光波長復用和去復用設備及使用該設備的光傳輸系統的製作方法

2023-06-02 23:55:01

專利名稱：光波長復用和去復用設備及使用該設備的光傳輸系統的製作方法
技術領域：
本發明與用在波分復用(WDM)光通信網絡中的光波長復用和去復用設備有關。
近年來，應用波分復用技術的光通信網被廣泛地研究和開發。
圖8是一個光通信系統即WDM網絡系統的方框圖，其中多個光波長復用和去復用設備被串聯在一起。一對或多對光纖OPF用作上行和下行通信線路從而作為傳輸通道。
這個網絡系統包括許多用於補償光纖OPF損耗的光放大中繼器REP。每個光放大中繼器有兩個或多個用於下行和上行線路的光放大器OAMP。
端局A到D傳送許多波分復用光信號即WDM信號，每個信號的波長都不同，送到其中的一根光纖中。光波長復用和去復用設備1將WDM信號按波長分配到各傳輸通道以送往接收端局A至D，這些端局選擇WDM信號的波長，並接收對應於所選波長的信號。
圖8所示用於WDM網絡的光波長復用和去復用設備通過組合其基本結構如圖9所示 的各光分插復用器(OADM)2而構成。
光分插復用器2去復用從WDM信號中選出的一些光波長信號(λd1，λd2…λn)，其中在主組傳輸光纖中傳送的波長λd1，λd2…λn被復用並被送到分支組的傳輸光纖，如與端局B相連的傳輸光纖10。然後復用器2將其餘的光信號和從插入組傳輸光纖輸入的光信號復用在一起，例如，插入組傳輸光纖可以是從端局B向光波長復用和解復用設備1進行傳輸以便向主組傳輸光纖輸出信號的傳輸光纖11。
一般選擇去復用的光信號與被插入信號的光波長相同。具有上述特性的光分插復用器2可以利用波長復用和去復用單元來製造，波長復用和去復用單元可以是介質多層濾波器、WDM耦合器、光纖光柵和AWG或類似的裝置。因此早已提出具有多種結構的波長復用和去復用單元，見題目是《使用光纖光柵的光分插復用器及其限制因素的試驗》的第一篇文獻(刊登在「電子、信息和通信工程師學會」的預備文件(1996年)的第747頁)，以及刊登在1995年3月的「光波技術雜誌」，13卷，第3冊的第二篇文獻《陣列波導N×N波長復用器的傳輸特性》。
如上所述，實際的WDM光通信系統需要使用至少一對光纖作為上行和下行線路，因此光波長復用和去復用設備1由至少兩個或更多個圖9所示的光分插復用器2組成。


圖10是一個使用光分插復用器2的光波長復用和去復用設備1的建議結構示例。如圖10所示，光波長復用和去復用設備1包括一對分別用於上行和下行方向的光分插復用器2，而且每對光分插復用器2中的每一個與光纖11相連以用於去復用，並且與光纖10相連以用於插入和復用。
在使用圖10所示的光波長復用和去復用設備1的WDM光通信網絡中，由於光信號的某些損耗，正常段的光信號電平方案發生變化，在某一段處切斷了傳輸光纖時，這些光信號已通過正常段。
圖11是一個簡單WDM網絡的框圖示例，它克服了建議的系統的不足。在圖11的網絡中，段D、E和F分別處於端局A、B、C與光波長復用和去復用設備1之間。在段D、E和F的每一段需要中繼器REP來保持預定的信號電平。
另外，假設光波長復用和去復用設備1運用了圖10所示的結構，同時假設下圖表1所示信號的每個波長被安排與每個終端局通信。(圖表1)端局ABλ2端局BAλ2端局BCλ3端局CBλ3端局CAλ1端局ACλ1因此，具有圖12所示的一個波長的光信號在每個傳輸通道傳送，進而圖12中的圖圈用來標誌信號光纖。
在此我們考慮上述系統中段D的光纜被切斷的情況。在此情況下，端局A和B或端局A和C之間的通信通道被切斷，但是，端局B和C之間的一條通信通道被保留，因為段E和F是正常的。
因此，即使段D的光纜被切斷，為了運行網絡系統，端局B和C之間的通信最好不受影響。然而，兩個波長λ1和λ3在正常情況下在段E的傳輸通道中傳送。相反，若段D的光纜被切斷，只有一個波長λ3被傳送到段E的傳輸通道。
依此類推，若某一段的傳輸通道被切斷，通過另一個正常段的傳輸通道的大量信號就會減少。
另一方面，在專用於海底光通信系統的傳統光放大中繼器中使用一個輸出控制系統以便使平均光功率為一個常數。因此，假設通過正常段的傳輸通道的大量信號由於某一段光纜被切斷而減少，那麼在正常段中一個波長的信號電平方案最終也會改變。由於信號電平方案改變，光纖的非線性效應變強，在一定的情況下會使傳輸質量劣化。
為了克服上述問題，已經提供了一種功能，它可以控制光放大中繼器的增益為一個常數，因此即使波長數目變化也不會引起信號電平方案的變化。
但是問題在於，為了獲得控制光放大中繼器增益功能的保持，光放大中繼器的結構也變得複雜了。
問題的關鍵是，由於某段光纜被切斷，在正常段中通過的某些光信號的下降引起正常段的信號電平方案的變化。
因此，本發明的目的是提供一種光波長復用和去復用設備，它們可以傳輸與損失的光信號等效的光信號從而克服WDM網絡中的上述缺點。
本發明的另一個目的是提供一種包括通道切換功能的光波長復用和去復用設備，用於在WDM網絡中傳輸與損失的光信號等效的光信號。
本發明的其它目的可以通過按照附圖解釋實施例的描述而變得十分清楚。
圖1A和1B是一個光波長復用和去復用設備的應用實例(圖1A，正常情況下；圖IB，光纜斷開時)及一個根據本發明使用該設備的WDM網絡的框圖。
圖2是本發明的光波長復用和去復用設備的結構圖，它改進了圖1所示的功能。
圖3A和3B是用作通道開關的光開關20到23的示意圖(圖3A，正常情況下；圖3B，在切換條件下)。
圖4是在光波長復用和去復用設備1中所採用的通道開關20到23的第一實施例。
圖5是在光波長復用和去復用設備1中所使用的其它結構示例的通道開關20到23。
圖6是別的通道開關20到23的結構示例。
圖7是在每個實施例中產生控制信號的示意圖。
圖8是一個光通信系統的示例，即一個使用光波長復用和去復用設備來構成網絡的WDM網絡系統。
圖9是表示WDM網絡中光波長復用和去復用設備1的一般結構的示意圖。
圖10是一個使用光分插復用器2的光波長復用和去復用設備的建議系統的結構圖。
圖11用來解釋在某段光纖切斷時通過正常段的某些光信號損耗所產生的問題。
圖12是傳送到每個傳輸通道的光信號的波長的示意圖。
在下面的描述中，使用同樣的參考數字來代表和標識對應的或相同的部件。
圖1A和1B是表示依據本發明的光波長復用和去復用設備及使用該設備的WDM網絡的結構框圖。圖1A為正常情況，圖示的情況為圖12中每個波長信號被分配在終端局A、B和C之間傳送的一個光信號。
圖1B表示段D的一條光纜被切斷的情況。在這種情況下，按照本發明的光波長復用和去復用設備1在段D將輸入和輸出通道切斷，在段D，光纜被切斷。而且，光波長復用和去復用設備1具有直接連接斷開段側的輸入和輸出埠的功能。
在正常條件下，波長為λ1和λ2的光信號被插入段D的輸入埠。然後具有波長λ1和λ2的光信號從輸出埠被輸出，按此方式，具有相同信號波長和相同波長號數的WDM信號通過一對上行和下行線路光纖，因此，根據本發明，光波長復用和去復用設備1直接連接光纜斷開時具有相同波長的輸入和輸出埠。
如圖1B所示，等同於正常條件下的WDM信號的WDM信號在正常的段E中傳送，因此，信號電平方案沒有發生變化。
圖2是本發明中光波長復用和去復用設備1具有圖1所示功能的結構示例。在圖10所示的建議的光波長復用和去復用設備的每個輸入和輸出段具有用於切換通道的光開關20到23。
圖3A和3B是用作通道開關的光開關20到23的功能示意圖。
圖3A所示為正常情況，在圖3A中，光信號被輸入到輸入埠I，並從輸出埠O輸出。相反，圖3B所示為異常情況。在圖3B中，根據一定的條件，被輸入到輸入埠I的光信號被切斷，同時從輸出埠O輸出的光信號的一條通道被切換以便返回輸入埠I。
圖4所示是光波長復用和去復用設備1中使用的通道開關20到23的一實施例。在圖4中，使用2×2光矩陣開關201作為通道開關。
2×2光矩陣開關201有兩個輸入埠和兩個輸出埠。在正常情況下，2×2光矩陣開關201有一個輸入埠①與傳輸通道相連，其中光信號被輸入到光分插復用器2，另有一個輸出埠②與傳輸通道相連，其中光信號從光分插復用器2輸出，還有一個輸出埠③與光分插復用器2的輸入埠IP相連，另一個輸入埠④與光分插復用器的輸出埠OP相連。
這樣就有可能在切斷的線路PO處使用通向2×2光矩陣開關201的控制信號將來自通道輸出埠③的光信號切換到輸入埠④。
這種情況就與圖3B所示的通道切換相同。
例如，2×2磁光開關(見第三篇文獻，標題為《DC自由偏移鈦鈮酸鋰(TiLiNbO3)低輻射損耗光開關》，刊登在「電子，信息和通信工程師學會1996年，295頁)，應用光電效應的鈮酸鋰馬赫曾德爾(LiNbO3 Mach-Zehnder)型光開關(見第四篇文獻，標題為《2×2磁光開關》，刊登在「電子、信息和通信工程師學會」1996年，259頁)、使用半導體放大器的光開關(見第五篇文獻《2×2門型光開關的高速和低串音開關特性》，刊登在「電子、信息和通信工程師學會」，1996年，538頁)、或機械光開關都可以使用或用作在本發明中所用的2×2光開關。
圖5所示是在光波長復用和去復用設備中使用的通道開關20到23的結構示例。圖5所示的通道開關由2×1光開關202和1×2光開關204組成。
2×1光開關202包括兩個輸入埠和兩個輸出埠。兩個輸入埠中的任何一個與一個輸出埠相連。1×2光開關204進一步包括一個輸入埠和兩個輸出埠，兩個輸出埠的任何一個作為一個輸出埠。
在正常條件下，光開關202和204的每一個由控制信號控制，以便使2×1光開關202的輸入埠①與傳輸通道相連，信號由該傳輸通道而被輸入到光波長復用和去復用設備1。1×2光開關204的輸出埠②與傳輸通道相連，信號從這兒輸出。2×1光開關202的輸出埠③與光波長復用和去復用設備1的輸入埠相連，而且1×2光開關204的輸入埠與光波長復用和去復用設備1的輸出埠相連。
另外，1×2光開關204的其它輸出埠通過信號電平控制器203與2×1光開關202的其它輸入埠相連，該信號電平控制器例如是光放大器或光衰耗器或類似的器件。
因此，有可能通過控制信號在中斷線路上將2×1和1×2光開關202和204切換到光通道PO和P1，以便將來自1×2光開關204的輸入埠④從光波長復用和去復用設備1的輸出埠輸出的光信號通過電平控制器203返回到2×1光開關202的輸出埠③。這種情況與圖3B所示的通道切換的情況相同。進而，在這個實施例中光信號通過電平控制器23被返回。因此，使用控制器203容易達到與正常電平對應的電平。
例如，磁光開關、利用電光效應的鈮酸鋰馬赫曾德爾型開關、使用半導體放大器的光開關、機械開關或類似的器件可以用作2×1和1×2光開關202和204。
圖6所示是通道開關20到23的其它結構示例。在這個例子中，包括兩個2×2光開關205和206。
2×2光開關205的輸入埠①和2×2光開關206的輸出埠②分別與一個傳輸通道(信號由該傳輸通道而被輸入到光波長復用和去復用設備1)和另一個傳輸通道(信號該從傳輸通道輸出)相連。而且，2×2光開關205的輸出埠③和2×2光開關206的輸入埠④分別與光波長復用和去復用設備1的輸入埠IP和輸出埠OP相連。
然後，2×2光開關206的其它輸出埠和輸入埠通過電平控制器203和207分別與2×2光開關205的其它輸入埠⑤和其它輸出埠⑥相連。
利用這種結構，有可能將一條中斷線路PO1-電平控制器203-中斷線路PO2的路由切換到另一條中斷線路PIO-電平控制器207-中斷線路PI1的路由。
與圖5所示的結構相比，不同點在於通道切換是從供發送用的傳輸通道輸入信號的通道切換到下行傳輸通道，也有可能將通道切換到上述的中斷線路PIO-電平控制器207-中斷線路PI1的路由。
當中斷點的傳輸通道被恢復之後，需要這條通路路由來檢查系統的狀況。
而且，即使通道在非正常情況下或檢查系統時被切換，也有可能傳輸與正常情況等效的光功率，因為在兩個2×2光開關205和206之間提供了電平控制器203和207(例如是光放大器、光衰耗器或類似的部件)。
圖7是上述實施例中控制信號產生的示意圖。在圖7中，參考數200是在每個實施例中用於切換通路的光開關。
被輸入到光波長復用和去復用設備1的信號被輸入到通道開關20到23。然後，光耦合器210對輸入到光開關200的信號的一部分進行去復用。在對信號進行去復用之後，去復用的信號通過光濾波器211送到光電二極體212以轉換成電信號。控制器213監視被轉換的電信號。
光耦合器210和光電二極體212之間安排的光濾波器211通過從具有不同波長或ASE噪聲的光信號中分離出被監控的光信號從而保證良好的監視靈敏度，一個波長選擇器件(例如介質多層濾波器、光纖光柵、體衍射光柵或類似器件)可以作為光濾波器。
隨後，控制器213監視並檢測電信號的大小，這些電信號從光信號轉變過來以確定從傳輸通道傳輸的輸入光信號的存在。若沒有輸入信號，控制器213產生控制信號來激活光開關200，以便切換通道，如以上每個實施例中所解釋的那樣。
根據光開關200的類型，切換通道的工作原理是不同的。
為了產生控制信號以便在光波長復用和去復用設備1中切換通道，並不僅限於圖7所示的結構。例如，還可以通過將接收到的由監視控制信號調製的光信號轉換為電信號、從電信號解調出監視控制信號、並根據解調出的監視控制信號激活光開關200。
在海底光通信系統中已經提出許多種實用的方法來在端局與中繼器之間傳輸監視控制信號。例如，將監視控制信號累積(Pile up)和調製到欲進行傳輸的數據信號(即主信號)上的方法或調製具有與主信號的波長不同的波長的光信號的幅度的方法，都可用來傳輸監視控制信號。
即使使用上述方法中的任何一種，根據本發明的光波長復用和去復用設備也可用於傳輸監視控制信號的情況。
如以上實施例所述，根據本發明，在光信號傳輸系統中即使某一段的傳輸通道被中斷，也有可能使得實現正常段傳輸通道的信號電平方案不改變，不會發生由光纖非線性效應的影響而引起的傳輸質量劣化。
本發明還可以以不偏離其精神或本質的其它各種形式來實施。因此本實施例應認為是所附權利要求限定的本發明的範圍的各個方面，本發明不受上述描述限制，而且在權利要求書中等效的意義和範圍內的各種變型都應包括在本發明內。
權利要求
1.光波長復用和去復用設備，包括具有多個輸入和輸出埠對的光分插復用電路；和多個通道開關，其每個與多個輸入輸出埠對中的一個對應埠對連接，用於中斷輸入到對應埠對的輸入埠的光信號，並將從對應埠對的輸出埠輸出的光信號的通道切換到對應埠對的輸入埠。
2.根據權利要求1的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，其中多個通道開關的每個包括具有兩個輸入埠和兩個輸出埠的光矩陣開關，兩個輸出埠中的一個與兩個輸入埠中的一個相連，它通過控制信號與兩個輸出埠中的一個配對，這樣，所述通道的光信號從對應埠對的一個輸出埠輸出。
3.根據權利要求1的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，其中多個通道開關的每個包括第一光矩陣開關，它有兩個輸入埠和一個輸出埠；還包括第二光矩陣開關，它有一個輸入埠和兩個輸出埠；第一光矩陣開關的第一輸入埠與一個傳輸通道相連，光信號輸入到該傳輸通道；第二光矩陣開關的第一輸出埠與一個傳輸通道相連，光信號從該傳輸通道輸出；第一光矩陣開關的輸出埠與光分插復用電路的一個輸入埠相連；和第二光矩陣開關的輸入埠與光分插復用電路的一個輸出埠相連；及所述第一和第二光矩陣開關由控制信號控制，以使得第二光矩陣開關的第二輸出埠與第一光矩陣開關的第二輸入埠相連，從而使光傳輸通道被切換。
4.根據權利要求3的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，進一步包括在第二光矩陣開關的第二輸出埠與第一光矩陣開關的第二輸入埠之間的控制器。
5.根據權利要求1的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，其中，多個通道開關中的每一個包括第一和第二光矩陣開關，其每一個有兩個輸入埠和兩個輸出埠；第一光矩陣開關的第一輸入埠與一個傳輸通道相連，光信號輸入到該傳輸通道；第二光矩陣開關的第一輸出埠與一個傳輸通道相連，光信號從該傳輸通道輸出；光分插復用器的輸入埠與第一光矩陣開關的第一輸出埠相連，和光分插復用器的輸出埠與第二光矩陣開關的第一輸入埠相連，和所述第一和第二光矩陣開關由控制信號控制，以使得第二光矩陣開關的第二輸出埠與第一開關的第二輸入埠相連，第一光矩陣開關的第二輸出埠與第二光矩陣開關的第二輸入埠相連，從而使光傳輸通道被切換。
6.根據權利要求5的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，進一步包括在第二光矩陣開關的第二輸出埠與第一光矩陣開關的第二個輸入埠之間的控制器，及在第一光矩陣開關的第二輸出埠與第二光矩陣開關的第二輸入埠之間的控制器。
7.根據權利要求1的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，進一步包括在用於輸入光信號的傳輸線路中提供的光耦合器，用於去復用從該傳輸線路輸入的光信號；光電二極體，用來將由光耦合器去復用的光信號轉換為電信號；一個控制電路，用來檢測由光電二極體轉換的電信號的大小、根據檢測到的電信號的大小確定從傳輸線路傳輸的光信號的存在、並當未確定輸入光信號的存在時，產生用以激活切換通道開關的控制信號。
8.根據權利要求1的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，其中，光信號由監視信號所調製，該設備進一步包括在用於輸入光信號的傳輸線路中提供的光耦合器，用於去復用從該傳輸線路輸入的光信號；光電二極體，用來將由光耦合器去復用的光信號轉換為電信號；及一個控制器，用來從通過光電二極體轉換的電信號中解調出監視信號，並根據被調製的監視信號激活光開關以便切換傳輸線路。
9.根據權利要求7的光波長復用和去復用設備，其特徵在於，進一步包括在光耦合器和光電二極體之間提供的光濾波器，該光濾波器用於從去復用的光信號中提取出一定波長的光波長信號分量。
10.一種光傳輸系統，包括第一、第二和第三端局；和通過光放大器與第一、第二和第三端局相連的光波長復用和去復用設備，用於去復用從第一端局向第二端局傳輸的波分復用光信號中的第一指定波長；用於復用具有其它波長的光信號與從第二端局向第三端局傳輸的光信號；以及用於去復用從第三端局向第二端局傳輸的波分復用光信號中的第二指定波長；用於復用具有其它波長的光信號與從第二端局向第三端局傳輸的具有其它波長的光信號；其中從第二和第三端局向第一端局傳輸的光信號當第一端局和光波長復用和去復用設備之間產生故障時分別返回到第二和第三端局。
11.根據權利要求10的光傳輸系統，其特徵在於，通過使用來自第一端局並具有指定用於向第二和第三端局傳輸的波長的光信號，從第二和第三端局向第一端局傳輸的光信號分別被返回到第二和第三端局。
全文摘要
在WDM網絡的正常段,光波長復用和去復用設備可以傳輸與損失的光信號等效的光信號。光波長復用和去復用設備包括具有多個輸入、輸出埠對和多個通道開關的光分插復用電路,它們中的每一個與多個輸入輸出埠對的一個對應對相連,以便中斷輸入到對應埠對的輸入埠的光信號,並切換從對應埠對的輸出埠到對應埠對的輸入埠的光信號的通道。
文檔編號H04J14/00GK1185068SQ9712556
公開日1998年6月17日 申請日期1997年12月9日 優先權日1996年12月9日
發明者寺原隆文 申請人:富士通株式會社