CN108369333B - 模块化光子交换机架构 - Google Patents

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Abstract

一种完整的模块化光交换架构包括多个模块化组件。所述组件可以通过各种方式进行组合以提供不同尺寸的具有不同特性的交换机，从而满足特定需求。所述光子交换机包括：交换核心，由第一和第二交换平面(1402)组成，所述第一和第二交换平面(1402)各自包括至少一个16x16阻塞交换机(100)组件，所述阻塞交换机(100)组件包括光耦合到4个输出块(116a至116d)的4个输入块(102a至102d)，所述4个输入块(102a至102d)和所述4个输出块(116a至116d)中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元(108a至108b)的2个输入2x2交换单元(106a至106b)；多个输入模块(1404)，每个输入模块(1404)包括一个或多个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述第一和第二交换平面(1402)中的每一个；以及多个输出模块(1406)，每个输出模块(1406)包括一个或多个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述第一和第二交换平面(1402)中的每一个。

Description

模块化光子交换机架构
相关申请案交叉申请
本申请要求2015年12月11日递交的发明名称为“模块化可扩展光子交换机架构(Modular Scalable Photonic Switch Architecture)”的第62/266,328号美国临时专利申请案以及2016年7月5日递交的发明名称为“模块化光子交换机架构(Modular PhotonicSwitch Architecture)”的第15/202,182号美国非临时专利申请案的在先申请优先权和权益，这两个在先申请的全部内容以引用的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及光子交换机，尤其涉及一种用于光子交换机的模块化可扩展架构。
背景技术
光网络在从数据中心到传输网或骨干网的多种环境中以及回传应用和光载无线(Radio over Fiber，RoF)应用中使用。为了连接光网络中的不同节点，使用了交换机。光子交换机支持将传入光信号从输入端口切换到输出端口，而无需将该信号从光信号转换为电信号再转换回光信号(OEO)。避免OEO转换就不再需要转换为电域以及从电域进行转换，这可以支持设计更快的交换机。光子交换机的设计可能涉及容量、阻塞概率、同步或异步操作、小区数、光损耗、串扰等多个因素间的权衡。光子交换机可旨在适应不同应用的特定需求。需要具有一种可用于不同交换机尺寸和应用的模块化光子交换机架构。
发明内容
根据本发明，提供了一种光子交换机，所述光子交换机包括：交换核心，由第一和第二交换平面组成，所述第一和第二交换平面各自包括至少一个16x16阻塞交换组件，所述16x16阻塞交换组件包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；多个输入模块，每个输入模块包括一个或多个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述第一和第二交换平面中的每一个；以及多个输出模块，每个输出模块包括一个或多个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述第一和第二交换平面中的每一个。
在所述光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机是一种16x16非阻塞光子交换机，其中所述第一和第二交换平面中的每一个由所述16x16阻塞交换组件提供，所述光子交换机包括：16个输入模块，每个输入模块包括单个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述第一和第二交换平面中的每一个；以及16个输出模块，每个输出模块包括单个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述第一和第二交换平面中的每一个。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机可以是一种32x32非阻塞光子交换机，其中所述第一和第二交换平面中的每一个是一个32x32阻塞交换组件，包括：一对16x16阻塞交换组件；16个2x2扇入交换机，它们将两个交换平面输入端光耦合到所述一对16x16阻塞交换组件中的每一个；以及16个2x2扇出交换机，它们将两个交换平面输出端光耦合到所述一对16x16阻塞交换组件中的每一个；并且所述光子交换机包括：32个输入模块，每个输入模块包括单个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述第一和第二交换平面中的每一个；以及32个输出模块，每个输出模块包括单个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述第一和第二交换平面中的每一个。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机被合并到光分插复用器中。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述输入模块中的每一个包括一个偏振分束旋转器，用于将输入分解为两个偏振分量，第一偏振分量通过所述第一交换平面进行切换，第二偏振分量通过所述第二交换平面进行切换，并且所述输出模块中的每一个包括一个偏振束旋转合束器，用于重新组合来自所述第一交换平面和所述第二交换平面的光信号。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。在另一项实施例中，所述光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号以便在所述交换机输入端与所述交换机输出端之间建立需要的光路。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述控制器能够以同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述交换机是一种NxN交换机，所述第一和第二交换平面中的每一个包括一个包含2k个16x16阻塞交换组件的NxN阻塞交换组件，其中：N≥64，且k＝(N/16)-1。在所述光子交换机的另一项实施例中，所述交换机是一种NxN交换机，所述第一和第二交换平面中的每一个包括一个包含2k个16x16阻塞交换组件的NxN阻塞交换组件，其中：对所述2k个16x16阻塞交换组件中的每一个进行操作，使得所述2x2交换单元中的每一个每次转换单个信号，N≥64，且k＝N/16。
根据本发明，还提供了一种NxN光子交换机，所述NxN光子交换机包括：交换核心，包括M个交换平面，每个交换平面包括至少一个16x16阻塞交换组件，所述16x16阻塞交换组件包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；Pin个输入模块，每个输入模块包括一个或多个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述M个交换平面中的每一个；以及Pout个输出模块，每个输出模块包括一个或多个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述M个交换平面中的每一个，其中：M＞4，N≥16，Pin≥4，且Pout≥4。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机是一种包括8个交换平面的32x32光子交换机，所述交换平面中的每一个包括单个16x16阻塞交换组件。在另一项实施例中，所述NxN光子交换机包括8个输入模块，每个输入模块用于通过12个2x2交换单元可重构地建立从4个交换机输入端到所述8个交换平面中的每一个的光路；以及8个输出模块，每个输出模块用于通过12个2x2交换单元可重构地建立从4个交换机输出端到所述8个交换平面中的每一个的光路。在另一项实施例中，所述NxN光子交换机包括16个输入模块，每个输入模块用于通过8个2x2交换单元可重构地建立从2个交换机输入端到所述8个交换平面中的每一个的光路；以及16个输出模块，每个输出模块用于通过8个2x2交换单元可重构地建立从2个交换机输出端到所述8个交换平面中的每一个的光路。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机是一种64x64光子交换机，包括：8个交换平面；16个输入模块，每个输入模块包括4个交换机输入端，所述交换机输入端通过12个2x2交换单元可重构地连接到所述8个交换平面中的每一个；以及16个输出模块，每个输出模块包括4个交换机输出端，所述交换机输出端通过12个2x2交换单元可重构地连接到所述8个交换平面中的每一个。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述交换平面中的每一个是一个32x32阻塞交换机，包括：一对16x16交换机；16个2x2扇入交换机，它们可重构地将2个交换平面输入端连接到所述一对16x16交换机中的每一个；以及16个2x2扇出交换机，它们可重构地将2个交换平面输出端连接到所述一对16x16交换机中的每一个。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述光子交换机是一种64x64光子交换机，包括：8个交换平面；32个输入模块，每个输入模块包括2个交换机输入端，所述交换机输入端通过8个2x2交换单元可重构地连接到所述8个交换平面中的每一个；以及32个输出模块，每个输出模块包括2个交换机输出端，所述交换机输出端通过8个2x2交换单元可重构地连接到所述8个交换平面中的每一个。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述交换平面中的每一个是一个64x64阻塞交换组件，包括16x16交换机的4个平面、16个4x4输入交换机和16个4x4输出交换机。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。在另一项实施例中，所述NxN光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号以便在所述交换机输入端与所述交换机输出端之间建立需要的连接。在所述NxN光子交换机的另一项实施例中，所述控制器能够以同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。
根据本发明，提供了另一种NxN光子交换机，所述NxN光子交换机包括：交换核心，包括4个交换平面，每个交换平面包括至少4个16x16阻塞交换组件、16个4x4输入交换机和16个4x4输出交换机，所述至少4个16x16阻塞交换组件中的每一个包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；Pin个输入模块，每个输入模块包括一个或多个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述4个交换平面中的每一个；以及Pout个输出模块，每个输出模块包括一个或多个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述4个交换平面中的每一个，其中：N≥32，Pin≥4，且Pout≥4。
在所述另一种NxN光子交换机的另一项实施例中，所述交换平面中的每一个是一个64x64阻塞交换组件，包括16x16交换机的4个平面、16个4x4输入交换机和16个4x4输出交换机。在所述另一种NxN光子交换机的另一项实施例中，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。在另一项实施例中，所述另一种NxN光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号以便在所述交换机输入端与所述交换机输出端之间建立需要的连接。在所述另一种NxN光子交换机的另一项实施例中，所述控制器能够以同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。
附图说明
本文参照附图描述各实施例，在附图中：
图1描绘了模块化可扩展交换机架构的构建块组件；
图2描绘了模块化可扩展交换机架构的另一构建块组件；
图3描绘了由模块化组件构建的示意性16x16光子交换机；
图4描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图5描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图6描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图7描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图8描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图9描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图10描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机；
图11描绘了由模块化组件构建的示意性64x64光子交换机；
图12描绘了由模块化组件构建的另一示意性64x64光子交换机；
图13描绘了由模块化组件构建的双偏振8x8光子交换机；
图14描绘了由模块化组件构建的另一16x16光子交换机；
图15描绘了分插应用中的图14的分插交换机。
具体实施方式
光子交换机广泛用于多种应用。光子交换机的特定应用限定了所需的交换机尺寸以及其它特性，例如串扰量、一个或多个连接请求受阻的概率、实施交换机所需要的交换单元的数量、与交换机相关的插入损耗，等等。下文进一步描述的交换机架构支持简单地调整交换机设计以便满足特定应用的需求。下文描述的模块化交换机架构可在多种应用中使用，例如在尺寸不同的(如16x16、32x32、64x64以及更大或更小尺寸的)数据中心交换机、用于光网络的可重构光分插复用器(reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM)、双偏振交换机以及其它应用中使用。
图1描绘了模块化可扩展交换机架构的构建块组件。描绘了包括16个输入端和16个输出端的16x16交换机组件100。16x16交换机组件100是一种阻塞16x16交换机。16x16交换机组件100可用作一个用于不同光子交换机的构建块。该16x16交换机组件包括4个输入块102a至102d(统称为输入块102)和4个输出块116a至116d(统称为输出块116)。输入块102中的每一个是一个具有4个输入端的4x4交换机，这些输入端光连接到4个输出块116中的每一个，以支持通过这些输入块可重构地建立光路。类似地，输出块116中的每一个是一个具有4个输出端的4x4交换机，这些输出端光连接到4个输入块102中的每一个，以支持通过输出块116可重构地建立光路。4x4输入块102和4x4输出块116提供阻塞16x16交换机组件，其是用于构建各种光子交换机的构建块。
输入块102和输出块116可具有相同的4x4交换机结构104。4x4交换机结构104可由4个2x2交换单元106a、106b、108a、108b构建。两个交换单元106a、106b提供4x4交换机结构104的输入端，两个交换单元108a、108b提供4x4交换机结构104的输出端。2x2交换单元106a、106b、108a、108b中的每一个可基于例如描绘为交换单元结构110a的马赫-曾德尔干涉仪、微环结构或其它交换结构。此外，可使用多个单独的交换单元结构来构建多个交换单元。例如，2x2交换单元结构110b可基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)组件。2x2交换单元结构110b包括允许两个输入端以条形配置或交叉配置连接到两个输出端的多个MZI结构。如图所示，2x2交换单元结构110b包括向两个输出端提供两个输入端的所需切换的4个MZI结构112a、112b、114a、114b。包括四个MZI交换单元的2x2交换单元结构110b可用来减少信号之间的串扰。交换单元结构110b可用于交换机中的每个交换单元，但是这样做可能增加交换机中使用的单独MZI结构的数量。或者，可仅在交换单元的一个子集中使用串扰降低交换单元结构110b。例如，可在交换机中使用串扰降低交换单元110b的中心列。虽然描述为通过MZI结构提供，但是2x2交换单元还可通过其它技术提供。例如，2x2交换单元结构可通过两个微环结构提供。
16x16交换机组件100提供了一个能够用于创建许多不同尺寸的交换机的构建块。16x16交换机组件100包括输入块，输入块光连接到输出块以支持建立可重构光路。输入块102和输出块116各自包括输入2x2交换单元106a、106b和输出2x2交换单元108a、108b。相应地，16x16交换机组件100包括4列2x2交换单元。16x16交换机组件100的宽度和光子交换机的整体宽度可基于交换组件中的列数。光子交换机中的每个交换单元具有相关的光损耗，因此交换机组件100中的交换单元的列数越少，交换机组件100的光损耗就越低。也就是说，对于较窄的光子交换机，通过交换机建立的光路可穿过较少的交换单元，因此与较宽的光子交换机相比具有较少的插入损耗。如下文进一步描述的那样，16x16交换机组件100可用作窄宽度光子交换机的构建块。随着交换机尺寸的增加，交换机设计可通过垂直增加额外的16x16交换机块来增加高度，而不是增加宽度(即，水平增加交换块)。虽然高度随着交换机尺寸的增加而优先增加，但是也可能需要增加交换机的宽度以便将信号分配给额外的垂直16x16交换机组件100。通过增加交换机的高度而不是增加宽度，在可能的情况下，因为光信号将穿过较少列的光组件而降低了插入损耗。另外，当交换机的高宽比增加时，位于交换机的输入区域与中间区域之间的波导交叉的数量会增加，并且交换机的中间区域与输出区域之间的波导交叉的数量会相应地增加。在较宽交换机的设计中，波导交叉的位置通常并不集中于特定区域中。波导交叉可能带有不良效应，例如串扰增加，但是有已知的技术来降低这些效应。波导交叉可使用氮化物层来减少，这支持将一些波导连接在与交换元件相同的平面中路由，并且剩余波导连接传递到氮化物层，从而使交叉减到最少，然后返回到交换元件平面。这种路由减少了波导交叉数量并可降低插入损耗。本领域技术人员将理解，通过将波导交叉集中到输入区域与中间区域之间以及中间区域与输出区域之间的前述两个区域中，如果交叉均匀地遍布整个交换机，则可以使这些技术的使用比以往更可行。
图2描绘了模块化可扩展交换机架构的另一构建块组件。16x16交换机组件100可用作构建阻塞32x32交换机组件200的构建块。32x32交换机组件200是包括一对16x16交换机组件202a、202b(统称为16x16交换机组件202)的32x32阻塞交换机。16x16交换机组件202中的每一个彼此垂直对齐，使得每个16x16交换机组件的各列2x2交换机对齐。除了16x16交换机组件202之外，较大的32x32交换机组件200还包括16个组件输入交换机204。每个组件输入交换机204是一个可由110a或交换机单元110b等交换机单元提供的2x2交换机单元。每个组件输入交换机204包括2个输入端，输入端光连接到16x16交换机组件202中的每个16x16交换机组件以支持可重构地建立到每个16x16交换机组件202的光路。除了16个组件输入交换机之外，该32x32交换机组件200还包括16个组件输出交换机206。每个输出交换机206包括2个输出端，输出端光连接到每个16x16交换机组件202。由16x16交换机组件202构建的32x32交换机结构200可用作各种不同交换机的构建块。此外，如图5所示，可通过类似的方式来构造64x64交换机，该64x64交换机具有四个垂直对齐的16x16交换机组件、16个输入交换机和16个输出交换机，这些输入交换机和输出交换机中的每一个包括一个4x4构建块交换机结构。将认识到，可以使用同一种模块化架构来创建甚至更大的组件，例如128x128交换机组件、256x256交换机组件或者更大。
如上所述，交换机组件结构100、200可用作光子交换机的构建块。光子交换机可由交换机组件结构100、200构建，交换机组件结构100、200则可由16x16阻塞交换组件构建。交换机组件结构100、200可包括具有多个输入模块的输入区域，每个输入模块用于将一个或多个光输入端连接到交换核心。交换核心作为光子交换机的中间区域而提供，光子交换机可包括多个交换机组件结构100、200。光子交换机还可包括具有多个输出模块的输出区域，每个输出模块用于将一个或多个光输出端连接到交换核心。通过合并不同的输入区域、中间区域和输出区域，可构建各种交换机。通常，输入区域由输出区域进行镜像。例如，输入区域可包括16个输入模块，每个输入模块包括一个2x4交换机，用于可重构地建立2个输入端与4个16x16交换机组件结构100中的每一个之间的光路；对应的输出区域可包括16个输出模块，每个输出模块包括一个4x2交换机，用于可重构地建立4个16x16交换机组件结构100中的每一个与2个输出端之间的光路。如进一步结合图3至图10所描述的那样，通过改变输入区域的输入模块、输出区域的输出模块以及中间区域的配置，可提供不同的交换机。
图3描绘了由模块化组件构建的示意性16x16光子交换机。光子交换机300是一种16x16非阻塞交换机。光子交换机300包括交换核心，交换核心具有连接在输入区域304与输出区域306之间的16x16阻塞交换组件的4个平面302a、302b、302c、302d(统称为16x16交换机组件302)。每个16x16交换机组件302可由如上文结合图1所述的一个16x16阻塞交换组件100提供。输入区域304包括16个输入模块。每个输入模块具有相同的结构并由3个交换单元308a、308b、308c提供，这些交换单元支持可重构地建立从交换机输入端到4个交换平面中的每一个的光路。交换单元308a、308b、308c中的每一个可由如结合图1所述的交换单元110a提供。每个输入模块提供一个1x4交换机，因此光子交换机包括16个交换机输入端。输出区域306与输入区域304类似，包括16个输出模块。每个输出模块提供一个4x1交换机，用于可重构地建立从每个交换平面到交换机输出端的光路。与输入模块一样，每个输出模块包括3个交换单元，例如交换单元110。光子交换机300包括具有4个平面的交换核心，其中，4个交换平面302a、302b、302c、302d中的每一个由一个16x16阻塞交换组件提供。本领域技术人员将认识到，虽然示出了1x4交换机的输入模块，但是预期还可使用2x4或4x4交换机，其中仅存在一个有效输入端，其它输入端被终止。类似地，在输出端处，预期还可使用4x2和4x4交换机，其输出端被终止，且其被配置为仅使用一个输出端进行信号路由，不管几个输入端有效。
图4描绘了由模块化组件构建的示意性32x32光子交换机。光子交换机400类似于光子交换机300，包括具有16x16阻塞交换组件的4个平面302a、302b、302c、302d的相同交换核心。然而，如图所示，输入区域402的输入模块和输出区域404的输出模块不同于上述16x16交换机300的输入模块和输出模块。输入区域402的输入模块包括2x4交换机，而不是包括一个1x4交换机。每个输入模块包括4个交换单元，用于可重构地建立从2个交换机输入端到4个交换平面中的每一个的光路。类似地，输出区域404的输出模块包括4x2交换机，用于可重构地建立从4个交换平面中的每一个到2个交换机输出端的光路。如图所示，2x4输入模块和4x2输出模块中的每一个包括4个2x2交换单元，例如结合图1所述的交换单元110a。
图5描绘了由模块化组件构建的另一示意性64x64光子交换机。交换机500包括与交换机300、400相同的交换核心302。虽然交换核心相同，但是交换机300、400、500中的每一个包括不同的输入区域304、404、504和不同的输出区域306、406、506。输入区域504包括16个4x4交换机，每个交换机可具有与交换机104相同的结构。类似地，输出区域506包括16个4x4交换机，每个交换机可具有与交换机104相同的结构。
图6描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机。32x32光子交换机600包括与上述光子交换机300、400不同的输入区域、输出区域和交换核心，但是光子交换机600的构建块与上述构建块相同。该光子交换机包括16x16阻塞交换组件的8个平面602，这些16x16阻塞交换组件建立输入区域604与输出区域606之间的光路。16x16阻塞交换组件的8个平面602中的每一个可由上述16x16交换组件结构100提供。输入区域604包括8个输入模块，每个输入模块是一个4x8交换机，用于可重构地建立从4个输入端到8个交换平面602中的每一个的光路。如图所示，每个输入模块可包括12个2x2交换单元，这些2x2交换单元布置为3列，每列4个交换单元。每个交换单元可由上文结合图1描述的交换单元110a提供。与输入区域类似，输出区域606包括8个8x4交换机，用于可重构地建立从8个交换平面602中的每一个到4个交换机输出端的光路。8个8x4输出交换机中的每一个由12个2x2交换单元提供，这些2x2交换单元布置为3列4行2x2交换单元。
图7描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机。光子交换机700类似于上述光子交换机600，但是输入模块和输出模块不同。光子交换机700包括具有8个16x16交换平面602的相同交换核心。但是，与包括8个4x8输入模块的光子交换机600相比，光子交换机700包括具有16个2x8输入模块的输入区域704。每个输入模块可重构地建立从2个输入端到每个交换平面的光路。光子交换机700的每个输入模块包括8个交换单元，用于可重构地建立从2个输入端到每个交换平面的光路。光子交换机700包括具有16个8x2输出模块的输出区域706，每个输出模块可重构地建立从8个交换平面中的每一个到2个输出端的光路。与输入模块一样，光子交换机700的每个输出模块包括8个交换单元。光子交换机700包括的单元数高于光子交换机600的单元数。光子交换机700中的连接请求阻塞概率低于光子交换机600中的连接请求阻塞概率，光子交换机600的交换单元数低于光子交换机700的交换单元数。
图8描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机。光子交换机800类似于上述光子交换机600和700，但是输入模块和输出模块不同。光子交换机800包括具有8个16x16交换平面602的相同交换核心，但是光子交换机800包括具有16个2x8输入模块的输入区域804。光子交换机800的每个输入模块包括10个交换单元，用于可重构地建立从2个输入端到每个交换平面的光路。光子交换机800包括具有16个8x2输出模块的输出区域806，每个输出模块可重构地建立从8个交换平面中的每一个到2个输出端的光路。与输入模块一样，该光子交换机的每个输出模块包括10个交换单元。光子交换机800包括的单元数高于光子交换机600和700的单元数。光子交换机800中的连接请求阻塞概率低于光子交换机600和700中的连接请求阻塞概率，光子交换机600和700各自的交换单元数低于光子交换机800的交换单元数。
图9描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机。光子交换机900包括交换核心902，交换核心902包括4个32x32阻塞交换组件，例如上文结合图2描述的阻塞交换组件。输入区域904包括32个输入模块，每个输入模块包括一个1x4交换机。各输入模块对应于上文结合图3描述的各输入模块。输出区域906包括32个输出模块，每个输出模块包括一个4x1交换机。各输出模块对应于上文结合图3描述的各输出模块。
图10描绘了由模块化组件构建的另一示意性32x32光子交换机。光子交换机1000包括具有6个16x16交换平面1002的交换核心，每个交换平面1002由一个16x16阻塞交换组件提供。光子交换机1000包括具有16个2x6输入模块的输入区域1004。每个输入模块可重构地建立从2个输入端到6个交换平面1002中的每一个的光路。光子交换机1000的每个输入模块包括7个交换单元，用于可重构地建立光路。光子交换机1000包括具有16个6x2输出模块的输出区域1006，每个输出模块可重构地从6个交换平面1002中的每一个建立光路，每个交换平面包括7个交换单元。
图11描绘了由模块化组件构建的示意性64x64光子交换机。64x64光子交换机1100包括与上文结合图5和图6所述相同的具有8个16x16交换平面的交换核心602。但是，如图所示，光子交换机1100的输入区域1104和输出区域1106不同于光子交换机600、700的输入区域和输出区域。输入区域1104包括16个输入模块，每个输入模块包括具有12个2x2交换单元的4x8交换机，这些交换单元与上文结合图5描述的4x8输入模块类似。输出区域1106包括16个输出模块，每个输出模块包括具有12个2x2交换单元的8x4交换机，这些交换单元与上文结合图5描述的8x4输出模块类似。
图12描绘了由模块化组件构建的另一示意性64x64光子交换机。光子交换机1200是一种64x64非阻塞光子交换机。交换机1200包括具有64x64阻塞交换组件的4个平面的交换核心1202。如图所示，每个64x64阻塞平面包括4个垂直对齐的16x16阻塞交换组件1208、16个4x4组件输入交换机1210和16个4x4组件输出交换机1212。或者，64x64阻塞平面可包括4个垂直对齐的16x16阻塞交换组件1208和2列交换机，每列16个2x2交换机。交换机1200包括具有64个输入模块的输入区域1204，每个输入模块包括一个连接到每个64x64交换平面的1x4交换机。类似地，交换机1200包括具有64个输出模块的输出区域1206，每个输出模块包括一个连接到每个64x64交换平面的4x1交换机。
图13描绘了由模块化组件构建的双偏振8x8光子交换机。硅基光子针对单个偏振分量起作用，该偏振分量可以是TE分量。一个光束可包括两个正交偏振分量，即TE分量和TM分量。在非相干应用中，例如，如可在数据中心应用中使用的一样，不同的偏振分量携带相同的信息。这样，虽然光可具有不同的偏振分量，但是交换机仅需切换其中一个偏振分量，因为两个分量携带相同的信息。或者，可将这两个偏振分量旋转到相互平行，并进行调整以使它们各自的相位对齐，随后合并为单个光束。然而，在相干应用中，不同的相位分量可携带不同的信息，或者信息可通过相位差来携带，因此必须同时路由这两个偏振分量。
图13描绘了8x8双偏振光子交换机1300。交换机1300包括4个16x16阻塞交换组件1302，它们可用于同时切换8个输入信号的两个偏振分量。光子交换机1300类似于上文结合图3描述的16x16光子交换机300。但是相比于16个输入模块和16个输出模块，输入区域1304和输出区域1306仅包括8个输入模块和8个输出模块。8个输入模块中的每一个包括一个偏振分束旋转器1308，偏振分束旋转器1308将每个交换机输入分解为正交偏振分量，并旋转其中一个偏振分量以使两个分量平行并与硅光子用来进行操作的偏振对应。分解的每个分量被提供给输入模块的相应2x2交换机。相应地，对于每个输入信号，可通过4个16x16交换机块中的两个来切换第一偏振分量，可通过4个16x16阻塞交换组件中的另外两个来切换第二偏振分量。输出区域1306包括9个输出模块，每个输出模块包括两个交换机，用于可重构地建立两个16x16交换平面与旋转合束器1310之间的光路。旋转合束器对来自输出模块的其中一个交换机的偏振分量进行旋转并将其与来自输出模块的另外一个交换机的偏振分量进行合并。因此，交换机1300能够同时将8个传入信号分解为正交偏振分量，路由16个单独偏振分量中的每一个，然后在输出端处重组这些路由的偏振分量，以提供8个交换输出信号。8x8双偏振交换机1300在架构上类似于16x16交换机300，但是输入模块和输出模块中的一半可能未添加，如灰色虚线所示。
上述光子交换机可仅通过由每个单独的交换单元携带的单个信号来提供信号的路由。使每个交换单元携带单个信号降低了串扰。在需要低串扰且使用相同或相似的波长携带不同信号的情况下，可能需要每个交换单元携带单个信号。在一些应用中，每个进行切换的信号可具有不同的波长，因此无需关心不同波长之间的串扰。在这种情况下，每个交换单元有可能携带两个信号，而不是仅携带一个信号。
图14描绘了由模块化组件构建的另一16x16光子交换机。光子交换机1400包括交换核心1402，交换核心1402包括2个16x16阻塞交换组件，例如上述交换块100。交换机1400包括输入区域1404，输入区域1404包括16个交换机，用于将16个交换机输入端中的每一个连接到交换核心1402的16x16交换机块的每一个。交换机1400还包括输出区域1406，输出区域1406包括16个交换机，用于可重构地建立两个16x16阻塞交换组件中的每一个的输出端与16个交换机输出端中的一个交换机输出端之间的光路。如果允许交换机1400在每个交换单元携带两个信号，则交换机1400提供与交换机300类似的容量。这两个交换机可通过类似的方式进行信号路由，但是，在交换机300中，信号通过4个交换平面路由，而在交换机1400中，本应通过第一和第三交换平面切换的信号通过第一交换平面切换。类似地，本应通过第二和第四交换平面切换的信号通过第二平面切换。
图15描绘了使用图14的16x16交换机的分插复用器。在包括光传输网在内的各种应用中，可通过两个或更多个点之间的单个光纤来承载多个不同波长。在这些点中的一个或多个点处，可以从光纤中分出波长信号并插入不同的波长信号。信号分插可通过分插复用器1500进行。该分插复用器包括将波长解复用为单独的波长1504-1至1504-n的解复用器1502。波长中的一个或多个可直接通过从解复用器1502到波长复用器1506来承载，其中波长复用器1506将波长复用到单个光纤上。分插复用器1500还包括分插交换机1508，分插交换机1508包括N个传输输入端1510、N个传输输出端1512。N个传输输入端中的每一个可连接到1x2输入交换机1514，类似地，N个传输输出端中的每一个可连接到2x1输出交换机1516。输入交换机1514连接到输出交换机1516中的对应输出交换机以及光子分出交换机1518(如上述交换机1400)的输入端。因此，N个传输输入信号中的每一个可以传递到N个传输输出信号或传递到能够可重构地将N个传输输入端中的每一个切换到分出交换机1518的输出端的交换机。分插交换机1508还可包括插入交换机1520，用于可重构地将要插入的信号连接到N个传输输出交换机1516。来自N个传输输出交换机1516的输出，其可来自插入交换机或N个传输输入端，以及来自解复用器1512的其它输出，可由复用器重组为包括已穿过的信号以及插入的信号的单个输出。
上述交换机架构包括具有多个单独交换平面的交换区域，每个交换平面包括至少一个16x16阻塞交换组件。该交换机架构包括输入区域和输出区域，输入区域包括多个不同的输入模块，输出区域包括多个不同的输出模块。通常，交换架构可由16x16阻塞交换组件的相似构建块来构建。该交换架构可提供包括M个交换平面、Pin个输入模块和Pout个输出模块的NxN交换机。N可以是8、16、32、64、128、256、512或更高。M可以是任何大于2的整数，但是通常使用2的倍数和/或幂。Pin可以是8、16、32或更高。Pout可以是8、16、32或更高。虽然未作要求，但是Pin和Pout可相等。Pin个输入模块中的每一个可由一个N/P x M交换机提供。Pout个输出模块中的每一个可由一个M x N/P交换机提供。虽然上述每项实施例具有对应的输入和输出模块，例如2x4输入模块和4x2输出模块，但是交换机有可能具有不同类型的输入模块和输出模块。例如，交换机可包括2x4输入模块和4x4输出模块。此外，不管交换机的特定尺寸，针对一个光路，交换机还有可能具有≤2Log2(N)个交换组件。
虽然上图中未明确描绘，但是交换机可包括控制器，用于确定并生成控制信号来控制交换机的每个交换单元，以便在交换机输入端与交换机输出端之间建立需要的连接。控制器可通过每个单元一个或两个信号来路由连接。此外，控制器可通过同步模式或异步模式来路由连接。
出于说明目的，本发明提供了许多特定实施例、实施方式、示例和细节，以便提供对本发明的透彻理解。但是很显然，这些实施例可不使用所有这些特定细节或使用等效布置来实践。在其它情况下，以框图形式示出或者省略一些众所周知的结构和设备以避免不必要地造成本发明实施例模糊不清。本发明决不应限于所说明的说明性实施方式、附图和技术，包括本文说明和描述的示例性设计及实施方式，而是可在所附权利要求的范围及权利要求等效物的完整范围内修改。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和组件可以以许多其它特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或组件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。

Claims (7)

1.一种8x8硅基双偏振光子交换机，其特征在于，包括：
交换核心，由4个16x16阻塞交换组件组成，用于同时切换8个输入信号的两个偏振分量，每个所述16x16阻塞交换组件包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；
8个输入模块，每个所述输入模块包括一个偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器用于将每个光子交换器的输入信号分解为第一偏振分量和第二偏振分量，并旋转其中一个偏振分量以使两个偏振分量平行并与硅基光子用来进行操作的偏振对应；以及
8个输出模块，每个所述输出模块包括两个交换机及偏振束旋转合束器，两个所述交换机用于可重构地建立2个16x16交换平面与所述旋转合束器之间的光路，所述偏振束旋转合束器用于对来自所述输出模块的其中一个交换机的偏振分量进行旋转并将其与来自所述输出模块的另外一个交换机的偏振分量进行合并；
所述光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号来控制交换机的每个交换单元，以便在所述交换机的输入端与所述交换机的输出端之间建立需要的光路，所述控制器通过同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。
2.根据权利要求1所述的光子交换机，其特征在于，所述光子交换机被合并到光分插复用器中。
3.根据权利要求1所述的光子交换机，其特征在于，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。
4.一种NxN光子交换机，其特征在于，包括：
交换核心，包括M个交换平面，每个交换平面包括至少一个16x16阻塞交换组件，所述16x16阻塞交换组件用于切换输入信号的偏振分量，每个所述16x16阻塞交换组件包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；
Pin个输入模块，每个所述输入模块包括一个或多个交换机输入端，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述M个交换平面中的每一个，每个所述输入模块还包括一个偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器用于将每个光子交换器的输入信号分解为第一偏振分量和第二偏振分量，并旋转其中一个偏振分量以使两个偏振分量平行并与硅基光子用来进行操作的偏振对应；以及
Pout个输出模块，每个所述输出模块包括一个或多个交换机输出端，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述M个交换平面中的每一个，其中：
M>4；
N≥16；
Pin≥4；且
Pout≥4；每个所述输出模块包括两个交换机及偏振束旋转合束器，两个所述交换机用于可重构地建立2个16x16交换平面与所述旋转合束器之间的光路，所述偏振束旋转合束器用于对来自所述输出模块的其中一个交换机的偏振分量进行旋转并将其与来自所述输出模块的另外一个交换机的偏振分量进行合并；其中，所述光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号来控制交换机的每个交换单元，以便在所述交换机的输入端与所述交换机的输出端之间建立需要的光路，所述控制器通过同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。
5.根据权利要求4所述的光子交换机，其特征在于，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。
6.一种NxN光子交换机，其特征在于，包括：
交换核心，包括4个交换平面，每个交换平面包括至少4个16x16阻塞交换组件、16个4x4输入交换机和16个4x4输出交换机，所述16x16阻塞交换组件用于同时切换8个输入信号的两个偏振分量，所述至少4个16x16阻塞交换组件中的每一个包括光耦合到4个输出块的4个输入块，所述4个输入块和所述4个输出块中的每一个包括光耦合到2个输出2x2交换单元的2个输入2x2交换单元；
8个输入模块，每个所述输入模块包括一个或多个交换机输入端及一个偏振分束旋转器，所述交换机输入端光耦合到所述交换核心的所述4个交换平面中的每一个，所述偏振分束旋转器用于将每个光子交换器的输入信号分解为第一偏振分量和第二偏振分量，其旋转其中一个偏振分量以使两个偏振分量平行并与硅基光子用来进行操作的偏振对应；以及
8个输出模块，每个所述输出模块包括一个或多个交换机输出端、两个交换机及偏振束旋转合束器，所述交换机输出端光耦合到所述交换核心的所述4个交换平面中的每一个，其中：
N≥32；
Pin≥4；且
Pout≥4；两个所述交换机用于可重构地建立2个16x16交换平面与所述旋转合束器之间的光路，所述偏振束旋转合束器用于对来自所述输出模块的其中一个交换机的偏振分量进行旋转并将其与来自所述输出模块的另外一个交换机的偏振分量进行合并；其中，所述光子交换机还包括控制器，用于确定并生成控制信号来控制交换机的每个交换单元，以便在所述交换机的输入端与所述交换机的输出端之间建立需要的光路，所述控制器通过同步模式或异步模式在每个交换单元路由一个光信号或者在每个交换单元路由两个光信号。
7.根据权利要求6所述的光子交换机，其特征在于，所述2x2交换单元中的一个或多个基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)或微环结构。
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