专利名称：光分组随机存取方法及相应混合缓冲法、光分组交换节点的制作方法
技术领域：
本发明同属于量子光学中的光存储技术领域和光分组交换中的缓冲技术领域。
最近，一系列实验已成功证明，可以在有限的一段时间内将激光脉冲完全停止在冷原子、热原子或固体中，这为研制富有实用化前景的光随机存取器开辟了新的道路。这些实验均利用了电磁感应透明(EIT)技术来静止光脉冲。2001年，Chien Liu研究小组完成的实验将激光脉冲的量子信息存储长达1毫秒之久，而且在这一时段内，通过控制施加耦合光的时机，便可将被存储的光脉冲(即信号光)随时提取出来。因此，利用该实验中的EIT光存储媒质就可研制成一个输入后最长延时可达1毫秒的光随机存取器，况且，随着相关研究的深入，利用EIT技术存储光脉冲信息的时间必将得到进一步延长，对于将来的光分组交换网，这将具有十分重要的有意义。
电磁感应透明是一种量子干涉效应，该效应能让信号光无吸收地通过光厚介质。在电磁感应透明实验中，比较常用的一种原子能级结构是∧形三能级结构，探测光(即信号光)对应基态(稳态)和上能级之间的跃迁，耦合光对应激发态(亚稳态)和上能级之间的跃迁。如
图1所示，为三能级原子与双光束作用原理图，发生电磁感应透明时，由于探测光(信号光)4和耦合光5的联合作用，三能级中的两个能级发生双光子跃迁，光被原子共振吸收的两个可能途径基态能级2-->上能级1和亚稳态能级3-->上能级1发生相干抵消，这种破坏性的量子相干使得上能级没有原子布居，原子均被囚禁在两个低能级态，从而导致原子对两束光的吸收消失，这就是所谓的原子相干布居囚禁(CPT)，也就是电磁感应透明的本质。在强耦合光的作用下，弱探测光就会无吸收地通过处于相干布居囚禁态(Dark state)的原子介质，从而实现光厚介质中光的透明传输。
电磁感应透明情况下，尽管介质的折射率幅度没有大的变化，但折射率斜率却变得很陡峭，这直接导致了光群速的减慢，冷原子中光速可以减到17米/秒。光速的减慢使脉冲在介质中的空间长度得到巨大压缩，当脉冲完全压缩到介质中后，去掉耦合光的作用，则弱探测光的幅度和相位信息就被介质“记忆”下来，这就实现了所谓的光存储，在完全退相干前的任一时刻，即存储时限内的任一时刻，再加上耦合光的作用，存储的光脉冲便可以被重新释放出来。
关于光存储的唯象解释是，发生电磁感应透明时，光脉冲与原子组成了一个称之为“暗态极子”的系统，其中包含了分别与探测光和原子系综相关的两部分，关闭耦合光后，为了维持“暗态极子”的存在，弱探测光必然会被完全“消耗”，导致“暗态极子”中光成分所占的比例为零，而“暗态极子”在介质中向前传播的群速度又正比于“暗态极子”中光成分所占的比例，因此，其结果便是“暗态极子”(也就是探测光脉冲)被停止在介质中，即实现了光存储。特别要注意的是，光存储不是储存光子的能量和动量，而是存储光子的量子态，即探测光和耦合光发生能量动量交换，和原子发生信息交换。
利用电磁感应透明技术进行光速减慢和光存储的理论及实验研究，自K.J.Boller等人于1991年第一次在中性锶(strontium)中观察到电磁感应透明现象以来，便获得了令人惊讶的进展。S.E.Harris等人在1992年从理论上研究得出电磁感应透明情况下介质的色散特性在透明窗口的中心，折射率变化很快，群速很慢。Min Xiao等人于1995年从实验上观测了铷原子ladder结构电磁感应透明情况下的色散特性，并根据此色散特性推算出光速减慢为c/13.2。紧接着，A.Kasapi和Maneesh Jain等人在实验上真正观测到光速减慢为c/165。1996年，O.Schmidt和R.Wynands等人在光速减慢实验上又取得了一大进展将光速减慢为c/3000。而最为引人注目的实验是由Lene Vestergaard Hau等人于1999年所完成的，他们成功地使光速减慢为17米/秒。随后，Chien Liu、D.F.Phillips以及A.V.Turukhin等人分别完成了冷原子、热原子、固体中的光停止。其中，正如上面已提及过的，Chien Liu研究小组将光脉冲在冷原子中存储了长达1ms之久的时间。
用电磁感应透明进行光存储所获得的成功，对于光通信具有十分重要的意义，也必将为广义的量子信息处理提供强大的技术支持。与电相比，光的抗干扰能力要强得多，应该是一种更为理想的信息载体，但过去一直由于无法存储光信息而限制了其在信息领域的应用。而现在，利用相应的电磁感应透明介质就可以把光子所携带的量子信息储存起来。近几年来，研究人员先后在不同的物质形态下，采用不同的原子和不同的能级结构实现了电磁感应透明和储时有限的光存储。对于光分组交换网而言，这将具备巨大的实际应用价值。
本发明的又一目的是提供一种采用了上述光分组随机存取方法的混合缓冲法。
本发明的另一目的是提供一种采用了上述光分组随机存取方法或者混合缓冲法的光分组交换节点结构。
本发明的技术方案如下光分组随机存取的方法，是利用电磁感应透明介质研制成相应的波分复用光分组存储器，对于随机到达并存入该存储器的光分组，在可能的光存储时限内，根据交换节点的调度策略，可以被随时从存储器中信息无损地提取出来进行交换输出，也就是在光分组交换网中通过电磁感应透明光存储技术来实现类似于电分组交换网中电分组随机存取器，只不过前者对于到达其中的每个分组所能存储的时间有限。
所述方法中的光分组存储器，可以通过不同的途径来实现。
第一种途径是利用某单一物质组分来构成制作光分组存储器的电磁感应透明介质，从该物质组分的原子所含的超精细能级结构中选出一套合适的能级，便可存储一个相应波长的分组；选出多套合适的能级，在一个存储单元内同时存储相应的多个不同波长的光分组。因此，对于网络节点各输出(或输入)端口队列的长度上限定为N，且要求每端口只用一个存储器来解决其缓冲问题的情形，只要从该物质组分的原子所含的超精细能级结构中选出N套相应的能级就可以了。如附图2所示，其中的上能级7、基态能级8、亚稳态能级10组成了一个三能级系统，图中的11、13分别为该系统的探测光和耦合光；上能级6、基态能级8、亚稳态能级9组成了该电磁感应透明介质中的第N套三能级系统，图中的12、14分别为该系统的探测光和耦合光。
第二种途径是利用多物质组分来构成制作光分组存储器的电磁感应透明介质，各物质组分含有一套或多套合适的不同能级来存储某一个或多个相应的不同波长分组，一个存储单元内同时存储的不同波长分组数就是各物质组分所含的不同的能级套数的总和。因此，对于网络节点各输出(或输入)端口队列的长度上限定为N(N为正整数)，且要求每端口只用一个存储器来解决其缓存问题的情形，只要从多种物质组分的原子所含的超精细能级结构中选出N套相应的不同能级就可以了。
第三种途径是利用某单一物质组分来构成制作光分组存储器的电磁感应透明介质，从该物质组分的原子所含的超精细能级结构中只选出一套合适的能级来存储一个相应波长的分组，一个存储单元内能同时存储的不同波长分组数是1。因此，对于网络节点各输出(或输入)端口队列的长度上限定为N(N为正整数)的情形，则需要使用N个这样的存储器来解决一个端口的缓存问题。当然，实现起来最容易的是第三种途径。
由于本发明中的光分组存储器支持随机存取操作，因而其具备一系列显著的优点。比如，该存储器能支持QoS业务的实现，也就是说，优先级高的晚到分组可在优先级低的早到分组之前抢先输出，这只要修改存储器中各分组的输出时刻(即耦合光的加载时刻)即可。
当然，由于目前电磁感应透明介质对输入分组所能存储的时间有限，为了完全支持QoS业务，有一种解决思路是考虑到分组网中的每一分组均具有生存期限，由于高优先级业务抢先及网络内部流量拥塞等原因导致其在生存期内达不到目的节点的分组则会被丢弃，因此，光分组交换网对端口缓冲器的光存储时间并不要求太长(太长也没意义)，这正是电磁感应透明光存储技术即便在其现有水平下也对光分组交换网具有实际应用价值的原因所在。这样，即便目前光存储的时间不够，也能以较小的丢包率代价换来对QoS业务的完全支持。而且，随着技术的发展，电磁感应透明光存储时间必将延长，当光存储时间达到一定的长度后，对于分组交换网而言，该光分组存储器就相当于一个永久随机存取器了。
另一种思路则可以考虑采用反馈机制来解决。当出现由于高优先级分组的抢占而使得已存储的分组达到光存储最大时限的情况时，可以将该分组取出并反馈回存储器的输入端。这种方式能立足于现有的技术条件在不增加丢包率的情形下完全解决QoS问题。也就是说，起用反馈机制解决了目前由于光存储时间可能不够长而影响电磁感应透明光存储器的实用化这一问题。
考虑到电磁感应透明光存储器的成熟和普及还需要一个过程，作为过渡方案，本发明提供了一种混合缓冲方法，可以采用电磁感应透明光存储器与传统的光纤延时线或硅波导延时线混合使用，即短时缓冲用延时线，而长时缓冲采用本发明的光分组随机存取方法即使用电磁感应透明光存储器，这可以大大减少所需的传输型缓冲延时线。
本发明还提供了一种光分组交换节点，该光分组交换节点采用所述的随机存取方法或者混合缓冲方法。
除了支持QoS外，本发明方法中采用的光分组存储器还支持变长分组的异步操作，这不但省却了定长分组网中昂贵、笨重的同步设备，还使得光分组交换网对IP业务具有完全兼容的能力，即在分组网的边缘节点中无须拆分和重组来自互联网的IP包业务。
本发明方法中采用的光分组存储器的另外一个优点是它可充当一个共亨随机存储器，即一个波分复用的随机存储器，这一特点从上面的阐释中便可看出，而且这也是电随机存取器所不具有的。
1—上能级2—基态能级 3—亚稳态能级4—探测光(信号光) 5—耦合光图2为单组分电磁感应透明媒中的多三能级系统示意图，图中6—上能级N 7—上能级18—基态能级9—亚稳态能级N10—亚稳态能级111—探测光(信号光)112—探测光(信号光)N13—耦合光114—耦合光N图3为电磁感应透明光分组存储器结构示意图，图中15—存储器的光分组输入端口116—存储器的光分组输入端口N17、18、19、20—可调谐波长变换器(TWC)21—探测光122—探测光N23—存储器的光分组输出端口124—存储器的光分组输出端口N25—耦合光126—耦合光N27—多EIT共生媒质图4为采用电磁感应透明光分组存储器的分组交换节点结构图。图中28—输入端口1 29—输入端口N30、31—可调谐波长变换器 32、33—波长变换后的光分组34—N×N的阵列波导光栅 35、36—1×N的复用器37、38、39、40—1×2的光开关41、42—电磁感应透明光分组存储器43、 44—合波器 45—输出端口146—输出端口N
如图3所示，是一个电磁感应透明光分组存储器结构示意图。从N个输入端口(如15、16)进来的光分组分别经相应的可调谐波长变换器(如17、18)转换成进入电磁感应透明介质27的探测光即信号光(如21、22)，同时根据各分组的存取时机，关闭或打开相应的耦合光(如25、26)，便可将探测光存储在介质中或从介质中取出来。从介质中取出的光分组再经过相应的TWC(如19、20)变换成允许波长通过输出端口(如23、24)输出。
实施例2光分组交换节点一个应用电磁感应透明光分组存储器的N×N交换节点结构图如图4所示。为了叙述的简便，此处假定该节点的每个输入输出端口为单波长情形。节点根据从输入端口(如28、29)进来的光分组所含的交换(或路由)信息，判断出各分组在本节点的输出端口，然后利用可调谐波长变换器(如30、31)将各分组转换到合适的波长上，得到波长变换后的光分组(如32、33)，以便能够经由后面的N×N阵列波导光栅34将这些分组交换到各自的目的端口。当竞争同一输出端口(如45、46)的分组超过1个时，除了准予输出的那个分组外，其余的分组均被缓存到该端口的电磁感应透明光分组存储器(如41、42)中，这其中，将各分组是送往合波器(如43、44)而后输出，还是送往存储器进行缓存，是通过控制各个1×2的光开关(如37、38、39、40)来实现的。在后续可用的时隙，通过施加相应的耦合光，便可将存储器中的光分组依次取出并从相应端口输出。
权利要求
1.光分组随机存取方法，其特征是利用电磁感应透明光存储介质制成光分组存储器，对于随机到达并存入该存储器的光分组，根据交换节点的调度策略，在光存储时限内随时将其从存储器中信息无损地提取出来以进行交换。
2.如权利要求1所述的光分组随机存取方法，其特征是所述的光分组存储器是利用单物质组分构成，从该物质组分的原子所含的超精细能级结构中选出一套合适的能级存储一个相应波长的光分组；选出多套合适的能级，在一个存储单元内同时存储相应的多个不同波长的光分组。
3.如权利要求1所述的光分组随机存取方法，其特征是所述的光分组存储器是利用多物质组分构成，各物质组分含有一套或多套不同能级来存储某一个或多个相应的不同波长分组，一个存储单元内同时存储的不同波长分组数就是各物质组分所含的不同的能级套数的总和。
4.如权利要求1所述的光分组随机存取方法，其特征是所述的光分组存储器是利用单物质组分构成，从该物质组分的原子所含的超精细能级结构中只选出一套合适的能级来存储一个相应波长的分组，一个存储单元内能同时存储的不同波长分组数是1。
5.如权利要求1或2或3或4所述的光分组随机存取方法，其特征是采用反馈机制来解决光存储时间受限的问题，当出现由于高优先级分组的抢占而使得已存储的光分组达到光存储最大时限且还不能立即输出的情形时，将该光分组取出并反馈回存储器的输入端进行续存。
6.一种混合缓冲方法，其特征是短时缓冲采用光纤延时线或硅波导延时线，长时缓冲采用权利要求1或2或3或4所述的光分组随机存取方法。
7.一种混合缓冲方法，其特征是短时缓冲采用光纤延时线或硅波导延时线，长时缓冲采用权利要求5所述的光分组随机存取方法。
8.光分组交换节点，其特征是采用权利要求1或2或3或4所述的光分组随机存取方法。
9.光分组交换节点，其特征是采用权利要求5所述的光分组随机存取方法。
10.光分组交换节点，其特征是采用权利要求6所述的光分组随机存取方法。
11.光分组交换节点，其特征是采用权利要求7所述的光分组随机存取方法。
全文摘要
本发明提供了一种光分组随机存取的方法，是利用电磁感应透明介质研制成相应的波分复用光分组存储器，对于随机到达并存入该存储器的光分组，在可能的光存储时限内，根据交换节点的调度策略，可以被随时从存储器中信息无损地提取出来进行交换输出，该方法能支持QoS业务的实现，还支持变长分组的异步操作。在此基础上，又提供了一种混合缓冲法，即短时缓冲用延时线，而长时缓冲用电磁感应透明光存储器，这可以大大减少所需的传输型缓冲延时线。本发明还提供了一种采用了光分组随机存取方法或者混合缓冲法的光分组交换节点结构。
文档编号H04Q11/00GK1410801SQ0215340
公开日2003年4月16日 申请日期2002年11月27日 优先权日2002年11月27日
发明者祝曙光, 徐安士, 殷洪玺, 吴德明 申请人:北京大学