CN105474565B - 用于可扩展可重构光分插复用器的光子开关芯片 - Google Patents

Abstract

提供了针对用于可扩展可重构光分插复用器(ROADM)的光子开关芯片的系统和方法实施方式。实施方式实现了低成本按增长付费的ROADM，该低成本按增长付费的ROADM随着被插入或分出的波长的数目的增大以及节点在方向的数目方面的尺寸的增大二者而扩展。在一种实施方式中，ROADM包括：M自由度光交叉连接串联部件，该M自由度光交叉连接串联部件包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个波长选择开关(WSS)，其中，M等于输入方向的数目或输出方向的数目；路由级波长选择器开关(WSS)，该路由级波长选择器开关(WSS)包括连接至串联部件的多个WSS；以及耦接至路由级WSS的用于分插的N×M的合路器/分配器，其中，合路器/分配器包括一个或更多个光子集成电路(PIC)芯片，并且其中，N为分插波长的最大数目。

Description

用于可扩展可重构光分插复用器的光子开关芯片

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月9日提交的题目为“Photonic Switch Chip forScalable Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer(用于可扩展可重构光分插复用器的光子开关芯片)”的第14/021,999号美国专利申请的权益，其全部内容通过引用合并至本文中，如同其全部内容在本文中再现一样。

技术领域

本发明涉及光网络，并且，在特别的实施方式中，涉及光学路由器。

背景技术

针对住宅和商业二者的互联网流量的增长使得服务提供商寻找用于产生更多的收益并且使其从经由因特网提供的所增加的越来越多的服务中获益的方式。这些服务中的许多服务例如HDTV、游戏和实时应用的特征在于以下两个特征。一个特征在于服务对与延迟、抖动和对高带宽的需求有关的迫切的网络需求，而另一个特征在于服务的突发性、服务的流量路由模式以及不可预测的带宽需求。这对服务提供商提出了在其站点中的许多站点处预测带宽需求的操作挑战。注意，应对该挑战的一个方式为提供至各个站点中的每个站点的高带宽连接。这导致资本支出和网络复杂性二者均增大。

由于以上挑战，服务提供商将会从支持对网络资源进行重构的全光敏捷网络中受益。作为全光网络(AON)的一部分，可重构光分插复用器(ROADM)提供了至任何站点的带宽连接并且使得能够支配节点分插流量。ROADM使得能够以环形连接和网状连接二者的方式进行许多城域节点的透明连接。通过定义，ROADM为直接对光信号进行路由并且避免光电光(OEO)转换的光网络元件。将ROADM集成到当前WDM网络中是关键要素，因为其为动态提供波长方面提供了按增长付费(pay-as-you-grow)能力和灵活性。这使得ROADM既能够使任何单独的波长在WDM节点线路接口之间通过，又能够将任何单独的波长从WDM线路接口分插至分插端口。

发明内容

根据一种实施方式，ROADM包括：M自由度光交叉连接串联部件，该M自由度光交叉连接串联部件包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个波长选择开关(WSS)，其中，M为整数并且等于输入方向的数目和/或输出方向的数目；路由级波长选择器开关(WSS)，该路由级波长选择器开关包括连接至串联部件的多个WSS，其中，WSS为单向部件；以及耦接至路由级WSS的N×M的合路器/分配器，其中，合路器/分配器包括光子集成电路(PIC)，并且其中，N为ROADM可以插入或分出的分插波长的最大数目。

根据另一实施方式，ROADM包括：第一级，其中，第一级包括M自由度OXC串联部件；耦接至第一级的第二级，其中，第二级包括PIC，并且其中，第二级包括多个功率分路器和多个功率合路器中的至少之一，其中，功率分路器将输入分路成K个信号，其中，功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K<＝N，K为可以被插入或分出的波长信号的最大数目；以及耦接至第二级的第三级，其中，第三级包括PIC，并且其中，第三级包括多个选择器开关。

根据另一实施方式，一种光开关网络中的网络部件包括：串联级，该串联级包括M自由度串联部件，其中，M为与光开关网络中的其他网络部件的连接的数目；以及分插级，该分插级包括多个第一子级、多个第二子级以及多个第三子级，其中，第二子级和第三子级中的对应的子级包括多个PIC芯片中的一个PIC芯片的至少一部分，其中，PIC芯片的数目等于M，其中，串联级的每个输出或每个输入连接至PIC芯片中的每个PIC芯片，其中，第一级包括多个固定栅格波长选择开关(WSS)或多个灵活栅格(fg)波长选择开关(WSS)，其中，第二级包括多个功率分路器和多个功率合路器中的至少之一，其中，功率分路器将输入分路成K个信号，其中，功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K<＝N，K为可以被插入或分出的波长信号的最大数目，并且其中，第三级包括耦接至第二级的多个选择器开关。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现在将参照以下结合附图进行的描述，在附图中：

图1示出了其中每个节点具有多自由度的多节点全光网络的示例的框图；

图2A和图2B示出了ROADM的现有实现的架构的示意图；

图3示出了ROADM的分插部分的基于硅光子元件的方法的实施方式的示意图；

图4是三级ROADM分插模块的实施方式的示意图；

图5示出了分出模块的架构的实施方式的示意图，其中，M＝20并且K＝25(25/80＝31％分出率)；以及

图6示出了插入模块的架构的实施方式的框图，其中，M＝20并且K＝25(25/80＝31％插入率)。

具体实施方式

以下详细讨论了目前优选的实施方式的实现和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在多种具体情境中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施方式仅例示出用于实现和使用本发明的具体方式，而非限制本发明的范围。

ROADM的可重构性是基于软件的并且可以远程地被实现。通常，ROADM对波长的调制格式、成帧情况或者数据率是透明的。ROADM网络元件通常包括发送机应答器、ROADM子系统、光服务信道、光功率监测装置、放大器(前置放大器&后置放大器)、色散补偿模块和动态信道均衡装置。在本公开内容中，一个关注点为ROADM子系统。

ROADM子系统的架构在实现低成本、低功率、可扩展、按增长付费、灵敏、灵活性和动态光网状网络中发挥了重要作用。这些需求中的一些需求例如灵活栅格、动态波长路由以及对光电光(OEO)操作的去除通过名称为波长无关(Colorless)、方向无关(Directionless)和任何无关(Contention-less)(CDC)ROADM架构的现有技术来实现。仍未实现的是构成本公开内容的一个方面的基于硅光子元件的这样的架构的低成本、低功率、可扩展和按增长付费能力。

针对下一代ROADM实现可扩展(使用或不使用灵活性栅格)分插需要大量功率、实时估算和成本。固定波长栅格(固定栅格或固定栅格变体)网络为波长栅格不变化的网络。反之，灵活性波长栅格(灵活性栅格或灵活栅格或灵活栅格变体)网络为波长栅格可变化的网络。作为一种技术，硅光子元件可以有助于减少成本、尺寸和功率，但是需要解决其可扩展性，因为硅光子元件在分插节点处需要大量波导。因此，构建随着方向的数目以及每个方向的波长的数目而扩展的分插硅光子芯片变得几乎不可能。例如，具有20个方向且每个方向具有80个波长的ROADM对于快速连接和分插连接二者需要处理1600个波长。假定节点需要支持对这些波长中的大约三分之一的波长的分插，则分插的总数目为约500。为了构建可以在接收机中的每个接收机上分出来自任何20个方向的500个波长的硅光子芯片，在芯片中需要20×500＝10000个波导。除非定义下述新的架构，否则该构建是不可能的，所述新的架构使得能够将ROADM分插元件及其波导互连划分成可以设计在硅光子元件中并且可以随着方向的数目以及每个方向的分插波长的数目二者的增大而扩展的单元中。另外，具有波长平面空间开关核芯的ROADM，例如基于3D MEMS的ROADM，对于最小尺寸的系统具有差的可扩展属性以及高的初始安装成本。

ROADM设计已经经过了很长的时间。第一代ROADM基于支持具有固定的100GHz间隔的两个自由度(针对环形而言)的波长阻断器。这种类型的ROADM既不提供信道均衡能力，也不提供波长无关能力和方向无关能力。第二代ROADM是基于PLC的，与第一代ROADM相比，第二代ROADM具有有限的多自由度以及信道均衡能力。第三代ROADM是基于波长选择开关(WSS)的，第三代ROADM提供了50GHz/100GHz的间隔和多自由度支持。然而，以上三代ROADM既不是波长无关也不是方向无关的。最新一代的ROADM使用各种实现技术例如WSS硅上液晶(LCoS)实现技术、基于PXC的实现技术和基于混合PXC+WSS的实现技术。这一代的ROADM提供了第三代ROADM的所有的特征以及CDC支持。另外，当前代的ROADM还支持固定栅格WSS和灵活栅格(fg)WSS。

下一代ROADM需要支持20自由度并且针对分插需要处理最高达三分之一的波长。这意味着ROADM 200对于M＝20且进行三分之一分插而言不能扩展，因为ROADM 200需要具有所谓的1×59的尺寸的大尺寸WSS，使得WSS的20个连接用于工作分插且20个连接用于保护且19个连接用于其余方向。这样的架构价格昂贵、体积庞大、功率低效、不可扩展并且不具有按增长付费能力。

基于WSS以及使用分路器、合路器和开关的多掷开关的传统ROADM设计可以实现对灵活栅格、动态波长路由以及提供波长无关、方向无关和任何无关(CDC)架构的需求。

这些架构不能实现的是如何实现低成本、低功率、可扩展和按增长付费能力。使用传统方法来构建下述ROADM会非常昂贵、体积庞大、消耗大量的功率并且具有可扩展问题，该ROADM具有20个方向且每个方向具有80个波长(总共1600个波长)并且这些波长中的三分之一的波长被分插。使用硅光子芯片来实现ROADM的分插能力的构思是具有吸引力的，因为其具有解决这些需求的潜力。

本文中所公开的是用于光网络中的可重构光分插复用器(ROADM)的光子开关芯片。在一种实施方式中，硅光子元件用于分插ROADM节点并且还用于对分插硅光子集成电路(SPIC)芯片进行简要划分，以使得可以管理芯片中的波导互连，芯片随着ROADM方向的数目的增大而扩展，芯片随着每个方向插入(或分出)的波长的数目而扩展，并且芯片提供具有按增长付费能力的低成本解决方案。

在一种实施方式中，使用WSS技术来创建必须将波长与其他波长区分开的部件。WSS技术可用于灵活栅格变体以及固定栅格变体中。对于固定栅格应用而言，WSS可以为固定栅格变体或灵活栅格变体。在一种实施方式中，对于灵活栅格变体应用而言，WSS应当为灵活栅格变体。所公开的用于ROADM的光子开关芯片在灵活栅格变体实施方式和固定栅格变体实施方式二者的情况下都能很好地扩展。

在一种实施方式中，公开了针对每个RX(或TX)芯片的三级架构。级一是串联级的一部分并且级一是特定于实现的。在一个实施方式中，级一可以为1×M的灵活WSS，其中，M为方向的数目。每个级一输出被连接至节点中的所有的芯片的级二。这意味着芯片具有用于分出(插入)的M个输入(输出)，其中，每个输入来自级一元件中的一个元件，并且每个输出被输出至级一元件中的一个元件。级一至级二的连接使得一个方向的波长从节点被插入(或者被分出至该节点)。级一与级二之间的每个连接可以承载K个波长。第二级为1×K的功率分路器(或者K×1的合路器)，其中，K为芯片可以分出(或插入)的波长的最大数目。在一个示例中，K＝25。第三级为用于插入(或分出)的K:1(或者1:K)光子集成电路(PLC)选择器开关。这意味着每个芯片的波导互连被减少至M×K，这在M＝20并且K＝25的示例中为500。第二级和第三级二者均被构建在经由级一互连的硅光子元件中。每个硅光子芯片处理K个光信道(OCh)信号并且包括：

●M个输入光纤(每个WSS一个光纤)

●M个1:K功率分路器

●实现为大量抑制串扰的K个M:1选择器开关

●K个输出光纤(每个输入光纤至1个Rx)

在一个实施方式中，芯片的实现可以假定K和M固定不变(即，K＝25且M＝20)，并且通过增大级一的尺寸和芯片的数目二者来实现可扩展性。该实施方式还会需要用于插入模块和分出模块二者的WSS部件。

在一种实施方式中，公开了一种可重构光分插复用器(ROADM)。ROADM包括：M自由度光交叉连接(OXC)串联部件，该M自由度光交叉连接(OXC)串联部件包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个波长选择开关(WSS)，其中，M为整数；以及耦接至串联部件的至少一个N×M的OXC合路器/分配器，其中，合路器/分配器包括光子集成电路(PIC)，其中，N为分插波长信号的数目。在一种实施方式中，串联部件包括第一级，并且合路器/分配器包括第二级和第三级，其中，第二级包括多个功率分路器和多个功率合路器中的至少之一，其中，功率分路器将输入分路成K个信号，其中，功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K为可以被插入或分出的波长信号的最大数目(K<＝N)。在一种实施方式中，当N足够小使得分路器(用于分出功能)和合路器(用于插入功能)二者可以在单个硅光子芯片中实现时，适用K＝N的情况。图3中示出了实施方式示例。在一种实施方式中，当分插波长的数目大而合路器和分配器模块需要在许多芯片中实现时，适用K<N的情况。以下参照图4、图5和图6描述实施方式示例。在一种实施方式中，每个串联级输出被连接到至少一个N×M的OXC合路器/分配器中的每个N×M的OXC合路器/分配器，其中，合路器进行将流量从N个发送机中的任何发送机插入至OXC节点的M个方向中的任何方向，并且分配器进行将任何信道从M个方向中的任何方向分出至N个接收机中的任何接收机。在一种实施方式中，PIC芯片为硅PIC芯片。

在一种实施方式中，分配器包括分路器级和选择器级。分路器级包括1×K的功率分路器，其中，K<＝N，K为ROADM可以分出或插入的波长信号的最大数目。在一种实施方式中，选择器级包括用于分出波长信号的M×1的PIC选择器开关(SS)，其中，M为光ROADM节点上的WDM接口的数目。合路器包括用于插入波长信号的合路器级K×1的合路器(K<＝N)和1×M的路由开关(RS)。ROADM包括多个波导互连，其中，波导互连的总数目为M×N。在所公开的实施方式ROADM中，多个光信号通常一起到达每个接收机，其中，多个光信号中的每个光信号处于不同的波长。接收机通过在相干信号传输的情况下结合可调谐光学滤波器以及/或者借助于可调谐本地振荡器激光器来接收这些波长中的仅一个波长。

由本公开内容的各种实施方式提供的优点中的一些优点可以包括低成本、低功率、由于使用硅光子集成电路而引起的较小空间、可扩展以及针对PIC分插ROADM的按增长付费架构。本公开内容的实施方式提供了基于对芯片部件的架构划分的用于实现针对高自由度节点的大量波导互连的挑战的模块化解决方案。在一种实施方式中，以3层(或3级)架构的堆叠芯片提供可扩展性。

在一种实施方式中，硅光子集成电路(SPIC)用于在分插ROADM中使用。在一种实施方式中，SPIC被划分成使得SPIC可以以按增长付费能力针对许多自由度被扩展。

本公开内容的实施方式可以用于工作在电路水平和包水平二者下的全光网络(AON)分插高负载光开关。

光网状网络的灵活性可以通过对网络中的每个节点处的分插端口提供波长无关、方向无关和任何无关(CDC)特征而扩展。本地分插端口处的波长无关特征是指可调谐发送机应答器对所有的DWDM网络端口具有波长透明访问的能力。本地分插端口处的方向无关性特征是指发送机应答器对光学系统中的所有DWDM网络端口具有无阻挡访问的能力。本地分插站点处的任何无关特征使得能够高效地使用波长和访问资源。ROADM架构的CDC特征使得能够将所有可调谐访问资源高效地用于立即响应式且高的带宽配置并且简化了网络架构。

图1示出了其中每个节点具有多自由度的多节点全光网络100的示例的框图。网络100包括通过光介质彼此连接的多个节点102。每个节点102为能够接收、发送、插入和分出光信号的任何装置。在一种实施方式中，每个节点102为直接路由光信号并且避免OEO转换的ROADM。节点102被标记为A、B、C、D和E。对于本示例，主要关注节点A及其至节点B、C、D和E的4自由度连接。每个节点102包括一个或更多个DWDM光纤接口。

图2A和图2B示出了具有4个方向(M＝4)的ROADM 200的现有实现的架构的示意图。ROADM 200包括连接至16个多掷切换(MCS)开关204的4个输入WSS 202和4个输出WSS 203(每个WSS 202连接至8个MCS开关204，每个WSS 203连接至8个MCS开关204)。每个MCS开关204包括EDFA 214、4个1×16的分路器(SP)216以及16个4×1的开关(SW)218。每个MCS 204连接至接收机(Rx)206或者发送机(Tx)208。MCS 204被分成工作组和保护组。8个MCS 204用于工作并且8个MCS 204用于保护。MCS 204中的4个MCS 204连接至工作(RX 206W)并且另外4个MCS 204连接至保护(RX 206P)。再另外的4个MCS连接至工作TX 208W并且其余4个MCS连接至保护TX 208P。206W和206P二者均连接至开关210，以选择从工作路径或保护路径所接收的信号。类似地，208W和208P二者均连接至212耦合器(CP)，以将发送的信号连接至工作路径和保护路径。

ROADM 200示例假定4自由度节点(因此，4×80＝320个波长)、20％的波长分插(因此，该节点可以分插64个波长)以及每个方向两个WSS(在本示例中8个WSS)。WSS的大小为1×11，其中，11个连接中的3个连接用于连接至3个其余的方向，并且8个连接用于连接至大小为4×16的8个MCS开关。示例还假定1+1保护的分插，其中，4×16的多掷开关意味着其需要256个4×1的开关和64个1×16的分路器。

图3示出了ROADM 300的分插部分的基于硅光子元件的方法的实施方式的示意图。ROADM 300包括串联块302和分插块。对于M个WDM接口方向以及一个插入块304(或分出块306)，分插块包括：

对于插入块304：

●N个输入和M个输出；

●N个1×M的开关，每个开关通过使用在光子集成电路(PIC)中实现的1×2的开关元件被构建——这样的实现的示例为马赫增德(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)；

●M个N×1的合路器312，每个合路器通过使用多级系统中的2×1的开关元件314被构建；以及

●将N个1×M的开关连接至M个N×1的合路器312的M×N个波导。对于分出块306：

●M个输入和N个输出；

●N个M×1的开关，每个开关通过使用在光子集成电路(PIC)中实现的2×1的开关元件被构建

●M个1×N的分路器316，每个分路器316通过使用多级系统中的1×2的开关元件被构建；以及

●将N个M×1的开关连接至M个1×N的分路器316的M×N个波导。

在一种实施方式中，合路器304和分配器306在单个SPIC模块中实现。合路器304耦接至N个发送机308，并且分配器306耦接至N个接收机310。

将硅光子集成电路(SPIC)用于ROADM的分插模块减少了成本、尺寸和功率。为了量化使用SPIC的优点，提供了对图2A和图2B的4自由度节点的传统方法与图3的基于SPIC的节点二者的部件、尺寸、功率和成本量度的比较。表1示出了两种方法之间的比较。

表1：两种方法的关于4自由度20％分插的尺寸、成本和功率的比较

检查表1中所示的比较，披露了基于传统模块的方法与基于SPIC的方法之间关于4方向、20％分插示例的一些区别。例如，就部件而言，在基于SPIC的方法中，可以将所有的开关、分路器和合路器集成在一个芯片中，而传统方法需要数百个模块。另外，SPIC所需要的总空间为传统方法的数百分之一。使用SPIC时的功率消耗为传统ROADM的功率的十分之一。另外，基于SPIC的ROADM节点的相对成本极其低于传统方法的成本，因为传统方法需要相当数量的连接器成本和光纤成本。

以上比较仅示出了使用SPIC可以如何减少尺寸、功率和成本。然而，将SPIC扩展至许多方向(比如，20个方向，每个方向支持80个波长)在芯片内需要大量波导。为了示出这一点，假定节点需要支持对这些波长中的约三分之一的波长的分插，意味着分插的总数目为500。为了构建出在接收机中的每个接收机上能够分出来自任何20个方向的500个波长的硅光子芯片，在芯片内需要20×500＝10000个波导。这不可能被构建出来，除非定义下述新架构，所述新架构使得能够将ROADM分插元件及其波导互连划分成可以设计在硅光子元件中并且可以随着方向的数目以及每个方向的分插波长的数目的增大而扩展的单元。

图4是三级ROADM SPIC 400的实施方式的示意图。ROADM SPIC 400包括串联部件402、合路器404和分配器406。串联块(或部件)402包括与光网络中的多个其他节点中的每个节点的连接(发送机和接收机)。串联块包括多个固定栅格或灵活性栅格(fg)WSS(每个连接具有至少两个WSS)，并且每个连接耦接至合路器404和分配器406中的每个的输入或输出。fg-WSS为单向部件。合路器404包括三个级。合路器404的第一级包括多个fg-WSS 412，每个fg-WSS 412的输出耦接至串联块402中的各个连接中之一。类似地，分配器406的第一级包括多个fg-WSS 418，每个fg-WSS 418的输入耦接至串联块402中的各个连接中之一。fg-WSS 412、fg-WSS 418可以被称为路由级WSS。合路器404的第二级和第三级(在图4中由虚线指出)在硅PIC中实现并且被称为PIC模块430、PIC模块432。

接收机410的子集连接至实现模块432的PIC芯片中的一个PIC芯片。当光信号被分出时，控制系统确定哪个接收机子集包括该信号的目的地接收机。每个路由级分出WSS 418用作以下目的。来自M个输入中需要在该节点400处被分出的一个输入的每个光信号经过串联级(或串联部件)402传送至路由级分出WSS 418中的一个关联的路由级分出WSS 418。换言之，一个路由级分出WSS 418负责来自各个线路侧输入中之一的所有的分出流量。路由级分出WSS 418将零个或更多个光信号(每个光信号具有不同的波长)路由至模块432中的合适的PIC芯片，使得PIC芯片可以将光信号引导至合适的目的地接收机。

发送机408的子集连接至整个PIC模块430中的各个芯片中之一。当光信号被插入至给定波长上的方向时，控制系统确定哪个芯片被连接至该信号的发送机。方向决定哪个WSS 412应当用于连接。发送机然后调谐至其需要连接的波长，并且控制系统建立用于该方向的从发送机至1×M的开关至指定的N×1的合路器至指定的WSS 412的连接。换言之，一个路由级插入WSS 412负责来自N个输入中的任何输入的针对给定方向的所有的插入流量。

在一种实施方式中，所公开的ROADM使用可扩展SPIC被实现并且提供按增长付费优点。在一种实施方式中，对具有按增长付费特征的基于SPIC的分插的扩展是基于以下述这样的方式对分插PIC芯片所进行的简要划分：

a)能够在芯片中管理波导互连

b)其随着ROADM方向的数目的增大而扩展

c)其随着每个方向插入(或分出)的波长的数目而扩展

d)提供具有按增长付费能力的低成本解决方案

在一种实施方式中，假定输入信号从任何方向至节点的置换可以被分出至Rx的任何置换，任何自由度的输出信号的任何置换可以从Tx的任何置换插入，并且Tx和Rx可以调谐整个光谱。还假定如果需要更有限的能力，那么可以根据需要而简化分插架构。在插入功能块和分出功能块中使用硅光子元件。

本文中所公开的是将三级架构用于每个RX(或TX)芯片。如以下所描述的那样使用该三级架构将会导致芯片被简要划分并且允许每个方向具有一个芯片，因此，实现按增长付费。

级一：该级为串联(或过渡)级的一部分并且该级是特定于实现的。在一个实施方式中，级一为1×M的固定栅格WSS或灵活栅格WSS，其中，M为方向的数目。在另一实施方式中，当技术允许时，级一为硅光子元件。级一的每个输出被连接至节点中的所有芯片的级二。这意味着芯片具有M×N个输入/输出。

级二：第二级为功率分路器或功率合路器，其中，功率分路器进行分路得到K个信号，并且功率合路器对K个信号进行合并。存在用于分出功能的M个分路器以及用于插入功能的M个合路器。K为芯片可以分出或插入的波长的最大数目。级一与级二之间的每个连接可以承载K个波长。K的值由分插百分比来确定，即，K＝p*80，其中，p为分插比。对于下一代ROADM，p被假定为三分之一。因此，在一种实施方式中可以假定K＝25。

级三：用于分出功能的第三级为一组K个开关的集合，每个开关具有至一个输出的M个输入或者具有可以去到K个输出中的任何输出的一个输入。用于插入功能的第三级为一组K个开关，其中，每个开关具有1个输入和M个输出。

在一种实施方式中，第二级和第三级二者均构建在硅光子元件中。每个硅光子芯片处理K个光信道(OCh)信号。插入模块404具有K个输入和M个输出，而分出模块406具有M个输入和K个输出。插入模块404和分出模块406二者均包括N/K＝M个功能块，其中，这些块可以被组织在任意多个硅光子芯片实现中。在一种实施方式中，K<<N。在一种实施方式中，插入模块406和分出模块406二者在单个芯片上被实现。

图4示出了三个级。基于以上描述，插入节点404、分出节点406各自的连接被划分成使得每个分插可以在硅光子芯片中被实现并且以按增长付费能力而扩展。

图5示出了分出模块500的架构的实施方式的示意图。分出模块500可以被实现为分插节点的一部分。分出模块500包括第一级(级一)502、第二级(级二)504和第三级(级三)506。第二级504和第三级506形成在SPIC中实现的分出开关芯片508。在一种实施方式中，对于每个节点，第一级502包括20个(M个)1×20(1×M)的fg-WSS，其中，一个输出被连接至分出开关芯片508的第二级504中的分路器，并且其他19个输出被连接至其他19个(M-1个)分出开关芯片。在一种实施方式中，每个芯片存在20个1×25的波导功率分路器。第二级504包括各自连接至20个1×20fg-WSS中的每个1×20的fg-WSS的输出的20个分路器。每个分路器的输出被连接至第三级506。在一种实施方式中，每个芯片存在具有串扰抑制的25个(K个)20×1(M×1)的选择器开关。

在一种实施方式中，每个全光节点可以具有最大20个输入光纤，每个自由度具有一个光纤。另外，在一种实施方式中，每个输入光纤包括从0至80个光信号，每个信号具有灵活性光谱带宽。全部20个(M个)输入光纤上被分出至该节点(或从该节点插入)的光信号的总数目为500。分出模块500的每个输出光纤包含一个光信号并且直接连接至一个Rx。

分出块508可以为单个芯片，或者，分出块508可以为半个芯片，而另外半个芯片为插入块。在实现中，每个插入方向有一个芯片并且每个分出方向有一个芯片。关注针对方向s的芯片s，其中，s＝{1,2，…，M}。

级一502是特定于实现的。在一个实施方式中，级一502为1×M的固定栅格WSS或灵活栅格WSS，其中，M＝20为方向的数目。至该级的输入来自方向s，并且M个输出被连接至所有的分出芯片(或者如果分出为芯片的一部分则为块)。M个输出中之一直接连接至芯片(或块)s，而其他M-1个输出被连接至其他M-1个芯片。由于级一502的每个输出被连接至分出模块500中的所有芯片的级二504，这意味着分出芯片具有M个输入，M个输入中的每个输入来自级一元件502中之一。级一502至级二504连接使得来自每个方向的波长被分出至接收机中的每个接收机。

第二级504为1×K的功率分路器，其中，K为芯片可以分出的波长的最大数目。在所示的示例中，K＝25，这为80个波长的约三分之一。这样的功率分路器的总数目为400，然而，在划分成M＝20个分出芯片/模块的情况下，每个芯片508具有20个这样的分路器。

第三级506为用于分出的M:1SPIC选择器开关。针对节点(例如，分出模块500)的这样的选择器开关的总数目为500，然而，在划分成M＝20个分出芯片/模块的情况下，每个芯片508具有25个这样的选择器开关。该划分使得每个芯片的波导互连被减少至M×K＝500个波导，其可以在硅光子元件中实现。在一种实施方式中，第二级504和第三级506二者均构建在硅光子元件中。每个硅光子芯片508处理K个光信道(OCh)信号。

在一种实施方式中，分出块508上的25个20×1的选择器开关(SS)的集合中的每个包括借助于被结合在25个选择器开关(SS)的集合中的每个中的20个1×2的开关的附加层的串扰抑制。SS的一个目的是在20个输入中选择一个光路。2×1的开关元件可以使用硅芯片技术实现。因此，当光进入SS时可以在信号路径中插入通断门。这有助于更有力地阻挡不想要的输入光。

因此，在一种实施方式中，如图5所示，每个硅光子分出模块500处理25个OCh信号并且包括20个输入光纤(每个WSS一个光纤)、20个1:25功率分路器、实现为大量抑制串扰的25个20:1选择器开关以及25个输出光纤(每个输出光纤至1个Rx)。在一种实施方式中，所有这些元件可以固定在单个芯片或芯片的一部分上。

在一种实施方式中，分出模块500包括偏振多样性并且每个Rx有两个输出光纤至其，每个输出光纤承载一个偏振。

图6示出了插入模块600的架构的实施方式的示意图。插入模块600包括三个级：级一601、级二604和级三606。级二604和级三606形成被实现在SPIC中的插入开关芯片608。在一种实施方式中，插入模块600具有与图5中所示的分出模块500相同的架构，但是该架构如图6所示的那样以相反的方式使用。在一种实施方式中，实际的光子部件是不相同的，但是它们是相似的并且可扩展性和划分基本相同。例如，分出模块500的级二504中的功率分路器被改变成插入模块600的级二604中的功率合路器，并且使用路由开关来替代选择器开关。在级一602中存在另一变化，其中，使用20×1的灵活WSS(或规则的WSS)，而不是分出架构的1×20的灵活WSS(或规则WSS)。应当注意，针对插入模块600和分出模块500的放大器需求是不同的。

主要参照工作路径描述了各种实施方式。然而，本领域普通技术人员要理解，相同的描述适用于针对1+1保护或1:P保护的工作路径和保护路径二者，其中，P为当发生故障时由一个备用芯片保护的芯片的数目。当芯片中发生故障时，备用芯片代替来实现由故障芯片进行的功能的性能。在1+1保护的情况下，至分配器模块的输入为2×M，来自合路器的输出为2×M，并且在所有的级中存在重复。在一种实施方式中，针对1:P保护而言，针对每P个芯片存在另外的芯片。数目P被选择用于实现可接受的可用目标。

虽然本说明书已经进行了详细描述，但是应当理解，在不背离本公开内容的如由所附权利要求限定的精神和范围的情况下可以做出各种改变、替换和变体。此外，本公开内容的范围不意在限于本文中所描述的特定实施方式，如本领域普通技术人员根据本公开内容可以容易地理解那样，现有或随后开发的过程、机器、制造工艺、物质成分、装置、方法或步骤可以进行大致相同的功能或者实现与本文中所描述的对应的实施方式的结果大致相同的结果。因此，所附权利要求意在将这样的过程、机器、制造工艺、物质成分、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (30)

1.一种可重构光分插复用器(ROADM)，包括：

M自由度光交叉连接(OXC)串联部件，所述M自由度光交叉连接(OXC)串联部件包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个波长选择开关(WSS)，其中，M为整数并且等于输入方向的数目或输出方向的数目；

路由级波长选择器开关(WSS)，所述路由级波长选择器开关(WSS)包括连接至所述串联部件的多个WSS，其中，所述WSS为单向部件；以及

耦接至所述路由级WSS的至少一个N×M的OXC合路器/分配器，其中，所述合路器/分配器被配置成进行分插功能，并且其中，所述合路器/分配器包括至少一个光子集成电路(PIC)，其中，N为所述ROADM能够插入或分出的分插波长信号的最大数目。

2.根据权利要求1所述的ROADM，其中，所述路由级包括第一级，并且所述合路器/分配器每个都包括第二级和第三级，其中，所述第二级包括用于分配器的多个功率分路器和用于合路器的多个功率合路器中的至少之一，其中，所述功率分路器将输入分路成K个信号，其中，所述功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K为能够被插入或分出的波长信号的最大数目。

3.根据权利要求1所述的ROADM，其中，所述合路器/分配器包括合路器和分配器，其中，所述分配器包括分路器级和选择器级，并且其中，所述合路器包括合路器级和路由选择器级。

4.根据权利要求3所述的ROADM，其中，所述分路器级包括1×K的功率分路器，其中，K为所述ROADM能够分出或插入的波长信号的最大数目。

5.根据权利要求3所述的ROADM，其中，所述选择器级包括用于插入波长信号的K个1×M的PIC路由选择开关，其中，K为能够被插入至所述ROADM的波长信号的最大数目，并且M为WDM接口的数目。

6.根据权利要求3所述的ROADM，其中，所述选择器级包括用于分出波长信号的K个M×1的PIC选择器开关，其中，K为由所述ROADM能够分出的波长信号的最大数目，并且M为WDM接口的数目。

7.根据权利要求1所述的ROADM，还包括多个波导互连，其中，波导互连的总数目为M×N。

8.根据权利要求1所述的ROADM，其中，每个串联级输出被连接至所述至少一个N×M的OXC合路器/分配器中的每个N×M的OXC合路器/分配器。

9.根据权利要求1所述的ROADM，其中，所述PIC为硅光子集成电路。

10.根据权利要求1所述的ROADM，其中，所述合路器/分配器包括串扰抑制。

11.根据权利要求1所述的ROADM，其中，当K<<N时，M＝N/K，其中，K为由所述ROADM的所述至少一个PIC中的每个PIC能够插入或分出的波长信号的最大数目。

12.根据权利要求1所述的ROADM，还包括保护所述PIC的至少一个备用芯片，其中，所述备用芯片包括耦接至所述路由级WSS的至少一个K×M的第二OXC合路器/分配器，其中，K<＝N，其中，所述第二OXC合路器/分配器被配置成当所述PIC出现故障时实现分插功能，其中，所述第二OXC合路器/分配器包括第二PIC，并且其中，K为由所述至少一个备用芯片能够插入或分出的波长信号的最大数目。

13.一种可重构光分插复用器(ROADM)，包括：

串联级，其中，所述串联级包括M自由度光交叉连接(OXC)串联部件；

耦接至所述串联级的第一级，其中，所述第一级包括多个波长选择开关(WSS)；

耦接至所述第一级的第二级，其中，所述第二级包括光子集成电路(PIC)，并且其中，所述第二级包括多个功率分路器和多个功率合路器中的至少之一，其中，所述功率分路器将输入分路成K个信号，其中，所述功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K为能够被插入或分出的波长信号的最大数目；以及

耦接至所述第二级的第三级，其中，所述第三级包括所述PIC，并且其中，所述第三级包括多个选择器开关。

14.根据权利要求13所述的ROADM，其中，所述第一级包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个WSS，其中，M为整数。

15.根据权利要求13所述的ROADM，其中，所述第三级包括用于插入波长信号的K个M×1的PIC选择器开关，其中，K为能够被插入至所述ROADM的波长信号的最大数目，并且，M为ROADM节点的自由度。

16.根据权利要求13所述的ROADM，其中，所述第三级包括用于分出波长信号的K个1×M的PIC选择器开关，其中，K为由所述ROADM能够分出的波长信号的最大数目，并且，M为所述ROADM的自由度。

17.根据权利要求13所述的ROADM，还包括多个波导互连，其中，波导互连的总数目为M×K。

18.根据权利要求13所述的ROADM，还包括多个第二级和多个第三级。

19.根据权利要求18所述的ROADM，其中，每个串联级输出被连接至多个第二级部件中的每个第二级部件。

20.根据权利要求13所述的ROADM，其中，所述PIC为硅PIC。

21.根据权利要求13所述的ROADM，其中，所述第三级包括串扰抑制。

22.根据权利要求13所述的ROADM，其中，当K<<N时，M＝N/K，其中，K为由所述ROADM中的所述至少一个PIC中的每个PIC能够插入或分出的波长信号的最大数目，N为所述ROADM能够插入或分出的分插波长信号的最大数目。

23.一种光开关网络中的网络部件，包括：

串联级，所述串联级包括M自由度串联部件，其中，M为与所述光开关网络中的其他网络部件的连接的数目；以及

分插级，所述分插级包括多个第一级、多个第二级以及多个第三级，其中，所述第二级和所述第三级中对应的子级包括多个光子集成电路(PIC)芯片中的一个光子集成电路(PIC)芯片的至少一部分，其中，PIC芯片的数目等于M，其中，所述串联级的每个输出或输入连接至所述PIC芯片中的每个PIC芯片，其中，所述第一级包括多个固定栅格波长选择开关(WSS)或灵活栅格波长选择开关(WSS)，其中，所述第二级包括多个功率分路器和多个功率合路器中的至少之一，其中，所述功率分路器将输入分路成K个信号，其中，所述功率合路器将K个信号合并成输出，其中，K为能够被插入或分出的波长信号的最大数目，并且其中，所述第三级包括耦接至所述第二级的多个选择器开关。

24.根据权利要求23所述的网络部件，其中，所述第三级中的至少一些第三级包括用于插入波长信号的K个M×1的PIC选择器开关，其中，K为能够被插入至所述网络部件的波长信号的最大数目。

25.根据权利要求23所述的网络部件，其中，所述第三级中的至少一些第三级包括用于分出波长信号的K个1×M的PIC选择器开关，其中，K为由所述网络部件能够分出的波长信号的最大数目。

26.根据权利要求23所述的网络部件，还包括多个波导互连，其中，波导互连的总数目为M×K。

27.根据权利要求23所述的网络部件，其中，所述M自由度串联部件包括M自由度光交叉连接(OXC)串联部件，所述M自由度光交叉连接(OXC)串联部件包括耦接至M个波分复用(WDM)节点接口的M个波长选择开关(WSS)。

28.根据权利要求23所述的网络部件，其中，所述PIC芯片为硅PIC芯片。

29.根据权利要求23所述的网络部件，其中，每个第三级包括串扰抑制。

30.根据权利要求23所述的网络部件，其中，当K<<N时，M＝N/K，其中，K为由所述网络部件中的所述PIC芯片中的每个PIC芯片能够插入或分出的波长信号的最大数目，N为所述网络部件插入或分出的分插波长信号的最大数目。