光电交换机的制作方法

发明领域

本发明涉及光电交换机，具体地说涉及包括多个交换机模块和光学全网状互连器的光电交换机，每个交换机模块包括多个阵列波导光栅(awg)和至少一个检测器再调制器drm阵列。

发明背景

已知交换系统可由awg和可调波长变换器(twc)的组合构成，并且近年来已经认识到光交换中的循环awg的潜能。ye等人(ieee/acm网络学报(ieee/acmtransactionsonnetworking)，2014年2月，第pp卷，第99期，第1页)描述awg在clos型光交换机和其他架构中的使用，并且ngo等人(2004年，ieee通信学会的第二十三届会议会议录(proceedings23rdconferenceofieeecommunicationssoc))已说明可重排非阻塞和严格非阻塞的awg交换机架构。lucerna等人(在2011年的ieee第12届高性能交换和路由国际会议(ieee12thinternationalconfonhighperformanceswitchingandrouting)中的awg-basedarchitectureforopticalinterconnectioninasynchronoussystems文章中)已讨论高端口数awg中的串扰问题并且提出通过调度分组来克服此问题的方法。在所有这类系统中，一定存在光波长转换的有效方法，并且所述波长必须是可调谐的。pallavi和lakshmi(2013年4月的信息技术和计算机科学(i.j.informationtechnologyandcomputerscience)，30-39)已讨论由awg构成的光分组交换机，其中对整个分组交换机具有中央控制。us8,792,787描述涉及twc和awg的光分组交换机，所述twc和awg组合在层中并且在2个或更多个阶段中。

发明概述

根据第一方面，本发明提供光电交换机，其包括：n个交换机模块，其中n是整数；以及光学全网状互连器；每个交换机模块包括：m个面向客户端的输入端口、以及m个面向输出的端口，m是等于或不等于n的整数；前网状阵列波导光栅(awg)，所述前网状awg具有m个输入端和n个输出端，所述n个输出端中的每一个连接到所述光学全网状互连器上的相应输入端；后网状awg，所述后网状awg具有n个输入端和m个输出端，所述n个输入端中的每一个连接到所述光学全网状互连器的相应输出端并且所述m个输出端中的每一个用于将信号传送到所述交换机模块的所述m个输出端中的一个或多个；以及位于所述前网状awg之前的检测器再调制器(drm)的第一阵列，所述第一阵列中的每个drm被配置来从所述交换机模块的输入端接收信号并且再生和/或改变所述接收到的信号的波长以产生drm输出，所述drm输出在所述前网状awg的相应端口处形成输入。

以此方式，所述前网状awg和所述后网状awg都用于波分多路复用/解复用以及波长路由。

优选地，所有awg都是循环awg。设想的是，本文所述的实施方案中的任一个的awg中的一个或多个可由替代波长相关的光学部件(诸如中阶梯光栅)代替。

为了本发明的目的，drm应被理解为一种类型的可调波长变换器(twc)的实例。设想的是，本文所述的实施方案中的任一个的drm中的一个或多个可由替代twc来代替。

更详细地，检测器再调制器是用于将第一光信号转换成第二光信号的装置。为了本发明的目的，第一光信号将具有第一波长并且第二光信号可具有不同于第一波长的第二波长，以使得drm中的每一个用作波长转换器。

drm包括光电探测阶段(例如，光电二极管)，其中(调制的)第一光信号被检测并转换成电信号。光电探测阶段在调制阶段(即，调制器)之后进行，所述调制阶段被配置来从光电探测阶段接收电信号并且还接收具有可调谐波长的未调制的光输入。未调制的光输入由在光电探测阶段产生的调制电信号进行调制。因此，在调制阶段产生的调制光信号将具有与未调制光信号的波长对应的波长。同时，在电域中，信号在被施加至第二波长/信道之前可例如通过以下方法中的一种或多种而有利地处理：放大、再成形、重定时、以及滤波。因此，每个drm可包括用于执行这些功能中的一种或多种的cmos芯片，所述cmos芯片将drm的光电探测器连接到drm的调制器。

在我们的gb1403191.8中，其全部公开内容以引用方式并入本文，我们描述可形成本发明的检测器再调制器(drm)中的一个或多个的drm的许多实例。

检测器再调制器的一个实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(用于接收第一光信号)的检测器；耦合到第二输入波导(用于接收可调谐波长输入)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、第二输入波导以及输出波导可被布置在彼此相同的水平面内；并且其中调制器包括其中半导体结被水平地跨波导设置的调制波导区域。调制区域可以是相位调制区域或振幅调制区域。然而，应当理解，可使用被配置来充当波长转换器的任何合适的drm。可调谐激光器通常在给定的波长范围内是连续可调谐的。然而，在可调谐激光器的定义中还包括一种可调谐激光器，其在整个波段上可能不是可调谐的，但是其中可在所述波段上选择预设波长。

在使用传统的twc构建基于awg的交换机时，交换机级数和交换机的最大尺寸受到awg的插入损耗量的限制。使用drm而不是传统的twc通过在需要允许较大的交换机时再生信号来消除插入损耗的问题。drm可使用不同的技术(诸如光-电-光(oeo)转换)来执行再生。drm可用于实现电路交换。带有oeo功能的drm还可包含电子缓冲区，并且可用于缓冲数据以实现突发交换机、分组交换机或信元交换机。

如本文所述的检测器再调制器(drm)的开发使得能够以灵活和可扩展的方式进行分组交换。drm可被制成具有变化的功能，并且因此使得迄今为止不可行的多种光交换机架构成为可能。

从而在本发明中，我们通过使用drm和awg的新型组合来公开如何构建增量可部署的可扩展交换系统。

可直接或间接地将来自交换机模块的每个输入端的信号提供到drm的第一阵列。当被间接施加时，来自交换机模块的输入端的信号可通过将在下文中更详细地解释的其他部件而到达drm之一或drm的第一阵列的输入端。

本发明的紧密光子/电子集成降低功率消耗。光域中的交换忽视电子器件的速度和大小瓶颈。此外，创新的网络架构提高可扩展性并且减少所需硬件。

全网状互连器(也称为全连接网络)是网络拓扑结构，其中所有可能的节点对之间存在直接链路。例如，在具有n个节点的全网状互连器中，存在n(n-1)/2个直接链路。因为节点之间存在大量的冗余链路，所以这类互连器有利地提供高度可靠性。光电交换机可具有以下可选特征中的任何一个，或者以下可选特征的任何组合(在这个意义上，它们是兼容的)。

光电交换机还可包括位于前网状awg之后的检测器再调制器(drm)的第二阵列，所述第二阵列中的每个drm被配置来再生和/或转换来自后网状awg的相应输出端口的信号的波长，以用于与交换机模块的输出端口进行通信。

与交换机模块的输出端口的这种通信可以是直接连接或者可以是涉及额外部件的间接通信，所述额外部件可作用于信号，例如以改变其波长并最终改变最终的输出端口。

光电交换机还可包括位于drm的第二阵列之后的重排awg，所述重排awg具有m个输入端口和m个输出端口，所述m个输入端中的每一个连接到drm的第二阵列中的相应drm的输出端；并且所述重排awg中的每个输出端口连接到交换机模块的输出端。

在后网状awg之后存在重排awg意味着从后网状awg到交换机模块的输出端口的信号的通信包括额外的重排步骤。以这种方式，可提高交换机的总带宽。

光电交换机还可包括在重排awg之后的drm的末级阵列以使得在重排awg的输出端口中的每一个与交换机模块的输出端口之间的连接通过所述末级阵列中的drm中的一个来实现。

以这种方式，drm的末级阵列提供用于选择交换机模块的实际输出端口的机制，而不管信号通过重排awg所采用的路径如何。

光电交换机还可包括位于drm的第一阵列之前的重排awg，所述重排awg具有m个输入端口和m个输出端口，所述m个输入端中的每一个连接到drm的第二阵列中的相应drm的输出端；并且所述重排awg中的每个输出端口连接到交换机模块的输出端。

在后网状awg之后存在重排awg意味着从交换机模块的输入端口到前网状awg的相应输入端口的信号的通信包括额外的重排步骤。以这种方式，可提高交换机的总带宽。

光电交换机还可包括位于前网状awg之前的重排检测器再调制器(drm)的阵列，第一阵列中的每个drm被配置来从交换机模块的输入端接收信号并且再生和/或改变接收到的信号的波长以产生drm输出，所述drm输出在重排awg的相应端口处形成输入。

每个drm阵列可采取一个或多个光学芯片和一个或多个电子部件(例如，cmos芯片)的形式。优选地，drm阵列由多个光电探测器、多个可调谐激光器输入端、多个光调制器以及单个cmos芯片组成。更优选地，drm阵列在紧密连接到单个cmos芯片的单个光学芯片上制造。甚至更优选地，光学芯片是硅芯片。

任选地，n≠m。

任选地，n>m。

任选地，n<m。

任选地，n＝m。

任选地，光学全网状互连器是光背板。

任选地，光电交换机可被配置来充当电路交换机。电路交换连接在数据传输过程中需要专门的点对点连接。因为需要较少的功能，所以这简化drm的设计。

任选地，光电交换机可被配置来充当分组交换机。分组交换机实施方案将与电路交换机实施方案不同之处在于交换机模块的drm包含附加电路。具体地，需要分组处理器来基于每个分组的内容确定每个分组应被发送到哪个输出端口。还将存在调度器来通过针对每个drm控制可调谐激光器输入端来控制每个分组通过交换机的总时限。

任选地，光电交换机可被配置来充当信元交换机。以这种方式，drm以类似于分组交换机的配置的方式来进行配置，但是使用定长信元。因此，调度分组的传输需要将数据分割成定长信元(分段)的额外步骤。

任选地，光电交换机可被配置来充当突发交换机。以这种方式，drm被配置来将多个分组从相同源连续地发送到相同的目的地。

任选地，光学全网状互连器可具有在光电交换机模块中形成折叠部的“折叠构型”，其中对于每个光电交换机模块：前网状awg位于折叠部之前；并且后网状awg位于折叠部之后。

光学全网状的“折叠构型”可理解为意味着网的输入端位于网的与网的输出端相同的侧上。

用于连接到这种网的交换机模块也将具有“折叠构型”，所述“折叠构型”导致交换机模块的输入端位于交换机模块的与其输出端相同的侧上。

为了本发明的目的，“折叠构型”意味着在交换机模块上，交换机模块的单个部件可被构建成并入前网状部件和后网状部件。以这种方式，单个部件将被配置来不仅处理前网状信号(即，发送到网的那些信号)，而且处理后网状信号(即，从网接收的那些信号)。

任选地，每个光电交换机模块的输入端口和输出端口都布置在单个外部面板上。

优选地，光电交换机由硅光子构成。硅光子平台与架构的结构的组合使得能够容易地扩展到更高的基数。此外，硅光子平台是以低成本高度可制造的。

根据本发明的第二方面，提供用于与光学全网状互连器一起使用的光电交换机模块，所述光电交换机模块包括：m个面向客户端的输入端口、以及m个面向输出的端口，其中m是整数；前网状awg，所述前网状awg具有m个输入端和n个输出端，其中n是等于或不等于m的整数，所述n个输出端中的每一个连接到光学全网状互连器上的相应输入端；后网状awg，所述后网状awg具有n个输入端和m个输出端，所述n个输入端中的每一个连接到所述光学全网状互连器的相应输出端并且所述m个输出端中的每一个用于将信号传送到所述交换机模块的所述m个输出端中的一个或多个；以及位于所述前网状awg之前的检测器再调制器(drm)的第一阵列，所述第一阵列中的每个drm被配置来从所述交换机模块的输入端接收信号并且再生和/或改变所述接收到的信号的波长以产生drm输出，所述drm输出在所述前网状awg的相应端口处形成输入。

应当理解，关于第一方面的光电交换机的上述可选特征中的每一个同样适用于第二方面的光电交换机模块。

以下阐述本发明的另外的可选特征。

附图简述

现将借助实例、参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出包括多至n个交换机模块的阵列和常见的光学全网状结构(光学全网状互连器)的光电交换机；

图2示出图1的光电交换机模块中的一个的示意图，所述光电交换机模块具有折叠构型；并且

图3示出替代的光电交换机模块的示意图，所述光电交换机模块具有平坦构型。

本发明的详细描述和另外的可选特征

图1示出被组织为多至n个交换机模块的阵列和常见的光学全网状结构(光学全网状互连器(c5))的光电交换机。

每个交换机模块具有可采取m个面向客户端的双向端口的形式的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，其中每个端口具有两根光纤。此外，每个交换机模块具有n个面向结构的双向端口，其中每个端口具有两根光纤。光学全网状结构包含n乘n个光纤并且用两根光纤将每个模块连接到每个其他模块，一根光纤用于每个通信方向。交换机模块能够与光学全网状结构集成，或者与连接器分离，以允许增量部署并且易于维护。

交换机能够在少于n个交换机模块处于适当位置的情况下运行。因此可根据要求来扩展交换机。

图2和图3示出来自图1的光电交换机模块的构造。图3的构型与图2的构型的不同之处仅在于图2具有折叠构型，并且图3具有平坦构型。m个面向客户端的输入端口连接到m根光纤，所述m根光纤连接到c1(m个drm的阵列)的输入端。drm再生信号并且转换波长，以使得阵列中的每个drm的每个输出端承载在m个波长中的一个上(不一定是唯一的)。c1的m个输出端使用m根光纤连接到c2(mxm个awg)的m个输入端。c1处的波长的选择确定c2的输出端口。c1和c2的目的都是将由交换机模块接收到的信号重排到c2的所述组输出光纤上，以便为drm和awg的后期做准备。

c2的输出端使用m根光纤连接到c3(drm的阵列)的输入端。类似于c1，drm再生信号并且转换波长，以使得阵列中的每个drm的每个输出端承载在n个波长中的一个上(不一定是唯一的)。c3的m个输出端使用m根光纤连接到c4(mxn个awg)的m个输入端。c3处的波长的选择确定c4的输出端口。c3和c4的目的都是将信号重排并将其多路复用到c4的指定输出光纤，其中指定光纤确定目的地交换机模块。

c4的输出端使用n根光纤连接到c5(常见的光学全网状结构)的输入端。每个交换机模块连接到每一交换机模块(包括其自身)，每一个连接使用单根光纤，c5中总共有nxn根光纤。然而c2仅用于波长路由，c4用于波长路由和波分多路复用(wdm)两者。多至m个交换机输入端能够通过使用m个不同波长而连接到另一个交换机模块，所有输入端都承载在c5中的相同的单根光纤上。c5可与交换机模块集成，或者与连接器分离，以允许易于维护和增量部署。

c5的n个输出端使用n根光纤连接到c6(nxm个awg)的n个输入端。c6的m个输出端使用m根光纤连接到c7(m个drm的阵列)的m个输入端。类似于c1，drm再生信号并且转换波长，以使得阵列中的每个drm的每个输出端承载在m个波长中的一个上(不一定是唯一的)。c7的m个输出端使用m根光纤连接到c8(mxm个awg)的m个输入端。c7处的波长的选择确定c8的输出端口。c6的目的是将从c5接收到的信号解复用并路由。c7和c8的目的都是将来自c6的m根输出光纤的信号重排到c8的任意输出光纤。

c8的m个输出端使用m根光纤直接连接到m个面向客户端的输出端口。任选地，如图2中所示，c8的m个输出端使用m根光纤连接到c9(m个drm的阵列)。c9的m个输出端使用m根光纤连接到m个面向客户端的输出端口。c9的目的是将用于内部路由的波长和协议转换成与连接到交换机模块输出端口的第三方设备兼容的波长和协议。

m和n的选择在这种架构中是不受约束的，尽管可受到其他因素(诸如awg和drm的结构)的约束。具体地，我们需注意本文所述的实施方案都是描绘在给定的交换机模块与每个其他模块之间的单个连接(即，如图2中所示，前网状awg(c4)的可能输出端的数量直接对应于交换机模块的总数)。设想的是，每个单个连接可由并行连接来替代。

交换机模块中的每个drm具有用于控制的第三个端口(图2中未示出)。此控制端口在连接到适当的电子控制器时允许光电交换机充当电路交换机、突发交换机、分组交换机或信元交换机。这四种类型的交换机的差别取决于数据被如何缓冲和传输，并且取决于用于在交换机中建立和断开电路(路径)的时标。电路沿着源交换机模块上的c1至c4、c5、以及目的地交换机模块上的c6至c8(或可选的c9)的路径来建立。需注意，源交换机模块和目的地交换机模块可以是相同模块。

电路交换机建立使用期长的电路。数据通过这种使用期长的电路传播，而无需进一步处理。突发交换机在drm中缓冲分组，建立使用期短的电路，并且随后在单个突发中传输去往指定交换机输出端口的所有分组。分组交换机在drm中缓冲单个分组，建立使用期短的电路，并且随后传输去往指定交换机输出端口的单个分组。信元交换机在drm中缓冲单个分组，建立使用期短的电路，将所述分组划分成较小的信元，并且随后传输去往指定交换机输出端口的单个信元。后续阶段的drm随后重新组装属于单个分组的信元。

c2、c4、c6以及c8中的awg可以是提供与单个较大的awg相同功能的较小awg的等效组件，只要最坏情况下的插入损耗小于drm的阶段之间的光学链路裕度。

设想对应于图2或图3的实施方案中的任何一个的另外的实施方案，但是其中drm的初始阵列c1和drm的末级阵列c9被移除。c1的目的是接受任何格式的输入信号(在这种情况下是光输入信号)，并将其转换成带有与通过交换机发明的传输兼容的格式的光信号。可能的是，外部发射器可直接传输兼容的光信号，并且随后将不需要c1。c9的目的是接受带有指定用于通过交换机的传输的格式的内部光信号，并将其转换成与第三方接收器兼容的格式。可能的是，接收器可直接使用内部光信号。

设想对应于图2或图3的实施方案中的任何一个的另外的实施方案，其中drm的初始阵列c1包括用于交换机的附加功能。例如，c1的drm可被配置成包括执行电子缓冲的缓冲模块。这将使得交换机发明能够充当分组交换机。

对于本文所述的实施方案中的任一实施方案，可设想的是，光电交换机可包括中央控制部件，所述中央控制部件被配置来通过调谐系统中存在的所有可调谐激光输入端(即，为c1、c3、c7以及c9中的每一个提供未调制的可调谐输入的可调谐激光器)的波长中的每一个来控制每一个光信号的交换。

虽然已结合上述示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开时，许多等效的修改和变型对于本领域的技术人员将显而易见。因此，以上列出的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对所描述实施方案进行各种改变。

以上提及的所有参考文献通过引用并入本文。