專利名稱：光學編碼信號的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用來處理光學編碼信號的方法和設備，特別地，涉及光學編碼二進制字的識別。
把一個數(shù)字編碼的字和一個目標字進行比較的需要發(fā)生于光學通信和光學信號處理系統(tǒng)全部領域內(nèi)的許多不同場合。這種技術的一個重要應用在于，識別光學通信網(wǎng)絡中所攜帶的一個數(shù)據(jù)幀的引頭部分內(nèi)的地址。為了能以非常高的比特率，例如100Gbit/s，來利用這種網(wǎng)絡，重要的是能夠以超高速的速度，例如對一個40比特的字以400ps，來執(zhí)行上述識別。至今已經(jīng)提出了許多不同的方法。它們包括超短脈沖譜相位編碼、利用擴展譜和時間分割編碼技術的光學相關，以及例如利用孤立子滯后門(soliton-dragging gate)或非線性光學環(huán)反射鏡的全光學邏輯技術。在最后這一類技術中，已經(jīng)有可能利用非線性光纖維器件處理超快速光學信號。然而，這些器件有一個很大的缺點，即它們有長的等待時間，也就是在輸入信號和輸出信號之間有長的延時。
在PCT/CH91/00122中公開了一種識別代碼字的方法。雖然認識到了需要提供速度和靈敏度，但這個過去的系統(tǒng)卻依賴于一個電/光混合系統(tǒng)，其中準備識別的字W以光學方式被施加給一個由對應于目標字T的電控制序列所操縱的門。該門的輸出在一個光電探測器中非相干地相加。在實踐中，用這種系統(tǒng)可達到的識別速度是受到嚴重限制的。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種識別光學編碼二進制字W的方法，其特征是，這個字是通過在光學領域內(nèi)對準備識別的字W或一個由此導出的字和目標字T或一個由此導出的字逐個比特地執(zhí)行布爾“與”運算來識別的。
這個編碼字最好是從滿足下述邏輯條件的二進制字子組中選取的WT＝0，若W＝TWT＝1，若W≠T為真，其中T是目標字，W是準備比較的字。
在本說明書所采用的符號中，WT表示下述運算Σi=1n(wi·ti‾)]]>其中Wi和ti分別是兩個二進制字的第i個比特，并且如布爾代數(shù)中習慣采用的那樣，求和及相乘分別代表“或”及“與”運算，x代表x的邏輯“補”。
本發(fā)明者已經(jīng)認識到，若選擇恰當?shù)拇a字，便有可能在光學領域內(nèi)用光學“與”運算進行全部的識別。
優(yōu)選實施例把編碼字限制在所有可能的n比特的二進制字中的一個子組之內(nèi)，然后利用一種完全基于在比特級別上的“與”運算的方法來執(zhí)行字的識別。如下面將更詳細地討論的那樣，由兩個光學場的簡單的標量積所代表的“與”運算是許多非線性光學器件的一個基本功能。從而，它能夠比其他邏輯運算，例如以前用來識別光學代碼字的“異或”運算，遠為直接地來實現(xiàn)。因此，這個方法將使得光學代碼字的處理有遠遠超過電子邏輯電路能力的超高速度，而且還可能具有一般的能量需要、高穩(wěn)定性和信號處理器件中的小等待時間，以及小的物理體積和集成化的潛力。比特率能夠達到超過10Gbit/s，并可能高達100Gbit/s甚至更高。
以前已經(jīng)提出把超快速非線性光學“與”門用作對非常高速的光學數(shù)據(jù)進行信號分離的手段。在這種方案中，如果A是一個十分高速的數(shù)據(jù)流，B是較低頻率的光學時鐘信號，則輸出A·B是A以時鐘頻率這個較低頻率的采樣。當該輸出A·B被探測和轉換成一個電信號時，能夠使用的最高時鐘頻率被光探測器和有關的電子電路的響應時間所限制。近來F·Forghieri等人[7]建議把這種信號分離技術應用到非常高速光學數(shù)據(jù)包中的引頭信息的識別和解釋問題之中。然而，他們雖然用光學“與”運算來分離信號，但字的識別卻不是在光學領域而是在電學領域內(nèi)執(zhí)行的。于是能夠處理的比特率被光探測器和有關電路的響應時間所限制。例如，在一個100Gbit/s的系統(tǒng)中，如果全部引頭場含有40個比特，并且光探測器的響應時間是100ps，則采用Forghieri等人的方法讀出引頭所需的時間為40×100ps=4ns。
與以往技術形成對比的是，在本發(fā)明所采用的方法中，字的識別處理是在光學領域內(nèi)執(zhí)行的，只有最后用來甄別的輸出在電學領域內(nèi)產(chǎn)生。從而比特率不受光探測器和電子電路響應時間的限制。這意味著，例如當該系統(tǒng)用來讀出非常高速光學數(shù)據(jù)包中的引頭時，能夠以該數(shù)據(jù)包的滿比特率來進行。在前面給出的例子中，用我們的方法來處理40比特的引頭所需的時間將是40×10ps＝400ps，與Forghieri等人所描述的系統(tǒng)相比，速度提高到10倍。
對超高速光學網(wǎng)絡來說，這個識別處理可以在一個分路節(jié)點上來執(zhí)行，在該節(jié)點處一個以RTZ格式，例如孤立子，編碼的輸入數(shù)據(jù)包括根據(jù)其包地址場H是否等于當?shù)氐刂稟來導向?？梢援a(chǎn)生一個與該輸入數(shù)據(jù)包精確同步的單個光學脈沖P，并使之通過一個被動的分光-延時-再結合網(wǎng)絡把它轉換成一個代表A(當?shù)氐刂稟的二進制邏輯“補”)的脈沖序列。
在該例子中，輸入數(shù)據(jù)包的引頭H和該脈沖序列A同時輸入給一個超高速光學“與”門。僅當H等于A時該門的輸出為零。如果H不等于A，則在光學“與”門的輸出中至少要得到一個光學脈沖。探測這個輸出(即轉換到電學領域)，它可以用來控制通道轉換開關。只需要一個光學“與”門。不需要電學求和或者多電平鑒別。由于門的輸出立即被轉換到電學領域，該門既不要求是保持波長不變的，也不要求有高的光學效率或者可以串級工作。任何能夠產(chǎn)生正比于兩個輸入場的標量積的輸出的非線性光學器件都可以使用。
用來執(zhí)行“與”運算的非線性光學器件例如可以是一塊SHG(二次諧波發(fā)生器)晶體?；蛘咭部梢岳闷渌姆蔷€性光學處理，例如光學和頻或差頻混頻，諧波發(fā)生，利用光學克爾效應的偏振面旋轉，交叉相位調(diào)制，簡并四波混頻，或者光學相位共軛。所有這些非線性光學現(xiàn)象都產(chǎn)生正比于兩個輸入光學信號的標量積的輸出。可以使用各種非線性光學媒質，例如晶體，半導體，有機材料，或玻璃。采用具有光學波導形式的非線性光學媒質可能是特別有利的。
本發(fā)明并不局限于處理代表一個時間序列的信號，例如光學網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)包的引頭。它也可以用于圖形或圖像的識別，在這種情形下，二進制字的各個不同比特將分布在空間，而不是按時間分布。于是一個字的各個不同比特W1、W2、…Wi對應于二進制像素，并且圖象的識別通過在光學領域中對備像素和二進制目標圖象的“補”進行“與”運算來實現(xiàn)。
代碼字W最好被提供有一個與該字的其余部分有固定的、非比特同步的時間關系的基準脈沖，該基準脈沖在產(chǎn)生取決于目標字T的脈沖序列T’時使用。
字T’最好通過把含有基準脈沖的字W施加到一個分光-延時網(wǎng)絡中來產(chǎn)生，該網(wǎng)絡的各個臂分別具有由目標字T確定的各種延時時間。
本發(fā)明的這一特點免除了在當?shù)禺a(chǎn)生一個同步于輸入代碼字的脈沖的需要。代替這一需要的是每個代碼字都被提供有一個附加的脈沖，該脈沖與代碼字脈沖序列有固定的時間關系，但與該脈沖序列是非比特同步的。例如，基準脈沖可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包引頭始端前面1.5個比特周期的時刻。然后該基準脈沖被應用于產(chǎn)生用來與輸入代碼字作“與”運算的一個與目標字T相關的字。這可以利用例如一個能產(chǎn)生包含目標字的邏輯“補”T在內(nèi)的信號的網(wǎng)絡來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用來探測和識別與光學通信系統(tǒng)中的一個數(shù)據(jù)包相關連的地址的地址讀出器，其特征是，上述手段被設計成是利用根據(jù)本發(fā)明第一方面的一種方法來識別地址的。
雖然本發(fā)明的應用對象絕對不是局限于在光學通信系統(tǒng)中讀出地址，但它在這個應用領域確實給出了特別的優(yōu)點。它有潛力提供超吉比特處理速率的工作容量這一事實使得在高級寬頻帶光學網(wǎng)絡中更高速度的數(shù)據(jù)包分路轉換成為可能。
下面將僅僅通過例子來說明本發(fā)明的實施例，本發(fā)明的理論背景將參考附圖進行討論，在附圖中

圖1是說明本發(fā)明所使用的受限制的字組中的字的數(shù)字的圖；圖2a和2b分別是實施本發(fā)明的一個光學通信系統(tǒng)和一個字形成網(wǎng)絡的原理圖；圖3示出一個光學“與”門；圖4a和4b說明利用圖2所示系統(tǒng)來識別引頭的地址場；圖5是本發(fā)明另一個實施例的原理圖；圖6是圖5所示被動網(wǎng)絡的較詳細的圖；圖7a至7e是說明圖6所示網(wǎng)絡的工作過程中的時間系列圖；圖8是光學“與”門的另一個例子；圖9是“與”門的再一個實施例；圖10是利用可重構形態(tài)的字形成網(wǎng)絡的另一個實施例的原理圖；圖11(a)是可構形成能選擇不同引頭場的再一個實施例的原理圖，圖11(b)示出一些不同的引頭場；以及圖12是又一個實施例的原理圖。
在圖2a所示的實施例中，一個寬頻帶光學網(wǎng)絡攜帶了一些光學編碼數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。在電光分路(轉換)開關2處，數(shù)據(jù)包被導向網(wǎng)絡兩個分支中的某一支中。在開關2的上游，網(wǎng)絡所攜帶的一部分信號被分出來并受到門控，使得傳送中的數(shù)據(jù)包的引頭被輸送到脈沖符合探測門3。在那里組成地址的二進制字W與由一個字形成網(wǎng)絡4向門提供的目標字T的“補”進行比較。字形成網(wǎng)絡4的輸入由一個時鐘恢復單元CR提供。門3的輸出被探測器5轉換成電信號，該結果信號被用來控制開關2。延時器1使數(shù)據(jù)包延時，直到分路開關2已經(jīng)正確地設置好之后才到達該分路開關2。
門3對脈沖序列執(zhí)行逐個比特的布爾“與”運算。該門可以由一塊適當?shù)姆蔷€性晶體組成，其取向使得只有當兩個輸入脈沖A和B以不同的角度同時入射到晶體內(nèi)并在晶體中相交時，該兩個光脈沖序列才能有效地產(chǎn)生二次諧波輻射。這就是被稱作非線性SHG(二次諧波發(fā)生)的技術。晶體的取向滿足相位匹配條件，能保證在只有單個脈沖射入時不會產(chǎn)生明顯的SHG。
從晶體輸出的二次諧波被探測并用來控制電光開關2，以給出對數(shù)據(jù)包的正確的路徑導向。分路開關例如可以是一個具有亞納秒開關時間的鈮酸鋰平面波導2×2開關，例如像由E-Tek Dynamics公司所制作并由Milton Keynes的Optilas Limited公司所供應的那種波導開關。光探測器把光學“與”信號轉換成電信號。有一個光欄和一個濾光器使得輸入到晶體的光學信號不能到達光探測器，但可以讓SHG信號通過。另一種做法是，在光探測器后方放置一個電子鑒別器，并對它設置一個決策閾值電平使得只有當同時出現(xiàn)輸入A和B時它才有輸出。
光學“與”門還可以有另一種布局。特別地，可以使用第二類相位匹配二次諧波發(fā)生方式。在這種布局下，兩束輸入光束在一直線上，但它們的電場矢量分別在兩個正交的方向上偏振。然后對晶體取向，使得只有當兩個在各自偏振方向上的輸入脈沖同時出現(xiàn)時才能得到SHG。用一個濾光器在輸入光到達光探測器之前把它們擋住。
在圖2a所示的線路中，時鐘恢復單元(CR)產(chǎn)生一個與輸入光學數(shù)據(jù)包嚴格同步的光學時鐘脈沖(即每個數(shù)據(jù)包一個脈沖)。這個時鐘恢復可以用S.P.Dijaili等人[8]所描述的光學鎖相環(huán)來完成。然后該時鐘脈沖信號經(jīng)過一個被動光學網(wǎng)絡，在那里單個脈沖被轉換成代表一個二進制字的脈沖序列。這個字形成網(wǎng)絡可以由一個多路分光器和再結合器組成，其中有許多分離的光學通道。這些通道的長度各稍有差別，其取值使得輸出的脈沖序列能代表目標字T的邏輯“補”。因此該字形成網(wǎng)絡是“硬連線”地產(chǎn)生所需字T的。這種類型的被動網(wǎng)絡可以利用光學制版處理和平面硅波導技術(例如如C.J.Beaumont等人所描述[9])很容易地制作。圖中所示的光學延時線使輸入數(shù)據(jù)包延時，直到電光開關有足夠的時間被正確地設定。
在某些應用領域，用一種能夠例如在網(wǎng)絡管理控制之下靈活地改變結構形態(tài)的字形成網(wǎng)絡來代替單個硬連線字形成網(wǎng)絡可能是有好處的。對于有必要改變一個節(jié)點的地址或者動態(tài)地改變通信網(wǎng)絡形態(tài)的情形，例如當對要求改變數(shù)據(jù)的傳送而作出響應時，或者對出現(xiàn)網(wǎng)絡錯誤作出響應時，這種替換將特別有利。這時，字形成網(wǎng)絡由多個可以借助于電光開關或光機械開關來選擇的光學通道組成；其中某些光學通道或者所有的光學通道可以含有一個這樣的開關。通過在這些開關上加上電信號以擋住某些通道和開放某些通道，或者重組其他一些通道，便可能以許多方式來重構該字形成網(wǎng)絡的形態(tài)，從而在實際上任意地改變了輸出字T。
圖10示出這種方法的第一個例子。在該例子中提供了k個固定的字形成網(wǎng)絡，并利用兩個1×k(轉換)開關從這些網(wǎng)絡中選出一個指定的網(wǎng)絡。每個不同的網(wǎng)絡對應于一個不同的目標字。
圖11(a)示出了另一種布局，其中有可能對引頭部分的不同的場(圖11(b)執(zhí)行字識別處理。和前面一樣，字形成網(wǎng)絡N(可以是固定的，也可以是可重構形態(tài)的)用來識別輸入字是否與目標字T相匹配，在本情形中T的長度和引頭中的一個分場的長度相同。通過在k條延遲線中選擇一條來組建這些開關的形態(tài)，從而設定延時長度，便有可能選出引頭中的哪一部分(即哪一場)將要被識別。
圖12示出了又一個實施例，它可以給出更大的靈活性。在這個線路中，利用各個開關來完全組建目標字和光學“與”門的第二個輸入的通道形態(tài)，便不但可以自由地選擇目標字，而且還可以在需要時自由地選擇引頭中的各場。
應該看到，借助于電光開關或光機械開關和各條不同延時線的適當?shù)呐帕薪M合，還有可能有許多不同的布局。在圖10至12的例子中，字形成網(wǎng)絡是以下面結合圖5所詳細說明的方式作用在由準備識別的字所攜帶的基準脈沖上的。可重新組建形態(tài)的字形成網(wǎng)絡也可以以類似的方式用于前述線路結構，例如圖2A所示結構中的獨立產(chǎn)生的同步脈沖的情形。
圖5示出另一個實施例，它免除了在產(chǎn)生目標字時在當?shù)禺a(chǎn)生同步脈沖P的必要性。和前面一樣，輸入數(shù)字包被分光成兩路，一路通過延時器1進入分路開關2，另一路用來作為“與”門3的一個輸入。然而，如圖所示，產(chǎn)生該“與”門的另一個輸入的方式被改變了。
現(xiàn)在輸入的數(shù)據(jù)包含有一個附加的脈沖，即“基準脈沖”，它位在引頭之前，并與引頭脈沖序列有固定的時間關系。該基準脈沖相對于引頭來說是非比特同步的，也就是說，它與引頭之間的時間距離不是比特周期的整數(shù)倍。在本例子中，基準脈沖出現(xiàn)在引頭始端前面1.5個比特周期處。
輸入數(shù)據(jù)包第二次被分光成兩路，一路被施加給被動網(wǎng)絡4’，另一路直接傳送到光學“與”門3的一個輸入端。網(wǎng)絡4’在圖6中表示得更為詳細，它含有n個臂，其中n是A中“0”的總數(shù)。該網(wǎng)絡重新產(chǎn)生和重新結合包括基準脈沖在內(nèi)的全部數(shù)據(jù)包共n次，每個重新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包被延時了時間τj，其中τj是基準脈沖和當?shù)氐刂稟中第j個“0”之間的時間差。通過下面所說明的例子將會看到，這具有產(chǎn)生一個結合輸出字T’的效果，在引頭中每一個對應于當?shù)氐刂稟中為“0”的比特位置上，T’都有一個從基準脈沖導出的脈沖。在當?shù)氐刂稟為“1”的比特位置上T’不含有脈沖。因此基準脈沖實際上被用來產(chǎn)生當?shù)氐刂返亩M制“補”A。
網(wǎng)絡4’的輸出被施加給“與”門3，和前面一樣，當H不等于A時，“與”門3的輸出不為零。因此該技術使得自我分路成為可能，而不需在網(wǎng)絡節(jié)點處有比特級別上的同步。該被動網(wǎng)絡4’可以用緊湊型平面硅對硅技術來制作，這樣得到的元件可以容易地更換，例如可以容許當?shù)氐刂返母淖儭?br> 圖7示出了該技術的一個簡單的例子，其中再次假定了當?shù)氐刂稟和數(shù)據(jù)包引頭H都是5比特的字。為了便于說明，當?shù)氐刂啡栽O為A＝01011，所以n＝2，A＝10100。在圖7(a)中，輸入數(shù)據(jù)包的引頭地址場H＝01011，所以H＝A。假定比特周期為T，則基準脈沖出現(xiàn)在引頭場H第一個比特的前面1.5T處。該數(shù)據(jù)包被輸入給一個延時為τ1＝1.5T，τ2=3.5T的被動網(wǎng)絡N，以產(chǎn)生如圖7(b)和(c)所示的兩個延時數(shù)據(jù)包，它們相結合之后產(chǎn)生圖7(d)所示的光學信號。該信號被加到光學“與”門的一個輸入端，而加在該“與”門另一輸入端上的是如圖7(e)所示的未經(jīng)延時的數(shù)據(jù)包。在該情形中，因為H＝A，所以沒有同時輸入到“與”門兩個輸入端上的脈沖，于是該“與”門沒有光學輸出(即H×A＝0)。然而，如果H≠A，并且H和A是從所要求的組中取出的，那末就會從該門得到一個光學輸出信號，它可以被用來相應地設定分路開關。
為了保證在H＝A情形下不從“與”門得到明顯的光學輸出，數(shù)據(jù)包中每個光學脈沖的寬度必須實際上短于比特周期T。該脈沖寬度短于T所必需的確切大小取決于一些因素，例如“與”門的效率，光探測器的靈敏度、脈沖的時間輪廓、以及光學噪聲和電學噪聲的大小等。在實踐中，這必須用試探/誤差法來確定，不過下面的近似判據(jù)可以給出一個指導。對于寬度為t的矩形光脈沖，我們要求t＜T/2。對于光強時間輪廓為sech2的脈沖(例如孤立子脈沖)，我們要求近似有t＜T/4，其中t是脈沖的半高全寬(FWHM)。
在本例子中，光學波長是1.55μm，光學線速率為100Gbit/s(即比特周期T＝10ps)，每個光學脈沖為2ps寬。
需要注意，僅僅當由被動網(wǎng)絡N延時的基準脈沖(圖5(d)中施加給“與”門一個輸入端的信號)和施加給“與”門另一輸入端的圖7(e)所示的未延時信號的引頭地址場中的脈沖相重合時，“與”門才能夠有零輸出。這種結果是借助于采用下述措施而得到的安排基準脈沖使得它與數(shù)據(jù)包的其余部分不同步，以及在被動網(wǎng)絡N中使用不是比特周期T的整數(shù)倍的延時時間τi。還需要注意，由于圖7(b)和(c)中某些脈沖有重疊，所以當它們在被動網(wǎng)絡N的輸出端相結合時將發(fā)生相干干涉，換言之，在某些時刻圖7(d)所示的結合信號的合成強度可能取零與輸入強度之和之間的任何值，具體取值取決于相結合的各脈沖的相對光學相位關系。這在圖(d)中用虛線脈沖表示。數(shù)據(jù)脈沖序列中的脈沖(圖中未詳細示出)也可能有相似的干涉。不過，因為在“與”門的輸入端虛線脈沖永遠不會和圖7(e)所示的未延時的引頭地址中的脈沖同時出現(xiàn)，因此這種干涉效應并不重要。
在圖5的線路中，各種光學連接是用單模光學纖維方便地實現(xiàn)的。兩個分光器(一個在線路的輸入端，另一個在“被動網(wǎng)絡N”的緊前方)都是標準的融熔結合光纖耦合器。分光比并不特別關鍵。第一個分光器或許可以具有10％90％的分光比，使得輸入數(shù)據(jù)包的大部分能量得以通過分路開關傳送，而只有較小部分的能量進入到線路的引頭識別部分。第二個分光器(即被動網(wǎng)絡N緊前方的那個)的分光比可以選擇得使出現(xiàn)在光學“與”門的兩個輸入端處的備個脈沖的強度大致相同。(對于下面將說明的基于二次諧波發(fā)生的光學“與”門而言，由于其輸出強度正比于兩個輸入強度的乘積，所以實際上不要求兩個輸入有相同的強度)。因為器件N中有兩個臂，所以第二個分光器的分光比取為例如33％66％可能是較為合適的，這樣進入到器件N輸入端的功率為沿著下部通道直接進入到“與”門輸入端的功率的兩倍。延時器可以方便地只是一段長度的單模光學纖維其長度要足夠的長，以使得數(shù)據(jù)包得到足夠的延時，即在數(shù)據(jù)包到達分路開關之前該開關已完成正確的設定。在本例中，所謂“足夠”可以是約2ns的延時，這可以由一段約40cm長的光學纖維給出。被動器件N可以方便地利用照相制版處理和平面硅波導技術制作(例如見C.J.Beaumont等人在BTTechnology Journal(英國技術期刊)第9卷第4期，30-35頁，1991年10月中的說明)。光電(O/E)轉換器可以方便地是一個光電倍增管及其隨后的TTL(晶體管-晶體管邏輯)單穩(wěn)態(tài)電路，其輸出脈沖寬度剛剛長到足以使在來自光電倍增管的電輸出脈沖之后出現(xiàn)的分路開關“激活”狀態(tài)能保持到讓整個數(shù)據(jù)包通過(例如，一個速率為100Gbit/s的500比特數(shù)據(jù)包將要求開關至少有5ns保持在正確的狀態(tài))。本例中的光電倍增管應該有約2ns的上升時間和對二次諧波波長(1.55μm/2＝0.77μm)靈敏，一種適用的器件是Thorn EMI公司制造的9817B型光電倍增管。
雖然用來執(zhí)行光學“與”運算的非線性光學器件可以是許多種非線性光學處理器，但例如可以采用一塊二次諧波發(fā)生晶體。類似地，上面所描述的各種其他元件也只是進行了舉例性的說明。正如將可看到的那樣，在實現(xiàn)本發(fā)明時有許多另外類型的器件可以代用。
圖8示出一個適當?shù)墓鈱W“與”門和探測器的例子。該系統(tǒng)含在一個防光室60中。透鏡61把兩條輸入光纖a和b的輸出引導到SHG晶體62內(nèi)部的一個共同焦斑處。一部分輸入光被轉換成二次諧波波長。晶體的取向使得僅僅當分別來自兩條光學纖維的光脈沖同時入射到晶體上時才產(chǎn)生一個二次諧波脈中；如果只有來自其中一條光學纖維的脈沖到達晶體而沒有來自另一條光學纖維的脈沖同時到達，就不會產(chǎn)生二次諧波脈沖。這是稱做“非共線相位匹配”的眾所周知的技術。光欄63和濾光器64的目的是在讓二次諧波光束通過的同時，防止來自輸入光纖的光照射到光電倍增管上。該濾光器應該具有這樣的光譜特性它能強烈地衰減輸入波長(1.55μm)的光，而對二次諧波(0.77μm)的光的衰減程度要小得多。一種合適的濾光器可以是Schott Glas Werke(肖特玻璃廠)制造的KG5玻璃型濾光器。從濾光器的輸出光照射到光電倍增管65上。
圖9示出利用半導體激光放大器(SLA)中的四波混頻的另一種“與”門。這種結構對于需要小等待時間(即對輸入信號的響應時間短)的應用，例如引頭識別，是較為優(yōu)越的。
在圖9所示的門中，兩個濾長為λs的信號以互相正交的偏振狀態(tài)被注入到SLA中。與信號A有相同偏振狀態(tài)的一個波長為λp的CW(連續(xù))泵浦光束p也被注入到SLA中。在信號A和P之間產(chǎn)生四波混頻，在波長λs－(λp－λs)和λp＋(λp－λs)處產(chǎn)生初級邊帶。在SLA上加上了頻率為λp和λs間的拍頻的增益調(diào)制(從而加上了折射率調(diào)制)。信號B“看到”了這個調(diào)制，從而在正交于A和P的偏振狀態(tài)下產(chǎn)生頻率為λs＋(λp－λs)和λs－(λp－λs)的邊帶。當泵浦光束和信號光束以正交的偏振狀態(tài)注入到SLA中時不會產(chǎn)生混頻現(xiàn)象，因此除非同時出現(xiàn)A、B不會發(fā)生波長變化。利用一個光學偏振器和一個帶通濾光器，把B偏振平面內(nèi)的波長為λs－(λp－λs)的信號分離出來。由于P光束是連續(xù)的，所以該分離出的信號代表信號A和信號B的“與”。
在圖示的線路中，波長為1553.15nm的信號A和來自可調(diào)諧外腔式激光器91的波長為1555.08nm的泵浦光P在一個3dB耦合器中相結合。該結合信號A＋P在一根摻鉺光纖放大器92中被放大，然后經(jīng)過一個分光/合光器93，與處于與A＋P相正交的偏振態(tài)的B相結合。利用尾纖式偏振分光/合光器，A、B和P的偏振狀態(tài)得到優(yōu)化，以獲得最大的透過率。然后這三個信號被耦合到一個500μm長的應變層8井多量子井埋藏式異質結構SLA中，當它的偏置電流為340mA時，其增益峰位在約1.56μm處。SLA的輸出通過一個光纖偏振器，它調(diào)節(jié)到能使處于A＋P偏振態(tài)的信號消光的方位上。其后由一根中心波長為1551.20nm、帶寬為0.6nm的光纖光柵帶通濾波器把“與”信號分離出來。在被高速光探測器(帶寬約18GHz)探測之前，該信號被又一次放大。如前面一樣，光探測器的輸出可以用來例如控制一個分路開關。為了驗證，可以在示波器上觀察這個輸出。
雖然為了實驗的目的，圖9的線路示出了利用基于馬赫-陣德爾調(diào)制器的脈沖圖形發(fā)生器來產(chǎn)生輸出A和B的情況，但當應用于本發(fā)明的代碼字識別系統(tǒng)時，該“與”門例如可以把準備識別的字W作為輸入A，把字形成網(wǎng)絡的對應于目標字的“補”T的輸出作為輸入B。
下面將更詳細地說明識別代碼字(在本例中為地址)的方法和所采用的編碼算法的理論背景。
雖然上面的說明是關于寬頻帶光學網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包地址的識別的，但應該看到，這只是一個舉例，本發(fā)明的方法可以在大量領域中應用。
信息處理中的一個基本操作是識別二進制字(例如數(shù)據(jù)包傳送通道可轉換的通信網(wǎng)絡中的引頭地址序列。識別一個n比特的字W＝W1W2…Wn的問題就是要確定該給定的字是否與某個特定的目標字T＝t1t2相同(其中Wi和ti是二進制數(shù))。用符號來說，該任務就是要確定Πi=1n(wi⊕ti‾)]]>是等于0還是等于1，其中值1代表識別成立(W＝T)，值0代表識別不成立(W≠T)。(作為布爾代數(shù)的習慣用法，求和和求積分別代表邏輯“或”和邏輯“與”運算，＋代表“異或”，x代表x的邏輯“補”)，對于某些應用來說(例如超高速光學信號處理)，以不同的形式來表達邏輯任務是有利的，即用零輸出來代表字識別成立是有利的，這在實踐中可以使設定鑒別閾值變得較為容易[1]。在這情形下，適當?shù)乃惴?amp;Sigma;i=1n(wi⊕ti)=0or1]]>其中0代表W＝T，1代表W≠T。不論使用哪種算法，一般情形下的字識別任務都需要在比特級別上的“異或”運算(或其等效的邏輯運算)。利用非線性光纖器件，例如Sagnac干涉儀[2-4]和孤立子滯后門[5]，來實現(xiàn)超高速非線性光學的“異或”門已經(jīng)有人演示過。這些器件可以處理超高速光學信號，但典型的情況是對每個邏輯門需要幾百米長的光學纖維。
本發(fā)明用另外一種方法實現(xiàn)字的識別，其中使用了基于比特級別的“與”運算的算法。與其他的邏輯運算不同，由兩個光學場的簡單的標量積所表征的“與”運算對所有超高速非線性光學現(xiàn)象來說是一個基本現(xiàn)象[6]。因此這種算法開拓了許多具有所希望的性質的各種新器件的可能性，這些性質例如小等待時間(輸入和輸出信號之間的短延時時間)、被動式的長時期穩(wěn)定性、小的物理體積、和集成化的潛力。
我們提出識別二進制字的下述算法WT＝0，若W＝T，WT＝1，若W≠T (1)其中使用了上面所定義的符號。通過一個簡單的例子(n＝3)很容易證明，當把算法(1)應用于任意n比特的字時它將失效。設目標T為任意一個三比特字，當W＝T時都能得到所需的結果WT＝0(例如，若T＝011，TT＝0·1＋1·0＋1·0＝0)。還有，當在式(1)中取W為一個不同的3比特字時也有可能正確地表明該識別不成立(例如，若T＝011和W＝110，則如所需的那樣，WT＝1·1＋1·0＋0·0＝1)。然而，某些字將錯誤地給出識別成立(例如，若T＝011和W＝010，則WT＝0·1＋1·0＋0·0＝0)。因此，為了應用這個算法，我們必須把這些n比特的字(以及目標字)從總共2n種可能性中限制到一個子組之內(nèi)，使得從該子組中選出的任一個字和目標關系式(1)總能成立。不難證明，對于三比特字而言，字組001、010、和100(或者011、101和110)將容許正確地使用式(1)。
現(xiàn)在考察這樣的問題能夠組成多大的一個n比特字組，它能夠容許正確地使用式(1)。我們在這里作為定理給出，對于偶數(shù)的n，最大容許的字組含有n！/[(n/2)！]2個字，它們由n/2個1和n/2個0通過所有的排列組合構成。對于奇數(shù)的n，存在有兩個同樣大小但互相為“補”的最大字組，每個字組都含有n！/{[(n＋1)/2]！[(n－1)/2]}個字，其中一個字組所含的字由(n＋1)/2個1和(n－1)/2個0通過所有排列組合而成，而另一個字組的字由上一個字組中的字經(jīng)過0和1的對換而得到。
對小的n值顯然可以直接地證明這個定理?，F(xiàn)在我們對任意大的n值來證明該定理。三個證明步驟中的第一步是對任意選擇的一個n比特目標字T確定哪些n比特的字具有WT＝0的性質。具有該性質的字是ⅰ)目標字T自身；ⅱ)所有可能的其中“0”的位置與T中“0”的位置相同，而其余的比特位或者為1或者為0的字(即當ti＝0時Wi＝0，當ti＝1時Wi＝0或1的所有字)。因此除非W＝T，所有具有該性質的字所含1的個數(shù)必然比T少。從而，如果用Sq表示必定是由q個1和n-q個0的所有可能的排列組合所組成的n比特字組，則Sq中所有的字和目標字必然具有所希望的性質(1)。作為這一點的一個簡單的例子，表1列出了所有含有2個1的4比特字(n＝4的字組S2)。假定我們?nèi)＝0101作為目標字。然后就很容易證明除了W＝T之外對表1中的所有字都滿足WT＝1，(W＝T時WT＝0·1＋1·0＋0·1＋1·0＝0)。
第二步是要證明，如果在字組Sq中加上任何其他一個n比特字，則性質(1)將變得不成立。設加到Sq中的n比特字Wp含有p(p＜q)個1。我們能夠從原來的字組Sq中找出一個字W，它在對應于Wp中的1的位置上有p個1，在其他任何位置上還有q-p個1。于是即使當Wp≠W時也含有WpW＝0，所以這使得條件(1)不成立。類似地，如果除了p＞q之外Wp仍如上面所定義的那樣，則我們可以在原始字組Sq中選出一個字W，它在對應于Wp中為0的位置上有n-p個0，而還有p-q個0位在任何其他位置上。從而在該情形下即使Wp≠W也會有WWp＝0，于是再次使得條件(1)不成立。這樣就完成了本證明的第二步。作為說明這一點的例子，不能把字0001和0111加到表1所列的字組S2中而不造成性質(1)的失效。
證明的最后一步是要理解到，當n為偶數(shù)時，在q＝n/2的時候出現(xiàn)每個具有q個1的n比特字的最大字組Sq，該字組含有n！/[(n/2)！]2個字。當n為奇數(shù)時，存在有兩個各含有n！/{[(n＋1)/2]！[(n－1)/2]！}個字的同樣是最大的字組，一組的q＝(n－1)/2，另一組的q＝(n＋1)/2。這樣就完成了定理的證明。
概括地說，我們已經(jīng)描述了一種識別二進制字的算法。這個算法是基于比特級別上的邏輯“與”運算的?！芭c”運算由兩個光學場的簡單的標量積代表，是超高速非線性光學現(xiàn)象的基本現(xiàn)象。使用這種算法的代價是能夠利用的n比特字的范圍受到了限制。因此，一個剩下的問題是這種限制在實際上有多嚴重？圖1分別示出了使用受限制的字組(n為偶時字的總數(shù)為Sn/2的字數(shù)，n為奇時為S(n＋1)/2的字數(shù)和不受限制的代碼(字的總數(shù)為2n－1)時，所需的字長n和所需的字的總數(shù)目的依賴關系。可以看出，對于受限制的情形，為了構筑多達一億個不同的字，典型地只需要增加2或3個比特的字長。例如，使用不受限制的代碼時可以用20比特的字長構筑一百萬個字，而構筑容許正確使用算法(1)的同樣大小的受限字組需要23比特的字長。對于某些應用，例如在未來的超高速光子網(wǎng)絡中識別數(shù)據(jù)包引頭，為了明顯地減少網(wǎng)絡節(jié)點處硬件的整體復雜程度，需要額外增加幾個比特是可接受的值得付出的代價。參考文獻表1n＝4的字組S2iWi100112010130110410015101061100
權利要求
1.一種識別光學編碼二進制字的方法，其特征為，字的識別是通過對準備識別的字W或由其導出的字和目標字T或由其導出的字在光學領域內(nèi)逐個比特地執(zhí)行布爾“與”運算來完成的。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中編碼字是從滿足下述邏輯條件的二進制字的子組中選出的WT＝0，若W＝TWT＝1，若W≠T為真，其中T為是目標字，W是準備比較的字，以及是下述運算Σi=1n·(wi·ti‾)]]>，并且字的識別是通過對準備識別的字和目標字的“補”執(zhí)行“與”運算來完成的。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其中“與”運算是這樣執(zhí)行的把由準備識別的字W編碼的第一光學信號引入到一個非線性光學媒質中，把由目標字T的“補”編碼的第二光學信號引進到該非線性光學媒質中，并探測該非線性光學媒質的輸出。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中該非線性媒質的光學輸出信號借助于它的頻率被從第一和第二光學信號中鑒別出來。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中第一和第二光學信號的頻率為ω，光學輸出信號的頻率是二次諧波頻率2ω。
6.根據(jù)權利要求3、4或5的方法，其中光學輸出信號是借助于它的傳播方向而與第一和第二光學信號區(qū)分開來的。
7.根據(jù)權利要求3、4、或5的方法，其中光學輸出信號是借助于它的偏振狀態(tài)而與第一和第二光學信號區(qū)分開來的。
8.根據(jù)權利要求3的方法，其中輸出光學信號是借助于它的相位而與第一和第二光學信號區(qū)分開來的。
9.根據(jù)權利要求3至8中任一項的方法，其中該非線性光學媒質是一塊晶體。
10.根據(jù)權利要求3至9中任一項的方法，它包括把一個光學信號引進到一個設計得能根據(jù)目標字的“補”來產(chǎn)生一個輸出的字形成網(wǎng)絡中。
11.根據(jù)前述各權利要求中任一項的方法，其中該非線性媒質是一個光學波導。
12.根據(jù)前述各權利要求中任一項的方法，其中二進制字以超過10Gbit/s的比特率進行處理。
13.根據(jù)前述任一項權利要求的方法，其中各比特W1、W2、…、Wn對應于一個準備識別的圖像的各二進制像素。
14.根據(jù)前述任一項權利要求的方法，其中代碼字W被提供有一個相對于該字的其余部分具有固定的、非比特同步的時間關系的基準脈沖，并且該基準脈沖使用于產(chǎn)生一個取決于目標字的脈沖序列T’。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中脈沖序列T’通過把含有基準脈沖的代碼字W施加給一個分光/延時網(wǎng)絡來產(chǎn)生，該網(wǎng)絡的不同的臂具有取決于目標字T的各種延時時間。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中該網(wǎng)絡的第j個臂(j代表各條臂的序號)把字W和相應的基準脈沖延時一個時間Tj，這個時間Tj是基準脈沖和目標字T中第j個零之間的時間差。
17.根據(jù)前述各權利要求中任一項的方法，其中字W是在一個光學網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的引頭中所攜帶的地址，該方法還包括根據(jù)光學“與”運算的結果來控制數(shù)據(jù)包的分路開關。
18.一種用來探測和識別與一個光學通信系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)包相關的地址的地址讀出器(3，5)，其特征為，該讀出器被設計得能夠利用根據(jù)前述權利要求中任一項的方法來識別地址。
19.根據(jù)權利要求18的一種裝置，其中該地址讀出器含有一個構成具有為第一和第二光學信號而設置的輸入端和連接有一個探測器的“與”門形式的非線性光學媒質，其中的探測器用來接收來自非線性光學媒質的輸出信號。
20.根據(jù)權利要求19的裝置，其中該非線性光學媒質是一個光學波導。
21.根據(jù)權利要求19的裝置，其中該非線性光學媒質是一塊晶體。
22.根據(jù)權利要求18至21中任一項的裝置，它含有一個設計得能產(chǎn)生一個目標字或由其導出的字的字形成網(wǎng)絡(4)。
23.根據(jù)權利要求22的裝置，其中該字形成網(wǎng)絡(4)安排得能夠產(chǎn)生一個對應于目標字的“補”的輸出。
24.根據(jù)權利要求18至23中任一項的裝置，其特征在于一個光學脈沖序列發(fā)生器(4’)，它能響應于被代碼字W所攜帶的，并與該代碼字的其余部分有固定的而且是非比特同步的時間關系的基準脈沖，上述脈沖序列發(fā)生器輸出一個取決于上述目標字T的脈沖序列T’。
25.一種光學通信系統(tǒng)，其中光學數(shù)據(jù)包攜帶有n比特的標識字W，其特征為，該標識字是從滿足下列邏輯條件的二進制字組中選出的WT＝0，若W＝TWT＝1，若W≠T對子組中的任何標識字W和目標字T均為真，其中是運算Σi=1n(wi·ti‾)]]>
26.一種為了在光學領域內(nèi)傳送而對信號編碼的方法，其特征為，該信號是用從滿足下列邏輯條件的二進制字子組中選出的二進制字來編碼的WT＝0，若W＝TWT＝1，若W≠T對該子組中任何字W和目標字T均為真，其中是運算Σi=1n(wi·ti‾)]]>
27.根據(jù)權利要求26的方法，它還包括產(chǎn)生一個與代碼字W的其余部分有固定的，非比特同步的時間關系的基準脈沖。
28.一種光學通信系統(tǒng)，它包含通過把一個準備識別的光學代碼字W和一個從目標字T導出的光學脈沖序列T’施加到一個光學“與”門上來識別該光學代碼字的裝置，其特征在于，用來從一個被該代碼字W所攜帶的并與該字的其余部分有固定的、非比特同步的時間關系的基準脈沖中產(chǎn)生該光學脈沖序列T’的裝置。
29.根據(jù)權利要求10的，或當與權利要求10有關時的權利要求11至17中任一項的方法，其中該字形成網(wǎng)絡含有光學轉換開關裝置，并被該光學轉換開關裝置構造成能夠識別從多個不同的目標字中選出的一個目標字的形態(tài)。
30.根據(jù)權利要求10的，或當與權利要求10有關時的權利要求11至17中的任一項的，或權利要求29的方法，它還包括從一個輸入脈沖序列的多個子場中選出一個子場作為準備識別的字。
31.一種用來識別光學編碼二進制字的裝置，其特征在于一個光學“與”門，它包含用于準備識別的字W的第一光學輸入端和用于目標字T或由其導出的字的第二光學輸入端，其特征還在于一個響應于該“與”門輸出的探測器，該“與”門設計得能夠對輸入的字在光學領域內(nèi)逐個比特地執(zhí)行布爾“與”運算。
32.根據(jù)權利要求31的裝置，它含有一個設計得能夠產(chǎn)生用來輸入給該光學“與”門的一個目標字或者一個由該目標字導出的字的字形成網(wǎng)絡。
33.根據(jù)權利要求32的裝置，其中該字形成網(wǎng)絡含有光學轉換開關裝置，并被該光學轉換開關裝置構造成能夠識別從多個不同的目標字中選出的一個目標字的形態(tài)。
34.根據(jù)權利要求32或33的裝置，它包含用來從一個輸入脈沖序列的多個子場中選出一個子場作為準備識別的字W的裝置。
全文摘要
在一種識別光學編碼二進制字的方法中，這個字是從一個滿足下述邏輯條件的二進制字的子組中選取的如果當W＝T時W×T＝0，當W≠T時W×T＝1為真，其中T是目標字，W是準備比較的字，以及×代表運算公式(1)。這個字通過在光學領域內(nèi)執(zhí)行逐個比特的布爾“與”運算來識別。該運算是對準備識別的字和目標字的邏輯“補”來執(zhí)行的。這個“與”運算可以這樣執(zhí)行把準備識別的字和目標字引入一個非線性晶體，并探測晶體的二次諧波輸出。目標字的“補”可以由一個固定的字形成網(wǎng)絡產(chǎn)生。該方法可以應用于識別光學網(wǎng)絡上一個數(shù)據(jù)包的地址。
文檔編號G06E1/02GK1119044SQ9419137
公開日1996年3月20日 申請日期1994年3月1日 優(yōu)先權日1993年3月2日
發(fā)明者戴維·科特 申請人:英國電訊有限公司