光通信研究 2019年第1期总第211期 光移相器设计或级联开关单元结构可以弥补这方面 PILOSS结构是在 Crossbar结构的基础上提出 的不足 的改进型拓扑结构,它可以避免不同交换路径插入 2.2集成光开关拓扑结构 损耗的不一致性。 PILOSS结构的阻塞性质与 影响光开关性能的一个重要因素是光开关矩阵 Crossbar相同,为广义无阻塞。 PILOSS拓扑结构 的拓扑结构,多端口光开关基本都由基本开关单元包含有N2个开关单元和N-1个波导交叉结。该 通过一定的拓扑网络相互连接而成。光开关拓扑结结构最大的特点就是连接任意输入输出端口的传输 构可分为有阻塞和无阻塞两种,无阻塞又分为严格路径都会经过N个开关单元和N-1个波导交叉 无阻塞、广义无阻塞和可重构无阻塞3种[8。严格结。因此,理论上该拓扑结构的路径损耗不均匀性 无阻塞交换是指只要连接的起点和终点是空闲的,为0。图15所示为4×4 PILOSS拓扑结构的示意 不管采用哪种算法,任何时刻都可以在交换网络中图 建立一个连接,而不影响现有已经建立好的光路;广 义无阻塞网络是指如果按照某种特定算法建立连 接那么就不会影响到现有的光路;可重构无阻塞是 指只要某个连接的起点和终点是空闲的,任何时刻 都可以在交换网络中直接或间接对已有的光路重新 配置来建立一个新的光路。下面介绍几种硅基光开 图154×4 PILOSS拓扑结构示意图 关中常用的拓扑网络结构。 2.2.2S&S网络结构 2.2.1交叉开关矩阵网络结构 图16所示为4×4S8S拓扑结构的示意图, 图14所示为4×4交又开关矩阵( Crossbar)拓s8s结构的阻塞性质为严格无阻塞。一个NxN 扑结构的示意图。 Crossbar结构是一种应用广泛的S8.s拓扑结构可以拆分为3个部分,分别为输 的光开关拓扑结构,该拓扑结构由N行乘以N列个 开关单元组成一个N×N端口的开关网络。因此, 该开关网络的基本开关单元为N2个。 Crossbar结 构的阻塞性质为广义无阻塞,由于结构较为简单,因 而控制算法也非常简单。 Crossbar结构的优点在 l2 O, 输出O1-O4 4×4S8.S拓扑结构示意 0 入/输出交换阵列和连接这两个部分的无源交换网 输出O1-O4 路。输入/输出交换阵列由N个1×N二叉树子交 图144×4 Crossbar拓扑结构示意图 换阵列组成,每个1×N二又树子交换阵列由log2N 于其拓扑网络中没有波导交叉,避免了由于波导交级1×2基本开关单元组成。因此S8S拓扑结构也 叉引起的损耗和串扰。该结构的缺点在于其不同交叫二又树结构。中间的无源交换网络由波导和波导 换路径经过的基本开关单元数量不一致,导致不同交叉结组成。该结构共有2N×(N-1)个1×2开 路径的损耗差异性很大。在N×N的交换网络中,美单元,每条传输路径均会经过2log2N个开关单 传输路径中开关单元数量最少为1,最多为2N-元。S8S拓扑结构存在的最大问题是其中间连接 1。假设每个开关单元引入的损耗为L,则该拓扑输入和输出阵列的无源交换网络需要大量的波导交 结构的路径损耗不均匀性为(2N-2)×Ls。 叉结导致片上插入损耗增加,而且不同交换路径波光移相器设计或级联开关单元结构可以弥补这方面 的不足。 2.2 集成光开关拓扑结构 影响光开关性能的一个重要因素是光开关矩阵 的拓扑结构,多端口光开关基本都由基本开关单元 通过一定的拓扑网络相互连接而成。光开关拓扑结 构可分为有阻塞和无阻塞两种,无阻塞又分为严格 无阻塞、广义无阻塞和可重构无阻塞3种[82]。严格 无阻塞交换是指只要连接的起点和终点是空闲的, 不管采用哪种算法,任何时刻都可以在交换网络中 建立一个连接,而不影响现有已经建立好的光路;广 义无阻塞网络是指如果按照某种特定算法建立连 接,那么就不会影响到现有的光路;可重构无阻塞是 指只要某个连接的起点和终点是空闲的,任何时刻 都可以在交换网络中直接或间接对已有的光路重新 配置来建立一个新的光路。下面介绍几种硅基光开 关中常用的拓扑网络结构。 2.2.1 交叉开关矩阵网络结构 图14所示为4×4交叉开关矩阵(Crossbar)拓 扑结构的示意图。Crossbar结构是一种应用广泛 的光开关拓扑结构,该拓扑结构由 N 行乘以N 列个 开关单元组成一个 N ×N 端口的开关网络。因此, 该开关网络的基本开关单元为 N2 个。Crossbar结 构的阻塞性质为广义无阻塞,由于结构较为简单,因 而控制算法也非常简单。Crossbar结构的优点在 输 入 I ~1 I4 I1 I2 I3 I4 输出 O1~O4 O1 O2 O3 O4 图14 4×4Crossbar拓扑结构示意图 于其拓扑网络中没有波导交叉,避免了由于波导交 叉引起的损耗和串扰。该结构的缺点在于其不同交 换路径经过的基本开关单元数量不一致,导致不同 路径的损耗差异性很大。在 N ×N 的交换网络中, 传输路径中开关单元数量最少为 1,最多为 2N - 1。假设每个开关单元引入的损耗为LSE,则该拓扑 结构的路径损耗不均匀性为(2N -2)×LSE。 PILOSS结构是在Crossbar结构的基础上提出 的改进型拓扑结构,它可以避免不同交换路径插入 损耗 的 不 一 致 性。PILOSS 结 构 的 阻 塞 性 质 与 Crossbar相同,为广义无阻塞。PILOSS 拓扑结构 包含有 N2 个开关单元和 N -1个波导交叉结。该 结构最大的特点就是连接任意输入输出端口的传输 路径都会经过 N 个开关单元和 N -1个波导交叉 结。因此,理论上该拓扑结构的路径损耗不均匀性 为0。图15所示为4×4PILOSS拓扑结构的示意 图。 输 入 I ~1 I4 输 出 O ~1 O4 I1 I2 I3 I4 O1 O2 O3 O4 图15 4×4PILOSS拓扑结构示意图 2.2.2 S&S网络结构 图16所示为 4×4S&S 拓扑结构的示意图, S&S结构的阻塞性质为严格无阻塞。一个 N ×N 的S&S拓扑结构可以拆分为3个部分,分别为输 输出 O1~O4 O1 O2 O3 O4 输 入 I ~1 I4 I1 I2 I3 I4 图16 4×4S&S拓扑结构示意图 入/输出交换阵列和连接这两个部分的无源交换网 路。输入/输出交换阵列由 N 个1×N 二叉树子交 换阵列组成,每个1×N 二叉树子交换阵列由log2N 级1×2基本开关单元组成。因此,S&S拓扑结构也 叫二叉树结构。中间的无源交换网络由波导和波导 交叉结组成。该结构共有2N × (N -1)个1×2开 关单元,每条传输路径均会经过2log2N 个开关单 元。S&S拓扑结构存在的最大问题是其中间连接 输入和输出阵列的无源交换网络需要大量的波导交 叉结导致片上插入损耗增加,而且不同交换路径波 18 光通信研究 2019年 第1期 总第211期