一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器的製造方法
2023-04-23 11:40:46
一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器。N根單模輸入光纖連接第一組波長轉換及路由模塊後，進入第一空間光路由器，其輸出連接到第二組波長轉換及路由模塊，再次經過波長轉換與路由後，與第二空間光路由器的輸入埠連接，其輸出埠與N根單模輸出光纖連接，完成光信號到各自對應單模輸出光纖的路由；第一空間光路由器和第二空間光路由器鏡像工作。本實用新型用于波分復用光纖通信系統中，可實現光纖內的N路光信號之間任意交換，完成光信號從輸入埠路由至任意輸出埠，實現光纖間信號交換；並能通過對波長轉換及路由模塊的級聯和線性增加，實現更完整的路由功能，增加路由信道數目。整個路由結構可以通過平面光波導技術實現集成。
【專利說明】一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及光纖通信全光路由技術，尤其是涉及一種模塊化可擴展的波長和 空間全光路由器。
【背景技術】
[0002] 在光纖誕生並成功應用以後，光纖通信技術迅猛發展，WDM通信方式的實用新型使 得光纖通信帶寬大大提高。光纖通信數據的急速增大直接對光通信網絡中的各處理節點提 出了更高要求，全光通信網絡成為未來光通信網絡的發展方向。
[0003] 以波長為依據的光信號包轉發是WDM光網絡中信號路由的一個重要方式。目前的 主流技術多採用光-電-光波長轉換及路由的處理方式，它的優點是技術上較成熟，可實現 定時、再生、整形功能，但這種方案由於引入了光電變換和時鐘提取，需要很多高成本、高功 耗的高速光電儀器，對信號比特率和信號格式不透明，信號處理速度存在"電子瓶頸"問題， 不符合全光網絡"高數據吞吐量，高信號處理帶寬，低能耗"的發展要求。還有一種基於微電 子機械系統開關（MEMS-Switches)的路由結構，已經有支持32輸入/輸出埠交換的商用 器件報導"GlimmerglassIntelligentOpticalSystem"，救據衷可在www.glimmerglass. _獲取。但是這種結構的最大缺陷是信道切換時間長，達毫秒量級，只適用於一對結點間 持續通信時間長度在秒量級的情況。
[0004] 全光路由不需要經過電域處理，直接將信息從一個光波長轉換到另一個光波長， 通過光無源器件的轉發，達到路由目的。WDM系統光路由器中主要有光解復用、波長轉換、 光復用、光路由等模塊。全光路由不存在"電子瓶頸"問題，帶寬巨大，對信號速率和格式透 明，且單片集成的全光路由晶片能耗更將比光-電-光路由大大降低。
[0005] 目前提出的全光路由器主要有光開關、無源陣列波導光柵器件和基於半導體光放 大器（S0A)波長轉換兩種。"Multi-pathRoutinginanMonolithicallyIntegrated 4X4BroadcastandSelectWDMCross-connection"，EC0C，Septemberl8_22,2011，InP PHOTONICS(Mo. 2.LeSaleve)報導了一種基於SOA光開關的全光交叉互連，該結構實現了 4X4光信號交叉互連。這種全光路由方式主要由廣播選擇模塊與波長選擇模塊2部分組 成。在廣播選擇模塊中，4個輸入埠的光信號通過級聯多模幹涉耦合器（MMI)分別輸入到 每一個陣列波導光柵（AWG)的輸入埠。在進入AWG之前，每一路上都有S0A開關，通過調 節S0A注入的電流，來控制每一路的通斷。經過4個循環4X4陣列波導光柵路由器（AWGR) 的轉發後，信號進入波長選擇模塊。根據路由表設計，調節波長選擇模塊AWG各輸出埠上 S0A電流，可以決定之後連接的級聯MMI上各路信號的波長，進而可以達到控制整個路由芯 片輸出端上每一路的波長。但是，此方法只能進行不同輸入埠光信號的轉發，而不能將原 信號轉移到另一波長上，而且隨著輸入信號通道數目（N)的增加，需要相應增加至N個循環 NXNAWGR以及2N個S0A開關。同時，每一路輸入信號都要經過級聯麗I擴展至N個輸出端 口，整個路由系統單側引腳數目為N2個，會大大增加器件尺寸。這種晶片結構十分不利於 信道數目的擴展，增加一路信號，整個晶片的設計都要變化，且器件設計難度大大增加。"An 8x8InPMonolithicTunableOpticalRouter(MOTOR)PacketForwardingChip'Journal ofLightwaveTechnology,Vol. 28,Issue4,pp. 641-650 公開了一種基於SOA波長轉換的 光路由方式。這種方式通過將原信號經過S0A的交叉調製作用轉移到可調諧雷射器發出的 新波長上，再用AWGR轉發到對應信道。但是，這種結構轉發能力有限，沒有在光網絡層面提 出多光纖之間的信號交換。
[0006] 上述全光路由結構均不能完整實現光網絡中全光路由的波長轉換及埠透明轉 發的功能需求，並且系統的擴展性不夠好。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術的不足，本實用新型的目的在於提出一種模塊化可擴展的波長和空 間全光路由器。
[0008] 本實用新型採用的技術方案是：
[0009] 本實用新型包括第一空間光路由器、兩組波長轉換及路由模塊及第二空間光路由 器；N根單模輸入光纖和第一空間光路由器之間連接有一組波長轉換及路由模塊，通過該 組波長轉換及路由模塊將單模輸入光纖復用的各個光信號內的各信道進行波長轉換及路 由處理傳送到第一空間光路由器中；第一空間光路由器的輸出埠經另一組波長轉換及路 由模塊與第二空間光路由器的輸入埠連接，將每組不同波長的光信號經過波長轉換處理 傳送到第二空間光路由器各自對應的輸入埠中；第二空間光路由器將由另一組波長轉換 及路由模塊輸出的每組不同波長的光信號傳送到第二空間光路由器各自對應的輸出埠； 第二空間光路由器輸出埠與N根單模輸出光纖連接，將輸出光信號連接到各自對應的單 模輸出光纖；第一空間光路由器和第二空間光路由器鏡像工作，使得由第二空間光路由器 輸出的每路光纖中的各個光信號波長與第一空間光路由器各自對應的輸入光纖中的各個 光信號波長一致。
[0010] 所述的波長轉換及路由模塊包括依次連接的光解復用器、N個第一波長轉換器、第 三空間光路由器、N個第二波長轉換器和光復用器；第一空間光路由器每路輸出埠的光 信號先經過光解復用器分解為單波長信號，各個單波長信號經各自的第一波長轉換器傳輸 到第三空間光路由器中，第三空間光路由器對單波長信號進行空間路由後再經第二波長轉 換器波長轉換後傳送到光復用器，光復用器將各個單波長信號合併為一路光信號輸出到第 二空間光路由器。
[0011] 所述的第一波長轉換器或者第二波長轉換器包括將轉換前光信號濾除的光濾波 器結構。
[0012] 所述的第一波長轉換器及第二波長轉換器中不包括光濾波器結構，第三空間光路 由器與第一空間光路由器、第二空間光路由器具有不同的信道間隔，使得單模輸入光纖及 單模輸出光纖中所傳輸的光信號的波長與第三空間光路由器的傳輸光譜不匹配。
[0013] 所述的光解復用器為1XN光解復用器，採用陣列波導光柵或衍射刻蝕光柵。
[0014] 所述的光復用器為NX 1光復用器，採用陣列波導光柵、衍射刻蝕光柵或多模幹涉 親合器。
[0015] 所述的第一空間光路由器或第二空間光路由器為循環陣列波導光柵或循環衍射 刻蝕光柵。
[0016] 所述的第三空間光路由器為循環陣列波導光柵或循環衍射刻蝕光柵。
[0017] 所述的第一波長轉換器或第二波長轉換器為利用半導體光放大器的非線性效應 將一波長的光信號加載在另一個不同波長的直流雷射上的波長轉換結構。
[0018] 所述的第一空間光路由器、第二空間光路由器和波長轉換及路由模塊可全部集成 或按功能分區域部分集成在同一晶片上。
[0019] 本實用新型的有益效果是：
[0020] 基于波長轉換及路由模塊，有極好的拓展性，降低了全光路由的設計難度，同時具 有空間路由和波長轉換的效果，可實現同一根光纖內N個信道的任意交換及輸入端不同光 纖之間的信道交換。
[0021] 本實用新型邏輯清晰，可完整實現全光路由中信號波長轉換、轉發的功能，並對光 的信號格式完全透明。
[0022] 本實用新型相比傳統光-電-光路由器及現有光路由結構享有更大的帶寬，可完 成更高比特率的光數據處理、交換。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0024] 圖2是本實用新型波長轉換及路由模塊的結構示意圖。
[0025] 圖3是本實用新型第一空間光路由器路由路徑示意圖。
[0026] 圖4是本實用新型第二空間光路由器路由路徑示意圖。
[0027] 圖5是本實用新型第二空間光路由器路由表不意圖。
[0028] 圖6是本實用新型全光路由工作方式示例。
[0029] 圖7是實施例的光解復用器示意圖。
[0030] 圖8是實施例的光復用器示意圖。
[0031] 圖9是實施例的第一種波長轉換器結構圖。
[0032] 圖10是實施例的第二種波長轉換器結構圖。
[0033] 圖11是實施例的波長轉換器信號轉換原理及效果圖。
[0034] 圖12是實施例的空間光路由器示意圖。
[0035] 圖13是實施例的第三空間光路由器的第一輸入埠透射光譜示意圖。
[0036] 圖中：A、波長轉換及路由模塊，3、第一空間光路由器，4、光解復用器，5、第一波長 轉換器，6、第三空間光路由器，7、第二波長轉換器，8、光復用器，9、第二空間光路由器，L1、 L2、…LN為單模輸入光纖的序號，L1'、L2'、…LN'為單模輸出光纖的序號，10、可調諧激 光器，11、非線性光放大器，12、延時波導，13、線性光放大器，14、調相器。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0038] 如圖1所示，整個路由器主要由第一空間光路由器3、兩組波長轉換及路由模塊A 及第二空間光路由器9構成；N根單模輸入光纖和第一空間光路由器3之間連接有一組波 長轉換及路由模塊A，通過該組波長轉換及路由模塊A將單模輸入光纖復用的各個光信號 內的各信道進行波長轉換處理傳送到第一空間光路由器3中；第一空間光路由器3的輸出 埠經另一組波長轉換及路由模塊A與第二空間光路由器9的輸入埠連接，將每組不同 波長的光信號經過波長轉換處理傳送到第二空間光路由器9各自對應的輸入埠中；第二 空間光路由器9將由另一組波長轉換及路由模塊A輸出的每組不同波長的光信號傳送到第 二空間光路由器9各自對應的輸出埠；第二空間光路由器9輸出埠與N根單模輸出光 纖連接，將輸出光信號連接到各自對應的單模輸出光纖；第一空間光路由器3和第二空間 光路由器9鏡像工作，使得由第二空間光路由器9輸出的每路光纖中的各個光信號波長與 第一空間光路由器3各自對應的輸入光纖中的各個光信號波長一致。
[0039] 每組波長轉換及路由模塊A中的波長轉換及路由模塊A數量均與單模輸入光纖的 根數相同。
[0040] 如圖2所示，系統中每個波長轉換及路由模塊A設計均相同，包括依次連接的光解 復用器4、N個第一波長轉換器5、第三空間光路由器6、N個第二波長轉換器7和光復用器 8,負責進行空間光路由器3-個輸出埠的一組N個波長光信號的波長轉換及路由。
[0041] 如圖2所示，第一空間光路由器3每路輸出埠的光信號先經過光解復用器4分 解為單波長信號，各個單波長信號經各自的第一波長轉換器5傳輸到第三空間光路由器6 中，第三空間光路由器6對單波長信號進行空間路由後再經第二波長轉換器7波長轉換後 傳送到光復用器8,光復用器8將各個單波長信號合併為一路光信號輸出到第二空間光路 由器9。
[0042] 優選地，第一波長轉換器5或者第二波長轉換器7包括光濾波器結構，第一波長轉 換器5或者第二波長轉換器7的光濾波器結構將轉換前光信號濾除。
[0043] 優選地，在第一波長轉換器5和第二波長轉換器7中不包含光濾波器的情況下，第 一波長轉換器5和第二波長轉換器7的輸出埠會同時存在原光信號和轉換後光信號。如 果第三空間光路由器6與第一空間光路由器3、第二空間光路由器9設計相同，則原光信號 會路由至3的某一輸出埠，幹擾路由至該埠輸出的轉換後光信號。為避免原光信號對 轉換後光信號串擾，即第三空間光路由器6中每個埠中光信號串擾，第三空間光路由器6 與第一空間光路由器3、第二空間光路由器9具有不同的信道間隔，使得單模輸入光纖及單 模輸出光纖中所傳輸的光信號的波長與第三空間光路由器6的傳輸光譜（即透射光譜）不 匹配。
[0044] 具體實施時，對於兩組波長轉換及路由模塊A，使得第三空間光路由器6與第一空 間光路由器3、第二空間光路由器9的信道間隔有一定偏差，使原光信號不能通過第三空間 光路由器6。原光信號進入第一波長轉換器5,使信號加載至一組新的波長，與第三空間光 路由器6信道匹配，即在波長轉換及路由模塊A中採用一組不同波長完成信道交換。在波 長轉換模塊A中，通過第一次波長轉換器5,使經光解復用器4解復用後的光信號轉移到一 組不同波長間隔的光上，通過第三空間光路由器6,再經過第二次波長轉換器7,將第三空 間光路由器6空間路由後的光信號重新轉換至符合第二空間光路由器9信道間隔的波長， 繼續傳輸。
[0045] 光解復用器4為1XN光解復用器，為根據輸入光纖內N個信道的波長間隔所設計 的單端輸入、N個埠單波長輸出的光無源器件，優選的採用陣列波導光柵AWG或衍射刻蝕 光柵EDG。
[0046] 光復用器8為NX1光復用器，為N個輸入的單波長光信號合併為單埠輸出的光 無源器件，優選的採用陣列波導光柵AWG、衍射刻蝕光柵EDG或多模幹涉耦合器MMI。
[0047] 優選的第一空間光路由器3、第二空間光路由器9和第三空間光路由器6可相同或 者不相同，可採用循環陣列波導光柵AWGR或循環衍射刻蝕光柵EDGR。
[0048] 所述的第一波長轉換器5或第二波長轉換器7的結構可相同或者不相同，具體為 利用半導體光放大器SOA的非線性效應將一波長的光信號加載在另一個不同波長的直流 雷射上的波長轉換結構。
[0049] 優選的，第一波長轉換器5或第二波長轉換器7可採用如圖9所示的結構，包括可 調諧雷射器10、非線性光放大器11和延時波導12,可調諧雷射器10發出的探測光和信號 光經波導連接非線性光放大器11輸入端，非線性光放大器11的輸出端分別連接光波導和 延時波導12後輸出信號。
[0050] 優選的，第一波長轉換器5或第二波長轉換器7可採用如圖10所示的結構，包括 可調諧雷射器10、非線性光放大器11、延時波導12、線性光放大器13和調相器14,信號光 分為兩路，分別經光波導和延時波導12後連接各自的線性光放大器13輸入端，可調諧雷射 器10發出兩路探測光，兩個線性光放大器13輸出端與各自對應的可調諧雷射器10的輸出 端經耦合器耦合，將兩個線性光放大器13輸出端的信號與可調諧雷射器10的兩路探測光 分別耦合，形成兩路光信號後連接到各自的非線性光放大器11輸入端，兩路非線性光放大 器11的其中一個非線性光放大器11輸出端連接調相器14後與另一路的非線性光放大器 11的輸出端耦合後輸出最終的光信號。
[0051] 上述的可調諧雷射器為可調諧的半導體雷射器，非線性光放大器11採用非線性 光放大器，線性光放大器13採用線性半導體光放大器。
[0052] 本實用新型的N為正整數，當需要時，只需增加輸入和輸出光纖數目，並對應增加 三個空間光路由器3、6、9埠數目和波長轉換及路由模塊A的數目，其中波長轉換及路由 模塊A結構與設計均相同。
[0053] 本實用新型的工作原理如下：
[0054] 本實用新型中，圖中出現的各信號波長下標一樣則代表波長一樣。輸入光纖中傳 輸的一組光信號波長矩陣如式1。其中下標第一個數字i代表光纖序號，第二個數字j代表 信道序號，例如A12表示第一根輸入光纖的第二個信道波長。
【權利要求】
1. 一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於：包括第一空間光路由器 (3)、兩組波長轉換及路由模塊(A)及第二空間光路由器（9) ;N根單模輸入光纖和第一空間 光路由器（3)之間連接有一組波長轉換及路由模塊（A)，通過該組波長轉換及路由模塊（A) 將單模輸入光纖復用的各個光信號內的各信道進行波長轉換及路由處理傳送到第一空間 光路由器（3)中；第一空間光路由器（3)的輸出埠經另一組波長轉換及路由模塊(A)與第 二空間光路由器（9)的輸入埠連接，將每組不同波長的光信號經過波長轉換處理傳送到 第二空間光路由器（9)各自對應的輸入埠中；第二空間光路由器（9)將由另一組波長轉 換及路由模塊(A)輸出的每組不同波長的光信號傳送到第二空間光路由器（9)各自對應的 輸出埠；第二空間光路由器（9)輸出埠與N根單模輸出光纖連接，將輸出光信號連接到 各自對應的單模輸出光纖；第一空間光路由器（3 )和第二空間光路由器（9 )鏡像工作，使得 由第二空間光路由器（9)輸出的每路光纖中的各個光信號波長與第一空間光路由器（3)各 自對應的輸入光纖中的各個光信號波長一致。
2. 根據權利要求1所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的波長轉換及路由模塊(A)包括依次連接的光解復用器（4)、N個第一波長轉換器（5)、 第三空間光路由器（6)、N個第二波長轉換器（7)和光復用器（8);第一空間光路由器（3)每 路輸出埠的光信號先經過光解復用器（4)分解為單波長信號，各個單波長信號經各自的 第一波長轉換器（5)傳輸到第三空間光路由器（6)中，第三空間光路由器（6)對單波長信號 進行空間路由後再經第二波長轉換器（7)波長轉換後傳送到光復用器（8)，光復用器（8)將 各個單波長信號合併為一路光信號輸出到第二空間光路由器（9)。
3. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第一波長轉換器（5)或者第二波長轉換器（7)包括將轉換前光信號濾除的光濾波器 結構。
4. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第一波長轉換器（5)及第二波長轉換器（7)中不包括光濾波器結構，第三空間光路 由器（6)與第一空間光路由器（3)、第二空間光路由器（9)具有不同的信道間隔，使得單模 輸入光纖及單模輸出光纖中所傳輸的光信號的波長與第三空間光路由器（6)的傳輸光譜不 匹配。
5. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在 於：所述的光解復用器（4)為1XN光解復用器，採用陣列波導光柵（AWG)或衍射刻蝕光柵 (EDG)〇
6. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的光復用器（8)為NX1光復用器，採用陣列波導光柵、衍射刻蝕光柵或多模幹涉耦合 器。
7. 根據權利要求1所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第一空間光路由器（3)或第二空間光路由器（9)為循環陣列波導光柵或循環衍射刻 蝕光柵。
8. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第三空間光路由器（6)為循環陣列波導光柵或循環衍射刻蝕光柵。
9. 根據權利要求2所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第一波長轉換器（5)或第二波長轉換器（7)為利用半導體光放大器的非線性效應將 一波長的光信號加載在另一個不同波長的直流雷射上的波長轉換結構。
10.根據權利要求1所述的一種模塊化可擴展的波長和空間全光路由器，其特徵在於： 所述的第一空間光路由器（3)、第二空間光路由器（9)和波長轉換及路由模塊（A)可全部集 成或按功能分區域部分集成在同一晶片上。
【文檔編號】G02B6/293GK204203497SQ201420600718
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】武英晨, 何建軍 申請人:浙江大學