專利名稱：在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)。
高容量、可靠性佳及全旋光性(All optics)的分波多任務(wù)(Wavelengthdivision multiplexing)光纖網(wǎng)絡(luò)(Fiber optical networks)是目前及未來(lái)光纖通信的主流，高增益低噪聲的摻餌光纖光放大器(Erbium-doped fiberamplifier,EDFA)的使用于1550nm頻帶引起廣泛研究及注意，并帶來(lái)各項(xiàng)光通信上的進(jìn)展，不同路由(Different fiber links)之間有可能用同一波長(zhǎng)(如入i及入I’的波長(zhǎng)相同)傳輸?shù)d送不同數(shù)據(jù)(Data)，在適當(dāng)時(shí)機(jī)與地點(diǎn)作光網(wǎng)絡(luò)之間不同信息的交換(Cross-connect)，為分波多任務(wù)光網(wǎng)絡(luò)上非常重要的功能，其可允許不同光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間信息的互換、組合及彈性管理(Management)，有益于光纖網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)充，在分波多任務(wù)光網(wǎng)絡(luò)中將扮演重要的角色。
傳統(tǒng)上兩條不同路由之間光信號(hào)的交換通常是利用成對(duì)的1×N解多任務(wù)器(Demultiplexer)與N×1多任務(wù)器(Multiplexer)以背對(duì)背(Back to back)架構(gòu)相接，中間并放置一個(gè)波長(zhǎng)選擇(Wavelength selective)空間多任務(wù)切換器(Space division switch)。每個(gè)I×N解多任務(wù)器可分別將上路由的多波道光信號(hào)(入1入2入3…入n)與下路由的多波道光信號(hào)(入1’入2’入3’…入n’)分開(kāi)，空間多任務(wù)切換器可將兩個(gè)組分開(kāi)的光信號(hào)作交換，最后上下路由再分別用一個(gè)N×1多任務(wù)器將交換過(guò)的光信號(hào)重新結(jié)合，分別送入兩個(gè)路由后繼續(xù)傳輸，由于1×N解多任務(wù)器、N×1多任務(wù)器及波長(zhǎng)選擇(Wavelengih selective)空間多任務(wù)切換器(如聲光調(diào)制器(Acousto-optic tunable filter,AOTF))所造成的總光損失(Optical insertion loss)很大，往往需要光放大器補(bǔ)償光信號(hào)的插入損失，且設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜及昂貴。
為了降低成本與減低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，本實(shí)用新型的目的是提供一種姐妹型的架構(gòu)—所謂的反射式與穿透式光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，即在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)。利用兩顆光回旋器、2個(gè)1×2機(jī)械式光切換器(Opticalswitches)、N-1個(gè)2×2機(jī)械式光切換器、N條單模光纖(single-mode fiber)與N條反射式光纖光柵(Fiber Brag grating)作2×2規(guī)模的兩個(gè)路由(Fiberlink)之間光信號(hào)的交換。我們強(qiáng)調(diào)在作波長(zhǎng)交換時(shí)應(yīng)慎選光纖光柵，使其彼長(zhǎng)與光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)精確對(duì)準(zhǔn)(precise alignment)，且光纖光柵的反射率宜控制在99.5％以上，如此以2.5Gb/s數(shù)字傳輸100km的單模光纖為例，理論上的功率償負(fù)(Power penalty)可降低至0.2dB以下。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其特征在于其包含兩個(gè)3端口光回旋器；兩個(gè)光路由器，連接于兩個(gè)3端口光回旋器的輸入端口及輸出端口之間，供信號(hào)輸入與輸出；以及一光信號(hào)交換模塊，連接于兩個(gè)3端口光回旋器的2個(gè)端口之間，是由2個(gè)1×2光切換器、N一1個(gè)2×2光切換器、N條單模光纖及N條反射式光纖光柵組成，其中光切換器不限定為機(jī)械式光切換器，可為連續(xù)更快支電光切換器；單模光纖及光纖光柵是連結(jié)于相鄰兩個(gè)光切換器之間，作為光信號(hào)穿透或交換之用。其中輸入及輸出端口的選取可彈性配合上下兩個(gè)光路由器作同向或反向傳輸。上述所提的2×2架構(gòu)為基礎(chǔ)，可擴(kuò)展成N×N規(guī)模。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例具體說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及目的、功效

圖1為傳統(tǒng)型的兩個(gè)路由之間分波多任務(wù)光信號(hào)的交換架構(gòu)，是利用一個(gè)空間多任務(wù)切換器交換兩個(gè)不同光路由之間的光信號(hào)。
圖2為上下兩路之間的同向(Unidirectional)、反射型(Reflective type)2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)。
圖3為上下兩路之間的雙向(Bidirectional)、反射型2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其操作原理完全同于圖2。
圖4為上下兩路之間的同向(Unidirectional)、穿透型(Pass·through)2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)。
圖5為上下兩路之間的雙向(Bidirectional)、穿透型2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其操作原理完全同于圖4。
圖6、圖7和圖8分別為一組路由(反向原理也同)的5波長(zhǎng)WDM光信號(hào)經(jīng)過(guò)反射型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)的頻譜圖，其中圖6是輸入5波長(zhǎng)信號(hào)，圖7是未交換的三個(gè)信號(hào)，圖8是交換的兩個(gè)信號(hào)。
參見(jiàn)圖1所示的傳統(tǒng)型的2×2分波多任務(wù)光信號(hào)交換架構(gòu)，兩個(gè)組背對(duì)背(Back-to-back)解多任務(wù)器(Demux)分別將上下兩個(gè)路由中的N個(gè)信號(hào)分開(kāi)，再利用一個(gè)N×N空間多任務(wù)切換器(Space division switch)將兩組路由間的光信號(hào)作部份或全部的交換，空間多任務(wù)切換器為一個(gè)二維矩陣(Two-dimensionMatrix)，其目的是用以交換兩個(gè)光路由中的某些信號(hào)，且被交換的光信號(hào)之間是為同一波長(zhǎng)(如入1=入1’，入2=入2’，以及入n=入n’…)但傳送不同信號(hào)，如圖1所示，假如交換光信號(hào)之前，上路由原本傳送的光信號(hào)為入1入2入3…入n，下路由原本傳送的光信號(hào)為入1’入2’入3’…入n’，經(jīng)過(guò)空間多任務(wù)切換器之后，例如也許入2與入2’，以及入n與入n’作交換，再分別藉由兩個(gè)多任務(wù)器(Mux)分別將兩個(gè)路由的N個(gè)光信號(hào)重新組合在一起。此時(shí)上、下兩個(gè)路由的光信號(hào)已變?yōu)槿?入2’入3…入n’及入1’入2入3’…入n，故已有入2…入n及入2’…入n’等光信號(hào)交換到對(duì)方的路由。光信號(hào)交換的數(shù)目可以由0、1個(gè)到N個(gè)，這個(gè)要看系統(tǒng)與光網(wǎng)絡(luò)的要求，不過(guò)整體交換系統(tǒng)價(jià)格稍嫌貴，且光信號(hào)之間有串音(cross-talk)及過(guò)大插入損失(Insertion loss)的問(wèn)題，一般而言，整個(gè)系統(tǒng)造成的頻道插入損失約9-10dB，這個(gè)要看看制作技術(shù)與使用材料的不同而定。
參見(jiàn)圖2、圖3所示的本實(shí)用新型的反射型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，所謂反射型交換模塊架構(gòu)是表示特定波長(zhǎng)但帶有不同信息的上下路由信號(hào)，藉由光纖光柵的反射而得到對(duì)方路由完成信號(hào)交換目的。兩個(gè)光回旋器位于模塊的兩端緊接于路由上作光信號(hào)的輸入與輸出用途，以及連結(jié)上下兩個(gè)路由之用，兩組光信號(hào)入1入2入3…入n及入1’入2’入3’…入n’是分別由兩個(gè)光回旋器的端口1端進(jìn)入，經(jīng)端口2端進(jìn)入光信號(hào)交換模塊中，若光信號(hào)i經(jīng)光纖光柵i反射則由同一個(gè)光回旋器的端口3端離開(kāi)光回旋器而進(jìn)入對(duì)方的路由。反之，若光信號(hào)i不是經(jīng)過(guò)光纖光柵i，而是走單模光纖的一側(cè)則直接穿透光交換模塊到達(dá)對(duì)面的光回旋器的端口2端，再由端口3端出去繼續(xù)同一路由的傳送，例如將光纖光柵2(FBG2)左右兩邊的1×2或2×2的光切換器同時(shí)切換到連接光纖光柵2的一邊，則因?yàn)槿?及入2’的中心波長(zhǎng)和光纖光柵2一樣，所以同時(shí)被光纖光柵2所反射，分別是入2由O2出去走到下路由，入2’由O1出去走到上路由，如此即完成光信號(hào)交換的目的，即可達(dá)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能與要求。同時(shí)間上下兩個(gè)路由中異于入2及入2’的光信號(hào)，因波長(zhǎng)不對(duì)應(yīng)于路徑上的光纖光柵2而將穿透光纖光柵2，即經(jīng)過(guò)此單元而不被反射，繼續(xù)走向下一個(gè)單元內(nèi)含光纖光柵3與單模光纖，相同原理也可同時(shí)交換2到N個(gè)信號(hào)，此2×2系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到N×N規(guī)模，即N個(gè)路由器中任1～多個(gè)信號(hào)做交換。
圖4所示為本實(shí)用新型上下兩路之間的同向(Unidirectional)、穿透型(Pass-through)2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，所謂穿透型交換模塊架構(gòu)是表示相同波長(zhǎng)但帶有不同信息的光信號(hào)入i與入i’，藉由單模光纖穿透到對(duì)方路由而達(dá)成不同路由之間光信號(hào)交換的目的。連接兩個(gè)路由之間為兩個(gè)3支接腳的光回旋器，接于其后為1×2光切換器，每個(gè)選取單元包含一條中心波長(zhǎng)匹配于光信號(hào)i(1≤i≤N)的光纖光柵i，一段單模光纖及夾于左右兩端的1×2或2×2光切換器所組成，假定每個(gè)路由為N波長(zhǎng)的分波多任務(wù)系統(tǒng)，則利用N條光纖光柵，每條光纖光柵FBG1、FBG2…的反射中心波長(zhǎng)需和此多波道波長(zhǎng)入1入2…分別對(duì)應(yīng)，假設(shè)光信號(hào)入1入2入3…入n由I1輸入OC1的端口1(Port 1)端，光信號(hào)入1’入2’入3’…入n’由I2輸入OC2的端口1(Port 2)端，部份或全部光信號(hào)因?yàn)榇┩竼文９饫w而完成光信號(hào)的交換，若由O1離開(kāi)OC1的端口3(Port 3)端及由O2離開(kāi)OC2的端口3端的光信號(hào)分別為入1入2’入3…入n’及入1’入2入3’…入n，表示光信號(hào)入2及入n等及入2’及入n’等光信號(hào)之間已作交換。其中OC1/OC2:3端口光回旋器；SMF單模光纖；FBGi光纖光柵i；1×2/2×2OSW:1×2/2×2機(jī)械式光切換器；I1/I2上/下路由的輸入端。O1/O2上/下路由的輸出端。
圖5所示為上下兩路之間的雙向(Bidirectional)、穿透型2×2光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其操作原理完全同于圖4，此光信號(hào)交換功能可以操作在順向或反向，這個(gè)要看光回旋器端口1至端口3的擺放位置或光纖跳線的拉放位置而定。
在此穿透型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，兩個(gè)回旋器位于模塊的兩端作光信號(hào)的輸入與輸出用途，以及連結(jié)兩個(gè)不同路由之用，兩組光信號(hào)入1入2入3…入n及入1’入2’入3’…入n’是分別由兩個(gè)光回旋器的端口1端進(jìn)入，經(jīng)端口2端進(jìn)入光信號(hào)交換模塊中，若光信號(hào)I不經(jīng)光纖光柵i而穿過(guò)平行的單模光纖，則可到達(dá)另一個(gè)光回旋器的端口3端，并離開(kāi)光回旋器而進(jìn)入對(duì)方的路由。反之，若光信號(hào)i走光纖光柵i的一側(cè)而被反射，則將循原路徑到達(dá)同一個(gè)光回旋器的端口2端，再由端口3端出去繼續(xù)同一路由的傳送，例如將光纖光柵2(FBG2)左右兩邊的1×2或2×2的光切換器切換到連接光纖光柵2的一邊，則因?yàn)槿?及入2’的中心波長(zhǎng)和光纖光柵2一樣，所以同時(shí)被光纖光柵2所反射，分別是入2由01出去走到上路由，入2’由02出去走到下路由，如此光信號(hào)即循原路徑傳輸而不交換，同時(shí)間上下兩個(gè)路由異于入2及入2’的光信號(hào)，因波長(zhǎng)不對(duì)應(yīng)于路徑上的光纖光柵2而將穿透光纖光柵2，即經(jīng)過(guò)此單元而不被反射，繼續(xù)往對(duì)方的路由方向傳送，直至遇到其波長(zhǎng)與入n相同的第N個(gè)交換單元才決定此信號(hào)是否被交換。反之，若1×2或2×2光切換器切換到和光纖光柵2并排的單模光纖，則入2因此穿過(guò)光信號(hào)模塊而完成光信號(hào)交換的功能，同理也可交換2到N個(gè)信號(hào)，此2×2系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到N×N規(guī)模。兩個(gè)路由之間1至N個(gè)光信號(hào)可同時(shí)交換或完全不交換，而可視系統(tǒng)的需要與光切換器的切換狀態(tài)而定，簡(jiǎn)單的機(jī)械式光切換器的切換速度為0.1-0.5秒，可滿足低速傳輸時(shí)信號(hào)的品質(zhì)要求，高速光通信時(shí)則需要利用到切換速度為毫秒級(jí)的電光切換器(Electro-Opticalswitch)，配合系統(tǒng)需要，我們建議所使用的光纖光柵與光信號(hào)的中心波長(zhǎng)能滿足國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)的草擬規(guī)格(頻道間距為1.6nm或其倍數(shù))，利用斜角(Angle physical contact,APC)的接頭(Connector)作連接光組件可使光纖中光信號(hào)的背向反射值(Backreflection)低于＜60dB。
下面配合圖6-圖8說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一路由器的光信號(hào)經(jīng)過(guò)反射型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)的頻譜圖，當(dāng)一組5波長(zhǎng)的光信號(hào)由上路由的I1輸入如圖6，經(jīng)過(guò)同向、反射型的光信號(hào)交換模塊，假如欲交換其中2個(gè)波長(zhǎng)，(圖6)由I1端口看到的輸入5個(gè)光信號(hào)頻譜，(圖7)由01端口看繼續(xù)走原路由的信號(hào)1,3及5,及(圖8)由02端口看已交換至下路由的信號(hào)2及4。所以為了防止或降低信號(hào)之間的干擾，本架構(gòu)中光纖光柵的選取宜用高反射率與窄反射頻寬者，一般市售的光回旋器由端口1到端口2，或由端口2到端口3，均有約1.0dB的插入損失及45dB的光反向隔離特性，光切換器的共同端(Common port)至任一輸入/輸出端口約有0.5dB的插入損失。
本實(shí)用新型姐妹型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下1．功能多元化比之傳統(tǒng)型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)僅能作同方向路由之間的光信號(hào)交換功能，本實(shí)用新型架構(gòu)可作雙向或同方向光信號(hào)交換，這要視光網(wǎng)絡(luò)的需求而定，此特性顯現(xiàn)本實(shí)用新型架構(gòu)的彈性及多元性。2．方法簡(jiǎn)單價(jià)格便宜傳統(tǒng)光信號(hào)交換模塊作光信號(hào)交換時(shí)，需要先將所有的光信號(hào)分開(kāi)，再取其需要的光信號(hào)作交換，必需利用昂貴的多任務(wù)解器及多任務(wù)器去分離光信號(hào)，本實(shí)用新型架構(gòu)可在光纖內(nèi)直接進(jìn)行光信號(hào)的交換。3．低串音因?yàn)楣饫w光柵是非常窄頻寬的組件，它們可濾除絕大部份旁帶的光信號(hào)，若使用高反射率的光纖光柵(例如99.5％)可進(jìn)一步提升系統(tǒng)品質(zhì)。4．光回旋器、光切換器及光纖光柵造成的差入損失小，且個(gè)別波道插入損失值與平均值差異極微，即損失值的方差變異(Variation)非常小，此是因?yàn)楣饣匦骷肮馇袚Q器在1550nm波段的光信號(hào)損失是平坦整齊的。5．光纖光柵的波長(zhǎng)及規(guī)格經(jīng)由國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化后，價(jià)格可望更便宜，且光信號(hào)交換模塊的相關(guān)設(shè)備如光切換器及光回旋器價(jià)格可望因大量使用而更低廉。6．由于插入損失低及架構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，本實(shí)用新型架構(gòu)可串接成多級(jí)或由文中舉例的2×2規(guī)模擴(kuò)展成N×N規(guī)模的架構(gòu)。
總而言之，上述兩種姐妹型的光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，是利用光信號(hào)被光纖光柵反射或直接穿透光纖光柵或單模光纖而到達(dá)不同路由器，進(jìn)而達(dá)成光信號(hào)交換的目的，并實(shí)際驗(yàn)證5波長(zhǎng)系統(tǒng)中作光信號(hào)交換的可行性，理論上此姐妹型架構(gòu)可同時(shí)交換1到N個(gè)頻道信息而不需先經(jīng)信號(hào)多任務(wù)及解多任務(wù)的步驟。此種動(dòng)態(tài)型光信號(hào)交換模塊架構(gòu)融合了低串音、低插入損失及良好的光譜平坦度及低成本等優(yōu)點(diǎn)，可提升分波多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)上的光信號(hào)傳輸彈性與信息互換功能并擴(kuò)充與升級(jí)光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
權(quán)利要求1.一種在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其特征在于其包含兩個(gè)3端口光回旋器；兩個(gè)光路由器，連接于兩個(gè)3端口光回旋器的輸入端口及輸出端口之間，供信號(hào)輸入與輸出；以及一光信號(hào)交換模塊，連接于兩個(gè)3端口光回旋器的2個(gè)端口之間，是由2個(gè)1×2光切換器、N一1個(gè)2×2光切換器、N條單模光纖及N條反射式光纖光柵組成，其中光切換器不限定為機(jī)械式光切換器，可為連續(xù)更快支電光切換器；單模光纖及光纖光柵是連結(jié)于相鄰兩個(gè)光切換器之間，作為光信號(hào)穿透或交換之用。
2.如權(quán)利要求1所述的在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其特征在于其中輸入及輸出端口的選取可彈性配合上下兩個(gè)光路由器作同向或反向傳輸。
3.如權(quán)利要求1所述的在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu)，其特征在于上述所提的2×2架構(gòu)為基礎(chǔ)，可擴(kuò)展成N×N規(guī)模。
專利摘要一種在分波多任務(wù)系統(tǒng)中的兩種光信號(hào)交換模塊架構(gòu),是利用光纖光柵3端口光回旋器及光切換器提出的兩種姐妹型的分波多任務(wù)光信號(hào)交換模塊架構(gòu),可動(dòng)態(tài)選擇性在光網(wǎng)絡(luò)上交換不同路由之間的光信號(hào)。此架構(gòu)可同時(shí)交換1到N個(gè)頻道的光信號(hào)而不需先作光信號(hào)多任務(wù)及解多任務(wù)的步驟,此動(dòng)態(tài)型光信號(hào)交換模塊融合了低串音、低插入損失、良好的光譜平坦度及低成本等優(yōu)點(diǎn),可提升分波多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的存活性及彈性擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模,有利于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)及增加其附加應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H04B10/12GK2456381SQ0026823
公開(kāi)日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2000年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
發(fā)明者廖顯奎, 許光裕, 祁甡 申請(qǐng)人:廖顯奎, 許光裕