專利名稱：光分組隨機存取方法及相應混合緩沖法、光分組交換節點的制作方法
技術領域：
本發明同屬于量子光學中的光存儲技術領域和光分組交換中的緩沖技術領域。
最近，一系列實驗已成功證明，可以在有限的一段時間內將激光脈沖完全停止在冷原子、熱原子或固體中，這為研制富有實用化前景的光隨機存取器開辟了新的道路。這些實驗均利用了電磁感應透明(EIT)技術來靜止光脈沖。2001年，Chien Liu研究小組完成的實驗將激光脈沖的量子信息存儲長達1毫秒之久，而且在這一時段內，通過控制施加耦合光的時機，便可將被存儲的光脈沖(即信號光)隨時提取出來。因此，利用該實驗中的EIT光存儲媒質就可研制成一個輸入后最長延時可達1毫秒的光隨機存取器，況且，隨著相關研究的深入，利用EIT技術存儲光脈沖信息的時間必將得到進一步延長，對于將來的光分組交換網，這將具有十分重要的有意義。
電磁感應透明是一種量子干涉效應，該效應能讓信號光無吸收地通過光厚介質。在電磁感應透明實驗中，比較常用的一種原子能級結構是∧形三能級結構，探測光(即信號光)對應基態(穩態)和上能級之間的躍遷，耦合光對應激發態(亞穩態)和上能級之間的躍遷。如
圖1所示，為三能級原子與雙光束作用原理圖，發生電磁感應透明時，由于探測光(信號光)4和耦合光5的聯合作用，三能級中的兩個能級發生雙光子躍遷，光被原子共振吸收的兩個可能途徑基態能級2-->上能級1和亞穩態能級3-->上能級1發生相干抵消，這種破壞性的量子相干使得上能級沒有原子布居，原子均被囚禁在兩個低能級態，從而導致原子對兩束光的吸收消失，這就是所謂的原子相干布居囚禁(CPT)，也就是電磁感應透明的本質。在強耦合光的作用下，弱探測光就會無吸收地通過處于相干布居囚禁態(Dark state)的原子介質，從而實現光厚介質中光的透明傳輸。
電磁感應透明情況下，盡管介質的折射率幅度沒有大的變化，但折射率斜率卻變得很陡峭，這直接導致了光群速的減慢，冷原子中光速可以減到17米/秒。光速的減慢使脈沖在介質中的空間長度得到巨大壓縮，當脈沖完全壓縮到介質中后，去掉耦合光的作用，則弱探測光的幅度和相位信息就被介質“記憶”下來，這就實現了所謂的光存儲，在完全退相干前的任一時刻，即存儲時限內的任一時刻，再加上耦合光的作用，存儲的光脈沖便可以被重新釋放出來。
關于光存儲的唯象解釋是，發生電磁感應透明時，光脈沖與原子組成了一個稱之為“暗態極子”的系統，其中包含了分別與探測光和原子系綜相關的兩部分，關閉耦合光后，為了維持“暗態極子”的存在，弱探測光必然會被完全“消耗”，導致“暗態極子”中光成分所占的比例為零，而“暗態極子”在介質中向前傳播的群速度又正比于“暗態極子”中光成分所占的比例，因此，其結果便是“暗態極子”(也就是探測光脈沖)被停止在介質中，即實現了光存儲。特別要注意的是，光存儲不是儲存光子的能量和動量，而是存儲光子的量子態，即探測光和耦合光發生能量動量交換，和原子發生信息交換。
利用電磁感應透明技術進行光速減慢和光存儲的理論及實驗研究，自K.J.Boller等人于1991年第一次在中性鍶(strontium)中觀察到電磁感應透明現象以來，便獲得了令人驚訝的進展。S.E.Harris等人在1992年從理論上研究得出電磁感應透明情況下介質的色散特性在透明窗口的中心，折射率變化很快，群速很慢。Min Xiao等人于1995年從實驗上觀測了銣原子ladder結構電磁感應透明情況下的色散特性，并根據此色散特性推算出光速減慢為c/13.2。緊接著，A.Kasapi和Maneesh Jain等人在實驗上真正觀測到光速減慢為c/165。1996年，O.Schmidt和R.Wynands等人在光速減慢實驗上又取得了一大進展將光速減慢為c/3000。而最為引人注目的實驗是由Lene Vestergaard Hau等人于1999年所完成的，他們成功地使光速減慢為17米/秒。隨后，Chien Liu、D.F.Phillips以及A.V.Turukhin等人分別完成了冷原子、熱原子、固體中的光停止。其中，正如上面已提及過的，Chien Liu研究小組將光脈沖在冷原子中存儲了長達1ms之久的時間。
用電磁感應透明進行光存儲所獲得的成功，對于光通信具有十分重要的意義，也必將為廣義的量子信息處理提供強大的技術支持。與電相比，光的抗干擾能力要強得多，應該是一種更為理想的信息載體，但過去一直由于無法存儲光信息而限制了其在信息領域的應用。而現在，利用相應的電磁感應透明介質就可以把光子所攜帶的量子信息儲存起來。近幾年來，研究人員先后在不同的物質形態下，采用不同的原子和不同的能級結構實現了電磁感應透明和儲時有限的光存儲。對于光分組交換網而言，這將具備巨大的實際應用價值。
本發明的又一目的是提供一種采用了上述光分組隨機存取方法的混合緩沖法。
本發明的另一目的是提供一種采用了上述光分組隨機存取方法或者混合緩沖法的光分組交換節點結構。
本發明的技術方案如下光分組隨機存取的方法，是利用電磁感應透明介質研制成相應的波分復用光分組存儲器，對于隨機到達并存入該存儲器的光分組，在可能的光存儲時限內，根據交換節點的調度策略，可以被隨時從存儲器中信息無損地提取出來進行交換輸出，也就是在光分組交換網中通過電磁感應透明光存儲技術來實現類似于電分組交換網中電分組隨機存取器，只不過前者對于到達其中的每個分組所能存儲的時間有限。
所述方法中的光分組存儲器，可以通過不同的途徑來實現。
第一種途徑是利用某單一物質組分來構成制作光分組存儲器的電磁感應透明介質，從該物質組分的原子所含的超精細能級結構中選出一套合適的能級，便可存儲一個相應波長的分組；選出多套合適的能級，在一個存儲單元內同時存儲相應的多個不同波長的光分組。因此，對于網絡節點各輸出(或輸入)端口隊列的長度上限定為N，且要求每端口只用一個存儲器來解決其緩沖問題的情形，只要從該物質組分的原子所含的超精細能級結構中選出N套相應的能級就可以了。如附圖2所示，其中的上能級7、基態能級8、亞穩態能級10組成了一個三能級系統，圖中的11、13分別為該系統的探測光和耦合光；上能級6、基態能級8、亞穩態能級9組成了該電磁感應透明介質中的第N套三能級系統，圖中的12、14分別為該系統的探測光和耦合光。
第二種途徑是利用多物質組分來構成制作光分組存儲器的電磁感應透明介質，各物質組分含有一套或多套合適的不同能級來存儲某一個或多個相應的不同波長分組，一個存儲單元內同時存儲的不同波長分組數就是各物質組分所含的不同的能級套數的總和。因此，對于網絡節點各輸出(或輸入)端口隊列的長度上限定為N(N為正整數)，且要求每端口只用一個存儲器來解決其緩存問題的情形，只要從多種物質組分的原子所含的超精細能級結構中選出N套相應的不同能級就可以了。
第三種途徑是利用某單一物質組分來構成制作光分組存儲器的電磁感應透明介質，從該物質組分的原子所含的超精細能級結構中只選出一套合適的能級來存儲一個相應波長的分組，一個存儲單元內能同時存儲的不同波長分組數是1。因此，對于網絡節點各輸出(或輸入)端口隊列的長度上限定為N(N為正整數)的情形，則需要使用N個這樣的存儲器來解決一個端口的緩存問題。當然，實現起來最容易的是第三種途徑。
由于本發明中的光分組存儲器支持隨機存取操作，因而其具備一系列顯著的優點。比如，該存儲器能支持QoS業務的實現，也就是說，優先級高的晚到分組可在優先級低的早到分組之前搶先輸出，這只要修改存儲器中各分組的輸出時刻(即耦合光的加載時刻)即可。
當然，由于目前電磁感應透明介質對輸入分組所能存儲的時間有限，為了完全支持QoS業務，有一種解決思路是考慮到分組網中的每一分組均具有生存期限，由于高優先級業務搶先及網絡內部流量擁塞等原因導致其在生存期內達不到目的節點的分組則會被丟棄，因此，光分組交換網對端口緩沖器的光存儲時間并不要求太長(太長也沒意義)，這正是電磁感應透明光存儲技術即便在其現有水平下也對光分組交換網具有實際應用價值的原因所在。這樣，即便目前光存儲的時間不夠，也能以較小的丟包率代價換來對QoS業務的完全支持。而且，隨著技術的發展，電磁感應透明光存儲時間必將延長，當光存儲時間達到一定的長度后，對于分組交換網而言，該光分組存儲器就相當于一個永久隨機存取器了。
另一種思路則可以考慮采用反饋機制來解決。當出現由于高優先級分組的搶占而使得已存儲的分組達到光存儲最大時限的情況時，可以將該分組取出并反饋回存儲器的輸入端。這種方式能立足于現有的技術條件在不增加丟包率的情形下完全解決QoS問題。也就是說，起用反饋機制解決了目前由于光存儲時間可能不夠長而影響電磁感應透明光存儲器的實用化這一問題。
考慮到電磁感應透明光存儲器的成熟和普及還需要一個過程，作為過渡方案，本發明提供了一種混合緩沖方法，可以采用電磁感應透明光存儲器與傳統的光纖延時線或硅波導延時線混合使用，即短時緩沖用延時線，而長時緩沖采用本發明的光分組隨機存取方法即使用電磁感應透明光存儲器，這可以大大減少所需的傳輸型緩沖延時線。
本發明還提供了一種光分組交換節點，該光分組交換節點采用所述的隨機存取方法或者混合緩沖方法。
除了支持QoS外，本發明方法中采用的光分組存儲器還支持變長分組的異步操作，這不但省卻了定長分組網中昂貴、笨重的同步設備，還使得光分組交換網對IP業務具有完全兼容的能力，即在分組網的邊緣節點中無須拆分和重組來自互聯網的IP包業務。
本發明方法中采用的光分組存儲器的另外一個優點是它可充當一個共亨隨機存儲器，即一個波分復用的隨機存儲器，這一特點從上面的闡釋中便可看出，而且這也是電隨機存取器所不具有的。
1—上能級2—基態能級 3—亞穩態能級4—探測光(信號光) 5—耦合光圖2為單組分電磁感應透明媒中的多三能級系統示意圖，圖中6—上能級N 7—上能級18—基態能級9—亞穩態能級N10—亞穩態能級111—探測光(信號光)112—探測光(信號光)N13—耦合光114—耦合光N圖3為電磁感應透明光分組存儲器結構示意圖，圖中15—存儲器的光分組輸入端口116—存儲器的光分組輸入端口N17、18、19、20—可調諧波長變換器(TWC)21—探測光122—探測光N23—存儲器的光分組輸出端口124—存儲器的光分組輸出端口N25—耦合光126—耦合光N27—多EIT共生媒質圖4為采用電磁感應透明光分組存儲器的分組交換節點結構圖。圖中28—輸入端口1 29—輸入端口N30、31—可調諧波長變換器 32、33—波長變換后的光分組34—N×N的陣列波導光柵 35、36—1×N的復用器37、38、39、40—1×2的光開關41、42—電磁感應透明光分組存儲器43、 44—合波器 45—輸出端口146—輸出端口N
如圖3所示，是一個電磁感應透明光分組存儲器結構示意圖。從N個輸入端口(如15、16)進來的光分組分別經相應的可調諧波長變換器(如17、18)轉換成進入電磁感應透明介質27的探測光即信號光(如21、22)，同時根據各分組的存取時機，關閉或打開相應的耦合光(如25、26)，便可將探測光存儲在介質中或從介質中取出來。從介質中取出的光分組再經過相應的TWC(如19、20)變換成允許波長通過輸出端口(如23、24)輸出。
實施例2光分組交換節點一個應用電磁感應透明光分組存儲器的N×N交換節點結構圖如圖4所示。為了敘述的簡便，此處假定該節點的每個輸入輸出端口為單波長情形。節點根據從輸入端口(如28、29)進來的光分組所含的交換(或路由)信息，判斷出各分組在本節點的輸出端口，然后利用可調諧波長變換器(如30、31)將各分組轉換到合適的波長上，得到波長變換后的光分組(如32、33)，以便能夠經由后面的N×N陣列波導光柵34將這些分組交換到各自的目的端口。當競爭同一輸出端口(如45、46)的分組超過1個時，除了準予輸出的那個分組外，其余的分組均被緩存到該端口的電磁感應透明光分組存儲器(如41、42)中，這其中，將各分組是送往合波器(如43、44)而后輸出，還是送往存儲器進行緩存，是通過控制各個1×2的光開關(如37、38、39、40)來實現的。在后續可用的時隙，通過施加相應的耦合光，便可將存儲器中的光分組依次取出并從相應端口輸出。
權利要求
1.光分組隨機存取方法，其特征是利用電磁感應透明光存儲介質制成光分組存儲器，對于隨機到達并存入該存儲器的光分組，根據交換節點的調度策略，在光存儲時限內隨時將其從存儲器中信息無損地提取出來以進行交換。
2.如權利要求1所述的光分組隨機存取方法，其特征是所述的光分組存儲器是利用單物質組分構成，從該物質組分的原子所含的超精細能級結構中選出一套合適的能級存儲一個相應波長的光分組；選出多套合適的能級，在一個存儲單元內同時存儲相應的多個不同波長的光分組。
3.如權利要求1所述的光分組隨機存取方法，其特征是所述的光分組存儲器是利用多物質組分構成，各物質組分含有一套或多套不同能級來存儲某一個或多個相應的不同波長分組，一個存儲單元內同時存儲的不同波長分組數就是各物質組分所含的不同的能級套數的總和。
4.如權利要求1所述的光分組隨機存取方法，其特征是所述的光分組存儲器是利用單物質組分構成，從該物質組分的原子所含的超精細能級結構中只選出一套合適的能級來存儲一個相應波長的分組，一個存儲單元內能同時存儲的不同波長分組數是1。
5.如權利要求1或2或3或4所述的光分組隨機存取方法，其特征是采用反饋機制來解決光存儲時間受限的問題，當出現由于高優先級分組的搶占而使得已存儲的光分組達到光存儲最大時限且還不能立即輸出的情形時，將該光分組取出并反饋回存儲器的輸入端進行續存。
6.一種混合緩沖方法，其特征是短時緩沖采用光纖延時線或硅波導延時線，長時緩沖采用權利要求1或2或3或4所述的光分組隨機存取方法。
7.一種混合緩沖方法，其特征是短時緩沖采用光纖延時線或硅波導延時線，長時緩沖采用權利要求5所述的光分組隨機存取方法。
8.光分組交換節點，其特征是采用權利要求1或2或3或4所述的光分組隨機存取方法。
9.光分組交換節點，其特征是采用權利要求5所述的光分組隨機存取方法。
10.光分組交換節點，其特征是采用權利要求6所述的光分組隨機存取方法。
11.光分組交換節點，其特征是采用權利要求7所述的光分組隨機存取方法。
全文摘要
本發明提供了一種光分組隨機存取的方法，是利用電磁感應透明介質研制成相應的波分復用光分組存儲器，對于隨機到達并存入該存儲器的光分組，在可能的光存儲時限內，根據交換節點的調度策略，可以被隨時從存儲器中信息無損地提取出來進行交換輸出，該方法能支持QoS業務的實現，還支持變長分組的異步操作。在此基礎上，又提供了一種混合緩沖法，即短時緩沖用延時線，而長時緩沖用電磁感應透明光存儲器，這可以大大減少所需的傳輸型緩沖延時線。本發明還提供了一種采用了光分組隨機存取方法或者混合緩沖法的光分組交換節點結構。
文檔編號H04Q11/00GK1410801SQ0215340
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月27日 優先權日2002年11月27日
發明者祝曙光, 徐安士, 殷洪璽, 吳德明 申請人:北京大學