CN108370279A - 光电交换机 - Google Patents
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Abstract
用于将信号从输入设备切换到输出设备的光电交换机包括多个交换机模块，每个连接到或可连接到光学互连区域，其中：每个交换机模块配置成将WDM输出信号输出到光学互连区域，以及光电交换机还包括一个或多个MZI路由器，每个配置成将WDM输出信号从它的源交换机模块指引朝向它的目的地交换机模块，其中一个或多个MZI路由器位于交换机模块的每个上或互连区域中。
Description
技术领域
本发明涉及利用一个或多个MZI路由器来将信号从输入设备指引到输出设备的光电交换机，其包括多个交换机模块。
背景技术
使用有源和无源部件的组合来在光学域中切换的光电交换机是已知的。在无源部件（例如AWG）中的光学信号的路径将取决于它的波长。在一些相关技术配置中，提供可调谐激光以实现信号的波长的控制是必要的，并因此确保每个信号达到它的期望目的地端口，作为无源光学切换部件的光学性质的结果。然而，可调谐激光器通常比固定波长激光器更昂贵，且它们的控制可能更复杂和昂贵。
US14/715,448描述了连同波分复用的光学分组的集中的使用。
例如在信号路由中和在添加和减少中，波长独立（至少在给定波段内）的光学电路交换机是已知的，并且马赫曾德尔光学交换机是已知的。示例由Kumar等人在2013年7月6日的IEEE/ICAIT中给出。已知马赫曾德尔干涉仪已在例如在GB 2319335中所示的绝缘体上硅平台上实现。
发明内容
因此，本发明旨在通过根据第一方面提供光电交换机来解决上面的问题，所述光电交换机包括：多个（N）交换机模块；以及光学背板（C5），其包括无源光纤混洗（shuffle）；其中每个交换机模块可插入地可连接到光学背板，每个交换机模块包括：多个（M）面向客户端的输入端口（IP1, IP2, IPM），以及对应的多个（M）面向客户端的输出端口（OP1, OP2,OPM）；以及到光学背板（C5）的外出光学连接和到光学背板（C5）的进入光学连接；多个检测器重调制器（DRM）（C3），所述多个中的每个DRM配置成从交换机模块的输入端口（IP1, IP2,IPM）之一接收（多个）光学信号并重新生成和/或改变所接收的（多个）信号的波长以产生相应的（多个）DRM光学输出；前背板AWG（C4），所述前背板AWG充当多路复用器以将M个输入多路复用为波分复用（WDM）输出信号；以及后背板AWG（C6），其配置成将在交换机模块的进入光学连接处从背板接收的光学信号路由到面向客户端的输出端口中的期望的一个或多个；其中光电交换机还包括马赫曾德尔路由器，其从前背板AWG接收WDM输出信号，并在WDM信号进入无源光纤混洗之前切换WDM信号以选择所要求的目的地交换机模块；马赫曾德尔路由器被定位成：在交换机模块上；或在交换机模块和无源光纤混洗之间的光学背板内。
现在将阐述本发明的可选的特征。这些是单独地或在与本发明的任何方面的任何组合中适用。
从同一模块的客户端输入端口“切换”到客户端输出端口的信号可以以电子方式被路由回到同一模块。这将意味着结构端口将只包括N-1个结构输入端口和N-1个结构输出端口（即，交换机的总数比输入连接的总数多一个，每个交换机具有与光学全网状结构的输入连接）。
检测器重调制器（DRM）是用于将第一光学信号转换成第二光学信号的设备。为了本发明的目的，第一光学信号将具有第一波长并且第二光学信号可以具有不同于第一波长的第二波长，使得DRM中的每个用于波长转换器。
DRM包括光电检测级（例如光电二极管），其中第一光学信号（经调制的）被检测并转换成电信号。光电检测级后面是调制级（即调制器），其配置成从光电检测级接收电信号并且还接收具有固定波长的非调制光学输入。非调制光学输入由在光电检测级处产生的经调制电信号调制。在调制级处创建的经调制光学信号因此将具有与非调制光学信号的波长相对应的波长。虽然在电域中，但是信号可有利地例如通过以下各项中的一个或多个被处理：在被施加到第二波长/信道之前的放大、整形、再定时和滤波。每个DRM可因此包括用于执行这些功能中的一个或多个的CMO芯片，所述CMOS芯片将DRM的光电检测器连接到DRM的调制器。
在我们的GB 1403191.8中，其全部公开通过引用被并入本文，我们描述了可形成本发明的一个或多个DRM的检测器重调制器（DRM）的多个示例。本申请的DRM不同于GB1403191.8的那些，因为它们接收的非调制输入具有固定波长而不是可调谐波长。
检测器重调制器的一个示例可包括绝缘体上硅（SOI）波导平台，其包括：耦合到第一输入波导（用于接收第一光学信号）的检测器；耦合到第二输入波导（用于接收固定波长输入）和输出波导的调制器；以及将检测器连接到调制器的电路；其中检测器、调制器、第二输入波导和输出波导可布置在彼此相同的水平面内；以及其中调制器包括调制波导区域，半导体结跨波导水平地被设置在调制波导区域处。调制区域可以是相位调制区域或振幅调制区域。然而应理解，可使用配置成充当波长转换器的任何适当的DRM。
来自交换机模块的每个输入的信号可以直接或间接地被提供到DRM的第一阵列。当被间接地施加时，来自交换机模块的输入的信号可以经由其它部件到达DRM的第一阵列或DRM之一的输入，如在下面更详细解释的。
本发明的密集光子/电子集成减小功率消耗。在光学域中的切换绕过电子设备速度和尺寸瓶颈。
此外，创新的网络架构增加可扩展性并减少所要求的硬件。
光学背板可包括全网状光学互连（也被称为完全连接的网络）；网络拓扑，其中存在在交换机模块（节点）的所有可能对之间的直接链路。例如，在具有n个节点的全网状互连中，存在n(n-1)/2个直接链路。这样的互连可有利地提供例如足以致使系统无阻塞的节点之间的大量光学链路。
光电交换机可具有下面的可选特征中的任一个或者就它们兼容而言其任何组合。
马赫曾德尔路由器可包括：布置在矩阵中的多个马赫曾德尔干涉仪（MZI）交换机。这可以在1xN路由器的形式中，多个MZI交换机布置在树形成中。替代1xN路由器，MZI矩阵可替代地用作NxN路由器或1xN和NxM的组合。
这样的矩阵可采取“树”的形式，其中信号可被路由到N个目的地。对于具有8个输出（即，其中N=8）的树形成，MZI路由器包括：第一级，其包括单个马赫曾德尔交换机；第二级，其包括两个马赫曾德尔交换机；第三级，其包括三个马赫曾德尔交换机；第四级，其包括两个马赫曾德尔交换机。每个交换机包括两个输入臂和两个输出臂。
进一步设想MZI路由器可包括电源分接头（power taps）。
可选地，多个DRM（C3）中的每个DRM包括：光电检测级，其中来自光电交换机的输入端口中的相应一个的（多个）光学信号被接收并转换成（多个）电信号；用于处理（多个）电信号和将经处理的（多个）信号传输到调制器的CMOS芯片；调制级，其用于：从CMOS芯片接收经处理的（多个）电信号；接收具有固定波长的非调制光输入；以及根据CMOS芯片的输出来调制非调制光。
可选地，由CMOS芯片处理电信号包括以下各项中的一个或多个：在信号被调制器接收之前的信号的集中、放大、整形、再定时和滤波。
可选地，DRM在突发模式中操作，CMOS芯片包括收集信号并取决于它们的目的地在突发中发送这些的电路。
可选地，光电交换机还包括位于后背板AWG之后的检测器重调制器（DRM）（C7）的第二阵列，所述第二阵列中的每个DRM配置成重新生成和/或转换来自后背板AWG的相应输出端口的信号的波长，以用于传送到交换机模块的输出端口（OP1, OP2, OPM）。
可选地，后背板AWG是NxM AWG（C6），后背板AWG具有N个输入和M个输出，N个输入中的每个连接到光学全网状互连背板（C5）的相应输出并且NxM AWG的M个输出中的每个用于将信号传送到交换机模块的M个输出（OP1, OP2, OPM）中的一个或多个。从AWG到交换机模块的输出端口的光学连接可以是直接的或可以经由其它部件，例如另外的DRM模块。
可选地，后背板AWG是1xM AWG；以及其中光电交换机还包括后背板MZI路由器；其中1xM AWG具有单个输入和M个输出，单个输入连接到后背板MZI路由器，且1xM AWG的M个输出中的每个用于将信号传送到交换机模块的M个输出（OP1, OP2, OPM）中的一个或多个。再次地，从AWG到交换机模块的输出端口的光学连接可以是直接的或可以经由其它部件，例如另外的DRM模块。
可选地，光电交换机还包括位于DRM（C3）的第一阵列之前的重布置AWG（C2），重布置AWG具有M个输入端口和M个输出端口，M个输入端口中的每个连接到DRM的第二阵列的相应DRM的输出；以及重布置AWG的每个输出端口连接到交换机模块的输出。
在后背板AWG之后的重布置AWG的存在意味着信号从交换机模块的输入端口到前背板AWG的相应输入端口的传送包括额外的重布置步骤。以此方式，可增加交换机的总带宽。
根据本发明的第二方面，提供了用于可插入地连接到光学背板的交换机模块，交换机模块包括：多个（M）面向客户端的输入端口（IP1, IP2, IPM），以及对应的多个（M）面向客户端的输出端口（OP1, OP2, OPM）；到光学背板（C5）的外出光学连接和到光学背板（C5）的进入光学连接；检测器重调制器（DRM）（C3）的阵列，该阵列中的每个DRM配置成从交换机模块的输入端口（IP1, IP2, IPM）之一接收（多个）光学信号并重新生成和/或改变所接收的（多个）信号的波长以产生相应的（多个）DRM光学输出；前背板AWG（C4），所述前背板AWG充当多路复用器以将M个输入多路复用到波分复用（WDM）输出信号；以及后背板AWG（C6），其配置成将在交换机模块的进入光学连接处从背板接收的光学信号路由到面向客户端的输出端口中的期望的一个或多个。
交换机模块还可包括：马赫曾德尔路由器，其从前背板AWG接收WDM输出信号，并在WDM信号进入无源光纤混洗之前切换WDM信号以选择所要求的目的地交换机模块；马赫曾德尔路由器位于交换机模块上。
可选地，在一个或多个绝缘体上硅光子平台上构造每个光电交换机模块。
根据本发明的第三方面，提供了供权利要求10的交换机模块使用的有源背板，所述有源光学背板包括：与相应的输出成对的多个光学输入，每个输入/输出对用于连接到相应的交换机模块，每个输入用于从所述相应的交换机模块接收WDM光学信号；无源光纤混洗；以及位于有源背板的每个光学输入和无源光纤混洗之间的马赫曾德尔路由器；其中马赫曾德尔路由器充当交换机以为通过无源光纤路由器的任何给定信号选择期望光纤。
可选地，交换机结构可由一个ZXZ交换机或交换机的组合组成。例如，1XN交换机将模块的WDM输出连接到在交换机结构中的NXN交换机。所有交换机可以是MZI交换机或类似物。
光电交换机可配置成充当突发交换机。以此方式，DRM配置成连续地将多个分组从同一源发送到同一目的地。
光电交换机可配置成充当分组交换机。
分组交换机实施例将不同于电路交换机实施例，因为交换机模块的DRM包含额外的电路。特别是，分组处理器可基于每个分组的内容来确定每个分组应被发送到哪个输出端口。调度器也将存在以通过对每个DRM的固定波长激光输入的控制来控制通过交换机的每个分组的总定时。
在分组交换机在突发模式中工作的情况下，这可由包括收集信号并取决于它们的目的地在突发中发送这些的电路的CMOS芯片来促进。
光电交换机可配置成充当单元交换机。
以此方式，DRM以与分组交换机的方式类似的方式被配置，但使用固定长度单元。调度分组的传输因此可涉及将数据分割成固定长度单元（段）的额外步骤。
光电交换机可配置成充当电路交换机。电路交换机连接可涉及在数据传输期间的专用点对点连接。这简化了DRM的设计，因为要求较少的功能。
可选地，光学全网状互连具有形成在光电交换机模块中的折叠的折叠配置，其中对于每个光电交换机模块：前背板AWG位于折叠之前；以及后背板AWG位于折叠之后。
为了本发明的目的，“折叠配置”意指客户端输入和客户端输出位于同一客户端接口处。在本文所述的实施例中，折叠配置由交换机模块的设计促进，因为交换机模块的单个部件可被构建成并入前背板和后背板部件两者。以此方式，单个部件将配置成不仅处理前背板信号（即传输到网状物的那些信号）而且处理后背板信号（即从网状物接收的那些信号）。
可选地，每个光电交换机模块的输入和输出端口都布置在单个外部面板上。
每个光电交换机模块的输入和输出端口可以都布置在单个外部面板上。
优选地，在一个或多个绝缘体上硅光子平台上构造光电交换机。
硅光子平台和架构的结构的组合实现了到较高基数（radix）的容易缩放（scaling）。此外，硅光子平台是在低成本下高度可制造的。
本发明的实施例的另一方面利用由马赫曾德尔干涉仪提供的增强的有源切换能力以及包含它们的光电交换机的带宽的必然增加。广泛地讲，根据本发明的实施例的这个方面，到达一个交换机模块（例如输入交换机模块或源交换机模块）的信号然后使用基于马赫曾德尔干涉仪的有源交换机（MZI交换机）被传输到另一交换机模块（即，输出或目的地交换机模块）。MZI交换机（或MZI）在本文被称为“MZI路由器”。可以用许多方式来实现MZI路由器如何“知道”哪个是目的地交换机模块，如将在本申请中稍后描述的。因此，本发明的第四方面提供用于将信号从输入设备切换到输出设备的光电交换机，所述光电交换机包括多个交换机模块，每个连接到或可连接到光学互连区域，其中：每个交换机模块配置成将WDM输出信号输出到光学互连区域，以及
光电交换机还包括一个或多个MZI路由器，每个配置成将WDM输出信号从它的源交换机模块指引朝向它的目的地交换机模块，一个或多个MZI路由器被定位成：
在交换机模块上，或
在互连区域中。
必须注意的是，本发明的这个方面的实施例还可包括先前关于本发明的第一、第二和第三方面阐述的特征，其中它们是兼容的。为了简要，不在这里重新陈述特征的这样的组合。例如，本发明的当前方面的光学互连区域可代替本发明的前面的方面的光学背板。然而，将认识到的是，在本发明的当前方面的一些实施例中，光学互连区域可以在光学背板的形式中，或可包括光学背板。
MZI路由器可包括提供快速切换能力的电光学MZI交换机。替代地，可采用热MZI交换机。在本公开中，电光MZI被理解为MZI，其中例如（但绝不限于）跨结的电流的施加的电效应用于调制光束。例如，MZI路由器可以在MZI级联交换机（包括多个MZI）的形式中，每个具有在输入耦合器处分裂的两个臂和两个输出部分，其中两个臂将分裂路径馈送到它们被重组的输出耦合器中。在一些实施例中，MZI可以是1 x 2 MZI，其中只存在到输入耦合器的一个输入，且在其它实施例中，MZI可以是2 x 2 MZI，其中存在到输入耦合器的两个输入。
多个MZI优选地布置成提供从MZI级联交换机的每个输入到每个输出的通路。在最大可能的程度上，臂可具有相同的长度。替代地，在具有默认输出是希望的情况下，臂可以是不平衡的。每个MZI可包括在一个或两个臂处的电光区域，其中折射率取决于经由一个或多个电极施加到该区域的电压。通过电光学区域行进的光的相位差因此可经由电极通过偏置的应用来控制。通过调整在两个臂之间的相对相位差和因此在输出耦合处的所得到的干扰，光可从MZI的一个输出切换到其它的。
MZI级联交换机可具有Ri个输入和Ri个输出，且这些可例如由布置成提供从每个输入到每个输出的通路的多个1 x 2、2 x 2和/或2 x 1 MZI（或这些的任何组合）构成。当Ri是5或更大时，MZI级联交换机或例如这个的任何其它有源交换机在用于连接Ri个互连交换机模块的全网状物上是有益的，因为全网状物要求1/2Ri(Ri-1)个光纤来连接所有光纤部分，而有源交换机可仅使用2Ri个光纤来提供相同的连接。通过构建Ri个“1 x Ri多路分配器树”和 Ri个“Ri x 1多路复用器树”来创建具有Ri = 2n个输入和输出的MZI级联交换机是可能的，其中每个树包括1 x 2（多路分配器）或2 x 1（多路复用器）交换机的n级，在第k级处具有2k个交换机。可通过在每侧上构建Ri + 1个树并省略内部连接来在每个级联交换机上支持额外的端口，使得输入不连接到输出，其连接到与本身相同的交换机。例如这个的MZI级联交换机在很大程度上是波长不可知的，且所以能够将整个多路复用的结构输出信号从输入切换到输出而不要求在输入和输出处的任何多路分配/多路复用。
根据本发明的这个方面的MZI路由器可具有与在本申请中更早地和在上面的段落中更详细描述的本发明的第一方面的MZI路由器（例如矩阵或树结构）相同的结构。
MZI路由器可以不将信号直接从源交换机模块指引到目的地交换机模块。更确切地，光电交换机可包括具有多个输入和输出的中间切换设备。MZI路由器可连接在源交换机模块和中间切换设备之间，且所以配置成从源交换机模块接收WDM输出信号。在这样的实施例中，MZI路由器的输出可连接到中间切换设备的输入。中间切换设备的不同输入可对应于中间切换设备的不同输出，且因此到不同的目的地交换机模块。MZI路由器可配置成将在它的输入之一处接收的光学信号指引到对应于那个信号的所要求的目的地交换机模块（即朝着其指向）的输出，即以选择中间切换设备的输入。为了实现这个，MZI路由器可连接到控制器，所述控制器配置成例如基于在信号中包含的目的地信息来控制信号的方向。例如在其中光电交换机是分组交换机且因此其中信号在数据的分组的形式中的实施例中，目的地信息可存储在分组报头中。中间切换设备可以是如在本申请中更早描述的无源切换设备，例如光纤混洗。替代地，中间切换设备可以是有源设备，例如电子分组交换机或单元交换机或电子或光学电路交换机。在其中交换机模块包括互连后AWG的一些实施例中，中间切换设备可将WDM信号输入到互连后AWG的输入。
在一些实施例中，如上所述的MZI路由器可以是预互连MZI路由器，且光学互连区域还可包括互连后MZI路由器，其配置成将从中间切换设备输出的信号指引朝向它们的目的地交换机模块。在一些实施例中，互连后MZI路由器可配置成将WDM信号输出到互连后AWG的输入，如上所述。
应理解的是，上面关于第一方面的光电交换机所述的可选特征中的每个同等地适用于第二方面的光电交换机模块。
下面阐述本发明的另外的可选特征。
附图说明
现在将关于附图作为示例来描述本发明的实施例，其中：
图1示出形成马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器的波导的示意性布局；
图2是包括多达N个交换机模块的阵列和公共光学全网状结构（光学全网状互连）的光电交换机的示意图；
图3是图2的光电交换机模块之一的示意图，光电交换机模块具有折叠配置并包括马赫曾德尔干涉仪路由器；
图4示出了图2的光电交换机模块之一的示意图，光电交换机模块具有折叠配置，其中到光学全网状结构的输入和来自光学全网状结构的输出两者包括马赫曾德尔交换机；
图5是图3和图4的交换机模块的操作的示意图；
图6是供本文所述的光学交换机模块中的任一个使用的有源背板的示意图；
图7是与多个光电交换机模块（光学分组处理模块）组合的有源光学背板的示意图；
图8示出结合光学背板的光电交换机模块的示意图，其中光学背板包括马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器；
图9示出结合光学背板的另一光电交换机模块的示意图，再次地其中光学背板包括马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器；
图10示出以光学分组处理模块的形式的光电交换机模块的示例；
图11示出交换机拓扑的示例；
图12示出马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器的示例的示意图；
图13示出耦合器和图12的MZI路由器的过渡区域的放大视图；
图14示出在过渡区域之前和之后的MZI路由器的波导的截面视图；
图15示出包括电源分接头的马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器的替代示例的示意图；
图16示出耦合器和图15的MZI路由器的过渡区域的放大视图；以及
图17示出在电源分接头处的MZI路由器的波导的截面视图；
图18示出可在本发明的实施例中使用的MZI的可能布置；
图19示出可在本发明的实施例中使用的MZI的另一可能布置；
图20示出可在本发明的实施例中使用的MZI的另一可能布置；
图21示出可在本发明的实施例中使用的MZI的另一可能布置；
图22示出可在本发明的实施例中使用的MZI的另一可能布置；
图23示出可在本发明的实施例中使用的MZI的另一可能布置。
具体实施方式
图1示出单个的波导马赫曾德尔干涉仪可如何链接在一起，以最终形成供本发明使用的马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器。在图12到17中示出更详细的示例。图1中示出的交换机包括布置在级联中的8个马赫曾德尔干涉仪，每个MZI具有在输入耦合器处分裂的两个输入臂和两个输出端口，两个臂将分裂路径馈送到它们被重组的输出耦合器中。
只要是可能的，两个臂就具有相同的长度。在替代实施例（未示出）中（特别是其中希望输出默认到在其他的之上的一个MZI输出端口），MZI的两个臂可具有不平衡的臂。对于图1中所示的MZI路由器，到8个输出中的任一个的切换可能是期望的，且没有对通过MZI的一个路径相比于另一个的偏爱，所以使用相等长度的臂。可能难以制造确切地相等的长度，但这可通过电气偏置来补偿。
输入耦合器一般将采取50:50耦合器的形式，但是要设想到可能希望其它比率。
每个马赫曾德尔干涉仪包括在一个或两个臂处的电光区域，其中折射率取决于经由一个或多个电极施加到该区域的电压。通过电光区域行进的光的相位差因此可经由电极通过偏置的应用来控制。通过调整相位差和因此在两个臂的输出耦合器处所得到的干扰，光可从MZI的一个输出“切换”到另一个。
每个MZI可具有3个电极（如同在Kumar的“1x8 Signal Router Using Cascadingthe Mach-Zehnder Interferometers”，IEEE / ICAIT，2013年7月6日）中公开的那些一样）。
替代地，为了更多的控制，每个MZI可具有4个电极（每个臂上2个电极）。实际上，每个MZI可具有每臂多于一对电极。
图2示出包括对MZ级联将找到应用的种类典型的多个光学模块的光电交换机。所示的光电交换机1被组织为多达N个交换机模块10-1、10-2、10-N的阵列，其被插入到公共光学背板C5中。在这种情况下，光学背板采取光学全网状结构（光学全网状互连）的形式，但是如下所述，光学背板可能包括有源交换机元件。
每个交换机模块具有包括M个面向客户端的端口的客户端接口11，其中每个可以是双向面向客户端的端口，每端口具有两个或更多个光纤（例如具有输入光纤和输出光纤）。对于100G（即100 Gb/s）双向端口，可存在4 X 25G个输入光纤和4 X 25G个输出光纤。
此外，每个交换机模块具有在交换机模块的相对侧处到面向客户端的端口的光学入射光学连接和外出光学连接。这样的入射和外出连接可以是可插入的连接。
在图2的光电交换机中，光学全网状结构包含N乘N个光纤，并用两个光纤将每个模块连接到每个其它模块，一个光纤针对每个传送的方向。交换机模块可以与光学全网状结构集成或用连接器分离以允许增量式部署和维护的容易。
交换机能够用就位的少于N个交换机模块来操作，所以可根据需要来缩放。
在分组交换机环境内操作的交换机模块的每个中，波分复用（WDM）集中的分组信号的突发被创建并根据那个结构的布局（拓扑）而经由光学背板C5来传输到目的地。
交换机模块10-1、10-2、10-N和/或光学背板C5的部分包括MZI路由器交换机。在光学背板本身包括MZI路由器的情况下，MZI路由器可构成背板的整个结构。替代地，光学背板可由与光纤的无源光学网状物和/或额外的光学交换机（例如MEMS交换机）组合的MZI路由器形成。
图3示出可对应于图2的交换机模块10-1、10-2、10-N中的任一个的光电交换机模块10的结构。
交换机模块10具有折叠配置，其中前背板部分（包括DRM阵列C3和C4、输出波导W和MZI）作用于来自M个客户端端口的信号并将这些转换成用于经由背板传输的信号。后背板部分获取从背板接收的信号并处理它们，以用于从外出的M个客户端端口传输。
M个面向客户端的输入端口使用M个光纤来连接到C3的输入——包括多个（M）DRM的阵列。DRM重新生成信号并转换波长，使得在阵列中的每个DRM的每个输出在N个波导之一上被携带。
向相应的DRM C3提供N个波长的非调制光的激光器具有固定波长。在建立期间和在它们的寿命内，固定波长激光器可能需要使它们的波长被调整（被填充），但本领域的技术人员将理解，波长在普通使用期间基本上是固定的。将激光提供到DRM C4的激光器的波长通常将逐渐或递增地布置在跨NX1 AWG C4的波段的“网格”中。
Nx1 AWG C4将来自DRM C3的经调制光信号的所有波长多路复用成单个输出波导W，其形成与光学全网状交换机结构C5的M个光纤之一的单个连接。
在图3中所示的实施例中，由交换机模块10从背板接收的光学信号通过NxM AWG。AWG的M个输出光学地连接到后背板DRM的阵列，其用来在光学信号从M个客户端输出端口中的相应一个传输之前重新生成和/或改变光学信号的波长。
图4的实施例不同于图3的实施例，因为另一MZI位于交换机模块和背板之间的后背板光纤连接处。后背板AWG因此采取1xN AWG的形式。
在图5中示出图3和图4的两个实施例的操作的示意图，其中可看到，单个CMOS芯片用来处理在客户端光学器件和结构光学器件之间的进入和外出光学信号两者。CMOS芯片包括分组处理和缓冲电路，并包括电气控制端口以及管理端口。
图3和图4的交换机模块可与无源光学背板或有源光学背板一起使用。通过使用有源光学背板，整个系统的带宽增加了。在图6和7中示出这样的有源背板的示例。
波长多路分配光学输入信号在到达无源光纤混洗之前经由NxN硅光子交换机的输入进入背板，所述无源光纤混洗提供与插入到有源光学背板中的所有交换机模块的光学连接。
图7示出具有多个可插入交换机模块的有源光学背板。每个交换机模块采取具有2x100G个光学客户端端口的光学分组处理交换机模块的形式。虽然未示出，但是要设想这采取4x25G个输入和4x25G个输出的形式。
图8描绘一种交换机模块，其类似于图3的那个，但其中MZI路由器位于光学背板C5内而不是在交换机模块上。
图9描绘一种交换机模块，其类似于图4的那个，但其中MZI路由器位于光学背板C5内而不是在交换机模块上。
图10示出以光学分组处理模块（例如在图3、4、8和9中的任一个中所示的那个）的形式的交换机模块的示例。模块由硅光子管芯组成，光学和电部件安装在其上。
单个CMOS管芯包含前背板DRM和后背板DRM两者。AWG被示为位于光电检测器的入口和DRM的调制器的出口处。然而，应理解（例如，如在所有图3、4、8和9中所示的），可省却在客户端端口和前网状DRM的光电检测器之间的AWG。
外部激光模块（被示为插入物）提供N个固定波长，其向DRM的调制器提供固定波长非调制光。
图11示出可在有源光学背板上找到的有源交换机机构。Kx1个交换机级的组合将PxP个交换机的阵列夹在中间，其可以是MZI交换机。例如这个的交换机机构将是特别有益的，其中有源光学背板提供跨多个尺度（dimension）的光学链路。在图18到23中示出可用于构造PxP个MZI交换机的设置的示例。
图12-17提供关于MZI路由器的另外的细节。
图12-14示出如图1（更简单地）示出的MZI的示例性1x8布置。MZI的树形成由连接到MMI耦合器22的波导24来实现，以便分裂并重组光学信号。对于每个MZI，相位调制区域23位于MZI的两个臂的两者上以控制在两个臂之间的相对相位变化和因而在MZI的每个输出之间的切换。如图13和14中所示，每个MMI 22包括在MMI耦合器和相位调制区域之间的过渡区域。过渡区域可以在垂直和水平方向两者上是锥形，并且实现在MMI耦合器处的波导在尺寸上较小。在图14中示出适当尺度的示例。在这些图中，LPS是移相器的长度（即，红框的长度）且可以在50µm到5mm的范围中，但是在例如图12到14中所示的那些的实施例中，它们最可能在从250µm到1mm的范围中。LT表示在带状波导/离开MMI的波导和PS波导之间转换的模式过渡区域（水平锥形）的长度。
在图12、13、14、16和17中，除了在前面的段落中阐述的值以外，L0可以在5000µm到10000 µm的范围中，L1可以在50µm到500µm的范围中，W1可以在50µm到500µm的范围中，LMMI可以在50µm到1000µm的范围中，WMMI可以在5µm到20µm的范围中，Wstrip可以在1µm到4µm的范围中，以及PSslab可以在0.5µm到2µm的范围中。
在这些图中，必须强调，使用给定MZI的所有输入或输出不是必要的。例如，在图12中，该布置可通过仅使用在图的左手边缘上的（垂直）中心MZI上的左手输入来用作1 x 8MZI交换机。这个概念直接地扩展到其它配置。
图15-17示出与图12-14的实施例不同的实施例，因为提供以电源分接头25的形式的另外的波导。这些在锥形的较大波导侧处被提供。
在替代的实施例（未示出）中，可使用MMI和单个波导尺寸的相位调制区域来布置MZI路由器，在该情况下，图12-17的实施例将适于去除过渡区域。
图18到22示出根据本发明的实施例的在交换机的互连区域中的MZI的一些可能的布置。在一些实施例中，例如在这些图中示出的那些的布置可用于光学有源交换机的一部分。在本文，实线矩形表示单个MZI。
图18示出设置的示例，其中MZI以具有Ri = 4 = 22（即，n = 2）个输入和输出的MZI级联交换机的形式来布置。输入侧可由四个1 x 4“树”（其中一个在虚线框中被突出显示）构成，其中每个包括1 x 2 MZI的两级。输出侧具有镜像布置。1 x 2 MZI的内部两层被连接，使得可以从所有输入到所有输出的路线以无阻塞方式被同时提供。换句话说，在四个输入和四个输出之间可能的输入-输出的4! = 24个组合中的每个由这个MZI级联交换机适应。交换机驱动器可配置成通过控制跨每个1 x 2 MZI的电光区域施加的电压来控制24个组合中的哪个将被采用。
图19示出用于仅使用布置在Benes网络中的2 x 2 MZI来连接4个输入和4个输出的替代布置。重要的是要注意到，在本发明的实施例中，相同的设备可用于“2x2”、“1x2”和“2x1”MZI，但一个输入或输出可以仅在“1”侧上处于未连接。在这里，为了交换机的每个置换，在交换机的输出处的总串扰对每个输出端口是相同的。
图20示出可用于连接4个输入和4个输出的又一可能的布置。这是包括1x2和2x2MZI两者的“混合”布置。
图21示出与图19中所示的布置类似的基于Benes网络的布置。这个布置是无阻塞的。然而，在这个特定的示例中，代替使用六个2 x 2 MZI的布置，每个2 x 2 MZI由四个1 x2 MZI的布置来代替，布置成提供与在图中所示的相同的连接性。再次地，这个布置用于将4个输入连接到4个输出。图22示出另一类似的布置，其中图19的2 x 2 MZI由两个1 x 2 MZI代替。这个布置仅要求图21的部件的一半数目的部件，但是不是无阻塞布置。
图23示出与图18中的布置类似的布置，其中添加了额外的输入和额外的输出。在这里，额外的端口由建筑物Ri+1来支持。
虽然已结合上面所述的示例实施例描述了本发明，但是当给予本公开时，许多等同的修改和变化将对本领域技术人员显而易见。因此，上面阐述的本发明的示例性实施例被视为说明性的并且不是限制性的。可作出对所述实施例的各种修改而不偏离本发明的精神和范围。
上面提到的所有参考在此通过引用被并入。
Claims (32)
1.一种用于将信号从输入设备切换到输出设备的光电交换机，所述光电交换机包括多个交换机模块，每个连接到或可连接到光学互连区域，其中：
每个交换机模块配置成将WDM输出信号输出到所述光学互连区域，以及
所述光电交换机还包括一个或多个MZI路由器，每个配置成将所述WDM输出信号从它的源交换机模块指引朝向它的目的地交换机模块，一个或多个MZI路由器定位成：
在所述交换机模块中的每个上，或
在所述互连区域中。
2.根据权利要求1所述的光电交换机，其中所述一个或多个MZI路由器包括电光MZI。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光电交换机，其中所述MZI路由器包括：
布置在矩阵中的多个MZI交换机。
4.根据权利要求3所述的光电交换机，其中所述MZI路由器是1 x N路由器，所述多个MZI交换机布置在树形成中。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的光电交换机，其中所述互连区域包括光学背板或在光学背板的形式中。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的光电交换机，其中：
所述光学互连区域包括具有多个输入和输出的中间切换设备，以及
预互连MZI路由器连接在所述源交换机模块和所述中间切换设备之间，并配置成从所述源交换机模块接收所述WDM输出信号。
7.根据权利要求6所述的光电交换机，其中所述预互连MZI路由器配置成将所述WDM输出信号指引到对应于所述中间切换设备的输出的所述中间切换设备的输入，所述中间切换设备的输出对应于所述目的地交换机模块。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的光电交换机，还包括连接到所述MZI路由器的控制器，所述控制器配置成控制在所述预互连MZI路由器内的所述WDM输出信号的方向。
9.根据权利要求8所述的光电交换机，其中所述控制器配置成基于在所述WDM输出信号中包含的目的地信息来控制所述WDM输出信号的方向。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的光电交换机，还包括连接在所述中间切换设备和所述目的地交换机模块之间的互连后MZI路由器。
11.根据权利要求10所述的光电交换机，其中所述互连后路由器配置成将WDM信号指引朝向它们的目的地交换机模块，所述WDM信号从所述中间切换设备输出。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的光电交换机，其中每个交换机模块包括：
多个面向客户端的输入端口，其可连接到所述输入设备；
对应的多个面向客户端的输出端口，其可连接到所述输出设备；
到所述互连区域的外出光学连接；
来自所述互连区域的进入光学连接。
13.根据权利要求12所述的光电交换机，其中存在M个面向客户端的输入端口和M个面向客户端的输出端口。
14.根据权利要求13所述的光电交换机，其中每个交换机模块包括：
多个检测器-重调制器（DRM），每个配置成从所述输入端口之一接收（多个）光学信号并重新生成和/或改变所接收的信号的波长以产生相应的DRM光学输出；
预互连AWG，其配置成将M个DRM光学输出多路复用成WDM输出信号，所述WDM输出信号被输出到所述互连区域。
15.根据权利要求14所述的光电交换机，其中所述多个DRM中的每个DRM包括：
光电检测级，其中来自所述交换机模块的所述输入端口的相应一个的（多个）光学信号被接收并转换成（多个）电信号；
CMOS芯片，其用于处理（多个）电信号并将经处理的（多个）信号传输到所述调制器；
调制级，其用于：从所述CMOS芯片接收经处理的（多个）电信号；接收具有固定波长的非调制光输入；以及根据所述CMOS芯片的输出来调制非调制光。
16.根据权利要求15所述的光电交换机，其中所述DRM配置成在突发模式中操作。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的光电交换机，其中由所述CMOS芯片处理（多个）电信号包括以下各项中的一个或多个：在信号由所述调制器接收之前的信号的集中、放大、整形、再定时和滤波。
18.根据权利要求14到17中的任一项所述的光电交换机，其中所述MZI路由器配置成从所述预互连AWG接收所述WDM输出信号。
19.根据权利要求14到18中的任一项所述的光电交换机，其中所述预互连AWG是循环AWG。
20.根据权利要求14到19中的任一项所述的光电交换机，其中每个交换机模块还包括配置成将在所述进入的光学连接处从所述互连区域接收的光学信号路由朝向它们的目的地交换机模块的互连后AWG。
21.根据权利要求20所述的光电交换机，其中所述互连后AWG是NxM AWG，所述互连后AWG具有N个输入和M个输出，所述N个输入中的每个连接到所述中间切换设备的相应输出且所述NxM AWG的M个输出中的每个用于将信号传送到所述交换机模块的所述M个输出中的一个或多个。
22.根据权利要求20所述的光电交换机，其中所述互连后AWG是1xM AWG；以及所述光电交换机还包括互连后MZI路由器；
其中所述1xM AWG具有单个输入和M个输出，所述单个输入连接到所述互连后MZI路由器，且所述1xM AWG的所述M个输出中的每个用于将信号传送到所述交换机模块的所述M个输出中的一个或多个。
23.根据权利要求20到22中的任一项所述的光电交换机，其中所述互连后AWG是非循环AWG。
24.根据权利要求14到23中的任一项所述的光电交换机，还包括位于所述互连后AWG之后的DRM的第二阵列，所述第二阵列的每个DRM配置成重新生成和/或转换来自互连后AWG的相应输出端口的信号的波长，以用于传送到所述交换机模块的输出端口。
25.根据权利要求1到24中的任一项所述的光电交换机，其中所述光学互连区域包括无源光纤混洗。
26.根据权利要求1到25中的任一项所述的光电交换机，配置成充当光电分组交换机。
27.一种用于可插入地连接到光学互连区域的交换机模块，所述交换机模块包括：
多个（M）面向客户端的输入端口以及对应的多个（M）面向客户端的输出端口；
到所述光学背板的外出光学连接和到所述光学背板的进入光学连接；
DRM的阵列，所述阵列中的每个DRM配置成从所述交换机模块的所述输入端口之一接收（多个）光学信号并重新生成和/或改变所接收的（多个）信号的波长以产生相应的（多个）DRM光学输出；
前背板AWG，预互连AWG充当多路复用器以将M个输入多路复用到波分复用（WDM）输出信号；以及
互连后AWG，其配置成将在所述交换机模块的进入光学连接处从所述光学互连区域接收的光学信号路由到面向客户端的输出端口中的期望的一个或多个。
28.根据权利要求27所述的交换机模块，还包括：
MZI路由器，其从所述预互连AWG接收所述WDM输出信号，并在WDM信号进入所述无源光纤混洗之前切换所述WDM信号以选择所要求的目的地交换机模块；所述马赫曾德尔路由器位于所述交换机模块上。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的交换机模块，适合于可插入地连接到有源光学背板。
30.一种供权利要求29的交换机模块使用的有源背板，所述有源光学背板包括：
与相应的输出成对的多个光学输入，每个输入/输出对用于连接到相应的交换机模块，每个输入用于从所述相应的交换机模块接收WDM光学信号；
无源光纤混洗；以及
MZI路由器，其位于所述有源背板的每个光学输入和所述无源光纤混洗之间；其中所述MZI路由器充当交换机以为通过所述无源光纤混洗的任何给定信号选择期望光纤。
31.根据权利要求1到26中的任一项所述的光电交换机，其中在一个或多个绝缘体上硅光子平台上构造每个光电交换机模块。
32.一种光电交换机，包括：
多个（N）交换机模块；以及
光学背板，其包括无源光纤混洗；
其中每个交换机模块可连接到所述光学背板，每个交换机模块包括：
多个（M）面向客户端的输入端口以及对应的多个（M）面向客户端的输出端口；
到所述光学背板的外出光学连接和到所述光学背板的进入光学连接；
多个检测器重调制器（DRM），所述多个中的每个DRM配置成从所述交换机模块的所述输入端口之一接收（多个）光学信号并重新生成和/或改变所接收的（多个）信号的波长以产生相应的（多个）DRM光学输出；
前背板AWG，所述前背板AWG充当多路复用器以将M个输入多路复用到波分复用（WDM）输出信号；以及
后背板AWG，其配置成将在所述交换机模块的进入光学连接处从所述背板接收的光学信号路由到面向客户端的输出端口中的期望的一个或多个；
其中所述光电交换机还包括马赫曾德尔干涉仪（MZI）路由器，其从所述前背板AWG接收所述WDM输出信号，并在WDM信号进入所述无源光纤混洗之前切换所述WDM信号以选择所要求的目的地交换机模块；所述马赫曾德尔干涉仪路由器被定位成：
在所述交换机模块上；或
在所述交换机模块和所述无源光纤混洗之间的所述光学背板内。
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