專利名稱：采用波長路由器和空間切換器的n×n交聯(lián)切換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)交聯(lián)切換器，更具體地說，涉及采用波長路由器結(jié)合以空間切換器實現(xiàn)的N×N交聯(lián)切換器。
隨著光網(wǎng)絡(luò)容量的不斷增大，存在著對于更大的N×N交聯(lián)切換器的持續(xù)需求。
更具體地說，本發(fā)明涉及N×N無阻斷光學(xué)切換器，用于提供N入口任一與N出口任一之間的連接，該N×N切換器包括一個輸入級，包括多個輸入空間切換器，各輸入空間切換器的各個輸入與所述N入口的一個不同入口連接；一個輸出級，包括多個輸出空間切換器，各輸出空間切換器的各個輸出與所述N出口的一個不同出口連接；和一個中間級，連接在輸入級與輸出級之間，該中間級包括多個N/m×N/m波長路由器，其中在各N/m×N/m波長路由器與各輸入或輸出切換器之間設(shè)有連接鏈路，使得各N/m×N/m波長路由器連接至各輸入空間切換器和各輸出切換器。
在下面的描述中，不同附圖中相同的元件標記表示相同的元件。另外在元件標記中，第一位指的是該元件第一次所處的附圖(例如，102第一次處于

圖1中)。
圖2所示為含有圖1中N×N波長路由器結(jié)合有N個可調(diào)激光器201、N個調(diào)制器202和N個接收器203的無阻斷交聯(lián)切換器。當N不是太大時，可以采用單個路由器來實現(xiàn)圖1或圖2的結(jié)構(gòu)。則必須由能夠產(chǎn)生N波長的多波長激光器產(chǎn)生各輸入信號[1]，并且可以通過簡單地選擇適當?shù)募す獠ㄩL將各輸入信號傳送至任何特定的輸出端口。這樣，在任一輸入I1-IN處，通過改變相關(guān)激光的波長，可以將數(shù)據(jù)信號Data-1至Data-N切換至任一輸出O1-ON。示例性地，圖中畫出了輸入I1上的Data-1信號切換至輸出ON，而Data-N信號切換至輸出O1。
然而對于N＞64的較大值，采用該技術(shù)難以實現(xiàn)這種類型的交聯(lián)切換器，如附件A中所述。這是因為各激光器因而必須能夠產(chǎn)生大量的波長，并且對于大N值難以以集成形式實現(xiàn)具有低損耗和低串擾等令人滿意性能的路由器。根據(jù)本發(fā)明，對于大N值，通過采用較小路由器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)N×N切換器解決了該問題。為此目的，將(N/m)×(N/m)波長路由器結(jié)構(gòu)與構(gòu)成空間切換器的輸入級和輸出級結(jié)合，如圖3和4a中所示。在圖3中，通過采用十字形結(jié)構(gòu)以最小損耗和串擾實現(xiàn)了N×N切換器結(jié)構(gòu)[3]。另一方面，通過采用C1os結(jié)構(gòu)來減小路由器的數(shù)量也是有利的[4]，如圖4a所示，此時一般須要降低損耗，串擾和波導(dǎo)交叉必須降至最低，如此處所示。圖3和圖4a結(jié)構(gòu)的特點在于每個信號僅跨過一個路由器。因此，現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造大N×N切換器的問題得以消除，因為波長數(shù)量減少m倍，各路由器規(guī)模也同比減小。1、最佳結(jié)構(gòu)再參照圖1，其中畫出的N×N路由器[5-7]包括N個輸入波導(dǎo)、N個輸出波導(dǎo)、兩個介電平板102和103，和一個連接在這兩個平板之間的波導(dǎo)光柵101。輸入和輸出波導(dǎo)連接至所述兩個平板，兩個平板之間的波導(dǎo)光柵101的波導(dǎo)臂特征在于具有恒定的路程差。因此從特定輸入波導(dǎo)至特定輸出波導(dǎo)的各傳輸系數(shù)基本呈現(xiàn)周期性特點，具有等間隔的峰值，每個峰值由光柵的特定級產(chǎn)生。
理想地，通過采用如[5，7]中所述特征在于一梳形(comb)N波長的單個N×N波長路由器，可以實現(xiàn)一個切換器使得從任一輸入端口(波導(dǎo))至任一輸出端口的傳輸系數(shù)的傳輸峰值在上述波長之一之上。實際上，如果將[5]的路由器設(shè)計成對于一特定輸入端口例如中央端口具有上述特性，則會發(fā)現(xiàn)上述特性僅近似適用于其它諸端口。因此，附件A中表明路由器具有隨N增大的波長誤差。由于這些誤差，使得最大傳輸率的某些波長從上述梳形N波長偏離。為了使產(chǎn)生的損耗保持在1dB以下，必須滿足N<36100GHz.]]>GHz為以GHz計算的信道間距。例如，對于50GHz的信道間距，必須滿足N＜52。通過調(diào)整路由器，通過如[6]中所述增寬其通帶，可以使該值增大至1.25倍，但是此技術(shù)也使損耗和串擾增大大約3dB。
上述限制僅僅由于此處我們對于所有輸入端口限定了相同的梳形N波長而產(chǎn)生。通過允許各輸入端口具有不同的梳形波長，可以消除上述限制[2]，但是這需要總計N個不同的梳形(包括總計2N-1個波長)，以便提供來自所有輸入端口的最大傳輸率。這會使得此結(jié)構(gòu)更難以實現(xiàn)，因為各激光器將必須產(chǎn)生以不同波長為中心的不同梳形。
上述考慮是圖1中小N值較為有利的一個原因。如前已指出，其它原因還有1)一般最好通過減少對各激光器波長數(shù)量的需要來簡化激光器的設(shè)計，以及2)大N值N＞64的路由器難以以集成形式設(shè)計而具有滿意的損耗和串擾值。
考慮到上述困難，對于大N值最好通過采用較小n×n路由器的組合而不是單個N×N路由器來實現(xiàn)N×N切換器，其中n＝N/m，減小因子m是一個適宜的整數(shù)。因此以三級實現(xiàn)N×N切換器，包括一個n×n路由器的中間級，結(jié)合以無阻斷空間切換器的輸入級和輸出級，如圖3和4所示。這些結(jié)構(gòu)的一個公知特性在于如果以無阻斷空間切換器替代路由器則它們在較寬的意義上是無阻斷的，并且采用了大量充足的這種切換器。因此，如果任一特定的輸入端口和任一特定的輸出端口是空閑的，則獲得下述無阻斷特性可以從上述端口到中間級的特定切換器同時建立輸入和輸出通路而不影響任何其它運行通路。也就是說，不運行任何業(yè)已存在的連接。
應(yīng)當指出，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過采用空間切換器已經(jīng)實現(xiàn)大N×N切換器結(jié)構(gòu)，其中它們的無阻斷特性是公知的。然而這里我們采用路由器和切換器的組合，其中無阻斷特性只有在沒有信號通過多于一個路由器的情況下才得以保持。該條件足以確保可以將信號通過適當?shù)剡x擇信號波長傳輸至路由器的合適輸出端口。顯然愿意所有路由器都具有相同梳形波長的特性，上述條件可以以不同方式在圖3、4中加以滿足。最簡單和最重要的結(jié)構(gòu)是通過采用圖3、4的具有n×n路由器的結(jié)構(gòu)來獲得的，其中n＝N/m，m是一個適宜的減小因子。在此情況下輸入和輸出級的作用在于產(chǎn)生適當?shù)臏p小因子m，可以發(fā)現(xiàn)圖3、4的兩個結(jié)構(gòu)具有不同的優(yōu)點和缺點。對于m＝2，圖3的十字形結(jié)構(gòu)由于其輸入級301和輸出級303的簡單性而具有吸引力，并且具有使損耗和串擾最小的優(yōu)點。如圖3所示，中間級為(N/2)×(N/2)路由器，即4×4，當N＝8且m＝2時。通過重復(fù)應(yīng)用相同的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更大的m。例如對于m＝4、N＝16，可以將圖3中的各(N/2)×(N/2)路由器替換為(N/4)×(N/4)路由器的十字形結(jié)構(gòu)。通過此過程，中間級的各切換器可以由圖3的相同結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，僅在每處以N/2替代N。更一般地說，通過上述結(jié)構(gòu)的重復(fù)應(yīng)用，可以通過使減小因子m增大2的倍數(shù)來實現(xiàn)對于N的2的更高次方。因此，對于任何等于2的次冪的N和m，中間級由n×n路由器構(gòu)成，其中n＝N/m并且m＝2s，s為適宜整數(shù)。
圖4a所示為Clos結(jié)構(gòu)的物理設(shè)置，圖4b表示其等同的方框圖。Clos結(jié)構(gòu)例如圖4a相對于十字形結(jié)構(gòu)例如圖3的優(yōu)點在于對于m＝2僅需要三個路由器401而不是四個。然而Clos結(jié)構(gòu)在輸入級402和輸出級403需要更大的構(gòu)造組件，這在后面將有討論。顯然，通過重復(fù)應(yīng)用任一種結(jié)構(gòu)，可以使減小因子m實現(xiàn)2的任意次方。如圖4a所示，對于一般的情況，輸入402或輸出403切換器的數(shù)量，m×(2m-1)或(2m-1)×m，等于n＝N/m，所用n×n路由器的數(shù)量等于(2m-1)，其中N是輸入端口的數(shù)量，m是減小因子。因此，對于圖4a中所示的例子，其中N＝8，m＝2，我們有n＝4個輸入402和輸出403切換器以及(2m-1)＝3個4×4規(guī)模的路由器401。如圖所示，各輸入切換器連接至3路由器401中的每個上，因此連接至輸入切換器例如402-1的m＝2個輸入404之任一，可以切換至3路由器401中的每個的一個特定輸入，輸入1。連接至輸入級例如402-1的控制引線C1…Ci決定了哪一個輸入切換至哪一個路由器401。在3路由器401的每一個處，輸入級402的波長選擇決定了哪一個路由器輸入(入口)切換至哪一個路由器輸出(出口)。在路由器輸出端，3路由器401中的每個的相同對應(yīng)輸出例如輸出1連接至4輸出級之一的不同輸入，例如403-1。在輸出級例如403-1，只有兩個信號傳輸至3路由器401的出口1，這兩個信號切換成為2個輸出405。連接至輸出級例如403-1的控制引線C1…C’i決定了哪一個輸入切換至哪一個輸出。注意到輸入切換器402的結(jié)構(gòu)m×(2m-1)是輸出切換器403結(jié)構(gòu)(2m-1)×m的鏡象。
在圖4a和4b中，改變減小因子可以改變路由器的規(guī)模以及輸入和輸出級。因此，對于給定的N，增大m以2倍會減小各路由器的規(guī)模n＝N/m以2倍，顯然該技術(shù)既可以用于十字形結(jié)構(gòu)也可以用于Clos結(jié)構(gòu)。例如，如圖4c所示，例如，所示為一個切換器結(jié)構(gòu)，其中在各中間級401所用的路由器規(guī)模進一步減小以2倍，從而采用N/4×N/4路由器實現(xiàn)。因此圖4c表示路由器的減小因子為4，其中圖4b的各中間級組件401是通過采用2×2路由器以類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在圖4c中，輸入級411包括2×3切換器402和1×2切換單元413，中間級包括N/4×N/4(即2×2)路由器410，輸出級412包括2×1切換器414和3×2切換單元403。注意盡管圖4b是Clos結(jié)構(gòu)(即各輸入級402可以連通每個中間級路由器401)，但是圖4c的結(jié)構(gòu)是非Clos結(jié)構(gòu)。
圖4d中所示為一個N＝16且減小因子m＝4的切換器。在圖4d中，切換器是通過圖4a的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，其中中間級的各構(gòu)造組件401是通過采用圖3的結(jié)構(gòu)以N/2替代N來實現(xiàn)的。從而各中間級構(gòu)造組件變?yōu)?個(N/4)×(N/4)路由器，如圖4d所示。所得結(jié)構(gòu)包括12個(N/4)×(N/4)路由器420的中間級。24個1×2空間切換器423連同8個2×3空間切換器424構(gòu)成輸入級421。24個2×1空間切換器425連同8個3×2空間切換器426構(gòu)成輸出級422。在此結(jié)構(gòu)中，16入口427之一處的各信號通過輸入級421傳輸至特定的(N/4)×(N/4)路由器420，并由輸出級切換至16出口428的特定之一上。因此通過適當?shù)剡x擇信號波長λ1…λn，可以將切換器入口427處的信號通過輸入級421和路由器420切換至適當?shù)穆酚善鞒隹?，總共僅采用了n＝N/4個波長(在我們N＝16的例子中為4個)。因此，各輸入信號激光器(例如圖10的1003)僅需要提供4個波長。在路由器420的輸出端，信號通過輸出級422傳輸至適當?shù)那袚Q器出口。
圖4e中所示為由圖4a演化的Clos切換器結(jié)構(gòu)，其中在中間級各組件401中所用的路由器規(guī)模進一步減小以2倍，因此采用了N/4×N/4路由器。注意圖4e為Clos結(jié)構(gòu)，因為每個切換器入口431和出口437都可以連通各中間級路由器432。因此圖4e表示的路由器減小因子為4，其中各中間組件401是通過采用2×2路由器以類似于圖3所示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在圖4e中，輸入級433包括切換器402和434，中間級包括N/4×N/4路由器432，輸出級435包括切換器436和403。2、中間級波長路由器的Clos結(jié)構(gòu)如前已指出，Clos結(jié)構(gòu)最大限度減少了中間級n×n波長路由器的數(shù)量。另一方面，它在輸入級402和輸出級403需要無阻斷的m×(2m-1)和(2m-1)×m空間切換器，如圖4a中所示，并且由于此原因，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)比圖3的十字形結(jié)構(gòu)具有更高的損耗和更高的串擾。因此優(yōu)化輸入和輸出切換器是重要的，如下面所述。注意圖4a一般需要2m-1個路由器，在該特別情況下m＝2，僅需要3個路由器。由于m＝2最易于實現(xiàn)，可以用它來實現(xiàn)2的任何更高次方，所以它是實際中最重要的例子，從而可以通過采用單元結(jié)構(gòu)而無需波導(dǎo)交叉來實現(xiàn)各m×(2m-1)切換器，如圖5所示。參照圖5，其中畫出了采用最少數(shù)量3個2×2切換單元實現(xiàn)的無阻斷2×3結(jié)構(gòu)。各2×2切換單元在控制信號C的控制下工作，其中控制信號C用于控制單元是處于橫桿狀態(tài)(bar state)例如501和503，還是處于交叉狀態(tài)(cross state)例如502。注意到用于將3個單元501-503互連的波導(dǎo)504沒有任何一個彼此交叉。注意“深度”一般定義為沿特定信號通路的單元總數(shù)，它是決定損耗和串擾的一個重要參數(shù)。因此，2×3結(jié)構(gòu)的深度為2，因為在輸入端口的信號必須通過至多兩個單元以到達輸出端口。
另一方面，對于m＝3，可以發(fā)現(xiàn)需要總計10個2×2單元，圖6中畫出了最佳的具有最小深度的m×(2m-1)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，采用3個單元作為1×2單元，3個單元構(gòu)成3×2結(jié)構(gòu)，4個單元構(gòu)成3×3結(jié)構(gòu)。然而，圖4a的Clos結(jié)構(gòu)與圖3的十字形結(jié)構(gòu)相比，缺點在于其具有較高的串擾。實際上，在圖3中，各輸入和輸出單元只接受一個信號，因此單元消光比引起的串擾可以忽略。與圖5和6中的相比，有些單元，例如圖5的501和503同時接收兩個信號，從而由單元的消光比引起相當大的串擾。該問題的一個有效解決途徑是調(diào)整圖5和6的結(jié)構(gòu)，使之確保各單元只傳送一個信號，例如如圖5的502那樣。對于m＝2我們導(dǎo)出了圖7的結(jié)構(gòu)，稱作充分擴張(dilated)2×3結(jié)構(gòu)。這是以最少數(shù)量單元和最小深度滿足上述條件的最佳結(jié)構(gòu)。它是一個二叉樹的十字形結(jié)構(gòu)，包括兩個1×3輸入切換器(701、702和703、704形成獨立的1×3切換器)與3個2×1輸出切換器705-707相結(jié)合，如圖8所示。如圖所示，該結(jié)構(gòu)含有7個單元，而僅具有一個波導(dǎo)交叉點708。類似地，對于m＝3，通過采用22個單元形成輸入和輸出二叉樹的十字形結(jié)構(gòu)，如圖9所示，可以以最小深度5實現(xiàn)最佳的m×(2m-1)擴張結(jié)構(gòu)。采用3個2×2單元901作為1×2單元，7個單元構(gòu)成3×2單元902，12個單元構(gòu)成3×3單元903。采用上述擴張結(jié)構(gòu)中的各2×2單元作為1×2或2×1單元，從而僅傳送一個信號，因此對于各個單元不需要高的消光比。另一方面，圖5和6的結(jié)構(gòu)顯然更為簡單，在2×2單元具有高消光比的情況下其為優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
如前所述，深度通常定義為沿特定信號路徑的單元總數(shù)，它是決定損耗和串擾的一個重要參數(shù)。通常也很重要的是由不同單元形成的列的總數(shù)所給出的深度，因為當該結(jié)構(gòu)集成形成單個晶片時它決定了晶片的尺寸。圖3的結(jié)構(gòu)具有最小深度。另一方面，如果在中間級只采用三個路由器(圖4a)，則圖5和6的結(jié)構(gòu)其深度最小，單元數(shù)量和波導(dǎo)交叉點最少。
前已指出，重復(fù)應(yīng)用Clos結(jié)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)其減小因子等于單個因子的乘積。例如相繼兩次應(yīng)用具有因子m1和m2的Clos結(jié)構(gòu)，形成m＝m1m2，該結(jié)果為類似于圖4b的輸入級結(jié)構(gòu)，如圖4f所示。唯一的區(qū)別在于其輸入級現(xiàn)在由m×p個切換器構(gòu)成，而不是m×(2m-1)個切換器，類似地其輸出級由p×m個切換器構(gòu)成，其中m＝m1m2，p＝p1p2，以及p1＝2m1-1，p2＝2m2-1。每個圖4f切換器現(xiàn)在包括分別由m1×p1和m2×p2切換器構(gòu)成的兩個級。輸入切換器和輸出切換器現(xiàn)在特征在于p＞2m-1，因此通過采用具有m＝m1m2的圖4b結(jié)構(gòu)并采用m×(2m-1)和(2m-1)×m個輸入和輸出切換器，以一步實現(xiàn)N×N結(jié)構(gòu)，可以減小中間模塊的數(shù)量。另一方面，通過采用兩次應(yīng)用Clos結(jié)構(gòu)而得的圖4d結(jié)構(gòu)，可以獲得更為簡單的輸入和輸出切換器。特別地，從圖4f的結(jié)構(gòu)，通過對圖4f中各模塊采用圖7的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對于m＝4的m1＝m2＝2的充分擴張結(jié)構(gòu)。在此情況下，可以發(fā)現(xiàn)圖4f中兩級之間的各連接450包括一個直接連接至一個1×2單元的2×1單元，如圖4g中451所示。因此可以用一個2×2單元452替代圖4g中的各對單元451，最后結(jié)果為圖4h的結(jié)構(gòu)，由于其易于以集成形式實現(xiàn)并且具有可忽略的一級串擾而具有吸引力。注意到上述結(jié)果，對于圖4f兩個模塊之間的各連接，其中出現(xiàn)一個2×1單元直接連接至一個1×2單元的情況，這是各構(gòu)造模塊充分擴張時的一般特性。從而上述兩個單元451之一是多余的，可以將其去除，如果另一個被替換為2×2單元的話。
如圖10所示，通過在m個輸入的每個中包括輸入調(diào)制器，可以獲得一個具有吸引力的結(jié)構(gòu)。所示m×(2m-1)單元包括調(diào)制器1001和1002，分別用于將輸入信號I1和I2調(diào)制到來自激光器1003和1004的信號上。激光器1003和1004的波長通過一個分離的控制信號加以選擇。注意來自激光器1003和1004的波長信號決定輸入信號通過圖4a的路由器401的切換路徑。因此在圖4a中，輸入級402的控制信號C1…Ci和輸出級403的控制信號C’1…C’I與激光器1003和1004的控制信號C一起決定了各輸入信號通過圖4a的N×N切換器的切換路徑。
上述圖4的Clos結(jié)構(gòu)和圖3的十字形結(jié)構(gòu)比采用單個N×N路由器的結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點1)只需要n個激光波長而不是N個，以及2)各路由器可以以集成形式實現(xiàn)，并且在損耗和效率方面具有優(yōu)越的性能。實際上，采用已有技術(shù)難以在單個路由器中實現(xiàn)128×128切換器。注意到各個n×n路由器可以替換為單個光柵結(jié)合以透鏡或反射鏡的傳統(tǒng)折疊結(jié)構(gòu)。
總之，以三級構(gòu)造較大的N×N切換器，分別包括n×n波長路由器結(jié)合以空間切換器的輸入級和輸出級。各輸入切換器連接至多波長激光器。圖10的輸入空間切換器包括m個調(diào)制器，與之連接有m個輸入和m個多波長激光信號，繼之以2×2切換單元的無阻斷m×m(2m-1)切換器結(jié)構(gòu)。所得輸入空間切換器適于以集成形式實現(xiàn)。各輸入激光信號首先由輸入數(shù)據(jù)信號加以調(diào)制，然后切換器將其傳送至特定的路由器，該路由器根據(jù)激光波長將經(jīng)調(diào)制信號傳輸至特定的輸出端口。在圖11所示的輸出空間切換器中，m×(2m-1)切換器結(jié)構(gòu)繼以m個接收器。在最簡單的情況下，N×N電子切換器通過采用n＝N/m個輸入空間切換器(圖10)和n＝N/m個輸出空間切換器(圖11)加上2m-1個路由器(圖4a的401)實現(xiàn)。
所描述的僅僅是本發(fā)明原理的例示性應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下采用其它方法和結(jié)構(gòu)。
附件A理想地，可以將圖1的路由器由一組N波長λj表征，使得從任一輸入端口至任一輸出端口的傳輸系數(shù)在上述波長之一處具有傳輸峰值[1，5]。實際上，如果將路由器設(shè)計成對于特定輸入端口例如中央端口具有上述特性，則可以發(fā)現(xiàn)上述特性只是近似適用于其它端口。因此，該路由器的問題在于隨N增大的波長誤差，并且為了使這些誤差保持較小，必須滿足N<36100GHz.]]>GHz為以GHz計算的信道間距。例如，對于50GHz的信道間距，必需N＜52。通過調(diào)整路由器，通過如[6]中所述增寬其通帶，可以使該值增大至1.25倍，但是此技術(shù)也使損耗和串擾增大大約3dB。
圖1的路由器包括N個輸入波導(dǎo)，N個輸出波導(dǎo)，兩個介電平板，和一個連接在這兩個平板之間的波導(dǎo)光柵。輸入和輸出波導(dǎo)以等間距a連接至所述兩個平板，兩個平板之間的光柵波導(dǎo)(臂)特征在于具有恒定的路程差。因此從特定輸入波導(dǎo)至特定輸出波導(dǎo)的各傳輸系數(shù)基本呈現(xiàn)周期性特點，具有等間隔的峰值，每個峰值由光柵的特定級p產(chǎn)生。特別地，從第i輸入波導(dǎo)至第k輸出波導(dǎo)的最大傳輸波長λ由下述關(guān)系限定xi-xkR=pλ-p0λ0b---(1)]]>其中圖1中所示各參數(shù)定義如下xi、xk為確定所述兩個波導(dǎo)位置的坐標，b為所述臂的接收端和發(fā)送端的間距，p0為特定級p，λ0為對于i＝k和p＝p0時最大傳輸?shù)闹醒氩ㄩL，R為輸入和輸出波導(dǎo)從光柵中央臂的徑向距離。
注意上述表達式可以寫成pλ-p0λ0＝(p-p0)λ0+p0(λ-λ0)+(p-p0)(λ-λ0)(2)其中在λ-λ0或p-p0很小時最后一項可以忽略。通過適當選擇輸入和輸出波導(dǎo)的間距a，使得a=1NRλ0b]]>可以由上式(1)得最大傳輸波長λ=λ0+[i-kN-(p-p0)]λ0p---(3)]]>在這些波長中選擇N波長λj對于i＝0、k＝j(luò)和p＝p0而得的特定子組。該子組具有重要的特性，忽略(2)的最后一項以簡化方程(3)近似而得，簡化為λ≈λ0+[i-kN-(p-p0)]λ0p0]]>根據(jù)該式，各傳輸系數(shù)在上述波長λj之一處具有峰值，形成峰值的適當值j、p以簡單的方式與i、k相關(guān)。另一方面，被忽略項引起對應(yīng)于λj的峰值的實際波長偏離λj。通過將輸出波導(dǎo)稍微偏離其初始位置可以以因子2減小該誤差，則最大波長誤差由下式給出δϵ≈λ04p0]]>因而，采用傳統(tǒng)(窄帶)設(shè)計[6]必需N＜0.36p0以使上述誤差引起的損耗保持在1db以下。在上式中，p0由信道間距 決定，因此我們得到最終結(jié)果N<36100GHz.]]>例如，對于50GHz的信道間距，必需N＜52。通過如[6]中所述增寬其通帶，可以使該值增大至1.25倍，但是此技術(shù)也使損耗和串擾增大大約3dB。上述限制僅僅由于此處我們對于所有輸入端口限定了相同的梳形N波長而產(chǎn)生。通過允許各輸入端口具有不同的梳形波長，可以消除上述限制，但是因而需要總計N個梳形(包括總計2N-1個波長)，以便提供從所有輸入端口的最大傳輸。這里我們假定各梳形由一個多波長激光器產(chǎn)生。因此，由于不同激光器產(chǎn)生不同的波長梳形，所以各激光以不同的波長為中心，從而上述結(jié)構(gòu)難于設(shè)計。上述考慮是圖1中小N值較為有利的一個原因。如前面介紹中所指出，其它原因還有1)一般最好通過減少對各激光器波長數(shù)量的需要來簡化激光器的設(shè)計，以及2)具有大N值N＞64的路由器難以以集成形式設(shè)計而具有滿意的損耗和串擾值。另一方面，被忽略項引起對應(yīng)于λj的峰值的實際波長偏離λj。通過將輸出波導(dǎo)稍微偏離其初始位置可以以因子2減小該誤差，則最大波長誤差由下式給出δϵ≈λ04p0]]>因而，采用傳統(tǒng)(窄帶)設(shè)計[6]必需N＜0.36p0以使上述誤差引起的損耗保持在1db以下。在上式中，p0由信道間距 決定，因此我們得到最終結(jié)果N<36100GHz.]]>例如，對于50GHz的信道間距，必需N＜52。通過如[6]中所述增寬其通帶，可以使該值增大至1.25倍，但是此技術(shù)也使損耗和串擾增大大約3dB。上述限制僅僅由于此處我們對于所有輸入端口限定了相同梳形N波長而產(chǎn)生。通過允許各輸入端口具有不同梳形波長，可以消除上述限制，但是因而需要總計N個梳形(包括總計2N-1個波長)，以便提供從所有輸入端口的最大傳輸。這里我們假定各梳形由一個多波長激光器產(chǎn)生。因此，由于不同激光器產(chǎn)生不同的波長梳形，所以各激光以不同的波長為中心，從而上述結(jié)構(gòu)難于設(shè)計。上述考慮是圖1中小N值較為有利的一個原因。如前面介紹中所指出，其它原因還有1)一般最好通過減少對各激光器波長數(shù)量的需要來簡化激光器的設(shè)計，以及2)具有大N值N＞64的路由器難以以集成形式設(shè)計而具有滿意的損耗和串擾值。
附件B參考文獻[1]Doerr，C.，Dragone，C.，Glass，A.，and Kaminow，I.P.，″ABroadband Electronic N×N Cross-Connect Switch Using TunableLasers″，美國專利申請?zhí)?9/400,240，申請日Sept21，1999. Bernasconi，P.，Doerr，C.R.，Dragone，C.，Cappuzzo，M.，Laskowski，E.，and Paunescu，A.，″Large N×N Waveguide GratingRouters，″Journal of Lightwave Technology Systems，″IEEE通信雜志，18(7)pp.985-991，July 2000 May 1987. Padmanabhan，K.，and Netravali，A.，″Dilated Networks forPhotonic Switching，″IEEE通信學(xué)報，Vol.COM-35，No.12，pp.1357-1365，December 1987. Clos，C.，″A Study of Non-blocking Switching Networks，″B.S.T.J.，32，1953，pp.406-424. Dragone，C.，″An N×N optical multiplexer using a planararrangement of two star couplers，″IEEE光子技術(shù)Lett.，vol.3，pp.812-815，Sept.1991. Dragone，C.，″Efficient techniques for widening the passband of aWavelength Router″，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.16，No.10，October 1998，pp.1895-1906.這些技術(shù)也在下述美國專利中有描述；本申請的專利號為5,412,744，5,467,418，5,488,680. Dragone，C.，″Optimum Design of a Planar Array of TaperedWaveguides，″J.Opt.Soc.Amer.A.，Vol.7，No.11，pp.2081-2093，Nov.1990，Applied Optics，26，April 1987.
權(quán)利要求
1.一種N×N無阻斷光學(xué)切換器，用于提供N入口任一與N出口任一之間的連接，其中N為整數(shù)，該N×N切換器包括一個輸入級，包括多個輸入空間切換器，各輸入空間切換器的各個輸入端口與所述N入口的一個不同入口連接；一個輸出級，包括多個輸出空間切換器，各輸出空間切換器的各個輸出端口與所述N出口的一個不同出口連接；和一個中間級，連接在所述輸入級與所述輸出級之間，該中間級包括多個N/m×N/m波長路由器，m為N的整數(shù)約數(shù)，其中各路由器的不同輸入連接至不同的輸入切換器，各路由器的不同輸出連接至不同的輸出切換器，輸入級和輸出級使得輸入切換器的任何空閑輸入端口和輸出切換器的任何空閑輸出端口可以同時連接至至少一個路由器而不影響已有的連接。
2.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中所述輸入級包括多個，N/m個，m×(2m-1)輸入空間切換器，各m×(2m-1)輸入空間切換器的每個輸入與所述N入口的一個不同入口連接；所述輸出級包括多個，N/m個，(2m-1)×m輸出空間切換器，各(2m-1)×m輸出空間切換器的每個輸出與所述N出口的一個不同出口連接；并且所述中間級連接在所述輸入級與所述輸出級之間，該中間級包括多個，(2m-1)個，N/m×N/m波長路由器，其中各N/m×N/m波長路由器的N/m個輸入連接至不同的m×(2m-1)輸入空間切換器，各N/m×N/m波長路由器的N/m個輸出連接至不同的(2m-1)×m輸出空間切換器。
3.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中輸入級包括1×2切換器，輸出級包括2×1切換器，中間級包括四個N/4×N/4路由器，任一輸入切換器通過該四個路由器之一與任一輸出切換器相連。
4.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中所述輸入級包括多個，N/m個，m×p輸入空間切換器，其中p為整數(shù)，特征在于p滿足P＞2m-1，各m×p輸入空間切換器的每個輸入與所述N入口的一個不同入口連接；所述輸出級包括多個，N/m個，p×m輸出空間切換器，各p×m輸出空間切換器的每個輸出與所述N出口的一個不同出口連接；并且所述中間級連接在所述輸入級與所述輸出級之間，該中間級包括多個，p個，N/m×N/m波長路由器，其中各N/m×N/m波長路由器的N/m個輸入連接至不同的m×p輸入空間切換器，各N/m×N/m波長路由器的N/m個輸出連接至不同的p×m輸出空間切換器，使得各路由器與所有輸入切換器和輸出切換器連接。
5.如權(quán)利要求4所述的N×N切換器，其中整數(shù)m、p由m＝m1m2以及P＝P1P2給出，其中p1＝2m1-1以及p2＝2m2-1，其中m、m1、m2為N的整數(shù)約數(shù)，各m×p輸入切換器包括兩個級，分別由m2個m1×p1切換器和p1個m2×P2切換器構(gòu)成，使得每一級的各切換器與另一級的各切換器連接，并且各p×m輸出切換器包括兩個級，分別由p1個p2×m2切換器和m2個p1×m1切換器構(gòu)成，使得每一級的各切換器與另一級的各切換器連接。
6.如權(quán)利要求5所述的N×N切換器，其中各m1×p1切換器和各m2×P2切換器被充分擴張。
7.如權(quán)利要求5所述的N×N切換器，其中各m1×p1切換器和各m2×P2切換器被充分擴張，m1×p1切換器之一的一個2×1單元與m2×P2切換器之一的一個1×2單元直接連接所構(gòu)成的每一連接由單個2×2單元替代。
8.如權(quán)利要求2所述的N×N切換器，其中m＝2，并且各m×(2m-1)輸入空間切換器和各(2m-1)×m輸出空間切換器被充分擴張，它含有7個單元，形成兩個輸入二叉樹，每個包括兩個1×2單元，連接至3個2×1輸出單元，且僅具有一個波導(dǎo)交叉點。
9.如權(quán)利要求5所述的N×N切換器，其中m1＝m2＝2，并且各m1×p1、m2×p2、p1×m1、p2×m2切換器被充分擴張。
10.如權(quán)利要求5所述的N×N切換器，其中m1＝m2＝2，輸入級的各m1×p1和m2×p2切換器被充分擴張，它含有兩個1×3輸入二叉樹，每個輸入樹包括兩個1×2單元，連接至3個2×1輸出單元，從而形成一個無阻斷2×3切換器，并且m1×p1切換器與m2×p2切換器之間含有一個2×1單元與一個1×2單元直接連接所構(gòu)成的每一連接由單個2×2單元替代，從而對于每一連接減少了一個單元，并且其中輸出級切換器p1×m1和p2×m2的結(jié)構(gòu)是輸入級的鏡象。
11.如權(quán)利要求10所述的N×N切換器，其中輸入級的各m1×p1和各m2×p2切換器與輸出級的各p1×m1和各p2×m2切換器僅具有一個波導(dǎo)交叉點。
12.如權(quán)利要求2所述的N×N切換器，其中m＝2并且各輸入和輸出切換器含有三個單元且沒有波導(dǎo)交叉點。
13.如權(quán)利要求2所述的N×N切換器，其中1×2單元樹連接至5個2×1單元的輸出二叉樹，具有8個波導(dǎo)交叉點。
14.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中每個路由器以集成器件形式實現(xiàn)。
15.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中每個輸入空間切換器以集成器件形式實現(xiàn)。
16.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中每個輸出空間切換器以集成器件形式實現(xiàn)。
17.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中至少一個輸出空間切換器在其每一輸出處具有一個光接收器，用于接收光信號。
18.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中至少一個輸入空間切換器在其每一輸入端口處具有一個可調(diào)激光器，用于向其提供激光信號。
19.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中輸入空間切換器和輸出空間切換器采用1×2、2×1、和2×2切換器實現(xiàn)。
20.如權(quán)利要求1所述的N×N切換器，其中輸入空間切換器和輸出空間切換器只采用1×2和2×1切換器實現(xiàn)。
21.如權(quán)利要求2所述的N×N切換器，其中m＝3，并且各輸入和輸出切換器含有不多于10個單元且具有3個波導(dǎo)交叉點。
全文摘要
一種N×N交聯(lián)切換器,用于大的N值,采用較小波長路由器結(jié)合以空間切換器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。通過采用多個輸入空間切換器、多個(N/m)×(N/m)路由器(其減小規(guī)模N/m使得可以以集成形式有效率地實現(xiàn))、和多個輸出空間切換器,以三級形式構(gòu)造N×N交聯(lián)切換器。在路由器中,波長數(shù)量減小以因子m。輸入和輸出空間切換器可以采用十字形或Clos型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在一個結(jié)構(gòu)中,每個調(diào)制器與一個含有2×2單元的較小空間切換器結(jié)合。可以通過采用充分擴張結(jié)構(gòu)以可忽略的串擾實現(xiàn)各空間切換器。
文檔編號H04L12/56GK1356569SQ01125149
公開日2002年7月3日 申請日期2001年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者科拉多·P·德拉貢 申請人:朗迅科技公司