡節點成本也隨之增加。(2)通過集中提高網絡節點中無源器件的性能來降低串擾，這勢必會使器件的成本升高，同時在交換節點的規模很大時也不能很好的消除串擾。(3)通過對傳輸的光信號及其相位作擾碼，這樣會導致系統的復雜化，而且僅適合局部的網絡。因而上述方法都不能徹底的消除DWDM光通信系統中的串擾，其消除串擾的方法大都從單方面去考慮一方面他們只考慮到網絡的拓撲結構；另一方面只從改善光交換節點中的器件的性能來降低串擾。但都沒有和DWDM系統綜合起來考慮因而其對串擾的降低程度也是有限的。
為實現上述發明目的，一種低串擾的N×N光交換結構，由2n級光開關矩陣構成，其中n＝log2N，其特征在于在第n級與第n+1級之間設置有半導體光放大器“開/關”門，形成第2n+1級。
可根據具體的路由要求，在上述任意兩級之間設置不同數量的半導體光放大器“開/關”門。
本發明采用重構的擴展Bense光交換結構，對串擾有更好的限制。在一個N×N的擴展Bense光交換結構中加入半導體光放大器“開/關”門(即SOAgate)，只對路由進行等價的變化。因此，本發明既保留了擴展Bense光交換結構的一些優良的性質如廣義無阻塞性、硬件的最優性等，同時又可大幅度降低串擾。在具體實施方式
部分將對本發明的技術效果作具體說明。
圖8為解復用器產生串擾的示意圖；圖9本發明光交換結構的另一種具體實施方式
的結構示意圖；
圖10為采用本發明的DWDM系統中全光交換節點的兩波長交換示意圖。
具體的實施方式本發明的結構如圖5所示，稱之為重構的擴展Bense光交換結構，可大幅度減小串擾。對一個N×N的擴展Bense光交換結構可以采用如圖6所示的遞歸分解，圖中3是表示由光開關1所構成的N2×N2]]>光交換結構，所以圖5和圖4的區別僅為在遞歸分解的第II級與第III級之間加入半導體光放大器“開/關”門2，形成第V級。這樣加入半導體光放大器“開/關”門2后只是對路由進行等價的變化因而不僅沒有改變擴展Bense光交換結構的一些優良的性質如廣義無阻塞性、硬件的最優性等，同時它還對串擾有很好的降低作用。
本發明將和DWDM系統綜合來考慮。將圖5這種結構用于DWDM系統的全光交換節點中對串擾的降低對比于擴展的Bense結構有明顯的改變。圖7為本發明中所采用的一種用于DWDM系統中的全光交換節點結構，它由I、II、III三部分組成。第一部分是解復用器4；第二部分是光交換結構5；第三部分是復用器6。這種結構在復用到每根光纖的波長數m大于輸入到節點中的光纖數N的條件下將不同波長的信道進行分組，使各個全光交換單元不同波長的信道進行空間交換，一方面避免在光交換單元中引起波長阻塞；另一方面降低帶內串擾量。在圖7中所采用的光交換結構5如圖5所示。采用圖7這種交換結構可以將串擾降低到三階從而完全消除低于三階的串擾。由于圖7中將不同波長的信道在一定條件下進行分組，使各個全光交換單元不同波長的信道進行空間交換，因此，如果復用器和解復用器是理想的情況，由于在同一交換單元中所交換的是不同的波長，所以將不存在帶內串擾，對帶間串擾可用可調諧的窄帶光濾波器(TOF)來進行消除。但實際中由于的復用器和解復用器不完善性其也會存在信道間的串擾(如圖8所示)，這樣在圖7所示的全光交換節點中雖然同一交換單元中交換的是不同的波長但其同樣會存帶內串擾，所以采用圖5的結構來降低帶內的串擾。為了說明，在圖8中選用有多層介質膜干涉濾光片所構成的解復用器8來解復用，8個波長的信號光通過準直透鏡7后進入解復用器，解復用后通過準直透鏡輸出。設信道間的串擾系數為m并忽略二階信道串擾則很容易得到λj信道中含有λi信道中的一階串擾功率∈Pi為

式中Pi為信道λi中的光功率，N為輸入到解復用器中的波長總數。由于半導體光放大器“開/關”門的引入，當它工作在“開”時它將完全隔離了來自相同載波波長不同信息的串擾，所以這將對帶內的串擾進行消除。當它工作在“關”時它相當于一個光吸收器，使光產生較大的損耗而完全不能通過，這樣就能使串擾的蔓延得到很好的限制。為了分析半導體光放大器“開/關”門對串擾的限制，假設是在最壞的情況下即交換的是最后的一個波長在經過解復用器后其它的信道中都有它的一階串擾量∈PN。為了便于分析僅對4×4的重構的擴展Bense結構加以說明。
表2為圖5所示的光交換結構各級后的帶內串擾量

其交換的情況就為圖5中的四個輸入端口分別為P4，mP4，mP4，mP4，mP4(P4表示第四信道的光功率)。引入半導體光放大器“開/關”門后第II和第III級將不存在串擾。為了討論方便假設光開關的串擾系數也為m，則其經過每一級交換后其帶內的串擾如表2所示(忽略高于三階的串擾)，這對比于表1其每個輸出端的串擾都得到了降低。對其它的交換波長可以用同樣的方法來進行分析，如N×N的光交換情況(總是針對最壞的情況即交換最后一個波長)對N×N的全光交換節點它一共有2K+1(K＝log2N)級即引入的中間SOA gate級和各邊的K級。由于半導體光放大器“開/關”門的作用使得中間級K+1及1級和K+2級都不存在串擾。對第2級和第K+3級開始，有一個信道中的三階串擾加入到正在傳輸信道中，對第3級和第K+4級，有兩個信道中的三階串擾加入到正在傳輸信道中，對第K級和2K+1級，有K-1個信道的三階串擾加入到正在傳輸的信道中，這就相當于1、2………2K-1個自然數相加由SOA的引入后分為兩組1、2………K-1個自然數相加，這自然它的總和就會減少即串擾的影響降低，所以對每一個輸出端口其總的串擾量即噪聲功率可以表示為Pn=2m3PNΣi=1K-1i=K(K-1)m3PN,------(6)]]>其中PN表示正在交換的最后一個光信號的光功率，Pn表示其對應的噪聲功率。SNR=10log10PPn]]>=10log10PNK(K-1)m3PN]]>＝3|x|-10log10K(K-1)。 (7)這和擴展Bense光交換結構(4)式相比其信噪比提高了一倍多，同時它對K的依賴性也降低了很多，還可以看出只要提高解復用器中的串擾系數m，就可以很好的消除帶內的串擾，而不需要改變光交換的路由，這對DWDM系統來說將是很有用的。當然，加入半導體光放大器“開/關”門對帶間串擾也有很好的限制作用。對帶間串擾假設在最壞的情況下即圖7中光交換結構的每個輸入端都被激活，對于4×4的情況也就是圖5的S1到S4四個輸入端口分別為P1、P2、P3、P4，它們分別對應于信號S1到S4的功率。同樣的分析對于N×N的情況，在假設每個端口信號光功率均為P的情況下可以得出每個輸出端口的串擾量即噪聲功率為Pn=2m2PΣi=1K-1i=K(K-1)m2P]]>所以其對應的輸出端口信噪比為SNR=10log10PPn]]>=10log10PK(K-1)m2P]]>＝2|x|-1010g10K(K-1)。將該式與式(4)對比，可以看出信噪比對K的依賴大大降低，也就是說帶間串擾得到了減小。由上面的分析還可以看出如果要進一步提高信噪比，可以在每兩級之間引入半導體光放大器“開/關”門，這就相當于將1、2………2K-1的自然數相加通過不斷的二分法后變為相等的單元數相加(這種單元數往往是很小的)這樣其總和自然減少了即串擾量降低了。為了方便集成，也可做成一種新的2×2低串擾光開關，其結構如圖9所示。從圖9可以看出，這種光開關可以完全消除現有的2×2光開關中的串擾。用圖9所示的交換單元來代替擴展Bense結構中的2×2光開關，就將獲得更低的串擾和更高的信噪比。用加入半導體光放大器“開/關”門的方法進行遞歸就可以大大降低圖7所示的全光交換節點中的串擾。
在光交換節點中所必須考慮的另一個問題是光損耗問題。隨著光交換節點規模的擴大，光所經過的器件(如光開關)就自然增加。由于光開光插入損耗的存在，使得大部分的有用的光能量被損失掉了，如果不進行光損耗的彌補，同樣會對通信質量產生很大的影響。正如背景技術所說，為了彌補光網絡中的器件和光纖所帶來的損耗，線性的光放大器(如摻鉺光纖放大器EDFA)常常被應用，但它們在放大光信號的同時，信道間的串擾也獲得了放大，這當然不是我們所希望的。然而半導體光放大器“開/關”門引入后這種問題就會得到完全的解決，這是因為半導體光放大器“開/關”門有如下的優點●在降低串擾的同時可以對光進行放大來彌補損耗●有較高的消光比；●有很低的插入損耗；●有很低的開關時間，為納秒數量級；●具有低的偏振敏感性；●體積小，重量輕，便于集成化。正因為半導體光放大器“開/關”門有這些獨特的優點，因而它的引入能解決光交換節點中的串擾和損耗問題，這無疑對光通信質量有很好的改善作用，也更有利于光交換結構的大規模集成。
本發明可選用圖5或圖7所示的路由來加以實施。為了更詳細地說明其原理，選用如
圖10所示的兩個波長λ1、λ2的全光交換節點來加以說明。兩個波長被耦合到同一根光纖中，在全光交換節點處用解復用器4將兩波長分開，然后通過一定的組合將不同的波長在同一個交換單元進行交換。由于引入了抗串擾能力強的半導體光放大器“開/關”門，使得帶內串擾控制在三階以上，從而很好地消除了帶內串擾。對于帶間串擾還可以在輸出端加一個窄帶的可調諧光濾波器(TOF)9，將串擾濾出。圖中給出的只是一種路由情況，可根據需要來選擇不同的路由。此外，可以采用圖9所示的2×2光開關為單元來擴展任意級數的、無串擾的全光交換結構。
早已證明擴展的Bense結構是一種無阻塞的光交換結構，本申請專利中將具有高轉換速度以及高消光比的半導體光放大器“開/關”門引入到擴展的Bense結構中，并通過合理的DWDM的信道分組交換方法，消除DWDM光通信系統中的各類串擾。
不難看出，上述只是列舉了本發明的一些具體實施方式
，本領域普通技術人員可根據上述說明采用其它更多方式加以實現。
權利要求1.一種低串擾的N×N光交換結構，由2n級構成，其中n＝log2N，其特征在于在上述第n級與第n+1級之間設置有半導體光放大器“開/關”門，形成第2n+1級。
2.根據權利要求1所述的光交換結構，其特征在于在其它兩級之間設置有半導體光放大器“開/關”門。
專利摘要一種低串擾的N×N光交換結構，由2n級構成，其中n＝log
文檔編號G02B6/28GK2562197SQ02278328
公開日2003年7月23日 申請日期2002年7月9日 優先權日2002年7月9日
發明者孫軍強, 李凡龍 申請人:華中科技大學