一种多波长的光交换单元设计方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及网络通信技术领域中的一种多波长的光交换单元设计方法。本发明通过对光交换单元的设计，可用于多波长多模式的光信号交换。

背景技术：

目前高性能计算系统中多采用基于电交换、光链路传输的方式，电交换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。多波长多模式的光信号交换满足未来高性能计算系统的高带宽、低功耗、通信容量大、传输距离远的通信需求。片上光路由器是光片上网络设计中不可或缺的组成部分，其光交换单元则是实现互连与交换功能的核心，光交换单元的性能与设计在很大程度上决定了整个光片上网络的核间通信性能。

西安邮电大学在其申请的专利文献“一种无源光互联网络结构”(申请日：2018年12月5日，公开号：cn109525909a)中公开了一种无源光互连网络结构。涉及到片上无源光互连网络结构，适用于大规模多核处理元结构的通信，采用波分复用技术，通过两级光网络交换结构，减少微环谐振器个数、提高访问带宽、降低插入损耗、降低访问延迟。但是，该发明存在的不足之处是：使用微环数目过多，浪费芯片面积，芯片成品率低。

中国科学院半导体研究所在其申请的专利文献“一种基于马赫曾德光开关的n端口光学路由器”(申请日：2014年4月24日，公开号：103941349a，授权公告号：103941349b)中公开了一种基于马赫曾德干涉器的n端口路由方法，主要解决光交换网络扩展性与无阻塞问题。该方法通过调制马赫曾德干涉器对应调制臂的相位，可以实现马赫曾德光开关两种状态的动态切换，进而实现所述光学路由器n个双向端口的无阻塞。但是，该发明存在的不足之处是：基于马赫曾德干涉器导致交换网络面积过大，光交换单元设计方法复杂，光交换处理效率低。

中国电子科技集团公司第三十四研究所在其申请的专利文献“一种级联mems光开关的n×m光交换矩”(申请日：2018年9月13日，申请号：cn201811069355，授权公告号:cn108828724a)中公开了一种一种级联mems光开关的n×m光交换开关方法，各mems光开关分别连接控制电路，控制中心连接控制n+m个控制电路，控制n+m个mems光开关。从n个输入端口中的任一输入的信号光可从m个输出端口中的任一端口输出，实现低成本的n×m光路无阻塞切换光交换矩阵。该方法主要解决现有光交换单元处理程度低的问题。但是，该方法仍然存在的不足之处是：mems光开关控制电路复杂，光交换单元规模扩展难度大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种多波长的光交换单元设计方法，解决了现有技术中微环数目过多、交换网络面积过大、光交换单元扩展难度大的问题。

实现本发明目的的思路是，运用模块分割法，对光信号数据依次进行多次分割与交换，直到满足终止条件得到光信号波长集合，根据光信号数据和光信号波长绘制光交换单元设计图。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)创建两个表并输入数据初始值：

(1a)创建两个行数和列数均相等的表t、表e，其中，将初始行数设置为1，列数等于光交换单元的端口总数；

(1b)将用户输入的第一组数据i1,i2,…in作为光信号输入数据，用户输入的第二组数据o1,o2,…on作为光信号输出数据，其中，n的取值等于光交换单元的端口总数；

(1c)依次在表t中填入光信号输入数据；

(1d)依次在表e中填入光信号输出数据；

(2)分割数据：

利用模块分割法，将表t的当前行随机分割成多个小数据块和分割后的剩余数据；所述模块分割法是将表t中的当前行互不重叠地随机分成s个小数据块，每个小数据块内均含有两个相邻数据，其中，表示向下取整操作；

(3)变换数据位置：

(3a)将分割后表t的当前行中，每个小数据块中的两个数据ii,ij对应到表e的两个数据oi,oj，将数据oi,oj按其在表e第一行的位置进行交换，依次填入表e当前行的下一行，其他位置不填数据，其中1≤i,j≤n；

(3b)将分割后表t的当前行中，每个小数据块中的两个数据按其在表t当前行的位置进行交换，在表t当前行的下一行，依次填入交换位置后的数据和分割后的剩余数据；

(4)判断表e中的每一列是否都填入所有光信号输出数据o1,o2,…on，若是，执行步骤(5)；否则，执行步骤(2)；(4)判断表e中的每一列是否都填入光信号输出数据，若是，执行步骤(5)；否则，执行步骤(2)；

(5)判断是否得到1000个表t，若是，则将1000个表t组成一个表t集合c后执行步骤(6)；否则，执行步骤(1)；

(6)判断表t集合c中是否存在符合条件的表t，若是，则将满足条件的所有表t组成一个表t集合d后执行步骤(7)；否则，执行步骤(1)；所述条件是指，表t集合c中的所有满足小数据块总和为的表t；

(7)组成最优集合b：

从集合d中选取行数最少的所有的表t，组成一个最优集合b；

(8)在1490-1550nm范围内选取f个光通信波长，其中，f表示光通信波长的总数，其值等于最优集合b中每一个表t中列的总数；

(9)分配光通信波长：

(9a)表t多行中数据块选中的光信号输入数据之间不相重复时，多行分配同一个光通信波长；无法与其他行共享同一个波长时为该行分配其他光通信波长；最后一行不分配波长；

(9b)选同一个光通信波长的多行之间行数差最大的表t集合，组成光信号波长集合a；

(10)绘制光交换单元设计图：

(10a)对于光信号波长集合a中的每一个表t，将输入端口从上到下依次排列，各个端口依次与光通信波导w1,w2,…wn左侧相连，n的取值等于光交换单元的端口总数；

(10b)对于光信号波长集合a中的每一个表t，其中每个小数据块对应一个基于微环谐振器的2×2基本交换单元，根据每行的每个小数据块选中的数据ii,ij，将光通信波导wi,wj分别连接该2×2基本交换单元的左侧上、下两个端口，从左到右以此类推至其他行数据块；

(10c)将输出端口按照从上到下依次排列，与交换单元右侧光波导依次相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，由于本发明利用模块分割法得到多个小数据块，更大程度利用宝贵的片上面积，克服了现有技术微环数目过多的问题，使得本发明具有扩展性强、能耗较低的优点。

第二，由于本发明的每个小数据块采用基于微环谐振器的2×2基本交换单元，克服了现有技术中采用基于马赫曾德干涉器导致交换网络面积过大的问题，使得本发明具有面积紧凑、良品率高的优点。

第三，由于本发明采用多波长的光交换单元设计方法，克服了现有技术中光交换单元扩展难度大的问题，使得本发明具有实现性强、扩展性强的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中一个2×2基本交换单元的示意图；

图3是本发明采用4端口的微环谐振器光交换单元示意图；

图4是本发明采用6端口的微环谐振器光交换单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步描述。

参照附图1，对本发明的具体步骤做进一步描述。

步骤1，创建两个表并输入数据初始值。

创建两个行数和列数均相等的表t、表e，其中，将初始行数设置为1，列数等于光交换单元的端口总数。

将用户输入的第一组数据i1,i2,…in作为光信号输入数据，用户输入的第二组数据o1,o2,…on作为光信号输出数据，其中，n的取值等于光交换单元的端口总数.

依次在表t中填入光信号输入数据。

依次在表e中填入光信号输出数据。

步骤2，分割数据。

利用模块分割法，将表t的当前行随机分割成多个小数据块和分割后的剩余数据；所述模块分割法是将表t中的当前行互不重叠地随机分成s个小数据块，每个小数据块内均含有两个相邻数据，其中，表示向下取整操作。

步骤3，变换数据位置。

将分割后表t的当前行中，每个小数据块中的两个数据ii,ij对应到表e的两个数据oi,oj，将数据oi,oj按其在表e第一行的位置进行交换，依次填入表e当前行的下一行，其他位置不填数据，其中1≤i,j≤n。

将分割后表t的当前行中，每个小数据块中的两个数据按其在表t当前行的位置进行交换，在表t当前行的下一行，依次填入交换位置后的数据和分割后的剩余数据。

步骤4，判断表e中的每一列是否都填入光信号输出数据，若是，执行步骤5；否则，执行步骤2。

步骤5，判断是否得到1000个表t，若是，则将1000个表t组成一个表t集合c后执行步骤6；否则，执行步骤1。

步骤6，判断表t集合c中是否存在符合条件的表t，若是，则将满足条件的所有表t组成一个表t集合d后执行步骤(7)；否则，执行步骤(1)；所述条件是指，表t集合c中的所有满足小数据块总和为的表t。

步骤7，组成最优集合b。

从集合d中选取行数最少的所有的表t，组成一个最优集合b。

步骤8，在1490-1550nm范围内选取f个光通信波长，其中，f表示光通信波长的总数，其值等于最优集合b中每一个表t中列的总数。

分配光通信波长：表t多行中数据块选中的光信号输入数据之间不相重复时，多行分配同一个光通信波长；无法与其他行共享同一个波长时为该行分配其他光通信波长；最后一行不分配波长。选同一个光通信波长的多行之间行数差最大的表t集合，组成光信号波长集合a。

步骤9，绘制光交换单元设计图。

对于光信号波长集合a中的每一个表t，将输入端口从上到下依次排列，各个端口依次与光通信波导w1,w2,…wn左侧相连，n的取值等于光交换单元的端口总数.

对于光信号波长集合a中的每一个表t，其中每个小数据块对应一个基于微环谐振器的2×2基本交换单元，根据每行的每个小数据块选中的数据ii,ij，将光通信波导wi,wj分别连接该2×2基本交换单元的左侧上、下两个端口，从左到右以此类推至其他行数据块。

将输出端口按照从上到下依次排列，与交换单元右侧光波导依次相连。

下面结合附图2，对基本交换单元做进一步说明。

基于微环谐振器的2×2交换单元由两小段相互垂直且交叉的光波导和位于交叉点下方的圆形微环谐振器组成。通过外加电压方式，微环谐振器可以在谐振状态与非谐振状态之间切换。

光信号ia,ib分别从基于微环谐振器的2×2交换单元左侧上、下两个端口注入，若微环谐振器处于非谐振状态，从基于微环谐振器的2×2交换单元右侧上、下两个端口输出的光信号变为ib,ia，如图2(a)；若微环谐振器处于谐振状态时，从基于微环谐振器的2×2交换单元右侧上、下两个端口输出的光信号仍为ia,ib，如图2(b)。

下面结合附图3，对4端口的微环谐振器光交换单元做进一步说明。

光交换单元的端口总数为4，光信号输入数据为i1,i2,i3,i4。

表t第一行为i1,i2,i3,i4，两个数据块分别选中i1和i2、i3和i4，表e的第一行为o1,o2,o3,o4。表t第二行为i2,i1,i4,i3，数据块选中i1和i4，表e的第二行为o2,o1,o4,o3。表t第三行为i2,i4,i1,i3，两个数据块分别选中i2和i4、i1和i3，表e的第三行为o4,-,-,o1，-表示该处没有数据。表t第四行为i4,i2,i3,i1，数据块选中i2和i3，表e的第四行为o3,o4,o1,o2。表t第五行为i4,i3,i2,i1，表e的第五行为-,o3,o2,-，至此，表e的每一列都填入所有光信号输出数据o1,o2,o3,o4，得到一个属于集合c的表t。该表t中小数据块总数为6、等于因此该表t属于集合d，经过与属于集合d的其他表t(按照本发明方法的步骤1-6，通过编写程序生成)对比，该表t属于最优集合b。

分配光通信波长：表t的第二行与第四行中数据块分别选中的光信号输入数据i1和i4、i2和i4之间不相重复，为第二行与第四行分配同一个光通信波长；为无法与其他行共享同一个波长的第一行与第三行，分别分配其他光通信波长；第五行不分配波长。此时，该表t属于光信号波长集合a。

将输入端口1,2,3,4从上到下依次排列，各个端口依次与光波导w1,w2,w3,w4左侧相连。第一级中，基于微环谐振器1的2×2基本交换单元、基于微环谐振器2的2×2基本交换单元分别对光信号i1和i2、i3和i4进行交换，左侧分别连接光波导w1和w2、w3和w4。第二级中，基于微环谐振器3的2×2基本交换单元对光信号i1和i4进行交换，左侧分别连接光波导w1和w4。第三级中，基于微环谐振器4的2×2基本交换单元、基于微环谐振器5的2×2基本交换单元分别对光信号i2和i4、i1和i3进行交换，左侧分别连接光波导w2和w4、w1和w3。第四级中，基于微环谐振器6的2×2基本交换单元对光信号i2和i3通过进行交换，左侧分别连接光波导w2和w3。第五级中，光信号从上到下依次为i4,i3,i2,i1，分别对应光波导w4,w3,w2,w1。其中，第二级的微环谐振器3与第四级的微环谐振器6的谐振波长相同。

将输出端口1,2,3,4从上到下依次排列，与交换结构右侧的光波导w4,w3,w2,w1依次相连。

按照本发明方法可构建多种4端口光交换单元，上述仅为其中一种情况。

下面结合附图4，对6端口的微环谐振器光交换单元做进一步说明。

光交换单元的端口总数为4，光信号输入数据为i1,i2,i3,i4,i5,i6。

表t第一行为i1,i2,i3,i4,i5,i6，两个数据块分别选中i2和i3、i4和i5，表e的第一行为o1,o2,o3,o4,o5,o6。表t第二行为i1,i3,i2,i5,i4,i6，两个数据块分别选中i1和i3、i4和i6，表e的第二行为-,o3,o2,o5,o4,-，-表示该处没有数据。表t第三行为i3,i1,i2,i5,i6,i4，数据块选中i2和i5，表e的第三行为o3,-,o1,o6,-,o4。表t第四行为i3,i1,i5,i2,i6,i4，两个数据块分别选中i1和i5、i2和i6，表e的第四行为-,o5,-,-,o2,-。表t第五行为i3,i5,i1,i6,i2,i4，数据块选中i1和i6，表e的第五行为o5,o6,-,-,o1,o2。表t第六行为i3,i5,i6,i1,i2,i4，两个数据块分别选中i3和i5、i2和i4，表e的第六行为o6,-,-,-,-,o1。表t第七行为i5,i3,i6,i1,i4,i2，两个数据块分别选中i3和i6、i1和i4，表e的第七行为-,o4,o5,o2,o3,-。表t第八行为i5,i6,i3,i4,i1,i2，三个数据块分别选中i5和i6、i3和i4，i1和i2，表e的第八行为o4,-,o6,o1,-,o3。表t第九行为i6,i5,i4,i3,i2,i1，表e的第九行为o2,o1,o4,o3,o6,o5，至此，表e的每一列都填入所有光信号输出数据o1,o2,o3,o4,o5,，o6得到一个属于集合c的表t。该表t中小数据块总数为15、等于因此该表t属于集合d，经过与属于集合d的其他表t(按照本发明方法的步骤1-6，通过编写程序生成)对比，该表t属于最优集合b。

分配光通信波长存在两种方案：

方案一：表t的第一行与第五行中数据块分别选中的光信号输入数据i2和i3、i4和i5与i1和i6之间不相重复，为第一行与第五行分配同一个光通信波长；表t的第三行与第七行中数据块分别选中的光信号输入数据i2和i5与i3和i6、i1和i4之间不相重复，为第三行与第七行分配同一个光通信波长；为无法与其他行共享同一个波长的第二、四、六、八行，分别分配其他光通信波长；第九行不分配波长。

方案二：表t的第二行与第三行中数据块分别选中的光信号输入数据i1和i3、i4和i6与i2和i5之间不相重复，为第二行与第三行分配同一个光通信波长；表t的第五行与第六行中数据块分别选中的光信号输入数据i1和i6与i3和i5、i2和i4之间不相重复，为第五行与第六行分配同一个光通信波长；为无法与其他行共享同一个波长的第一、四、七、八行，分别分配其他光通信波长；第九行不分配波长。

选同一个光通信波长的多行之间行数差最大的方案一，此时，该表t属于光信号波长集合a。

将输入端口1,2,3,4,5从,6上到下依次排列，各个端口依次与光波导w1,w2,w3,w4,w5,w左6侧相连。

第一级中，基于微环谐振器1的2×2基本交换单元、基于微环谐振器2的2×2基本交换单元分别对光信号i2和i3、i4和i5进行交换，左侧分别连接光波导w2和w3、w4和w5。第二级中，基于微环谐振器3的2×2基本交换单元、基于微环谐振器4的2×2基本交换单元分别对光信号i1和i3、i4和i6进行交换，左侧分别连接光波导w1和w3、w4和w6。第三级中，基于微环谐振器5的2×2基本交换单元对光信号i2和i5进行交换，左侧分别连接光波导w2和w5。第四级中，基于微环谐振器6的2×2基本交换单元、基于微环谐振器7的2×2基本交换单元分别对光信号i1和i5、i2和i6进行交换，左侧分别连接光波导w1和w5、w2和w6。第五级中，基于微环谐振器8的2×2基本交换单元对光信号i1和i6进行交换，左侧分别连接光波导w1和w6。第六级中，基于微环谐振器9的2×2基本交换单元、基于微环谐振器10的2×2基本交换单元分别对光信号i3和i5、i2和i4进行交换，左侧分别连接光波导w3和w5、w2和w4。第七级中，基于微环谐振器11的2×2基本交换单元、基于微环谐振器12的2×2基本交换单元分别对光信号i3和i6、i1和i4进行交换，左侧分别连接光波导w3和w6、w1和w4。第八级中，基于微环谐振器13的2×2基本交换单元、基于微环谐振器14的2×2基本交换单元、基于微环谐振器15的2×2基本交换单元分别对光信号i5和i6、i3和i4、i1和i2进行交换，左侧分别连接光波导w5和w6、w3和w4、w1和w2。第九级中，光信号从上到下依次为i6,i5,i4,i3,i2,i1，分别对应光波导w6,w5,w4,w3,w2,w1。其中，第一级的微环谐振器1、微环谐振器2与第五级的微环谐振器8的谐振波长相同，第三级的微环谐振器5与第七级的微环谐振器11、微环谐振器12的谐振波长相同。

将输出端口1,2,3,4,5,从6上到下依次排列，与交换结构右侧的光波导w6,w5,w4,w3,w2,w1相连。

按照本发明方法可构建多种6端口光交换单元，上述仅为其中一种情况。