區分單播和組播的分束髮送光開關結構的製作方法

2023-12-11 19:06:32

專利名稱：區分單播和組播的分束髮送光開關結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖通信技術領域的光開關，具體地說，涉及的是一種區 分單播和組播的分束髮送光開關結構。
背景技術：
隨著高畫質電視、視頻會議、互動遠程教學等帶寬密集型業務的出現，光組 播已經得到了業界廣泛的關注。在目前存在的組播的多種實現方式中，波分復 用(WDM)光組播是一種帶寬利用最有效的方式，因為它不像多路單播的實現方式 那樣需要將光組播信號分別沿獨立的單播路徑從源節點發送到各個目的節點， 而是在交叉結點處進行光信號的複製然後將複製的信號轉發到下遊節點去。要 實現WDM組播，光網絡中的節點必須配備組播光交叉連接(Multicast-Capable Optical Cross-Connect, MC-0XC，)。組播光交叉連接通常是由解復用器、某 種組播光開關作為核心結構、和復用器構成，它不僅要完成埠之間的光路連 接而且要實現光信號的複製。其中，比較重要的是其核心部分組播光開關結構 的設計，業界通常使用無源的分光器來實現組播信號的光域複製，因為這種方 式結構簡單、器件造價低。
經對現有技術的文獻檢索發現，胡衛生等在《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》1998年7月第10巻第7號上發表的"Multicasting Optical Cross Connects Employing Splitter_and_Delivery Switch" (採用 分束髮送開關的光組播交叉連接)，該文中提出一種分束髮送光開關結構(SaD-一Splitter and Delivery)，這種結構對單、組播業務均能做到嚴格無阻塞， 不足之處就是並不區分單、組播業務，無論是單播信號還是組播信號都會被分 光，這樣會為單播信號引入不必要的功率損失。而光信號要想被接收單元檢 測，其功率必須超過某個門限值，儘管光放大器如EDFA能夠提高輸入光信號的 功率，但是EDFA的引入同時會帶來某些負面效應，如增加成本，引入噪聲等。
因此，設計比較完善的光組播交換結構時應避免為單播信號引入損耗，使單、 組播信號能夠分開處理。另一方面，大量的分光器會使製造過程變得複雜，從 而提高生產成本，但是分光器太少又可能會造成比較多的組播業務不能被滿 足，使結構本身的阻塞率性能下降，這樣，設計光組播交換結構時應在基本不 影響阻塞率性能的情況下儘量減少分光器的使用。檢索中還發現，Ali等在 《IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS》2000年10月第18 巻第 10號發表的"Power-Efficient Design of Multicast Wavelength-Routed Networks"提出只有組播被分光的分束髮送光組播交換結構(M0-SaD—-Multicast only Splitter and Delivery)。這種結構是從功率有效的角度考慮 提出的。它雖然不會為單播業務引入不必要的功率損失，但是由於它在每個波 長上只能建立一個組播業務，因此會給組播業務帶來比較大的阻塞率。此外， 它也並未考慮功率均衡(即單、組播業務的接收功率應基本相同)，當組播信 號在網絡中經過多個Mo-SaD後其功率會遠遠小於單播信號的功率，這樣會增加 整個網絡的管理複雜度。
因此，製造一種功率有效、可達到嚴格無阻塞，並且易於整個網絡功率管 理的光組播交換結構是一個有待解決並且極具現實意義的問題。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提出一種區分單播和組播的分束 發送光開關結構(SUM-SaD)，使其結合微機電系統(MEMS)三面光開關和分束 發送光組播交換結構(SaD)實現、區分單播和組播的分束髮送。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述的區分單播和組播的分束 發送光開關結構包括現有的SaD組播交換結構、MEMS三面光開關、EDFA光放大 器。其中MEMS三面光開關一部分輸出埠通過EDFA光放大器與SaD組播交 換結構的輸入端相連，構成實現對組播信號分路的專用附加通路。組播信號先 被交換到MEMS光開關中與EDFA放大器相連的輸出埠，經過放大、SaD分光 後被從MEMS光開關的另外一個輸入端轉發到整個結構的輸出端，即MEMS三面 光開關中不與EDFA放大器相連的輸出端。而單播信號則被MEMS三面光開關直 接交換到整個結構的輸出端。因此，只有組播業務經過該結構時才會被分路，
這樣就避免了給單播業務帶來不必要的功率損失，彌補了 SaD光組播結構中存 在的不足。
MEMS是利用半導體工藝實現的微機械結構，它將電、機械和光集合在一塊 晶片上，是一種微機電系統。MEMS光開關通過靜電作用使微鏡面發生轉動，從 而改變光路。這種光開關同時具有波導光開關體積小、易於大規模集成和機械 光開關的高性能的優點。MEMS光開關從工藝結構上分為兩維和三維MEMS光開 關，都已經是現有成熟的產品。兩維MEMS三面光開關即本發明所述的MEMS三 面光開關。典型的尺寸是10cra(業界只給出了兩維MEMS的標準尺寸，未給出微 小鏡面的尺寸)。它是在微小鏡面的兩面鍍膜，從而實現三面工作，通過控制中 間晶片上微鏡面矩陣中不同的微鏡面轉動就可實現不同的光路連接。
SaD組播交換結構是一種現有技術中實現光組播的典型結構，PxQ SaD由p 個lxQ分光器、PxQ個1x2光開關、PxQ個光門構成。這種光開關利用平面 矽波導技術在一片矽板上實現，利用光門可達到-40dB的串話。
EDFA光放大器的數目為該光開關的輸入埠數N的一半，以使區分單播和 組播的分束髮送光開關達到嚴格無阻塞。EDFA光放大器是為了補償分光器給組 播信號帶來的功率損失而引入的。但是由於EDFA本身會引入噪聲，並且具有非 線性特性，因此選擇合適的放大器增益是一個值得解決的技術問題。為了完全 補償分光損失，應該使放大器的增益剛好等於分光引起的損耗值。這樣，即使 組播信號經過多級本發明提出的交換結構後，其功率值也能保持和單播信號值 基本相同，因此整個網絡比較易於管理，從而彌補了現有結構MO-SaD的不足。
在本發明中，EDFA放大器的數目是一個可靈活配置的參數，它代表了該組 播交換結構在某個波長上能夠同時建立的組播數目。實際中可根據不同的輸入 業務優選該數目，使得組播阻塞率近似最優。 一般情況下，EDFA的最優數目為 2個或者3個，這樣能達到比Mo-SaD更好的阻塞率性能，同時能降低SaD中使 用的分光器的數目。
綜上所述，本發明中，只有組播業務經過該結構時才會被分路，這樣就避 免了給單播業務帶來不必要的功率損失；同時，本發明的開關結構可達到嚴格
無阻塞，可以使得組播阻塞率近似最優。


圖l為本發明的結構示意圖。
圖2為基於SUM-SaD的支持多波長的組播光交叉連接(MC-0XC)。
圖3為16x 16基於SUM-SaD的組播光交叉連接在某種特定輸入下的吞吐量 結果(吞吐量和阻塞率之和為1)曲線示意其中圖3(a)-(f)分別為組播業務佔總業務中的比例為0.1， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 0.9時的吞吐量結果。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的 保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示。區分單播和組播的分束髮送光開關結構是由1個Nx(N+D) MEMS三面光開關、D個EDFA光放大器和一個DxN SaD組播光開關組成的。 MEMS三面光開關中的所有輸出端中有N個用作為整個結構的輸出端，另外的D 個輸出端經由EDFA光放大器連接到SaD的輸入端，構成組播信號的專用附加通 路。
本實施例，D是一個可靈活配置的參數，這裡D越小，所需要的EDFA光放 大器越少，同時SaD組播交換結構中所需要的分光器越少，這種結構的成本也 就越低。但是，D同時表徵了這種結構能夠同時建立的某一波長的組播的最大 數目，如果D太小，可能造成比較大的組播阻塞率。因此，應選擇合適的D使 得SUM-SaD能用最少的成本獲得近似最優的阻塞率性能。另外，衡量光開關的 另一個重要指標是其是否具有嚴格無阻塞特性。
很明顯的， 一個NXN區分單播和組播的分束髮送光開關對於單播業務是
嚴格無阻塞的。對於組播業務而言，先假設EDFA的數目D小於！，當！個輸
2 2
出埠數均為2的組播業務(波長相同)同時到達該結構時，某些組播業務將 由於EDFA通路的缺少無法被滿足。因此，其中SaD的輸入埠數不應該小於
^ ;另一方面，由於組播業務至少有2個輸出端，也就是說至多^個組播業 2 2
務會被NXN的區分單播和組播的分束髮送光開關同時服務，因此，從經濟的
角度考慮，SaD的輸入埠數又不需要大於二。因此，NXN的區分單組播的
2
分束髮送光開關為了達到嚴格無阻塞，EDFA的數目D應該為^。
2
由以上分析可以得到，NXN的區分單、組播的分束髮送光開關要做到嚴格
無阻塞，必須由1個iVx^ MEMS三面光開關、^個EDFA光放大器、1個
2 2
!xiV SaD組播光開關構成。 2
為了能應用于波分復用光網絡，交換節點必須能夠支持多波長。與SaD結 構相類似，區別單播和組播的分束髮送光開關SUM-SaD可組成光組播交叉連接 以支持多波長。可支持W個波長的NXN光組播交叉連接是由N個解復用器、W 個NXN區別單、組播的分束髮送光開關SUM-SaD、 N個復用器組成的(如圖2 所示)。每個SUM-SaD對應著一個波長。在每個輸入埠，單個波長被解復用器 抽取後被送到相應的SUM-SaD轉發，轉發過程如上所述。這種MC-0XC當需要支 持新的波長時只需要增加一個SUM-SaD模塊，因此具有波長模塊性。假設SUM-SaD 中有D個EDFA光放大器，由於它並不具備波長轉換功能，則基於SUM-SaD 的MC-OXC在每個波長上只能最多同時建立D個組播業務，若把這種特性定義為
MC-OXC的D-tree特性，則可以得到^-tree NxN的基於SUM-SaD的MC-OXC
2
可達到嚴格無阻塞。 .
很明顯地，D應取值的大小與具體業務模型(業務量)相關。可以找到在 某一特定輸入業務模型下使基於SUM-SaD的MC-OXC達到近似最優阻塞率性能 的儘可能小的D值。
接下來給出一種最常用的、輸入為異步業務下的16x16基於SUM-SaD的 MC-OXC的最優D值。
假定到達過程服從泊松分布，到達率為/l，每個分組的服務時間服從指數 分布，平均值為w。並且假定光分組的波長服從均勻分布，輸出埠數服從參 數為P的截斷幾何分布，光分組到達MC-OXC的任何一個輸出埠的概率相同， 可以用數值計算的方法計算組播比例q為某一固定值時對應的截斷幾何分布的
參數p。仿真中取 =1，義=0. 1 1.0，每條鏈路上支持的波長數為W=32。組播 業務分別佔O.l， 0.2， 0.4, 0.6, 0.8, 0.9時的吞吐量(等於1減去阻塞率的 值)結果(如圖3所示)表明實際中D無需取SUM-SaD要達到嚴格無阻塞所需
要的上那麼大，在此種輸入業務模式下，D為2時的16x16基於SUM-SaD的 2
MC-OXC就可以到達近似最優的性能。
需要指出的是，這裡只仿真了扇出分布為截斷幾何分布時的阻塞率性能， 通過仿真其他扇出分布時的阻塞率性能也能同樣得到類似的結論，即基於SUM-SaD的MC-OXC要到達近似最優的阻塞率性能所需要的D —般取2， 3即可。
權利要求
1、一種區分單播和組播的分束髮送光開關結構，其特徵在於，包括分束髮送組播交換結構SaD、MEMS三面光開關、EDFA光放大器，其中MEMS三面光開關一部分輸出埠通過EDFA光放大器與SaD組播交換結構的輸入端相連，構成實現對組播信號分路的專用通路，組播信號先被交換到MEMS光開關中與EDFA放大器相連的輸出埠，經過放大、SaD分光後被從MEMS光開關的另外一個輸入端轉發到整個結構的輸出端，即MEMS三面光開關中不與EDFA放大器相連的輸出端；單播信號則被MEMS三面光開關直接交換到整個結構的輸出端。
2、 根據權利要求1所述的區分單播和組播的分束髮送光開關結構，其特徵 是，所述的EDFA光放大器，其數目為該光開關的輸入埠數N的一半，區分單 播和組播的分束髮送光開關達到無阻塞。
3、 根據權利要求1所述的區分單播和組播的分束髮送光開關結構，其特徵 是，所述的EDFA光放大器，其增益等於分光損耗，組播信號的功率得到補償。
4、 根據權利要求1或2或3所述的區分單播和組播的分束髮送光開關結 構，其特徵是，所述的EDFA光放大器，其數目為2-3個。
全文摘要
本發明涉及一種光纖通信技術領域的區分單、組播的分束髮送光開關結構，包括SaD組播交換結構、MEMS三面光開關、EDFA光放大器，其中MEMS三面光開關一部分輸出埠通過EDFA光放大器與SaD組播交換結構的輸入端相連，構成實現對組播信號分路的專用通路。組播信號先被交換到MEMS光開關中與EDFA放大器相連的輸出埠，經過放大、SaD分光後被從MEMS光開關的另外一個輸入端轉發到整個結構的輸出端。而單播信號則被MEMS三面光開關直接交換到整個結構的輸出端。本發明中，只有組播業務經過該結構時才會被分路，這樣就避免了給單播業務帶來不必要的功率損失；同時，本發明的開關結構可達到嚴格無阻塞。
文檔編號H04Q3/52GK101384092SQ20081020162
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者浩 何, 張春蕾, 宏 杜, 胡衛生 申請人:上海交通大學