KR101978191B1 - 확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈 - Google Patents

확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈 Download PDF

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Abstract

N 개의 입력 × M 개의 출력의 스위치가 새로운 수의 N 개의 입력 및/또는 새로운 수의 M 개의 출력에 임의적으로 확장될 수 있게 하는 확장형 광 스위치를 포함하는 통신 스위치가 개시된다. 신호 바이패스 라인을 제어하는 내부 스위치 블록을 갖는 스위치가 또한 제공되며, 이들 스위치는 확장형 스위치에 대해 유용하다.

Description

확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈{SCALABLE OPTICAL SWITCHES AND SWITCHING MODULES}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 동시 계류중인 "확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈"이란 제목을 Vorobeichik 등에 의해 2011년 10월 28일 출원된 미국 가출원 제 61/552,616호, "확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈"이란 제목으로 Way 등에 의해 2012년 2월 3일 출원된 미국 가출원 제 61/594,539호, 및 "확장형 광 스위치 및 스위칭 모듈"이란 제목으로 Way 등에 의해 2012년 5월 3일 출원된 미국 가출원 제 61/642,280호의 우선권을 청구하며, 이들 세 출원 모두가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 기술 분야는 광 통신 시스템에 대해 원하는 스위칭 기능을 달성하기 위해 스위치 시스템의 확장을 위한 모듈 형태로 구성되는 광 스위치 장치를 기반으로 하는 광 스위치의 확장형 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 확장 가능한 모듈형 광 스위칭 기능을 통합하는 광 네트워크에 관한 것이다.
현대의 광 통신 네트워크는 일반적으로 전화, 디지털 비디오, 인터넷, 및 다른 유형의 디지털 데이터의 수많은 다양한 스트림을 전송하기 위한 원거리, 지역, 및 대도시 통신 허브를 상호 연결하기 위해 사용된다. 이들 네트워크에서 계속 증가하는 용량과 속도 요구를 가장 효율적이고 경제적으로 관리하기 위한 수단으로서, 많은 통신 채널들이 각각 초당 10 기가비트까지, 현재는 초당 40 내지 100 기가비트까지 전송하는 것으로 알려진 스트림으로 결합되며, 향후 전망으로는 결합된 데이터 스트림당 초당 수백 기가까지 전송할 것으로 보인다. 이들 수십 개의 데이터 스트림은 파장 분할 다중화(wavelength-division multiplexing, WDM)를 이용하여 네트워크 내에서 각각의 광 섬유를 통해 동시에 전송되며, 여기서 각각의 스트림은 광 섬유의 다른 스트림에 대한 다른 모든 파장과는 약간 다를 수 있지만 완전히 구별되는 광 파장을 갖는 광 신호에 의해 전송된다. 이들 광 스트림은 일반적으로 광 섬유 링크의 각 단부에서 공지된 다양한 광 필터 소자에 의해 적절하게 결합되고 분리된다.
이들 광 네트워크는 광 섬유들이 "노드(node)"에서 서로 교차하는 많은 위치를 포함한다. 이들 노드들은 복잡한 고속도로 시스템의 교차점과 다양한 방식으로 유사하다. 많은 트래픽이 각각의 광 섬유를 따라 노드에 도착하지만, 임의의 광 섬유 상의 모든 트래픽이 반드시 동일한 목적지에 대해 결합되는 것은 아니다. 트래픽의 일부는 노드 현지의 목적지에 대해 결합될 수 있고, 노드 현지에서 비롯되는 새로운 트래픽이 있을 수 있으며, 다른 트래픽은 노드에서 나오는 다양한 광 섬유들 중에서 독립적으로 재라우팅될 필요가 있을 수 있다. 이들 노드에서 트래픽의 필요한 재구성이 스위치에 의해 제공된다.
최근까지, 이러한 스위칭을 제공하는 기본적인 수단은 전자(electronic)일 것이다. 이를 달성하기 위해, 각각의 광 섬유에서의 모든 파장은 개별적인 물리적 채널로 분리될 것이며, 이후 이러한 각각의 파장에서의 데이터는 광 수신기에 의해 이진 전기 데이터로 변환될 것이다. 모든 데이터가 전기적 형태인 경우, 이는 수많은 가능한 구성 중 어느 하나의 구성으로 전자 스위칭 매트릭스로 전송될 수 있으며, 다수의 출력 채널 상에 적절한 그룹으로 재구성될 수 있다. 이후 각각의 출력 채널 내의 데이터는 특정한 소정의 파장을 갖는 각각의 출력에서 광 송신기에 의해 광으로 다시 변환되며, 각각의 출력 광 섬유에 대해 결합된 서로 다른 파장 상의 데이터 스트림은 재다중화되고 해당 광 섬유에 삽입된다. 또한 스위칭 매트릭스 상의 추가의 포트를 사용하여 노드를 통과하는 데이터와 통합될 수 있는 로컬 트래픽과 관련된 입력 및 출력 데이터 스트림이 있을 수 있다. 각각의 파장에서 사용되는 데이터율(data rate)에서, 전기 광학 수신기와 송신기는 순수 광 전송에 비해 상대적으로 고가이고, 부피가 크며, 전력 소모가 많다. 또한, 전기 스위치 매트릭스 내에서, 전력은 매트릭스를 통해 데이터의 각각의 비트를 밀고 나갈 필요가 있으며, 매초마다 매트릭스를 통해 이동하는 수천억 또는 수조의 비트가 있을 수 있다. 원칙적으로, 전자 스위칭은 데이터의 표현을 재구성하고, 형식화하고, 동기화하며, 그렇지 않으면 전송하기 전에 최적화하는데 있어서 최대한의 유연성을 제공할 수 있다. 그러나, 현대의 노드를 통과하는 데이터에 양에 대해, 모든 것을 전자적으로 스위칭하는 것이 훨씬 단순하게 비실용적이며, 기본적인 하드웨어를 제공하는 자본 조건 또한 뒷받침될 수 없는 것이다. 또한, 노드를 통과하는 대역폭이 시간에 따라 증가할 것으로만 예상된다.
10년 동안 또는 본 출원 이전에, 광 스위칭 기술은 노드를 통과하는 데이터의 대역폭의 증가를 실제로 가능하게 하는 것과 함께 전자 스위칭을 보완해왔다. 광 스위칭은 일반적으로 각각의 파장을 응집 단위(cohesive unit)로 처리하며, 출력 광 섬유 또는 로컬 트래픽과 관련된 파장 채널을 통해 노드 내의 목적지로 각각의 파장을 투명하게 전송한다. 투명 광 스위치는, 원하는 출력 광 섬유 또는 로컬 포트로 선형으로 그리고 직접적으로 전송되도록, 지정된 입력 광 섬유 상의 지정된 파장에서의 광에 대한 물리적 경로를 효과적으로 설정한다. 이러한 스위치는 기본적으로, 데이터가 해당 광 채널에 대해 지정된 광 파장 범위 내에 있는 한, 형식이나 내용에 관계없이 모든 광 데이터를 전달한다. 광 스위치는 광 파장 내의 상세한 데이터를 수정할 수 없기 때문에, 전자 스위치만큼 유연하지가 않다. 그러나 더욱 중요하게, 해당 파장에 대해 데이터를 스위칭하는데 필요한 전력은 스위치를 통해 광로를 설정하고 유지하는데 필요한 전력의 양에 불과하며, 이는 동일한 데이터를 전자적으로 스위칭하는데 필요한 것보다 일반적으로 몇 배 더 작다. 전력 소비는 종종 노드에 의해 관리될 수 있는 대역폭에 대한 제한 요인이므로, 광 스위칭은 단순히 원격 구성의 편의는 아니지만, 분명하게 광 네트워크의 현재 및 미래의 성능 수준을 가능하게 한다.
전자 스위칭이 실질적인 확장성을 제공하는 한 가지 일반적으로 인정된 방법은 모듈형 확장을 통하는 것이다. 적당한 크기를 갖는 스위치의 요구를 지원하는 기본 스위칭 모듈이 제공된다. 큰 크기의 스위치가 필요한 경우, 새롭게 필요한 스위치 크기를 제공하는 추가의 구성요소를 형성하는 대신에, 확장형 스위치의 다수의 모듈을 상호 연결할 수 있고, 모듈 간의 통신은 이러한 세트의 모듈이 하나의 커다란 스위치로 작동할 수 있게 한다. 본 발명 이전에, 광 스위칭 소자들은 유용한 유사한 기능을 제공할 수 없었다. 광 스위칭 소자들은 일반적으로 하나의 소자의 표준 출력을 추가의 소자들의 표준 입력에 연결함으로써 캐스케이드 가능(cascadable)하다. 그러나, 이는 기하학적 확장만을 제공한다, 즉, 1×64 스위치를 형성하기 위해 8 개의 1×8 스위치가 하나의 1×8 스위치에서 캐스케이드될 수 있다. 이러한 등비 수열(geometric progression)은 많이 사용되기에는 너무 빨리 너무 커지며, 모듈형의 확장형 스위치에 대해 필요한 것을 실제로 제공하지 않는다. 본 발명의 목적은 통합된 광 스위칭 어레이와 모듈의 선형 확장을 지원하는 수단을 제공하는 것이다. 이러한 혁신의 기술적 연구 결과는, 하나의 광 스위칭 소자에 대한 메인 광 회로의 개략적인 주변부 상의 추가적인 광 회로 소자의 작은 부분이, 다수의 모듈이 선형 구성으로 상호 연결될 수 있게 하는 확장 포트를 제공할 수 있다는 것을 보여주며, 이러한 확장 포트는 선형 확장을 실현할 수 있도록 광 스위칭 소자들 간의 필요한 통신을 가능하게 한다. 본원에 개시된 혁신의 원리는 다양한 일반적인 광 스위칭 구조에 확장 기능을 제공하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 혁신은 본원에 개시된 임의의 기본 등급의 광 스위치 구조에 대해 선형으로 확장 가능한 광 스위칭 모듈로부터 확장형 광 스위칭 시스템을 가능하게 한다. 본원에 개시된 구조에 본 발명을 적용하는 것은 예시적이며, 이러한 교시의 이점을 갖는 본 기술분야의 숙련자는 본 발명을 다른 구성의 광 스위치 구조에 적용할 수 있을 것이다.
제 1 양태에서, 본 발명은 광 집적회로(photonic integrated circuit)를 포함하는 확장 연결부를 갖는 광 스위칭 장치에 관한 것이다. 상기 광 집적회로는 N 개의 입력 광 포트, 여기서 N>1이고, 각각의 입력 포트와 관련된 입력 광로, M 개의 출력 포트, 여기서 M≥1이고, 각각의 출력 포트와 관련된 출력 광로, 각각의 출력 포트와 관련된 바이패스 광 스위치 블록, P 개의 확장-인(expansion-in) 포트, 여기서 P≥1이고, 각각의 확장-인 포트와 관련되며 관련된 바이패스 스위치 블록과 연결되는 연장 광로, 다수의 광 스위칭 소자, 및 입력 광로 및 출력 광로와 관련된 바이패스 스위치 블록 사이의 연결망을 형성하는 관련된 광로를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 광 집적회로를 포함하는 확장 연결부를 갖는 광 스위칭 장치에 관한 것이다. 상기 광 집적회로는 N 개의 입력 광 포트, 여기서 N≥1이고, 각각의 입력 포트와 관련된 입력 광로, M 개의 출력 포트, 여기서 M>1이고, 각각의 출력 포트와 관련된 출력 광로, 각각의 입력 포트와 관련된 바이패스 광 스위치 블록, Q 개의 확장-아웃(expansion-out) 포트, 여기서 Q≥1이고, 각각의 확장-아웃 포트와 관련되며 관련된 바이패스 스위치 블록과 연결되는 연장 광로, 다수의 광 스위칭 소자 및 입력 광로와 관련된 바이패스 스위치 블록과 출력 포트 사이의 연결망을 형성하는 관련된 광로를 포함할 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은 선택된 수의 광 입력 포트와 M 개의 광 출력 포트 간의 상호 연결을 동적으로 구성하기 위한 확장형 광 스위치 장치에 관한 것이다. 상기 스위치 장치는 초기 모듈, 최종 모듈 및 선택적인 중간 모듈을 갖는 구성을 형성하기 위한 광 상호연결부를 갖는 Z 개(Z≥2)의 광 스위칭 모듈을 포함할 수 있고, 각각의 광 스위칭 모듈(L)은 NL 개의 입력 포트와 M 개의 출력 포트 및 상기 입력 포트와 출력 포트 사이의 원하는 스위칭 기능을 포함하고, NL의 합은 선택된 입력 포트의 수와 동일하다. 초기 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 바이패스 스위치를 통해 각각의 출력 포트와 결합된 한 세트의 확장-인 포트를 가질 수 있으며, 최종 모듈이 아닌 각각의 광 모듈은 또 다른 모듈의 확장-인 포트와 결합된 한 세트의 출력 포트를 가질 수 있다.
그 밖의 양태에서, 본 발명은 N 개의 광 입력 포트와 선택된 수의 광 출력 포트 간의 상호 연결을 동적으로 구성하기 위한 확장형 광 스위치 장치에 관한 것으로, 상기 스위치 장치는 초기 모듈, 최종 모듈 및 선택적인 중간 모듈을 갖는 구성을 형성하기 위한 광 상호연결부를 갖는 Z 개(Z≥2)의 광 스위칭 모듈을 포함한다. 각각의 광 스위칭 모듈(L)은 N 개의 입력 포트와 ML 개의 출력 포트 및 상기 입력 포트와 출력 포트 사이의 원하는 스위칭 기능을 포함할 수 있고, ML의 합은 선택된 출력 포트의 수와 동일하다. 최종 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 바이패스 스위치를 통해 각각의 입력 포트와 결합된 한 세트의 확장-아웃 포트를 가질 수 있고, 초기 모듈이 아닌 각각의 광 모듈은 또 다른 모듈의 확장-아웃 포트와 결합된 한 세트의 입력 포트를 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 노드, 상기 노드에 연결된 두 개의 서로 다른 광 링(optical ring), 및 각각의 노드에서 각각의 광 링과 N 개의 출력 광 라인 간의 광 연결을 제공하는 광 분기점을 포함하는 광 링 네트워크에 관한 것으로, 상기 광 분기점은 각각의 링에 연결된 두 개의 1×N 광 스위치 및 각각의 1×N 광 스위치 및 각각의 1×N 광 스위치와 N 개의 광 라인을 연결하는 N 개의 2×1 바이패스 스위치를 포함한다.
또한, 본 발명은 N 개의 광로, N'×M' 크로스 커넥트 스위치(cross connect switch, OXC), 및 N"×M" 멀티캐스트 스위치(multicast switch, MCS), 한 세트의 바이패스 스위치 및 OXC 출력과 바이패스 스위치 사이의 한 세트의 바이패스 광로를 포함하는 광 네트워크 스위칭 노드에 관한 것으로, 바이패스 스위치는 MCS 출력에 또한 연결된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 N 개의 입력 광로, 드롭 뱅크(drop bank) 및 경쟁 완화 구조를 포함하는 광 네트워크 스위칭 노드에 관한 것으로, 상기 드롭 뱅크는 멀티캐스트 스위치(MCS)를 포함하고 상기 경쟁 완화 구조는 선택적 광 스위치를 포함하고, 상기 선택적 광 스위치로부터의 출력은 광 채널을 통해 상기 MCS의 입력으로 전송되며, 상기 N 개의 입력 광로는 상기 경쟁 완화 구조에 입력을 제공하는 서브세트 및 상기 드롭 뱅크에 입력을 제공하는 또 다른 서브세트로 나뉘어진다.
도 1은 N 개의 입력과 M 개의 출력을 갖는 광 스위치를 도시하고;
도 2는 확장 포트를 구비한 적어도 하나의 스위치를 갖는 스위치 어셈블리를 도시하고;
도 3은 확장 포트를 구비한 적어도 하나의 스위치를 갖는 스위치 어셈블리의 대안적인 실시형태를 도시하고;
도 4는 N×M 스위치를 제공하도록 상호 연결된 네 개의 모듈을 도시하고;
도 5는 확장형 스위칭 모듈을 도시하고;
도 6은 다수의 바이패스 라인을 갖는 확장형 스위치를 도시하고;
도 7은 서로 조립된 한 그룹의 확장형 스위치를 도시하고;
도 8은 확장형 멀티캐스트 스위치를 도시하고;
도 9는 확장형 멀티캐스트 스위치의 어셈블리를 도시하고;
도 10은 도 8의 스위치의 일부를 도시하고;
도 11은 멀티캐스트 스위치를 위한 대안적인 확장형 4×1 회로이고;
도 12는 멀티캐스트 스위치를 위한 또 다른 대안적인 확장형 4×1 회로이고;
도 13는 확장형 4×3 평면 광파 회로(planar lightwave circuit, PLC) 크로스 커넥트(cross connect)의 개념적인 배열이고;
도 14는 확장형 PLC용 레이아웃의 실시형태이고;
도 15는 확장형 스위치의 기능도이고;
도 16은 도 15의 스위치의 광 모듈의 기능도이고;
도 17은 도 15의 스위치의 모듈의 연결부의 기능도이고;
도 18A는 카드 전면의 모델의 사시도이고;
도 18B는 도 18A의 카드의 후면의 사시도이고;
도 19는 도 18A의 카드의 서브어셈블리의 평면도이고;
도 20은 도 18A의 카드의 서브어셈블리의 사시도이고;
도 21은 도 18A의 카드의 서브어셈블리의 사시도이고;
도 22는 도 18A의 카드의 서브어셈블리의 사시도이고;
도 23은 도 18A의 카드의 확장형 스위치에 대한 레이아웃의 상면도이고;
도 24a는 멀티캐스트 스위치의 실시형태이고;
도 24b는 멀티캐스트 스위치의 대안적인 실시형태이고;
도 25는 CR에서의 수신된 광 파워의 그래프이고;
도 26은 크로스오버 스위치 로드 밸런서(crossover switch load balancer)를 갖는 멀티캐스트 ROADM의 실시형태이고;
도 27은 다양한 멀티캐스트 스위치 유형과 드롭율(drop ratio)을 이용한 ROADM 비용의 막대그래프이고;
도 28은 8 개의 프로그램 가능한 스플리터를 이용한 ROADM에 대한 개선된 구조를 도시하고;
도 29는 MZI-기반의 프로그램 가능한 스플리터와 예시적인 사양을 도시하고;
도 30은 초기 트래픽 흐름이 오직 한 방향인 경우에 대한 MCS를 도시하고;
도 31은 초기 트래픽 흐름이 모든 방향에서 균일한 경우에 대한 MCS를 도시하고;
도 32는 전자동의 유연성이 제공된 경우에 대한 MCS를 도시하고;
도 33은 다양한 하드웨어의 충돌 완화 선택의 개략도이고;
도 34는 충돌 완화를 갖는 CD 구조의 개략도이고;
도 35는 한 세트의 노드를 연결하는 병렬 광로를 갖는 링 네트워크의 개념도이고; 및
도 36은 노드 구조의 예를 도시한다.
확장형 광 스위치 모듈은 다수의 광 경로를 포함할 수 있는 광 네트워크에 대해 광 스위칭 기능을 제공한다. 스위치 모듈은 작동 가능한 1:2 광 스위치 소자, 2:2 광 스위치, 스플리터, 및 결합기의 어레이를 포함할 수 있으며, 1차원에서의 통합 기능을 위한 세 세트의 광 라인으로의 연결 또는 2차원에서의 통합 기능을 위한 네 세트의 광 라인으로의 연결을 제공할 수 있다. 스위칭 기능을 정의하는 두 가지 기본 차원은 입력 광 라인 및 출력 광 라인을 포함한다. 일부 실시형태에서, 광 스위치 모듈은, 모듈의 어레이에 통합될 때 모듈 내의 특정 입력/출력 라인에 대해 스위칭 기능이 수행되지 않을 경우, 스위치 소자를 통한 전송에서의 대응하는 광 손실을 줄이기 위해, 일련의 광 회로 소자의 바이패스를 제공하는 바이패스 스위치를 가질 수 있다. 감소된 손실을 갖는 광 스위치 모듈의 효용성으로 인해, 확장형 광 스위칭 기능을 잘 활용할 수 있는 네트워크 구조가 설계될 수 있다. 따라서, 확장형 광 스위치의 사용을 기반으로, 광 네트워크 구조의 단순한 확장이 달성될 수 있다. 순수 광 스위치를 이용한 큰 규모의 광 스위칭을 수행할 수 있는 능력을 기반으로, 네트워크 내의 광전 변환기의 수가 크게 감소될 수 있으며, 이는 자본 비용의 상당한 감소뿐만 아니라 소비 전력의 상당한 감소를 제공한다. 확장형 스위치는 평면 광 회로(planar light circuit)의 형태로 편리하게 구성될 수 있지만, 설계 또한 광 섬유에 연결된 1×2 또는 2×2 스위치와 같은 자유 공간 소자로 효과적으로 구성될 수 있다. 확장형 스위치는 평면 광 회로의 형태로 편리하게 구성될 수 있지만, 설계 또한 광 섬유에 연결된 1×2 또는 2×2 스위치와 같은 자유 공간 소자로 효과적으로 구성될 수 있다.
모든 통신 네트워크에서와 같이, 광 네트워크는 전송의 라우팅을 제공하기 위해 다양한 연결을 제공하는 스위칭 기능을 통합한다. 예를 들면, 발신자와 수신자와 관련된 궁극적인 경로 사이에서 광 신호를 전달하기 위해 원거리 전송 경로가 분기점에서 연결된다. 특정 통신 또는 이의 일부의 분리는 원거리 트렁크, 즉, 결합된 신호 라인에 걸쳐 전송되는 결합된 전송 내에서 파장 및/또는 일시적 분화를 근거로 할 수 있다. 네트워크 상의 일부 위치에서, 광학 대역(optical band)은 라우팅을 위한 대역 내에서 특정 신호를 분리하기 위해 분할될 수 있으며, 마찬가지로, 결합된 신호 라인에 걸친 전송을 위해 각각이 통신이 결합된다. 광 스위칭 기능은, 우선 적절한 수신자(들)에 대해 광 신호를 전기 신호로 변환함으로써, 전자 스위칭을 이용하여 수행될 수 있다. 그러나, 광 신호를 전자 신호로 변환시키는 과정을 줄이면서 효율적인 광 스위칭이 수행될 수 있는 경우, 궁극적으로 비용을 크게 줄일 수 있고 및/또는 스위칭 용량을 크게 증가시킬 수 있다. 본원에 개시된 광 스위칭 모듈은, 광 회로 소자의 어레이와 함께 평면 광 회로의 다양한 차원을 따라 광 연결을 제공함으로써 바람직한 확장성을 제공한다.
광 스위칭이 적절하게 확장될 수 없는 경우, 광 스위칭은 제한된 네트워크 구조 내에서만 사용될 수 있다. 따라서, 4-상 스위칭 노드를 기반으로 스위칭 기능을 제공하기 위한 메쉬형 광 네트워크가 개시되었다. 본원에 참조로 포함된 Prasanna 등의 문헌("Versatility of a Colorless and Directionless WSS Based ROADM Architecture", COMSNET 2009 Conference, 2009년 1월, 인도, 방갈로르)을 참조하라. 단일 웨이퍼 상에 16×16 광 매트릭스 스위칭을 수용하기 위해 평면 광 회로가 설계되었다. 본원에 참조로 포함된 Goh 등의 문헌("Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Non-Blocking 16×16 Thermooptical Matrix Switch on a 6-in Wafer Using Silica-Based Planar Lightwave Circuit Technology", J. of Lightwave Technology, 19.(3), pp 371-379 (2001년 3월))을 참조하라. 그러나, Goh 등이 개시한 16×16 광 스위치의 설계는 어떠한 간단한 확장도 제공하지 않는다. 본원에 개시된 광 스위칭 회로는 회로 내에 연결의 추가 층을 도입함으로써 높은 수준의 확장성을 제공하며, 여기서 각각의 광 회로는 스위치의 n×m 어레이를 제공한다. 상기 n×m 어레이는 n 개의 입력 광 포트와 m 개의 출력 광 포트와 관련될 수 있다. 스위칭 기능은 네트워크 내에서 원하는 스위칭을 제공하기 위해 N 개의 입력 라인과 M 개의 출력 라인이라 할 수 있으며, N×M 스위칭 기능은 각각의 모듈의 n×m 스위칭 기능의 적절한 통합을 통해 달성될 수 있다.
광 및 전자 스위칭은 하나의 스위칭 노드에서 서로를 보완한다. 개선이 계속 되고 있지만, 전자 스위칭의 기본 특징은 잘 설립되어 있다. 그러나, 광 스위칭을 위한 기술이 계속 알려지고 있으며, 광 스위칭 장치가 이들의 예상 도메인을 완벽하게 해결하기 위해 다양한 혁신이 여전이 필요하다. 현재 및 향후의 광 스위칭 시스템은 일반적으로 몇 가지 기본적인 구조 등급의 분류된다. 이러한 등급들 간에 확실하고 보편적으로 인정되는 경계는 없지만, 일반적으로 이들은: 기본적인 재구성이 가능한 광 애드-드롭 다중화기(reconfigurable optical add-drop multiplexer, ROADM); 파장 선택 스위치(wavelength-selective switch, WSS); 광 크로스 커넥트(optical cross-connect, OXC 또는 드물게, OCX); 단순 분기(simple branching, 1×N, N×1); 및 멀티게스트 스위치(multicast switch, MCS)이다.
요약하면, 기본 ROADM은 독립적으로 입력 광 섬유 내의 각각의 파장에 대해 그 파장이 해당 출력 광 섬유로 라우팅될 것인지 또는 로컬 포트 또는 다른 섬유 쌍으로 드롭될 것인지를 결정할 수 있는 기능을 제공한다. 또한, 기본 ROADM 내에서 드롭되고 따라서 출력으로 직접 라우팅되지 임의의 파장은 로컬 포트 또는 다른 광 섬유 쌍으로부터 출력 광 섬유로 새로운 광 데이터 스트림을 도입하기 위해 사용될 수 있다. 명칭 "ROADM"을 갖는 두 개의 매우 다른 항목이 있다는 것은 광 네트워킹 기술의 유감스런 상황이다. ROADM 소자는 앞에서 설명한 바와 같지만, 수많은 입력 출력 광 섬유 쌍 사이에서 각각의 파장을 통해 선택적으로 드롭 또는 라이팅하기 위해 사용될 수 있는 높은 수준의 ROADM 시스템이 또한 존재한다. 원래, ROADM 시스템은 ROADM 소자의 단순한 집합이고 이들을 함께 결합한 제어 시스템이며, 어떠한 문제도 제기하지 않는 일반적인 명칭이다. 이들 고차원의 ROADM은 그러나 진화해 왔고 종종, 예컨대, WSS, OXC 및 MCS를 포함하는 다른 등급의 광 스위치의 일부를 포함한다. 전통적인 ROADM 소자가 여전히 존재하지만, ROADM 용어는 현재 고차원 시스템으로 더욱 일반적으로 불린다. 나중에, 용어 ROADM은, 특별히 "ROADM 소자"를 인용하지 않는 한, 높은 수준의 ROADM 시스템이라 칭할 것이다. 확장형 MCS를 포함하는 ROADM과 함께 확장형 OXC 및 MCS의 특정 실시형태가 아래에 제시된다.
현재의 WSS 등급의 스위치는 하나의 입력과 여려 개의 출력을 가지며, 입력에서 각각의 파장은 독립적으로 임의의 출력으로 라우팅될 수 있고, 각각의 출력은 입력 광 섬유에서 임의의 수의 파장을 수용할 수 있다. 투명 광 스위치의 대부분의 등급과 같은, WSS는 입력에서 출력으로 또는 동일한 출력에서 입력으로 전파되는 광 신호에 대해 모두 동일하게 입력과 출력 사이의 연결을 제공한다. 따라서, 용어 "입력"과 "출력"은 작동 원리를 설명하기 위해 단지 편의상 사용되지만, 실제로 이들은 반대 방향으로 설명되거나 사용될 수 있다. 현재 하나의 소자가 다수의 입력과 다수의 출력 사이에서 파장을 라우팅할 수 있는 미래의 WSS 등급의 스위치에 대한 많은 고려가 또한 있지만, 현재로서는 여러 개의 개별 소자를 사용하여 높은 수준의 시스템과 같은 기능을 제공하는 것만이 현실적이다.
OXC는 일반적으로 동일한 수의 출력 포트 중에서, 그렇지만 아래에서 설명되는 바와 같이, 더욱 일반적으로는 다른 수의 출력 포트 중에서 일련의 입력 포트에 대한 임의의 순열을 제공한다. 이는, 예를 들어, 각각의 포트가 하나의 특정 광 섬유로부터 오직 하나의 특정 파장을 전달하는 한 세트의 입력 포트를, 각각의 출력 포트가 임의의 광 섬유로부터의 임의의 파장을 전달하도록 프로그래밍될 수 있는 한 세트의 출력 포트로 변환시킬 수 있다. 단순한 분기 스위치는, 하나의 입력 포트 내의 모든 광 신호가 함께 N 개의 출력 포트 중 하나로 라우팅되는 기본적인 1×N 스위칭을 제공한다. 이 스위치는 또한 가역적이며, 여기서 N 개의 서로 다른 광 신호가 N 개의 포트로 진입하고, 스위치는 이들 포트 중 단지 하나의 포트에서 신호를 선택하여 출력으로서 작동하는 하나의 "입력" 포트로 라우팅되도록 한다.
M×N 멀티캐스트 스위치는, 각각의 입력 포트 내의 모든 광 신호를 N 개의 출력 각각을 향해 분배하기 위해 M 개의 입력 채널에서 M 개의 1×N 스플리터를 사용한다. N 개의 출력 각각은 원하는 입력 포트에서 신호를 분리하기 위해 자신의 M×1 선택 스위치를 갖는다. MCS는 광 필터링을 갖지 않는다는 기본적인 장점을 가짐으로써, 각각의 파장에서의 데이터에 대해서만 투명하지 않고, 자체의 파장 세트 구성("무색(colorless")에 대해 투명하다, 즉, 파장 채널은 임의의 특정 파장 그리드 사양 또는 채널 대역폭을 따를 필요가 없다. 이러한 추가된 투명성의 1차 비용은 출력 단계에서의 광 분배로 인해 신호 전력의 감소이며, 일부 응용에서 MCS는 신호 레벨을 높이고 각각의 입력에 대한 추가 손실을 보상하기 위해 광 증폭기의 어레이를 포함한다.
통신 네트워크 내의 광 노드는 하나 이상의 이러한 등급으로부터 하나 이상의 광 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 네트워크가 더욱 대형화되고 복잡해짐에 따라, 확장성은 일반적으로 중요한 문제일 수 있으며, 특히 스위칭 기능에 대해 중요하다. 바람직한 광 노드는, 이후에서 더 설명되는 바와 같이, 무색, 무방향 및 무경쟁으로 구성된다. 이들 노드 각각에 대한 명목상 최상의 구성에 상당한 편차가 있다는 것은 이러한 네트워크의 특성이다. 광 스위칭 소자에 대한 현재의 기술적 수준은, 각각의 제품이 특정 포트 수를 지원할 수 있도록 함으로써, 별도의 제품 개발을 필요로 하는 다른 포트 수를 제공하는 유사한 구성요소를 실현하는 것이다. 이는 다양한 광 노드의 필요를 가장 충족시킬 다양화를 방해하고, 노드 설계를 덜 효율적이고 일괄적인 접근방식(one-size-fits-all approach)으로 강요한다. 기본적인 광 스위칭 등급 중 어느 하나 이상을 사용하여 광 스위칭 매트릭스의 크기를 더욱 유연하게 조정하기 위한 수단에 대한 명확하고 존재하는 필요성이 있다. 본원에 개시된 확장형 스위치는 적응 가능한 노드 설계를 위한 중요하고 혁신적인 구성요소를 제공한다.
본원에 개시된 광 스위칭 기능은 각각의 광 회로 모듈로부터 조립된 효과적인 대형 스위칭 어레이로 각각의 스위칭 모듈을 통합함으로써 확장될 수 있다. 확장성을 제공하기 위한 모듈의 통합은 1차원 또는 2차원에서 수행될 수 있다. 1차원에서의 통합을 수행하기 위해, 광 회로는 (b·n)×m 스위칭 치수를 갖는 효과적인 확장된 어레이를 형성하기 위한 n 개의 입력 광 포트 또는 n×(c·m) 스위칭 치수를 갖는 효과적인 확장된 어레이를 형성하기 위한 m 개의 출력 광 포트에 해당하는 포트의 추가 세트를 가지고 설계될 수 있다. 매개변수 b는 확장된 스위칭 어레이를 형성하기 위한 입력 라인에 대해 상호 연결된 n×m 광 회로의 수이고, 마찬가지로, 매개변수 c는 확장된 스위칭 어레이를 형성하기 위한 출력 라인에 대해 상호 연결된 n×m 광 회로의 수이다. 2차원에서의 광 통합에 대해, 광 회로 모듈은 두 세트의 n 개의 포트 및 두 세트의 m 개의 포트를 갖는 네 세트의 광 포트로 형성된다. 이들 광 회로는 이후 (b·n)×(c·m)의 스위칭 기능을 갖는 확장된 어레이로 조립된다. 매개변수 n은 매개변수 m과 동일할 수 있지만, 반드시 동일한 것은 아니다.
각각의 광 회로는 n 개의 입력과 m 개의 출력을 연결하는 (2×2 또는 2×1) 광 스위치의 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 2×2 (또는 2×1) 광 스위치는 입력 라인과 출력 라인 간의 작동 가능한 스위치를 제공한다. 적절한 작동 가능한 광 스위치가 아래에 더 설명되며, 일반적으로 작동 가능한 광 스위치는 상호 연결 구성 간의 스위치를 개폐하도록 전자적으로 제어된다. 하나의 모듈에서의 작동 가능한 광 스위치들로 인해, n 개의 입력 포트 중 하나와 관련된 신호가 작동 가능한 광 스위치의 어레이에 의한 통로를 통해 m 개의 출력 포트 중 하나로 라우팅될 수 있다. 제 2 광 회로의 입력 포트로의 n 개의 포트의 또 다른 세트의 연결을 통한 다른 광 회로와의 통합은 n×m (2×2 또는 2×1) 광 스위치의 제 2 어레이에 대한 액세스를 제공함으로써, 통합된 확장 어레이 내에서 또 다른 m 개의 출력 포트가 효과적으로 액세스될 수 있다. 통합은 계속될 수 있다. 마찬가지로, m 개의 포트의 추가 세트를 통한 또 다른 광 회로와의 통합은, 통합된 확장 어레이 내에서, n 개의 입력 포트의 제 2 세트에 대한 m 개의 출력 포트의 액세스를 제공할 수 있다. 통합을 계속함으로써 (b·n×c·m) 확장으로 이어질 수 있고, 여기서 매개변수 b, c 또는 b와 c 모두는 1보다 크다. 통합된 확장 어레이 내에, b·n 개의 입력을 c·m 개의 출력과 연결하는 작동 가능한 광 스위치의 효과적인 어레이가 존재한다. 따라서, 확장형 광 회로 설계는 상당한 확장성을 제공한다. 광 회로 모듈의 확장을 표적의 네트워크 스위칭 기능과 맞추기 위해, 일반적으로 (b-1)·n < N ≤ b·n 및 (c-1)·m < M ≤ c· m이고, 여기서 N은 네트워크 입력이고 M은 네트워크 출력이다. 달성 가능한 구성에 걸쳐 더 큰 유연성을 제공하는 확장된 어레이의 모든 구성요소 중에서 "n"과 "m"의 수가 동일한 필요는 없다는 것을 유사한 추론으로 알 수 있다.
작동 가능한 광 스위치 소자의 모든 합리적인 설계는, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 어레이 내로 조립될 수 있다. 추가 세트 또는 두 세트의 광 포트를 갖는 스위칭 장치에 대해 설계된 광 회로가 매우 바람직한 확장 기능을 제공하지만, 2×2 또는 2×1 광 스위치의 확장된 어레이를 통한 신호의 전송은 바람직하지 않은 수준의 광 손실을 초래할 수 있다. 구체적으로, 작동 가능한 광 스위치를 통한 광 신호의 전송은 일반적으로, 스위치가 "관통(through)" 또는 비-스위칭 모드에 있는 경우라도 약간의 광 손실을 초래한다. 확장된 통합 스위치에서, 스위칭이 어느 하나의 작동 가능한 광 스위치에서 수행되더라도, 광 신호가 상당수의 작동 가능한 스위치를 통과할 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, 평면 광 회로 또는 그 밖의 확장형 스위치 설계는 바이패스 광 경로를 포함하는데, 이는 특정 입력 또는 출력 라인이 그때 특정 모듈 내에서 스위칭되지 않는 경우, 대응하는 손실을 감소시키기 위한 한 세트의 작동 가능한 광 스위치를 바이패스하는 기능을 제공한다. 바이패스 경로 또는 스위칭된 경로를 통한 광 신호의 방향 제어는 하나의 1×2 광 스위치에 의해 그 자체가 제어될 수 있다. 바이패스 기능은 입력 라인, 출력 라인 또는 둘 모두에 대해 설정될 수 있다. 작동 가능한 스위치의 레이아웃의 형상을 설명하는데 있어서, 용어 "어레이"는 이의 일반적인 의미로 사용되며 반드시 매트릭스 레이아웃을 의미하는 것은 아니다. 두 가지 특정 실시형태가 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 확장형 크로스 커넥트 스위치의 일 실시형태는 크로스 커넥트 n×m 확장형 스위치의 논리적 또는 기하학적 레이아웃 내에서 2×2 스위치의 매트릭스를 갖는다. 또 다른 실시형태에서, 확장형 멀티캐스트 스위치가, 확장된 n×m 개의 분리된 입력을 m 개의 출력에 결합하기 위한 2×1 스위치의 어레이를 충족시키는 스플리터의 분기 레이아웃으로 설명되며, 여기서 스위치의 어레이는 매트릭스 구성으로 배열되지 않는다. 물론, 실제 장치의 물리적인 레이아웃은 일반적으로, 종횡비(aspect ratio), 포장, 및 다른 실제적인 고려사항으로 인해 장치의 기하학적 레이아웃과 유사하지 않다.
확장형 광 스위치는 무색, 무방향 및 무경쟁(colorless, directionless, 및 contentionless, CDC) 네트워크 노드로의 통합을 위해 설계될 수 있다. 무색이란 언급은 임의의 포트에서 특정 광 파장을 드롭 또는 애드할 수 있는 능력을 의미한다. 무방향이란 언급은 로컬 트랜스폰더로부터 모든 방향으로 연결할 수 있는 능력을 의미하며, 여기서 각각의 "방향"은 노드에 연결된 특정 인바운드/아웃바운드 광 섬유 쌍에 직접 해당한다. 무경쟁이란 언급은, 두 개의 다른 광 신호가 서로 다른 광 섬유 상의 노드에서 만나지만 동일한 파장을 갖고 공통의 광 경로에 대해 결합되는 문제를 노드에서 해결할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로, 또 다른 사용 가능한 파장에 전자적으로 스위칭될 수 있고 아웃바운드 광 섬유에 일반적으로 연결된 원하는 경로에 재삽입될 수 있는 로컬 트래픽에 어느 하나의 파장을 재라우팅함으로써 해결된다. 본원에 개시된 확장형 스위치 장치는 일반적으로 이러한 특징을 만족시키며 그에 따라 CDC 네트워크 노드에 통합될 수 있다.
광 네트워크 내의 N×M 광 스위칭 크로스 커넥트(OXC)의 개략도가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. N×M 광 스위치(100)는, 예를 들어, 광 섬유인, N 개의 입력 광 라인(102)과, 예를 들어, 광 섬유인, M 개의 출력 광 라인(104)에 광학적으로 연결된다. 입력 라인의 수인 N은 출력 라인의 수인 M과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 본원에 개시된 광 스위칭 기능의 확장성으로 인해, N과 M은 일반적으로 비교적 클 수 있고, 실시형태에서 특히 관심 있는 N과 M은 독립적으로 각각 적어도 대략 8이고, 또 다른 실시형태에서, 적어도 대략 16이며, 다른 실시형태에서 적어도 대략 32 이상 또는 중간 짝수 또는 홀수의 정수 값이다. 입력 및 출력 라인의 범위에 대한 비슷한 언급이 본원에 개시된 다른 스위칭 실시형태에 적용된다. 본 기술분야의 숙련자는 상기 명시된 범위 내에서 광 라인의 부가적인 범위가 고려되고 본 개시에 속한다는 것을 인식할 것이다.
일반적으로, 광 스위칭 장치는 광 네트워크 내의 임의의 편리한 위치에 배치될 수 있다. 그러한 관점에서, 각각의 입력 라인과 출력 라인 내에서 전송되는 신호는 각각의 통신을 수행하도록 구성되거나 구성되지 않을 수 있으며, 이들은 파장 대역 내에서 전송되는 결합된 신호일 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 스위치는 하나의 광학 대역 내에서 광 신호를 분리 및/또는 결합하기 위한 MUX DeMUX 기능과 관련된다. 표현 MUX 및 deMUX는 각각 본 기술분야에서 일반적으로 인정되는 바와 같이 다중화 및 역다중화 기능에 대한 것이다. MUX 및 DeMUX 기능은 평면 배열 도파로 격자(Arrayed Waveguide Grating, AWG) 또는 그 밖의 바람직한 분광 소자에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시형태에서, 입력 신호는 일련의 사용자에 대한 신호를 포함할 수 있고, 출력 라인은 특정 사용자에 대한 광학 분기점을 나타내며, 이는 최종 사용자에 신호를 전송하기 위한 광 네트워크의 단부에서 스위칭 소자의 사용에 해당한다. 입력 및 출력 지정은, 스위칭 기능이 광학적으로 가역적이 되도록, 어느 한 방향에서 스위치를 통해 신호가 전송될 수 있다는 점에서 임의적일 수 있다. 그러나, 입력 및 출력 지정은 전송 방향과는 무관하게 서로 간에 라우팅되는 광 라인의 분류를 설명하는데 사용된다. 다른 실시형태에서, 스위치는 임의의 사용자로부터 떨어진 광 네트워크를 따른 분기점에서 다중화된 또는 결합된 신호를 전송하는데 사용될 수 있다.
본 발명이 광 스위칭의 다양한 수단을 개선하기 위해 사용될 수 있지만, 본원에 개시된 확장형 광 스위치는 광 회로의 어셈블리의 예시이다. 광 회로는 따라서 확장성을 제공하기 위한 적절한 연결로 설계된다. 광 회로는 원하는 수준의 광 스위칭을 제공하기 위해 모듈로서 상호 연결된다. 본 발명은 광 회로가 평면 광 회로로서 통합될 때 특히 유리하다.
일부 특정 실시형태의 맥락에서 상세하게 확장된 개념적인 프레임워크 내에서 입력 라인에 대한 확장을 제공하기 위한 두 개의 광 회로의 상호 연결이 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 광 스위칭 기능은, 예를 들어, 광 회로(110)를 갖는 제 1 스위치(109)와 광 회로(112)를 갖는 제 2 스위치(111)를 포함하는 어셈블리(108)에 의해 달성된다. 회로(110)는 N 개의 입력 포트(107), M 개의 출력 포트(121) 및 M 개의 확장-인 포트(123)를 포함한다. 마찬가지로, 회로(112)는 N 개의 입력 포트(118) 및 M 개의 출력 포트(120)를 포함한다. 광 섬유 또는 그 밖의 적절한 광 연결부와 같은 광 상호연결부(114)를 통해 제 2 스위치(111)의 M 개의 출력 포트와 연결된 제 1 스위치(109)의 M 개의 내부 확장 포트에 의해 회로(110, 112)가 상호 연결된다. N1 개의 입력 광 라인(116)은 평면 광 회로(110)에 연결되고, N2 개의 입력 광 라인(117)은 평면 광 회로(112)에 연결된다. 회로(110)의 M 개의 포트(121)는 출력 라인(125)을 갖는다. 따라서, 광 회로(110, 112)의 어셈블리(108)는 함께 N1 + N2 개의 입력 포트와 M 개의 출력 사이의 스위칭을 제공한다. 이 개략도는 입력의 총수(N1 + N2)가 스위칭된 출력의 총수보다 큰 경우를 나타내고 있다. 본 실시형태는 각각 낮은 용량을 가질 수 있는 사용 가능한 특정 크기의 스위치로 소정 수의 입력을 효과적으로 확장하기 위해 확장-인 포트가 사용될 수 있는 방식을 나타낸다. 예를 들면, 어셈블리 내의 확장 포트를 갖는 스위치의 사용은 4×6 스위치를 8×6 스위치로 변경시켰으며, 이는 스위칭된 입력의 수의 두 배가 된다.
출력 라인에 대한 확장이 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 도 3의 실시형태에서, 스위치(128 및 129)의 통합을 갖는 어셈블리(127)에 의해 광 스위칭이 제공된다. 스위치(128)는 광 회로(130)를 포함한다. 스위치(129)는 광 회로(132)를 포함한다. 회로(130)는 N 개의 입력 포트(134), M 개의 출력 포트(136) 및 M 개의 외부 출력 포트(138)를 포함한다. 마찬가지로, 회로(132)는 N 개의 입력 포트(140)와 M 개의 출력 포트(142)를 포함한다. 회로(130, 132)는 확장-아웃(expansion-out) 포트(138)에 의해 광 상호연결부(144)를 통해 입력(140)에 상호 연결된다. N2 개의 광 입력 라인(146)과 M2 개의 광 출력 라인(148)이 또한 회로(130)에 연결된다. M1 개의 출력 라인(150)이 회로(132)에 더 연결된다. 본 실시형태는 출력의 총수(M1 + M2)가 입력의 총수(N1 또는 N2)보다 큰 경우를 나타내고 있지만, 대안적인 실시형태는 출력에 비해 더 많은 수 또는 동일한 수의 입력을 포함할 수 있다. 본 실시형태는 또한 효과적인 수의 출력을 확장하기 위해 확장-아웃 포트가 사용될 수 있는 방식을 나타낸다. 구체적으로, 확장 포트를 갖는 스위치의 사용은 4×6 스위치를 4×12 스위치로 변경하기 위해 사용되었으며, 이는 스위칭된 출력의 수의 두 배가 된다.
도 4는 각각 입력 라인과 출력 라인 모두에 대해 확장성을 제공하는 광 회로를 포함하는 네 개의 모듈(149, 151, 153, 155)의 연결을 도시하고 있다. 스위칭 기능은 광 회로(150, 152, 154, 156)에 의해 제공된다. 광 회로(150)는 N1 개의 연결부에 의해 광 회로(152)에 광학적으로 연결되고 M1 개의 연결부에 의해 광 회로(152)에 연결된다. 숫자 N1 및 M1은 각각 N1i 에서 N1t 그리고 M1i 에서 M1t까지 다양하다. 광 회로(154)는 N2 개의 연결부에 의해 광 회로(156)에 광학적으로 연결되고 M2 개의 연결부에 의해 광 회로(156)에 광학적으로 연결된다. 숫자 N2 및 M2는 각각 N2i 에서 N2t 그리고 M2i 에서 M2t까지 다양하다. N이 사용자 입력 연결부의 총수인 경우, N1 + N2 = N이거나 또는 통합된 모듈이 미사용 초과 용량을 갖는 경우 N1 + N2는 N보다 크다. 마찬가지로, M이 출력 연결부의 총수인 경우, M1 + M2 = M이거나 또는 통합된 모듈이 미사용 초과 용량을 갖는 경우 M1 + M2는 M보다 크다. 광 회로(150)는 N1개의 입력 라인과 M2 개의 광 출력 라인 간의 광 스위칭을 제공하며, 광 회로(152)는 N1개의 광 입력 라인과 M2 개의 광 출력 라인 간의 광 스위칭을 제공한다. 따라서, 광 회로(154)는 N2 개의 입력 라인과 M1 개의 광 출력 라인 간의 광 스위칭을 제공하며, 평면 광 회로(156)는 N2 개의 광 입력 라인과 M2 개의 광 출력 라인 간의 광 스위칭을 제공한다. 따라서, 평면 광 회로일 수 있는 광 회로(150, 152, 154, 156)는 함께 N 개의 입력 광 경로와 M 개의 출력 광 경로 간의 스위칭을 제공한다. 모듈의 상호 연결의 확장 가능한 측면은 N과 M이 예를 들어 N=M, N>M, 또는 N<M과 같이 독립적으로 선택될 수 있다는 것을 규정한다. 도 4는 4 개의 확장형 광 회로를 도시하고 있지만, 확장성은 입력 기능, 출력 기능 또는 입출력 기능 모두를 더 증가하기 위해 추가의 광 회로가 상호 연결될 수 있다는 것을 규정한다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 광 스위치(100)의 맥락에서 광 스위칭의 확장성을 개략적으로 도시하고 있다. 특히, 평면 광 스위치가 입력 라인의 수 및/또는 출력 라인의 수에 대한 확장을 수용하기 위한 모듈로서의 통합을 위해 설계된다. 도 2 내지 도 4가 입력 차원에서의 두 개의 모듈 또는 출력 차원에서의 두 개의 모듈에 대한 통합을 개시하는 것과 관련이 있는 반면, 확장성은 세 개의 모듈, 네 개의 모듈 등과 같이, 각각의 차원에서의 두 개의 스위칭 모듈보다 많은 모듈을 포함하도록 입력 차원 및/또는 출력 차원에서 마찬가지로 확장될 수 있다. 도 2 내지 도 4에 대해, 각각의 스위칭 모듈이 개략적으로 도시되었다.
스위칭 모듈의 일례는 광 스위치의 어레이이다. 이러한 실시형태에서, 스위칭 모듈은 각각 일반적으로 입력 광 라인에서 출력 광 라인으로의 선택적인 스위칭을 제공하는 (2×2) 작동 가능한 광 스위치의 n×m 어레이를 포함한다. 도 5는 네 개의 입력 채널(504a, 504b, 504c 및 504d); 네 개의 하류 확장-아웃 채널(506a, 506b, 506c 및 506d); 및 세 개의 드롭 포트(, 508a, 508b 및 508c)를 갖는 스위칭 모듈(502)을 도시하고 있다. 입력 채널(504a, 504b, 504c 및 504d)은 각각 경로(510a, 510b, 510c 및 510d)에 의해 하류 확장-아웃 채널(506a, 506b, 506c 및 506d)에 연결된다. 각각의 입력 채널(504a, 504b, 504c 및 504d)은 경로(512a, 512b 및 512c)에 의해 각각의 드롭 포트(508a, 508b 및 508c)에 스위칭 가능하게 연결된다. 크로스포인트 스위치(516)는 경로(510a, 510b, 510c 및 510d)가 경로(512a, 512b 및 512c)를 교차하는 지점에 위치한다.
기본 스위치 매트릭스의 작동은 간단하다. 크로스포인트 스위치(516)는 정상적으로 광로가 서로 영향을 받지 않고 교차할 수 있도록 설계될 수 있으며, 매트릭스 내의 대다수의 스위치는 임의의 주어진 구성에 대해 이러한 상태에 있을 수 있다. 특정 입력 채널(504a, 504b, 504c 또는 504d)이 특정 드롭 포트(508a, 508b 또는 508c)로 라우팅되도록 선택될 때, 이들 두 개의 도파로에 대한 하나의 크로스오버 포인트에서의 스위치(516)가 입력 채널을 재라우팅하도록 활성화된다. 크로스 커넥트 스위치에 대한 임의의 유효한 구성에 대해, 도 5에 도시된 바와 같이, 임의의 행이나 임의의 열 내의 오직 하나의 스위치가 완전히 스위칭된 상태에 있다. 스위치가 스위칭된 상태에 있을 때, 해당 드롭 포트에 입력으로부터의 신호가 또한 해당 입력 채널의 하류 부분으로 재라우팅되고, 따라서 기능적으로 장치는 동시에 애드와 드롭 모두를 수행할 수 있다. 이러한 작동은 대부분의 임의의 광 스위칭 솔루션에 의해 제공되지만, 설사 그렇더라도 극히 드문 일이고, 따라서 아마도 일반적으로 바람직하지 않다. 이러한 작동은 또한 더욱 복잡한 스위칭 어셈블리 내에서 특정의 다른 기능을 지원할 수 있다.
일부 실시형태에서, 확장형 스위치는 다수의 바이패스 라인을 갖는다. 바이패스 라인의 한 가지 장점은 신호가 신호 손실을 줄이기 위해 스위치/접합점을 바이패스할 수 있다는 것이다. 바이패스 라인의 일 실시형태는 특정 회로 내에서 특정 라인에 대해 스위칭이 발생하지 않는 경우에 대해 회로의 바이패스를 제공할 수 있도록 1×2 (또는 2×1) 바이패스 스위치가 입력 라인 및/또는 드롭 라인 상에 배치되는 것을 규정한다. 평면 광 회로에 대해, 바이패스 1×2 광 스위치의 어레이가 N×M 확장형 스위치와 동일한 광 회로 칩 상에 또는 별도의 광 회로 칩 상에 배치될 수 있다. 해당 입력 채널에 대해 의도된 드롭 포트가 현재의 모듈 상에 있는 경우, 신호는 평상시와 같이 스위치에 행으로 라우팅될 것이다. 그렇지 않은 경우, 신호 채널은 모든 스위치를 지나서 바이패스 채널을 통해 확장-아웃 포트로 라우팅될 것이다. 마찬가지로, 각각의 드롭 포트는 2×1 스위치를 통해 연결될 수 있다. 해당 드롭 채널에 대해 의도된 입력 채널이 현재의 모듈 상에 있는 경우, 2×1 스위치는 해당 포트에 대한 크로스 포인트 스위치의 행에서 나온 도파로를 선택할 것이다. 그렇지 않은 경우, 크로스포인트 스위치의 행을 바이패스하는 확장-인 포트에서 나온 채널을 선택할 것이다.
다수의 바이패스 라인을 갖는 확장형 스위치의 일 실시형태가 도 6에 도시되어 있다. 확장형 스위치(600)는 입력 채널 선택형 라인(606) 과 드롭 라인(608)의 교차점에 위치한 광 크로스포인트 스위치(604)의 어레이(602)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 채널 선택형 라인(606)과 드롭 라인(608)은 다수의 크로스포인트 스위치(604)를 통과하며, 이들은 선택형 라인(606) 및/또는 드롭 라인(608) 내의 신호가 스위칭되지 않고 전송될 수 있게 하는 위치를 갖는다. 하나 이상의 바이패스 라인은 하나 이상의 채널 라인 및/또는 하나 이상의 드롭 라인에 대해 제공될 수 있다. 도 6에서, 채널 바이패스 라인(610)과 드롭 바이패스 라인(612)이 있다. 입력 1×2 스위치(614)는 입력 라인(615)이 스위치(614)에 연결되도록 함으로써, 스위치(614)가 입력 라인(615)의 광을 채널 바이패스 라인(610) 또는 채널 선택형 라인(606)으로 스위칭하도록 동작할 수 있다. 드롭 2×1 스위치(618)는 드롭 라인(608) 또는 드롭 바이패스 라인(612)이 선택되고 출력 라인(617)으로 통과될 수 있게 한다. 대안적으로, 하나의 스위치가 하나 또는 두 라인을 선택하는 제한 내에서 입력 신호를 전송할 수 있도록 지속적인 조절 가능성을 갖는 스위치들이 제공될 수 있다. 바이패스 라인들은 하나의 단부에서의 확장 포트에서 연결될 수 있고 다른 단부에서 바이패스 스위치에 연결된다. 채널 바이패스 라인(606)은 확장-아웃 포트(620)에서 연결을 가질 수 있고 또는 다른 연결 장치가 다른 확장형 스위치 또는 일부 다른 장치로의 연결을 위해 제공된다. 드롭 바이패스 라인(612)은 확장-아웃 포트(622)에서 입력을 수신하기 위한 연결을 갖는다. 사용시, 하나 이상의 확장형 스위치(600)가 입력 라인(615)과 광학적으로 통신하는 확장-아웃 포트(620) 및/또는 확장-인 라인(622)과 광학적으로 통신하는 출력 라인(617)에 연결된다. 다수의 확장형 스위치의 조립 이후, 스위치(614)로 입력된 신호는 드롭 포트로 라우팅되는데, 이는 원하는 드롭 포트가 스위치 상에 있거나 또는 바이패스 라인을 통해 다른 스위치로 넘어간 경우이다. 드롭 라인에 대한 입력 라인의 지정은, 어느 한 방향으로 광을 전달하는 스위치를 갖는 장치에 대해 임의적이며, 따라서, 입력 라인과 드롭 라인은 반전될 수 있다. 도면을 단순화하기 위해, 동등한 구성요소의 일부만이 참조 번호로 표시된다.
도 7은 함께 조립된 한 그룹의 확장형 스위치를 도시하고 있다. 스위치 어셈블리(700)는 확장형 스위치 모듈(720, 740, 760, 780)을 갖는다. 확장형 스위치 모듈(720, 740, 760, 780)은 입력 채널 선택형 라인(726, 746, 766, 786)과 드롭 라인(728, 748, 768, 788)의 교차점에 위치한 광 크로스포인트 스위치(724, 744, 764, 784)의 어레이(722, 742, 762, 782), 채널 바이패스 라인(730, 750, 770, 790) 및 드롭 바이패스 라인732, 752, 772, 792)을 포함한다. 입력 1×2 스위치(733, 753, 773, 793)는 입력 라인(734, 754, 774, 794)으로부터의 광 신호를 채널 바이패스 라인(730, 750, 770, 790) 또는 채널 선택형 라인(726, 746, 766, 786)으로 스위칭하도록 연결된다. 드롭 2×1 스위치(735, 755, 775, 795)는 드롭 라인(728, 748, 768, 788) 또는 드롭 바이패스 라인(732, 752, 772, 792)이 선택되고 출력 라인(736, 756, 776, 796)으로 통과될 수 있게 한다. 대안적으로, 스위치는 연속 범위의 스위칭 기능을 제공하도록 구비될 수 있다.
채널 바이패스 라인(730, 770)은 각각 입력 라인(754, 794)에 광학적으로 연결된다. 드롭 2×1 스위치(735, 755)는 신호를 드롭 바이패스 라인(772, 792)으로 전달하도록 광학적으로 연결된다. 포트(광로를 교차하는 스위치의 가장자리에 개략적으로 도시됨)는 사용자 장치 및/또는 다른 확장형 모듈과의 연결을 위해 제공된다. 용어 "사용자 장치"는 네트워크, 서브네트워크, 노드, 특정 장치, 네트워크 통신 장치, 및 최종 사용자 장치를 망라하는 광범위한 용어이다. 입력 포트는 입력 라인(734, 754, 774, 794)으로의 광 연결을 제공하며, 본 실시형태에서, 라인(734 및 774)은 사용자 장치와의 연결될 수 있고, 입력 라인(774 및 794)용 포트는 다른 확장 모듈에 연결된다. 확장-인 포트는 드롭 바이패스 라인(732, 752, 772, 792)으로의 광 연결을 제공하며, 본 실시형태에서, 라인(732)은 휴면 상태이고 라인(772)은 입력(734)로부터의 신호를 출력(776)으로 전송할 수 있도록 확장-인 포트로부터의 광 신호를 수신할 수 있다. 확장-아웃 포트는 채널 바이패스 라인(730, 750, 770, 790)으로의 광 연결을 제공하며, 본 실시형태에서, 라인(750 및 790)은 휴면 상태이고 라인(730 및 770)용 포트는 각각 확장-아웃 포트를 통해 스위치(740 및 780)의 입력 포트에 연결된다.
실제 칩 레이아웃에서, 입력 포트 상의 스위치는 하나의 단계를 부가하고, 드롭 포트 상의 스위치도 하나의 단계를 부가한다. 이런 방식으로, 하나의 공통 모듈로부터 더 큰 스위치 매트릭스가 임의적으로(적어도 기능 구조의 측면에서) 확장될 수 있다.
또한, 1×2 스위치가 스위치 모듈의 확장-아웃 터미널 상에 통합되어 각각의 모듈을 두 개의 하류 드롭 모듈로 연결시킬 수 있고, 마찬가지로, 확장-인 터미널은 2×1 스위치를 가질 수 있고 따라서 각각의 모듈은 두 개의 추가 채널 블록으로부터 드롭 채널을 전달할 수 있다는 것을 고려하자. 이는 순차적인 레이아웃보다는 트리 구조의 분기점을 따라서 하나의 모듈 유형으로부터 매트릭스가 구축될 수 있게 하며, 이는 전체적인 광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 확장 포트 상의 스위치는 입력 및 드롭 포트 상의 스위치와 중첩될 수 있고, 따라서 평면 통합 모듈 내의 물리적 레이아웃에 어떠한 단계를 추가하지 않을 것이며, 따라서, 평면 칩의 크기를 아주 약간 증가시킬 것이다.
도 8은 확장형 멀티캐스트 스위치의 일 실시형태를 도시하고 있다. 스위치의 구성요소들은 이들의 상호 연결을 설명하기 위해 그리고 멀티캐스트 응용에서의 확장성을 제공하도록 경로, 스위치 및 스플리터가 협력하는 방식을 설명하기 위해 배열되어 있다. 본 도면을 검토한 숙련자는 이하에서 더 설명되는 물리적 장치의 레이아웃을 형성할 수 있을 것이다. 확장형 멀티캐스트 스위치(800)는 스플리터 트리(802)와 스위칭부(904)를 갖는다. 스플리터 트리(802)는 광 입력(a, b, c, d so)을 분배하여 각각의 광 입력이 각각의 광 출력 라인(X1-X8)에 연결되게 한다. 장치 인터페이스로부터 입력(a-d)으로의 광 연결을 제공하기 위해 입력 포트(미도시)가 구비된다. 스플리터 트리(802)는 신호를 적절한 수의 광로로 분리하기 위해 세 단계를 갖지만, 입력 라인의 수와 특정 출력 광 라인으로의 원하는 멀티캐스팅에 따라 다른 수의 단계가 사용될 수 있다. 단계 1은 입력 라인(a, b, c, d)을 분리하는 스플리터(811a, 811b, 811c, 811d)와 함께 각각의 입력 상에 광 스플리터를 가짐으로써, 각각의 입력에 대해 2 개의 분기점을 형성하여 총 8 개의 분기점을 형성한다. 분리된 신호는 단계 2 의 스플리터(821a, 821b, 821c, 821d, 822a, 822b, 822c, 822d)로 전송되며, 이들 스플리터는 신호를 해당 단계에서 각각의 입력에 대해 2 개의 분기점에 대해 분리함으로써, 총 16 개의 분기점 및 각각의 입력(a-d)에 대해 총 4 개의 신호로 분리한다. 분리된 신호는 이후 단계 3의 스플리터(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', 831d'로 전송되며, 이들 스플리터는 각각 신호를 2 개의 분기점으로 분리하여, 32 개의 분기점 및 각각의 입력(a-d)에 대해 총 8 개의 신호로 분리한다. 스위칭부(804)는, 아래에 설명되는 바이패스 스위치에 연결된 바이패스 라인(806)에 연결된 확장-인 포트(해당 광로의 단부로 개략적으로 도시됨)를 갖는다. X1-X8로 표시된 출력 라인은 각각 출력 포트(출력 라인의 단부에 개략적으로 도시됨)에 광학적으로 연결된다. 스위칭 블록(841, 841', 842, 842', 843, 843', 844, 844')은 스플리터 트리(802)로부터 출력 라인(808)으로의 스위칭 가능한 연결을 제공한다. 각각의 스위칭 블록은, 출력 라인(808)으로의 전송을 위해 바이패스 라인(806)의 스플리터 트리(802)로부터의 신호들의 스위칭을 위해 광학적으로 연결된 바이패스 스위치(851, 851', 852, 852', 853, 853', 854, 854')로 입력(a-d)을 연결한다. 구체적으로 블록(841)에 대해, 예를 들어, 광 스위치(841ab)는 선택될 입력(a 또는 b)을 제공하여, 선택된 신호(a/b)는 a/b 또는 c 사이의 스위칭을 제공하는 스위치(841bc)로 전송되고, 선택된 신호(a/b/c)는 a/b/c와 c 사이의 스위칭을 제공하는 스위치(841cd)로 전송되도록 한다. 스위칭 블록(841)은 이후 신호(a-d) 중 하나를 바이패스 스위치(851)로 전송하고, 이는 a/b/c/d 및 B8로 표시된 바이패스 라인(806) 간의 선택을 제공한다. 바이패스 스위치(851)에 의해 선택된 신호는 이후 X8로 표시된 출력 라인(808)으로 전송된다. 사용시, 하나 이상의 확장형 스위치가 B1-B8으로 표시된 확장-인 포트와 광 통신하는 X1-X8로 표시된 출력으로 연결될 수 있다. 입력(a-d)은 임의의 출력(X1-X8)이 어느 하나의 입력(a-d)을 전송할 수 있도록 스위칭될 수 있다. 출력(X1-X8)은 확장-인 포트에서 수신한 신호를 대안적으로 전송할 수 있다. 사용시, 하나 이상의 확장-인 포트, 하나 이상의 입력 포트, 및 하나 이상의 출력 포트로 광 연결이 이루어진다. 입력 포트 및/또는 확장-인 포트를 통과한 신호는 어느 하나의 출력(808)으로 전송되도록 선택된다. 또한, 입력 신호와 확장-인 신호의 추가적인 결합이 필요한 응용을 지원하기 위해, 연속 범위의 스위칭을 제공하는 바이패스 스위치(851)에 대한 제한이 없다는 것을 주목하라.
도 8은 특정 수의 입력 광 라인과 출력 광 라인으로 도시되었지만, 다른 실시형태는 마찬가지로 다른 수의 입력과 출력으로 설계될 수 있다. 스플리터 트리는 그에 따라 변경되며, 편리한 스플리터 트리가 출력 라인의 수보다 많은 수의 광 라인을 제공하는 경우 불필요한 분리된 광 라인이 형성될 수 있다. 불필요한 광 라인은 휴면 상태에 있을 수 있고 모든 방해 전파에서 떨어진 광 신호를 안내할 수 있다. 스위칭 블록의 대안적인 설계가 아래에서 설명된다.
도 9는 최종 확장형 스위치 모듈(920)과 초기 확장형 스위치 모듈(910)의 어셈블리(900)를 도시하며, 각각의 확장형 스위치 모듈은 본질적으로 도 8에서 설명한 실시형태이다. 초기 모듈(910)의 출력(913)은 광로(902)에 의해 대응하는 최종 모듈(920)의 확장-인 포트(922)에 광학적으로 결합된다. 확장형 스위치 모듈(910 및 920)은 예를 들어 광 집적회로(photonic integrated circuit, PIC) 내의 공통 평면 기판 상의 개별적인 설계 셀일 수 있고, 광로(902)의 상호 연결은 동일한 기판 상의 광 도파로일 수 있다. 다른 예에서, 확장형 스위치 모듈(910 및 920)은 예를 들어 별도의 PIC를 기반으로 하는 개별적으로 패키지된 스위치 모듈이고 광로의 상호 연결은 일련의 개별적인 가닥 또는 섬유 리본으로서의 단일-모드 광 섬유일 수 있다. 출력 세트(923) 내의 각각의 출력은, 도 8의 설명에서 상세하게 설명된 바와 같이, 924a-g 내의 관련된 바이패스 스위치를 어느 하나의 로컬 입력에 연결하도록 설정함으로써, 최종 모듈(920)의 어느 하나의 입력(921)에 선택적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 출력 세트(923) 내의 각각의 출력은, 도 8의 설명에서 상세하게 설명된 바와 같이, 924a-g 내의 관련된 바이패스 스위치를 관련된 확장-인 포트에 연결하도록 설정하고, 스위치 모듈(910) 내의 적절한 스위치 소자가 입력(911)에서 선택된 입력을 확장-인 포트(922)에 연결된 출력(913) 내의 출력에 연결하도록 더 설정함으로써, 초기 모듈(910)의 어느 하나의 입력(911)에 선택적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 따라서, 4×8 MCS(910)를, 전용 8×8 MCS과 동일한 기능을 제공하는 4×8 두 개의 스위치 모듈의 어셈블리(900)를 형성하는 확장-인 포트(922)에 부착함으로써, 4×8 확장형 MCS(920)가 업그레이드될 수 있다.
도 10은 스플리터 트리를 바이패스 스위치와 결합시키는 스위칭 블록(841, 841')을 도시한, 도 8의 하위 부분의 확대도이다. 화살표(a, b, c, d)는 스플리터 트리의 단계 3에서 전달된 입력을 도시한다. 본 실시형태에서, 각각의 스위칭 블록은 네 개의 잠재적으로 사용 가능한 입력 각각에서의 하나의 입력을 수신한다. 각각의 바이패스 스위치는 a-d 중 하나 또는 바이패스 라인 내의 신호를 출력할 수 있는 선택을 제공한다. 스위칭 블록은 추가된 광 라인으로부터의 신호를 순차적으로 선택할 수 있도록 직렬 구성으로 배열된다.
도 11은 확장형 스위치에 대한 대안적인 하위 부분이다. 스위칭 블록(1102, 1104)은 트리 구성으로 배열되며 도 10의 스위칭 블록(841, 841')에 기능적으로 상응하는 대안이다. 블록(1102)에서 스위치(1106)는 출력(a/d)을 제공하도록 a와 b 입력 사이에서 선택될 수 있고, 스위치(1108)는 출력(c/d)을 제공하도록 c와 d 입력 사이에서 선택될 수 있다. 스위치(1110)는, a/b/c/d 또는 바이패스 B1 신호 사이에서 선택될 수 있는 바이패스 스위치(1112)로 출력(a/b/c/d)을 제공하도록 a/b와 c/d 사이에서 선택될 수 있다. 스위치(1114, 1116, 1118, 1120)는 임의의 a-d 및 B2 간의 선택성을 제공하도록 유사하게 구성된다.
도 12는 확장형 스위치에 대한 대안적인 하위 부분이다. 스위칭 블록(1208, 1210)은 트리 구성으로 배열되며, 도 11에서의 스위칭 블록(1102 및 1104)의 대안적인 분포 레이아웃을 도시한다. 스위칭 블록(1208)은 바이패스 스위치(1212)와 관련된 스위치(1210, 1211, 1212)를 갖는다. 스위칭 블록(1215)은 바이패스 스위치(1222)와 관련된 스위치(1216, 1218 및 1220)를 갖는다. 스위치(1210)는 a/b를 스위치(1212)로 전송하기 위해 a/b 사이 사이에서 선택될 수 있다. 스위치(1211)는, a/b와 c/d 사이에서 선택되는 스위치(1212)로 전송되는 출력(c/d)을 제공하도록 c와 d 사이에서 선택될 수 있다. 관련된 바이패스 스위치(1214)는 a/b/c/d 및 B1 사이에서 선택될 수 있다. 스위칭 블록(1214)과 관련된 바이패스 스위치(122)는 마찬가지로 a/b/c/d 및 B2를 출력(1224)로 전송하도록 선택될 수 있다.
확장형 4×3 평면 광파 회로(planar lightwave circuit, PLC) 크로스 커넥트의 개념적 구성이 도 13에 도시되어 있다. 확장형 4×3 PLC 크로스 커넥트는 Ni 개의 입력(1302)과 Ne 개의 확장 입력(1303)을 갖는다. 스위치(1300)는 Mo 개의 출력(1308)과 Me 개의 확장 출력(1309)을 갖는다. 바이패스 스위치(1312, 1314)는 각각 입력(1302 및 1308)을 제공한다. 주목해야 할 중요한 특징은, 컴팩트한 배열에서, 도파로 어레이의 길이는 일련의 스위칭 단계를 지원한다는 것이며, 단계의 길이는 M+N-1이다. 현재의 특징적인 크기를 기반으로 4×4보다 큰 스위치는 PLC 칩 상의 도파로를 포장하는 것을 포함한다. 8×8 PLC 크로스 커넥트 스위치가 Goh 등의 문헌("Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switch on a 6-in Wafer Using Silica Based Planar Lightwave Circuit Technology", Journal of Lightwave Technology, 19.(3), pp 371-379 (2001년 3월))에 개시되어 있다. Goh의 논문에 명시된 레이아웃을 대략적으로 따르는, 본원에 개시된 PLC의 대략적인 레이아웃이 도 14에 도시되어 있다. 스위치(1400)는 #1 내지 #15의 표시를 갖는 스위칭/간섭 모듈(1406)과 함께 입력(1402)과 출력(1404)을 갖는다. 입력(1402)을 스위칭하기 위해 한 세트의 바이패스 스위치(1408)가 구비되며, 출력(1404) 근처에 출력 바이패스(1410)가 구비된다. 이전에 설명한 바와 같이, 본 발명을 이러한 유형의 물리적 레이아웃에 적용하는데 있어서, 본 발명의 확장 도파로와 바이패스 스위치는 기존의 도파로 및 기존의 단계를 유지하는 스위치에 인접하여 라우팅될 수 있으며, 따라서 통합 칩의 필요한 크기를 거의 증가시키지 않는다.
멀티캐스트 스위치(MCS) 설계
적절하게 접속하는 두 개의 평면 광파 회로 상에 편리하게 배치될 수 있는 바람직한 MCS 스위치 설계가 개발되었다. 또한, 이들 MCS 스위치 설계는 각각의 애드 인(Add In) 또는 드롭 인(Drop In) 라인에 대한 1×2 스위치 또는 1×2 광 스플리터의 선택적 사용을 통해 확장 가능하다. 스위칭 또는 분리된 신호는 별도의 MCS 스위치 시스템으로 전송된다. 이는 출력 라인의 확장성을 제공한다. 마찬가지로, 입력 라인은 별도의 MCS 스위치 시스템으로의 입력에 대한 라인을 분리함으로써 확장될 수 있고, 이후 다른 MCS 스위치 시스템으로부터의 대응하는 출력이 다시 함께 결합될 수 있다.
바람직한 MCS 설계가 도 15 내지 도 23에 도시되어 있다. 확장성 기능은 단순화를 위해 도 15에만 도시되어 있다. 이러한 기능에 대한 설계는, 예를 들어, 두 개의 광 멀티캐스트 스위치 기능(1502, 각각은 광 스플리터(1054)의 어레이와 광 스위치(1506)의 어레이, 그리고 이들 둘 사이의 상호 연결(1508)로 구성됨), 32 개의 광 탭 커플러(tap coupler, 1510), 32 개의 포토다이오드(1512), 32 개의 광 아이솔레이터(1514), 16 개의 이득 평탄화 필터(gain flattening filter, 1516), 16 개의 어븀 도핑 광섬유 스풀(1518), 두 개의 1×8 튜너블 스플리터(1520) 및 상기한 모든 기능과 전기 제어 전자장치 간의 상호 연결을 나타낸다. 하류에 다수의 MCS(1500)를 구비한 스위치/스플리터(1522, 도 15)가 사용될 수 있다. 이 도면에 도시된 실시형태에서, 기능들은 광 섬유 간의 상호 연결(1552, 1552')로 별도의 모듈(1530, 1540, 1550)로 효과적으로 분할된다. 하나의 모듈(1530)은 평면 광파 회로(PLC) 기반의 광 기능의 모놀리식 통합, 포토다이오드 하이브리드 통합 및 전자 제어를 포함한다. 제 2 모듈(1540)은 제 1 모듈과 제 2 모듈 사이의 효과적인 광 섬유 상호 연결을 가능하게 하는 방식으로 배열된 별개의 구성요소를 포함한다. 제 3 모듈(1550)은, 예를 들어, 배열 도파로 격자 등과 같은 파장 분할 다중화기 및 튜너블 스플리터(TSPL)를 포함할 수 있다. 도 18 내지 도 23은 장치를 형성하는 조립된 모듈의 실시형태의 다양한 도면을 도시한다.
일반적으로, 도 1 내지 도 13에 개략적으로 도시된 확장형 스위칭 소자는 광 섬유와 연결된 자유 공간 광 소자를 사용하여 효과적으로 형성될 수 있다. 적절한 각각의 스위치, 광 스플리터, 광 섬유 커넥터, 및 그 밖의 부수적인 구성요소들은 시판되고 있으며, 개선된 버전이 지속적으로 개발 중에 있다. 그러나, 적절한 칩에 평면 광 회로와 같은 장치를 통합하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 확장형 스위치가 적절한 포장으로 개별적인 평면 장치로 형성될 수 있고, 적절한 커넥터가 확장 기능을 이용할 수 있도록 다수의 스위치를 연결하는데 사용될 수 있다. 평면 칩에 많은 수의 연결에 대한 레이아웃은 모든 사용 가능한 기능과 함께 적절하게 작은 차지 공간을 얻기 위한 기술이다. 이러한 레이아웃의 예가 도 23에 도시되어 있다.
PLC를 형성하기 위한 재료는 CVD, 이들의 변형, 화염 가수분해(flame hydrolysis) 또는 다른 적절한 증착 방법을 사용하여 기판 상에 증착될 수 있다. 적절한 기판은, 예를 들어, 실리콘, 실리카 또는 알루미나 등과 같은 세라믹과 같은 높은 처리 온도의 적절한 내성을 갖는 재료를 포함한다. 일부 실시형태에서, 적절한 이산화규소 전구체가 도입될 수 있으며, 원하는 굴절률과 처리 특성을 제공하기 위해 실리카 유리가 도핑될 수 있다. 포토리소그래피 또는 다른 적절한 패터닝 기술로 패터닝이 수행될 수 있다. 예를 들면, PLC용 상부 클래드층으로 사용하기 위한 플라즈마 향상 화학 기상 증착(plasma enhanced CVD (PECVD)을 기반으로 하는 Ge, P 및 B로 도핑된 실리카 유리의 형성이 본원에 참조로 포함된 Zhong 등의 "평면 광파 회로용 GEBPSG 상부 클래드(GEBPSG Top Clad for a Planar Lightwave Circuit)"라는 제목의 미국 특허 제 7,160,746호에 개시되어 있다. 마찬가지로, 광 평면 도파로용 코어의 형성이, 예를 들어, 본원에 참조로 포함된 Zhong 등의 "평면 광파 회로용 GEPSG 코어(GEPSG Core for a Planar Lightwave Circuit)"라는 제목의 미국 특허 제 6,615,615호에 개시되어 있다. 적절한 도파로 어레이의 형성을 위한 매개변수들은 본 기술분야에 공지되어 있다. InP 유리 또는 그 밖의 광 유리 재료를 사용하여 비슷한 처리가 수행될 수 있다.
일반적으로, 스위치를 통과한 광 신호는 감쇠된 신호를 가질 수 있다. 본원의 확λλ장 설계가 이러한 감쇠를 줄일 수 있지만, 확장형 스위치를 적절한 광 증폭기와 연관시키는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 스위치의 입력에 결합된 광 증폭기의 어레이를 적층하는 것이 바람직할 수 있지만, 시스템에 적절한 정밀한 구조가 설계될 수 있다 특히, 일부 구조가 ROADM의 맥락에서 아래에서 설명된다.
멀티캐스트 스위치를 갖는 ROADM 구조
바람직한 무색, 무방향, 무경쟁 및 플렉서블-그리드(flexible-grid) ROADM 구조는 M×N 멀티캐스트 스위치와 OXC 로드 밸런서를 기반으로 한다. 익스프레스 경로(express path) 내의 (1×N 광 커플러를 통한) 브로드캐스트와 (M×1 파장 선택 스위치(wavelength selective switch(WSS)를 통한) 선택을 기반으로 하는 다상(multi-degree)의 무색 및 무방향 ROADM가 몇 년 동안 개발되었다[1,2]. 그러나, 로컬 애드/드롭 경로(local add/drop path)에 대해, 아직까지는 유색 파장(λ) 또는 제한된 수의 무색(λ) 만이 사용되어 왔다. 빠른 트래픽 증가로 인해, 많은 수의 무색, 무방향 및 무경쟁(CDC) 파장을 동적으로 애드/드롭할 수 있는 다상 중앙국(multi-degree central office, CO)에 대한 필요성이 있다[2]. 일례로서, 8 개 방향 각각에 대해 96 개의 λ를 갖는 8-상의 CO를 고려하면, 50%의 애드/드롭 비율은 CO가 96·8·50%= 384 λ를 애드/드롭하는 것을 필요로 할 것이다. 이러한 많은 수의 λ를 애드/드롭하기 위해, 모듈형 및 확장형 M×N 멀티캐스트 스위치(MCS)가 현재 가장 경제적인 해결책을 제공할 것으로 생각된다. 비용을 최소화하기 위해 MCS 기반 플렉서블-그리드 CDC ROADM의 구조를 최적화하는 방법이 본원에 제시된다. 일 실시형태가 도 18 내지 도 23에 도시되어 있다.
도 18A는 전면(1802), 히트싱크(1804), 라인 카드(1806), 멀티캐스트 스위치 모듈(1808), 아이솔레이터/EDF 트레이(1810), 광 섬유 관리 트레이(1812) 및 커버 광 섬유 관리 트레이(1814)를 갖는 MCS 기반 플렉서블-그리드 CDC ROADM 카드(1800)를 도시하고 있다. 도 18B는 카드(1800)의 다른 면의 사시도이며, 광 섬유(1816) 광 섬유 관리 트레이(1818), 및 보호기 광 섬유 스플라이싱(1820)을 더 나타낸다. 도 19는 킵-아웃 영역(keep-out area, 1822)을 나타내는, 카드(1800)의 서브어셈블리(1801)의 평면도이다. 도 20은 킵-아웃 영역(1822)에 걸쳐 위치한 멀티캐스트 스위치 모듈(1808)을 나타내는 서브어셈블리(1801)의 사시도이다. 도 21은 아이솔레이터/GFF EDF 트레이(1824), 광 섬유(1816), 및 보호기 광 섬유 스플라이싱(1820)을 갖는 서브어셈블리(1801)의 평면도이다. 도 22는 광 섬유 관리 트레이(1818)를 갖는 서브어셈블리(1801)를 도시하고 있다. 히트싱크(1804)는 카드의 상부 근처에 배치된다. 입출력 광 섬유는 MCS TSPL 모듈의 하부에서 일정 각도로 나오며 면판 벌크헤드(face-plate bulkhead)로 라우팅된다. 도 23은 일부 가능한 상대적인 크기와 다른 대략적인 세부사항을 포함하는 평면 통합 4×16 확장형 MCS에 대한 개략적인 레이아웃을 도시하고 있지만, 특정 레이아웃은 일반적으로 설계자의 특정 취향을 포함한다.
M×N 멀티캐스트 스위치를 기반으로 하는 기본 CDC ROADM 구조
기본 M×N MCS(2400)가 도 24a의 그레이 카드(gray card) 내에 도시되어 있으며, 여기서, 일례로서, M=8이고 N=16이다. 8 개의 MCS 입력 포트(2402) 각각은 어느 하나의 8 개의 방향에 연결된다. MCS는, 국부 발진기(local oscillator)의 역할을 하는 내장형 가변 파장 레이저(tunable laser)를 갖는 외부 코히어런트 수신기(coherent receiver, CR)로의 예비 필터링 없이 "무색" 드롭을 제공하거나, 또는 대안적으로 외부 가변 채널 필터가 표준 직접-검출 수신기(direct-detection receiver)로 제공될 하나의 파장 채널을 분리할 수 있다. 가변 채널 필터는 매우 저렴한 비용의 기술이 개발되지 않는 한, 전체적인 비용을 크게 증가시킬 수 있고, 따라서 우리의 초점은 코히어런트 시스템에만 있을 것이다. 임의의 출력 포트가 1×M 선택 스위치를 통해 임의의 방향에서 임의의 입력 신호를 드롭할 수 있기 때문에 MCS는 "무방향"이다. 또한, 각각의 1×M 스위치가 특정 방향에서 신호를 선택만 할 수 있고, 따라서 정의된 작업에 대해, 서로 충돌하는 서로 다른 방향에서 동일한 색의 λ를 배제하기 때문에 MCS는 "무경쟁"이다. 마지막으로, MCS는 또한 MCS-기반 ROADM을 본질적으로 저렴한 비용으로 형성하는 CR의 필터 없는 기능으로 인해 "플렉서블 그리드"의 특징을 갖는다.
독립형 MCS는 몇 가지 이유로 인해 다상 CDC 애드/드롭 기능을 완료할 수 없다. 우선, 1×N 스플리터의 손실은 어븀 도핑 광 섬유 증폭기(EDFA)에 의해 보상될 수 있다. 둘째. MCS(현재의 평면 광파 회로 또는 MEMS 기술을 사용하여 N≤24)당 제한된 출력 포트로 인해, 다수의 MCS 카드가 주문형 용량 확장(pay-as-you-grow) 방식으로 추가되어야 한다. 총 384 개의 λ에 대해, 384/16=24이고 8×16 MCS 카드가 사용될 필요가 있다. 그 결과, 각각의 드롭 광 섬유와 24 개의 MCS 카드 사이에서, 각각의 방향에서 유입되는 96 개의 λ를 24 개의 출력 포트로 분리하기 위해, 그리고 가장 중요하게는, 출력 포트당 λ의 최대수(NWSS,max)를 제어하기 위해 1×24 WSS가 사용될 수 있다. 기본 CDC ROADM 구조는 384 개의 λ가 경쟁 없이 8 개의 방향 중 임의의 방향으로 드롭될 수 있게 하기 위해 8 개의 1×24 WSS 상부층, 192 개 EDFA의 제 2 층, 및 24 개의 8×16 MCS 카드의 하부층을 가질 수 있다. 활성 증폭된 MCS 카드가 고장 나는 경우, 상부층의 WSS가 해당 트래픽을 보호 카드로 재라우팅할 수 있도록, 별도의 증폭된 MCS 카드를 도 24a에 추가함으로써 상시 대기(hot-standby) 보호가 달성될 수 있다. 유사한 구조가 애드 방향에 대해 필요하다. 이러한 기본 구조에서, 많은 수의 EDFA와 대형 포트 수의 WSS는 비용, 공간 및 전력 소비 문제를 일으킬 수 있다는 것에 주목하라.
상기한 매개변수 NWSS,max는 다음과 같은 조건을 충족시켜야 한다: (i) NWSS,max ≤ NCR, 여기서 NCR은 용인할 수 있도록 낮은 OSNR 페널티로 CR에 의해 처리될 수 있는 일치하는 λ의 최대수이고[4], 이 조건은 모든 NWSS,max의 λ가 CR에 의해 수신되어야 하기 때문에 필요하다. (ii) NWSS,max = Nsplit, 여기서 Nsplit은 포스트-EDFA 분리된 포트의 총수(도 24a에서 Nsplit=16)이고, 이 조건은 오직 한 방향으로 λ가 증폭된 MCS에 도달하고 각각의 CR이 고유의 파장을 선택하는 최악의 불균일한 트래픽에 대처하기 위해 필요하다. NWSS,max > Nsplit인 경우, 이는 (NWSS,max - Nsplit)의 λ이 종료하는 출력 포트를 갖지 않는다는 것을 의미하는 반면, NWSS,max < Nsplit은 유입하는 λ가 오직 한 방향으로 계속 흐를 때, 여전히 빈 포트가 원래의 카드에 남아있는 경우라도 새로운 증폭된 MCS 카드를 추가해야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 이상적인 조건은 NWSS,max = Nsplit이다. (iii) 각각의 EDFA는 NWSS,max 의 λ에 100G DP-QPSK에 대해 -20dBm의 일반적인 수신기 감도를 갖는 CR에서 λ(Prec)당 충분한 광 파워를 제공해야 한다. 조건 (i)과 (ii)를 결합하면, 다음과 같은 표시될 수 있다:
증폭된 MCS 카드 내의 모든 EDFA에 대해, Nsplit = NWSS,max ≤ NCR (1)
따라서, 조건 (iii)으로부터:
Prec = PEDFA-10·log(NWSS,max)-10·log(Nsplit)...ILexcess (2)
여기서 PEDFA는 각각의 EDFA의 총 출력 전력이고 ILexcess는 10·log(N)에 대해 MCS 초과 손실이며, 이는 3 내지 6 dB에 달할 수 있다. 방정식 (1)과 (2)는 도 24 내의 모든 EDFA가 최악의 경우의 불균일한 트래픽, 즉 λ의 NWSS,max채널을 처리하도록 설계되며, 결과적으로 더 높은 전력의 EDFA와 더 높은 비용을 필요로 한다는 것을 의미한다. 불균일한 트래픽의 효과는 균일 트래픽에 대한 불균일 트래픽의 비율 η의 관점으로 표현될 수 있다. 예를 들면, 도 19a에서, 50%의 드롭율을 갖는 균일한 트래픽은 NWSS,unif=96·50%/24=2를 제공하며, 따라서 η=NWSS,max/NWSS,unif=16/2=8이다.
M×N 멀티캐스트 스위치를 기반으로 하는 CDC ROADM 구조
도 24는 8-상의 50% 드롭 CDC ROADM를 도시한다: 도 24a는 8 개의 1×24 WSS(2404)와 24 개의 증폭된 8×16 MCS(2406)를 사용하며; 도 24b는 EDFA(2411)와 듀얼-MCS(2414) 사이에 1×2 스플리터(2412)를 삽입함으로써 8 개의 1×12 WSS(2408)와 12 개의 증폭된 듀얼-8×16 카드를 사용한다. CR로 표시된 블록은 코히어런트 수신기를 나타낸다. 비용과 크기 감소를 위한 도 24a의 기본 구조의 추가 개선이 다음과 같이 설명된다. 비용의 관점에서, CDC ROADM 내의 애드/드롭 포트당 비용이 다음과 같이 주어진다:
애드/드롭 포트당 비용 = MCS 애드/드롭 포트당 비용 + EDFA 비용/J + WSS 포트 비용/K (3)
도 24에 도시된 예에서, J=2(8 개의 EDFA는 16 개의 MCS 애드/드롭 포트에 해당)이고 K=2(8 개의 WSS 애드/드롭 포트는 16 개의 MCS 애드/드롭 포트에 해당)이다. 이제, 문제는 더욱 많은 MCS 애드/드롭 포트가 상위층의 EDFA와 WSS 비용을 공유할 수 있도록 Nsplit을 증가시킴으로써 J와 K가 더 증가될 수 있는지의 여부이다. 한 가지 방법은 MCS의 애드/드롭 포트 수를 증가시키는 것이지만, MCS당 최대의 포트 수는 현재 24 이하이다. 또 다른 방법은, 도 1b에 도시된 바와 같이, (Nsplit =Nx2L이 되도록) EDFA와 MCS 사이에 1x2L(L=1,2,3,…) 개의 스플리터를 삽입하는 것이다. 도 24b에서 1×2 스플리터 층의 추가는 증폭된 MCS를 8×32 모듈로 효과적으로 형성하고, 이는 도 24a와 도 24b를 비교함으로써 관찰할 수 있는 바와 같이 증폭된 MCS 카드와 WSS 포트의 수를 50% 감소시키는 것에 주목하라. 한편, Nsplit은 너무 클 수가 없고, 이의 상한은 Nsplit= NWSS,max 그리고 PEDFA =21dBm이 되게 함으로써 방정식 (2)로부터 얻을 수 있으며, 이 결과는 도 25에 도시되어 있다. Prec = -16dBm(이는 일반적인 CR에 대해 4dB 마진을 제공한다)임을 가정하면, Nsplit은 MCS 초과 손실에 따라 32 이하(예를 들어, 1×2 스플리터와 함께 듀얼-8×16 MCS를 사용) 또는 48 이하(예를 들어, 1×2 스플리터와 함께 듀얼-8×24 MCS를 사용)일 수 있음을 알 수 있다.
현재, 일반적인 NCR≤12~16이며, 따라서 방정식 (1)은 실제로 방정식 (2)보다 Nsplit에 대해 더욱 심각한 제약을 설정하지만, 이 제한은 미래의 전용 디지털 신호 처리 알고리즘을 통해 완화될 수도 있다. 방정식 (1)은 또한 Nsplit이 두 배가 될 때마다 Prec가 3dB보다는 6dB만큼 감소되도록 Nsplit과 NWSS,max이 단단하게 결합됨을 나타낸다. 그러나, 방정식 (1)에 의해 설정된 제약을 완화할 수 있는 몇 가지 구조적 접근 방법이 있다. 첫 번째는 Nsplit= NWSS,max가 크기는 하지만 CR에서 수신된 λ의 수가 NCR 이하가 될 수 있도록 MCS와 CR 사이에 가변 필터 어레이(tunable filter array, TFA)를 사용하는 것이다[5]. 이 방법의 단점은 TFA의 비용이 드롭 포트당 비용에 직접적으로 추가되는 것이며, TFA의 ~2dB 삽입 손실이 효과적으로 EDFA 비용을 증가시킬 수 있다는 것이다. 두 번째 방법은 대부분의 EDFA가 NWSS,max의 전체 부하를 증폭시킬 필요가 없고 따라서 비용이 절감할 수 있도록, 증폭된 MCS 카드 내의 EDFA가 가변 1×M 스플리터를 통해 하나 또는 두 개의 펌프 레이저를 공유하게 하는 것이다[3]. 이 방법의 단점은 동적인 λ 애드/드롭을 위해 유연하게 EDFA 사이의 펌프 공유를 조정하는 것이 어렵다는 것이다. 또한, 이 방법은 큰 Nsplit이 방정식 (3)에서 K를 증가하는 것을 허용하지 않는다. 우리의 접근 방법은 방정식 (1)의 NWSS,max에서 Nsplit을 분리시켜 Nsplit이 독립적으로 증가될 수 있게 하는 것이다. OXC 로드 밸런서(100% 드롭)를 갖는 CS-기반 CDC ROADM을 도시한 도 26에 도시된 바와 같이, N×N (N=64) 광 크로스 커넥트(OXC, 2450)가 WSS(2452)와 EDFA(2452) 층 사이에 삽입되고, Nsplit이 4×24=96로 극적으로 증가된다. OXC는 "로드 밸런서(LB)"의 역할을 한다, 즉, 첫 번째 96 개의 λ가 오직 한 방향(예를 들어, 서쪽 방향)으로 도착하는 경우에도, 로드 밸런서는 8 개의 서쪽 WSS 출력 포트(포트당 12 개의 λ를 가짐)를 앞줄로 개편함으로써, 다수가 아닌 오직 하나의 증폭된 MCS 카드가 사용될 필요가 있게 한다. 도 26에서 ROADM는 다음과 같은 특징을 갖는다: (a) 이의 비용이 최대 784 애드/드롭 포트에 의해 공유될 수 있도록 100%의 애드/드롭을 가능하게 한다; (b) 통합의 우수한 η를 나타낸다; (c) CR(NWSS,max=12)에서 적은 수의 일치하는 채널을 사용하고 이의 ~2dB의 삽입 손실이 비용 증가 없이 다음의 EDFA에 의해 쉽게 보상될 수 있다; (d) 분리된 포스트-EDFA를 96으로 상당히 증가시키지만, 여전히 합리적인 Prec=-15dBm(PEDFA =21dBm 및 ILexcess=5dB와 함께 방정식 (2)로부터 수득됨)에서 작동한다. 또한, 방정식 (1)에서 J와 K는 이제 12로 증가되며, 이는 도 27에 도시된 바와 같이 가장 낮은 전체 재료비로 이어진다("8×96+LB"참조). 또한, 50%의 애드/드롭을 갖는 종래의 방법을 사용하는 다른 유형의 MCS의 상대 비용이 도 27에 도시되어 있다. 로드 밸런서가 an 8×16 MCS-기반 ROADM의 총 비용을, 예를 들어, ~70%만큼 감소시킬 수 있는 주된 이유는 192 개의 15dBm EDFA의 드롭 방향이 64개의 21dBm EDFA로 감소하며, WSS 포트의 수가 192 개에서 64 개로 감소된다는 것이다. 도 27에서의 공정한 비교를 위해, 8×12 및 8×16 MCS는 50%의 애드/드롭을 달성할 수 없는데, 그 이유는 현재 1×32 및 1×24 WSS는 사용할 수 없는 반면, NWSS,max가 현재의 12-16의 NCR을 초과한다는 사실로 인해 8×24 및 8×32 MCS가 특정 OSNR 페널티를 받을 수 있기 때문이다.
도 28은 다양한 네트워크 구성에 통합된 ROADM를 도시하고 있다. 확장형 멀티캐스트 위치의 사용은 바람직한 라우팅 유연성을 제공한다. ROADM(2800)은 광 파워가 휴면 채널로 분배되는 것과 관련 낭비를 방지하도록 프로그래밍될 수 있는 프로그램 가능한 스플리터(2802)를 갖는다. 프로그램 가능한 스플리터(2802)는, 예를 들어, 단일 방향 트래픽(2804)에 대한 배전을 동적으로 재구성할 수 있고, 여기서 2802a는 스플리팅 효과를 나타낸다. 스플리터(2802)는, 예를 들어, 모든 방향에서의 트래픽에 대해 균일하게 프로그래밍될 있고, 2802b, 2802b'를 갖는 2806은 예시적인 신호 흐름을 나타낸다. 스플리터(2802)는 임의의 트래픽에 대해 프로그래밍될 수 있고, 2802c, 2802c', 2802c"를 갖는 2802은 이를 나타낸다.
도 29는 프로그램 가능한 스플리터로 사용되는 연속 스위치의 일 실시형태를 도시하고 있다. MZI-기반의 프로그램 가능한 스플리터(2900)는 16 개의 출력(2804) 중에서 동적으로 분리되는 입력(N, 2902)을 갖는다. 이러한 스플리터는 상기한 특정 실시형태에 대해서와 같이 멀티캐스트 스위치에 대한 스플리터 트리로 사용될 수 있다. 일반적으로, 위상 변환기(phase shifter)로 연속 범위의 구동 전압을 받아들이는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)로부터 연속 범위의 광 스위치를 형성할 수 있다. 1×2, 2×1 및 2×2 스위치와 같은 본원에 개시된 구조를 위한 광 스위치는 마찬가지로 마하-젠더 간섭계 구조를 기반으로 할 수 있다. 대안적인 광 스위치 설계가 MEM 기술 및/또는, 예를 들어, 압전 기반 구조, 전기 광학 효과, 자기 공학 효과, 이들의 조합 등과 같은 그 밖의 기계 구조를 기반으로 할 수 있다. 일반적으로, 광 스위치 설계는 본 기술분야에 공지되어 있으며 더욱 지속적인 발전 하에 있다.
도 30은 도 24a의 ROADM 설계의 대안적인 실시형태를 도시하고 있다. ROADM(3000)은 파장 선택 스위치(WSS, 3004)와 MCS 회로(3006) 사이에 배치된 장착형 증폭기 카드(3002)를 포함한다. MCS 회로(3006)는 스플리터(3008)와 스위치 뱅크(3010)를 포함한다. 증폭기는 MCS에 각각의 입력 신호를 증폭할 수 있다. 도 31은, 도 28을 참조하여, 모든 방향의 균일한 트래픽으로 네트워크와 함께 사용하기 위한 저전력 증폭기를 갖는 실시형태의 변형을 도시하고 있다.
도 32는 로드 밸런스에 대해 OXC 크로스 커넥트 스위치(3022)로 입력을 제공하는 입력(3021)에 연결된 8 개 한 세트의 1×20 WSS(3020)를 갖는 ROADM의 일 실시형태를 도시하고 있다. 장착형 증폭기 풀(amplifier pool, 3024)은 WSS에 대한 신호를 증폭한다. 일부 실시형태에서, OXC(3020)로부터의 출력(3030)의 일부는 MCS(3028)의 입력 포트로 전송될 수 있고, OXC의 출력(3032)의 제 2 부분은 MCS의 확장-인 포트(3034)로 전송될 수 있으며, 이들 확장-인 포트(3034)는 바이패스 스위치(3038)로 이어지는 바이패스 광로(3036)에 연결된다. 본 실시형태는 완전 자동 및 유연한 스위칭을 제공하는 단계를 포함한다.
ROADM 내의 대체 경로를 사용하는 ROADM 설계가 도 33에 도시되어 있다. 패널(c)의 구조는 사전에 설치된 많은 수의 DWDM 트랜스폰더 및 광 전송 네트워크 스위치 포트를 기반으로 하는 경쟁 완화를 갖는, 패널(a)에 개략적으로 도시되고 패널(b)의 클라이언트 측 광 섬유 크로스커넥트를 기반으로 하는, ROADM와 대조된다. 본원에 개시된 확장형 스위치가 이러한 구조에서 효과적으로 사용될 수 있지만, 패널(c)의 설계는 중요하진 않은 확률까지 경쟁을 완화하기 위해 스위치의 경쟁 감소 뱅크를 통해 재라우팅하는 단계를 포함한다. ROADM의 일 실시형태의 구조가 도 34에 도시되어 있다.
도 34에 도시된 바와 같이, 경쟁 감소 뱅크는 최대 N-1 경쟁 완화(contention mitigation, CM) 스위치 구조를 포함할 수 있고, 여기서 N은 ROADM으로의 입력의 수이다. 각각의 CM 스위치 구조는 크로스 커넥트 스위치 또는 그 밖의 유사한 스위치 기능과 같은 N×M 스위치를 포함할 수 있다. 도 34에 도시된 바와 같이, 각각의 스위치 구조는 크로스 커넥트 기능을 제공하는 1×8 광 결합기와 1×16 전원 스위치를 포함한다. ROADM은 M 개의 드롭 뱅크를 더 포함한다.
도 34에 도시된 바와 같이, WSS로부터의 출력은, MCS 스위치로 입력을 제공하는 M 개((1×N) 개)의 광 결합기로 전송되고, 경쟁 뱅크로부터의 출력은 또한 MCS 입력으로 전송된다. 본원에 개시된 확장형 MCS 스위치 설계를 기반으로 하는 대안적인 실시형태에서, 경쟁 뱅크로부터의 출력은 MCS 스위치의 확장-인 포트로 전송될 수 있고, WSS로부터의 출력은 결합기를 사용하지 않고 MCS 스위치의 입력으로 전송될 수 있다. 제공된 부하의 함수로서 차단율(blocking rate)은 효과적으로 비경쟁일 수 있다, 예를 들어, 많은 수의 경쟁 뱅크, 특히 5-7 개의 경쟁 뱅크와 함께 10-7 차단율보다 훨씬 작을 수 있다.
라인에 중단이 발생하는 경우, 중단의 위치와는 무관하게 병렬 링을 통해 신호 전송이 대안적으로 발생할 수 있기 때문에, 링 광 네트워크는 상당한 안정성을 제공할 수 있다. 한 세트의 노드를 연결하는 두 개의 병렬 광로를 갖는 링 네트워크의 개념도가 도 35에 도시되어 있다. 예를 들면, 노드 당 대략 4 내지 8 개의 포트, 88 개의 DWDM 파장, 및 무색 ROADM을 갖는 네트워크 메트로 에지(metro edge)로서 이러한 링 네트워크가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 메인 노드 및 관련된 하위 노드를 갖는 집중식 링 네트워크로서 링 네트워크가 사용될 수 있다. 가능성 있는 노드 구조가 도 36에 도시되어 있다.
도 36을 참조하면, 노드(3602)는 애드 및 드롭 기능을 수행하기 위한 두 개의 병렬 구조를 포함한다. 각각의 병렬 광 라인(3604 및 3606)은 노드의 애드(3608, 3610) 및 드롭(3612, 3614)측에 1×2 WSS를 연결한다. 노드의 애드 측은 각각 WSS(3608, 3610)에 연결된 두 개의 MCS(3620, 3622)를 포함하며, MCS(3620, 3622)는 한 세트의 2×1 바이패스 스위치(3624)에서 연결된다. 마찬가지로, 노드의 드롭 측은 각각 WSS(3612, 3614)에 연결된 두 개의 MCS(3640, 3642)를 포함하며, MCS(3640, 3642)는 한 세트의 2×1 바이패스 스위치(3644)에서 연결된다. 통합된 확장형 MCS가 사용되는 경우, 원하는 기능을 제공하기 위해 확장형 스위치의 바이패스 스위치를 사용할 수 있도록, 어느 하나의 MCS(3620 + 3622 또는 3640 + 3642) 쌍으로부터의 출력이 다른 MCS 스위치의 확장-인 포트로 전송될 수 있다.
상기 실시형태는 예시적인 것이며 제한하기 위한 것은 아니다. 추가의 실시형태는 청구 범위 내에 있다. 또한, 본 발명을 특정 실시형태를 참조로 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부사항에서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 상기한 문서의 참조로서의 포함은 본원에 명시된 개시에 반하는 주제가 포함되지 않도록 제한된다.
본원에 포함된 참조는 다음과 같다:
[1] M. Feuer, 등의 Optical Fiber Telecommunications, Vol. B, Systems and Networks, Chapter 8, 2008;
[2] S. Gringeri 등의 IEEE Commn. Mag., p.40, July 2010;
[3] S. Zhong 및 J. Bao의 미국 특허 출원 공개 제 US 2009/0067845호;
[4] L. Nelson 등의 J. Lightwave Technol., p.2933, 2010;
[5] T. Watanabe 등의 OFC/NFOEC, paper OTuD3, 2011.

Claims (36)

  1. 확장 연결부를 갖는 광 스위칭 장치에 있어서,
    상기 장치는 광 집적회로(photonic integrated circuit)를 포함하고, 상기 광 집적회로는 N 개의 입력 광 포트, 여기서 N>1이고, 각각의 입력 광 포트와 관련된 입력 광로, M 개의 출력 광 포트, 여기서 M≥1이고, 각각의 출력 광 포트와 관련된 출력 광로, 각각의 출력 광 포트와 관련된 바이패스 광 스위치 블록, P 개의 확장-인(expansion-in) 포트, 여기서 P≥1이고, 각각의 확장-인 포트와 관련되며 관련된 바이패스 광 스위치 블록과 연결되는 연장 광로, 다수의 광 스위칭 소자, 및 입력 광로 및 출력 광로와 관련된 바이패스 광 스위치 블록 사이의 연결망을 형성하는 관련된 광로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 스위칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 P = mM이고, 여기서 m은 2 이상의 정수이며, 상기 바이패스 광 스위치 블록은 (m+1)×1 광 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 P = M이고, 상기 바이패스 광 스위치 블록은 2×1 광 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    광 스플리터 및 관련된 다수의 광 경로의 트리 구조를 더 포함하고, 상기 다수의 광 스위칭 소자는 스위치 그룹으로 구성되며, 각각의 스위치 그룹은 분리된 광 경로와 관련된 상기 바이패스 광 스위치 블록과 관련되고, 상기 분리된 광 경로는 상기 스위치 그룹에 입력을 제공하며, 스위치 그룹으로의 각각의 입력은 스플리터의 별개의 트리와 관련된 광로에 연결되는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 입력은 K 개의 분기점에 연결되고, 여기서 K≥M이고, K>M인 경우, K-M 개의 광 경로는 휴면 상태인 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    각각의 입력은 K 개의 분기점에 연결되고, 여기서 K<M이며, 광 스위칭 소자는 입력으로부터의 신호를 K 개의 출력의 서브세트로 선택적으로 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    하나의 출력에 연결된 특정 바이패스 스위치와 관련된 상기 바이패스 광 스위치 블록은 N-1 개의 순차적으로 정렬된 2×1 광 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    하나의 출력에 연결된 특정 바이패스 스위치와 관련된 상기 바이패스 광 스위치 블록은 L 개(L=최소 정수≥log2(P))의 순차적 단계의 2×1 광 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 광 스위칭 소자 및 관련된 광로는 각각의 입력 광로와 각각의 출력 광로 사이의 연결을 제공하는 스위치의 개념적인 직사각형 매트릭스를 갖는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    한 세트의 Q 개의 확장-아웃(expansion-out) 광 포트, 각각의 확장-아웃 광 포트와 관련된 확장-아웃 광로, 및 입력 광로를 확장 아웃 광로에 그리고 광 스위칭 소자의 네트워크를 관련된 광로에 연결하는 바이패스 광 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 바이패스 광 스위치 블록들은 지속적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 집적회로는 평면 기판 상에 도파로 집적 광 회로(waveguide integrated optical circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 스위칭 소자는 2×1 광 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 스위칭 소자는 2×2 광 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    입력 라인 또는 출력 라인에 광학적으로 결합되는 광 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  16. 확장 연결부를 갖는 광 스위칭 장치에 있어서,
    상기 장치는 광 집적회로를 포함하고, 상기 광 집적회로는 N 개의 입력 광 포트, 여기서 N≥1이고, 각각의 입력 광 포트와 관련된 입력 광로, M 개의 출력 광 포트, 여기서 M>1이고, 각각의 출력 광 포트와 관련된 출력 광로, 각각의 입력 광 포트와 관련된 바이패스 광 스위치 블록, Q 개의 확장-아웃 포트, 여기서 Q≥1이고, 각각의 확장-아웃 포트와 관련되며 관련된 바이패스 광 스위치 블록과 연결되는 연장 광로, 다수의 광 스위칭 소자, 및 입력 광로와 관련된 상기 바이패스 광 스위치 블록과 상기 출력 광 포트들 사이의 연결망을 형성하는 관련된 광로들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 스위칭 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 광 스위칭 소자 및 관련된 광로는 각각의 입력 광로와 각각의 출력 광로 사이의 연결을 제공하는 스위치의 개념적인 직사각형 매트릭스를 갖는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    광 결합기 및 관련된 다수의 광 경로의 트리 구조를 더 포함하고, 상기 다수의 광 스위칭 소자는 스위치 그룹으로 구성되며, 각각의 스위치 그룹은 입력 광 포트에 연결된 광로와 관련되며, 스위치 그룹의 각각의 출력은 별개의 광 결합기 트리의 분기점과 결합되는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Q = N이고, 상기 바이패스 광 스위치 블록은 2×1 광 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  20. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이패스 광 스위치 블록들은 지속적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  21. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 집적회로는 평면 기판 상에 도파로 집적 광 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  22. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 라인 또는 출력 라인에 광학적으로 결합되는 광 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스위칭 장치.
  23. 선택된 수의 광 입력 포트와 M 개의 광 출력 포트 간의 상호 연결을 동적으로 구성하기 위한 확장형 광 스위치 장치에 있어서,
    상기 스위치 장치는 초기 모듈, 최종 모듈 및 선택적인 중간 모듈을 갖는 구성을 형성하기 위한 광 상호연결부를 갖는 Z 개(Z≥2)의 광 스위칭 모듈을 포함하고, 각각의 광 스위칭 모듈(L)은 NL 개의 입력 포트와 M 개의 출력 포트 및 상기 입력 포트와 출력 포트 사이의 원하는 스위칭 기능을 포함하고, NL의 합은 선택된 광 입력 포트의 수와 동일하고, 초기 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 바이패스 스위치를 통해 각각의 출력 포트와 결합된 한 세트의 확장-인 포트를 가지며, 최종 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 또 다른 모듈의 확장-인 포트와 결합된 한 세트의 출력 포트를 갖는 것을 특징으로 하는, 확장형 광 스위치 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    각각의 광 스위칭 모듈은 광 스플리터 및 관련된 다수의 광 경로의 트리 구조, 및 다수의 광 스위칭 소자 및 광 스플리터와 바이패스 스위치 사이의 연결망을 형성하는 관련된 광로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확장형 광 스위치 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 광 스위칭 모듈들은 제 1 항 또는 제 2 항의 광 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 확장형 광 스위치 장치.
  26. N 개의 광 입력 포트와 선택된 수의 광 출력 포트 간의 상호 연결을 동적으로 구성하기 위한 확장형 광 스위치 장치에 있어서,
    상기 스위치 장치는 초기 모듈, 최종 모듈 및 선택적인 중간 모듈을 갖는 구성을 형성하기 위한 광 상호연결부를 갖는 Z 개(Z≥2)의 광 스위칭 모듈을 포함하고, 각각의 광 스위칭 모듈(L)은 N 개의 입력 포트와 ML 개의 출력 포트 및 상기 입력 포트와 출력 포트 사이의 원하는 스위칭 기능을 포함하고, ML의 합은 선택된 광 출력 포트의 수와 동일하고, 최종 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 바이패스 스위치를 통해 각각의 입력 포트와 결합된 한 세트의 확장-아웃 포트를 가지며, 초기 모듈이 아닌 각각의 광 스위칭 모듈은 또 다른 모듈의 확장-아웃 포트와 결합된 한 세트의 입력 포트를 갖는 것을 특징으로 하는, 확장형 광 스위치 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 광 스위칭 모듈들은 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 광 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 확장형 광 스위치 장치.
  28. 다수의 노드, 상기 노드에 연결된 두 개의 서로 다른 광 링(optical ring), 및 각각의 노드에서 각각의 광 링과 N 개의 출력 광 라인 간의 광 연결을 제공하는 광 분기점을 포함하는 광 링 네트워크에 있어서, 상기 광 분기점은 각각의 링에 연결된 두 개의 1×N 광 스위치 및 각각의 1×N 광 스위치와 N 개의 출력 광 라인을 연결하는 N 개의 2×1 바이패스 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 링 네트워크.
  29. 제 28 항에 있어서,
    각각의 1×N 광 스위치는 광 스플리터 및 관련된 다수의 광 경로의 트리 구조, 및 스위치 그룹으로 구성되는 다수의 광 스위칭 소자를 포함하고, 스위치 그룹의 각각의 소자는 광 스플리터 구조와 바이패스 스위치 사이에 연결된 광로와 관련된 것을 특징으로 하는 광 링 네트워크.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 1×N 광 스위치들은 제 1 항 또는 제 16 항의 광 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 링 네트워크.
  31. N 개의 광로, N'×M' 크로스 커넥트 스위치(cross connect switch, OXC), 및 N"×M" 멀티캐스트 스위치(multicast switch, MCS), 한 세트의 바이패스 스위치 및 OXC 출력과 바이패스 스위치 사이의 한 세트의 바이패스 광로를 포함하는 광 네트워크 스위칭 노드에 있어서, 바이패스 스위치는 MCS 출력에 또한 연결되는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 MCS는 제 1 항 또는 제 16 항의 광 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
  33. N 개의 입력 광로, 드롭 뱅크(drop bank) 및 경쟁 완화 구조를 포함하는 광 네트워크 스위칭 노드에 있어서, 상기 드롭 뱅크는 멀티캐스트 스위치(MCS)를 포함하고 상기 경쟁 완화 구조는 선택적 광 스위치를 포함하고, 상기 선택적 광 스위치로부터의 출력은 광 채널을 통해 상기 MCS의 입력으로 전송되며, 상기 N 개의 입력 광로는 상기 경쟁 완화 구조에 입력을 제공하는 서브세트 및 상기 드롭 뱅크에 입력을 제공하는 또 다른 서브세트로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 MCS는 제 1 항 또는 제 16 항의 광 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 MCS는 출력 광로, 확장-인 포트, 상기 확장-인 포트에 연결된 바이패스 광로, 및 상기 바이패스 광로 및 출력 광로에 광학적으로 연결되어 출력 광로에 광 신호를 선택적으로 전송하는 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 선택적 광 스위치는 상기 MCS의 확장-인 포트에 광학적으로 연결된 출력 광로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 선택적 광 스위치는 상기 MCS의 입력 포트에 광학적으로 연결된 출력 광로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 네트워크 스위칭 노드.
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