CN113302888A - 损耗感知光路由的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于操作光交换结构或其他光设备的损耗方法和装置。该设备具有多个输入和输出端口，以通过光路选择性地连接在一起。对于要求的配置，光设备配置根据损耗度量确定，其基于以下一项或两项：光路的交叉点数量以及光路的长度。交叉点可以是交换结构内的波导交叉点。该配置可以通过选择用于承载特定光路的交换结构的特定中间级来获得。波导交叉点的数量，或波导交叉点的数量的变化，可以在选定的配置中被限制或最小化。在一个实施例中，确定了初始方案，并对交换机的中间级重新排序以获得损耗度量方面的改进方案。

Description

损耗感知光路由的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2019年5月7日提交、申请号为16/405,773、名称为“损耗感知光路由的方法和装置”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本文。
技术领域
本发明涉及光设备领域，尤其涉及一种用于在诸如，但不一定限于，具有可重排非阻塞特性的光交换结构的设备中进行损耗光路由的方法和装置，该路由考虑了诸如光路交叉点数或光路长度的损耗特性。
背景技术
NxN硅光子交换机包括排列成多个级的多个相互连接的交换机元件，如2x2马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)交换机元件。每个级的元件通过波导与前一个或下一个级相互连接。目前，硅光子交换机主要以单层光刻结构实现。因此，相互连接的波导必须在同一平面内相互交叉，或在垂直方向上相隔一小段距离。这种波导交叉点会导致交换机的插入损耗。这是因为从交换机的输入到交换机的输出的损耗取决于输入/输出耦合损耗、交换机内部连接路径中的交换机元件数量、沿连接路径的波导交叉点总数以及连接路径的总波导长度。同一交换机输入和输出之间的不同路径，以及不同交换机输入和输出之间的不同路径，可能会有不同的总损耗。这导致了交换机的插入损耗的变化。这种可变性是不可取的，因为它会导致不同交换机配置的不同和可能不可预知的损耗特性。这可能导致实现时考虑到交换机的“最坏情况”插入损耗，而这是次优的。
进一步认为，其他设备，如波长选择交换机(wavelength selective switch，WSS)，由于受限或非受限光路紧密地交叉在一起或长度可变，也可能遭受类似的插入损耗的可变性。
因此，需要一种在光交换结构或其他设备中用于光路路由的方法和装置，以减少插入损耗的可变性，或以其他方式消除或减轻现有技术的一个或多个限制。
提供这些背景信息以披露申请人认为可能与本发明相关的信息。不须承认，也不应解释，任何前述信息构成与本发明相悖的现有技术。
发明内容
本公开实施例的一个目的是提供一种损耗感知光路由的方法和装置。根据本公开的实施例，提供了一种操作光交换结构的方法。所述光交换结构具有多个输入端口、多个输出端口以及多个光子元件，所述光子元件可操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口。所述方法包括：接收指示以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合。所述方法包括：响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光交换机配置，所述光交换机配置至少部分基于损耗度量确定。所述损耗度量又基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
根据本公开实施例，提供了一种操作光设备的方法。所述光设备具有多个输入端口、多个输出端口以及多个可操作的元件，所述元件经由受限或非受限光路将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口。所述方法包括，接收指示以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合。所述方法包括，响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光设备配置。所述光设备配置至少部分基于损耗度量确定。所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
根据本公开实施例，提供了一种光交换机(或至少是其控制器)。所述光交换机包括光交换结构，具有多个输入端口、多个输出端口以及多个可操作的光子元件，所述光子元件操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口。所述控制器可包括执行存储在存储器中的指令的计算机处理器，或用于确定和实现交换状态的其他合适的电子器件，以及相应地驱动所述光子元件的交换驱动电子器件。所述控制器被用于响应于所述光交换机的期望状态的输入指示，可切换地操作所述多个光子元件。所述控制器进一步用于接收输入以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合。所述控制器进一步用于，响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光交换机配置。所述光交换机配置由上述控制器至少部分基于损耗度量确定。所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
根据本公开实施例，提供了一种光设备(或至少是其控制器)。所述光设备可以是上述的光交换机，或波长选择交换机，或其他光设备。所述光设备包括光路组件，具有多个输入端口、多个输出端口以及多个元件，所述元件可操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口。所述控制器可包括执行存储在存储器中的指令的计算机处理器，或用于确定和实现设备状态的其他合适的电子器件，以及相应地驱动设备元件的设备驱动电子器件。所述控制器用于响应于所述光路组件的期望状态的输入指示，可切换地操作多个所述光子元件。所述控制器进一步用于接收输入，以将一组该输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合。所述控制器进一步用于，响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光路组件配置。所述光路组件配置由所述控制器至少部分基于损耗度量确定。所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中的交叉点或近似交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
附图说明
本公开的进一步特征和优点将从以下结合附图的详细描述中变得明显，其中：
图1A示出了根据本公开实施例提供的或可与本公开实施例一起操作的多平面光交换结构的示例；
图1B示出了交换结构的典型波导交叉点；
图2示出了通过图1A所示的光交换结构的示例光路；
图3示出了根据本公开实施例操作光交换结构的方法；
图4A示出了图1A的光交换结构的第一示例配置；
图4B示出了图1A的光交换结构的第二示例配置，满足与图4A相同的配置要求；
图5示出了根据本公开实施例通过对中间级重排来确定光交换机配置的方法；
图6示出了根据本公开实施例通过将逻辑中间级映射到物理中间级来确定光交换机配置的方法；
图7A示出了图1A所示的交换结构的性能改进，通过仿真获得本公开实施例；
图7B示出了图1A的交换结构对不同损耗度量的性能改进，通过仿真获得本公开实施例；
图8示出了一种光交换结构，该光交换结构包含4个中间级，每个中间级包括图1A的交换结构的副本；
图9示出了根据本公开实施例确定嵌套或非嵌套光交换结构中光路的方法；
图10示出了根据本公开实施例提供的或可与本公开的实施例一起操作的另一交换结构；
图11示出了用于计算和数据中心使用的光子系统，其中可根据本公开实施例操作光交换机；
图12示出了一种诸如波长选择交换机的光设备，其可以根据本公开实施例提供并操作；
图13示出了根据本公开实施例提供的用于控制诸如光交换结构的光设备的装置。
请注意，在附图中，相同特征用相同附图标记来标识。
具体实施方式
本公开的实施例在确定光设备中的光路路由方案时，至少考虑了光路交叉点的数量和光路长度中的一个。将一个或多个指定的输入端口与一个或多个相应的指定输出端口进行光耦合的要求可由多个不同的路由方案来满足。在多个路由方案中，实现一个选定的方案，该方案由于路径交叉、路径长度或其组合而对光损耗的贡献有限或最小。例如，可以将波导交叉损耗在连接插入损耗中的影响降到最低。因此，在执行诸如光交换机中的非阻塞路由时，还需要限制或最小化损耗指标的额外步骤。
本公开的实施例的路由确定过程可以考虑光路交叉点损耗、光路长度，或两者都考虑。此外，路由确定过程可以试图限制或最小化这种损耗贡献，如通过适当的损耗指标测量。这往往会导致在光设备的所有多个连接中这些损耗贡献的变化减少。路由确定过程可以试图限制或最小化正在实现的每条路径上的损耗，这间接地倾向于限制或最小化所有路径之间的损耗变化。路由确定过程可以替代性地尝试直接限制或最小化所有路径之间的损耗变化，例如，通过最小化所有路径之间的最大和最小损耗之间的差异。路由确定过程可以替代性地尝试最小化最大路径损耗或平均路径损耗。
本公开的实施例适用于部分或全负载的光交换结构(连接矩阵)或其他光(光子)设备，以光学方式连接输入端口至输出端口。具体地，本公开的实施例限制或减少了光设备的插入损耗的变化，尤其是由于诸如光交叉点数和光路长度中的至少一个因素。这种变化是由于内在地沿着光设备的不同路径的波导交叉点的数量不同而产生的。
本公开的实施方案可以在不影响光设备的连接阻塞性能的情况下实现的。执行非阻塞路由，然后重新安排非阻塞路由以最小化或限制某些损耗。路径搜索(路由)时间和串扰性能也可以不受影响或受到影响很小。该方法和装置适用于各种光交换机架构，如多平面(例如，图1A所示的模块化四面体(quad))和递归双平面架构(例如，贝奈斯(Benes)、扩展贝奈斯(Dilated Benes)、混合扩展贝奈斯(Hybrid Dilated Banyan)和增强型混合扩展贝奈斯(Hybrid Dilated Benes Enhanced，HDBE))。本公开是有目的地开发的，以便不影响或最小化对这些性能方面的影响。
图1A示出了多平面交换结构100的示例，它可能是本公开的某些实施例的主题。这种交换结构在在2018年9月欧洲光通信会议上，H.Mehrvar和E.Bernier的“用于互连应用的快速光子交换架构”中有更详细的描述，通过引用并入本文。其他适用的交换结构包括扩展贝奈斯、贝奈斯和混合扩展贝奈斯。
多平面交换结构的特点是，它们包括一个输入级、一个输出级和多个中间级。该输入级用于将该输入端口的所选级光耦合到该中间级的所选级，该输出级用于将该中间级的所选级光耦合到该输出端口的所选级。多个中间级的使用提高了交换机的非阻塞特性。需要指出的是，耦合到输入和输出级的所有端口，并且结构相似、功能相似或两者都相似的中间级基本上是可互换的。也就是说，给定一个通过交换结构的路由方案，通过互换中间级的角色可以得到不同的路由方案。
例如，在路由方案中，第一条或多条光路通过第一中间级，第二条或多条光路通过第二中间级。不同的路由方案可以通过重新排序中间级的顺序来获得，例如，包括使第一个或多个光路代替地通过第二(或另一)中间级，并且使得第二个或多个光路代替地通过第一(或另一)中间级。
图1A的交换结构100，以及其他各种交换结构，包括多个输入端口105和多个输出端口140。输入和输出端口可以连接到外部光载体，如光纤或波导。在交换结构100内部，包括多个可控交换单元110，其中包括双输入、双输出(2x2)交换单元，通常也包括单输入、双输出(1x2)和双输入、单输出(2x1)交换单元。交换单元是光子元件的示例。交换单元可以根据马赫-曾德尔干涉原理进行设计和操作，例如，本领域的人员很容易理解。交换单元110通过波导115以特定的方式相互连接，从而形成特定的交换拓扑结构。在操作中，光进入输入端口，并通过交换单元的操作，通过所选路径路由到输出端口。该路径包括交换单元110和相互连接的波导115的子集。因此，输入端口被选择性地光耦合到输出端口。还说明了输入级120，输出级130，以及多个中间级135a，135b，135c，135d。
图1A(以及本文公开的类似图)对应于实质上位于单个平面的交换结构的物理布局。值得注意的是，在光交换结构100中，波导115在多个位置相互交叉，如图所示。为了清楚起见，突出显示了几个选定的波导交叉点145。
图1B更详细地说明了一个有代表性的波导交叉点145，正如它在某些实施例中出现的那样。如图所示，波导交叉点145包括两个相互交叉的共面波导。例如，该交叉点可以按照Yangjin Ma等人，“用于SOI光互连的超低损耗单层亚微米硅波导交叉点”，Opt.Express21,29374-29382(2013)的描述进行配置。在这个例子中，在交叉点的区域，波导根据一定的预定形状逐渐变细，以减轻串扰。然而，在这样的交叉点中串扰并没有完全被消除。因此，本公开可以实现进一步减轻串扰。其他配置波导交叉点的方法也可以实现，例如，如上述引用文献中的参考文献所描述的。在一些实施例中，波导交叉点可以包括在两个平面上相互交叉的两个波导，其中一个在另一个平面上分层。
图2进一步举例示出了图1A的光交换机以及若干可能的光路205、210、215。光路205和光路210为互连同一输入端口和同一输出端口的两条备选路径。光路215将不同的输入端口和不同的输出端口互连。每条光路表现出不同数量的波导交叉点，例如路径205表现出约59个波导交叉点，路径210表现出约55个波导交叉点，路径215表现出约33个波导交叉点。每条光路205、210、215还表现出不同的总长度，以沿着路径的互连波导部分的长度来测量。
因此，可以看出，对于相同的两个输入/输出端口之间的不同光路，以及不同的输入/输出端口之间的不同光路，波导交叉点的数量和总的光路长度都是显著变化的。当有多条光路可供选择时，本公开的实施例倾向于选择具有至少一个较少波导交叉点的路径或路径集和具有较低总路径长度的路径或路径集。需要指出的是，通常是一次路由多条光路，而不是每次路由一条路经。
鉴于图1A和图2，本公开的实施例提供了一种方法300，用于操作如图3所示的光交换结构。如上所述，光交换结构具有多个输入端口、多个输出端口和多个可用于选择性地将输入端光耦合到输出端口上的可操作光子元件(例如马赫-曾德尔型交换单元)。该方法包括，310接收指示，以将一组输入端口中的每个指定输入端口光耦合到一组输出端口中的指定输出端口。该指示可以以路由指令或请求的形式提供，指示在给定时间的端口连接要求。该方法进一步包括，320响应该指示，实现建立一组适应该指示的光路的光交换机配置。该光交换机配置至少部分基于损耗度量确定，该损耗度量基于以下一项或两项：每条光路中的波导交叉点的数量以及每条光路的长度。该方法可进一步包括，315确定光交换机配置。
图4A示出了图1A的光交换结构的第一示例配置(路由图)。该配置说明了一种满足根据表1的前两列将输入端口耦合到输出端口的要求的交换机配置。表1中的每一行给出了根据要求耦合在一起的输入端口/输出端口对。图4A和图4B中不同的光路连接输入端口对到输出端口对，如表1所示，使用不同的图案线对所涉及的波导进行了说明。沿同一光路的交换单元用相同的参考字母指定。表1还显示，对于图4A的配置，耦合相应输入端口/输出端口对的光路所经过的中间级。表1还显示，对于图4A的配置，在耦合相应的输入端口/输出端口的光路中波导交叉点的数量。本例中的每条路径损耗度量是沿路径的波导交叉点的数量。
Figure BDA0003144065070000051
Figure BDA0003144065070000061
表1
从表1可以看出，最大的波导交叉点的数量为81，最小的波导交叉点的数量为21。因此，给定的81-21＝60为最大的波导交叉点的数量(在所有的光路中)和最小的波导交叉点的数量(在所有的光路中)之差。
图4B示出了满足与图4A相同的配置要求的不同示例配置。表2示出了，对于图4B的配置，耦合相应输入端口/输出端口对的光路所经过的中间级。表2还示出了，对于图4B的配置，在耦合相应的输入端口/输出端口的光路中波导交叉点的数量。
Figure BDA0003144065070000062
表2
从表2可以看出，最大的波导交叉点的数量为63，而最小的波导交叉点的数量为15。因此，给定的63-15＝48为最大的波导交叉点的数量(在所有的光路中)和最小的波导交叉点的数量(在所有的光路中)之差。此外，与表1相比，最大的波导交叉点的数量减少了18。因此，图4B的配置满足同样的输入/输出端口耦合要求，但具有更低的总体损耗度量，在本实施例中，它被认为是最大波导交叉点的数量和最小波导交叉点的数量之间的差。或者，可选地，也可以取其为在所有的光路中的波导交叉点的最大数。因此，根据本公开的实施例，图4B的配置优于图4A的配置。值得注意的是，图4A和图4B的阻塞和串扰性能基本相同。当总体损耗度量为交换结构中接管所有路径的波导交叉点的最大数时，也可以产生图4B的配置。
事实上，当每条路径损耗度量为沿给定光路的波导交叉点的数量，而总体损耗度量为每条路径损耗度量在所有光路中的最大值与每条路径损耗度量在所有光路中的最小值之差，当损耗为连接的最坏情况下的损耗时，可以表明，图4B示出了具有最小的整体损耗度量的光交换机配置，其满足了给定的输入端口/输出端口耦合要求。因此，这种配置是最优选的选择，并能够响应于根据给定的输入端口/输出端口耦合要求将输入端口光耦合到输出端口的指示来实现。
图4B的配置可由图4A的配置通过对中间级重排(交换)得到。具体地，为了从图4A的配置得到图4B的配置，图4B的级135a用于图4A的级135c，图4B的级135b用于图4A的级135b，图4B的级135c用于图4A的级135d，而图4B的级135d用于图4A的级135a。为了清楚起见，“将第一(中间)级用于第二(中间)级”包括在内部以与第二中间级相同的方式配置第一中间级的交换元件，以创建相同的一组光路(对中间级的内部)。它还包括配置输入和输出级，使得每当交换机的一个输入端口和输出端口被路由到第二中间级的给定的输入和输出时，这些相同的输入端口和输出端口反而被路由到第一中间级的相同的对应输入和输出。
图5大致示出了相应方法500，用于通过对中间级进行重排来确定光交换机配置。重排可以在实现前存储在计算机存储器中的光交换结构的表示中完成，或者可以通过实际的物理重新配置光交换结构来完成，尽管第二种选择可能导致不必要的额外交换。该方法500包括，510确定两个或多个可选光交换机配置。每个可选光交换机配置都建立了一组相应的适应指示的光路。在各种实施例中，可选光交换机配置在光交换机的多个中间级的重排方面彼此不同。这可能是可选配置之间的唯一区别。例如通过生成初始种子配置并通过执行重新排序获得替代配置，可以确定一些或所有可能的这种替代配置。该方法进一步包括，520至少部分基于损耗度量，选择一种备选光交换机配置。例如，可以对适用于每种可选光交换机配置的损耗度量进行比较，并且可以选择具有最有利的(例如，最低值的)损耗度量的配置。可以为所有可选配置或可选配置中的选定配置确定损耗度量。各种穷尽或非穷尽计算方法可用于选择全局最优、局部最优、接近最优或足够最优交换机配置。该方法还包括，530通过适当地驱动光交换机实现选定的配置。
在一些实施例中，引入了逻辑中间级(也被称为逻辑平面)的使用，以代替或促进中间级的重排过程。为了便于阐述，假定中间级(例如由于类似或相同的结构或功能)基本上是可以互换的。如图6示出的相应方法600中所示，610建立光交换结构的表示，例如作为由计算机持有的交换机模型，例如集成到交换机控制器中或以其他方式耦合到交换机控制器中的计算机。该表示包括多个逻辑中间级，代表交换结构的中间级，并且在数量上与交换结构的中间级相等。
然后，计算机620确定交换机配置方案，该交换机配置方案指示光交换结构表示中的一组路径。该路径满足给定的输入端口/输出端口耦合要求。耦合要求也被称为将一组输入端口中的每个指定的输入域端口与一组输出端口中的指定的输出端口进行光耦合的指示。交换机配置方案可以指示一组路径、产生该组路径的交换单元配置，或两者。交换机配置方案可以表示满足其他条件的一组路径。例如，交换机配置方案可以表示通过交换结构的一组非阻塞路径，这些路径显示出有限或最小的串扰。
接下来，630从交换机配置方案中获得光交换机配置。这包括，632将逻辑中间级映射到交换机的实际中间级。该映射至少部分基于损耗度量，例如通过以基本上最小化或限制损耗指标的方式执行映射。该方法还包括通过适当地驱动光交换机来640实现光交换机配置。这可以包括控制交换结构的交换单元以实现所需的光路。
以下是对映射过程的详细描述。第P个逻辑中间级可以以P的阶乘个不同方式与P个物理中间级相关联。在这些关联中的给定的任何一个，也被称为映射，第nth个逻辑级(对于范围从1到P的k)与第kth个物理级(对于范围也从1到P的k)相关联，所有逻辑和物理级以一对一的方式映射。根据该映射，每个第kth个物理级的内部配置与其关联的第nth个逻辑级的配置方式相同。内部配置是指物理/逻辑级的交换单元的配置。同样根据映射，当(逻辑)交换机配置方案中的一个给定输入端口被耦合到一个逻辑级的给定输入时，物理交换结构中的相应输入端口被耦合到相关联的物理级的相同输入。同样地，当(逻辑)交换机配置方案中的一个给定输出端口与逻辑级的一个给定输出耦合时，物理交换结构中的相应输出端口就与相应物理级的相同输出相耦合。
通过示例，将图4A的配置视为(逻辑)交换机配置方案，并将图4B的配置视为相关的物理交换机配置，可以更清楚地理解上述内容。在图4A中，中间级135a、135b、135c、135d被视为逻辑级，而在图4A中，它们被视为物理级。为了便于讨论，将图4A中的中间级标记如下：135a为L1、135b为L2、135c为L3以及135d为L4。图4B中的中间级的标记如下：135a为P1、135b为P2、135c为P3以及135d为P4。现在，根据图4A的交换机配置方案与图4B的物理交换机配置的映射，L1与P4相关联，L2与P2相关联，L3与P1相关联，并且L4与P3相关联。因此，L1和P4具有相同的内部配置，并分别具有耦合到相同的输入端口和输出端口的相同的输入和输出。类似地，L2和P2具有相同的内部配置和输入/输出耦合，L3和P1、L4和P3也是如此。
因此，一个给定的交换机配置方案可以以N的阶乘个不同方式物理实现。根据本公开，根据损耗度量选择这些不同方法中的一种。具体地，选择实质上最小化或以其他方式限制损耗指标的实现。因此，本公开的实施例可以实现包括三个阶段的寻径过程。首先，定义一组代表光交换机的物理中间级的逻辑中间级(平面)。然后，确定通过逻辑平面的具有最少(或有限)串扰的非阻塞路由。然后，逻辑中间级以最小化或限制损耗度量(例如，波导交叉点的数量或其中的变化)的方式映射到物理中间级。确定交换机配置方案可以包括，例如，寻找包含具有最小串扰的非阻塞路径的方案。因为寻径方法基本上相同(除了中间平面的重排)，所以对寻径过程的阻塞性能没有影响。本公开的主要区别在于，在分配完路由(例如分配到逻辑平面)后，还有一个步骤是以限制损耗度量的方式将路由(或逻辑平面)映射到物理平面。
在一些实施例中，对于具有P>2个中间级(图1A中P＝4)和要被路由的N个连接的多平面交换结构，确定一个(逻辑)交换机配置方案，或实际上确定一个(物理)光交换机配置，执行如下步骤。N值可以等于交换机的输入端口或输出端口的数量(图1A中N＝16)，并表示输入端口和输出端口通过路由光路连接的请求数量。首先，确定可以通过第一(逻辑或物理)中间级进行路由的第一组N/P连接。接下来，对于剩余的未路由的连接，确定可以通过第二(逻辑或物理)中间级路由的另一组N/P连接。这个过程持续P次，直到所有N个连接都通过所有P个平面进行路由。一旦完成了这一过程，就可以如上所述，根据损耗度量对获得的路由方案进行进一步的优化。
以上对图4A和图4B的描述示出了对单个连接映射的性能改进。图7A说明了通过仿真获得的200万连接映射对同一交换机的可比性能改进。上图710是一个直方图，说明所有200万个连接映射的最大和最小波导交叉点的数量之间的差异(delta)，没有最小化波导交叉点的数量的步骤。下图720是一个直方图，说明了当最小化波导交叉点的数量的步骤被包括在内时，所有200万连接映射的最大和最小波导交叉点的数量之间的差异(delta)。如图所示，在下图中差异显著减少，从而说明了性能的改进。
图7B示出了在超过100万仿真连接映射上，以损耗度量为最大波导交叉点的数量时，同一交换机的性能改进。上图730是一个直方图，说明了所有100万连接映射的波导交叉点的数量，没有最小化波导交叉点的数量的步骤。下图740是一个直方图，说明了所有100万个连接映射的波导交叉点的数量，最小化波导交叉点的数量的步骤被包括在内。如图所示，下图740中最大的波导交叉点的数量被限制为最大大约为75，而上图730中约为90。
尽管上述描述主要是以图1A的交换结构为例，但应该很容易理解，本公开并不局限于任何特定的交换结构。具体地，可以容纳具有超过16个输入和输出端口，以及超过4个中间平面的交换机。创建更大规模的交换结构的一种方法是通过组合较小规模的交换结构的多个副本来对其进行构建。在这种情况和其他情况下，本公开的实施例可以包括(例如，在嵌套优化方法中)递归地应用上述寻径例程。
图8示出了具有64个输入端口、64个输出端口并包含4个中间级835a、835b、835c、835d的光交换结构800，每个中间级均包括图1A的交换结构的副本。在嵌套或递归架构中，每个中间级包括它自己的输入级、输出级和多个中间级。这种交换结构和32x32的替代版本也在2018年9月的欧洲光通信会议上，H.Mehrvar和E.Bernier的“互连应用的快速光子交换架构”中进行了描述。交换结构800再次由多个使用波导耦合在一起的交换单元形成。交换结构800包括具有64个输入端口805的输入级820和具有64个输出端口840的输出级830。输入级可用于将将每个输入端口与任何选定的中间级之一耦合。输出级可用于将每个输出端口与所选的一个中间级耦合。
对于交换结构800，或者对于其他采用递归架构的交换结构，本公开的实施例可以以相应的递归方式采用光学寻径和优化。
例如，可以定义光交换结构800的表示，包括代表中间级835a、835b、835c、835d的外部逻辑中间级。光交换结构的表示进一步包括内部逻辑中间级。每个内部逻辑中间级都位于一个外部逻辑中间级内。也就是说，每个外部逻辑中间级包括4个内部逻辑中间级，每个内部逻辑中间级有16个输入和16个输出。内部逻辑中间级可以反映与图1A的中间级相同的结构。内部逻辑中间级837a、837b、837c、837d作为例子被标记为16个这样的级中的4个，都属于同一个外部中间级835a。
给定这个可能是先验(priori)生成的逻辑表示，寻径可以按照如下方式进行。对于每个外部逻辑中间级，确定一个外部级交换机配置方案，该方案表示一些(例如16个)所请求的连接的一组路径。外部交换机配置方案包括四个内部交换机配置方案，每个内部逻辑中间级包括一个，这也是在这里确定的。内部交换机配置方案各自表示一组路径，用于一些(例如4个)容纳通过相应的外部逻辑中间级所需的连接。此外，一个给定的外部逻辑中间级的内部逻辑中间级至少部分基于损耗度量被重新安排(在该外部逻辑中间级内)。在对所有外部逻辑中间级进行寻径(即，确定内部交换机配置方案及其顺序/安排)后，这些外部逻辑中间级可以至少部分基于损耗度量映射到物理中间级835a、835b、835c、835d。因此，对于诸如交换结构800的两级递归交换架构，可以执行两次基于损耗度量的中间级映射或重排。
在上述情况下，所有的中间级(多级)本质上是相同的(在其他情况下也可能如此)，递归寻径可以按照以下方式进行。假设有多个最外层的中间级，并且每个中间级包含多个进一步的中间级，深度为L>1级。从最外层向内，通过一组相应的中间级，可以确定交换机配置方案，指示一组光路。此外，一个、一些或所有级别的中间级的排序可以根据损耗度量来确定。该排序给出了逻辑到物理中间级的映射。在一些实施例中，对于每个适用级别，可以在确定该级别的交换机配置方案时执行排序的确定(基于损耗度量)。在其他实施例中，对每个适用级别的排序的确定可以在之后进行，例如在已经确定所有级别的交换机配置方案之后。
寻径过程可以在每个嵌套的层次级重复，直到光路被完全映射。在每一个递归层次上，中间级的顺序可以通过重排技术或逻辑中间平面技术来确定，其中路径是根据预定的损耗度量来确定的。
图9示出了根据本公开的实施例确定嵌套或非嵌套光交换结构中光路的方法900。该方法包括，905从交换结构的第一层(例如最外层)开始。该方法进一步包括，910使用非阻塞方法，通过当前层的交换结构路由连接。对于N个输入和输出，以及P个中间级，连接可以通过N/P个逻辑中间级进行路由。该方法进一步包括，915检查(N/P)的阶乘个备选方案，用以将逻辑级映射到物理级。920对于每一种可选情况，可以确定损耗度量(例如，波导交叉损耗)。该方法还包括，925选择一个备选方案用于实现。上述过程，包括步骤910、915、920、925和可逐步重复的930，用于所有或选定的交换结构的进一步嵌套层。
图10示出了可涉及到本公开的实施例中的另一交换结构1000。交换结构1000的架构是贝奈斯、扩展贝奈斯或增强型混合扩展贝奈斯(HDBE)结构，取决于最中心的2x2交换单元1010的配置。具体地，当交换单元1010是简单的2x2(例如，干涉)交换单元，其结构与其他2x2交换单元的结构类似，这种结构称为扩展贝奈斯。当交换单元1010本身由四个交叉连接的简单2x2交换单元形成时，这种架构称为HDBE。该架构是递归双平面架构的一个示例。交换结构1000展示了至少三个层次(层)的递归，可能会出现3、4或更多的递归层。有两个最外层的中间级(或子级)1035a、1035b，每个级都有两个进一步的中间级(例如1037a、1037b)，每个级又有两个进一步的中间级(例如1039a、1039b)，以此类推。交换结构1000有具有N＝32个输入端口的输入级1020和具有N＝32个输出端口的输出级1030。可以容纳更多或更少的输入端口和输出端口，例如分别在具有更多或更少的递归级别的可比架构中。
交换结构1000中的寻径，以及类似架构中的寻径，通常可以按照已经描述的上述的方式进行，也可以按照以下方式进行。首先，假设所有N个输入端口将被路由到所有N个输出端口，在一个给定的对应关系中，确定两组N/2个连接，使得确定损耗度量达到最小。例如，这可以通过最小化输入和输出端口对之间的总光路距离或波导交叉点距离来完成。
例如，输入端口和输出端口的编号为1～N，每个输入端口的编号与其相反的输出端口的编号相同。如果在一个给定的要求中，将一个特定的输入端口耦合到一个特定的输出端口，一个输入端口的编号值加上一个输出端口的编号值小于2N，那么这个耦合是通过上层平面路由的，否则就通过下层平面路由。在上下文中，“上层平面”指的是物理上更接近具有最低数值的输出和输出端口的中间级，而“下层平面”指的是两个中间级中的另一个。
接下来，对于每一组N/2个连接，以类似的方式确定两组N/4个连接，从而使得确定损耗度量达到最小。这个过程反复进行，直到确定满足输入端口和输出端口之间给定映射的一组完整的光路。
双平面递归架构的寻径是一次在两个平面(同一层次)上进行的，寻径首先应用于最外层的两个平面，然后是应用于嵌套在每个最外层平面内的两个平面，依次类推。
在一些实施例中，与上述类似，寻径可能涉及以下内容。对于N个输入端口和N个输出端口，分别确定了两组N/2个输入端口和N/2个输出端口，使得路由方法可以对两组中的每一组使用上平面和下平面中的一个进行路由。接下来，两组中的每一组都对上层和下层进行评估，以确定使用特定层路由特定组所需的波导交叉点的数量。(在某些实施例中，这可能仅指从端口到层的波导交叉点，而不是层内的波导交叉点。)这产生两个可选值：第一个值，表示当上层用于路由第一组并且下层用于路由第二组时的波导交叉点总数；和第二个值，表示当下层用于路由第一组和下层用于路由第二组时的波导交叉点总数。选择产生第一和第二值中较低值的组到层的分配。然后对每个上层平面和下层平面递归地重复这一过程，将其视为自己独立的交换结构。其他的路由度量也可以在上面替换。
上面给出的示例实施例将波导交叉点的数量作为每条路径损耗度量。然而，认为每条路径损耗度量可以额外地或替代地反映其他因素。例如，每路径损耗度量可以至少部分基于用于耦合用于光路的交换结构的输入端口和输出端口的波导部分的总长度(光路长度)。串扰、交换单元的数量以及类似的考虑也可以被考虑到每条路径损耗度量中。在某些实施例中，每条路径损耗度量可以是基于各种因素的组合。例如，每条路径损耗度量可以是波导交叉点的数量和光路长度的加权组合，或这些变量中的一个或两个的另一个递增函数。
还认为，对于应用于光交换结构以外的光器件的实施例，每条路径损耗度量可以是不同的。例如，即使在光信号没有被限制在特定波导内的情况下，例如在某些波长选择交换机(WSS)或光信号在无限制介质中传播的其他设备的情况下，总的光路长度也可以被视为每条路径损耗度量的一部分。在这种情况下，当这种交叉点或近似交叉点导致信号衰减时，每条路径损耗度量可以额外地或替代地考虑到(潜在地非限定的)光路的交叉点或近似交叉点的数量。
上述示例实施例将整体损耗度量考虑为最小化通过该交换机的所有路径之间的最大波导交叉点的数量与通过该交换机的所有路径之间的最小波导交叉点的数量之差。然而，认为也可以采用其他的总体损耗度量。例如，整体损耗度量可能是所有光路中某一特定光路损耗度量的最大值和所有光路中某一特定光路损耗度量的最小值之间的差值。在另一个例子中，总体损耗度量可能是所有光路中每条路径是损耗度量变化的另一个测量。变化的测量标准可能基于，例如，统计特征，如方差或标准差，或每条路径的路损耗度量与平均值的差值之和。另一个例子是，总损耗度量可能是所有光路中每条路径损耗度量的最大值。作为另一个示例，总体损耗度量可以是所有光路中每条路径损耗度量的平均值。也可以采用基于每条路径损耗度量的组合而采用其他总体损耗度量。
光交换机配置是根据基本最小化整体损耗指标来确定的。这可以包括计算整体损耗度量的全局最小值，或计算局部最小值。这还可以包括计算具有低于预定阈值的损耗度量的配置，或者计算M个候选配置中的最佳配置。该计算可以通过考虑所有备选配置而穷举。或者，该计算可以考虑所有备选配置的子集，随机选择或根据给定的程序或启发式选择。可以采用各种统计或详尽的最小化程序，这一点本领域的人员将很容易理解。当交换结构很大时，非穷举法可能特别有用。
本公开的实施例可用于减少给定的光交换机或其他光器件的插入损耗、插入损耗的变化或两者。插入损耗可以通过减少光路或波导交叉点来减少。对于16x16的交换结构，在某些实施例中，插入损耗的改善可能为0.5dB至1dB。这取决于波导交叉点的损耗量(例如，每个交叉掉损耗量为0.03dB至0.06dB)。总光路长度也可以减少。对于图示的64x64交换结构，在某些实施例中，插入损耗的改善可能为2dB至3dB。这可能是由于减少了大约55个波导交叉点(第一级40个以及第二级15个)，在某些实施例中，估计波导交叉点的数量的最大值为210。
本公开的实施例特别提供了光设备中的损耗均匀性，即限制插入损耗的变化。这可以改善信号的均匀性并减少操作中的错误率，特别是当流量从一个端口切换到另一个端口时。
图11示出了一个用于计算和数据中心使用的光子系统。光子交换机1110用于在设备1120之间路由光路，如数据包卡、CPU或存储器设备。具体地，连接路由可以按本文所述进行。连接路由由控制器1130确定，并使用交换机驱动器1140实现。
图12示出了一种光设备1200，例如波长选择交换机，它可以根据本公开的实施例提供和操作。该光设备具有一个或多个输入端口1210和多个输出端口1220，以及可操作的元件1230，以将输入端口选择性光耦合到输出端口。这些元件可以包括波长选择交换机、光设备，如透镜、反射器、过滤器和分离器，或其他光组件。干涉设备，如2x2交换元件，可以附加或替代地使用。光路可以被限制在诸如波导或光纤等介质中，或者它们可以基本上不被限制。
在图示的光设备1200中，作为例子，有一个或多个输入端口1205和多个输出端口1240，分别用于接收和提供光信号。光设备1200进一步包括元件1230，如衍射光栅、透镜、光束转向阵列、偏振器、准直器和可控反射设备，如MEMS设备。相同或不同波长的光信号可以通过物理上相近的路径传输，这些路径可能会相互干扰。光信号可以在光设备内至少部分地在自由空间传播。两个不同的信号可以通过部分重叠的路径路由，例如在到达一个分光器之前。
光设备1200(或光交换结构)可以通过合适的方法或控制器进行如下操作。收到指示，将一个、部分或所有指定的输入端口与相应的输出端口进行光耦合，例如，但不一定是以一对一的方式。响应该指示，实现光设备配置，建立一组适应该指示的光路。光设备配置至少部分基于损耗度量来确定，该损耗度量基于以下一项或两项：每条光路中的交叉点或接近交叉点的数量以及每条光路的长度。配置可以如本文所述，通过在多个备选方案中选择一个配置，根据损耗度量来确定。在一些实施例中，这包括确定初始种子配置，然后利用光设备内部结构(例如多个中间级)的对称性和相似性来产生一个或多个替代的配置。然后对种子配置和可选配置进行评估，选择并实现具有更多(或最)有利的损耗度量的配置。
图13示出了根据本公开的实施例提供的装置1300。该装置包括或可操作地耦合到光设备1350，例如光交换结构。该装置用于控制该光设备，例如，使输入端口和输出端口之间的光路遍历所选路由。该装置包括控制器1310，例如执行存储在存储器1320中的程序指令的计算机处理器1315，或其他合适的电子装置，诸如特定应用的集成电路，以及一组一个或多个驱动器1325，诸如用于使光设备进入所需状态的光交换单元驱动器。例如，驱动器可以是用于产生至少一种可选电压和电流的电气设备，用于将光交换组件置于相应的可选配置中。在一个实施例中，驱动器包括数字-模拟转换器。该装置包括接口1330，该接口用于接收指示以将光设备中的指定输入端口光耦合到指定输出端口。例如，该接口可以是数字通信接口。例如，可以在特定的交换时间周期性地接收此类指示。该装置用于响应于收到的指示以本文所述的方式确定和实现光设备状态。该装置，尤其是其内部逻辑和建模参数，可以定制为光设备结构。
控制器1310可以包括各种功能组件，如路径确定器1322、损耗评估器1324和选择器1326。路径确定器可以确定满足接口1330处接收要求的多组潜在光路。通过重排光交换结构的中间平面，可以从一组初始光路确定多组光路的至少一部分。该一组初始光路可以使用非阻塞路径确定算法来确定。损耗评估器1324可以评估适用于多组潜在光路的一些或所有的损耗度量，以便通过选择器1326选择具有足够低损耗度量的一组路径。
虽然本发明已经参照其具体特征和实施例进行了描述，但显然可以在不脱离本公开的情况下对其进行各种修改和组合。因此，本说明书和附图应被简单地视为所附权利要求书所定义的发明的说明，并预期涵盖落入于本发明范围内的任何和所有的修改、变更、组合或同等物。

Claims (22)

1.一种用于操作光交换结构的方法，所述光交换结构具有多个输入端口、多个输出端口以及多个光子元件，所述光子元件可操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口，所述方法包括：
接收指示以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合；以及
响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光交换机配置，所述光交换机配置至少部分基于损耗度量确定，所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光交换结构包括输入级、输出级和多个中间级，所述输入级用于将所述输入端口的所选级光耦合到所述中间级的所选级，并且所述输出级用于将所述中间级的所选级光耦合到所述输出端口的所选级。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述中间级可彼此互换，并且其中，确定所述交换机配置包括：
建立所述光交换结构的表示，所述表示包括代表所述多个中间级的多个逻辑中间级；
确定指示所述光交换结构的表示中的一组路径的交换机配置方案，所述一组路径适应所述指示；以及
通过将所述逻辑中间级映射到所述中间级，从所述交换机配置方案中获得所述光交换机配置，所述映射至少部分基于所述损耗度量，其中，每个所述中间级的配置方式与逻辑中间级相同，所述逻辑中间级通过所述映射与所述中间级之一相关。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，确定所述光交换机配置包括：
确定两个或多个备选光交换机配置，每个所述备选光交换机配置建立适应所述指示的一组相应的光路，并且所述备选光交换机配置在所述多个中间级的重新排序方面彼此不同；以及
至少部分基于所述损耗度量，选择所述备选光交换机配置中的一种。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述光交换机包括两个以上的中间级。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，每个所述中间级进一步包括嵌套配置中的多个子级。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：将所述方法递归应用于所述中间级、所述子级，或其组合中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述光交换机用于在计算设备的组件之间可切换地路由光通信信号或光信号。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述光交换机是可重排非阻塞光交换机。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述损耗度量基于每条所述光路中波导交叉点的数量，并且与每条所述光路的长度无关。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述损耗度量基于以下之一：
所有所述光路中每条路径损耗度量的最大值与所有所述光路中所述每条路径损耗度量的最小值之间的差异；
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的变化量；
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的最大值；以及
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的平均值，其中，所述每条路径损耗度量适用于给定光路，并且是以下一项或两项的递增函数：所述给定光路中的波导交叉点的数量；以及所述给定光路的长度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述光交换机配置被进一步确定为非阻塞配置。
13.一种光交换机，包括：
光交换结构，具有多个输入端口、多个输出端口以及多个光子元件，所述光子元件操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口；以及
控制器，用于响应于所述光交换机的期望状态的输入指示，可切换地操作所述多个光子元件，所述控制器用于：
接收输入以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合；以及
响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光交换机配置，所述光交换机配置至少部分基于损耗度量确定，所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
14.根据权利要求13所述的光交换机，其中，所述光交换结构包括输入级、输出级和多个中间级，所述输入级用于将所述输入端口的所选级光耦合到所述中间级的所选级，并且所述输出级用于将所述中间级的所选级光耦合到所述输出端口的所选级，
其中，所述中间级可彼此互换，并且
其中，确定所述交换机配置包括：
建立所述光交换结构的表示，所述表示包括代表所述多个中间级的多个逻辑中间级；
确定指示所述光交换结构的表示中的一组路径的交换机配置方案，所述一组路径适应所述指示；以及
通过将所述逻辑中间级映射到所述中间级，从所述交换机配置方案中获得所述光交换机配置，所述映射至少部分基于所述损耗度量，其中，每个所述中间级的配置方式与逻辑中间级相同，所述逻辑中间级通过所述映射与所述中间级之一相关。
15.根据权利要求13和14中任一项所述的光交换机，其中，所述光交换结构包括输入级、输出级和多个中间级，所述输入级用于将所述输入端口的所选级光耦合到所述中间级的所选级，并且所述输出级用于将所述中间级的所选级光耦合到所述输出端口的所选级，以及，
其中，确定所述光交换机配置包括：
确定两个或多个备选光交换机配置，每个所述备选光交换机配置建立适应所述指示的一组相应的光路，并且所述备选光交换机配置在所述多个中间级的重新排序方面彼此不同；以及
至少部分基于损耗度量，选择所述备选光交换机配置中的一种。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的光交换机，其中，所述损耗度量基于每条所述光路中波导交叉点的数量，并且与每条所述光路的长度无关。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的光交换机，其中，所述损耗度量基于以下之一：
所有所述光路中每条路径损耗度量的最大值与所有所述光路中所述每条路径损耗度量的最小值之间的差异；
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的变化量；
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的最大值；以及
在所有所述光路中，所述每条路径损耗度量的平均值，其中，所述每条路径损耗度量适用于给定光路，并且是以下所述一项或两项的递增函数：所述给定光路中的波导交叉点的数量；以及所述给定光路的长度。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的光交换机，其中，所述光交换机配置被进一步确定为非阻塞配置。
19.一种操作光设备的方法，所述光设备具有多个输入端口、多个输出端口以及多个元件，所述多个元件可操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口，所述方法包括：
接收指示以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合；以及
响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光设备配置，所述光交学设备配置至少部分基于损耗度量确定，所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中波导交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光设备是具有多个交换单元的光交换机，或一个波长选择交换机。
21.一种光设备，包括：
光路组件，具有多个输入端口、多个输出端口以及多个元件，所述元件可操作以将所述输入端口选择性地光耦合到所述输出端口；以及
控制器，用于响应于所述光路组件的期望状态的输入指示，可切换地操作所述多个元件，所述控制器用于：
接收输入，以将一组所述输入端口中的每个指定输入端口与一组所述输出端口中的一个指定输出端口进行光耦合；以及
响应于所述指示，实现建立一组适应所述指示的光路的光路组件配置，所述光路组件配置至少部分基于损耗度量确定，所述损耗度量基于以下一项或两项：每条所述光路中的交叉点或近似交叉点的数量以及每条所述光路的长度。
22.根据权利要求21所述的光设备，其中，所述光设备是一个具有多个交换单元的光交换机，或一个波长选择交换机。
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