專利名稱：多路由的光信號交換與切換系統的制作方法
技術領域：
本實用新型是關于一種利用光纖元件所形成的光信號切換架構，特別是一種多路由的光信號交換與切換系統。
參考國內外文獻，傳統上對兩條不同路由間光信號的交換通常是利用成對的1×N解多工器(Demultiplexer)與N×1多工器(Multiplexer)以背對背(Back to back)的架構相接，中間并放置一個波長選擇(Wavelength selective)空間多工切換器(Space division switch)。每個1×N解多工器可分別將上路由的多波道光信號與下路由的多波道光信號分開，空間多工切換器可將兩組分開的光信號作交換，最后上下路由再分別用一個N×1多工器將交換過的光信號重新結合，再送入兩個路由后繼續傳輸，由于1×N解多工器、N×1多工器(Multiplexer)、光濾波器、光分岐器及波長選擇(Wavelength selective)空間多工切換器所造成的總光損失(Optical insertion loss)很大，并需要例如配合波長可謂濾波器或聲光調變器(Acoustic-optic tunable filter，AOTF)，往往需要光放大器補償光信號的插入損失，且設計過于復雜及昂貴。至于三條以上不同路由間光信號的交換通常亦是類似的方式，不過波長選擇(Wavelength selective)空間多工切換器(Space division switch)就更復雜昂貴。
為了降低成本及插入損失，也為了減低光網絡設計的復雜性，本實用新型使用可調波長的光纖光柵，光回旋器及光切換器取代N×N空間多工切換器(Space dvision switch)，因為均為被動元件的組合，在可靠度穩定度上均有一定品質特性。
我們強調在作波長交換時應慎選光纖光柵，使其波長與光纖光柵的中心反射波長精確對準(Precise alignment)，且光纖光柵的反射率宜控制在99.5％以上，如此以2.5Gb/s數字傳輸100km的單模光纖為例，理論上的功率償負(Power penalty)可降低至0.2dB以下。
為達成上述目的，本實用新型的多路由的光信號交換與切換系統包含三條光纖，其包含第一光纖，其包含第一輸入端和第一輸出端；第二光纖，其包含第二輸入端和第二輸出端；第三光纖，其包含第三輸入端和第三輸出端；三個4端口的光循環器，其包含第一光循環器、第二光循環器、和第三光循環器，其中所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器；所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第三光循環器；其中所連第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸；所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第一光循環器、和所述第二光循環器；一個2×2光切換器(Optical switches，OSW)，其連接至所述第一光纖、第二光纖、和第三光纖的其中兩條。
其中所述2×2光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、和第三輸入端其中之二。所述2×2光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、和第三輸出端其中之二。
本實用新型的多路由的光信號交換與切換系統還可有以下技術方案，其包含四條光纖，其包含第一光纖，其包含第一輸入端和第一輸出端；第二光纖，其包含第二輸入端和第二輸出端；第三光纖，其包含第三輸入端和第三輸出端；第四光纖，其包含第四輸入端和第四輸出端；四個4端口的光循環器，其包含第一光循環器、第二光循環器、第三光循環器和第四光循環器，其中所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第四光纖光柵連接至所述第四光循環器；所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器；所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第三光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第四光循環器；其中所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸；二個2×2光切換器(Optical switches，OSW)，其包含第一光切換器和第二光切換器，其中所述第一光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的其中兩條，而所述第二光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的另外兩條。
其中所述第一光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端另外之二；所述第一光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端另外之二。
本實用新型所揭露的多路由的光信號交換與切換系統具有如下的優點1.低串音因為光纖光柵是非常窄頻寬的元件，它們可濾除絕大部份旁帶的光信號，若使用高反射率的光纖光柵(例如＞99.5％)可進一步提升系統品質。
2.光回旋器、光切換器及光纖光柵造成的差入損失小，且各別波道插入損失值與平均值差異極微，即損失值的方差變異(Variation)非常小，此乃因為光回旋器及光切換器在1550nm波段的光信號損失是平坦整齊的。
3.光纖光柵的波長及規格經由國際電信聯盟(ITU)規格標準化后，
價格可望更便宜，且光信號交換模組的相關設備如光切換器及光回旋器價格可望因大量使用而更低廉。
4.由于插入損失低及架構相對簡單，本建議架構可擴展成N×N(N大于或等于5)規模的架構。
表1列出
圖1在3條光纖路由交換系統或網絡中使用一個2×2光切換(O×C)裝置，所有波長變化的情況下參數所必需的調整情形；表2列出圖2在3條光纖路由交換系統或網絡中使用一個2×2光切換(O×C)裝置，所有波長變化的情況下參數所必需的調整情形；表3所示為圖3的24種可能的光信號切換與交換方式；表4所示為圖4的24種可能的光信號切換與交換方式。
表至表4中，“NC”表示該光柵不改變其反射波長所以不拉伸(nochange)“↑”表示該光柵改變其反射波長所以拉伸“X”表示光切換開關呈交錯狀態，光信號經過切換器前后會交換(cross-state)“---”表示光切換開關呈平行狀態，光信號經過切換器前后不交換(bar-state)
所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器。所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第三光循環器；其中所述第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸。所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第一光循環器、和所述第二光循環器。
所述2×2光切換器(Optical switches，OSW)則連接至所述第一光纖、第二光纖、和第三光纖的其中兩條。
其中圖1顯示該2×2光切換器(Switch)在前，所述2×2光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、和第三輸入端其中之二。而圖2顯示該2×2光切換器(Switch)在后，所述2×2光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、和第三輸出端其中之二。
在簡化卻不失一般原則下，我們只考慮單一波長的情況。第一波長、第二波長和第三波長分別來自第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端而且有相同的波長，在不調整第三光纖光柵，第二光纖光柵和第一光纖光柵的反射波時，三條光纖光柵有相同中心反射波長，我們強調在作波長交換時應慎選光纖光柵，使其波長與光纖光柵的中心反射波長精確對準(Precise alignment)，且光纖光柵的反射率宜控制在99.5％以上，如此以2.5Gb/s數字傳輸100km的單模光纖為例，理論上的功率償負(Powerpenalty)可降低至0.2dB以下。第一波長、第一波長和第三波長分別由第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端輸出。在某種條件下，若需交換第一波長和第二波長使其分別由第二輸出端及第一輸出端輸出，則在第一光循環器和第二光循環器之間的第一光纖光柵應該要拉長(strained-tuning)，使得中心反射波長變長不再反射光信號第一波長和第二波長。而且光切換器(OSW)應該在閂住狀態(bar-state)，當3×3 O×C裝置的第一波長需切換到第二輸出端，第二波長須切換到第三輸出端和第三波長需切換到第一輸出端，欲使這些條件同時成立(右往左看為順時針方向)，則第三光纖光柵，第二光纖光柵和第一光纖光柵需要同時被拉伸長，然而此2×2光切換器仍然需在閂住狀態(bar-state)。另外，假如第一波長切換到第三輸出端，第二波長切換到第二輸出端和第三波長切換到第一輸出端的條件需同時成立(右往左看為逆時針方向)，則第三光纖光柵、第二光纖光柵和第一光纖光柵亦需要同時被拉伸長，然而2×2光切換器需在切換(cross-state)狀態，此時由第二光循環器及第三光循環器出來的信號第一波長和第二波長會再次交換后，分別由第三輸出端及第二輸出端出來。又如第一波長需切換到第三輸出端，第二波長須切換到第一輸出端和第三波長需切換到第二輸出端的這些條件同時成立的話(右往左看為逆時針方向)，對圖1而言，則第三光纖光柵、第一光纖光柵不拉伸，第二光纖光柵需要被拉伸，此2×2光切換器須在切換(cross-state)狀態。對圖2而言，則第三光纖光柵，第二光纖光柵不拉伸，第一光纖光柵需要被拉伸，此2×2光切換器須在切換(cross-state)狀態…。所以這個架構可以達到任何我們可能需要的交換，(即3！＝6)。表1列出圖1在3條光纖路由交換系統或網絡中使用一個2×2光切換(O×C)裝置，所有波長變化的情況下參數所必需的調整情形。表2列出圖2在3條光纖路由交換系統或網絡中使用一個2×2光切換(O×C)裝置，所有波長變化的情況下參數所必需的調整情形。
接下來請參考圖3及圖4，其為使用兩個2×2光切換器配合四個4端口的光循環器的4×4光交換模組(Optical cross-connect device，O×C)。所述光交換模組包含四條光纖(第一光纖、第二光纖、第三光纖、第四光纖)、四個4端口的光循環器(第一光循環器、第二光循環器、第三光循環器和第四光循環器)、四條光纖光柵(第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第四光纖光柵)、以及二個2×2光切換器(第一光切換器、第二光切換器)。所述第一光纖包含第一輸入端和第一輸出端，第二光纖包含第二輸入端和第二輸出端，第三光纖包含第三輸入端和第三輸出端，第四光纖則包含第四輸入端和第四輸出端。
所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第四光纖光柵連接至所述第四光循環器。所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器。所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第三光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第四光循環器。其中所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸。
所述第一光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的其中兩條，而所述第二光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的另外兩條。
其中圖3顯示所述2×2光切換器(Switch)在前，其中所述第一光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端另外之二。而圖4則顯示所述2×2光切換器(Switch)在后，其中所述第一光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端另外之二。
在簡化卻不失一般原則下，我們亦只考慮單一波長的情況。第一波長、第二波長、第三波長和第四波長分別來自第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端而且有相同的波長，架構包含四個以拉力可調(strained-tuning)反射波長的光纖光柵(fiber Bragg grating)、四個4端口光循環器和兩個光切換開關所組成，可能交換的所有排列組合方式共有4！＝24種，舉例其中幾個加以說明，如條件一 ，AD表示經過4×4光交換模組后，欲將原在B路由及C路由的波長第二波長和第三波長彼此交換，而A，D路由內波長經過4×4光交換模組后仍維持在原路由第一輸出端或第四輸出端上，所以應該要把第二光纖光柵拉伸改變其中心反射波長，使得穿過B與C之間的波長不會被反射，而能夠順利交換第二波長至第三光循環器及第三波長至第二光循環器，其他的元件則不動作維持原狀，此時一對2×2光切換器需在閂住狀態中(bar-state)。又如條件二A→B→C→D表示經過切換模組后，A路由波長換到B路由，B路由波長換到C路由，C路由波長換到D路由，D路由波長換到A路由，即要求第二波長、第三波長、第四波長及第一波長分別由第三輸出端、第四輸出端、第一輸出端及第二輸出端出去，(右往左看為順時針方向)，所以應該要把第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵四個光柵同時拉伸，同時改變四個光柵的反射中心波長，使得第一光循環器至第二光循環器的波長不會被反射，第二光循環器至第三光循環器波長不會被反射，第三光循環器至第四光循環器的波長不會被反射，第四光循環器至第一光循環器的波長不會被反射，而能夠順利通過，而一對2×2光切換器需在閂住狀態(bar-state)，又如條件三A，B→C→D表示經過切換模組后，B路由波長換到第三光循環器，C路由波長換到第四光循環器，D路由波長換到第二光循環器，而A路由波長維持不交換，所以，對圖3而言第二光切換器須在切換(cross-state)狀態，第一光切換器須在閂住狀態(bar-state)，D路由與B路由的波長互相交換，只有第三光纖光柵光柵拉伸，使得B路由的波長再與C路由的波長互相交換，則可達成條件三的情形。對圖4而言欲達成條件三，第二光切換器須在切換(cross-state)狀態，第一光切換器須在閂住狀態(bar-state)，只有第二光纖光柵須拉伸。以此類推可以找出如表3所示為圖3的24種可能的光信號切換與交換方式。使用相同原理，表4所示為圖4的24種可能的光信號切換與交換方式。
在本實用新型中，將光纖光柵的波長拉伸調整的方法可為(但不限于)下列數種壓電材料(如PZT等)、可拉伸光學機具(如Strain guage等)、光電調變方式、光纖依附于隨電場改變長度的金屬、或可彎曲的物件(如直尺等)等等。
此外，利用壓電方式或溫度方式改變光纖光柵的折射率(Refractiveindex)、相等于調整其中反射波長等等，亦為本實用新型中將光纖光柵的波長拉伸調整的方法。
在本實用新型中，光切換器的使用不限定為速度較慢的機械式光切換器，或速度較快的電光式光切換器，端視成本考量及光網絡系統品質需求。
應用相同光纖與光學元件衍伸，本建議架構不限于3×3，4×4架構，可擴展成N×N(N大于或等于5)規模。
本實用新型提出3×3及4×4兩種光信號交換模組架構，它們乃利用光信號被光纖光柵反射或直接穿透光纖光柵而到達不同路由，并配合極少數的光切換器進而達成光信號交換的目的，此等架構可同時交換多個路由的頻道信息而不需先經信號多工及解多工的步驟。此種動態型光信號交換模組架構融合了低串音、低插入損失及良好的光譜平坦度及低成本等優點，可提升分波多工網絡上的光信號傳輸彈性與資訊互換功能并擴充與升級光網絡的規模，取代空間多工切換器。
本實用新型系通過具體實施例加以敘述，說明本實用新型的原則和精神，應可了解本實用新型并不局限于所揭露的具體實施例，因此，在本實用新型的原則和范圍底下所作任何相關細節上的變化，都應視為本實用新型的進一步實施例，其規模并可以類推至N×N(N大于或等于5)的任意自然數。表1
表2
表3
表4
權利要求1.一種多路由的光信號交換與切換系統，其特征是其包含三條光纖，其包含第一光纖，其包含第一輸入端和第一輸出端；第二光纖，其包含第二輸入端和第二輸出端；第三光纖，其包含第三輸入端和第三輸出端；三個4端口的光循環器，其包含第一光循環器、第二光循環器、和第三光循環器，其中所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器；所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第三光循環器；其中所連第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸；所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第一光循環器、和所述第二光循環器；一個2×2光切換器(Optical switches，OSW)，其連接至所述第一光纖、第二光纖、和第三光纖的其中兩條。
2.如權利要求1所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述2×2光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、和第三輸入端其中之二。
3.如權利要求1所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述2×2光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、和第三輸出端其中之二。
4.如權利要求1所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述拉伸工具系壓電材料。
5.如權利要求1所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述拉伸工具系可拉伸光學機具Strain guage。
6.一種多路由的光信號交換與切換系統，其特征是其包含四條光纖，其包含第一光纖，其包含第一輸入端和第一輸出端；第二光纖，其包含第二輸入端和第二輸出端；第三光纖，其包含第三輸入端和第三輸出端；第四光纖，其包含第四輸入端和第四輸出端；四個4端口的光循環器，其包含第一光循環器、第二光循環器、第三光循環器和第四光循環器，其中所述第一光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第一輸入端、所述第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第一光循環器系以第一光纖光柵連接至所述第二光循環器，而所述第一光循環器系以第四光纖光柵連接至所述第四光循環器；所述第二光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第二輸入端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環器；其中所述第二光循環器系以第二光纖光柵連接至所述第三光循環器；所述第三光循環器包含四個連接端口，所述四個連接端口分別連接至所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環器；其中所述第三光循環器系以第三光纖光柵連接至所述第四光循環器；其中所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸；二個2×2光切換器(Optical switches，OSW)，其包含第一光切換器和第二光切換器，其中所述第一光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的其中兩條，而所述第二光切換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的另外兩條。
7.如權利要求6所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述第一光切換器系連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端另外之二。
8.如權利要求6所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述第一光切換器系連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端其中之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端另外之二。
9.如權利要求6所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述光切換器為電光式光切換器。
10.如權利要求6所述的多路由的光信號交換與切換系統，其特征是所述拉伸工具系壓電材料。
專利摘要本實用新型為多路由的光信號交換與切換系統,利用光纖光柵(Fiber Bragg gratings)、光回旋器(Optical circulator)及光切換器(Optical switches),提出三條光纖路由(Fiber link)及四條光纖路由的信號交換模組架構,可動態選擇性在光網絡上交換(Cross－connect)不同路由(Fiber link)間的光信號;此種型態的架構可同時交換1到N個頻道的光信號而不需先作光信號多工及解多工的步驟,此動態型光信號交換模組融合了低串音、低插入損失、良好的光譜平坦度及低成本等優點,可提升分波多工網絡的存活性及彈性擴充系統規模,有利于升級網絡及增加其附加應用價值,取代N×N空間分工切換器(Space Division Switch)。
文檔編號H04Q3/52GK2515879SQ0127109
公開日2002年10月9日 申請日期2001年11月21日 優先權日2001年11月21日
發明者廖顯奎 申請人:廖顯奎