利用从分组中提取的种子脉冲使光学分组网络自同步化 相关申请的交叉参考
在35 U.S.C.§120下，本申请要求1998年1月17日提交的临时美国专利申请序号60/075,013的优先权，这里将其全文内容引作参考。
发明背景
1．技术领域
本发明一般涉及高速分组(packet)时分复用(TDM)光学网络的同步方案，尤其涉及利用包含在分组中的数据脉冲的自同步化。
2．技术背景
信息可以作为数据脉冲的恒定流或者作为数据脉冲的离散分组以电学或光学方式在两个位置之间传送。离散分组可以具有各种不同大小或比特深度，这取决于待发送的信息的类型，传输路径的自然特性以及网络系统的特征或工作参数。
在分组网络中，通常利用某种形式的时分复用(TDM)通过传输路径将分组送至不同位置或“节点”，保证它们完整地到达其预期目地地，可以与含有相关信息的其它分组进行重建。当分组依次通过网络的不同部件时，时序功能表明由这些元件进行的将分组传送至特定目的地的操作或者在分组自身上进行的信号管理功能。分组可以具有固定的长度，由周期性出现的“帧脉冲”限制，或者分组大小是可变的。分组可以包括含有诸如分组大小、类型、目的地和如何对其进行存取或者与相关分组复合的信息的“标题”。
在基于交换机的分组网络中，路由节点执行三个基本功能：使入局和出局的一个或多个分组流同步化，识别标题，以及将分组存储在缓冲器中，以致于当所发送的分组流当中存在可供使用的开口时能够将它们传送至出局路径。在每个节点处，除了将各种分组送至连接的传输路径外，有些分组可能会“丢弃”从更快速(更大带宽)传输路径到更慢速(更小带宽)路径中，如局域网(LAN)、而其它的分组增加可用空间在从LAN到更快速传输路径之间。
因此有些形式的时间同步需要使相邻分组彼此分离，合并或分开相交的分组流，使部件的操作与通过这些部件的分组相协调，以及在它们等待下一次传输时监测分组在缓冲器内的位置。
一种同步化方案采用固定速率时钟产生均匀时序信号的。产生、发送、路由数据分组以及与这些时钟信号同步地进行各种信号管理操作。虽然这种反馈型同步方案已经证明适合于许多传统电子数据传输网络，但是它不能适当地容纳所发送光学分组之间的时序抖动，在基于高速交换机的光学网络中成为问题。
另一种方法是“自同步化”，其中将具有区别特征的标记(marker)脉冲添加或嵌入到指定的分组(或每个分组)中，用于使部件的操作与分组相协调。作为一个例子，将标记脉冲添加到分组中并与分组中原始数据一起发送，然后，当分组接近一个部件并作为该部件初始化和操作的基础或者作为分组通过部件时分组的路由的定时的基础时，标记脉冲被复制或者被去掉。根据网络的构造，标记脉冲可以添加于每个分组或者仅添加于具有相似路由指令的一组分组当中的引导分组。在这种情况中，标记脉冲的功能有些类似于在电子域中附加于数据文件数据文件的标题，因为它们被用于帮助分组的路由或处理，但是除此之外，它们还调整由分组沿传输路径所碰到的各个部件执行的操作的时序。
作为一个例子，可以将标记脉冲附加于待在高速电信路径上发送的分组。当分组接近路由节点时，标记(根据节点处部件的操作和复杂性，可能和整个分组)沿平行路径被复制和去掉。分组通过一部分部件，它引入少许时间延迟，它等于该部件为确定并执行适当路由功能所需的时间延迟，然后，根据分组与被去掉标记之间的暂时同步，在分组上进行路由功能的实现(每次分别地穿过但是在部件内协调路径)。
在光学域中，自同步化提出多种不同挑战。提供能够解译载有光学信号分组的路由指令的标题内容的光学处理器当前是不实际的。向电子域的转换则有损利用高速光学网络的优点。因此，产生和辨别标记在一定程度上必须依赖于对照分组的特性，构成标记的光学信号或脉冲的特性的改进。
光学网络的各种自同步化方案已经取得进展。一种方法是采用来自能够被波长滤光片提取的数据分组的具有不同波长的标记脉冲。当然，在利用多个波长或波长分复用(WDM)技术同时发送数据的网络中，TDM同步化所需的附加波长消耗为WDM传输提供的一些波长，或者通过使可提供的波长通道之间的间隔变窄影响WDM操作。一种类似方法是采用具有不同偏振的标记脉冲而不是分组中的信号脉冲，利用偏振片恢复标记。由于光学网络和光纤传输系统的被改变的自然特性，很显然，这种方案引入不希望有的复杂程度并对系统的性能产生类似限制。
另一种方法是将标记脉冲添加于分组前的指定间隔中(例如1-1/2比特周期)，利用“与”型逻辑门提取标记，在其控制与信号脉冲链之间有相应的1-1/2比特周期漂移。以这种自同步化方案产生分组变得更加复杂，脉冲之间的抖动会干扰提取标记。
再一种方法是引入幅度比分组内其余信号脉冲大得多的标记脉冲，例如幅度在大于五倍左右，以及利用光学非对称分用器区分标记。
本领域专用技术人员将会明白，这些光学自同步方法中的每一种都存在一定的共同限制。在长距离上发送的具有由独特波长、偏振、时间或强度特性区分的标记的分组会受到诸如色散、相位或偏振漂移等与传播相关的效应以及由通常通过其发送分组的其它必需中间部件(放大器、滤波器等)引起的光学效应的破坏或干扰，以及失去它们准确时间同步的能力。这些光学自同步方案除了正常数据脉冲外还依赖于含有特别和截然不同标记的分组，这固有地减小由其信息带宽或信息传输率测量的网络的效率。在网络的产生端和接收端两端，还必需插入定制的传输和数据处理部件，以加入和滤除来自分组的标记脉冲，以便保存信息内容的完整性以及与传统电信或数据处理设备的接口。
照这样，需要一种在高速光学分组时分复用(TDM)网络中的自同步化的方法和系统，它不需要以损害网络传输效率的方式将标记脉冲添加于分组，不利用区分标记脉冲与对由现有传输系统中经常碰到的传播效应或中间部件引起的退化或破坏敏感的分组的方案，既不会不适当地增大信号产生和接受所需部件的复杂性，也不威胁发送数据的完整性。
发明内容
本发明提供一种使光学分组TDM网络自同步化的方法，其中不需要将单独的标记添加于原始的数据分组，而是采用分组的自身数据脉冲中的一个作为同步化的“种子”脉冲，当分组正在沿传输路径传播时，该种子脉冲的光学特性基本上保持与分组内的其余数据脉冲的光学特性相同。此外，本发明可以利用沿传输路径在节点处插入的部件来实践，而不是在信号产生或接收站需要非常规的设备。
本发明的一个方面是发送含有数据脉冲的分组的光学分组网络的自同步化方法，包括步骤：对选自分组内多个数据脉冲当中的种子脉冲进行变换，从光学上区别于其余数据脉冲；辨别种子脉冲与分组内的其余数据脉冲或者从中提取种子脉冲，用于使网络的操作同步化。
本发明的另一个方面是发送含有多个数据脉冲的分组的光学分组网络的自同步化方法，包括步骤：产生分组(不含从光学上截然不同于其它数据脉冲的同步化标记)；发送分组；对选自分组内多个数据脉冲当中的种子脉冲进行变换，由对比率从光学上区别于其余数据脉冲；辨别种子脉冲从分组内的其余数据脉冲中，以致于它能够从分组中提取；以及利用种子脉冲使网络的操作同步化。
在本发明的又一个方面中，对种子脉冲进行变换，从光学上截然不同于其余数据脉冲的步骤可以由强度调节器(modifier)进行，辨别种子脉冲从其余数据脉冲中的步骤可以由强度辨别器(discriminator)进行。
在本发明的再一个方面中，对种子脉冲进行变换，从光学上截然不同于其余数据脉冲的步骤可以由快饱和、慢恢复放大器进行，在本发明的另一个方面中，辨别种子脉冲从其余数据脉冲中的步骤可以由非平衡NOLM或者波长漂移光学纤维和带通滤波器进行。
本发明的另一个方面包括一种使经光学分组网络发送的含有多个数据脉冲的分组(没有光学上截然不同同步化标记)自同步化的系统，包括基于对比率能够对选自分组内数据脉冲当中的种子脉冲进行变换，从光学上区别于其余数据脉冲的信号调节器，以及基于对比率能够区分变换后种子脉冲与其余数据脉冲的辨别器。
在本发明的又一个方面中，信号调节器可以是强度调节器，辨别器可以是强度辨别器。
在本发明的再一个方面中，强度调节器可以是快饱和、慢恢复放大器，在本发明的另一个方面中，强度辨别器可以是非平衡NOLM或是波长漂移光学纤维和带通滤波器。
在以下的详细描述中将给出本发明的附加特征和优点，一部分对于本领域专用技术人员而言从说明书中是显而易见的，或者按照在以下的详细描述、权利要求书和附图中的描述通过实施本发明而得知。
应当明白，以上的一般描述和以下的详细描述仅仅是本发明的示例，希望按照权利要求所述对理解本发明的实质和特征提供框架概述。包含的附图提供对本发明的进一步理解，被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起起说明本发明原理和操作的作用。
附图简述
图1是一流程图，表明使本发明的光学分组网络自同步，在光学分组内区分和提取种子脉冲的方法。
图2是一示意图，表示使本发明的光学分组网络自同步，从光学分组内区分和提取种子脉冲的系统的一个实施例。
图3是一示意图，表示利用强度调节器和强度辨别器的本发明系统的另一实施例，表明强度辨别器的两种替换的实施例。
图4是包含发射器、传输路径、自同步化系统、标题处理器、分组路由器和分用器的光学分组网络的示意图。
图5是一示意图，表明由多个数据脉冲组成的输入分组(a)、在第一种子脉冲与接下来数据脉冲(b)之间已经产生不同对比率的强度调节器的输出、以及按照由NOLM强度辨别器(c)和SPM/滤波器强度辨别器(d)区分的输出种子脉冲。
较佳实施例的详细描述
现在参考附图详细地说明本发明的较佳实施例。在可能的地方，在整个附图中将采用相同的参考标号表示相同或相似部分。
图1中示出了本发明的使分组时分复用(TDM)光学网络12自同步的方法10的示例实施例，本发明的方法和相关系统二者通常都用参考标号10表示。
根据本发明，尤其参考图1，本发明的方法10是通过产生含有多个数据脉冲16的分组14(它省略或排除了以光学方式区分分组14中数据脉冲16的时序或同步标记)，将分组14发送到通常远程路由节点18或者与光学网络12相关的其它元件，对选自分组14的数据脉冲16中的“种子脉冲”20进行变换以光学区别于分组14中其余数据脉冲16，从这些其余数据脉冲16辨别种子脉冲20使得种子脉冲20能够从分组14中提取出来，以及利用提取的种子脉冲20使由或在路由节点18进行的所选操作分组14同步化而实现的。
分组14将含有作为传统数字信号而编码的信息内容，其中通常具有均匀信号特征和预定周期性的数据脉冲16分散在不同模式中，具有中间零或空白空间，产生二进制编码。分组14可以具有固定的或可变的长度，可以包括诸如标题的任选特征，用于传送地址或其它信息。
正如这里所讨论的，分组14由数据脉冲16组成，从光学传输网络12内常规光学区别的观点看数据脉冲基本上彼此相似。即，分组14并不包含特别的同步标识，该标识在光学上可区别于数据脉冲16并且也不作为给分组14提供时序或同步参考的唯一目的附加于或者嵌入在分组14中。期望产生分组14、对其编码和发送，分组14仅包含传送信息内容(包含任何标题)或者对有关非同步的功能或辅助同步功能(不利用根据本发明从分组14产生和提取的种子脉冲20进行的)有用的这些数据脉冲16。应当明白，分组14还包含在光学上可彼此区别(如基于波长、极性、强度、相位或其它光学特性)、对自同步化以外的目的是有用的，或者对与涉及本发明种子脉冲20的这些过程无关的辅助同步化过程有用的数据脉冲16，如通过附属部件或者不采用这里所描述的自同步化方法10的网络。
正如以下进一步讨论的，对本领域专业技术人员而言很显然，可以利用本发明的方法10，与多种多样的已有或以后开发的分组14和数据脉冲16方案，只要涉及到数据脉冲16当中脉冲强度的可变能力以及相邻数据脉冲16或分组14之间的脉冲间隔，观察到一定的限制。
正如这里具体体现的，与图1所示相似，当发送的分组14沿入局传输路径22接近节点18时通过对其进行复制，将原始分组14和复制分组24分开，以致于它们与平行路径22传播，可以进一步任意地实现讨论的方法10。正如以下进一步讨论的，这些平行路径22是这样配置的，基于相应路径22的长度和原始分组14或复制分组24通过路径22和沿途设置的任何部件传播的速率，可以使原始分组14和复制分组24的位置相协调。对于多数场合，原始分组14和复制分组24彼此实际上将是不可区分的，除非将某个调节特征引入到原始分组14或复制分组24中，基于网络12的设计可以选择原始分组14或复制分组24，用作自同步化种子脉冲20或作为数据发送的分组14的源。关于这一点，除非另外注明外，这里采用的术语分组14基本上可互换地指或是原始分组14或是复制分组24。
正如这里具体体现的和图2所示的，讨论方法10的一个实施例可以通过采用幅度或强度调节器26来执行对种子脉冲20进行变换，从光学上可区别于分组14中其余数据脉冲16的步骤。强度调节器26能够与其余数据脉冲16相比差动地改变至少一个所选数据脉冲16的强度，产生种子脉冲20与其余数据脉冲16之间的可检测的对比率。在这个实施例中，最实用的方法是让种子脉冲20为分组14的第一个数据脉冲16，正如图2已经示出的。应当明白，图2中所示的分组14在第一数据脉冲16之后为零间隔，然而，应当明白，第一和接下来的数据脉冲16也可以是彼此直接相邻。
参考图3，在实施讨论的方法10的一个实施例中，强度调节器26可以是快饱和、慢恢复的半导体光学放大器(SOA)28，它在SOA 28输出处在100吉比特/秒(Gbit/s)八位分组14中(即具有八个数据脉冲16)产生第一与第二数据脉冲16之间的对比率在3分贝(dB)左右或更大。SOA 28当受短光学脉冲激励时呈现快速增益饱和，对于几皮秒(ps)的数据脉冲16，饱和出现在一个数据脉冲16的宽带期间。SOA 28呈现相对较长的恢复时间，通常选择在0.2至1纳秒(ns)的范围上，以保证对于给定长度的分组14,SOA 28在最后数据脉冲16通过前不会恢复，以防止在同一分组14内接下来数据脉冲16的激励和相应强度变换。因此，SOA 28产生并发送分组14，其中第一种子脉冲20具有大于其余数据脉冲16的强度，强度之间具有足够的对比率，以致于种子脉冲20能够从光学上与其余数据脉冲16相区别，接着从分组14提取。例如，参考图5，曲线(a)表示输入到所描述的SOA 28中的分组14内几个数据脉冲14的相对均匀的强度水平，作为比较，曲线(b)示出第一种子脉冲20相对于其余数据脉冲16的区别强度。
另一方面，强度调节器26可以是半导体激光放大器(SLA)，如InGaAsPSLA，或者适合于作为强度调节器26的其它部件。应当明白，在强度调节器26是SOA或SLA型的放大器的情况中，对比率可以表示为正值，大于1的两部分比率，或大于1的分数。
正如这里具体体现的，尤其参考图3，光学放大器30，如掺铒光纤放大器(EDFA)可操作地连接于强度调节器26，以补偿由于诸如强度调节器26的插入损耗等因素而造成的强度的任何损失，在SOA 28的情况中，这一插入损失在6dB的量级上。
正如这里具体体现的以及如图2和3所示，当采用强度调节器26对种子脉冲20进行变换，以致于种子脉冲20能够区别于分组14或者从分组14中提取以供同步化使用时，所讨论的方法10的实施例可以利用强度辨别器32执行种子脉冲20与其余数据脉冲16的辨别操作而实现，在讨论的方法中，采用强度调节器26对种子脉冲20进行变换，从而可区别于其余数据脉冲16。
特别地参考图3，强度辨别器32的一个实施例可以是非平衡的非线性光学环路反射镜(NOLM)34，它包括具有不均匀(30/70)分束比率的3dB定向耦合器36，可操作地连接于强度调节器26的输出，以及诸如1.3公里(km)长度色散漂移(DS)光学纤维38的非线性元件，可操作地定向耦合器36的相对两端，以致于顺时针和逆时针传播光束经历不同的非线性相位漂移。相位漂移差是种子脉冲20或数据脉冲16的输入强度的函数，可以调节NOLM 34，使高强度种子脉冲20比低强度数据脉冲16呈现高得多的传输。在这个实施例中，在被强度调节器26放大前，与原始数据脉冲16的峰值或中心波长相比，种子脉冲20的中心或峰值波长保持相对不可改变，例如保持相对恒定在1535nm上。
再参考图3，强度辨别器32的另一个实施例可以是自相位调制(SPM)光学纤维强度辨别器40，它包括250米(m)长度的DS光学纤维42，可操作地连接于强度调节器26的输出，以及所选的带通滤波器44，连接于色散漂移光学纤维42。采用零色散波长(λ0)非常接近于工作波长的色散漂移光学纤维42来产生光谱增宽，扩宽的光谱的宽度非线性地依赖于输入强度。滤波器44被选为仅发送与工作(输入)波长足够偏移的波长，以致于种子脉冲20具有足够的强度，使波长漂移到或高于滤波器44的截止或阈值窗口，而其余的数据脉冲16没有足够的强度漂移到滤波器窗口，以及被滤波器44吸收、消除或反射。在这个实施例中，种子脉冲20的中心或峰值波长将被漂移一预定度数到一个新的输出波长，例如，从输入到强度调节器26的1535nm到从强度辨别器32输出的1542.5nm。
正如这里描述的，强度辨别器32在其输出处进一步产生在20dB量级或更大的对比率。照这样，当利用这里所述的强度调节器26、EDFA 30和强度辨别器32(包括由强度调节器26产生的放大和EDFA 30的放大导致的插入损失)时，提取的种子脉冲20将经历净增益在利用非平衡NOLM 34强度辨别器32时约为6.5dB，在利用DS光纤42/滤波器44强度辨别器32时为3.5dB。
根据本发明，尤其是参考图4，可以实现本发明的与光学分组网络12相关的方法10，光学分组网络包括多种元件，包括由诸如激光或发光二极管(LED)灯光源48构成的发射器46、以及将从光源26出射的光转换为数据脉冲16的分组14的编码器或调制器50，数据脉冲具有对应于待发送信息内容的预定周期性和图案。另一种合适的光源48是被动模式锁定光纤激光器(1535nm,1.5ps)，另一种合适于产生周期性数据脉冲16的分组14的编码器50由适当配置的耦合器和光纤延迟线组成，尽管可以采用任何普通光源48和调制器50来产生由具有所需周期、间隔和图案的数据脉冲16组成的分组14。
光学网络进一步包括传输路径22，由从发射器46延伸到网络12中各个节点所需长度的光学纤维组成，它可以包括分束器和耦合器52，将进入节点的分组14复制成原始分组14和复制分组24。
正如这里具体体现的，再参考图4，可以利用各种光学元件在分组14上执行同步化和路由操作。
在接近节点时，分组14碰到分束器或耦合器52，将分组14复制成原始分组14或是复制分组，传送到延迟54，作接下来的路由、传输或信号处理，另一个分组14传送到强度调节器26和强度辨别器32，从而输出提取的种子脉冲20。将提取的种子脉冲20送至第一和第二分束器或耦合器52，从而对标题处理器60的本地地址元件56和时钟元件58进行复制和发送，接着送至Lo-BiNOLM 64的相邻输入耦合器62。将种子脉冲20的又一个复制通过延迟54送至分用器66的输入耦合器62，它同样由(2λ)NOLM 68组成。分用器66的输出耦合器62连接至本地缓冲器(未示出)。标题处理器60中Lo-Bi NOLM 64的相对的输入耦合器连接至接收通过第一延迟54发送的分组14的复制，输出耦合器62连接至检测器70，接着连接至分组路由器74的(2×2)调制器72，其输出又反连至传输路径22和接至分用器66中NOLM 68的输入耦合器62。
利用按照所述配置的路由节点的光学元件的光学网络12，从而将延迟54设定为与分组14或种子脉冲20穿过各个元件所需的时间相匹配，从发送的分组14可以辨别和提取种子脉冲20，将其用于使标题处理器60、分组路由器74、分用器66和任何相关缓冲器的操作同步化。照这样，光学网络12的路由节点能够执行这样的功能，如合并入局或出局的分组14的流、将分组14路由到其它互连传输路径22、使分组14向上或向下漂移到不同网络12或路径22、调整和控制在分组14上进行的信号管理功能、从缓冲器存储和提取分组14、以及在传输前产生或调制它们时，不用将将截然不同的同步化标记添加于分组14，执行高速光学分组网络12的其它一般功能和操作。
根据本发明，尤其参考图2和3，本发明描述并表示一种使发送分组14的光学分组网络12的操作自同步化的系统10，每个分组包括多个数据脉冲16，但是不包括与被发送时的多个数据脉冲16相比在光学上截然不同的同步化标记。
正如以上参考特定的实施例和部件很详细地讨论的，系统包括信号调节器26(如，基于对比率，能够对选自分组14内多个数据脉冲16当中的种子脉冲20进行变换，从而在光学上可区别于多个数据脉冲16中其余脉冲的快饱和、慢恢复的强度调节器)，和基于对比率能够使经过调节的种子脉冲20区别于其余数据脉冲16的辨别器32(如，非平衡NOLM，它包括具有不均匀分束比率的定向耦合器36，自相位调制(SPM)光学纤维强度辨别器40)，正如以前所描述的。
对于本领域专业技术人员而言显然地，对本发明可以作出各种改进和变化，而不会偏离本发明的精神和范围。因此，希望本发明覆盖对本发明的改进和变化，只要它们在所附的权利要求书及其等效的范围内。