新型專利說明書
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※申請案號：
※申請日期： ※ＩＰＣ分類：
一、新型名稱：
多路由之光信號交換與切換系統架構 / SYSTEM CONFIGURATION OF MULTIPATH OPTICAL CROSS CONNECT AND OPTICAL SWITCHING
二、申請人：共人
指定為應受送達人
三、創作人：
◎專利代理人：
四、聲明事項
□主張專利法第二十二條第二項
第一款或第二款規定之事實，其事實發生日期為：
□ 主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
□ 主張專利法第二十六條微生物：
□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
本創作利用光纖光柵(Fiber Bragg gratings)、光迴旋 器(Optical circulator)及光切換器(Optical
switches)，提出三條光纖路由(Fiber link)及四條光纖 路由之信號交換模組架構，可動態選擇性在光網路上交 換(Cross-connect)不同路由(Fiber link)間之光信號。
此種型態之架構可同時交換1到N個頻道之光信號而不需 先作光信號多工及解多工之步驟，此動態型光信號交換 模組融合了低串音、低插入損失、良好之光譜平坦度及 低成本等優點，可提升分波多工網路之存活性及彈性擴 充系統規模，有利於升級網路及增加其附加應用價值，
取代N×N空間多工切換器(Space Division Switch)。
六、英文發明摘要：
七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
圖一A所示為使用一個2×2光切換器(Optical switches, OSW)和三個4埠的光循環器(OCs)的3×3光交換模組
(Optical cross-connect device, OXC)，其中所述2×2 光切換器(Switch)在前，此圖因為立體空間，故切換器 用平行四邊形表示。
八、新型說明：
[新型所屬之技術領域]
本創作是關於一種利用光纖元件所形成之光信號切換架 構，特別是關於多路由光纖網路之架構設計及建議。
[先前技術]
參考國內外文獻，傳統上對兩條不同路由間光信號之交 換通常是利用成對的1×N解多工器(Demultiplexer)與N×1 多工器(Multiplexer)以背對背(Back to back)之架構相 接，中間並放置一個波長選擇(Wavelength selective) 空間多工切換器(Space division switch)。每個1×N解 多工器可分別將上路由之多波道光信號與下路由之多波 道光信號分開，空間多工切換器可將兩組分開之光信號 作交換，最後上下路由再分別用一個N×1多工器將交換過 之光信號重新結合，再送入兩個路由後繼續傳輸，由於 1×N解多工器、N×1多工器(Multiplexer)、光濾波器、光 分岐器及波長選擇(Wavelength selective)空間多工切 換器所造成之總光損失(Optical insertion loss)很 大，並需要例如配合波長可調濾波器或聲光調變器 (Acoustic-optic tunable filter, AOTF)，往往需要光 放大器補償光信號之插入損失，且設計過於複雜及昂 貴。至於三條以上不同路由間光信號之交換通常亦是類 似的方式，不過波長選擇(Wavelength selective)空間 多工切換器(Space division switch)就更複雜化昂貴。
[新型內容]
本發明的主要目的在於提供一種多路由之光信號交換與 切換系統架構。
為了降低成本及插入損失，也為了減低光網路設計之複 雜性，本創作使用可調波長之光纖光柵，光迴旋器及光 切換器取代N×N 空間多工切換器(Space division switch)，因為均為被動元件之組合，在可靠度穩定度上 均有一定品質特性。
我們強調在作波長交換時應慎選光纖光柵，使其波長與 光纖光柵之中心反射波長精確對準(Precise
alignment)，且光纖光柵之反射率宜控制在99.5%以上，
如此以2.5Gb/s數位傳輸100km之單模光纖為例，理論上 之功率償負(Power penalty)可降低至0.2dB以下。
[實施方式]
首先請參考圖一A及圖一B，其為使用一個2×2光切換器 (Optical switches, OSW)和三個4埠的光循環器(OCs)的 3×3光交換模組(Optical cross-connect device, OXC)。所述光交換模組包含三條光纖(第一光纖2、第二 光纖3、第三光纖4)、三個4埠的光循環器(第一光循環器 5、第二光循環器6、和第三光循環器7)、三條光纖光柵 (第一光纖光柵8、第二光纖光柵9、第三光纖光柵10)、
以及一個2×2第一光切換器1 (Optical switches, OSW)。其中所述第一光纖2包含第一輸入端201和第一輸 出端202，第二光纖3包含第二輸入端301和第二輸出端 302，第三光纖4則包含第三輸入端401和第三輸出端 402。
所述第一光循環器5包含四個連接埠，所述四個連接埠分 別連接至所述第一輸入端201、所述第一輸出端202、所 述第二光循環器6、和所述第三光循環器7；其中所述第 一光循環器5係以第一光纖光柵8連接至所述第二光循環 器6，而所述第一光循環器5係以第二光纖光柵9連接至所 述第三光循環器10。所述第二光循環器6包含四個連接 埠，所述四個連接埠分別連接至所述第二輸入端301、所 述第二輸出端302、所述第一光循環器5、和所述第三光 循環器7；其中所述第二光循環器6係以第三光纖光柵10 連接至所述第三光循環器7；其中所述第一光纖光柵8、
第二光纖光柵9和第三光纖光柵10皆可以被拉伸工具所拉 伸。所述第三光循環器 7包含四個連接埠，所述四個連
接埠分別連接至所述第三輸入端401、所述第三輸出端 402、所述第一光循環器5、和所述第二光循環器6。
所述2×2第一光切換器1 (Optical switches, OSW)則連 接至所述第一光纖2、第二光纖3、和第三光纖4之其中兩 條。
其中圖一A顯示該2×2第一光切換器1 (Switch)在前，所 述2×2第一光切換器1係連接至所述第一輸入端201、第二 輸入端301、和第三輸入端401其中之二。而圖一B顯示該 2×2第一光切換器1 (Switch)在後，所述2×2第一光切換 器1係連接至所述第一輸出端202、第二輸出端302、和第 三輸出端402其中之二。
在簡化卻不失一般原則下，我們只考慮單一波長的情 況。第一波長(λ) 15、第二波長(λ') 16和第三波長 (λ'') 17分別來自第一輸入端201、第二輸入端301和第 三輸入端401而且有相同的波長，在不調整第三光纖光柵 10，第二光纖光柵9和第一光纖光柵8之反射波時，三條 光纖光柵有相同中心反射波長，我們強調在作波長交換 時應慎選光纖光柵，使其波長與光纖光柵之中心反射波 長精確對準(Precise alignment)，且光纖光柵之反射率 宜控制在99.5%以上，如此以2.5Gb/s數位傳輸100km之單 模光纖為例，理論上之功率償負(Power penalty)可降低 至0.2dB以下。第一波長(λ) 15、第二波長(λ') 16和第 三波長(λ'') 17分別由第一輸出端202、第二輸出端302 和第三輸出端402輸出。在某種條件下，若需交換第一波 長(λ) 15和第二波長(λ') 16使其分別由第二輸出端302 及第一輸出端202輸出，則在第一光循環器5和第二光循 環器6之間的第一光纖光柵8應該要拉長(strained- tuning)，使得中心反射波長變長不再反射光信號第一波 長(λ) 15和第二波長(λ') 16。而且第一光切換器1 (OSW)應該在直行狀態(bar-state)，當3×3 OXC裝置的第 一波長15需切換到第二輸出端302，第二波長(λ') 16須 切換到第三輸出端402和第三波長(λ'') 17需切換到第一 輸出端202，欲使這些條件同時成立(右往左看為順時針 方向)，則第三光纖光柵10，第二光纖光柵9和第一光纖 光柵8需要同時被拉伸長，然而此2×2第一光切換器仍然 需在直行狀態(bar-state)。另外，假如第一波長(λ) 15 切換到第三輸出端402，第二波長(λ') 16切換到第二輸 出端302和第三波長(λ'') 17切換到第一輸出端202的條 件需同時成立(右往左看為逆時針方向)，則第三光纖光 柵10、第二光纖光柵9和第一光纖光柵8亦需要同時被拉 伸長，然而2×2第一光切換器1需在交換(cross-state)狀 態，此時由第二光循環器6及第三光循環器7出來之信號 第一波長(λ) 15和第二波長(λ') 16會再次交換後，分別 由第三輸出端402及第二輸出端302出來。又如第一波長 (λ) 15需切換到第三輸出端402，第二波長(λ') 16須切 換到第一輸出端202和第三波長(λ'') 17需切換到第二輸 出端302之這些條件同時成立的話(右往左看為逆時針方 向)，對圖一A而言，則第三光纖光柵10、第一光纖光柵8 不拉伸，第二光纖光柵9需要被拉伸，此2×2第一光切換 器1須在交換(cross-state)狀態。對圖一B而言，則第三 光纖光柵10，第二光纖光柵9不拉伸，第一光纖光柵8需 要被拉伸，此2×2第一光切換器1須在交換(cross-state) 狀態…。所以這個架構可以達到任何我們可能需要的交 換，(即3!=6)。圖三列出圖一A在3條光纖路由交換系統 或網路中使用一個2×2光切換(OXC)裝置，所有波長變化 之情況下參數所必需之調整情形。圖四列出圖一B在3條 光纖路由交換系統或網路中使用一個2×2光切換(OXC)裝 置，所有波長變化之情況下參數所必需之調整情形。
接下來請參考圖二A及圖二B，其為使用兩個2×2光切換器
配合四個4埠的光循環器的4×4光交換模組(Optical cross-connect device, OXC)。所述光交換模組包含四 條光纖(第一光纖2、第二光纖3、第三光纖4、第四光纖 11)、四個4埠的光循環器(第一光循環器5、第二光循環 器6、第三光循環器7和第四光循環器12)、四條光纖光柵 (第一光纖光柵8、第二光纖光柵9、第三光纖光柵10、第 四光纖光柵13)、以及二個2×2光切換器(第一光切換器 1、第二光切換器2)。所述第一光纖2包含第一輸入端201 和第一輸出端202，第二光纖3包含第二輸入端301和第二 輸出端302，第三光纖4包含第三輸入端401和第三輸出端 402，第四光纖11則包含第四輸入端111和第四輸出端 112。
所述第一光循環器5包含四個連接埠，所述四個連接埠分 別連接至所述第一輸入端201、所述第一輸出端202、所 述第二光循環器6、和所述第四光循環器12；其中所述第 一光循環器5係以第一光纖光柵8連接至所述第二光循環 器6，而所述第一光循環器5係以第四光纖光柵13連接至 所述第四光循環器12。所述第二光循環器6包含四個連接 埠，所述四個連接埠分別連接至所述第二輸入端301、所 述第二輸出端302、所述第一光循環器5、和所述第三光 循環器7；其中所述第二光循環器6係以第二光纖光柵9連 接至所述第三光循環器7。所述第三光循環器7包含四個 連接埠，所述四個連接埠分別連接至所述第三輸入端 401、所述第三輸出端402、所述第二光循環器6、和所述 第四光循環器12；其中所述第三光循環器7係以第三光纖 光柵10連接至所述第四光循環器12。其中所述第一光纖 光柵8、第二光纖光柵9、第三光纖光柵10和第四光纖光 柵13皆可以被拉伸工具所拉伸。
所述第一光切換器1連接至所述第一光纖光柵8、第二光 纖光柵9、第三光纖光柵10和第四光纖光柵13之其中兩 條，而所述第二光切換器14連接至所述第一光纖光柵8、
第二光纖光柵9、第三光纖光柵10和第四光纖光柵13之另 外兩條。
其中圖二A顯示所述兩個2×2光切換器(Switch)在前，其 中所述第一光切換器1係連接至所述第一輸入端201、第 二輸入端301、第三輸入端401和第四輸入端111其中之 二，而所述第二光切換器14則連接至所述第一輸入端 201、第二輸入端301、第三輸入端401和第四輸入端111 另外之二。而圖二B則顯示所述兩個2×2光切換器
(Switch)在後，其中所述第一光切換器1 係連接至所述 第一輸出端202、第二輸出端302、第三輸出端402和第四 輸出端112其中之二，而所述第二光切換器14則連接至所 述第一輸出端202、第二輸出端302、第三輸出端402和第 四輸出端112另外之二。
在簡化卻不失一般原則下，我們亦只考慮單一波長的情 況。第一波長(λ) 15、第二波長(λ') 16、第三波長 (λ'') 17和第四波長(λ★) 18分別來自第一輸入端201、
第二輸入端301、第三輸入端401和第四輸入端111而且有 相同的波長，架構包含四個以拉力可調(strained- tuning)反射波長的光纖光柵(fiber Bragg grating)、
四個4埠光循環器和兩個光切換開關所組成，可能交換的 所有排列組合方式共有4!=24種，舉例其中幾個加以說 明，例如條件一BC, AD表示：經過4×4光交換模組後，欲 將原在B路由20及C路由21之波長第二波長(λ') 16和第三 波長(λ'') 17彼此交換，而A路由19, D路由22內波長經 過4×4光交換模組後仍維持在原路由第一輸出端202或第 四輸出端上112，所以應該要把第二光纖光柵9拉伸改變 其中心反射波長，使得穿過B路由20與C路由21之間的波 長不會被反射，而能夠順利交換第二波長(λ') 16至第三 光循環器7及第三波長(λ'') 17至第二光循環器6，其他
的元件則不動作維持原狀，此時一對2×2光切換器需在直 行狀態(bar-state)。又如條件二A→B→C→D表示：經過 切換模組後，A路由19波長換到B路由20, B路由20波長換 到C路由21, C路由21波長換到D路由22, D路由22波長換 到A路由19，即要求第二波長(λ') 16、第三波長(λ'') 17、第四波長(λ★) 18及第一波長(λ) 15分別由第三輸 出端402、第四輸出端112、第一輸出端202及第二輸出端 302出去，(右往左看為順時針方向)，所以應該要把第一 光纖光柵8、第二光纖光柵9、第三光纖光柵10和第四光 纖光柵13四個光柵同時拉伸，同時改變四個光柵之反射 中心波長，使得第一光循環器5至第二光循環器6的波長 不會被反射，第二光循環器6至第三光循環器7波長不會 被反射，第三光循環器7至第四光循環器12的波長不會被 反射，第四光循環器12至第一光循環器5的波長不會被反 射，而能夠順利通過，而一對2×2光切換器則須在直行狀 態(bar-state)，又如條件三A, B→C→D表示：經過切換 模組後，B路由20波長換到第三光循環器7, C路由21波長 換到第四光循環器12, D路由22波長換到第二光循環器 6，而A路由19波長維持不交換，所以，對圖二A而言第二 光切換器14須在交換(cross-state)狀態，第一光切換器 1須在直行狀態(bar-state), D路由22與B路由20的波長 互相交換，只有第三光纖光柵10光柵拉伸，使得B路由20 的波長再與C路由21的波長互相交換，則可達成條件三之 情形。對圖二B而言欲達成條件三，第二光切換器14須在 交換(cross-state)狀態，第一光切換器1須在直行狀態 (bar-state)，只有第二光纖光柵9須拉伸。以此類推可 以找出如圖五所示為圖二A的24種可能之光信號切換與交 換方式。使用相同原理，圖六所示為圖二B的24種可能之 光信號切換與交換方式。
在本創作中，將光纖光柵之波長拉伸調整的方法可為(但 不限於)下列數種：壓電材料(如PZT等)、可拉伸光學平 台(如Strain stage等)、光電調變方式、光纖依附於隨 電場改變長度之金屬、或可彎曲之物件(如直尺等)等 等。
此外，利用壓電方式或溫度方式改變光纖光柵之折射率 (Refractive index)、相等於調整其中心反射波長等 等，亦為本創作中將光纖光柵之波長拉伸調整的方法。
在本創作中，光切換器之使用不限定為速度較慢之機械 式光切換器，或速度較快之電光式光切換器，端視成本 考量及光網路系統品質需求。
應用相同光纖與光學元件衍伸，本建議架構不限於3×3, 4×4架構，可擴展成N×N ( 5)規模。
本創作提出3×3及4×4兩種光信號交換模組架構，它們乃 利用光信號被光纖光柵反射或直接穿透光纖光柵而到達 不同路由，並配合極少數之光切換器進而達成光信號交 換之目的，此等架構可同時交換多個路由之頻道訊息而 不需先經信號多工及解多工之步驟。此種動態型光信號 交換模組架構融合了低串音、低插入損失及良好之光譜 平坦度及低成本等優點，可提升分波多工網路上之光信 號傳輸彈性與資訊互換功能並擴充與升級光網路之規 模，取代空間多工切換器。
[圖式簡單說明]
圖一A所示為使用一個2×2光切換器(Optical switches, OSW)和三個4埠的光循環器(OCs)的3×3光交換模組
(Optical cross-connect device, OXC)，其中所述2×2 光切換器(Switch)在前，此圖因為立體空間，故切換器 用平行四邊形表示。
圖一B所示為使用一個2×2光切換器(Optical switches,
OSW)和三個4埠的光循環器(OCs)的3×3光交換模組 (Optical cross-connect device, OXC)，其中所述2×2 光切換(Switch)器在後，此圖因為立體空間，故切換器 用平行四邊形表示。
圖二A所示為使用兩個2×2光切換器配合四個4埠的光循環 器(OCs)的4×4光交換模組(Optical cross-connect device, OXC)，其中所述2×2光切換器(Switch)在前，此 圖因為立體空間，故切換器用平行四邊形表示。
圖二B所示為使用兩個2×2光切換器配合四個4埠的光循環 器(OCs)的4×4光交換模組(Optical cross-connect device, OXC)，其中所述2×2光切換器(Switch)在後，此 圖因為立體空間，故切換器用平行四邊形表示。
圖三列出圖一A在3條光纖路由交換系統或網路中使用一 個2×2光切換(OXC)裝置，所有波長變化之情況下參數所 必需之調整情形。
圖四列出圖一B在3條光纖路由交換系統或網路中使用一 個2×2光切換(OXC)裝置，所有波長變化之情況下參數所 必需之調整情形。
圖五所示為圖二A的24種可能之光信號切換與交換方式。
圖六所示為圖二B的24種可能之光信號切換與交換方式。
NC：相關的光纖光柵沒有拉應力.布拉格光柵之反射光的 中心反射波長沒有改變.
↑：相關的光纖光柵有拉應力且布拉格光柵之反射光的 中心反射波長有改變.
X:2x2光交換器處於交換的狀態.
---:2x2光交換器處於直行的狀態.
九、申請專利範圍：
1.一種多路由之光信號交換與切換系統架構，包 含：三條光纖，包含：第一光纖，包含第一輸入端和第 一輸出端，第二光纖，包含第二輸入端和第二輸出端，
第三光纖，包含第三輸入端和第三輸出端，及三個4埠的 光循環器，包含第一光循環器、第二光循環器、和第三 光循環器，其中：所述第一光循環器包含四個連接埠，
所述四個連接埠分別連接至所述第一輸入端、所述第一 輸出端、所述第二光循環器、和所述第三光循環器；其 中所述第一光循環器係以第一光纖光柵連接至所述第二 光循環器，而所述第一光循環器係以第二光纖光柵連接 至所述第三光循環器；所述第二光循環器包含四個連接 埠，所述四個連接埠分別連接至所述第二輸入端、所述 第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三光循環 器；其中所述第二光循環器係以第三光纖光柵連接至所 述第三光循環器；其中所述第一光纖光柵、第二光纖光 柵和第三光纖光柵皆可以被拉伸工具所拉伸；所述第三 光循環器包含四個連接埠，所述四個連接埠分別連接至 所述第三輸入端、所述第三輸出端、所述第一光循環 器、和所述第二光循環器；一個2x2光切換器(Optical switches, OSW)，其連接至所述第一光纖、第二光纖、
和第三光纖之其中兩條。
2.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述2x2光切換器係連接至所述第一輸 入端、第二輸入端、和第三輸入端其中之二。
3.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述2x2光切換器係連接至所述第一輸 出端、第二輸出端、和第三輸出端其中之二。
4.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述光切換器為機械式光切換器。
5.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述光切換器為電光式光切換器。
6.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述拉伸工具係壓電材料。
7.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述拉伸工具係可拉伸光學平台。
8.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述拉伸工具係利用光電調變方式。
9.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與切 換系統架構，其中所述拉伸工具係光纖依附於隨電場改 變長度之金屬。
10.如申請專利範圍第1項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係可彎曲之物件。
11.一種多路由之光信號交換與切換系統架構，包 含：四條光纖，包含：第一光纖，包含第一輸入端和第 一輸出端，第二光纖，包含第二輸入端和第二輸出端，
第三光纖，包含第三輸入端和第三輸出端，第四光纖，
包含第四輸入端和第四輸出端，及四個4埠的光循環器，
包含第一光循環器、第二光循環器、第三光循環器和第 四光循環器，其中：所述第一光循環器包含四個連接 埠，所述四個連接埠分別連接至所述第一輸入端、所述 第一輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環 器；其中所述第一光循環器係以第一光纖光柵連接至所 述第二光循環器，而所述第一光循環器係以第四光纖光 柵連接至所述第四光循環器；所述第二光循環器包含四 個連接埠，所述四個連接埠分別連接至所述第二輸入 端、所述第二輸出端、所述第一光循環器、和所述第三 光循環器；其中所述第二光循環器係以第二光纖光柵連 接至所述第三光循環器；所述第三光循環器包含四個連 接埠，所述四個連接埠分別連接至所述第三輸入端、所 述第三輸出端、所述第二光循環器、和所述第四光循環 器；其中所述第三光循環器係以第三光纖光柵連接至所 述第四光循環器；其中所述第一光纖光柵、第二光纖光 柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵皆可以被拉伸工具所 拉伸；二個2x2光切換器(Optical switches, OSW)，包 含第一光切換器和第二光切換器，其中：所述第一光切 換器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光 纖光柵和第四光纖光柵之其中兩條，而所述第二光切換 器連接至所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖 光柵和第四光纖光柵之另外兩條。
12.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述第一光切換器係連接至所述第 一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端其中 之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸入端、
第二輸入端、第三輸入端和第四輸入端另外之二。
13.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述第一光切換器係連接至所述第 一輸出端、第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端其中 之二，而所述第二光切換器則連接至所述第一輸出端、
第二輸出端、第三輸出端和第四輸出端另外之二。
14.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述光切換器為機械式光切換器。
15.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述光切換器為電光式光切換器。
16.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係壓電材料。
17.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係可拉伸光學平台。
18.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係利用光電調變方
式。
19.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係光纖依附於隨電場 改變長度之金屬。
20.如申請專利範圍第11項之多路由之光信號交換與 切換系統架構，其中所述拉伸工具係可彎曲之物件。
十、圖式：
