本发明涉及硅基光电子技术领域，涉及一种光交换开关，可用于多波长多模式的光信号的路由与交换。
背景技术
随着大数据处理应用对处理效率的需求，未来高性能计算系统要向e级计算能力的目标迈进，而e级高性能计算系统在单链路带宽和功耗方面有着严格的要求。首先，单链路带宽要达到tbps级别才能支持未来高性能计算系统中数十万节点的互连；其次，业界共识，e级高性能计算系统功耗将限制在20mw左右。目前高性能计算系统中多采用基于电交换开关交换、光链路传输的方式，常用的电交换开关的端口速率仅在数百gbps级别，但单台电交换机的功耗却高达数千瓦特量级。因此，电交换开关继续应用到未来高性能计算系统中，会在网络带宽、芯片功耗方面暴露出明显的不足，越来越无法满足未来高性能计算系统的高带宽、低功耗的通信需求。
随着硅基光电子集成工艺的重大突破，基于该工艺的光交换开关逐渐展现出低功耗、高带宽的优势，在未来高性能计算系统中使用光交换芯片有希望构建新一代大规模、低功耗、高带宽的光互连系统。
浙江大学杨建义等人设计的4端口光交换开关，如图1所示，其使用了4根波导和7个微环谐振器，且所有微环谐振器的工作波长相同，该结构由于过分简单，且工作波长单一，因此无法支持更高的端口数据速率，特别是在应用到光互连网络中时无法满足tbps级别的单链路带宽需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有交换开关的不足，提出一种基于波长和模式复用的微环谐振器光交换开关，以提高端口数据速率，满足光互连网络中tbps级别的单链路带宽需求。
为了实现上述目的，本发明包括：若干个光交换模块，模块之间采用混合级三级网络结构互连，其特征在于：每个光交换模块采用基于波长和模式复用的2×2结构，其包括：两个输入光波导、两个输出光波导、两个模式解复用器、两个模式复用器和m个单模式交换单元，m为大于等于1的整数；
每个模式解复用器均有一个输入端口和m个输出端口；每个模式复用器均有m个输入端口和一个输出端口；每个单模式交换单元均有两个输入端口和两个输出端口；
第一输入光波导与第一模式解复用器的输入端口连接；第一模式解复用器的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第一输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第一输出端口分别与第一模式复用器的每一个输入端口对应连接；第一模式复用器的输出端口与第一输出光波导连接；
第二输入光波导与第二模式解复用器的输入端口连接；第二模式解复用器的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第二输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第二输出端口分别与第二模式复用器的每一个输入端口对应连接；第二模式复用器的输出端口与第二输出光波导连接。
作为优选，所述的每个输入光波导和每个输出光波导，均采用多模式光波导结构。
作为优选，所述的每一个单模式交换单元均包括两根交叉光波导和两个微环谐振器；第一交叉光波导与第二交叉光波导交叉连接；第一微环谐振器位于交叉点的上部，第二微环谐振器位于交叉点的下部。
作为优选，所述的每个交叉光波导均采用单模式光波导结构，每个微环谐振器均采用单模式微环谐振器结构，且两者所支持的光模式一致。
作为优选，所述的第一微环谐振器和第二微环谐振器的微环半径、有效折射率、谐振波长组和自由光谱距离fsr相同。
本发明具有如下优点
本发明由于每个光交换模块采用基于波长和模式复用的2×2结构，提升了光交换开关的带宽，这是因为：
第一，由于每个光交换模块中的微环谐振器有一组波长间隔为fsr的谐振波长组，因此能使用多个波长并行通信，即波分复用，可使光信号数据速率提高n倍，所述n为使用的光信号波长数目。
第二，由于每个光交换模块中设有多模式光波导和m个单模式交换单元，因此能使用多个光模式并行通信，即模分复用，可使单端口的单向光信号数据速率提高m倍，所述m为所使用的模式数目。
附图说明
图1是现有的光交换开关结构示意图；
图2是本发明4端口的整体结构图；
图3是本发明中的基本光交换模块结构图；
图4是本发明中的实验实例结构图。
具体实施方式
为使本发明的创作特征、达成目的、技术原理及优点易于理解，下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明。
实施例1：基于波长和模式复用的4端口微环谐振器光交换开关。
参照图2，本实例包括6个2×2基本光交换模块，采用基于混合级的三级网络互连方式，其中，第一基本光交换模块和第二基本光交换模块组成第一级网络，第三基本光交换模块和第四基本光交换模块组成第二级网络，第五基本光交换模块和第六基本光交换模块组成第三级网络。
每个2×2基本光交换模块包含两个多模式输入光波导、两个多模式输出光波导，6个2×2基本光交换模块之间的连接关系为：
第一基本光交换模块的第一输入光波导m1_i1和第二输入光波导m1_i2分别作为本实例的第一输入端口和第二输入端口，第二基本光交换模块的第一输入光波导m2_i1和第二输入光波导m2_i2分别作为本实例的第三输入端口和第四输入端口；
第一基本光交换模块的第一输出光波导m1_o1与第三基本光交换模块的第一输入光波导m3_i1连接，第一基本光交换模块的第二输出光波导m1_o2与第四基本光交换模块的第一输入光波导m4_i1连接，第二基本光交换模块的第一输出光波导m2_o1与第三基本光交换模块的第二输入光波导m3_i2连接，第二基本光交换模块的第二输出光波导m2_o2与第四基本光交换模块的第二输入光波导m4_i2连接；
第三基本光交换模块的第一输出光波导m3_o1与第五基本光交换模块的第一输入光波导m5_i1连接，第三基本光交换模块的第二输出光波导m3_o2与第六基本光交换模块的第一输入光波导m6_i1连接，第四基本光交换模块的第一输出光波导m4_o1与第五基本光交换模块的第二输入光波导m5_i2连接，第四基本光交换模块的第二输出光波导m4_o2与第六基本光交换模块的第二输入光波导m6_i2连接；
第五基本光交换模块的第一输出光波导m5_o1和第二输出光波导m5_o2分别作为本实例的第一输出端口和第二输出端口，第六基本光交换模块的第一输出光波导m6_o1和第二输出光波导m6_o2分别作为本实例的第三输出端口和第四输出端口。
参照图3，每个2×2基本光交换模块除了包含两个输入光波导、两个输出光波导外，还包括两个模式解复用器、两个模式复用器和m个单模式交换单元。
所述两个多模式输入光波导和两个多模式输出光波导均支持m个混合的光模式进行传输，同时也支持n个混合的波长进行传输，所支持的模式分别为m1,m2,…,mm，所支持的波长分别为λ1,λ2,…,λn。所述每个模式解复用器均有一个输入端口和m个输出端口，模式解复用器的输入端口支持m个光模式，模式解复用器的每一个输出端口支持的光模式与m个光模式一一对应，同时每个模式解复用器也支持n个混合的波长进行传输，所支持的模式分别为m1,m2,…,mm，所支持的波长分别为λ1,λ2,…,λn；所述每个模式复用器均有m个输入端口和一个输出端口，模式复用器的每一个输入端口支持的光模式与m个光模式一一对应，模式复用器的输出端口支持m个光模式，同时每个模式复用器也支持n个混合的波长进行传输，所支持的模式分别为m1,m2,…,mm，所支持的波长分别为λ1,λ2,…,λn；所述每一个单模式交换单元均有两个输入端口和两个输出端口，每一个单模式交换单元支持的光模式与m个光模式一一对应，同时每个单模式交换单元也支持n个混合的波长进行传输，所支持的模式分别为m1,m2,…,mm，所支持的波长分别为λ1,λ2,…,λn。
其内部连接关系为：
第一输入光波导与第一模式解复用器de1的输入端口连接；第一模式解复用器de1的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第一输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第一输出端口分别与第一模式复用器x1的每一个输入端口对应连接；第一模式复用器x1的输出端口与第一输出光波导连接；
第二输入光波导与第二模式解复用器de2的输入端口连接；第二模式解复用器de2的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第二输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第二输出端口分别与第二模式复用器x2的每一个输入端口对应连接；第二模式复用器x2的输出端口与第二输出光波导连接。
图3所述的每个2×2基本光交换模块，其单端口单向的光信号数据速率可用一般化的公式给出，令单波长的数据速率为f，波长复用数值为n，模式复用数值为m，则单端口单向的光信号数据速率为：f＝f×n×m。
本发明的效果可通过以下实验实例进一步说明：
实验参数为：设波长复用数值n为8，模式复用数值m为4，以构成一个基于波长和模式复用的2×2基本光交换模块，同时也构成一个2端口光交换开关，结构如图4所示。
对图4所示的光交换开关，设定单波长的数据速率f为40gbps，波长λ1,λ2,…,λn为8个复用的波长，模式m1,m2,…,mm为4个复用的模式。
用所设的8个波长和4个模式，利用图4所示的光交换开关进行光信号传输和交换。计算其单端口单向的光信号数据速率为:f＝f×8×4＝40gbps×8×4＝1.28tbps，该速率相比现有交换开关仅在数百gbps的单端口速率，提高了至少一个量级，可实现互连网络中tbps级别的单链路带宽需求。
应当理解，以上所描述的具体实施例以及发明效果的实验实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，更高端口速率的片上光交换开关可通过本发明内容中的波长和模式复用规则进行扩展实现，更高端口数的片上光交换开关可通过混合级三级网络结构互连规则进行扩展实现。