CN103336334B - 一种基于阵列波导光栅的光交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列波导光栅的光交换系统，包括输入单元、交换单元和输出单元，其中交换单元包括两组阵列波导光栅，其中前置的第一组由N个M×M的周期性阵列波导光栅构成，后置的第二组由M个N×N的周期性阵列波导光栅构成，并且第一组中第一个光栅的输出端口分别与第二组中各个光栅的第一路输入端口依次链接；第一组中第二个光栅的输出端口分别与第二组中各个光栅的第二路输入端口依次链接；以此类推，第一组中第N个光栅的输出端口分别与第二组中各光栅的第N路输入端口依次链接。通过本发明，可在实现大规模端口数的同时获得纳秒量级的响应速度，并具备结构紧凑、易于操控和使用灵活等优点，因而尤其适用于全光交换系统的高速交换用途。

Description

一种基于阵列波导光栅的光交换系统

技术领域

本发明属于光网络通信技术领域，更具体地，涉及一种基于阵列波导光栅的光交换系统。

背景技术

目前互联网数据通信量和视频通信业务呈现爆炸性增长的趋势，进而也极大增加了传统网络电交换系统中电开关、路由器的能耗等问题。传统的电交换系统是光-电-光转换的过程，光被转成电信号来穿过开关，然后重新转换成光，这个过程既限制了通信容量，还会导致时间的延迟和能耗。为了解决这个难题，全光交换系统中的光开关结构由于具备大容量、能耗效率高和高速传输等优势，现已被逐渐应用到通信网络中。光交换系统处在光通信网络的节点位置，是路由光信号并进行中心数据传输过程的核心部分，它的功能为将任何输入光信号路由到任何输出端口。

当前用于构造光交换系统的重要技术之一是光MEMS方式，其所获得的端口数量规模很大，但最大不足在于开关时间慢，仅为毫秒量级；此外，基于半导体光放大器（SOA）和压电陶瓷（PLZT）的光开关技术可以实现纳秒级的开关速度，但它们的端口数量规模均限制得很小，目前分别仅为16×16和4×4。考虑到现有光网络节点中光交换系统的要求越来越高，它必须具备多端口数、响应时间快、容量大的特点，因此上述的光交换系统已经不能满足当下的实际需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于阵列波导光栅的光交换系统，其中通过采用阵列波导光栅作为交换单元并对其设置方式进行设计，相应可在实现大规模端口数的同时获得纳秒量级的响应速度，因而尤其适用于全光交换系统的高速交换用途。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于阵列波导光栅的光交换系统，该系统包括用于接收多路光信号的输入单元、用于对多路光信号执行光交换的交换单元，以及用于将执行光交换后的多路光信号执行输出的输出单元，其特征在于：

所述交换单元包括两组前后布置且相互级联的阵列波导光栅，其中前置的第一组阵列波导光栅由N个M×M的周期性阵列波导光栅构成，后置的第二组阵列波导光栅组由M个N×N的周期性阵列波导光栅构成，并且两者之间按照以下方式执行链接：第一组中的第一个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第一路输入端口依次链接；第一组中的第二个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第二路输入端口依次链接；以此类推，第一组中的第N个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第N路输入端口依次链接；此外，M和N均为大于等于2的自然数，并满足M≠N。

作为进一步优选地，所述输入单元为可调谐激光器，并用于直接输入不同波长的光信号。

作为进一步优选地，所述输入单元为用于输入光信号转换的波长转换器。

作为进一步优选地，对于所述第一组阵列波导光栅和第二组阵列波导光栅而言，其周期性阵列波导光栅的数量M、N进一步满足以下条件：M和N为互质数。

作为进一步优选地，所述第一组和第二组阵列波导光栅为彼此独立的光模块器件，并直接采用单模光纤进行链接。

作为进一步优选地，所述第一组和第二组阵列波导光栅优选通过绝缘硅技术来执行单片集成，并采用光波导交叉的方式进行链接。

按照本发明的另一方面，还提供了上述光交换系统在光通信网络光节点处用于实现中心数据传输和交换路由的通信用途。

总体而言，按照本发明的基于阵列波导光栅的光交换系统与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过结合阵列波导光栅的周期性和波长相关路由的特点来设计特定的光交换架构，能够以结构紧凑、便于操控的方式实现高速光交换系统端口数的大规模化，同时实现单片集成；

2、通过对前后置阵列波导光栅的相互数量关系进行设计，可使得特定波长的信号从任意端口的输入并从任意端口输出，实现大规模波长严格无阻塞路由的功能；

3、按照本发明的光交换系统开关速度快，测试表明响应速度可达到纳米量级，并具备易于加工、成本低等特点，因而尤其适用于全光交换系统的高速交换及通信用途。

附图说明

图1是用于显示周期性阵列波导光栅的波长路由的示意图；

图2是按照本发明的光交换系统中交换单元的结构及链接方式示意图；

图3是按照本发明一个优选实施例所构建的光交换系统的整体构造示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1中所示，以N×N周期性阵列波导光栅（AWG）为例，显示了该周期性阵列波导光栅的波长路由状态。该N×N周期性阵列波导光栅具有K个周期，具体而言，可支持若干k个衍射级，也即k组波长{λ₁，λ₂，…，λ_N}，{λ_N+1，λ_N+2，…，λ_2N}，……{λ_{（k-1）×N+1}，λ_{（k-1）×N+2}，…，λ_k×N}，因此在该周期性阵列波导光栅中可执行同样的路由选择通道。

通过结合阵列波导光栅的周期性和波长相关路由的特点，本发明中提出了一种新型的基于阵列波导光栅的光交换系统，该光交换系统主要包括用于接收多路光信号的输入单元、用于对多路光信号执行光交换的交换单元，以及用于将执行光交换后的多路光信号执行输出的输出单元。其中，输入单元譬如可选择高速可调谐激光器（FTL），或是波长转换器（TWC）；其功能是在信号输入端提供不同波长的输入光信号，以满足预设端口通道之间的信号路由。

作为本发明的关键改进所在，如图2中所示，所述交换单元包括两组前后布置且相互级联的阵列波导光栅，其中前置的第一组阵列波导光栅由N个M×M的周期性阵列波导光栅构成，后置的第二组阵列波导光栅组由M个N×N的周期性阵列波导光栅构成，并且两者之间按照以下方式执行链接：第一组中的第一个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第一路输入端口依次链接；第一组中的第二个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第二路输入端口依次链接；以此类推，第一组中的第N个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第N路输入端口依次链接；此外，M和N均为大于等于2的自然数，并满足M≠N。

对于上述所有的周期性阵列波导光栅，其自由光谱区FSR等于通道数乘以通道波长的间隔。若设波长间隔统一为Δλ，则前置的第一组周期性阵列波导光栅的自由光谱区等于M×Δλ，共有N个周期；而后置的第二组周期性阵列波导光栅的自由光谱区等于N×Δλ，共有M个周期。而通过以上的具体链接方式，所获得的光交换架构的规模可达到MN×MN，而输入单元的波长数为MN个，因此通过某个特定的波长信号，可实现光信号从任意端口的输入，并从任意端口输出，相应以结构紧凑、便于操控的方式实现大规模MN波长的严格无阻塞路由的功能。

实施例一

下面将参照图3来举例说明按照本发明一个优选实施例所构建的光交换系统。如图3中所示，通过将M设定为4，N设定为3，即可构成一个较大规模的光交换系统。具体而言，前置的第一组阵列波导光栅由3个4×4的周期性阵列波导光栅构成，后置的第二组阵列波导光栅由4个3×3的周期性阵列波导光栅构成，进而构成12×12的波长路由光交换系统，它们之间譬如可直接利用光纤连接。

可以以第一组第一个周期性阵列波导光栅的第一个输入端口到上述光交换系统的任意输出端口的交换过程为例，来予以更具体的说明：

所加载的光信号波长分别设为λ₁，λ₂，λ₃，…，λ₁₂；

该前置阵列波导光栅组中各个周期性AWG的四个端口分别可输出的光信号波长为λ₁,λ₅,λ₉；λ₂,λ₆,λ₁₀；λ₃,λ₇,λ₁₁；λ₄,λ₈,λ₁₂，并依次传输到后置阵列波导光栅组的4个周期性阵列波导光栅的指定输入端。在后置AWG组中，第一个周期性AWG的输出端口分别输出的光信号波长为λ₁,λ₅,λ₉，第二个周期性AWG的输出端口分别输出的光信号波长为λ₂,λ₆,λ₁₀，而第三个周期性AWG的输出端口分别输出的光信号波长为λ₃,λ₇,λ₁₁；

因此，譬如通过控制波长转换器TWG的信号波长λ₁，λ₂，λ₃，…，λ₁₂并加载对应的波长信号，可实现光信号从任意端口的输入，并从任意端口输出。

实施例二

首先将M设定为8，N设定为9，首先通过单片集成方式来制作第一组和第二组阵列波导光栅，并利用光波导交叉进行链接，由此构建72×72波长路由的光交换构架。

在本实施例中，优选通过绝缘硅（SOI）技术来将9个8×8的周期性阵列波导光栅、8个9×9的周期性阵列波导光栅单片集成，并在两组阵列波导光栅之间利用光波导交叉的方式，实现两者之间的链接。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于阵列波导光栅的光交换系统，其特征在于，该系统设置在光通信网络光节点处，作为全光交换系统用于实现中心数据传输和交换路由的高速通信用途，并包括用于接收多路光信号的输入单元、用于对多路光信号执行光交换的交换单元，以及用于将执行光交换后的多路光信号执行输出的输出单元，其中：

所述输入单元为可调谐激光器，并用于直接输入不同波长的光信号，并且这些光信号的波长总数被设定为M×N个；

所述交换单元包括两组前后布置且相互级联的阵列波导光栅，其中前置的第一组阵列波导光栅由N个M×M的周期性阵列波导光栅构成，后置的第二组阵列波导光栅组由M个N×N的周期性阵列波导光栅构成，并且该第一组阵列波导光栅和该第二组阵列波导光栅均通过绝缘硅技术执行单片集成，并采用光波导交叉的方式在两者之间执行如下链接：第一组中的第一个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第一路输入端口依次链接；第一组中的第二个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第二路输入端口依次链接；以此类推，第一组中的第N个周期性阵列波导光栅的M路输出端口分别与第二组中的M个周期性阵列波导光栅各自的第N路输入端口依次链接；M和N均为大于2的自然数并为互质数；此外，对于上述所有的阵列波导光栅而言，其波长间隔统一设定为Δλ并且自由光谱区均等于通道数量乘以通道波长的间隔，这样所述第一组阵列波导光栅共有N个周期且自由光谱区等于M×Δλ，而所述第二组阵列波导光栅共有M个周期且自由光谱区等于N×Δλ，相应获得的光交换架构规模为MN×MN；

以此方式，上述波长总数为M×N个的光信号得以分别从任意端口输入并从任意端口输出，并且以结构紧凑的方式获得纳秒量级的响应速度。