一种空分复用光交换节点的功率均衡装置

摘要

本发明公开了一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，通过控制单元中的逻辑控制模块根据空分复用交换结构的开关路由状态，采用半解析遗传优化算法快速计算每个FM‑EDFA所需的泵浦模式和功率；然后通过模式分配电路改变多模泵浦单元的运行模式，完成泵浦模式的按需组合；最后，通过动态调节FM‑EDFA的模式增益，补偿单模光开关矩阵中不同开关路由损耗等，使空分复用光交换节点中各信道的输出光功率达到均衡。

权利要求

1.一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，其特征在于，包括：控制单元、空分复用光交换结构和掺铒光纤放大器FM‑EDFA阵列；

所述控制单元由逻辑控制模块及其控制下的开关驱动电路、功率监测模块和模式分配电路组成；其中，开关驱动电路用于完成空分复用光交换结构中单模光开关矩阵的开关状态设置；功率监测模块包括数模D/A转换器、MN×1选择开关、PIN二极管和模数A/D转换器，主要用于监测所有模式信道的开关路由损耗或输出信号光功率；模式分配电路用于调节多模泵浦单元，完成泵浦模式的按需组合，从而实现FM‑EDFA对不同模式信号增益的动态调节；

所述空分复用光交换结构由N个1×M模式转换解复用器、单模光开关矩阵和N个M×1模式转换复用器组成；

所述FM‑EDFA阵列由N个FM‑EDFA及其共享的多模泵浦单元组成，主要实现动态增益补偿；其中，多模泵浦单元由L个单模泵浦激光器、L–1个相位板、L个电可调光分配器和N个合路器组成；

将N根少模光纤依次接入至N个1×M模式转换解复用器，再由对应的N个FM‑EDFA输出，其中，每根少模光纤支持M个模式信号的传播；

逻辑控制模块根据光交换连接需求运行相应的路由算法，确定空分复用光交换结构的光交换状态，并控制开关驱动电路完成单模光开关矩阵的配置；N个多模信号经过N个1×M模式转换解复用器，变为NM个单模信号，再输入到单模光开关矩阵；单模光开关矩阵将NM个单模信号反馈给功率监测模块，同时输出至N个M×1模式转换复用器，并经过N个M×1模式转换复用器转换为N个多模信号，输入FM‑EDFA阵列；

在功率监测模块中，逻辑控制模块通过数模D/A转换器控制MN×1选择开关，并对单模光开关矩阵输出的NM个单模信号进行扫描监测，产生监测光信号，再将监测光信号通过PIN二极管转换为电信号，最后通过模数A/D转换器转换将电信号反馈到逻辑控制模块，从而动态监测单模光开关矩阵不同路由状态下的插入损耗；

在FM‑EDFA阵列中，逻辑控制模块根据不同路由状态下的插入损耗，采用半解析遗传优化算法快速计算出N个FM‑EDFA所需的泵浦光模式和功率，模式分配电路再调节多模泵浦单元中L个单模泵浦激光器的输出功率和L个电可调光分配器的分光比，完成泵浦模式的按需组合；然后，各个泵浦激光器产生基模式泵浦光，将后面L‑1个基模式泵浦光通过连接的相位板转换为高阶空间模式泵浦光，仅保留第一个基模式泵浦光，再将每一束泵浦光输入至电可调光分配器；在电可调光分配器中，根据N个FM‑EDFA所需泵浦光模式，将各个模式泵浦光按所需比例进行分束到N个合路器，每个合路器将各个模式泵浦光合在一起输入到对应的FM‑EDFA；在每一个FM‑EDFA中，多模信号和组合模式泵浦光通过耦合器同时注入FM‑EDF，FM‑EDF把各个模式信号放大到相同功率并输出，再通过滤波器滤除泵浦光，实现模式增益均衡；

其中，所述单模光开关矩阵的交换矩阵规模应不低于MN×MN。

2.根据权利要求1所述的一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，其特征在于，所述单模光开关矩阵不同路由状态下的插入损耗还能够根据单模光开关矩阵的拓扑结构、光开关基本单元交叉状态和平行状态的损耗、路由信息，以及各个信号从输入端口到输出端口经过单模光开关矩阵中处于交叉状态和平行状态的光开关基本单元数量，直接计算路由相关损耗。

说明书

一种空分复用光交换节点的功率均衡装置

技术领域

[0001] 本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种空分复用光交换节点的功率均衡装置。

背景技术

[0002] 光纤通信网络具有低损耗、大带宽、高速率等传输特点，现已成为电信网、计算机网、有线电视网的重要支撑。近年来，随着互联网、移动互联网、云计算等业务的飞速发展，
光纤通信系统的容量呈指数增长。目前，光通信系统容量已逼近非线性香农极限。为了满足
快速增长的带宽需求，空分复用已成为进一步有效提高光纤传输容量的技术，将在数据中
心光互联和长距光通信网络中有着巨大的发展潜力，关键在于空分复用光交换节点的构建
和实施。其中，硅光子交换芯片方案最具竞争优势，它兼具低功耗与互补金属氧化物半导体
(CMOS)工艺兼容等优点，能够满足光通信传输系统和数据中心中容量不断增长的交换要
求。

[0003] 另一方面，随着空分复用光纤容量的增加，兼容空分复用粒度交换的核心节点构建也是迟早的事情。然而，随着交换规模的增大或者端口数的增多，光交换芯片的路由状态
的改变会导致不同开关路由的插入损耗性能急剧劣化，使经过该光交换节点的各信道的输
出光功率差别增大，最终会限制光交换结构的组网性能。通过优化光交换芯片的拓扑结构，
一定程度上可以减轻开关路由导致的性能差异。然而，实际光开关在平行和交叉两种状态
下总是存在插入损耗的差异。因此，只有采用适当功率均衡装置，才能够使硅光子交换芯片
在数据中心或光传送网中获得真正应用。

[0004] 现阶段，在空分复用技术驱动下，所提出的空分复用光交换节点构建成本还比较高，可实现程度较差，更重要的是它不具有功率均衡功能，因此很难应用到实际网络中。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，通过补偿空分复用光交换系统的路由相关损耗，解决大规模光交换节点中模式信
道的功率不平衡问题，以实现整个光交换节点的功率均衡。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，其特征在于，包括：控制单元、空分复用光交换结构和掺铒光纤放大器FM‑EDFA阵列；

[0007] 所述控制单元由逻辑控制模块及其控制下的开关驱动电路、功率监测模块和模式分配电路组成；其中，开关驱动电路用于完成空分复用光交换结构中单模光开关矩阵的开
关状态设置；功率监测模块包括数模D/A转换器、MN×1选择开关、PIN二极管和模数A/D转换
器，主要用于监测所有模式信道的开关路由损耗或输出信号光功率；模式分配电路用于调
节多模泵浦单元，完成泵浦模式的按需组合，从而实现FM‑EDFA对不同模式信号增益的动态
调节；

[0008] 所述空分复用光交换结构由N个1×M模式转换解复用器、单模光开关矩阵和N个M×1模式转换复用器组成；

[0009] 所述FM‑EDFA阵列由N个FM‑EDFA及其共享的多模泵浦单元组成，主要实现动态增益补偿；其中，多模泵浦单元由L个单模泵浦激光器、L–1个相位板、L个电可调光分配器和N
个合路器组成；

[0010] 将N根少模光纤依次接入至N个1×M模式转换解复用器，再由对应的N个FM‑EDFA输出，其中，每根少模光纤支持M个模式信号的传播；

[0011] 逻辑控制模块根据光交换连接需求运行相应的路由算法，确定空分复用光交换结构的光交换状态，并控制开关驱动电路完成单模光开关矩阵的配置；N个多模信号经过N个1
×M模式转换解复用器，变为NM个单模信号，再输入到单模光开关矩阵；单模光开关矩阵将
NM个单模信号反馈给功率监测模块，同时输出至N个M×1模式转换复用器，并经过N个M×1
模式转换复用器转换为N个多模信号，输入FM‑EDFA阵列；

[0012] 在功率监测模块中，逻辑控制模块通过数模D/A转换器控制MN×1选择开关，并对单模光开关矩阵输出的NM个单模信号进行扫描监测，产生监测光信号，再将监测光信号通
过PIN二极管转换为电信号，最后通过模数A/D转换器转换将电信号反馈到逻辑控制模块，
从而动态监测单模光开关矩阵不同路由状态下的插入损耗；

[0013] 在FM‑EDFA阵列中，逻辑控制模块根据不同路由状态下的插入损耗，采用半解析遗传优化算法快速计算出N个FM‑EDFA所需的泵浦光模式和功率，模式分配电路再调节多模泵
浦单元中L个单模泵浦激光器的输出功率和L个电可调光分配器的分光比，完成泵浦模式的
按需组合；然后，各个泵浦激光器产生基模式泵浦光，将后面L‑1个基模式泵浦光通过连接
的相位板转换为高阶空间模式泵浦光，仅保留第一个基模式泵浦光，再将每一束泵浦光输
入至电可调光分配器；在电可调光分配器中，根据N个FM‑EDFA所需泵浦光模式，将各个模式
泵浦光按所需比例进行分束到N个合路器，每个合路器将各个模式泵浦光合在一起输入到
对应的FM‑EDFA；在每一个FM‑EDFA中，多模信号和组合模式泵浦光通过耦合器同时注入FM‑
EDF，FM‑EDF把各个模式信号放大到相同功率并输出，再通过滤波器滤除泵浦光，实现模式
增益均衡。

[0014] 本发明的发明目的是这样实现的：

[0015] 本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，通过控制单元中的逻辑控制模块根据空分复用交换结构的开关路由状态，采用半解析遗传优化算法快速计算每个FM‑
EDFA所需的泵浦模式和功率；然后通过模式分配电路改变多模泵浦单元的运行模式，完成
泵浦模式的按需组合；最后，通过动态调节FM‑EDFA的模式增益，补偿单模光开关矩阵中不
同开关路由损耗等，使空分复用光交换节点中各信道的输出光功率达到均衡。

[0016] 同时，本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置还具有以下有益效果：

[0017] (1)、本发明能够自适应地动态调节相应的FM‑EDFA增益，有效补偿多模信号在不同开关状态下的路由相关损耗，实现整个光交换节点的功率均衡；

[0018] (2)、本发明采用共享多模泵浦单元方案，通过共享多模泵浦单元并使用固定相位板实现模式转换，能够达到所需泵浦光模式分量的灵活组合，易于实现且极大地降低成本
装置成本；

[0019] (3)、本发明在控制单元采用半解析遗传优化算法，能够快速计算掺铒光纤放大器(FM‑EDFA)阵列所需的泵浦模式组合及其功率，加快所需泵浦光模式分量的灵活组合；

[0020] (4)、本装置还可以与波分复用结合，实现模分复用和波分复用兼容的光交换结构，成为多粒度的光交换节点的功率均衡装置，实现装置灵活升级、更新。

附图说明

[0021] 图1是本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置一种具体实施方式架构图；

[0022] 图2是基于马赫‑曾德尔干涉仪(MZI)的8×8的开关选择(Switch‑and‑Select)结构示意图；

[0023] 图3是功率监测模块的示意图；

[0024] 图4是FM‑EDFA阵列示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许
会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0026] 实施例

[0027] 图1是本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置一种具体实施方式架构图。

[0028] 在本实施例中，如图1所示，本发明一种空分复用光交换节点的功率均衡装置，包括：控制单元、空分复用光交换结构和掺铒光纤放大器FM‑EDFA阵列；

[0029] 如图1所示，控制单元由逻辑控制模块及其控制下的开关驱动电路、功率监测模块和模式分配电路组成；其中，开关驱动电路用于完成空分复用光交换结构中单模光开关矩
阵的开关状态设置；功率监测模块包括数模D/A转换器、MN×1选择开关、PIN二极管和模数
A/D转换器，主要用于监测所有模式信道的开关路由损耗或输出信号光功率；模式分配电路
用于调节多模泵浦单元，完成泵浦模式的按需组合，从而实现FM‑EDFA对不同模式信号增益
的动态调节；

[0030] 空分复用光交换结构由N个1×M模式转换解复用器、单模光开关矩阵和N个M×1模式转换复用器组成；

[0031] 所述FM‑EDFA阵列由N个FM‑EDFA及其共享的多模泵浦单元组成，共享多模泵浦单元方案，具有成本低和易于实现的优点，主要实现动态增益补偿；其中，多模泵浦单元由L个
单模泵浦激光器、L–1个相位板、L个电可调光分配器和N个合路器组成；

[0032] 在本实施例中，空分复用光交换节点的功率均衡装置分别有N根少模光纤输入和输出，每根少模光纤支持M个模式信号的传播，如图1所示，将N根少模光纤依次接入至N个1
×M模式转换解复用器，再由对应的N个FM‑EDFA输出至N根少模光纤；

[0033] 逻辑控制模块根据光交换连接需求运行相应的路由算法，确定空分复用光交换结构的光交换状态，并控制开关驱动电路完成单模光开关矩阵的配置；

[0034] 在空分复用光交换结构中，每根光纤的M个模式信号通过1×M模式转换解复用器变换为M个单模信号，这样，对于N根少模光纤输入情形，N个多模信号经过N个1×M模式转换
解复用器，变为NM个单模信号，再输入到单模光开关矩阵，采用目前能够实现的单模光开关
矩阵进行光信号的交换，单模光开关矩阵的交换矩阵规模应不低于MN×MN。单模光开关矩
阵将NM个单模信号反馈给功率监测模块，同时输出至N个M×1模式转换复用器，并经过N个M
×1模式转换复用器转换为N个多模信号，输入FM‑EDFA阵列；

[0035] 在本实施例中，光信号在输入FM‑EDFA阵列之前，逻辑控制模块需获取开关路由相关损耗信息。本实施例中，逻辑控制模块提供两种获取开关路由损耗信息的方式。第一种方
式是，根据单模光开关矩阵的拓扑结构、光开关基本单元交叉(Cross)状态和平行(Bar)状
态的损耗、路由信息，以及各个信号从输入端口到输出端口经过单模光开关矩阵中处于交
叉(Cross)状态和平行(Bar)状态的光开关基本单元数量，直接计算路由相关损耗；第二种
方式是，在单模光开关矩阵的输出端，通过功率监测模块检测各个输出信号功率，间接测量
各个信号的路由相关损耗。下面我们对第二种方式进行详细说明，具体为：在功率监测模块
中，逻辑控制模块通过数模D/A转换器控制MN×1选择开关，并对单模光开关矩阵输出的NM
个单模信号进行扫描监测，产生监测光信号，再将监测光信号通过PIN二极管转换为电信
号，最后通过模数A/D转换器转换将电信号反馈到逻辑控制模块，从而动态监测单模光开关
矩阵不同路由状态下的插入损耗；

[0036] 在本实施例中，如空分复用光交换节点的功率均衡装置是对波分复用信号进行功率均衡，如图3所示，则可以在功率监测模块中增加中心波长可调滤波器进行波长选择，从
而将该装置升级为多粒度的光交换节点的功率均衡装置。

[0037] 在FM‑EDFA阵列中，逻辑控制模块根据不同路由状态下的插入损耗，采用半解析遗传优化算法快速计算出N个FM‑EDFA所需的泵浦光模式和功率，在本实施例中，半解析遗传
优化算法的核心是，将FM‑EDFA的半解析法和遗传优化算法结合：半解析法是能够根据输入
信号和输入泵浦，通过掺铒光纤中反转粒子数浓度来代替完整求解EDFA微分方程组，以较
大的迭代步长完成信号增益的快速精确计算输出信号增益的FM‑EDFA计算方法；并且根据
路由相关损耗，半解析法结合遗传优化算法能够快速优化计算出FM‑EDFA把输入信号放大
到相同功率所需泵浦光的模式及功率；

[0038] 如图4所示，模式分配电路再调节多模泵浦单元中L个单模泵浦激光器的输出功率和L个电可调光分配器的分光比，完成泵浦模式的按需组合；然后，各个泵浦激光器产生基
模式泵浦光，将后面L‑1个基模式泵浦光通过连接的相位板转换为高阶空间模式泵浦光，仅
保留第一个基模式泵浦光，再将每一束泵浦光输入至电可调光分配器；在电可调光分配器
中，根据N个FM‑EDFA所需泵浦光模式，将各个模式泵浦光按所需比例进行分束到N个合路
器，每个合路器将各个模式泵浦光合在一起输入到对应的FM‑EDFA；在每一个FM‑EDFA中，多
模信号和组合模式泵浦光通过耦合器同时注入FM‑EDF，FM‑EDF把各个模式信号放大到相同
功率并输出，再通过滤波器滤除泵浦光，实现模式增益均衡。

[0039] 下面以空分复用光交换节点的功率均衡装置具体示例进行进一步详细说明。

[0040] (1)、实现光交换的空分复用信号由两个三模少模光纤输入或输出(N＝2，M＝3)，如图1所示；每个少模光纤支持LP01、LP11,e、LP11,o三个线偏振模式，它们的输入光功率均
为－10dBm，要求将它们的输出光功率均衡到0dBm。

[0041] (2)、单模光开关矩阵采用基于马赫‑曾德尔干涉仪(MZI)的8×8的开关选择(Switch‑and‑Select)结构，如图2所示。对于每个MZI开关单元，平行(Bar)状态的插入损耗
为0.5dB,交叉(Cross)状态的插入损耗为1dB。为突出本发明的主要实施过程，本实施例中
暂不考虑模分解复用器、模分复用器等其他光器件的插入损耗。

[0042] (3)、多模泵浦单元中，设计10个LP01模泵浦激光器(L＝10，可视具体情况减少)，每个泵浦激光器功率的范围在0～0.1W；采用9个不同的相位板分别将其中的9个泵浦激光器
的模式转换为LP11,e、LP11,o、LP21,e、LP21,o、LP02、LP31,e、LP31,o、LP12,e、LP12,o。同时也需要10个
电可调光分配器。输入有N＝2个少模光纤，相应地需要2个合路器。

[0043] (4)、FM‑EDFA阵列包括两个FM‑EDFA，两个少模掺铒光纤(FM‑EDF)的参数相同，其24 ‑3
中，FM‑EDF的长度为10m，纤芯半径10μm，掺杂半径10μm，均匀掺杂浓度为1×10 m 。

[0044] 针对上述空分复用交换节点，现要求输入端口交换连接到输出端口的信息为I1→O1、I2→O4、I3→O5、I4→O2、I5→O6、I6→O3，单模光开关矩阵的其余两个输入输出端口可用于
更细粒度的波长交换。具体讲，第一个少模光纤中的三模信号经过模式转换解复用器1，分
别解复用到输入端口I1、I2和I3，然后通过单模光开关矩阵将其交换到输出端口O1、O4和O5；
第二个少模光纤中的三模信号通过模式转换解复用器2，分别解复用到输入端口I4、I5和I6，
然后通过单模光开关矩阵将其交换到输出端口O2、O6和O3。端口O1、O2和O3的输出信号经模式
转换复用器1重新复用成LP01、LP11,e和LP11,o三模信号，然后输入FM‑EDFA‑1；端口O4、O5和O6
的输出信号经模式转换复用器2重新复用成另外的LP01、LP11,e和LP11,o三模信号，然后输入
FM‑EDFA‑2。

[0045] 接下来，针对上述空分复用交换需求来描述具体实施过程。

[0046] (1)、首先根据交换需求，逻辑控制模块运行相应的路由算法，确定空分复用光交换结构的开关状态。对于开关选择(Switch‑and‑Select)结构，采用单一路径的寻路算法即
可确定每个路由上的开关状态，然后通过控制开关驱动电路完成单模光开关矩阵的设置。

[0047] (2)、根据路由信息和在不同状态下MZI光开关单元的插入损耗，逻辑控制模块计算出单模光开关矩阵的所有路由的相关损耗，I1→O1、I4→O2、I6→O3、I2→O4、I3→O5和I5→O6
的开关路由损耗依次为5.5dB、4.5dB、4.5dB、4.5dB、4dB和3dB。也可以通过功率监测模块监
测单模光开关矩阵的输出光功率，即逻辑控制模块通过功率监测模块中的D/A转换器控制6
×1选择开关，分别对6路输出端口进行扫描监测，监测光信号由PIN二极管转换为电信号
后，通过A/D转换器反馈到逻辑控制模块，得到O1～O6端口的光功率分别为－15.5dBm、－
14.5dBm、－14.5dBm、－14.5dBm、－14dBm和－13dBm。

[0048] (3)、根据上述路由相关损耗，逻辑控制模块使用半解析遗传优化算法快速计算出各个FM‑EDFA所需的模式及其功率。为了将输出功率均衡到0dBm，FM‑EDFA‑1所需的泵浦光
模式组包括LP01、LP11,e、LP11,o、LP02、LP31,o、LP12,e、LP12,o，其功率分别为0.05W、0.05W、0.04W、
0.05W、0.03W、0.035W、0.05W；FM‑EDFA‑2所需的泵浦光模式组包括LP01、LP11,e、LP02、LP31,o、
LP12,e、LP12,o，其功率分别为0.05W、0.05W、0.015W、0.045W、0.05W、0.045W。

[0049] (4)、计算多模泵浦单元中每个泵浦激光器的发射功率和电可调光分配器的分光比。根据以上参数，10个泵浦激光器的发射功率依次为0.1W、0.1W、0.04W、0W、0W、0.065W、
0W、0.075W、0.085W、0.095W，10个电可调光分配器的比例依次为1:1、1:1、1:0、0、0、10:3、0、
2:3、7:10、10:9。根据以上参数，逻辑控制模块通过模式分配电路调节泵浦激光器和电可调
光分配器，然后借助合路器形成两个FM‑EDFA得到所需的多模组合泵浦光。

[0050] (5)、将两组多模组合泵浦光分别送入相应的FM‑EDFA，实现相应模式的增益补偿和整个光交换节点的功率均衡。此时，FM‑EDFA‑1的三个模式增益分别为15.5dB、14.5dB和
14.5dB，FM‑EDFA‑2的三个模式增益分别为14.7dB、14.2dB和13.2dB。显然，补偿单模光开关
矩阵的路由相关损耗的同时，也将多模信号各个模式信号放大到相同功率，能够达到功率
均衡的目的。

[0051] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技
术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些
变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。