采用多波长标记的光控光交换结构 技术领域：
本发明涉及一种采用多波长标记的光控光交换结构，解决光交换中路由信息的处理和光载荷路由的控制等问题，属于光通信技术领域。背景技术：
光纤通信正逐渐成为现代通信传输特别是干线传输的主要方式，其发展的主要方向是进一步扩大通信容量。近来发展起来的密集分复用(DWDM)和掺铒光纤放大器(EDFA)技术，即所谓“DWDM+EDFA”技术，对通信扩容非常有效，点对点的通信容量已是非常巨大，达Tb/s量级。但通信网络中不可缺少的电子式交换设备仍是电子式的，电子交换设备的信息处理速度已近极限而难以再提高。这种状况严重限制了通信优势的进一步发挥。为此，迫切需要发展光交换技术。光交换勿需光—电和电—光转化，不存在电子式交换机的“电子瓶颈”，可以进一步扩展通信网的容量，更充分地发挥光通信的优势。
较早研究的光交换模式是线路交换，在这种交换中，基本交换单元是一次呼叫，整个一次呼叫的带宽保留在双进程中。这种交换方式的主要缺陷是：在数据传送之前必须首先建立波长路由通道，并且通道波长一直被占用，直至完成才被释放。近来成为研究热点的光突发数据交换(OBS)技术是将信号分成包含路由信息的控制分组和承载业务地数据分组两组，控制分组中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组不需光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。OBS的交换粒度优于线路交换，带宽只需单向保留，比较适合于在承载未来高突发业务的局域网(LAN)中应用。更为理想的的光交换方式当然是分组光交换。2000年David K.Hunter和IvanAndonovic发表的题为“Approaches to Optical Internet Packet Switching”的文章(IEEE Commun.Mag.，Sep.2000，pp.116-122)中对这种技术进行了描述：分组光交换技术将光信息分成长度固定的光载荷组，然后加上承载路由信息的光信头(分组头)构成一个个具有固定格式的光信息包进行传送。分组光交换技术具有少的开销、高的带宽利用率、对传送信息格式的透明性等优点，是光交换技术发展的方向。
人们已经提出了几种可能实现分组光交换的技术，其中Winston I.Way等人在OFC 2000会议上发表了文章“A Novel Optical Label Swapping TechniqueUsing Erasable Optical Single-Sideband Subcarrier Label”(OFC 2000，paper WD6，2000)，文中提出采用副载波复用(SCM)标记交换技术的分组光交换解决方案引起了广泛的注意。在这种方法中，分组头和净荷信息被复用在同一个波长上，数据调制在基带，而分组头信息承载于一个合适的副载波上。采用SCM技术，分组头可很容易被提取和刷新。但通常要求副载波频带要很窄，而且间隔较宽，因而副载波的数量受限。另外如果净荷数据速率上升的话，基带的频带展宽问题会覆盖掉副载波频段。还有人提出了一种让净荷数据和分组头信息分别使用不同的波长信道传输的方法，这样头刷新只对传输头信息的信道执行光电转换即可实现。缺点是净荷数据和分组头信息需要占用不同的波长。
Shilin Xiao等人在APOC 2001会议上提出了一种新的多波长标记交换技术的分组光交换解决方案(已申报专利：01132092.3)----Shilin Xiao，Qingji Zenget al，“Multi-wavelength label optical switching technology”，SPIE APOC 2001(Asia-Pacific Optical and Wireless Communications Conference)，4582-23，133-138(2001)。在这种方法中，光分组头是由多个不同波长的光脉冲来标记的。频域上，光分组头和光载荷工作在同一个波长信道，但其波长成份(波谱构成)是相区别的。携带有效通信信息的光载荷工作于某一指定波长的载波，携带路由信息的光分组头则是由同一通信信道的若干个不同波长的光脉冲构成。这些具有不同波长的光脉冲的不同组合用来指示不同的路由信息。具有这种多波长标记信头的光分组(光包)传输到交换节点处时，通过处理器解读信头的波谱图案(波长构成)，即可得到光载荷的载波波长和光波路由等信息，从而控制交换节点的光交换矩阵选择光载荷的光波路径。这种交换技术中光分组头携带的路由信息量大，比较容易处理而且抗干扰能力强。
上述各种光交换模式中，作为其核心部件的光交叉矩阵由需要电控制的光开关构成，这类光开关光路的切换即开关的时间较长(一般为毫秒级)，而且路由控制信息必须经过光电变换，路由控制所需时间也较长，所以难以实现快速的光交换。最近，哈尔滨工业大学等单位研制出可以通过光波控制开关状态的光开关。这类光开关的开关速度很快，并且由于能用光信号进行控制，可以用来实现无需光电变换的高速的光控光交换。发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，结合多波长标记交换的基本思想和新型的光控光开关技术，设计提供一种新的采用多波长标记的光控光交换结构，使整个交换控制过程完全在光域实现，提高交换速度，提高整个交换网络的效率。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用光控光开关阵列组成光交换矩阵，通过多波长标记的光分组头中对应比特位的不同波长脉冲去控制相应的光控光开关(组)来实现光开关阵列的逻辑控制，完成光载荷的路由选择。
携带路由信息的光分组头由若干个不同波长的光脉冲构成，每个比特位的光脉冲具有若干个可选波长，这些具有不同波长的光脉冲的不同组合用来指示不同的路由信息。光分组头中不同比特位的光脉冲，根据其时序和可选波长的不同，分别对光开关阵列中不同行和列的光开关实施控制而实现光路由选择。光交换矩阵由光控光开关阵列组成，这种光开关的开关状态由外部光控制信号来决定。开关矩阵的控制信号直接从光标记中提取，并将标记信息按其组成方式逆向分离成单个的脉冲信号后直接去控制光交换矩阵。具体的逻辑控制过程如下：
设光分组头(路由标记)由M个光脉冲(即比特位数是M)组成，每个光脉冲或比特的可选波长个数为N。交换矩阵则选用由N×M个2×2光控光开关组成的N×M可重构光开关阵列，当列数大于M时可以将某一或某几比特位通过分路器扩展成满足矩阵列数的要求。光分组头中的各比特位分离后(可采用时序分离技术)，使每一比特位依次按顺序控制其中一列开关，即第一比特位的信号用来控制第一列开关，第二比特位的信号用来控制第二列开关，第三比特位的信号用来控制第三列的开关，……，依次类推。另一方面，使每一比特位采用不同波长时从不同的路径输出(可采用波分复用/解复用技术)而控制不同行的光开关，即假如某一比特位的光脉冲波长为λ1，则用来控制该比特为所在列中的第一行开关，如果组成信号为λ2，则用来控制第二行开关，如果是λ3，则用来控制第三行开关，……，依次类推。这样每个比特都能依次控制开关矩阵中某行某列的一个光开关，整个光分组头可控制开关矩阵一个开关串，从而完成光波路由的选择。这种技术实现了光交换矩阵中路由逻辑的光控制也即实现了光控光交换。
和现有技术相比，本发明具有多方面的优越性。本发明结合了多波长标记交换技术和光控光开关技术，通过多波长标记对光开关矩阵的直接控制来完成交换矩阵的对光分组数据的路由交换，省去了以往的控制信号必须经过的光电转换过程，使整个交换的控制过程完全在光域实现，从而提高了交换速度和信道利用率，也提高了整个交换网络的效率，有利于突破光通信中存在的“电子瓶颈”，发展全光通信技术，进一步扩大通信容量。附图说明：
图1为本发明实施例中多波长标记光交换的光信息包构成及原理示意图。
其中，图1(a)为时域上具有固定格式的光信息包，图1(b)为光分组头在时域上的构成，图1(c)为信头光脉冲在频域中可能取值的波长图谱。
图2为本发明实施例4×4光控光交换矩阵结构示意图。
图2中，Ai、Bi、Ci、Di(i＝1，2，3，4)为2×2光控光开关，WDM1-WDM5为波分解复用器，1、2、3、4为光载荷输入端口，1’、2’、3’、4’为光载荷输出端口，1stbit----5thbit为光分组头第1到第5号光脉冲。
图3为实施例中λ2λ3λ3λ4λF标记信息的逻辑路由选择。
图4为2×2光控光开关结构及原理图。
图4所示的2×2光控光开关为构成交换矩阵的关键单元器件，其中，图4(a)为2×2光控光开关的逻辑结构，图4(b)为2×2光控光开关的原理图。图中1、2为光输入，1’、2’为输出光。具体实施方式：
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及一个4×4光控光交换的实例对实施方式作进一步描述。
附图1为本发明实施例中多波长标记光交换光信息包的构成及原理，其光分组头(光标记信头)由5个脉冲比特(M＝5)，每比特位有4种可选波长λ1、λ2、λ3和λ4(N＝4)，另加上一种非控状态(即该比特位不加控制脉冲或该波长脉冲不对光开关进行控制，用λF表示)。附图2为4×4光控光交换矩阵结构的初始连接状态，它由16个2×2光控光开关Ai、Bi、Ci、Di(i＝1，2，3，4)和5个波分复用器WDM1-WDM5等构成。各信道信息包的光载荷由左侧1、2、3、4端口输入光开关矩阵，完成交换后由右侧1’、2’、3’、4’端口输出。从光信息包中提取的多波长标记光分组头通过时序分离后，第1到第5号光脉冲(1stbit----5thbit)分别进入第1到第5个波分复用器(WDM1-WDM5)。波分复用器对光脉冲的波长进行判别，将波长为λ1、λ2、λ3或λ4的光脉冲分别对应地送入第1到第4行的光开关。就是说，标记光分组头脉冲的时序和波长分别与光开关矩阵列和行相对应，光控光开关矩阵中的每一列开关分别由标记中对应时序的比特位来控制，而某一列中的不同行的光开关由对应的比特位中的不同波长的光脉冲控制。在本例中第一比特脉冲控制第一列光开关，第二比特控制第二列，第三比特控制第三列，依此类推；而第一比特中如脉冲波长为λ1则控制第一列的第一个开关A1，如脉冲波长为λ2则控制第二个开关A2，……。这样，通过分组头脉冲不同波长的组合即可以实现不同的光路由选择，例如某一个光分组的标记信息部分为λ2λ3λ3λ4λF，则开关矩阵中的A2、B3、C3、D4和E4随λ2λ3λ3λ4λF各比特脉冲的到来依次按顺序改变开关的连接状态从而使得相应的光载荷数据选择从端口2输入到端口4’输出的路由(图3中的粗实线)，其开关阵列的连接状态如附图3所示。在整个光分组标记对开关矩阵的控制过程中，无需对标记及分组净荷进行光电/电光的转换，而是直接采用光信号对开关进行控制，提高了交换速度。
本实例中所述的构成交换矩阵的关键单元器件是2×2光控光开关，其逻辑关系如图4(a)所示。没有控制光输入时光信号为实线所示的直通状态1到1’、2到2’(状态I)；有控制光输入时光信号为虚线所示的交叉状态1到2’、2到1’(状态II)。这种光开关的一种实际结构如图4(b)所示。在两块透光体之间有一特殊材料的中间层，常态下它的折射率与透光体的完全相同，入射光可直通(状态I)；当受某种特殊的光波(控制光)照射时，它的折射率变小，入射光1、2由于发生全反射分别由2’、1’输出(状态II)。现在已有这类光开关研制成功。构成光控光交换矩阵的另一类关键单元器件是波分复用器，这类器件已是成熟产品。