全光交換網動態可重構多粒度光緩存器的製作方法
2023-07-20 05:49:26 1
專利名稱：全光交換網動態可重構多粒度光緩存器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多粒度光緩存器，尤其涉及多粒度光延遲線樹的結構。光緩存是全光分組交換網必不可少的技術，是實現分組包頭讀取、分組同步、解決路由競爭的關鍵器件，屬於光通信技術領域。
背景技術：
光交換/光路由屬於全光網絡中關鍵光節點技術，光交換器件是光交換/光路由的基礎。實現光交換系統的關鍵是開發高速光邏輯器件，即光的讀寫器件和存儲器件。光存儲器可以實現光信號的存儲。常用的光存儲器有雙穩態雷射二極體光存儲器和光纖延遲線。雙穩態雷射二極體光存儲器的原理是利用雙穩態雷射二極體對輸入光信號的響應和保持特性存儲光信號。光纖延遲線光存儲器的原理是利用光信號在光纖中的傳輸延時特性達到存儲光信號的目的。由於它是無源器件，比雙穩態存儲器穩定。國內外研究機構針對基於光纖延遲線的光緩存進行了大量研究。光交換系統中的光存儲器要求存儲時延能夠以納秒量級進行變化；當競爭發生/解除時數據包能夠方便靈活地進入/退出光緩存；光緩存還應該對不同比特率、調製格式及波長透明。目前在實驗室研究、演示的光纖延遲線光緩存可以分為兩類基本結構環路型和行波型。環路型光緩存，結構緊湊，需要的元器件少。但是數據包在環路中多次循環導致ASE噪聲的積累，因此循環次數受到限制。另外由於環路長度固定，為防止前後數據碰撞的發生，數據包的最大長度也受到限制(Langenhorst R.，Eiselt M.，Pieper，W.Fiber，Loop optical buffer，IEEEJournal of Lightwave Technology，1996，14(3)，324-335)。和環路結構相比，行波光緩存體積大但存儲數據包的長度不受限制(Hunter D.K.，Cotter D.，AhmadR.B.，2×2 buffered switch fabrics for traffic routing，merging，and shaping inphotonic cell networks，IEEE Journal of Lightwave Technology，1997，15(1)，86-101)。行波光緩存可以用2×2光開關和光纖延遲線組成，或者採用廣播-選擇的方式通過由LiNbO3材料製成的定向耦合器連接光纖延遲線組成(Murphy E.J.，AmbroseA.F.，Irvin R.W.，16×16 strictly nonblocking guided-wave optical switchingsystem，IEEE Journal of Lightwave Technology，1996，14(3)，352-358)。這類光緩存具有動態重構的特點，但需要解決插損大、偏振敏感以及串擾的問題。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提出一種新的基於多粒度光纖延遲線、SOA增益開關和相移器構成光延遲線樹，再由多粒度光延遲線樹級聯構成光緩存器。本發明的光緩存器提供的緩存時延具有更多的可變值和更大的可變範圍(變化範圍為10ns至1毫秒)，同時又具備結構緊湊、可升級、緩存時延在納秒量級內動態可重構的特點；存儲的數據包長度不受限制，數據包進出光緩存靈活，積累噪聲比較低，能滿足未來廣交換網對光緩存的要求。
為實現這樣的目的，本發明由多級光延遲線樹構成光緩存器，相鄰延遲線樹之間具有10倍遞增的粒度(如圖2所示)；如圖1所示，每級延遲線樹由3dB耦合器(7)，1×、2×、4×、7×本級單位長度光延遲線(8)、TOAD環(9)組成；其中TOAD環(9)如圖3所示，由3dB耦合器(4)、相移器(5)、SOA增益開關(6)、光纖環(10)組成。在每級延遲線樹，通過控制TOAD環中SOA增益開關、相移器使得最多兩個不同粒度延遲線級聯能夠提供10個可變的緩存時延值，分別為{0×，1×，2×，3×，4×，5×，6×，7×，8×，9×}2倍本級單位長度光延遲。總共n級光延遲線樹級聯，控制各級延遲線樹中SOA增益開關、相移器，整個光緩存器可提供10n個可變時延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。本發明的核心在於對多粒度光延遲線的設計和對SOA增益開關、相移器的控制。光延遲線的基本粒度T取決於SOA增益開關和相移器的響應速度，在ns量級。以一級延遲線樹為例，控制步驟如下1)數據包輸入環形器埠(1)，從輸出埠(2)進入光緩存器，經過3dB耦合器(4)分成兩路分別進入TOAD環(9)和光纖延遲線1T(8)。控制SOA增益開關S0處於開狀態，其它所有元器件處於關狀態，則數據包通過TOAD環從輸入埠返回到環形器埠(2)，再通過環形器輸出埠(3)離開緩存器；在緩存器中經歷的時延為零。
2)數據包輸入環形器埠(1)，從輸出埠(2)進入光緩存器，經過3dB耦合器(4)分成兩路分別進入TOAD環(9)和光纖延遲線1T(8)。控制SOA增益開關S0′處於開狀態，其它所有元器件處於關狀態，數據包通過光纖延遲線1T後進入TOAD環，然後從TOAD環的輸入端返回，再次經過延遲線1T後，通過環形器離開緩存器；在緩存器中經歷的時延為2×1T。
3)將步驟1)中的相移器P0置於開狀態，同時打開增益開關S1′，其它元器件置於關狀態，數據包在緩存器中經歷的時延為2×2T。
4)將步驟2)中的相移器P0′置於開狀態，同時打開增益開關S1′，其它元器件置於關狀態，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+2T)。
5)將步驟1)中的相移器P0、P1打開，同時打開增益開關S1、S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×4T。
6)將步驟2)中的相移器P0′、P1打開，同時打開增益開關S1、S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+4T)。
7)將步驟3)中的相移器P1′打開，同時打開增益開關S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(2T+4T)。
8)將步驟1)中的相移器P0、P1、P2打開，同時打開增益開關S1、S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×7T。
9)將步驟2)中的相移器P0′、P1、P2打開，同時打開增益開關S1、S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+7T)。
10)將步驟3)中的相移器P1′、P2打開，同時打開增益開關S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(2T+7T)；以上控制步驟可以用表一表示數據包在延遲線樹中經歷時各延值時元器件的工作狀態。
按照上述控制步驟，對每級延遲線樹進行相似的控制，則在每個延遲線樹都可得到10個可變的時延值，從而整個n級延遲線樹級聯的光緩存器可以提供10n個可變時延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。
表一各元件的工作狀態
說明「√」表示元件處於開狀態；「×」表示元件處於關狀態；相移器處於開狀態時使TOAD環中相反方向傳輸的光產生相對相移π；相移器處於關狀態時相反方向傳輸的光不產生相對相移。
本發明具有顯著的有益效果。本發明不限制緩存數據包的長度；當交換節點資源動態可用/不可用時，通過增益開關和相移器的控制，使得正在緩存的數據包退出/進入緩存器。通過對各級光延遲線樹的控制，光緩存器能夠提供各個可變值的緩存時延，變化範圍在10ns-1ms之間，滿足光交換網對光緩存的要求。
圖1為本發明中多粒度光延遲線樹的示意圖。
圖2為本發明動態可重構多粒度光緩存器示意圖。
圖3為本發明中環形器的示意圖。
圖4為本發明中TOAD環的示意圖。
圖5為數據包在本發明光緩存器中緩存時延為9750×2T的流程圖。
圖6為數據包在本發明光緩存器中緩存時延為123×2T的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明技術方案的具體實施方式
作詳細描述。
如圖1所示，本發明基於環形器(如圖2)、耦合器(7)、多粒度光纖延遲線(8)、TOAD環(9)構成光纖延遲線樹，其中TOAD環(9)如圖3所示，由3dB耦合器(4)、相移器(5)、SOA增益開關(6)、光纖環(10)構成。數據包輸入環形器埠(1)，從埠(2)輸出進入到光纖延遲線樹；在光纖延遲線樹中經過緩存後返回到環形器埠(2)，從環形器埠(3)輸出(即從光延遲線樹退出)，經過光放大器補償數據包在緩存器中的經歷的功率損耗。本發明的特點是數據包寫入、讀出緩存器將兩次經過同一光延遲線，因此每個延遲線提供兩倍的緩存時延。
如圖2所示，光緩存器級由4級光延遲線樹構成，每級光延遲線樹結構相同，不同的是各級延遲線樹基本延遲粒度10倍遞增。控制各級延遲線樹(如發明內容描述)，該緩存器能夠提供104個可變緩存時延。數據包到達交換網節點，該節點根據資源利用情況，決定數據包是否進入緩存器進行緩存以及相應的緩存時延。一旦數據包需要緩存的時延確定，數據包在光緩存器內各級延遲線樹的時延也就確定。通過控制各級延遲線樹中的SOA增益開關及相移器，實現數據包在各級延遲線樹的緩存時延。根據交換網對緩存的需要，加上更高級的延遲線樹，該緩存器還可升級。下結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
實施例1欲將數據包在光緩存器中緩存時延為9750×2T。
數據包在4級延遲線樹緩存時延為9×1000×2T；在3級延遲線樹緩存時延為7×100×2T；在2級延遲線樹緩存時延為5×10×2T；在1級延遲線樹緩存時延為0。數據包在緩存器中經歷的過程如附圖5中虛線所示，步驟如下(1)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)首先進入第4級延遲線樹，此時該延遲線樹中增益開關S0，S1′，S2，S3打開，相移器P0，P1′，P2打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線2000T，然後再通過光延遲線7000T，從TOAD環返回後再通過延遲線7000T，順原路再一次經過延遲線2000T，然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。此時該延遲線樹中的所有SOA開關和相移器關閉。在第4級延遲線樹數據包經歷的緩存時延為(2000T+7000T)×2。
(2)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)進入第3級延遲線樹。此時該延遲線樹中增益開關S0，S1，S2，S3打開，相移器P0，P1，P2打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線700T，從TOAD環返回後再通過延遲線700T，然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。此時關閉該延遲線樹中所有SOA開關和相移器。在第3級延遲線樹數據包經歷的緩存時延為700T×2。
(3)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)進入第2級延遲線樹。此時該延遲線樹中增益開關S0′，S1，S2′打開，相移器P0′，P1打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線10T後在通過延遲線40T，從TOAD環返回後再通過延遲線40T，順原路再一次經過延遲線10T然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。此時關閉該延遲線樹中所有SOA開關和相移器。在第2級延遲線樹數據包經歷的緩存時延為(10T+40T)×2。
(4)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)進入第1級延遲線樹。此時該延遲線樹中只有增益開關S0打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包直接從TOAD環返回到環形器埠(2)，從埠(3)輸出，關閉增益開關S0。這時數據包在第1級延遲線樹沒有進行緩存。至此數據包在整個緩存器中的緩存結束，總的緩存時延為9750×2T。
實施例2欲將數據包在光緩存器中緩存時延為123×2T。
數據包在4級延遲線樹緩存時延為零；在3級延遲線樹緩存時延為1×100×2T；在2級延遲線樹緩存時延為2×10×2T；在1級延遲線樹緩存時延為3×2T。數據包在緩存器中經歷的過程如附圖6中虛線所示，步驟如下(1)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)首先進入第4級延遲線樹，此時該延遲線樹中增益開關只有增益開關S0打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包直接從TOAD環返回到環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。這時數據包在第4級延遲線樹沒有進行緩存。此時該延遲線樹中的所有SOA開關和相移器關閉。
(2)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠2進入第(3)級延遲線樹。此時該延遲線樹中增益開關S0′打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線100T，從TOAD環返回後再通過延遲線100T，然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。此時關閉該延遲線樹中所有SOA開關和相移器。在第3級延遲線樹數據包經歷的緩存時延為100T×2。
(3)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)進入第2級延遲線樹。此時該延遲線樹中增益開關S0，S1′打開，相移器P0打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線20T，從TOAD環返回後再通過延遲線20T，然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，經過放大後，進入下一級延遲線樹。此時關閉該延遲線樹中所有SOA開關和相移器。在第2級延遲線樹數據包經歷的緩存時延為20T×2。
(4)數據包從環形器埠(1)輸入，通過埠(2)進入第1級延遲線樹。此時該延遲線樹中增益開關S0′，S1′打開，相移器P0′打開，其他增益開關和相移器關閉。數據包通過光延遲線1T後在通過延遲線2T，從TOAD環返回後再通過延遲線2T，順原路再一次經過延遲線1T然後輸入環形器埠(2)，從埠(3)輸出，關閉該延遲線樹中所有SOA開關和相移器。這時數據包在第1級延遲線樹經歷的緩存時延為(1T+2T)×2。至此數據包在整個緩存器中的緩存結束，總的緩存時延為123×2T。
權利要求
1.一種動態可重構多粒度光緩存器結構，其特徵在於不同粒度光延遲線樹級聯，數據包通過環形器依次寫入各級光纖延遲線樹，再通過環形器從光纖延遲線樹讀出；數據包在每個延遲線樹中，通過各TOAD環和不同粒度光延遲線的組合經歷10個(0，1，2...7，8，9)不同值的時延。
2.如權利要求1所述的動態可重構多粒度光緩存器，其特徵在於所述的各級延遲線樹分別由4種不同粒度的光纖延遲線(8)構成；構成一級延遲線樹的時延粒度是1T，2T，4T，7T；構成二級延遲線樹的粒度是10T，20T，40T，70T，…構成n級延遲線樹的粒度是10n-1T，2×10n-1T，4×10n-1T，7×10n-1T。
3.如權利要求1所述的動態可重構多粒度光緩存器，其特徵在於所述的延遲線樹由耦合器(7)、光纖延遲線(8)和TOAD環構成(9)；其中TOAD環(9)由3dB光耦合器(4)、SOA增益光開關(6)、相移器(5)和光纖環(10)組成，相移器(5)關時環路中正、反向傳輸的光相位相同(耦合器引起的突變相位除外)，相移器(15)開時環路中正、反向傳輸的光相位相差π弧度(耦合器引起的突變相位除外)。
4.如權利要求1所述的動態可重構多粒度光緩存器，其特徵在於在每個延遲線樹中控制TOAD環的狀態和不同粒度光延遲線的組合提供10個(0，1，2...7，8，，9)不同值的時延；以一級延遲線樹為例，控制步驟如下1)數據包輸入環形器埠(1)，從輸出埠(2)進入光緩存器，經過3dB耦合器(4)分成兩路分別進入TOAD環(9)和光纖延遲線1T(8)；控制SOA增益開關S0處於開狀態，其它所有元器件處於關狀態，則數據包通過TOAD環從輸入埠返回到環形器埠(2)，再通過環形器輸出埠(3)離開緩存器；在緩存器中經歷的時延為零；2)數據包輸入環形器埠(1)，從輸出埠(2)進入光緩存器，經過3dB耦合器(4)分成兩路分別進入TOAD環(9)和光纖延遲線1T(8)；控制SOA增益開關S0′處於開狀態，其它所有元器件處於關狀態，數據包通過光纖延遲線1T後進入TOAD環，然後從TOAD環的輸入端返回，再次經過延遲線1T後返回到環形器埠(2)，再通過環形器輸出埠(3)離開緩存器；在緩存器中經歷的時延為2×1T；3)將步驟1)中的相移器P0置於開狀態，同時打開增益開關S1′，其它元器件置於關狀態，數據包在緩存器中經歷的時延為2×2T；4)將步驟2)中的相移器P0′置於開狀態，同時打開增益開關S1′，其它元器件置於關狀態，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+2T)；5)將步驟1)中的相移器P0、P1打開，同時打開增益開關S1、S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×4T；6)將步驟2)中的相移器P0′、P1打開，同時打開增益開關S1、S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+4T)7)將步驟3)中的相移器P1′打開，同時打開增益開關S2′，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(2T+4T)；8)將步驟1)中的相移器P0、P1、P2打開，同時打開增益開關S1、S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×7T；9)將步驟2)中的相移器P0′、P1、P2打開，同時打開增益開關S1、S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(1T+7T)；10)將步驟3)中的相移器P1′、P2打開，同時打開增益開關S2、S3，其他元器件關閉，數據包在緩存器中經歷的時延為2×(2T+7T)；以上控制步驟可以用表一表示數據包在延遲線樹中經歷時各延值時元器件的工作狀態；表一 各元件的工作狀態
說明「√」表示元件處於開狀態；「×」表示元件處於關狀態；相移器處於開狀態時使TOAD環中相反方向傳輸的光產生相對相移π；相移器處於關狀態時相反方向傳輸的光不產生相對相移。
5.如權利要求4所述的控制步驟，對每級延遲線樹進行相似的控制，則在每個延遲線樹都可得到10個可變的時延值，從而整個n級延遲線樹級聯的光緩存器可以提供10n個可變時延值{0，1×2T，2×2T…(10n-1)×2T}。
全文摘要
一種基於光纖延遲線和SOA增益光開關的全光交換網動態可重構多粒度光緩存器，具有納秒量級的讀寫速度，支持全光交換網中不定長度數據包的緩存。整個光緩存器由不同粒度的光延遲線樹級聯，每個延遲線樹由4種不同粒度的光延遲線組成。每個延遲線樹通過最多兩個不同粒度延遲線的組合，可以提供10個基本單位(0，1，2，3…9)的緩存時延。因此，兩級光延遲線樹級聯的光緩存器可以提供100個基本單位的緩存時延，三級級聯的光緩存器可以1000個基本單位的緩存時延。與已經報導過的光緩存器相比，本發明結構緊湊，緩存時延變化範圍大(10ns～1ms)，插入損耗低，數據包可以隨機讀取的特點。
文檔編號H04L12/56GK1633108SQ200510002008
公開日2005年6月29日 申請日期2005年1月12日 優先權日2005年1月12日
發明者楊愛英, 孫雨南 申請人:北京理工大學