一种空分与波分相结合的光交换装置和方法与流程 专利技术说明

电子通信装置的制造及其应用技术1.本发明涉及光交换技术领域，具体涉及一种空分与波分相结合的光交换装置和方法。背景技术：2.光交换技术用于在光纤通信网络、数据中心内部交换机网络、高通量计算机的内部互联网络，实现低功耗大吞吐率的光信号交叉互联。3.目前常用的光交换方式包括空分光交换和波分光交换两种。空分光交换通过对光路由的元件进行主动配置而倒换光路，波分光交换通过对输入信号的工作波长主动调谐，配合阵列波导光栅(awg)的波长路由特性，进行光信号的输出端口的主动选择。4.光交换系统的端口数扩展一直是行业追求的热点。空分光交换方式可以扩展到较大的交换端口，例如128x128甚至1024x1024，但所需控制的交换单元数量随交换端口数急剧增长，对封装和电学控制带来了极大挑战。波分光交换方式目前最大的交换端口数在32x32，如果要扩展，则对可调谐波长的数量提出了较大挑战。5.目前，提高光交换系统的端口数，可以利用3级的awg(阵列波导光栅)-space switch(空分光开关)-awg架构，实现大端口数的光交换系统。光交换系统的严格无阻塞需求是光信号路由的一个重要需求，使用光开关系统实现空分光交换方式的方案，通常采用benes型拓扑方案，然而，这种拓扑只能实现可重排列无阻塞，不同线路之间会产生冲突，例如：如图1所示的benes 4x4拓扑，当实现1-1端口之间的路由时(图中虚线)，第一排光开关相位δψ均为0°，无法实现端口3-1，3-2之间的路由。6.有鉴于此，急需对现有的空分与波分相结合的光交换装置进行改进，以降低交换单元数量，实现路由严格无阻塞。技术实现要素：7.针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种空分与波分相结合的光交换装置和方法，以解决现有技术交换单元数量多，且无法实现路由严格无阻塞的问题。8.为此，本发明提供的一种空分与波分相结合的光交换装置，包括：9.第一级空分光开关组合，由4n个第一光开关并列组成，且2n个所述第一光开关组成一组，所述第一光开关为1×2光开关，n为大于等于2的偶数；10.第二级交换单元，由四个循环阵列波导光栅组成，并等分为两组，分别对应两组所述第一光开关，每个所述循环阵列波导光栅具有2n个输入端口和2n个输出端口；11.第三级空分光开关组合，由4n个第二光开关组成，所述第二光开关为1×2光开关，且与所述第一光开关一一对应镜像布置；12.4n个可调谐波输入信号等分为两组，每个所述输入信号由2n个波长的可调谐波组成集合，2n个输入信号分别输入对应的一组所述第一光开关，并选择其中第一输出端口输出至其中一组循环阵列波导光栅，或者选择第二输出端口输出至另一组循环阵列波导光栅，利用所述循环阵列波导光栅的循环特征完成路由交换，并经由对应的所述第二光开关输出。13.在上述技术方案中，优选地，所述第一级空分光开关组合由8个所述第一光开关组成，所述第三级空分光开关组合由8个第二光开关组成。14.在上述技术方案中，优选地，所述循环阵列波导光栅完成路由交换前后，各输入端口和对应的输出端口的信号集合中，波长信号排序对应如下：15.第一输入端口对应的第一输出端口16.第二输入端口对应的第二输出端口17.第三输入端口对应的第三输出端口18.第四输入端口对应的第四输出端口19.其中，表示第i信号中的第j+1个波长，i为自然数，j为整数。20.在上述技术方案中，优选地，所述n的取值为2、4、8或16。21.本发明还提供了一种空分与波分相结合的光交换方法，包括以下步骤：22.通过可调激光器生成4n个可调谐波输入信号并等分为两组，每个所述输入信号由2n个波长的可调谐波组成集合，2n个输入信号分别输入第一级空分光开关组合中的一组第一光开关，第一级空分光开关组合，由4n个第一光开关并列组成，且2n个所述第一光开关组成一组，所述第一光开关为1×2光开关，n为大于等于2的偶数；23.所述第一光开关根据波导层面路由选择一个相应输出端口输出进入第二级交换单元中的一组；第二级交换单元由四个循环阵列波导光栅组成，并等分为两组，分别对应两组所述第一光开关，每个所述循环阵列波导光栅具有2n个输入端口和2n个输出端口；24.所述循环阵列波导光栅利用循环阵列波导光栅的循环特性完成路由交换；25.所述循环阵列波导光栅的输出信号经由第三级空分光开关组合中对应第二光开关输出。26.在上述技术方案中，优选地，所述第一级空分光开关组合由8个所述第一光开关组成，所述第三级空分光开关组合由8个第二光开关组成。27.在上述技术方案中，优选地，所述n的取值为2、4、8或16。28.在上述技术方案中，优选地，所述循环阵列波导光栅完成路由交换前后，各输入端口和对应的输出端口的信号集合中，波长信号排序对应如下：29.第一输入端口对应的第一输出端口30.第二输入端口对应的第二输出端口31.第三输入端口对应的第三输出端口32.第四输入端口对应的第四输出端口33.其中，表示第i信号中的第j+1个波长，i为自然数，j为整数。34.由上述技术方案可知，本发明提供的空分与波分相结合的光交换装置和方法，解决了现有技术交换单元数量多，且无法实现路由严格无阻塞的问题。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：35.第二级交换单元由四个循环阵列波导光栅组成，在交换端口数扩展时，保持第二级交换单元为四个awg不变，减轻了所需控制单元的数量。36.利用空分光交换，通过对光路由的元件进行主动的配置而倒换光路，利用波分光交换，通过输入信号的工作波长主动调谐，配合循环阵列波导光栅的波长路由特性，进行光信号的输出端口的主动选择，从而实现严格无阻塞。附图说明37.为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。38.图1为现有技术benes 4x4拓扑图；39.图2为本发明提供的一种空分与波分相结合的光交换装置示意图；40.图3为本发明中循环阵列波导光栅输出波长顺序配置示意图。具体实施方式41.下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。42.为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。43.需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。44.本发明提供了一种空分与波分相结合的光交换装置和方法，采用了空分光开关-循环阵列波导光栅-空分光开关(space switch-cyclic awg-space switch，sas)三级架构，将空分光交换与波分光交换相结合，实现了大端口数的光交换，相对于其他架构，保持第二级交换单元为四个awg，极大地降低了交换单元数量，且能够实现严格无阻塞，任意两路进行路由时，不会造成路由冲突，其余线路均可实现路由。45.具体地，本发明提供的一种空分与波分相结合的光交换装置，由第一级空分光开关组合、第二级交换单元和第三级空分光开关组合组成。46.第一级空分光开关组合，由4n个第一光开关并列组成，且2n个所述第一光开关组成一组，所述第一光开关为1×2光开关，n为大于等于2的偶数；47.第二级交换单元，由四个循环阵列波导光栅组成，并等分为两组，分别对应两组所述第一光开关，每个所述循环阵列波导光栅具有2n个输入端口和2n个输出端口；48.第三级空分光开关组合，由4n个第二光开关组成，所述第二光开关为1×2光开关，且与所述第一光开关一一对应镜像布置；49.4n个可调谐波输入信号等分为两组，每个所述输入信号由2n个波长的可调谐波组成集合，2n个输入信号分别输入对应的一组所述第一光开关，并选择其中第一输出端口输出至其中一组循环阵列波导光栅，或者选择第二输出端口输出至另一组循环阵列波导光栅，利用所述循环阵列波导光栅的循环特征完成路由交换，并经由对应的所述第二光开关输出。50.图2为本发明提供的一种空分与波分相结合的光交换装置的一种实施例示意图，该实施例中光交换装置的端口数量为8×8，即8个输入端口和8个输出端口。显然，输入、输出端口数量可以根据实际应用设置为更多，例如16×16，32×32，64×64等。51.如图2所示的实施例中，空分与波分相结合的光交换装置包括第一级空分光开关组合10、第二级交换单元20和第三级空分光开关组合30。52.第一级空分光开关组合10由8个第一光开关组成，分别记为switch_in_1、switch_in_2、……、switch_in_8，第一光开关采用1×2光开关，具有一个输入端口和两个输出端口，其中定义第一个第一光开关switch_in_1的输入端口为in1_switch_in_1，两个输出端口分别为in1_switch_out1、in1_switch_out2，第二个第一光开关switch_in_2的输入端口为in2_switch_in_1，两个输出端口分别为in2_switch_out1、in2_switch_out2，以此类推。第一级空分光开关组合10用于利用第一光开关将输入信号选择对应的一个输出端口输出，例如选择1_switch_out1或者1_switch_out2输出端口输出，进入第二级交换单元20。53.第二级交换单元20由四个循环阵列波导光栅组成，分别记为awg1、awg2、……、awg4，第二级交换单元20配置为4×4模式，即具有4个输入端口(awg_in_1、awg_in_2、awg_in_3、awg_in_4)和4个输出端口(awg_out_1、awg_out_2、awg_out_3、awg_out_4)。第二级交换单元20用于完成波长级路由交换。54.第三级空分光开关组合由8个第二光开关组成，分别记为switch_out_1、switch_out_2……、switch_out_8，第二光开关同样采用1×2光开关，具有一个输入端口和两个输出端口，且与第一光开关配置成镜像关系使用，每个第二光开关对应一个第一光开关，且第二光开关的输出端口用于接收信号，输入端口用于输出信号，即第二光开关具有两个输入端口和一个输出端口。其中定义为：第一个第二光开关switch_out_1具有两个输入端口out1_switch_in1、out1_switch_in2和一个输出端口out1_switch_out1，第二个第二光开关switch_out_2具有两个输入端口out2_switch_in1、out2_switch_in2和一个输出端口out2_switch_out1，以此类推。55.基于上述的空分与波分相结合的光交换装置，通过可调激光器生成8个可调谐信号作为输入信号，并分成两组分别输入第一级空分光开关组合10。其中，每个输入信号为由不同波长(λ1、λ2、λ3、λ4)组成的信号集合。每个输入信号中波长的数量等于光交换装置端口数量和一半，本实施例中，光交换装置的端口数量为8，则每个输入信号中波长的数量为4，记为λ1、λ2、λ3、λ4。56.8个可调谐波输入信号分为两组，分别输入到第一级空分光开关组合10中的8个第一光开关的输入端口，并根据判定的波导层面路由，选择对应第一光开关的一个相应的输出端口输出。57.例如：第一个输入信号从第一光开关switch_in_1的in1_switch_in1端口输入，并选择in1_switch_out1输出端口输出，进入awg1的输入端口awg_in_1，在awg1中完成波分光交换，实现波长级路由。58.根据循环阵列波导光栅的循环(cyclic)性质，循环阵列波导光栅的输出波长信号顺序配置是固定，如图3所示，输出的波长信号顺序配置如下：59.从awg的awg_in_1端口输入的第一信号按awg的输出端口的序号顺序配置，即配置在awg_out_1，配置在awg_out_2，配置在awg_out_3，配置在awg_out_4。60.从awg的awg_in_2端口输入的第二信号根据循环(cyclic)性质，按顺序向前循环移位一位后，按awg的输出端口的序号顺序配置，即配置在awg_out_1，配置在awg_out_2，配置在awg_out_3，配置在awg_out_4。61.从awg的awg_in_3端口输入的第三信号根据循环(cyclic)性质，按顺序向前循环移位两位后，按awg的输出端口的序号顺序配置，即配置在awg_out_1，配置在awg_out_2，配置在awg_out_3，配置在awg_out_4。62.从awg的awg_in_4端口输入的第四信号根据循环(cyclic)性质，按顺序向前循环移位三位后，按awg的输出端口的序号顺序配置，即配置在awg_out_1，配置在awg_out_2，配置在awg_out_3，配置在awg_out_4。63.由此，awg的各输入、输出端口的波长配置顺序对应关系如下：64.第一输入端口对应的第一输出端口65.第二输入端口对应的第二输出端口66.第三输入端口对应的第三输出端口67.第四输入端口对应的第四输出端口68.其中，表示第i信号中的第j+1个波长，i为自然数，j为整数。69.综合以上循环阵列波导光栅根据循环(cyclic)性质，输出的波长信号顺序配置方式为：70.第m输入信号中各波长信号顺序向前循环移位m-1位，并按循环阵列波导光栅的输入端口序号顺序配置，m为大于等于1的整数。71.以上实施例中，如果输入信号从awg1的输出端口awg_out_1输出进入第二光开关，并从第二光开关switch_out_1的out1_switch_out1端口输出，则实现了switch_in_1到switch_out_1之间的路由。如果输入信号从awg1的输出端口awg_out_2输出进入第二光开关switch_out_2，并从第二光开关switch_out_2的out2_switch_out1端口输出，则实现了switch_in_1到switch_out_2之间的路由。72.相似的，如果输入信号经过空分光交换，从switch_in_1，switch_in_2，switch_in_3，switch_in_4的out2端口输出，则进入awg3中，再经波分光交换，依次输出至switch_out_5，switch_out_6，switch_out_7，switch_out_7，实现路由交换。73.第5-8输入信号进入第一级光开关组合，经过空分光交换，从第一光开关的out1端口输出进入awg2中，经过波分光交换，依次输出至switch_out_1，switch_out_2，switch_out_3，switch_out_4的out_switch_in1端口。若从第一光开关的out2端口输出，则进入awg4中，经过波分光交换，依次输出至switch_out_5，switch_out_6，switch_out_7，switch_out_7的out_switch_in2端口，实现路由交换。74.在以上空分与波分相结合的光交换装置的基础上，本发明还提供了一种空分与波分相结合的光交换方法，包括以下步骤：75.通过可调激光器生成4n个可调谐波输入信号并等分为两组，每个所述输入信号由2n个波长的可调谐波组成集合，2n个输入信号分别输入第一级空分光开关组合中的一组第一光开关，第一级空分光开关组合，由4n个第一光开关并列组成，且2n个所述第一光开关组成一组，所述第一光开关为1×2光开关，n为大于等于2的偶数；76.所述第一光开关根据波导层面路由选择一个相应输出端口输出进入第二级交换单元中的一组；第二级交换单元由四个循环阵列波导光栅组成，并等分为两组，分别对应两组所述第一光开关，每个所述循环阵列波导光栅具有2n个输入端口和2n个输出端口；77.所述循环阵列波导光栅利用循环阵列波导光栅的循环特性完成路由交换；78.所述循环阵列波导光栅的输出信号经由第三级空分光开关组合中对应第二光开关输出。79.综合以上具体实施例的描述，本发明提供的空分与波分相结合的光交换装置和方法，与现有技术相比，具有如下优点：80.第一，第二级交换单元由四个循环阵列波导光栅(cyclic-awg)组成，利用cyclic-awg代替大量光开关，从而形成大规模光口数光交换设备。在第二级中，通过cyclic-awg端口数的扩展，即可实现光交换系统端口数的扩展，例如16×16，32×32，64×64。相对于使用空分光交换，解决了交换单元数量随交换端口数急剧增长的问题，第二级交换单元中只有4个cyclic-λwg。在端口数扩展的同时，控制交换单元数量，减少了封装和电学控制的压力。81.第二，通过输入信号的工作波长主动调谐，配合循环阵列波导光栅(cyclic-awg)的波长路由特性，进行光信号的输出端口的主动选择，实现严格无阻塞。多组信号传输过程中不会产生冲突，实现有意义的传输多组信号。极大地减少了光开关器件的数量，简化链路模型。82.最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个…″限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。83.本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。









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