专利名称：用于在数据服务提供商和用户之间传递光信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及视频、话音和数据通信。本发明尤其涉及一种用于在数据服务提供商和一个或多个用户之间传递光信号的系统和方法。
背景技术：
越来越依赖通信网络传送更为多元的数据，如话音和视频业务，使得对带宽的需求越来越高。为解决这种对带宽的需求，通信网络越来越依赖于光纤传送这种多元数据。使用同轴电缆的传统通信体系结构正逐步被只包含光缆的通信网络取代。光纤替代同轴电缆的一个优势在于在光纤上可传输更为大量的信息。
光纤入户(FTTH)光学网络体系结构已经成为许多数据服务提供商的梦想，因为光纤的上述容量使得任何高速业务的混合能通过高可靠网络传送到企业和消费者。与FTTH相关的是光纤入企业(FTTB)。由于FTTH和FTTB系统提高了信号质量，降低了维护成本以及延长了硬件寿命，因此FTTH和FTTB体系结构成为理想的体系结构。而在过去，我们认为FTTH和FTTB体系结构的成本过高。但是目前，由于对带宽的需求高以及对改进光学网络的当前研究和开发，FTTH和FTTB已经变成现实。
已经由产业引入的一种FTTH体系结构实例是无源光学网络(PON)。虽然PON体系结构确实能提供全光纤网络，但其仍具有许多缺陷使得这种系统实际上无法实现。PON体系结构的一个缺陷是，由于光信号在信号变得太弱而无法使用之前可被分割的次数有限，太多光缆必须从首端或数据服务集线器发出。另一缺陷可归因于PON网络的无源特性。换言之，由于在数据服务集线器和用户之间没有配置有源信号源，因此在数据服务集线器和用户之间可实现的最大距离通常落入10～20km的范围之内。
PON体系结构的另一重要缺陷是数据服务集线器需要的设备成本高。例如，许多PON体系结构支持使用异步传输模式(ATM)协议的全服务接入网(FSAN)。为支持这种协议，需要相当复杂和昂贵的设备。
除了数据服务集线器成本高，常规PON体系结构并不适合于有效升级。也就是说，常规或传统PON体系结构通过添加光纤和路由器端口强迫重新配置物理网络以便提高网络的数据率。
在下行流和上行流方向的数据率是PON体系结构的另一缺陷。常规PON体系结构通常在下行流方向支持高达622Mb/s的速率，而在上行流方向只支持最快155Mb/s的速度。这种在上行流和下行流通信方向之间的不平衡的通信速率是不希望出现的，通常将其称之为不对称带宽。这种不对称带宽对从用户到数据服务集线器可传送的信息量设置了一个低上限或低门限。这种不对称带宽是所需的光学部件成本高的结果。
为克服不对称带宽问题以及在用户和数据服务集线器之间的距离有限的问题，在工业上已经推荐常规混合光纤入户(FTTH)/混合光纤-同轴电缆(HFC)体系结构。HFC目前是许多有线电视系统所选择的体系结构。在这种FTTH/HFC体系结构中，在数据服务集线器和用户之间设置有源信号源。通常在这种体系结构中，有源信号源包含路由器。这种常规路由器具有多个数据端口，设计用于支持各个不同用户。具体来说，常规路由器对每个用户使用一个端口。路由器的每个数据端口连接一条光纤，这条光纤又与用户相连。数据端口与光纤之间与这种常规FTTH/HFC体系结构的连接对光纤有强烈的依赖。应指出，术语“最后一英里”和“头一英里”均为用于描述连接用户的光纤网的最后一部分的一般术语。
除了源自路由器的光缆数量多，FTTH/HFC体系结构要求射频信号沿传统的同轴电缆传输。由于使用同轴电缆，在用户和数据服务集线器之间需要多个射频(RF)放大器。例如，在同轴电缆型系统中，每1～3公里通常需要射频放大器。由于在FTTH/HFC体系结构中存在两个独立和不同的网络，在这种体系结构中使用同轴电缆增加了系统的整体成本。换言之，由于除了需要电气和光设备还需要完全不同的波导(同轴电缆与光纤的组合)支持这两种不同系统，因此，FTTH/HFC体系结构维护成本很高。简言之，FTTH/HFC体系结构仅仅是组合了光学网络与电气网络，而这两种网络相互独立运行。
FTTH/HFC体系结构的另一缺陷是在数据服务集线器和用户之间的有源信号源，通常称之为路由器，需要占据大量空间的保护环境。也就是说，FTTH/HFC体系结构的常规路由器需要人造环境室，其必须保持路由器和相关设备在最佳温度。为保持这种最佳温度，人造环境室通常将包含有源温控设备，用于升温和降温人造环境室。
简言之，FTTH/HFC体系结构的常规路由器只能在标准室温下工作。因此需要消耗能量的有源降温和升温设备，以便在所有类型的地理区域和在所有类型的气候下维持这种工作温度。
另一种常规混合光纤同轴电缆(HFC)体系结构与使用两种独立通信网络的FTTH/HFC体系结构不同，其在数据服务集线器和用户之间使用有源信号源，这种有源信号源不需要温控人造环境室。然而，在用户和数据服务集线器之间配置的这种有源信号源只能提供信息信号的光电转换。也就是说，在HFC体系结构中，在用户和数据服务集线器之间配置的有源信号源将下行流光信号转换为电信号，以及将上行流电信号转换为光信号。常规HFC体系结构依赖同轴电缆支持最后一英里中的所有信号或HFC网络的所有信号。因此，常规HFC体系结构与FTTH/HFC体系结构类似，在网络的同轴电缆一侧也需要多个射频放大器。
常规HFC体系结构的另一缺陷在于数据服务集线器，在此需要多个通信设备支持数据信号沿光纤在有源信号源和数据服务集线器之间传输。例如，常规HFC体系结构通常通过使用一般称之为主机数字终端(HDT)的设备支持电话业务。HDT可包含在电缆一侧的射频接口，以及与电话开关的接口，或与传输信号到另一侧开关的电缆的接口。
此外，常规HFC体系结构的数据服务集线器可另外包括电缆调制解调终端系统(CMTS)。这种系统为数据服务集线器和用户之间传输的数据提供低层格式化和传输功能。CMTS系统可双向运行，这意味着其可下行发送信号到用户以及接收从用户上行发送的信号。
除了CMTS，数据服务集线器的常规HFC体系结构通常包含若干调制器，其中可包括微型电视发射机。每个调制器可将从卫星接收的视频信号转换到指定信道(频率)以发送给用户。除了调制器，还使用信号处理器和其它设备采集整套电视信号以发送给用户。通常在常规HFC体系结构中，可以存在78或更多这种调制器或处理器与它们的支持设备以服务模拟TV天线阵。另外，还经常使用类似设备服务数字视频天线阵。
常规HFC体系结构的另一缺陷来自CMTS的使用。类似于上面讨论的无源光学网络(PON)，CMTS不能支持对称带宽。也就是说，由于使用通过电缆服务接口传输数据规范(DOCSIS)，常规HFC体系结构的带宽通常不对称。DOCSIS标准的本质是其限制用户可用的上行流带宽。这可能是在HFC设备可用的上行流带宽有限的直接结果。这种特征对需要发送更为多元数据，用于带宽密集型业务，如归属服务器，或通过因特网交换音频文件的用户来说是不希望的。
在常规HFC体系结构的另一改型中，CMTS可以是在用户和数据服务集线器之间配置的有源信号源的一部分。虽然常规HFC体系结构的这种改型使得有源信号源能执行某些处理，但在这种体系结构中有源信号源的输出仍旧是射频能量，而且沿同轴电缆传输。
因此，在现有技术中需要一种用于在数据服务提供商和用户之间传递光信号的系统和方法，这种系统和方法无须使用同轴电缆和支持数据信号沿同轴电缆传输所必需的相关硬件和软件。在现有技术中还需要一种支持高速对称数据传输的用于在数据服务提供商和用户之间传递光信号的系统和方法。换言之，在现有技术中需要一种能往返网络用户下行和上行传输相同比特率的全光纤网络和方法。此外，在现有技术中还需要一种能服务大量用户，同时能减少在数据服务集线器的连接数量的光学网络系统和方法。
在现有技术中还需要一种有源信号源，这种有源信号源能配置在数据服务集线器和用户之间，可设计用于承受室外环境条件，而且可设计用于悬挂在绞合线上，或安装在类似于在通信网络的最后一英里内放置的常规有线TV设备的基座内。另外，在现有技术中还需要一种用于以光学形式从数据服务集线器接收至少吉比特(gigabit)或快速以太网通信，或将这种光带宽分割或分配为预定数量的分配组的系统和方法。在现有技术中还需要一种能基于光学网络中一个或多个用户的需求分配附加或压缩带宽的系统和方法。在现有技术中还需要一种适合于在网络一侧整体执行有效升级的光学网络系统。换言之，在现有技术中需要一种允许升级硬件发生在服务集线器和在数据集线器与用户之间配置的有源信号源之间和内部位置的光学网络系统。
发明内容
本发明一般涉及一种用于通过光纤网络有效传输数据和广播信号的系统和方法。具体来说，本发明一般涉及一种光学网络体系结构，其包含位置非常接近光纤网的用户的室外激光收发信机或处理节点。例如，室外激光收发信机节点可设计用于承受室外环境条件，而且可设计用于悬挂在绞合线上，或者安装到类似于在网络的“最后一英里”内放置的常规有线TV设备的基座中。
室外激光收发信机节点与在用户光接口和数据服务集线器之间配置的常规路由器不同，其并不需要有源降温和升温设备来控制激光收发信机节点周围的温度。此外，激光收发信机节点能在宽的温度范围内工作。由于激光收发信机节点并不需要有源温控设备，因此激光收发信机节点适合于小型电子封装体积，通常小于常规路由器的人造环境室。
与常规有线TV设备或常规光处理节点相反，激光收发信机节点能以光形式从数据服务集线器接收至少吉比特(gigabit)或快速以太网通信，以及将这种光带宽分割或分配为预定数量的分配组。在一个示例性实施例中，激光收发信机节点能将该光带宽划分为包含至少6组至少16个用户的分配组。
激光收发信机节点利用适当协议能基于一个或多个用户的需求分配附加或压缩带宽。也就是说，激光收发信机节点能基于预约或基于需要调整用户的带宽。激光收发信机节点能以预先指定的增量为用户提供数据带宽。例如，激光收发信机节点能以1，2，5，10，20，50，100，200以及450Mb/s的单位提供特定用户或用户组带宽。
除了以预先指定的增量提供带宽，激光收发信机节点适合于在网络一侧整体执行有效升级。换言之，升级构成激光收发信机节点的硬件可发生在数据服务集线器(如，首端)和激光收发信机节点自身之间和内部的位置。这意味着在升级激光收发信机节点或数据服务集线器或同时升级二者期间网络的用户一侧能整体保持不变。
激光收发信机节点还能提供高速对称数据传输。换言之，激光收发信机节点能从网络用户下行和上行传输相同比特率。此外，激光收发信机节点在降低数据服务集线器的连接数量的同时也能服务大量用户。
激光收发信机节点的灵活性和多样性可归因于至少一些部件。激光收发信机节点可包含与一个或多个分接头复用器连接的光分接头路由设备。光分接头路由设备可管理与数据服务集线器光信号的连接，以及能根据调制激光发射机的各个分接头复用器路由或分割或分配数据服务集线器信号以便为特定光分接头生成光信号。也就是说，与分配单个端口给单个用户的常规路由器不同，光分接头路由设备能分配多个用户给单个端口。具体来说，与光分接头路由设备的端口连接的每个分接头复用器能服务多组用户。各个分接头路由器能调制激光发射机，以便为与光分接头连接的预先指定的用户组提供下行流光信号。用户利用用户光接口能从这些光分接头接收下行流光信号。
光分接头路由设备能确定哪个分接头复用器将接收下行流电信号，或识别这多个光分接头中哪个发出上行流信号。光分接头路由设备还可格式化数据并实现从与相应光分接头连接的每个用户发送和接收数据所需的协议(下面将讨论)。光分接头路由设备包含计算机或硬连线装置，执行为与分配给单个端口的用户组通信定义协议的程序。这些单个端口与相应的分接头复用器连接(下面将详细讨论)。
激光收发信机节点还包括现用硬件以生成光信号。例如，激光收发信机节点可包含一个或多个法布里-珀罗(F-P)激光发射机，分布式反馈激光器(DFB)，或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。激光收发信机节点还可支持源自数据服务集线器的单向光信号。激光收发信机节点可组合单向光信号与下行流光信号以便单个光波导能连接激光收发信机节点与相应用户。单向光信号可包含广播视频或其它类似的射频调制光信号。
激光收发信机节点只是本发明的一部分。本发明在激光收发信机节点和相应的用户光接口之间还包括一个有效的耦合器，称之为光分接头。这种光分接头能在多个用户之间分割光信号而且设计简单。例如，每个光分接头可包含一个光分路器，其可馈电一个或多个用户。光分接头可级联或以星型结构从激光收发信机节点连接。光分接头还可路由信号到与相应光分接头下行相关的其它光分接头。光分接头还可连接少量光波导，以便在任何特定的激光收发信机节点不会出现光波导的高度集中。换言之，光分接头能在远离激光收发信机节点的某一点连接预定数量的光波导，以便避免在激光收发信机节点出现光波导的高度集中。
如上指出，光分接头和激光收发信机节点只是本发明的一部分，本发明的系统包含光分接头，激光收发信机节点，数据服务集线器，用户光接口，以及在光分接头和激光收发信机节点之间连接的光波导。
图1是根据本发明的示例性光学网络体系结构的某些核心部件的功能框图；图2是本发明的示例性光学网络体系结构的功能框图；图3是本发明的示例性数据服务集线器的功能框图；图4是根据本发明的示例性室外激光收发信机节点的功能框图；图5是根据本发明的一个示例性实施例，通过单个光波导与用户接口相连的光分接头的功能框图；图6是根据本发明的一个可选示例性实施例的示例性数据服务集线器的功能框图，其中上行流光信号和下行流光信号沿独立的光波导传输；图7是一种示例性室外激光收发信机节点的功能框图，除了能与下行流光信号混合的单向信号，其还能接受沿独立光波导传输的上行流和下行流光信号。
图8是另一种示例性室外激光收发信机节点的功能框图，除了传输单向信号的多个光波导，其能接受在独立的上行和下行光波导中传输的光信号。
图9是另一种数据服务集线器的示例性实施例的功能框图，其中诸如视频或射频信号的单向信号与下行流光信号组合；图10是另一种示例性室外激光收发信机节点的功能框图，除了类似射频传输或视频数据的单向信号，其还能处理包含下行流光信号的组合下行流信号；图11是另一种示例性室外激光收发信机节点的功能框图，其在分接头复用器和相应的用户组之间使用双收发信机；图12是另一种示例性室外激光收发信机节点的功能框图，其包含在激光收发信机节点自身内部配置的光分接头；图13是利用本发明的激光收发信机节点处理单向和双向光信号的示例性方法的逻辑流程图；图14是利用根据本发明的激光收发信机节点处理下行流光信号的示例性过程的逻辑流程图；图15是利用根据本发明的示例性激光收发信机节点处理上行流光信号的示例性过程的逻辑流程图；图16是利用根据本发明的光分接头处理单向和双向光信号的逻辑流程图；图17是利用根据本发明的用户接口处理单向光信号和和双向光信号的逻辑流程图。
具体实施例方式本发明可体现于光学网络内部配置的硬件或软件或硬件和软件的组合。本发明可包含在数据服务集线器和用户之间配置的激光收发信机节点，其能基于一个或多个用户的需求分配附加或压缩带宽。本发明可以光形式往返数据服务集线器支持吉比特(gigabit)或快速以太网通信，以及将这种光带宽分割或分配为预定数量的分配组。本发明允许以预先指定的增量为用户提供带宽。本发明的灵活性和多样性可归因于一些部件。
本发明的激光收发信机节点可包含与一个或多个光分接头路由器连接的光分接头路由设备。光分接头路由设备可分配多个用户给单个端口以从数据服务集线器接收下行流光信号。本发明的激光收发信机节点可包含现用硬件以生成光信号。例如，本发明的激光收发信机节点可在发射机中包含一个或多个法布里-珀罗(F-P)激光器、分布式反馈激光器、或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。本发明在激光收发信机节点和相应用户光接口之间还可包含有效的耦合器，如光分接头。
光分接头能在多个用户间分割光信号，而且其设计简单。光分接头在远离激光收发信机节点的某一点能连接有限数量的光波导，以便避免在激光收发信机节点出现光波导的高度集中。在另一示例性实施例中，可在本发明的激光收发信机节点内部配置光分接头。
现在参考附图，其中整个附图中相同附图标记表示相同元件，下面将描述本发明的各个方面和示意性工作环境。
图1是根据本发明的示例性光学网络体系结构100的功能框图。示例性光学网络体系结构100包括数据服务集线器110，其与室外激光收发信机节点120相连。激光收发信机节点120 与光分接头130相连。光分接头130可连接多个用户光接口140。在示例性光学网络体系结构100的各个部件之间有多个光波导，如光波导150、160、170和180。光波导150-180由箭头示意，其中箭头的头部示意数据在该示意性光学网络体系结构100的各个部件之间的示意性流动方向。虽然图1中只示意了单个激光收发信机节点120，单个光分接头130以及单个用户光接口140，但从图2和其相应描述中可看出，可使用多个激光收发信机节点120，光分接头130和用户光接口140，而不偏离本发明的范围和精神。通常在本发明的许多示例性实施例中，有多个用户光接口140与一个或多个光分接头130相连。
室外激光收发信机节点120能基于使用用户光接口140的一个或多个用户的需求分配附加或压缩带宽。室外激光收发信机节点120可设计用于承受室外环境条件，而且能设计用于悬挂在绞合线上或安装于基座或“硬穿孔”内。室外激光收发信机节点可工作于-40℃到+60℃的温度范围内。激光收发信机节点120通过利用不消耗能量的无源降温设备可工作于这种温度范围。
室外激光收发信机节点120不同于在用户光接口140和数据服务集线器110之间配置的常规路由器，其不需要有源降温和升温设备来控制激光收发信机节点120周围的温度。本发明试图在数据服务集线器110，而不是在激光收发信机节点120放置更多决策电子设备。通常这些决策电子设备尺寸很大而且所产生的热量比在本发明的激光收发信机节点内放置的电子设备要高。由于激光收发信机节点120并不需要有源温控设备，因此激光收发信机节点120适合于小型电子封装体积，通常要比常规路由器的人造环境室小。下面参考图4、7、8、10、11和12详细讨论组成激光收发信机节点120的部件的具体结构。
在本发明的一个示例性实施例中，三条干线光波导160、170和180(可包含光纤)可从数据服务集线器110传输光信号到室外激光收发信机节点120。应指出，在本申请中使用的术语“光波导”可应用于光纤、平面光导电路以及光纤抽头和其它类似的光波导。
第一光波导160可传输广播视频和其它信号。这些信号可以通过传统的有线电视格式传输，其中广播信号被调制到载波上，载波又调制数据服务集线器110中的光发射机(未示出)。第二光波导170可传输诸如数据和电话业务的下行流目标业务以传送到一个或多个用户光接口140。除了传输用户特定的光信号，第二光波导170还可传输因特网协议广播分组，这是本领域的技术人员可以理解的。
在一个示意性实施例中，第三光波导180可将数据信号从室外激光收发信机节点120下行传输到数据服务集线器110。沿第三光波导180传输的光信号也可包含从一个或多个用户接收的数据和电话业务。类似于第二光波导170，第三光波导180也可传输IP广播分组，这是本领域的技术人员可以理解的。
图中以虚线示意了第三或上行流光波导180，用于表明其仅仅是根据本发明的一个示例性实施例的一部分。换言之，可以去掉第三光波导180。在另一个示例性实施例中，第二光波导170在上行流和下行流方向均能传输光信号，这可由描绘第二光波导170的双箭头示意。在第二光波导170传输双向光信号的这种示例性实施例中，只需要两个光波导160、170以支持光信号在数据服务器集线器110和室外激光收发信机节点120之间传输。在另一个示例性实施例中(未示出)，单个光波导可以是数据服务集线器110和激光收发信机节点120之间的唯一链路。在这种单个光波导的实施例中，有三个不同波长可用于上行流和下行流信号。或者，可调制双向数据到一个波长上。
在一个示例性实施例中，光分接头130可包含一个8路光分路器。这意味着包含8路光分路器的光分接头130可将下行流光信号分成8路以服务8个不同的用户光接口140。在上行流方向，光分接头130可组合从8个用户光接口140接收的光信号。
在另一个示例性实施例中，光分接头130可包含一个4路分路器以服务4个用户光接口140。而在另一示例性实施例中，光分接头130可另外包含一个4路分路器，这个4路分路器也是穿透(pass-through)分接头，这意味着可提取在光分接头130接收的部分光信号以服务其中包含的4路分路器，同时另外下行传输剩余的光能量到另一光分接头或另一用户光接口140。本发明并不局限于4路和8路光分路器。具有少于或多于4路或8路分路的其它光分接头并不超出本发明的范围。
现在参考图2，图2是另外包含对应于相应的室外激光收发信机节点120的用户分组200的示例性光学网络体系结构100的功能框图。图2示意了示例性光学网络体系结构100的多样性，其中在室外激光收发信机节点120和光分接头130之间连接的光波导150的数量最少。图2还示意了可利用光分接头130实现的用户分组200的多样性。
每个光分接头130可包括一个光分路器。光分接头130允许多个用户光接口140连接与室外激光收发信机节点120相连的单个光波导150。在一个示例性实施例中，设计6条光纤150连接室外激光收发信机节点120。通过使用光分接头130，可分配16个用户给与室外激光收发信机节点120相连的每条光纤150。
在另一个示例性实施例中，12条光纤150可连接室外激光收发信机节点120，同时分配8个用户光接口140给每条光纤150。本领域的技术人员将理解，可以改变分配给在室外激光收发信机节点120与用户光接口140之间连接(通过光分接头130)的特定波导150的用户光接口140的数量，而不偏离本发明的范围和精神。此外，本领域的技术人员认识到，分配给特定光缆的用户光接口140的实际数量取决于在特定光纤150上可用的功率大小。
如同在用户分组200中描绘的那样，许多用于为用户提供通信服务的配置都是可能的。例如，虽然光分接头130A可通过用户光接口140AN连接用户光接口140A1与室外激光收发信机节点120，但光分接头130A也可连接诸如光分接头130AN的其它光分接头130与激光收发信机节点120。除了光分接头130与用户光接口140的组合，光分接头130与其它光分接头130的组合是没有限制的。利用光分接头130可降低在激光收发信机节点120的分布式光波导150的密集度。另外，也可降低服务用户分组200所需的光纤总量。
利用本发明的有源激光收发信机节点120，激光收发信机节点120与数据服务集线器110之间的距离可包含0～80km之间的范围。然而，本发明并不局限于这个范围。本领域的技术人员将理解，通过选择组成本发明系统的若干设备的各种现用部件可扩展这个范围。
本领域的技术人员将理解，在数据服务集线器110和室外激光收发信机节点120之间配置的光波导的其它配置并不超出本发明的范围。由于光波导的双向能力，可以改变在数据服务集线器110和室外激光收发信机节点120之间配置的光波导的数量和定向流动，而不偏离本发明的范围和精神。
现在参考图3，该功能框图示意了本发明的示例性数据服务集线器110。图3所示的示例性数据服务集线器110设计用于双干线光波导系统。也就是说，图3的这种数据服务集线器110设计用于沿第一光波导160和第二光波导170往返室外激光收发信机节点120发送和接收光信号。利用这个示例性实施例，第二光波导170可支持双向数据流。通过这种方式就不需要上面讨论的第三光波导180。
数据服务集线器110可包含设计用于支持电视广播服务的一个或多个调制器310、315。这一个或多个调制器310、315可以是模拟或数字型调制器。在一个示例性实施例中，在数据服务集线器110中可能存在至少78个调制器。本领域的技术人员将理解，可以改变调制器310、315的数量而不偏离本发明的范围和精神。
来自调制器310、315的信号在合路器320被组合，并提供给光发射机325，由调制器310、315生成的射频信号在光发射机325被转换为光形式。
光发射机325可包含法布里-珀罗(F-P)激光发射机、分布式反馈激光器(DFB)或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)中的一种。然而，也可以是其它类型的光发射机，而不超出本发明的范围。利用上述的光发射机325，数据服务集线器110通过利用现用硬件生成光信号适合于有效升级。
由光发射机生成的光信号(通常称为单向光信号)被传输到诸如搀杂铒的光纤放大器(EDFA)的放大器330，在此单向光信号被放大。经放大的单向光信号接着通过与一个或多个第一光波导160相连的单向信号输出端口335被输出数据服务集线器110。
单向信号输出端口335与一个或多个第一光波导160相连，以支持源自数据服务集线器110的单向光信号到达相应的激光收发信机节点120。图3所示的数据服务集线器110另外包含因特网路由器340。数据服务集线器110另外包含电话交换机345，以便为光学网络系统100的用户支持电话业务。然而，数据服务集线器110还可支持诸如IP电话的其它电话业务。如果数据服务集线器110只支持IP电话，那么显然本领域的技术人员知道，可以省略电话交换机345以支持低成本的VoIP设备。例如，在另一示例性实施例中(未示出)，电话交换机345可以用其它电话接口设备取代，如软交换和网关。但是，如果需要电话交换机345，其可远离数据服务集线器110放置，而且可以通过互连的任何一个常规装置连接。
数据服务集线器110可另外包含逻辑接口350，其与激光收发信机节点路由设备355相连。当需要支持IP业务时，逻辑接口350可包含话音经IP(VoIP)网关。激光收发信机节点路由设备355可包含常规路由器以支持用于与一个或多个激光收发信机节点120通信的接口协议。这种接口协议可包含吉比特(gigabit)或快速以太网、网际协议(IP)或SONET协议中的一种。然而，本发明并不局限于这些协议。也可使用其它协议而不偏离本发明的范围和精神。
逻辑接口350和激光收发信机节点路由设备355可读出源自激光收发信机节点120和因特网路由器340的分组信头。逻辑接口350也可解释与电话交换机345的接口。在读出分组信头后，逻辑接口350和激光收发信机节点路由设备355可确定发送信息分组的去向。
激光收发信机节点路由设备355可为相应的光发射机325提供下行流数据信号。由光发射机325转换的数据信号接着被传送到双向分路器360。从光发射机325发送到双向分路器360的光信号接着被传输到双向数据输入/输出端口365，该端口与第二光波导170相连，以在数据服务集线器110和相应的激光收发信机节点120之间支持双向光数据信号。从相应的激光收发信机节点120接收的上行流光信号可以被馈送到双向数据输入/输出端口365，在此光信号接着被转发到双向分路器360。相应的光接收机370可从双向分路器360转换上行流光信号为电信号。由相应的光接收机370生成的上行流电信号接着被馈送到激光收发信机节点路由设备355。每个光接收机370可包含一个或多个光电接收机或光电二极管，以将光信号转换为电信号。
当数据服务集线器110和相应的激光收发信机节点120之间的距离适中时，光发射机325可以1310nm传输光信号。但是，当数据服务集线器110和激光发射机节点之间的距离更大时，采用或不采用适当的放大设备，光发射机325都能以1550nm的波长传输光信号。
本领域的技术人员知道，对于在数据服务集线器110和室外激光收发信机节点120之间所需的光路径长度可优化选择用于每个电路的光发射机325。此外，本领域的技术人员将理解，上面讨论的波长是实用的，但只是本发明特征的示意。在某些情形下，可能以不同方式使用位于1310和1550nm的通信窗口而不偏离本发明的范围和精神。此外，本发明并不局限于1310和1550nm的波长区域。本领域的技术人员将理解，光信号的波长较短或较长都不会偏离本发明的范围和精神。
现在参考图4，图4示意了本发明的示例性室外激光收发信机节点120的功能框图。在这个示例性实施例中，激光收发信机节点120可包含单向光信号输入端口405，其能接收从数据服务集线器110沿第一光波导160传输的光信号。在单向光信号输入端口405接收的光信号可包含广播视频数据。在输入端口405接收的光信号被传输到诸如搀杂铒的光纤放大器(EDFA)的放大器410，在此光信号被放大。经放大的光信号接着被传输到分路器415，分路器415在设计用于转发光信号到预定用户组200的双工器之间分割广播视频光信号。
激光收发信机节点120可另外包含双向光信号输入/输出端口425，其连接激光收发信机节点120与第二光波导170，以支持数据服务集线器110和激光收发信机节点120之间的双向数据流。下行流光信号通过双向光信号输入/输出端口425流到光波导收发信机430，以将下行流光信号转换为电信号。光波导收发信机另外将上行流电信号转换为光信号。光波导收发信机430可包含光/电和电/光转换器。
下行流和上行流电信号在光波导收发信机430和光分接头路由设备435之间传输。光分接头路由设备435可管理与数据服务集线器光信号的连接，并可根据与一个或多个光分接头130以及最终与一个或多个用户光接口140传输光信号的各个分接头复用器440路由或分割或分配数据服务集线器信号。应指出，分接头复用器440工作于电领域以调制激光发射机，用以生成光信号分配给与一个或多个光分接头连接的用户组。
在可用上行流数据分组到达时，由每个分接头复用器440通知光分接头路由设备435。光分接头路由设备与每个分接头复用器440相连以接收这些上行流数据分组。光分接头路由设备435通过光波导收发信机430中继这些分组到数据服务集线器110。光分接头路由设备435通过读出每个分组的源IP地址可根据从所有分接头复用器440(或端口)到达此处的这些上行流数据分组建立查询表，并使其与其所经过的分接头复用器440相关。这种查询表接着可用于在下行路径路由分组。由于每个分组从光波导收发信机430进入，光分接头路由设备查看目的IP地址(这与上行流分组的源IP地址相同)。光分接头路由设备从此查询表可确定哪个端口与该IP地址相连，因此其发送该分组到该端口。本领域的技术人员可理解这种情况可描述为通常的第三层路由器功能。
光分接头路由设备435可为单个端口分配多个用户。具体来说，光分接头路由设备435可利用对应的单个端口服务多组用户。与相应的分接头复用器440连接的光分接头130可为利用用户光接口140接收下行流光信号的预先指定的用户组提供下行流光信号。
换言之，光分接头路由设备435可确定哪个分接头复用器440将接收下行流电信号，或识别多个光分接头130中哪个分接头传输上行流光信号(被转换为电信号)。光分接头路由设备435可格式化数据，并实现从与相应光分接头130相连的每个用户发送和接收数据所需的协议。光分接头路由设备435可包含计算机或硬连线装置，以执行定义用于与分配给各个端口的用户组通信的协议的程序。在2000年10月27日申请，指定美国申请序列号No.60/243,978，标题为“通过光缆提供话音和数据业务的协议”的共同未决和共同受托的临时专利申请中，讨论了定义此协议的一个示例性程序的实施例，其全部内容在此结合作为参考。在2001年5月7日申请，指定美国申请序列号No.60/289,112，标题为“通过光缆-part 2提供话音和数据业务的协议”的共同未决和共同受托的临时专利申请中，讨论了定义此协议的另一个示例性程序的实施例，其全部内容在此结合作为参考。
光分接头路由设备的各个端口与相应的分接头复用器440相连。利用光分接头路由设备435，激光收发信机节点120可基于预约或基于需要或需求调整用户的带宽。激光收发信机节点120通过光分接头路由设备435可以预先指定的增量为用户提供数据带宽。例如，激光收发信机节点120通过光分接头路由设备435可以1、2、5、10、20、50、100、200以及450Mb/s的单位提供给特定用户或用户组带宽。本领域的技术人员将理解，其它用户带宽单位并不超出本发明的范围。
电信号在光分接头路由设备435和相应的分接头复用器440之间传输。分接头复用器440往返各个用户组传输光信号。每个分接头复用器440与一个相应的光发射机325相连。如上指出，每个光发射机325可包含法布里-珀罗(F-P)激光器，分布式反馈(DFB)激光器，或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的一种。光发射机产生的下行流光信号向用户光接口140传输。每个分接头复用器440还连接光接收机370。每个光接收机370如上指出可包含光电接收机或光电二极管。由于光发射机325和光接收机370可包含现用硬件以生成和连接相应的光信号，因此激光收发信机节点120适合于有效升级和维护以提供显著增长的数据率。
每个光发射机325和每个光接收机370与一个相应的双向分路器360相连。每个双向分路器360又与双工器420相连，双工器420组合从分路器415接收的单向光信号与从相应的光接收机370接收的下行流光信号。通过这种方式，利用单个光波导，如图2所示的分布式光波导150，可提供广播视频业务以及数据业务。换言之，光信号可从每个相应的双工器420连接到与相应的分布式光波导150相连的组合信号输入/输出端445。
激光收发信机节点120不同于常规技术，其不使用常规路由器。激光收发信机节点120的部件可以配置在小型电子封装体积内。例如，激光收发信机节点120可设计悬挂在绞合线上或安装在类似于网络的“最后一英里”或贴近用户部分内放置的常规有线TV设备的基座内。应指出，术语“最后一英里”常用于描述连接用户的光学网络的最后一部分的一般术语。
由于光分接头路由设备435并不是常规路由器，其并需要有源温控设备来维持工作环境在特定温度。换言之，在一个示例性实施例中，激光收发信机节点120可工作于-40℃到60℃之间的温度范围内。
虽然，激光收发信机节点120并不包含需要消耗能量以维持激光收发信机节点120的温度为特定温度的有源温控设备，但激光收发信机节点120可包含一个或多个并不消耗能量的无源温控设备450。无源温控设备450可包含一个或多个热沉或热管以便为激光收发信机节点120散热。本领域的技术人员将理解，本发明并不局限于这些示例性的无源温控设备。此外，本领域的技术人员还将理解，本发明并不局限于所公开的示例性工作温度范围。利用适当的无源温控设备450，可以缩小或扩大激光收发信机节点120的工作温度范围。
除了激光收发信机节点120具有承受苛刻的室外环境条件的能力，激光收发信机节点120还可提供高速对称数据传输。换言之，激光收发信机节点120能往返网络用户上行和下行传输相同比特率。这是优于常规网络的另一优点，在上面的背景技术中讨论过，常规网络通常不能支持对称数据传输。此外，激光收发信机节点120还能服务大量用户，同时降低在数据服务集线器110和激光收发信机节点120自身的连接数量。
激光收发信机节点120也适合于在网络一侧或数据服务集线器110一侧整体执行有效升级。也就是说，升级构成激光收发信机节点120的硬件可发生在数据服务集线器110和激光收发信机节点120之间和内部位置。这意味着在升级激光收发信机节点120或数据服务集线器110或二者期间，网络的用户一侧(从分布式光波导到用户光接口140)可整体保持不变。
下面提供一个可利用本发明的原理实现的升级例子。在本发明一个示例性实施例中，激光收发信机节点120的用户一侧可服务6个16用户组，总共多达96个用户。每个16用户组可共用大约450Mb/s速度的数据路径。这些路径中6个代表总速度6*450＝2.7Gb/s。激光收发信机节点120和数据服务集线器110之间的数据通信路径在最基本的形式中可工作于1Gb/s。因此，虽然用于用户的数据路径可支持高达2.7Gb/s，但用于网络的数据路径只能支持1Gb/s。这意味着不是所有的用户带宽都是可用的。由于带宽使用的统计特性，通常这并不成其为问题。
升级可在激光收发信机节点120和数据服务集线器110之间增加1Gb/s的数据路径速率。这可通过增加更多1Gb/s数据路径实现。再增加一个路径将增大数据率到2Gb/s，这接近总的用户侧数据率。第三数据路径将允许网络侧的数据率超过用户侧的数据率。在其它示例性实施例中，在一个链路上的数据率可从1Gb/s上升到2Gb/s，接着上升到10Gb/s。因此，当这种情况发生时，不用再增加光链路就能升级链路。
通过本领域的技术人员已知的任何一种方法可实现附加数据路径(带宽)。这可通过利用工作于多个光波导的多个光波导收发信机430实现，或它们可使一个光波导工作于多个波长，或可使用上面示意的高速光波导收发信机430。因此，通过升级激光收发信机节点120和数据服务集线器110以操作不止一个1Gb/s链路，不必须以用户为前提进行改动就能实现系统升级。
现在参考图5，图5示意了根据本发明的一个示例性实施例通过单个光波导150与用户光接口140相连的光分接头130的功能框图。光分接头130可包括一个组合信号输入/输出端口，其与连接激光收发信机节点120的另一分布式光波导相连。如上指出，光分接头130可包含光分路器510，其可以是4路或8路光分路器。具有少于或多于4路或8路分路的其它光分接头也不超出本发明的范围。光分接头可分割将下行流光信号以服务相应的用户光接口140，在光分接头130包含4路光分接头的示例性实施例中，这种光分接头可以是穿透型，这意味着一部分下行流光信号被提取或分割以服务其中所包含的4路分路器，同时其余光能量另外被下行传递到其它分布式光波导150。
光分接头130是有效的耦合器，其可在激光收发信机节点120和相应的用户光接口140之间传输光信号。光分接头130可以级联，或它们可以星型结构从激光收发信机节点120连接。如上所述，光分接头130还可路由信号到与相应光分接头130下行相关的其它光分接头。
光分接头130也可连接有限或少量光波导，这样在任何特定的激光收发信机节点120就不会出现光波导的高度集中。换言之，在一个示例性实施例中，光分接头在远离激光收发信机节点120的某一点可连接有限数量的光波导150，以便避免在激光收发信机节点出现光波导150的高度集中。然而，本领域的技术人员将理解，对于图12所示的激光收发信机节点120的另一示例性实施例，下面将详细讨论光分接头130可结合到激光收发信机节点120中。
用户光接口140用于将从光分接头130接收的下行流光信号转换为电信号，以利用适当的通信设备进行处理。用户光接口140还可用于将上行流电信号转换为上行流光信号，以沿分布式光波导150传输到光分接头130。用户光接口140可在双向光信号分路器520和模拟光接收机525之间包含光双工器515，以分割从分布式光波导150接收的下行流光信号。光双工器515可接收由数字光发射机530生成的上行流光信号。数字光发射机530将电的二元/数字信号转换为光形式，以便光信号能发送回数据服务集线器110。相反，数字光接收机540将光信号转换为电的二元/数字信号，以便这些电信号能由处理器550进行处理。
本发明可以以各种波长传输光信号。然而，所讨论的波长区域是实用的，它们只是本发明的示例性实施例。本领域的技术人员将理解，任何高于或低于或在1310或1550nm波长区域之间的其它波长均不超出本发明的范围。
模拟光接收机525能将下行流广播光学视频信号转换为模拟射频电视信号，以输出经调制的视频单向信号输出端535。经调制的视频单向信号输出端535可馈电视频接收机，如电视机(未示出)或收音机(未示出)。模拟光接收机525可处理模拟调制的视频传输以及用于数字TV应用的数字调制射频传输。
双向光信号分路器520可在相应方向传输组合光信号。也就是说，从光双工器515进入双向光分路器520的下行流光信号被传输到数字光接收机540。从数字光发射机530进入到此的上行流光信号被送至光双工器515，接着送至光分接头130。双向光信号分路器520与数字光接收机540相连，接收机540将下行流数据光信号转换为电信号。其间双向光信号分路器520还与数字光发射机530相连，以将上行流电信号转换为光信号。
数字光接收机540可包含一个或多个光电接收机或光电二极管以将光信号转换为电信号。数字光发射机可包括一个或多个激光器，如法布里-珀罗(F-P)激光器，分布式反馈(DFB)激光器，以及垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
数字光接收机540和数字光发射机530与处理器550相连，处理器550基于所嵌入的地址选择预定用于瞬时用户光接口140的数据。由处理器550处理的数据可包含一种或多种电话和数据业务，如因特网业务。处理器550与电话输入/输入端555相连，其可包含一个模拟接口。处理器550还可连接数据接口560，数据接口560可为计算机设备，机顶盒，ISDN电话以及其它类似设备提供链路。作为选择，数据接口560可包含与话音经IP(VoIP)电话或以太网电话的接口。数据接口560可包含以太网(10BaseT，100BaseT，Gigabit)接口，HPNA接口，通用串行总线(USB)，IEEE1394接口，ADSL接口以及其它类似接口中的一种。
现在参考图6，图6是根据本发明的一个可选示例性实施例的示例性数据服务集线器110B的功能框图，其中上行流光信号和下行流光信号沿独立的光波导传输，如上面参考图1讨论的第二光波导170和第三光波导180。换言之，在这个示例性实施例中，第二光波导170设计用于只传输下行流光信号，而第三光波导180设计用于只从激光收发信机节点120传输上行流光信号。
该示例性数据服务集线器110B还包括与第二光波导170相连的下行流光信号输出端口605。数据服务集线器110B还包括与第三光波导180相连的上行流光信号输出端口。利用该示例性数据服务集线器110B，独立的光波导180和170传输相应的上行流和下行流光信号。利用这个示例性实施例，由于去除了之前用于组合和分隔上行流和下行流光信号的附加组件，因此能保存能量。
这个示例性实施例的数据服务集线器110B还可减小因功率损耗和串话引起的距离限制。换言之，在提供比接收功率更多光功率的光发射机的每一端，由于上行流和下行流光信号方向之间的不完全隔离，可能在接收机造成干扰。通过对上行流和下行流光信号使用独立的光波导，可以大为降低或消除这种干扰。
现在参考图7，图7示意了示例性室外激光收发信机节点120B的功能框图，除了能与下行流光信号混合的单向信号，该节点还可接受沿独立的光波导传输的上行流和下行流光信号。换言之，激光收发信机节点120B可与图6所示的示例性数据服务集线器110B连接。
激光收发信机节点120B可包含与图1所示的第二光波导170相连的下行流光信号输入端口705。下行流光信号输入端口705连接光接收机710，以将下行流光信号转换为电信号。光接收机710又将电信号馈送到光分接头路由设备435。
图7的激光收发信机节点120B可另外包含光发射机720，其将从光分接头路由设备435接收的电信号转换为光信号。由光发射机720生成的光信号被馈送到上行流光信号输出端口715。上行流光信号输出端口715与图1所示的第三光波导180相连。相比图4所示的示例性激光收发信机节点120A，双向分路器360已经被第二分路器4202取代。光发射机325生成的光信号的波长比相应的用户光接口140产生的上行流光信号长。例如，在一个示例性实施例中，光发射机325可生成波长在1410和1490nm之间的光信号，而上行流光信号保持在1310nm的波长区域。
如上指出，本领域的技术人员将理解，所讨论的波长只是本发明特征的示意。在某些情况下，可能以不同方式使用位于1310和1550nm的通信窗口，而不偏离本发明的范围和精神。此外，本发明并不局限于上面讨论的波长区域。本领域的技术人员将理解，光信号的波长较短或较长都不超出本发明的范围和精神。
由于在上行流和下行流光信号之间的波长区域存在差异，附加双工器420可替代前述的双向分路器360(如图4的示例性实施例示意)。该附加或替代的双工器420的损耗与在图4的示例性实施例中使用的前述双向分路器360不同。这种用附加双工器420替代双向分路器360也可应用于用户光接口140。也就是说，当上行流和下行流光信号工作于各自的不同波长区域时，用户光接口140的双向光信号分路器可以用双工器420替代。用双工器420替代双向分路器360可降低激光收发信机节点120和用户光接口140之间的光损耗。
作为选择，如果激光收发信机节点120正对上行流和下行流光信号使用相同波长，则光接口140使用具有图5所示的相应光功率损耗的双向光信号分路器520。本领域的技术人员将理解，可以对激光收发信机节点120的部件作各种其它替换而不偏离本发明的范围和精神。
现在参考图8，图8示意了另一示例性室外激光收发信机节点120C，除了传输单向信号的多个光波导，其可接受从独立的上行流和下行流光波导传输的光信号。在此示例性实施例中，图8的激光收发信机节点120C可包含与多个第一光波导160相连的多个单向信号输入端口805。在此示例性实施例中，与图4的激光收发信机节点120A和图7的激光收发信机节点120B相比，从图8所示的激光收发信机节点120C中已经去除了放大器410。放大器410从激光收发信机节点120C中去除并被放置在数据服务集线器110中。
从多个第一光波导160传输的光信号利用第一组双工器4201与源自第二组双工器4202的上行流和下行流光信号组合。这是设计用于从图8的激光收发信机节点120C移动放大器410(典型地包含搀杂铒的光纤放大器-EDFA)到数据服务集线器110，以及用于包含馈送入激光收发信机节点120C的多个第一光波导，这种设计可基于经济和光波导的可用性考虑。
图9示意了另一个示例性实施例的数据服务集线器110D，其中诸如视频或射频信号的单向信号与下行流光信号组合。在此示例性实施例中，数据服务集线器110B还包括分路器415，将广播视频光信号馈送到相应的双工器420。相应的双工器420组合广播视频光信号与由相应的光发射机325生成的下行流数据光信号。通过这种方式，由于广播视频光信号与沿第二光波导170传输的下行流数据光信号组合，因此可省去图1所示的第一光波导160。
图10示意了可与图9所示的数据服务集线器110D连接的另一示例性激光收发信机节点120D。在此示例性实施例中，激光收发信机节点120D包含一个组合下行流光信号输入端1005，其连接第二光波导160以便提供包含广播视频业务和数据业务的组合下行流光信号。激光收发信机节点120D还包括双工器420，将广播视频或射频信号馈送到放大器410。广播视频或射频光信号接着被送至分路器415，分路器415又将这些光信号发送至第一组双工器4201。图9所示的数据服务集线器110D和图10所示的激光收发信机节点120D的组合能节省这两个设备之间的光波导。
如上指出，在另一示例性实施例中，可以只使用一条光纤(未示出)以链接数据服务集线器110和激光收发信机节点120。在这种示例性实施例中，不同波长可用于传输上行流和下行流光信号。
图11是另一示例性室外激光收发信机节点120E的功能框图，其在分接头复用器440和相应的用户组之间使用双收发信机。在此实施例中，源自每个相应的分接头复用器440的下行流光信号在分接头复用器440之后被立即分路。在此示例性实施例中，每个光发射机325设计用于只服务8个用户，这与其它实施例中服务16个用户不同。但每个分接头复用器440通常服务16个或更少的用户。
通过这种方式，可大为降低因光分接头130导致的分路损耗。例如，在分接头复用器440之后不立即分路下行流光信号的其它示例性实施例中，这些实施例设计用于服务16个或较少用户，其相应的理论分路损耗接近14dB(包含损耗容限)。例如服务8个或较少用户的当前示例性实施例，理论分路损耗被降至约10.5dB。
在激光收发信机节点120E，由于在任何时候一个接收机370或另一接收机370正从相应用户接收信号，而另一接收机370不在接收信号，因此光接收机370不能并联。不在接收任何上行流光信号的接收机370可能输出噪声，这将干扰来自正在接收上行流光信号的接收机370的信号接收。因此，可使用开关1105以选择当前正在接收上行流光信号的光接收机370。由于分接头复用器知道哪个光接收机370应在任何给定时刻接收上行流光信号，因此其能控制开关1105。
图12是另一示例性室外激光收发信机节点120F的功能框图，其包含在此节点自身内部设置的光分接头130。在此体系结构中，来自每个用户光接口140的光波导150可与激光收发信机节点120F相连。通常，连接激光收发信机节点120F的光波导150的数量使得需要两个激光收发信机节点120来支持光波导150的数量。但是，当存在小于用户最大数量时，可使用一个激光收发信机节点120F来服务现有的业务基础。当业务基础扩展到需要附加激光收发信机节点120的数量时，可增加附加激光收发信机节点。
通过在激光收发信机节点120F内设置光分接头130，由于上述原因，两个或多个收发信机节点120F可与另一个节点共址。换言之，该示例性实施例使得两个或多个收发信机节点120F能相互靠近放置。这种激光收发信机节点120F的放置方式能节省能量，因此能大为节省成本。此外，利用这种共址设计，可很容易获得光学体系结构100的未来扩展。也就是说，可安装一个激光收发信机节点120F直到更多的用户加入到需要该激光收发信机节点的光学网络体系结构100中。由于更多用户加入到光学网络体系结构100，光波导150可连接共址的激光收发信机节点。
现在参考图13，图13示意了利用本发明的激光收发信机节点120处理单向和双向光信号的示例性方法。图13基本上提供了由激光收发信机节点120执行处理的概述。
在下述的过程中，为实现所述的本发明的功能，某些步骤自然必须居其它步骤之前。然而，如果所述步骤的顺序并不改变本发明的功能的话，本发明并不局限于这些步骤顺序。也就是说，可以认为某些步骤可在其它步骤之前或之后执行，而不偏离本发明的范围和精神。
在示例性激光收发信机节点概述过程1300中，步骤1305为第一步骤。在步骤1305，通过图4所示的放大器410放大下行流射频调制的光信号。如上指出，放大器410可包含搀杂铒的光纤放大器(EDFA)。然而，其它光放大器并不超出本发明的范围。
接着，在步骤1307，利用光分接头路由设备435分配相应用户之间的带宽。换言之，光分接头路由设备435可根据预约或基于需要调整用户的带宽。光分接头路由设备435可以1、2、5、10、20、50、100、200以及450Mb/s的单位提供特定用户或用户组带宽。
在步骤1310，经下行流射频调制的光信号与源自分接头复用器440的下行流光信号组合。下行流光信号的组合可发生在双工器420。接着在步骤1315，经组合的下行流光信号沿分布式光波导150传输到分配的相应光分接头组合200。
在步骤1320，上行流光信号被光接收机370接收，接着被转换为上行流电信号。上行流电信号被送至相应的分接头复用器440。从相应的分接头复用器440接收的电信号根据步骤1325在光分接头路由设备435备组合。同样在步骤1325，来自光分接头路由设备435的上行流电信号利用光波导收发信机430或光发射机720被转换为光信号。在步骤1330，上行流光信号通过双向光波导170或专用上行流光波导180被传输到数据服务集线器110。
现在参考图14，图14示意了根据本发明利用激光收发信机节点120处理下行流光信号的示例性过程的逻辑流程图。具体来说，图14的逻辑流程图示意了用于从数据服务提供商110传递光信号到至少一个用户的示例性方法。
如上指出，在下述的过程中，为实现所述的本发明的功能，某些步骤自然必须居其它步骤之前。然而，如果所述步骤的顺序并不改变本发明的功能的话，本发明并不局限于这些步骤顺序。也就是说，可以认为某些步骤可在其它步骤之前或之后执行，而不偏离本发明的范围和精神。
在用于从数据服务提供商传递光信号到至少一个用户的示例性过程1400中，步骤1405为第一步骤。在步骤1405，下行流光信号在激光收发信机节点120被接收。例如，下行流光信号可在图4所示的单向光信号输入端口405被接收。此外，下行流光信号也可在图4示意的双向光信号输入/输出端425被接收。
接着，在步骤1410，下行流光信号可被转换为电信号。换言之，在双向光信号输入/输出端口425接收的下行流光信号可利用光波导收发信机430转换为电信号。如上指出，光波导收发信机430可包含光/电转换器。接着，在步骤1415，光分接头路由设备435在分配给光分接头组130的分接头复用器440之间可分割经转换的电信号。在步骤1420，利用光分接头路由设备435可为用户分割下行流带宽。
在此步骤，光分接头路由设备435可基于预约或基于当前需求为各个用户组分割带宽。光分接头路由设备435可以1、2、5、10、20、50、100、200和450Mb/s的单位分割带宽。然而，本发明并不局限于这些增量。其他带宽增量并不超出本发明的范围和精神。光分接头路由设备435通过执行为与分配给单个端口的用户组进行通信定义协议的程序可以这种方式分配带宽。这些单个端口与相应的分接头复用器440相连。
在步骤1425，由光分接头路由设备435处理的下行流电信号利用分接头复用器440被复用。接着，在步骤1430，下行流电信号利用光发射机325被转换为下行流光信号。如上指出，光发射机325可包含法布里-珀罗(F-P)激光器，分布式反馈(DFB)激光器，或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)中的一种。然而，如上指出，其他类型的激光器并不超出本发明的范围。
在步骤1435，从第一光波导160接收的单向射频调制的光信号利用分路器415被分路为多条路径。接着，在步骤1440，经射频调制的光信号的下行流路径与源自分接头复用器440的下行流光信号的路径组合。
图15是利用根据本发明示例性激光收发信机节点120处理上行流光信号的示例性过程的逻辑流程图。具体来说，图15示意了用于从至少一个用户传递光信号到数据服务提供商集线器的过程。
如上指出，在下述的过程中，为实现所述的本发明的功能，某些步骤自然必须居其它步骤之前。然而，如果所述步骤的顺序并不改变本发明的功能的话，本发明并不局限于这些步骤顺序。也就是说，可以认为某些步骤可在其它步骤之前或之后执行，而不偏离本发明的范围和精神。
在该示例性激光收发信机节点上行过程1500中，步骤1505为第一步骤。在步骤1505，沿分布式光波导150传输源自用户的上行流光信号到光分接头130。接着上行流光信号在步骤1510被光接收机370转换。在步骤1515，上行流电信号在光分接头路由设备435组合。接着，在步骤1520，利用光分接头路由设备435分配用户的上行流带宽，这类似于上面参考图14讨论的分配下行流光带宽的做法。
对于上行流光信号来说，光分接头路由设备435可利用时分多址(TDMA)以便服务或支持来自多个分接头复用器440的信号。本领域的技术人员知道，在时分多址中，光分接头路由设备435及时从一个分接头复用器440转换到另一个分接头复用器440。相反，对于下行流光信号来说，光分接头路由设备435利用时分复用(TDM)。本领域的技术人员知道，当光分接头路由设备435向多个分接头复用器440发送数据时，出现时分复用。在时分复用中，不再去除信号，因此接收时钟保持同步。
在步骤1525，经组合的上行流电信号利用光波导收发信机430或光发射机420被转换为上行流光信号。接着，在步骤1530，经组合的上行流光信号沿诸如第二光波导170或第三光波导180的光波导传输到数据服务集线器110。
图16是利用根据本发明的光分接头130处理单向和双向光信号的逻辑流程图。如上指出，在下述的过程中，为实现所述的本发明的功能，某些步骤自然必须居其它步骤之前。然而，如果所述步骤的顺序并不改变本发明的功能的话，本发明并不局限于这些步骤顺序。也就是说，可以认为某些步骤可在其它步骤之前或之后执行，而不偏离本发明的范围和精神。
在光分接头过程1600中，步骤1605为第一步骤。步骤1605从与激光收发信机节点相连的光波导，如分布式光波导150，转移信号到组合信号输入/输出端口505。接着，在步骤1610，利用光分路器510分路被分接的下行流光信号。光分路器510通过分布式光波导150可将下行流光信号分路到一个或多个用户接口或其他分接头或分路器或它们的组合。在步骤1615，下行流分接头组合光信号可被传输到相应用户，并且利用光分路器510可从相应用户接收和组合上行流光信号。
图17是利用根据本发明的用户光接口140处理单向光信号和双向光信号的逻辑流程图。如上指出，在下述的过程中，为实现所述的本发明的功能，某些步骤自然必须居其它步骤之前。然而，如果所述步骤的顺序并不改变本发明的功能的话，本发明并不局限于这些步骤顺序。也就是说，可以认为某些步骤可在其它步骤之前或之后执行，而不偏离本发明的范围和精神。
在用户光接口过程1700中步骤1705为第一步骤，在步骤1705，利用光双工器515接收组合下行流光信号。接着，在步骤1710，从源自分接头复用器440的下行流数据光信号分隔经射频调制的下行流光信号。在步骤1715，利用模拟光接收机525转换经下行流射频调制的光信号为下行流电光信号。如上指出，除了用于数字TV应用的数字调制信号，模拟光接收机还能处理模拟调制信号。
在步骤1720，上行流电信号利用数字光发射机530被转换为光信号。如上指出，数字光发射机530可包含法布里-珀罗(F-P)激光器，分布式反馈(DFB)激光器，或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)或其他类似激光器中的一种。可以从电话输入/输出端口555或数据接口560或二者生成上行流电信号(如上述讨论)。
在步骤1725，从数字光接收机540发射的下行流电信号被处理器550接收。处理器550又将这些电信号传输到适当的输出设备，如电话输入/输出端口555或数据接口560或二者。如上指出，电话输入/输出端口555或数据接口560或二者可生成上行流电信号，这些电信号被送至处理器550，接着利用数字光发射机530被转换为光信号。
本领域的技术人员知道，本发明的光学网络体系结构100通过光信号可提供至少视频、电话以及计算机通信业务中的一种。本领域的技术人员还将理解，可从示例性光学网络体系结构100中去除包含射频调制信号的视频层，而不偏离本发明的范围和精神。
利用本发明，可提供往返网络用户下行和上行传输相同比特率的全光纤网络和方法。此外，本发明提供的光学网络系统和方法可在降低数据服务集线器的连接数量的同时服务大量用户。
本发明还可提供一种有源信号源，其可放置于数据服务集线器和用户之间，而且可设计用于承受室外环境条件。本发明也可设计用于悬挂在绞线上，或安装到类似于通信网络最后一英里内放置的常规有线TV设备的基座内。本发明的系统和方法可从数据服务集线器以光学形式接收至少吉比特(Gigabit)或快速以太网通信，并将这种光带宽分割或分配为预定数量的分配组。本发明的系统和方法可基于光纤网络上一个或多个用户的需求分配附加或压缩带宽。另外，本发明的光学网络系统适合于在网络一侧整体执行有效升级。换言之，该光学网络系统允许硬件升级发生在数据服务集线器和数据服务集线器与用户之间配置的有源信号源内部和之间位置。
应理解的是，前面的描述仅涉及示意本发明的实施例，不用偏离下述权利要求所定义的本发明的范围和精神就可做各种改变。
权利要求
1.一种光学网络系统，包含一个数据服务集线器；至少一个光分接头；与所述光分接头相连的至少一个用户光接口；在所述数据服务集线器和所述光分接头之间配置的一个激光收发信机节点，用于在所述数据服务集线器和所述光分接头之间传递光信号，以及用于在所述光学网络系统的用户之间分配带宽，以及在相应的光分接头和所述激光收发信机节点之间连接的一个或多个光波导，用于传输上行流光信号和下行流光信号，从而在响应用户需求，用户的光带宽可由激光收发信机节点控制时，所述波导的数量最少。
2.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点还包括一个光分接头路由设备，用于在光学网络系统的用户之间分配带宽。
3.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点还包括与光分接头路由设备连接的至少一个复用器；与所述至少一个复用器相连的至少一个光发射机，用于将从所述数据服务集线器接收的下行流光信号发送到所述光学网络系统的至少一个用户光接口；以及与每个复用器相连的至少一个光接收机，用于从所述光学网络系统的至少一个用户光接口接收和转换上行流光信号。
4.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点还包括与所述至少一个光发射机和光接收机相连的至少一个双工器，每个双工器组合从所述数据服务集线器接收的下行流射频调制光信号与所述下行流光信号，其中每个双工器与相应的光波导相连。
5.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点从所述数据服务集线器接受吉比特以太网光信号并将所述以太网光信号分割为预定数量的分组。
6.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点包含无源降温设备以便在-40℃～60℃之间的温度范围内工作。
7.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点在高架设备环境中可安装在绞合线上。
8.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点在地下设备环境中安装于基座内。
9.根据权利要求1的光学网络系统，其中所述激光收发信机节点和所述数据服务集线器之间的距离包含0～80km之间的范围。
10.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点包含至少一个光发射机，每个光发射机包括法布里-珀罗激光器、分布式反馈激光器、以及垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)中的一种。
11.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点还包括光分接头路由设备，其分配附加或压缩光带宽给在所述光学网络系统中与其他用户光接口相关的至少一个用户光接口。
12.根据权利要求1的光学网络系统，其中激光收发信机节点包含一个光分接头路由设备，以管理上行流和下行流光信号协议。
13.根据权利要求11的光学网络系统，其中一种协议包括时分多址协议。
14.根据权利要求1的光学网络系统，其中用于上行流和下行流光信号的数据比特率基本上对称。
15.根据权利要求1的光学网络系统，其中每个光波导处理至少450Mb/s的数据率。
16.根据权利要求1的光学网络系统，其中每个光分接头包含至少一个光分路器。
17.根据权利要求1的光学网络系统，其中服务一个特定用户光接口分组的一个光分接头与另一光分接头相连。
18.根据权利要求1的光学网络系统，其中每个光分接头除了传输下行流RF调制的光信号，还传输上行流和下行流光信号。
19.根据权利要求1的光学网络系统，其中每个用户光学接口包括一个模拟光接收机、一个数字光接收机、以及一个数字光发射机。
20.根据权利要求1的光学网络系统，其中所述光波导为第一组光波导，所述光学网络系统还包括在所述数据服务集线器和激光收发信机节点之间配置的第二组光波导，所述第二组光波导包含用于传输上行流光信号到数据服务集线器的第一波导，以及用于传输下行流光信号到所述激光收发信机节点的第二光波导。
21.一种光学网络系统，包含一个数据服务集线器；至少一个光分接头；与所述光分接头相连的至少一个用户光接口；在所述数据服务集线器和所述至少一个用户光接口之间配置的一个激光收发信机节点，用于在所述数据服务集线器和所述光分接头之间传递光信号，以及用于在所述光学网络系统的用户之间分配带宽，其中所述光分接头配置在所述激光收发信机节点内部，以及在相应的光分接头和所述激光收发信机节点之间连接的一个或多个光波导，用于传输所述上行流光信号和下行流光信号，从而在响应用户需求，用户的光带宽可由激光收发信机节点控制时，所述波导的数量最少。
22.根据权利要求21的光学网络系统，其中每个光分接头包含一个光分路器。
23.根据权利要求21的光学网络系统，其中服务一个特定用户光接口分组的一个光分接头与另一光分接头相连。
24.一种用于从数据服务提供商传递光信号到至少一个用户的方法，包括步骤在激光收发信机节点，从所述服务提供商接收下行流光信号；在所述激光收发信机节点，在预先指定的复用器之间分割所述下行流信号；在所述激光收发信机节点，在用户之间分配带宽；在所述预先指定的复用器复用所述下行流信号；以及通过至少一个光分接头沿至少一个光波导传输相应的组合下行流光信号到至少一个用户。
25.根据权利要求24的方法，还包括分配用户给相应的各个复用器的步骤。
26.根据权利要求24的方法，还包括步骤从所述服务提供商接收经下行流RF调制的光信号；以及组合下行流光信号与经下行流RF调制的光信号。
27.根据权利要求24的方法，其中接收下行流光信号的步骤还包括从所述数据服务提供商接收至少吉比特或快速以太网光信号的分步骤。
28.根据权利要求24的方法，还包括利用无源降温设备在-40℃和60℃之间操作激光收发信机节点的步骤。
29.根据权利要求24的方法，还包括在高架设备环境中安装激光收发信机节点到绞合线上的步骤。
30.根据权利要求24的方法，还包括在地下设备环境中安装激光收发信机节点到基座内的步骤。
31.根据权利要求24的方法，还包括通过光信号提供视频、电话以及因特网业务中的一种的步骤。
32.根据权利要求24的方法，还包括步骤利用至少一个光分接头分路组合下行流光信号；以及沿至少一根光波导传输经分路的下行流光信号到至少一个用户。
33.根据权利要求24的方法，还包括在1个和16个用户之间连接一个相应光分接头的步骤。
34.根据权利要求24的方法，还包括从另一光分接头馈送光信号给一个光分接头的步骤。
35.根据权利要求24的方法，还包括利用所述至少一个光波导在1个和16个用户之间服务的步骤。
36.根据权利要求24的方法，其中转换下行流电信号的步骤还包括调制法布里-珀罗激光器、分布式反馈激光器、以及垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)中的至少一种，以生成下行流光信号。
37.根据权利要求24的方法，其中分配带宽的步骤还包括为在所述光学网络系统中与其他用户光接口相关的至少一个特定用户光接口分配附加或压缩光带宽的步骤。
38.根据权利要求24的方法，其中分割下行流电信号的步骤还包括利用时分复用协议在预先指定的复用器之间分割下行流电信号的分步骤。
39.根据权利要求24的方法，还包括在上行流光信号和下行流光信号之间保持基本上对称的数据比特率的步骤。
40.根据权利要求24的方法，还包括以至少450Mb/s的数据率传输光信号的步骤。
41.一种用于从至少一个用户传递光信号到数据服务提供商的方法，包括步骤将源自至少一个用户的上行流光信号传输到至少一个光分接头；在激光收发信机节点，从所述至少一个光分接头接收上行流光信号；在所述激光收发信机节点，将上行流光信号转换为电信号；在所述激光收发信机节点，组合上行流电信号；在所述激光收发信机节点，对至少一个用户分配带宽；将所述组合上行流电信号转换为光信号；以及沿至少一根光波导传输所述组合上行流光信号到所述数据服务提供商。
42.根据权利要求41的方法，还包括利用无源降温设备在-40℃和60℃之间操作所述激光收发信机节点的步骤。
43.根据权利要求41的方法，还包括在高架设备环境中安装激光收发信机节点到绞合线上的步骤。
44.根据权利要求41的方法，还包括在地下设备环境中安装激光收发信机节点到基座内的步骤。
45.根据权利要求41的方法，还包括通过光信号提供视频、电话以及因特网业务中的一种的步骤。
46.根据权利要求41的方法，还包括利用至少一个光分接头组合源自多个用户的相应上行流光信号的步骤。
47.根据权利要求41的方法，还包括在1个和16个用户之间连接一个相应光分接头的步骤。
48.根据权利要求41的方法，还包括靠近与所述数据服务提供商相关的光分接头放置所述激光收发信机节点的步骤。
49.根据权利要求41的方法，还包括从另一光分接头馈送光信号给一个光分接头的步骤。
50.根据权利要求41的方法，还包括利用与相应各个复用器相连的单个光波导在1个和16个用户之间服务的步骤。
51.根据权利要求41的方法，还包括在上行流光信号和下行流光信号之间保持基本上对称的数据比特率的步骤。
52.根据权利要求41的方法，还包括以至少450Mb/s的数据率传输光信号的步骤。
全文摘要
一种光纤网可包含贴近光纤网的用户放置的室外激光收发信机节点。室外激光收发信机节点并不需要有源降温和升温设备来控制激光收发信机节点周围的温度。激光收发信机节点可基于预约或基于需要调整用户的带宽。激光收发信机节点还能以预先指定的增量为用户提供数据带宽。另外，激光收发信机节点适合于在网络一侧整体执行有效升级。激光收发信机节点还可提供高速对称数据传输。此外，激光收发信机节点可使用现用硬件来生成光信号，如法布里－珀罗(F－P)激光发射机、分布式反馈激光器(DFB)、或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
文档编号H04B10/40GK1478336SQ01819957
公开日2004年2月25日 申请日期2001年7月5日 优先权日2000年10月4日
发明者詹姆斯·O·法默, 詹姆斯 O 法默, J 肯尼, 约翰·J·肯尼, 克 W 奎恩, 帕特里克·W·奎恩, A 泰, 托马斯·A·泰, F 怀特里斯, 保罗·F·怀特里斯, 伊曼纽尔·A·维拉, 尔 A 维拉 申请人:Wave7光学公司