CN104024917B - 可缩放光学交换器及交换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明呈现电信交换器，所述电信交换器包含可扩展光学交换器，所述可扩展光学交换器允许将N个输入×M个输出的交换器任意扩展为新数目N个输入及/或新数目M个输出。本发明还提供具有控制信号旁路线的内部交换器块的交换器，其中这些交换器对于所述可扩展交换器为有用的。

Description

可缩放光学交换器及交换模块
相关申请案交叉参考
本申请案主张以下同在申请中的美国临时申请案的优先权：沃洛别伊黑克(Vorobeichik)等人于2011年10月28日提出申请、标题为“可缩放光学交换器及交换模块(Scalable Optical Switches and Switching Modules)”的美国临时申请案61/552,616；韦(Way)等人于2012年2月3日提出申请、标题为“可缩放光学交换器及交换模块(ScalableOptical Switches and Switching Modules)”的美国临时申请案61/594,539；及韦等人于2012年5月3日提出申请、标题为“可缩放光学交换器及交换模块(Scalable OpticalSwitches and Switching Modules)”的美国临时申请案61/642,280，所述美国临时申请案三者全部以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明的技术领域涉及一种可缩放光学交换器系统，所述光学交换器系统基于以模块化形式构造以用于扩展所述交换器系统以实现光学通信系统的所要交换能力的光学交换器装置。本发明进一步涉及并入有可扩展模块化光学交换能力的光学网络。
背景技术
现代光学通信网络普遍地用于互连用于引导众多不同的电话语音、数字视频、因特网及其它类型数字数据的流的远距、区域及都会通信枢纽。此意味着，为最高效且经济地管理对这些网络的持续增加的能力及速度需求，将许多通信信道聚合成若干流，每一流携载高达每秒10个千兆位，目前出现每秒40及100个千兆位且未来预期每经聚合数据流每秒数百个千兆位。数十个这些数据流利用波长划分多路复用(WDM)通过网络中的每一光纤同时发射，其中每一流通过具有稍微不同于光纤中的其它流的所有其它波长但可完全与其区分开的光学波长的光学信号携载。常规地，这些光学流视情况通过光纤链路的每一端处的各种众所周知的光学滤光器组件组合及分离。
这些光学网络包含其中光纤在“节点”处相交的许多位置。这些节点在许多方面类似于复杂公路系统的相交点。大量业务沿着光纤中的每一者来到节点，但并非任何光纤上的所有业务必需前往相同目的地。业务中的一些业务可前往在节点本地的目的地，可存在在节点本地始发的新业务，且其它业务可需要在从节点的各种传出光纤当中独立地重新路由。实现这些节点处的业务的必需重新配置由交换器提供。
直到最近，用以提供此交换的主要构件将为电子的。为实现此目的，每一光纤中的每一波长将经分离成个别物理信道，且接着那些波长中的每一者中的数据将通过光学接收器转换成二进制电数据。一旦所有数据呈电形式，便可将其用管道输送到呈众多可能配置中的任一者的电子交换矩阵中，且经重新组织到多个输出信道上的适当群组中。接着，每一输出信道中的数据通过具有特定预定波长的每一输出处的光学发射器转换回到光学数据且前往每一输出光纤的不同波长上的数据流被重新多路复用且插入到所述光纤中。也可存在与可与使用交换矩阵上的额外端口通过节点的数据集成的本地业务相关联的输入及输出数据流。在每一波长中使用的数据速率下，与纯光学调度相比，电光接收器及发射器是相对昂贵、大型且耗电的。此外，在电交换器矩阵内，需要功率来推送每一位数据经过矩阵，且每秒可存在数千亿或数万亿个位移动经过矩阵。原则上，电子交换可在于数据的路径上发送数据之前提供重新配置、格式化、同步化及以其它方式优化数据的呈现的最大灵活性。然而，针对通过现代节点的数据量，以电子方式交换所有项目无疑地完全不可行，且提供基本硬件的经济性也无法支持。此外，通过节点的带宽仅预期随时间增加。
在本申请案之前的大约十年中，已出现补充电子交换同时且实际上实现通过节点的数据的带宽的增加的光学交换技术。光学交换通常将每一波长视为粘着(cohesive)单元且将每一波长透明地传递到所述节点内的其目的地(输出光纤或与本地业务相关联的波长信道)。透明光学交换器有效地建立用于将线性或直接地传递到所要输出光纤或本地端口的指定输入光纤上的指定波长下的光的物理路径。此交换器基本上传递任何光学数据(不论格式或内容)，只要光学数据在针对所述光学信道指定的光学波长范围内即可。由于光学交换器不能修改光学波长内的详细数据，因此其不如电子交换器一样灵活。但更显著地，交换所述波长的数据所需的功率仅为通过交换器建立及维持光学路径所需的电量，其通常小于电子交换相同数据所需的数量级的数量级。由于功率消耗通常为可由节点管理的带宽的限制因素，因此光学交换不仅便于远程配置，而且明显实现光学网络的当前及未来性能等级。
发明内容
电子交换借以提供实用可缩放性的一种广泛接受方法是完全模块化扩展。提供支持对适度大小交换器的需要的基本交换模块。当需要较大大小的交换器时，代替形成提供新的所要交换器大小的额外组件，可互连可扩展交换器的多个模块且所述模块之间的通信使得所述组模块能够充当较大交换器。在本发明之前，光学交换组件不能够提供有用类似能力。光学交换组件通常可通过将一个组件的标准输出连接到额外组件的标准输入而级联。然而，此仅提供几何扩展，即，可在单个1×8交换器之外级联8个1×8交换器以形成1×64交换器。此几何级数变得过大过快而无多大用处，且并不实际上提供模块化可扩展交换器所需的扩展。本发明的目的是提供用以支持集成光学交换阵列及模块的线性扩展的构件。这些创新的技术发现揭示用于光学交换元件的主光学电路的示意图外围上的小部分额外光学电路元件可提供允许以线性配置互连多个模块的扩展端口，且这些扩展端口使得光学交换组件之间所需通信能够使线性扩展变得实际。可应用本文中所描述的创新的原理来为各种常见光学交换架构提供扩展能力。因此本发明的创新针对本文中所描述的基本种类光学交换器架构中的任一者从可线性扩展光学交换模块实现可缩放光学交换系统。本发明的本文中所描述的架构的应用为示范性的，且从这些教示获益的所属领域的技术人员将能够将本发明应用于其它光学交换器架构配置中。
在第一方面中，本发明涉及一种具有扩展连接的光学交换装置，所述光学交换装置包括光子集成电路。所述光子集成电路可包括：N个输入光学端口，其中N>1；输入光路径，其与每一输入端口相关联；M个光学输出端口，其中M≥1；输出光路径，其与每一输出端口相关联；旁路光学交换器块，其与每一输出端口相关联；P个扩展输入端口，其中P≥1；扩展光路径，其与每一扩展输入端口相关联且与相关联旁路交换器块连接；多个光学交换元件及相关联光路径，其形成所述输入光路径与关联于输出光路径的旁路交换器块之间的连接网络。
在另一方面中，本发明涉及一种具有扩展连接的光学交换装置，所述光学交换装置包括光子集成电路。所述光子集成电路可包括：N个输入光学端口，其中N≥1；输入光路径，其与每一输入端口相关联；M个光学输出端口，其中M≥1；输出光路径，其与每一输出端口相关联；旁路光学交换器块，其与每一输出端口相关联；Q个扩展输出端口，其中Q≥1；扩展光路径，其与每一扩展输出端口相关联且与相关联旁路交换器块连接；多个光学交换元件及相关联光路径，其形成关联于输入光路径的所述旁路交换器块与所述输出端口之间的连接网络。
在额外方面中，本发明涉及一种可扩展光学交换器装置，其用于动态地配置选定数目个光学输入端口与M个光学输出端口之间的互连。所述交换器装置可包括Z个光学交换模块(Z≥2)，所述光学交换模块具有光学互连以形成具有初始模块、终点模块及任选中间模块的配置，每一光学交换模块L包括NL个输入端口及M个输出端口以及所述输入端口与所述输出端口之间的所要交换能力，其中NL的和等于输入端口的所述选定数目。并非初始模块的每一光学交换模块可具有通过旁路交换器耦合到相应输出端口的一组扩展输入端口且并非终点模块的每一光学模块可具有耦合到另一模块的扩展输入端口的一组输出端口。
在其它方面中，本发明涉及一种可扩展光学交换器装置，其用于动态地配置N个光学输入端口与选定数目个光学输出端口之间的互连，其中所述交换器装置包括Z个光学交换模块(Z≥2)，所述光学交换模块具有光学互连以形成具有初始模块、终点模块及任选中间模块的配置。每一光学交换模块L可包括N个输入端口及ML个输出端口以及所述输入端口与输出端口之间的所要交换能力，其中ML的和等于输出端口的所述选定数目。并非终点模块的每一光学交换模块可具有通过旁路交换器耦合到相应输入端口的一组扩展输出端口且并非初始模块的每一光学模块可具有耦合到另一模块的扩展输出端口的一组输入端口。
此外，本发明涉及一种光学环形网络，其包括：多个节点；两个不同光学环，其连接到所述节点；及每一节点处的光学分支，其提供每一光学环与N个输出光学线之间的光学连接，其中所述光学分支包括：两个1×N光学交换器，其中每一1×N光学交换器连接到相应环；及N个2×1旁路交换器，其连接所述相应1×N光学交换器与所述N个光学线。
此外，本发明涉及一种光学网络交换节点，其包括：N个光学路径；N'×M'交叉连接交换器(OXC)；及N"×M"多播交换器(MCS)；一组旁路交换器；及一组旁路光路径，其在OXC输出与旁路交换器之间，且其中旁路交换器还连接到MCS输出。
在进一步方面中，本发明涉及一种光学网络交换节点，其包括：N个输入光路径、下路排及争用缓解结构，其中所述下路排包括多播交换器(MCS)且所述争用缓解结构包括选择性光学交换器，其中来自所述选择性光学交换器的输出通过光信道引导到所述MCS的输入，其中所述N个输入光路径被划分成将输入提供到所述争用缓解结构的子组及将输入提供到所述下路排的另一子组。
附图说明
图1描绘具有N个输入及M个输出的光学交换器；
图2描绘具有配备扩展端口的至少一个交换器的交换器组合件；
图3描绘具有配备扩展端口的至少一个交换器的交换器组合件的替代实施例；
图4描绘经互连以提N×M交换器的四个模块；
图5描绘可扩展交换模块；
图6描绘具有多个旁路线的可扩展交换器；
图7描绘组装在一起的可扩展交换器群组；
图8描绘可扩展多播交换器；
图9描绘可扩展多播交换器组合件；
图10描绘图8的交换器的子区段；
图11是用于多播交换器的替代可扩展4×1电路；
图12是用于多播交换器的另一替代可扩展4×1电路；
图13是可扩展4×3平面光波电路(PLC)交叉连接的概念布置；
图14是可扩展PLC的布局的实施例；
图15是可扩展交换器的功能图；
图16是图15的交换器的光学模块的功能图；
图17是图15的交换器的模块的连接的功能图；
图18A是卡的前侧的模型的透视图；
图18B是图18A的卡的后侧的透视图；
图19是图18A的卡的子组合件的平面图；
图20是图18A的卡的子组合件的透视图；
图21是图18A的卡的子组合件的透视图；
图22是图18A的卡的子组合件的透视图；
图23是图18A的卡的可扩展交换器的布局的俯视图；
图24a是多播交换器的实施例；
图24b是多播交换器的替代实施例；
图25是CR处的所接收光学功率的曲线图；
图26是具有交越交换器负载平衡器的多播ROADM的实施例；
图27是使用不同多播交换器类型及下路比率的ROADM成本的条形图；
图28描绘使用8个可编程分裂器的ROADM的经改进架构。
图29描绘基于MZI的可编程分裂器及示范性规格；
图30描绘针对其中初始业务流量仅来自一个方向的情况的MCS；
图31描绘针对其中初始业务流量一致地来自所有方向的情况的MCS；
图32描绘针对其中提供完全自动灵活性的情况的MCS；
图33是各种硬件争用缓解选项的示意图；
图34是具有争用缓解的CD架构的示意图；
图35是具有连接一组节点的并行光学路径的环形网络的概念图；且
图36描绘节点结构的实例。
具体实施方式
可缩放光学交换器模块提供用于可包括大量光学路径的光学网络的光学交换功能。交换器模块可包括可致动1:2光学交换器元件、2:2光学交换器、分裂器及组合器的阵列，且可提供到用于一个维度中的集成能力的三组光学线的连接或到用于两个维度中的集成能力的四组光学线的连接。定义交换功能的两个基本维度涉及输入光学线及输出光学线。在一些实施例中，光学交换模块可具有旁路交换器以提供光学电路元件串的旁路以在集成到模块阵列中时如果未对模块内的特定输入/输出线执行交换功能那么减少来自通过所述交换器元件的发射的对应损耗。在具有减少损耗的光学交换器模块的可用性的情况下，可设计可更大利用可缩放的光学交换功能的网络架构。因此，基于可缩放的光学交换器的使用，可实现光学网络架构的更简单缩放。基于使用纯光学交换器来执行大规模光学交换的能力，网络内的光/电换能器的数目可显著减少，此导致资本支出的显著降低以及功率消耗的显著降低。可扩展交换器可以平面光电路的形式方便地构造，但设计也可有效地由自由空间组件(例如与光纤连接的1×2或2×2交换器)构造。可扩展交换器可以平面光电路的形式方便地构造，但设计也可有效地由自由空间组件(例如与光纤连接的1×2或2×2交换器)构造。
如同所有通信网络，光学网络集成交换功能以提供用以提供发射路由的各种连接。举例来说，较长范围发射路径与用以在与发送者及接收者相关联的最终路径之间引导光学信号的分支连接。特定通信或其部分的分离可基于经由较长范围主干(即，组合式信号)线发送的组合式发射内的波长及/或时间差异。在网络上的某位置处，光学带可经分裂以隔离所述带内用于路由的特定信号，且类似地，个别通信经组合以用于经由组合式信号线发射。可通过借助适当接收器首先将光学信号转换成电子信号而使用电子交换来执行光学交换功能。然而，如果可在减少将光学信号转换成电子信号的情况下执行高效光学交换，那么成本最终可显著降低，且/或交换能力显著增加。本文中所描述的光学交换模块通过沿着平面光学电路连同光学电路元件阵列的多个维度提供光学连接而提供所要的可缩放性。
如果光学交换不能适当缩放，那么光学交换可仅用于有限网络架构中。因此，已将网状光学网络描述为基于4度交换节点而提供交换功能性。参见以引用方式并入本文中的帕拉桑纳(Prasanna)等人的“基于无色且无向WSS的ROADM架构的多功能性(Versatilityof a Colorless and Directionless WSS Based ROADM Architecture)”(COMSNET 2009会议，2009年1月，印度班加罗尔(Bangalore,India))。已将平面光学电路设计为在单个晶片上容纳16×16光学矩阵交换。参见以引用方式并入本文中的高(Goh)等人的“使用基于硅土的平面光波电路技术的6输入晶片上的低损耗且高消光比严格地无阻塞16×16热光矩阵交换器(Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Non-Blocking 16×16Thermooptical Matrix Switch on a 6-in Wafer Using Silica-Based PlanarLightwave Circuit Technology)”(光波技术期刊，19(3)，第371到379页(2001年3月))。然而，高等人所描述的16×16光学交换器的设计并不提供任何简单缩放。本文中所描述的光学交换电路通过在所述电路内引入额外连接层而提供高度可缩放性，其中每一个别光学电路提供n×m交换器阵列。所述n×m阵列可与n个输入光学端口及m个输出光学端口相关联。交换功能可指代用以在网络内提供所要交换的N个输入线及M个输出线，且N×M交换功能可通过个别模块的n×m交换功能的适当集成而实现。
光学交换与电子交换在交换节点中彼此互补。然而改进仍然发生，电子交换的基本特性得以良好地建立。然而，光学交换的技术仍出现且光学交换装置仍需要各种创新来开始完全解决其预期域的问题。目前及即将存在的光学交换系统通常归属于几个基本架构类别。虽然这些类别之间不存在严格的普遍接受的界限，但通常其因此为：基本可重新配置光学上路-下路多路复用器(ROADM)；波长选择性交换器(WSS)；光学交叉连接(OXC，或较不常见地OCX)；简单分支(1×N，N×l)；及多播交换器(MCS)。这些类别中的每一者的基本操作特性经良好地建立。
概括地说，基本ROADM提供针对输入光纤中的每一波长独立地确定所述波长将是将路由到对应输出光纤还是下路到本地端口或不同光纤对的能力。另外，在基本ROADM中，经下路且因此未直接路由到输出的任何波长可用于将来自本地端口或其它光纤对的新光学数据流引入到输出光纤。光学连网技术的遗憾情形为存在称作“ROADM”的两个极不同项目。ROADM组件如前文中所描述，但也存在可用于在大量输入/输出光纤对当中通过个别波长选择性地下路或路由的较高度ROADM系统。最初，ROADM系统仅为ROADM组件与将其系结在一起的控制系统的集合且常用名称不会引起问题。然而，这些较高阶ROADM已演进且常常包括一些其它类别光学交换器，包含(举例来说)WSS、OXC及MCS。遗留ROADM组件仍存在，但ROADM术语现在更通常指代较高阶系统。随后，除非特定来说引用“ROADM组件”，否则术语ROADM应指代较高层级ROADM系统。下文呈现可扩展OXC及MCS连同并入有可扩展MCS的ROADM的特定实施例。
当前WSS类别交换器具有单个输入及数个输出且所述输入上的每一波长可独立地路由到所述输出中的任一者且每一输出可适应输入光纤上的任何数目个波长。如同大多数类别的透明光学交换器，所述WSS针对从输入传播到输出或从相同输出传播到输入的光学信号同等良好地提供输入与输出之间的连接。因此，术语“输入”及“输出”仅用作为描述操作原理提供便利，但实际上其可如所描述使用或可沿相反方向使用。目前也存在对未来WSS类别交换器的许多考虑，其中单个组件可在多个输入及多个输出当中路由波长，但迄今为止，提供例如使用多个离散组件的较高层级系统的能力是唯一切实可行的。
OXC在通常相等数目个输出端口(但更通常不同数目个输出端口)当中提供输入端口序列的任意排列，如下文所描述。此可(举例来说)将其中每一端口仅携载来自一个特定光纤的一个特定波长的一组输入端口转变成其中每一输出端口可经编程以携载来自任何光纤的任何波长的一组输出端口。简单分支交换器提供基本1×N交换，其中单个输入端口中的所有光学信号经一起路由到N个输出端口中的一者。此交换器也为可逆的，其中N个单独光学信号进入到N个端口且所述交换器从那些端口中的仅一者选择信号以路由到作为输出操作的单个“输入”端口。
M×N多播交换器在M个输入信道处使用M个1×N分裂器来将每一输入端口中的所有光学信号朝向N个输出中的每一者分布。N个输出中的每一者具有其自身的M×1选择器交换器以将信号与所要输入端口隔离。MCS具有不具有光学滤光的基本优势，因此其不仅对每一波长中的数据透明，而且其对波长组配置自身透明(“无色”)，即，波长信道不必符合任何特定波长栅格规格或信道带宽。此添加的透明性的主要代价是由于输入级上的光学分裂所致的信号功率的减少，且一些应用中的MCS涉及用以提升信号电平且补偿每一输入的额外损耗的光学放大器阵列。
通信网络中的光学节点可包括来自这些类别中的一或多者的光学交换组件中的一或多者。随着网络变得较大且较复杂，可缩放性通常可为重要问题且关于交换能力是尤其重要的。所要光学节点经构造为无色、无向且无争用的，如随后进一步描述。这些网络的性质是这些节点中的每一者的标称最佳配置存在显著变化。光学交换组件的目前技术水平使得每一产品往往支持特定端口计数，从而实现提供不同端口计数的类似组件需要单独产品开发。这阻碍了将最适当地解决对各种光学节点的需要的多样化且迫使节点设计针对于较不高效的一体适用的方法。目前明确需要用以使用基本光学交换类别中的任何一或多者来较灵活地调适光学交换矩阵的大小的构件。本文中所描述的可扩展交换器提供用于可调适节点设计的一重要且创新性组件。
本文中所描述的光学交换功能可通过将个别交换模块集成到由个别光学电路模块组装的有效较大交换阵列中而得以缩放。用以提供可缩放性的模块的集成可在一个维度或两个维度中执行。为在一个维度中执行集成，光学电路可设计有一组额外端口，所述组额外端口对应于n个输入光学端口以形成具有维度(b·n)×m交换的有效扩展阵列或对应于m个输出光学端口以形成具有维度n×(c·m)交换的有效扩展阵列。参数b是相对于输入线互连以形成扩展交换阵列的n×m光学电路的数目，且类似地，参数c是相对于输出线互连以形成扩展交换阵列的n×m光学电路的数目。关于两个维度中的光学集成，光学电路模块形成有4组光学端口，其中两组为n个端口且两组为m个端口。这些光学电路可接着组装成具有(b·n)×(c·m)交换能力的扩展阵列。参数n可等于但不必等于参数m。
个别光学电路可包括连接n个输入与m个输出的(2×2或2×1)光学交换器的阵列。每一2×2(或2×1)光学交换器在输入线与输出线之间提供可致动交换器。下文进一步描述适合的可致动光学交换器，且通常，可致动光学交换器以电子方式控制以在互连配置之间双态切换交换器。在模块中的可致动光学交换器阵列的情况下，与n个输入端口中的一者相关联的信号可通过经过所述可致动光学交换器阵列的通道而路由到m个输出端口中的一者。通过将另一组n个端口连接到第二光学电路的输入端口而与另一光学电路的集成提供对n×m(2×2或2×1)个光学交换器的第二阵列的存取以使得可在集成扩展阵列中有效地存取另外m个输出端口。所述集成可继续。类似地，通过一组额外m个端口与另一光学电路的集成可提供集成扩展阵列中m个输出端口对第二组n个输入端口的存取。继续所述集成可导致(b·n×c·m)可缩放性，其中参数b、c或b与c两者大于1。在集成扩展阵列中，存在连接b·n个输入与c·m个输出的可致动光学交换器的有效阵列。因此，可扩展光学电路设计提供大的可缩放性能力。为使光学电路模块的缩放匹配目标网络交换功能，通常(b-1)·n<N≤b·n且(c-1)·m<M≤c·m，其中N为网络输入且M为网络输出。类似推理可展示，数目‘n’与‘m’在经由可实现配置提供更大灵活性的扩展阵列的所有组件当中不需要是相同的。
可将可致动光学交换元件的任何合理设计组装到所述阵列中，如下文进一步所描述。尽管针对交换装置设计有一组或两组额外光学端口的光学电路提供非常合意的缩放能力，但通过2×2或2×1光学交换器的扩展阵列传递信号可导致不合意的光学损耗电平。特定来说，通过可致动光学交换器传递光学信号通常导致一些光学损耗，即使所述交换器处于“贯通”或非交换模式中。在经缩放集成交换器中，光学信号可通过显著数目的可致动交换器，即使交换仅在所述可致动光学交换器中的一者处执行。因此，在一些实施例中，平面光学电路或其它可扩展交换器设计包括旁路光学路径，所述旁路光学路径提供如果特定输入或输出线在此时在特定模块内未经受任何交换那么绕过一组可致动光学交换器以减少对应损耗的能力。对光学信号的方向替代地沿着旁路路径或经交换路径的控制可借助单个1×2光学交换器自身控制。针对输入线、输出线或其两者可建立旁路能力。
在对可致动交换器的布局的拓扑的描述中，术语阵列以其一般意义使用且不必针对于矩阵布局。下文更详细地描述两个特定实施例。可扩展交叉连接交换器的实施例具有呈交叉连接n×m可扩展交换器的逻辑或拓扑布局的2×2交换器矩阵。在另一实施例中，关于分裂器的分支布局描述可扩展多播交换器，所述分裂器满足2×1交换器阵列以将经扩展的n×m个分裂输入耦合到m个输出中，其中所述交换器阵列并不布置成矩阵配置。当然，实际装置的物理布局由于纵横比、装填及其它实际考虑事项而不类似装置的拓扑布局。
可缩放光学交换器可经设计以用于集成到无色、无向且无争用(CDC)的网络节点。对无色的提及指代在任何端口处使特定光波长下路或上路的能力。对无向的提及指代从本地发射应答机连接到所有方向的能力，其中每一“方向”直接对应于连接到节点的特定传入/传出光纤对。对无争用的提及指示节点可解决两个不同光学信号在不同光纤上会聚于所述节点上但含有相同波长且前往共同光学路径的问题。这通常通过将所述波长中的一者重新路由到本地业务(其中其可经电子交换到另一可用波长且经重新插入到通常连接到传出光纤的所要路径中)来解决。本文中所描述的可缩放交换器装置通常满足这些特征且可对应地集成到CDC网络节点中。
图1中示意性地展示光学网络内的N×M光学交换交叉连接(OXC)的示意图。N×M光学交换器100光学连接到N个输入光学线102(例如，光纤)及M个输出线104(例如，光纤)。N(输入线的数目)可或可不等于M(输出线的数目)。由于如本文中所描述的光学交换功能的可缩放性，N及M通常可相对大，且在特别关注的实施例中，N及M独立地各自为至少约8，在进一步实施例中至少约16且在其它实施例中至少约32或更大或中间偶数或奇数整数值。关于输入及输出线范围的类似注解适用于本文中所描述的其它交换实施例。所属领域的技术人员应认识到，预期在上述明确范围内的额外光学线范围且其在本发明内。
一般来说，光学交换装置可置于光学网络内的任何方便位置处。从那个角度来说，个别输入线及输出线内所发射的信号可或可不既定携载个别通信，且这些信号可为在波长带内携载的组合信号。在一些实施例中，光学交换器与MUX/DeMUX能力相关联以分裂及/或组合光学带内的光学信号。此处，表达MUX及deMUX分别用于多路复用功能及多路分用功能，如此项技术中所普遍接受。MUX功能及DeMUX功能可借助平面阵列波导光栅(AWG)或其它所要分散元件执行。在一些实施例中，输入信号可包括既定用于一组用户的信号，且输出线表示引导到特定用户的光学分支，此对应于在光学网络的末端处使用交换元件来将信号引导到最终用户。输入及输出名称在信号可通过交换器沿任一方向引导的意义上可为任意的，以使得交换功能是光学可逆的。但输入及输出名称用于描述在彼此之间路由的光学线的分组，而不论发射的方向如何。在其它实施例中，交换器可用于沿着光学网络引导分支处的经多路复用或组合信号远离任何用户。
虽然本发明可用于改进光学交换的各种构件，但如本文中所描述的可缩放光学交换器是对光学电路组合件的示范。所述光学电路对应地设计有适当连接性以提供可缩放性。所述光学电路经互连为模块以提供所要光学交换层级。本发明可在光学电路集成为平面光学电路时是尤其有利的。
在图2中以在一些特定实施例的背景中详细叙述的概念框架示意性地展示用以提供相对于输入线的缩放的两个光学电路的互连。举例来说，光学交换功能通过组合件108来实现，组合件108具有：第一交换器109，其具有光学电路110；及第二交换器111，其具有光学电路112。电路110包括N个输入端口107、M个输出端口121及M个扩展输入端口123。类似地，电路112包括N个输入端口118及M个输出端口120。电路110、112互连，其中第一交换器109的M个扩展输入端口通过光学互连114(例如光纤或其它适合光学连接)与第二交换器111的M个输出端口连接。N1个输入光学线116连接到平面光学电路110，且N2个输入光学线117连接到平面光学电路112。电路110的M个端口121具有输出线125。因此，共同地，光学电路110、112的组合件108提供N1+N2输入端口与M个输出之间的交换。此示意图示范其中总输入的数目(N1+N2)大于经交换输出的总数目的情况。此实施例示范扩展输入端口可如何用于借助可个别地具有较低容量的可用特定大小交换器来有效地扩展输入的数目。举例来说，在组合件中交换器与扩展端口的一起使用将4×6交换器改变成8×6交换器，此使经交换输入的数目加倍。
图3中示意性地展示相对于输出线的可缩放性。在图3的实施例中，光学交换通过具有交换器128及129的集成的组合件127提供。交换器128包括光学电路130。交换器129包括光学电路132。电路130包括N个输入端口134、M个输出端口136及M个扩展输出端口138。类似地，电路132包括N个输入端口140及M个输出端口142。电路130、132互连，其中扩展输出端口138通过光学互连144去往输入140。N2个光学输入线146及M2个光学输出线148也连接到电路130。M1个输出线150进一步连接到电路132。此实施例示范其中总输出(M1+M2)的数目大于输入(N1或N2)的总数目的情况，但替代实施例可涉及输出相对于输入的较大数目或相等数目。此实施例也示范可如何使用扩展输出端口来扩展有效数目个输出。具体来说，交换器与扩展端口的一起使用用于将4×6交换器改变成4×12交换器，此使经交换输出的数目加倍。
图4描绘四个模块149、151、153、155的连接，每一模块包括提供关于输入线及输出线两者的可缩放性的光学电路。交换功能由光学电路150、152、154、156提供。光学电路150(例如光学电路)借助数目N1个连接而光学连接到光学电路152且借助数目M1个连接而光学连接到光学电路154。数目N1及M1分别从N1i到N1t及从M1i到M1t不等。光学电路154借助N2个连接而光学连接到光学电路156，且光学电路152借助M2个连接而光学连接到光学电路156。数目N2及M2分别从N2i到N2t及从M2i到M2t不等。如果N是用户输入连接的总数目，那么N1+N2＝N，或如果集成模块具有过量未使用容量，那么N1+N2大于N。类似地，如果M是输出连接的总数目，那么M1+M2＝M，或如果集成模块具有过量且未使用容量，那么M1+M2大于M。光学电路150提供N1个输入线与M1个光学输出线之间的光学交换，且光学电路152提供N1个光学输入线与M2个光学输出线之间的光学交换。对应地，光学电路154提供N2个输入线与M1个光学输出线之间的光学交换，且平面光学电路156提供N2个光学输入线与M2个光学输出线之间的光学交换。因此，共同地，光学电路150、152、154、156(其可为平面光学电路)提供N个输入光学路径与M个输出光学路径之间的交换。模块的可缩放互连方面提供，N与M可独立选择，例如，N＝M、N>M或N<M。尽管图4描绘4个可扩展光学电路，但扩展能力提供，额外光学电路可对应地互连以进一步增加输入能力、输出能力或输入能力与输出能力两者。
图2到4示意性地展示图1的光学交换器100的背景内的光学交换的可缩放性。特定来说，平面光学交换器经设计以用于集成为模块以适应相对于输入线的数目及/或输出线的数目的扩展。尽管图2到4针对于揭示相对于输入维度中的两个模块及/或输出维度中的两个模块的集成，但可缩放性可在输入维度及/或输出维度中类似地扩展以在每一维度中包含两个以上交换模块，例如三个模块、四个模块等等。关于图2到4，已示意性地描绘个别交换模块。
交换模块的实例是光学交换器阵列。在这些实施例中，交换模块各自通常包括(2×2)个可致动光学交换器的n×m阵列，所述可致动光学交换器提供从输入光学线到输出光学线的任选交换。图5描绘交换模块502，交换模块502具有四个输入信道504a、504b、504c、504d；四个下游扩展输出信道506a、506b、506c及506d；及三个下路端口508a、508b及508c。输入信道504a、504b、504c及504d分别通过路径510a、510b、510c及510d连接到下游扩展输出信道506a、506b、506c及506d。输入信道504a、504b、504c及504d中的每一者通过路径512a、512b及512c以可交换方式连接到下路端口508a、508b及508c中的每一者。交叉点交换器516位于路径510a、510b、510c及510d与路径512a、512b及512c交叉的点处。
基本交换器矩阵的操作是简单的。交叉点交换器516可经设计以通常允许光学路径彼此不受影响地交叉，且针对任何给定配置，矩阵中的大部分交换器可处于此状态中。当特定输入信道504a、504b、504c或504d经选择以路由到特定下路端口508a、508b或508c时，那两个波导的单个交叉点处的交换器516经激活以重新路由所述输入信道。针对交叉连接交换器的任何有效配置，任何行或任何列中不超过一个交换器处于经完全交换状态中，如图5中所展示。当所述交换器处于经交换状态中时，来自用于所述下路端口的输入的信号已经重新路由到所述输入信道的下游部分，因此在功能上所述装置可同时执行上路及下路两者。此行为可由大多数任何光学交换解决方案提供，但其几乎从未被提供，因此其大概通常为不合意的。此行为也可支持较复杂交换组合件中的某些其它功能。
在一些实施例中，可扩展交换器具有多个旁路线。旁路线的一个优势是信号可绕过交换器/接合点以减少信号损耗。旁路线的一个实施例提供：1×2(或2×1)个旁路交换器置于输入线及/或下路线上以当针对特定电路中的特定线不发生交换时提供电路的旁路。针对平面光学电路，旁路1×2光学交换器阵列可置于与N×M可扩展交换器相同的光学电路芯片上或置于单独光学电路芯片上。如果用于所述输入信道的既定下路端口在目前模块上，那么信号将照例经路由到交换器行。如果不在当前模块上，那么信号信道将通过越过所有交换器的旁路信道经路由到扩展输出端口。同样地，每一下路端口可通过2×1交换器连接。如果既定用于所述下路端口的输入信道在目前模块上，那么2×1交换器将为所述端口选择来自交叉点交换器列的波导。如果不在目前模块上，其将选择来自绕过交叉点交换器列的扩展输入端口的信道。
图6中描绘具有多个旁路线的可扩展交换器的实施例。可扩展交换器600包括置于输入信道可选择线606与下路线608的交叉点处的光学交叉点交换器604的阵列602。在所描绘的实施例中，信道可选择线606及下路线608通过多个交叉点交换器604，交叉点交换器604具有用于允许可选择线606及/或下路线608中的信号通过未经交换的交叉点交换器的位置。可针对一或多个信道线及/或一或多个下路线提供一或多个旁路线。在图6中，存在信道旁路线610及下路旁路线612。输入1×2交换器614提供用以连接到交换器614的输入线615以使得交换器614可操作以将来自输入线615的光交换到信道旁路线610或信道可选择线606。下路2×1交换器618允许选择下路线608或下路旁路线612且将其传递到输出线617。或者，可提供具有连续可调整性的交换器以使得交换器可在限制下引导输入信号以不选择任何线或选择两个线。旁路线可在一端处连接于扩展端口处且在另一端处连接到旁路交换器。信道旁路线606在扩展输出端口620处具有连接性或提供用于连接到另一可扩展交换器或某一其它装置的其它连接性装置。下路旁路线612在扩展输入端口622处具有用以接收输入的连接性。在使用中，一或多个可扩展交换器600与扩展输出端口620连接，扩展输出端口620与输入线615及/或输出线617光学通信，输入线615及/或输出线617与扩展输入线622光学通信。在多个扩展交换器的组装之后，进入交换器614的信号在所要下路端口在所述交换器上的情况下被路由到下路端口，或经由旁路线传递到另一交换器。针对具有在任一方向上传递光的交换器的装置，输入线与下路线的名称为任意的：因此，可反转输入线与下路线。为简化图式，等效组件的仅一部分标记有参考编号。
图7描绘组装在一起的可扩展交换器群组。交换器组合件700具有可扩展交换器模块720、740、760、780。可扩展交换器模块720、740、760、780包括置于输入信道可选择线726、746、766、786与下路线728、748、768、788，信道旁路线730、750、770、790与下路旁路线732、752、772、792的交叉点处的光学交叉点交换器724、744、764、784的阵列722、742、762、782。输入1×2交换器733、753、773、793经连接以将来自输入线734、754、774、794的光信号交换到信道旁路线730、750、770、790或信道可选择线726、746、766、786。下路2×1交换器735、755、775、795允许选择下路线728、748、768、788或下路旁路线732、752、772、792且将其传递到输出线736、756、776、796。或者，可提供提供连续范围交换功能的交换器。
信道旁路线730、770分别光学连接到输入线754、794。下路2×1交换器735、755经光学连接以将信号传递到下路旁路线772、792。提供用于连接到用户装置及/或其它可扩展模块的端口(示意性地展示为与光学路径相交的交换器的边缘)。术语“用户装置”是广泛术语，其囊括网络、子网络、节点、特定装置、网络通信装置及最终用户装置。入口端口提供到输入线734、754、774、794的光学连接；在此实施例中，线734及774可用于连接到用户装置且用于输入线774及794的端口连接到其它扩展模块。扩展输入端口提供到下路旁路线732、752、772、792的光学可连接性；在此实施例中，线732为休眠的且线772可用于接收来自扩展输入端口的光学信号以提供将信号从输入734引导到输出776。扩展输出端口提供到信道旁路线730、750、770、790的光学可连接性；在此实施例中，线750及790为休眠的且用于线730及770的端口分别通过扩展输出端口连接到交换器740及780的输入端口。
在实际芯片布局中，输入端口上的交换器添加一个级且下路端口上的交换器也添加一个级。以此方式，可任意地(至少在功能几何结构方面)从单个共同模块搭设较大交换器矩阵。
还考虑，可将1×2交换器集成于交换器模块的扩展输出端子上以使得每一模块能够连接到两个下游下路模块且同样地扩展输入端子可具有2×1交换器且因此每一模块可从两个额外信道块转发下路信道。此将允许沿着树状几何结构的分支而非顺序布局从单个模块类型构建矩阵，从而可能改进整个光学效率。此外，扩展端口上的交换器将与输入端口及下路端口上的交换器重叠且因此将不给平面集成模块中的物理布局添加任何级，因此强加平面芯片的大小的极少增加。
图8描绘可扩展多播交换器的实施例。交换器的组件经布置以图解说明其互连及可如何使路径、交换器及分裂器协作以在多播应用中提供可扩展性。审阅此图解说明的技术人员将能够做出如下文进一步所描述的物理装置布局。可扩展多播交换器800具有分裂器树802及交换区段804。分裂器树802使光学输入a、b、c、d倍增以使得每一者连接到每一光学输出线X1到X8。提供输入端口(未展示)以提供从装置接口到输入a到d的光学连接。分裂器树802具有三个层级以适当地将信号分裂成适当数目个光学路径，但取决于输入线的数目及到特定输出光学线的所要多播而可使用不同数目的层级。层级1具有在每一输入上的光学分裂器，其中分裂器811a、811b、811c、811d分别将输入线a、b、c、d分裂以借此针对每一输入实现2个分支，总计8个分支。经分裂信号传递到层级2分裂器821a、821b、821c、821d、822a、822b、822c、822d，所述分裂器针对到所述层级的每一输入将信号分裂成2个分支，针对输入a到d中的每一者总计16个分支且总计4个信号。经分裂信号接着被传递到层级3分裂器831a、831b、831c、831d、831a'、831b'、831c'、831d'、832a、832b、832c、832d、832a'、832b'、832c'、832d'、833a、833b、833c、833d、833a'、833b'、833c'、833d'、834a、834b、834c、834d、834a'、834b'、834c'、834d'，每一分裂器将信号分裂成2个分支，借此针对输入a到d中的每一者实现32个分支且总计8个信号。交换区段804具有连接到经标记的旁路线806的扩展输入端口(示意性地展示为对应光学路径的末端)，所述旁路线连接到如下文所述的旁路交换器。标记为X1到X8的输出线808各自光学连接到输出端口(示意性地展示为输出线的末端)。交换块841、841'、842、842'、843、843'、844、844'提供从分裂器树802到输出线808的可交换连接。每一交换块将输入a到d连接到旁路交换器851、851'、852、852'、853、853'、854、854'，所述旁路交换器经光学连接以在用于传递到输出线808的来自旁路线806的分裂器树802的信号之间交换。具体来说针对块841，例如，光学交换器841ab提供用以选择的输入a或b，其中经选择的信号a/b被传递到提供a/b或c之间的交换的交换器841bc，其中经选择信号a/b/c被传递到提供a/b/c与d之间的交换的交换器841cd。交换块841接着将信号a到d中的一者传递到旁路交换器851，旁路交换器851提供a/b/c/d与标记为B8的旁路路径806之间的选择。由旁路交换器851选择的信号接着传递到标记为X8的输出线808。在使用中，一或多个可扩展交换器可与标记为X1到X8的输出连接，所述输出与标记为B1到B8的扩展输入端口光学通信。输入a到d可用于交换以使得任何出口X1到X8可携载输入a到d中的任一者。出口X1到X8可替代地携载从扩展输入端口接收的信号。在使用中，实现到一或多个扩展输入端口、一或多个输入端口及一或多个出口端口的光学连接。传递到输入端口及/或扩展输入端口中的信号经选择以传递出任何输出808。还应注意，不存在对旁路交换器851的限制，从而提供连续范围的交换以支持其中需要输入信号与扩展输入信号的额外组合的应用。
尽管展示图8具有特定数目个输入光学线及输出光学线，但其它实施例可类似地经设计有不同数目个输入及输出。可对应地改变分裂器树，且如果方便分裂器树提供比输出线的数目大的数目个光学线，那么可形成冗余经分裂光学线。冗余光学线可为休眠的且仅导引任何光学信号远离任何干涉传播。下文描述交换块的替代设计。
图9描绘终点可扩展交换器模块920与初始可扩展交换器模块910的组合件900，每一可扩展交换器模块基本上是如图8中所描述的实施例。初始模块910的输出913借助光路径902光学耦合到终点模块920的对应扩展输入端口922。可扩展交换器模块910及920可(举例来说)为光子集成电路(PIC)中的共同平面衬底上的个别设计单元且互连光路径902可为相同衬底上的光学波导。在另一实例中，可扩展交换器模块910及920可(举例来说)为基于单独PIC的经个别封装的交换器模块且互连光路径可为作为一组个别股或作为光纤带的单模光纤。输出组923中的每一输出可经配置以通过将924a到924g中的相关联旁路交换器设定为连接到如图8的描述中所详述的本地输入中的一者而选择性地连接到终点模块920的输入921中的一者。或者，输出组923中的每一输出可经配置以通过以下步骤而选择性地连接到初始模块910的输入911中的一者：将924a到924g中的相关联的旁路交换器设定为连接到如图8的描述中所详述的相关联的扩展输入端口，接着进一步将交换器模块910中的适当交换器元件设定为将来自输入911的选定输入连接到输出913中的连接到扩展输入端口922中的对应扩展输入端口的输出。借此，4×8可扩展MCS 920可通过将第二4×8MCS 910附接到扩展输入端口922从而形成提供与专用8×8MCS相同功能性的两个4×8交换器模块的组合件900而升级。
图10是描绘将分裂树与旁路交换器接合在一起的交换块841、841'的图8的子部分的放大视图。箭头a、b、c、d描绘从分裂树的层级3传递的输入。在此实施例中，每一交换块接收来自四个潜在可用输入a到d中的每一者的1个输入。每一旁路交换器提供输出a到d中的一者或旁路线中的信号的选择。交换块布置成串行配置以在来自经添加光学线的信号之间循序选择。
图11是可扩展交换器的替代子部分。交换块1102、1104被布置成树状配置且是图10的交换块841及841'的功能等效替代方案。在块1102中，交换器1106可在a输入与b输入之间交换以提供输出a/b且交换器1108可在c输入与d输入之间选择以提供输出c/d。交换器1110可在a/b与c/d之间选择以将输出a/b/c/d提供到旁路交换器1112，旁路交换器1112又可在a/b/c/d或旁路B1信号之间选择。交换器1114、1116、1118、1120经类似地配置以提供a到d中的任一者与B2之间的选择性。
图12是可扩展交换器的替代子部分。交换块1208、1210被布置成树状配置且描绘图11中的交换块1102与1104的替代分布式布局。交换块1208具有与旁路交换器1214相关联的交换器1210、1211、1212。交换块1215具有与旁路交换器1222相关联的交换器1216、1218及1220。交换器1210可在a与b之间选择以将a/b传递到交换器1212。交换器1211可在c与d之间选择以提供经传递到交换器1212的输出c/d，交换器1212又在a/b与c/d之间选择。相关联的旁路交换器1214可在a/b/c/d与B1之间选择。交换块1214及相关联的旁路交换器1222可类似地选择以将a/b/c/d/B2引导到输出1224。
图13中展示可扩展4×3平面光波电路(PLC)交叉连接的概念布置。可扩展4×3PLC交叉连接1300具有Ni个输入1302及Ne个扩展输入1303。交换器1300具有Mo个输出1308及Me个扩展输出1309。旁路交换器1312、1314分别服务输入1302及1308。应注意的显著特征是，在紧密布置中，波导阵列的长度支持一系列交换级，其中级的数目为M+N-1。基于当前特征大小，大于4×4的交换器将涉及将波导缠绕在PLC芯片上。8×8PLC交叉连接交换器描述于高等人的“使用基于硅土的平面光波电路技术的6输入晶片上的低损耗且高消光比严格地无阻塞16×16热光矩阵交换器(Low Loss and High Extinction Ratio StrictlyNonblocking 16x 16Thermooptic Matrix Switch on a 6-in Wafer Using SilicaBased Planar Lightwave Circuit Technology)”(光波技术期刊，19(3)，371到379(2001年3月))中。图14中展示如本文中所描述的大约遵循高文献中所阐明的布局的PLC的大致布局。交换器1400具有输入1402及输出1404，其中交换/干涉模块1406具有标记#1到#15。提供一组旁路交换器1408以交换输入1402且在输出1404附近提供输出旁路1410。如先前所描述，在将本发明应用于此类型的物理布局时，本发明的扩展波导及旁路交换器可邻近于现有波导及交换器路由，从而保持现有分级，借此对集成芯片的所需大小强加少许或不强加增加。
多播交换器(MCS)设计
已开发可方便地置于适当介接的两个平面光波电路上的所要MCS交换器设计。此外，可通过针对到线的每一上路输入或下路而使用(任选地)1×2交换器或1×2光学分裂器来使这些MCS交换器设计为可扩展的。将经交换或经分裂信号引导到单独MCS交换器系统。此提供输出线上的可缩放性。类似地，输入线可通过将所述线分裂而经缩放以输入到单独MCS交换器系统，且接着可将来自不同MCS交换器系统的对应输出耦合回在一起。
图15到23中展示所要MCS设计。为简单起见，图15上仅展示可缩放性特征。关于这些特征的设计(举例来说)展示两个光学多播交换器功能1502(每一者由光学分裂器阵列1054及光学交换器阵列1506及所述两者之间的互连1508组成)、32个光学分接耦合器1510、32个光电二极管1512、32个光学隔离器1514、16个增益平坦化滤波器1516、16个掺杂铒的光纤卷轴1518、两个1×8可调谐分裂器1520、所有以上功能与电控制电子器件之间的互连。可采用交换器/分裂器1522(图15)，其中多个MCS 1500在其下游。在所述图中所展示的实施例中，将所述功能高效地分割成单独模块1530、1540、1550，其中在其之间具有光纤互连1552、1552'。一个模块1530包括光学功能的基于平面光波电路(PLC)的单体式集成、光电二极管混合集成及电控制。第二模块1540包括以使得允许第一模块与第二模块之间的高效光纤互连的方式排列的离散组件。第三模块1550可包括波长划分多路复用器，例如，阵列波导光栅等及可调谐分裂器(TSPL)。图18到23展示对形成装置的经组装模块的实施例的各种视图的描绘。
一般来说，图1到13中示意性地展示的可扩展交换元件可使用与光纤连接的自由空间光学组件有效地形成。适合个别交换器、光学分裂器、光纤连接器及其它附带组件可商业购得且经改进版本在继续开发中。然而，可需要将所述装置作为平面光学电路集成于适当芯片上。因此，可扩展交换器可借助适当封装而形成为个别平面装置，且适合连接器可用于连接多个交换器以利用扩展能力。平面芯片上的大量连接的布局是用以获得具有所有可用功能性的适当小占用面积的技术。图23中展示此布局的实例。
可使用CVD、CVD的变化形式、火焰水解或其它适当沉积方法将用于形成PLC的材料沉积于衬底上。适合衬底包含(举例来说)具有较高处理温度的适当容限的材料，例如硅、陶瓷(例如硅土或氧化铝)等。在一些实施例中，可引入适合二氧化硅前驱物，且可掺杂硅土玻璃以提供所要折射率及处理性质。可借助光刻或其它适合图案化技术执行图案化。举例来说，供用作用于PLC的顶部包覆层的基于等离子增强CVD(PECVD)而掺杂有Ge、P及B的硅土玻璃的形成描述于钟(Zhong)等人的标题为“用于平面光波电路的GEBPSG顶部包层(GEBPSGTop Clad for a Planar Lightwave Circuit)”的美国专利7,160,746中，所述美国专利以引用方式并入本文中。类似地，光学平面波导的芯的形成描述于(举例来说)张(Zhang)等人的标题为“用于平面光波电路的GEPSG芯(GEPSG Core for a Planar LightwaveCircuit)”的美国专利6,615,615中，所述美国专利以引用方式并入本文中。用于形成适当波导阵列的参数在此项技术中是已知的。可使用MP玻璃或其它光学玻璃材料执行类似处理。
一般来说，通过交换器的光学信号可具有衰减信号。尽管本文中的扩展设计可减少此衰减，但可需要使可扩展交换器与适当光学放大器相关联。因此，可需要层化耦合到交换器的输入中的光学放大器阵列，但精确结构可视所述系统的情况而设计。特定来说，下文在ROADM的背景中描述一些结构。
具有多播交换器的ROADM架构
所要的无色、无向、无争用且灵活栅格ROADM架构基于MxN多播交换器及OXC负载平衡器。基于快速路径(express path)中的广播(经由1×N光学耦合器)及选择(经由M×l波长选择性交换器(WSS))架构的多度无色且无向ROADM已经部署多年[1,2]。然而，关于本地上路/下路路径，目前仅已部署有色波长(λ)或有限数目的无色λ。由于快速业务增长，需要用以使大量无色、无向且无争用(CDC)波长[2]动态上路/下路的多度中央办公室(CO)节点。作为实例，考虑具有来往于其8个方向中的每一者的96个λ的8度CO，50％上路/下路比率将需要CO上路/下路96·8·50％＝384个λ。为使此大量λ上路/下路，相信模块化及可缩放M×N多播交换器(MCS)提供现今最经济的解决方案。本文中，呈现用以优化基于MCS灵活栅格CDC ROADM的架构以使得其成本最小化的方法。图18到23中展示一个实施例。
图18A描绘基于MCS的灵活栅格CDC ROADM卡1800，所述卡具有前侧1802、散热器1804、线路卡1806、多播交换器模块1808、隔离器/EDF托盘1810、光纤管理托盘1812及覆盖光纤管理托盘1814。图18B是卡1800的另一侧视透视图，其进一步展示光纤1816、光纤管理托盘1818及保护器光纤拼接件1820。图19是卡1800的子组合件1801的平面图，其展示禁用区域1822。图20是子组合件1801的透视图，其展示在禁用区域1822上方的适当位置中的多播交换器模块1808。图21是具有隔离器/GFF/EDF托盘1824、光纤1816及保护器光纤拼接件1820的子组合件1801的平面图。图22展示具有光纤管理托盘1818的子组合件1801。散热器1804置于卡的顶部附近。输入/输出光纤在MCS/TSPL模块的底部上以一角度出现且被路由到面板隔板。图23描绘平面集成4×16可扩展MCS的大致布局，其包含一些可能相对尺寸及其它大致细节，但特定布局通常涉及设计者的特定偏好。
基于M×N多播交换器的基本CDC ROADM架构
作为实例，图24a的灰卡中展示基本M×N MCS 2400[3]，其中M＝8且N＝16。8个MCS输入端口2402中的每一者连接到八个方向中的一者。MCS为外部相干接收器(CR)提供无需预滤波的“无色”下路，所述外部相干接收器具有用作本地振荡器的内置可调谐激光器，或替代地，外部可调谐信道滤光器可隔离将提供到标准直接检测接收器的单个波长信道。可调谐信道滤光器可显著增加总成本，除非可开发极低成本技术，且因此将仅侧重于相干系统。MCS是“无向”的，因为任何输出端口可经由1×M选择交换器使任何输入信号从任何方向下路。MCS也是“无争用”的，因为每一1×M交换器可仅从特定方向选择信号，因此针对经定义操作，排除来自不同方向的相同色彩的λ彼此冲突。最后，MCS也具有“灵活栅格”的特征，此归因于CR的无滤光器特征，此也使基于MCS的ROADM固有地低成本。
独立MCS由于数种原因而不能完成多度CDC上路/下路功能。首先，1×N分裂器的损耗可通过掺杂铒的光纤放大器(EDFA)补偿。其次，由于每MCS有限输出端口(使用现今的平面光波电路或MEMS技术，N≤24)，多个MCS卡必须以按需付费方式添加。针对总计384个λ，需要使用384/16＝24个8×16MCS卡。因此，在每一下路光纤与24MCS卡之间，1×24WSS可用于将来自每一方向的传入的96个λ分裂至其24个输出端口中，且最重要地，控制每输出端口的λ的最大数目(NWSS,max)。基本CDC ROADM架构可具有8个1×24WSS的顶部层、192个EDFA的第二层及24个8×16MCS卡的底部层以在无争用的情况下实现使384个λ从8个方向中的任一者下路。可通过将额外经放大MCS卡添加到图24a来实现热备用保护，以使得在作用中经放大MCS卡中的任一者出故障的情况中，顶部层WSS可将对应业务重新路由到保护卡。添加方向需要类似架构。注意，在此基本架构中，大量EDFA及大端口计数WSS可导致成本、空间及功率消耗问题。
以上提及的参数NWSS,max必须满足以下条件：(i)NWSS,max≤NCR，其中NCR是在可接受最低OSNR损失的情况下可由CR处置的一致λ的最大数目[4]—需要此条件是因为所有NWSS,max个λ将由CR接收。(ii)NWSS,max＝Nsplit，其中Nsplit是EDFA后分裂端口的总数目(在图24a中Nsplit＝16)—需要此条件以当λ从仅一个方向到达经放大MCS且每一CR选择独特波长时处理最糟不均匀业务。如果NWSS,max>Nsplit，那么其意味着(NWSS,max-Nsplit)个λ无输出端口出去，而NWSS,max<Nsplit意味着当传入λ继续从仅一个方向流入时，甚至当原始卡中仍保留有空端口时也仍必须添加新的经放大MCS卡。因此，理想条件是NWSS,max＝Nsplit。(iii)每一EDFA应在CR处为NWSS,max个λ提供每λ足够光学功率(Prec)，所述CR针对100G DP-QPSK具有-20dBm的典型接收器敏感度。组合条件(i)及(ii)，可得到表达式：
Nsplit＝NWSS,max≤NCR，对于经放大MCS卡中的所有EDFA (1)
根据条件(iii)，因此：
Prec＝PEDFA-10·log(NWSS，max)-10·log(Nsplit)-ILexcess (2)
其中PEDFA是每一EDFA的总输出功率，且ILexcess是超过10·log(N)的MCS过量损耗，其可介于从3dB到6dB的范围内。方程式(1)及(2)意味着图24a和图24b中的每一EDFA经设计以处置最糟情况的不均匀业务(即，λ的NWSS,max个信道)，且因此需要较高功率的EDFA及较高成本。不均匀业务的效应可以不均匀业务对均匀业务比率η来表达。举例来说，在图24a中，具有50％下路比率的均匀业务给出NWSS,max＝96·50％/24＝2，且因此η＝NWSS,max/NWSS,unif＝16/2＝8。
基于M×N多播交换器的CDC ROADM架构
图24a和图24b展示8度50％下路CDC ROADM：图24a使用8个1×24WSS 2404及24个经放大8×16MCS 2406；图24b通过在EDFA 2411与双重MCS 2414之间插入1×2分裂器2412而使用8个1×12WSS 2408及12个经放大双重8×16卡。标记为CR＝的块描绘相干接收器。如下描述针对成本及大小减少的对图24a中的基本架构的进一步改进。从成本观点来看，CDCROADM中的每上路/下路端口成本给出为：
每上路/下路端口成本＝每MCS上路/下路端口成本+EDFA成本/J+WSS端口成本/K(3)
在图24a中所示的实例中，J＝2(每8个EDFA对应于16个MCS上路/下路端口)且K＝2(每8个WSS上路/下路端口对应于16个MCS上路/下路端口。现在问题是J与K是否可通过增加Nsplit而进一步增加，以使得更多MCS上路/下路端口可分担较高层EDFA及WSS成本。一种方法是增加MCS的上路/下路端口计数，但现今每MCS最大端口计数为≤24。另一方法是在EDFA与MCS之间插入1×2L(L＝1、2、3、...)分裂器(以使得Nsplit＝N×2L)，如图24b中所示(L＝1)。应注意，图24b中的1×2分裂器层的添加有效地使经放大的MCS成为8×32模块，此使得经放大MCS卡及WSS端口的数目能够减少50％，如通过比较图24a与24b可观察到。另一方面，Nsplit不可过大—其上限可通过使Nsplit＝NWSS,max且PEDFA＝21dBm而从方程式(2)获得且结果展示于图25中。假定Prec＝-16dBm(此针对典型CR给出4dB边限)，看出Nsplit可为≤32(例如，将双重8×16MCS与1×2分裂器一起使用)或≤48(例如，将双重8×24MCS与1×2分裂器一起使用)，此取决于MCS过量损耗。
现今典型NCR≤12～16，且因此方程式(1)中的NCR对Nsplit实际上设定比方程式(2)严格的约束—即使此约束可经由未来专属数字信号处理算法而放松。方程式(1)也指示Nsplit与NWSS,max紧紧耦合以使得每次Nsplit加倍，Prec减少6dB而非3dB。然而，存在几种用以放松由方程式(1)对Nsplit设定的约束的架构方法。第一种方法是在MCS与CR之间使用可调谐滤光器阵列(TFA)以确保在CR处所接收的λ的数目是≤NCR，即使Nsplit＝NWSS,max为大的[5]。此方法的缺点是TFA的成本直接添加到每下路端口成本，且TFA的～2dB插入损耗可实际上增加EDFA成本。第二种方法是使经放大MCS卡中的EDFA经由可调谐1×M分裂器共用一或两个泵激光器，以使得多数EDFA不必放大NWSS,max个λ的全负载，因此节省成本[3]。此方法的缺点是难以针对动态λ上路/下路灵活地调整EDFA当中的泵共用。此外，此方法不允许大Nsplit增加方程式(3)中的K。本发明方法是将Nsplit与方程式(1)中的NWSS,max解耦，因此可独立地增加Nsplit。如图26中所展示，其描绘具有OXC负载平衡器(100％下路)2448的基于MCS的CDCROADM，N×N(N＝64)个光学交叉连接(OXC)2450插入于WSS层2452与EDFA层2452之间，且Nsplit动态地增加到4×24＝96。OXC用作“负载平衡器”(LB)，即，甚至在前96个λ从仅一个方向(所述方向为西)到达时，负载平衡器将使8个西WSS输出端口(其中每端口12个λ)重新混洗到前行以使得需要使用仅一个而非多个经放大MCS卡。图26中的ROADM具有以下特征：(a)其允许100％上路/下路以使得其成本可由高达784个上路/下路端口分担；(b)其呈现极佳的单位η；(c)其在CR处使用少量一致信道(NWSS,max＝12)且其插入损耗～2dB可由后面的EDFA在不增加成本的情况下容易地补偿；(d)其使EDFA后分裂显著增加到96，但仍以合理Prec＝-15dBm(从方程式(2)获得，其中PEDFA＝21dBm且ILexcess＝5dB)操作。此外，方程式(1)中的J及K现在增加到12，此导致最低总材料成本，如图27中所示(见“8×96+LB”)。图27中也展示使用具有50％上路/下路的常规方法的其它类型的MCS的相对成本。负载平衡器可使基于8×16MCS的ROADM的总成本减少～70％的主要原因是由于在下路方向中192个15dBmEDFA减少到64个21dBm EDFA，且WSS端口的数目从192减少到64。针对图27中的公平比较，8×12及8×16MCS不能完全实现50％上路/下路，因为1×32及32×24WSS现今不可用，而8×24及8×32MCS可由于其NWSS,max超过现今的12～16的NCR的事实而遭遇某些OSNR损失。
图28描绘集成到各种网络配置中的ROADM。可扩展多播交换器的使用提供所要路由灵活性。ROADM 2800具有可编程以避免将光学功率分布到休眠信道中及相关联浪费的可编程分裂器2802。可编程分裂器2802可针对(例如)单方向业务2804动态地重新配置功率分布，其中2802a描绘分裂效应。分裂器2802可编程以用于(例如)均匀地来自所有方向的业务2806，其中2802b、2802b'描绘示范性信号流。分裂器2802可编程以用于任意业务2808，其中2802c、2802c'、2802c"描绘示范性信号流。
图29描绘用作可编程分裂器的连续交换器的实施例。基于MZI的可编程分裂器2900具有在16个输出2804当中动态分裂的输入N 2902。此分裂器可用作用于多播交换器的分裂器树，例如针对以上所描述的特定实施例。一般来说，连续范围光学交换器可(即)由马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪构成，所述干涉仪将连续范围的驱动电压接受到其移相器。用于本文中所描述的架构的光学交换器(例如1×2、2×1及2×2交换器)可类似地基于马赫-曾德干涉仪结构。替代光学交换器设计可基于MEM技术及/或其它机械结构(例如，基于压电的结构、电光效应、磁光效应、其组合等)。一般来说，光学交换器设计是此项技术中已知的且在继续进一步开发中。
图30描绘图24a的ROADM设计的替代实施例。在此实施例中，ROADM 3000包括置于波长选择性交换器(WSS)3004与MCS电路3006之间的可插拔放大器卡3002。MCS电路3006包括分裂器3008及交换器排3010。放大器可将每一输入信号放大到MCS中。图31描绘本实施例的变化形式，其中低功率放大器供与具有均匀地来自所有方向的业务(参考图28)的网络一起使用。
图32描绘ROADM的实施例，其中连接到输入3021的一组8个1×20WSS 3020将输入提供到OXC交叉连接交换器3022中以用于负载平衡。可插拔放大器池3024提供对来自WSS的信号的放大。在一些实施例中，来自OXC 3020的输出3030的一部分可引导到MCS 3028的输入端口，且OXC的输出3032的第二部分可引导到MCS的扩展输入端口3034，所述扩展输入端口连接到通到旁路交换器3038的旁路光路径3036。此实施例包含提供完全自动且灵活交换。
图33中描绘在ROADM内使用替代路由的ROADM设计。将图片(c)的架构与具有基于图片(a)中示意性描绘的预安装的大量DWDM发射器应答机及光学输送网络交换器端口且基于图片(b)的客户端侧光纤交叉连接的争用缓解的ROADM进行对比。尽管本文中所描述的可扩展交换器可有效地用于这些架构中的任一者中，但图片(c)中的设计涉及通过争用减少交换器排重新路由以将争用缓解而降到小后果的概率。图34中展示ROADM的实施例的架构。
如图34中所示，争用减少排可包括高达N-1个争用缓解(CM)交换器结构，其中N是到ROADM中的输入的数目。每一CM交换器结构可包括N×M个交换器，例如交叉连接交换器或其它类似交换器功能。如图34中所示，每一交换器结构包括提供交叉连接功能的1×8个功率耦合器及1×16个功率交换器。ROADM进一步包括M个下路排。如图34中所示，来自WSS的输出行进到M个(1×N)功率耦合器，所述功率耦合器将输入提供到MCS交换器中，且来自争用排的输出也被引导到MCS输入。在基于本文中所描述的可扩展MCS交换器设计的替代实施例中，来自争用排的输出可被引导到MCS交换器的扩展输入端口且WSS的输出可在不使用耦合器的情况下直接引导到MCS交换器的输入。随所提供负载而变的阻塞率可借助大量争用排(具体来说，5到7个争用排)而实际上无争用，例如，比10-7小得多的阻塞率。
环形光学网络可提供显著的稳健性，因为如果发生线路的断裂，那么信号发射可替代地通过并行环发生而不论断裂的位置如何。图35中展示具有连接一组节点的两个并行光学路径的环形网络的概念图。此环形网络可(举例来说)用作常规地具有每节点4到8个端口、88个DWDM波长、具有无色ROADM的都会网络边缘。在一些实施例中，环形网络可用作具有主节点及相关联子节点的集中式环形网络。图36中展示潜在节点结构。
参考图36，节点3602包括用于执行上路及下路功能的两个并行结构。每一并行光学线3604及3606借助1×2WSS连接到节点的上路侧3608、3610及下路侧3612、3614。节点的上路侧包括分别连接到WSS 3608、3610的两个MCS 3620、3622，且MCS 3620、3622连接在一组2×1旁路交换器2624处。类似地，节点的下路侧包括分别连接到WSS 3612、3614的两个MCS 3640、3642，且MCS 3640、3642连接在一组2×1旁路交换器2644处。如果使用集成可扩展MCS，那么来自所述MCS对中的一者(3620+3622或3640+3642)的输出可被引导到另一MCS交换器的扩展输入端口以利用可扩展交换器的旁路交换器来提供所要功能性。
上述实施例既定为说明性而非限制性。额外实施例在权利要求书内。另外，虽然已参考特定实施例对本发明进行描述，但所属领域的技术人员应认识到，可在不背离本发明的精神及范围的情况下做出形式及细节的改变。以对上述文件的引用方式的任何并入是受限制的以使得并不并入与本文中的明确揭示内容相反的标的物。
以引用方式并入本文中的参考文献：[1]M.费尔巴哈(M.Feuer)等人，光纤电信(Optical Fiber Telecommunications)，B卷，系统及网络(Systems and Networks)，第8章，2008年；[2]S.格兰杰(S.Gringeri)等人，IEEE Comma Mag.，第40页，2010年7月；[3]S.钟(S.Zhong)与J.保(J.Bao)，美国专利申请公开案US 2009/0067845；[4]L.尼尔逊(L.Nelson)等人，光波技术期刊，第2933页，2010年；[5]T.渡边(T.Watanabe)等人，OFC/NFOEC，paper OTuD3，2011年。

Claims (27)

1.一种具有扩展连接的光学交换装置，所述光学交换装置包括光子集成电路，所述光子集成电路包括：N个光学输入端口，其中N>1；输入光路径，其与每一光学输入端口相关联；M个光学输出端口，其中M≥1；输出光路径，其与每一光学输出端口相关联；旁路交换器块，其与每一光学输出端口相关联；P个扩展输入端口，其中P≥1；扩展光路径，其与每一扩展输入端口相关联且与相关联的旁路交换器块连接；多个光学交换元件及相关联的光路径，其形成所述输入光路径与关联于输出光路径的旁路交换器块之间的连接网络。
2.根据权利要求1所述的光学交换装置，其中P＝mM，其中m为≥2的整数且其中所述旁路交换器块包括(m+1)×1光学交换装置。
3.根据权利要求1所述的光学交换装置，其中P＝M且其中旁路交换器块包括2×1光学交换器。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其进一步包括光学分裂器及相关联的多个光学光路径的树状结构，其中所述多个光学交换元件组织成若干群组，其中每一交换器群组与关联于输出光路径的所述旁路交换器块相关联，其中经分裂光学光路径将输入提供到所述交换器群组中，且其中到交换器群组的每一输入连接到与不同分裂器树相关联的光路径。
5.根据权利要求4所述的光学交换装置，其中每一输入连接到K个分支，其中K≥M，其中如果K>M，那么K-M个光学路径为休眠的。
6.根据权利要求4所述的光学交换装置，其中每一输入连接到K个分支，其中K<M，且其中所述光学交换元件经配置以将来自输入的信号选择性地引导到K个输出的子组。
7.根据权利要求4所述的光学交换装置，其中关联于与输出连接的特定旁路交换器的旁路交换器块包括N-1个经循序对准的2×1光学交换元件。
8.根据权利要求4所述的光学交换装置，其中关联于与输出连接的特定旁路交换器的旁路交换器块包括2×1光学交换元件的L个连续层级，其中L为大于或等于log2(N)的最小整数。
9.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述多个光学交换元件及相关联的光路径具有提供每一输入光路径与每一输出光路径之间的连接的概念性矩形交换器矩阵。
10.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其进一步包括：一组Q个扩展输出光学端口；扩展输出光路径，其与每一扩展输出光学端口相关联；及旁路光学交换器，其连接输入光路径与扩展输出光路径以及光学交换元件及相关联的光路径的所述网络。
11.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述旁路交换器块为可连续调整的。
12.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述光子集成电路包括平面衬底上的波导集成光学电路。
13.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述光学交换元件包括2×1光学交换器。
14.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述光学交换元件包括2×2光学交换器。
15.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学交换装置，其进一步包括光学耦合到输入线或输出线的光学放大器。
16.一种具有扩展连接的光学交换装置，所述光学交换装置包括光子集成电路，所述光子集成电路包括：N个光学输入端口，其中N≥1；输入光路径，其与每一光学输入端口相关联；M个光学输出端口，其中M>1；输出光路径，其与每一光学输出端口相关联；旁路交换器块，其与每一光学输入端口相关联；Q个扩展输出端口，其中Q≥1；扩展光路径，其与每一扩展输出端口相关联且与相关联的旁路交换器块连接；多个光学交换元件及相关联的光路径，其形成关联于所述输入光路径的所述旁路交换器块与所述光学输出端口之间的连接网络。
17.根据权利要求16所述的光学交换装置，其中所述多个光学交换元件及相关联的光路径具有提供每一输入光路径与每一输出光路径之间的连接的概念性矩形交换器矩阵。
18.根据权利要求16所述的光学交换装置，其进一步包括光学组合器及相关联的多个光学光路径的树状结构，其中所述多个光学交换元件组织成若干群组，每一交换器群组与连接到光学输入端口的光路径相关联，其中交换器群组的每一输出耦合到不同光学组合器树的分支。
19.根据权利要求16到18中任一权利要求所述的光学交换装置，其中Q＝N且其中旁路交换器块包括2×1光学交换器。
20.根据权利要求16到18中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述旁路交换器块为可连续调整的。
21.根据权利要求16到18中任一权利要求所述的光学交换装置，其中所述光子集成电路包括平面衬底上的波导集成光学电路。
22.根据权利要求16到18中任一权利要求所述的光学交换装置，其进一步包括光学耦合到输入线或输出线的光学放大器。
23.一种可扩展光学交换器装置，其用于动态地配置选定数目个光学输入端口与M个光学输出端口之间的互连，所述交换器装置包括Z个光学交换模块，所述光学交换模块具有光学互连以形成具有初始模块、终点模块及任选中间模块的配置，每一光学交换模块L包括NL个光学输入端口及ML个光学输出端口以及所述光学输入端口与所述光学输出端口之间的所要交换能力，其中，所述Z个光学交换模块的所述NL的和等于所述光学输入端口的所述选定数目，其中并非初始模块的每一光学交换模块具有通过旁路交换器耦合到相应光学输出端口的一组扩展输入端口，且其中并非终点模块的每一光学交换模块具有耦合到另一光学交换模块的扩展输入端口的一组光学输出端口。
24.根据权利要求23所述的可扩展光学交换器装置，其中每一交换模块进一步包括光学分裂器及相关联的多个光路径的树状结构，且多个光学交换元件及相关联的光路径形成光学分裂器与所述旁路交换器之间的连接网络。
25.根据权利要求23所述的可扩展光学交换器装置，其中光学交换模块包括根据权利要求1到15中任一权利要求所述的光学交换装置。
26.一种可扩展光学交换器装置，其用于动态地配置N个光学输入端口与选定数目个光学输出端口之间的互连，所述交换器装置包括Z个光学交换模块，所述光学交换模块具有光学互连以形成具有初始模块、终点模块及任选中间模块的配置，每一光学交换模块L包括NL个光学输入端口及ML个光学输出端口以及所述光学输入端口与所述光学输出端口之间的所要交换能力，其中，所述Z个光学交换模块的所述ML的和等于所述光学输出端口的所述选定数目，其中并非终点模块的每一光学交换模块具有通过旁路交换器耦合到相应光学输入端口的一组扩展输出端口，且其中并非初始模块的每一光学交换模块具有耦合到另一光学交换模块的扩展输出端口的一组光学输入端口。
27.根据权利要求26所述的可扩展光学交换器装置，其中光学交换模块包括根据权利要求16到22中任一权利要求所述的光学交换装置。
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