МАСШТАБИРУЕМЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КОММУТАТОРЫ И МОДУЛИ КОММУТАЦИИ
SCALABLE OPTICAL SWITCHES AND SWITCHING MODULES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет на совместно рассматриваемые предварительные заявки США №61/552616, поданную 28 октября 2011 г., Vorobeichik et al., под названием "Scalable Optical Switches and Switching Modules," №61/594539, поданную 3 февраля 2012 г., Way et al., под названием "Scalable Optical Switches and Switching Modules" и №61/642280, поданную 3 мая 2012 г., Way et al., под названием "Scalable Optical Switches and Switching Modules", каждая из которых включается в настоящую заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники изобретения относится к масштабируемой системе оптических коммутаторов на основе оптического коммутационного устройства, которые конструируются в модульной форме для расширения системы коммутатора с целью достижения необходимой возможности коммутации для системы оптической связи. К тому же, изобретение относится к оптическим сетям, включающим расширяемую модульную оптическую возможность коммутации.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Современные сети оптической связи повсюду используются для соединения отдаленных, региональных и столичных концентраторов связи для направления многочисленных разнотипных потоков телефонии, цифрового видео, интернета и других типов цифровых данных. Для наиболее эффективного и практичного управления постоянно увеличивающимися требованиями к пропускной способности и скорости этих сетей множество каналов связи объединяют в потоки, каждый из которых передает до 10 гигабит в секунду, развивающиеся в настоящее время 40 и 100 гигабит в секунду, а перспективами на будущее являются несколько сотен гигабит в секунду на объединенный поток данных. Множество этих потоков данных передается одновременно через каждое волокно в сети с использованием мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), где каждый поток переносится оптическим сигналом, который имеет длину оптической волны, немного отличающуюся, но полностью различимую от всех других длин волн для других потоков в волокне. Эти оптические потоки регулярно объединяют и разделяют соответствующим образом посредством различных широко известных компонентов оптического фильтра на каждом конце волоконно-оптической линии связи.
Эти оптические сети имеют множество местоположений, где оптические волокна пересекаются в «узлах». Эти узлы во многих отношениях являются аналогичными пересечениям сложной дорожной системы. Большое количество трафика передается на узел по каждому из волокон, но не весь трафик на любом волокне обязательно направляется в одно и то же место назначения. Некоторое количество трафика может направляться в места назначения рядом с узлом, новый трафик может возникать рядом с узлом, и может быть необходимым независимо перенаправить другой трафик среди множества выходных волокон из узла. Осуществление необходимой реконфигурации трафика на этих узлах обеспечивается коммутаторами.
До недавнего времени основные средства предоставления такой коммутации являлись электронными. Для достижения этой цели каждая длина волны в каждом волокне должна быть разделена на отдельные физические каналы, а затем данные в каждой из этих длин волн должны быть преобразованы оптическим приемником в двоичные электрические данные. Как только все данные принимают электрическую форму, они могут быть переданы в электронную коммутационную матрицу в любой из многочисленных возможных конфигураций и перегруппированы в соответствующие группы на множестве выходных каналов. Затем данные в каждом выходном канале преобразовываются обратно в оптические посредством оптического передатчика на каждом выходе, который имеет конкретную предопределенную длину волны, и потоки данных на отличных длинах волн, которые направляются на каждое выходное волокно, повторно мультиплексируются и вводятся в волокно. Также могут существовать входные и выходные потоки данных, связанные с локальным трафиком, который может быть интегрирован с данными, проходящими через узел, с использованием дополнительных портов на коммутационной матрице. При такой скорости передачи данных, которая используется в каждой длине волны, электрооптические приемники и передатчики являются относительно дорогостоящими, громоздкими и энергоемкими по сравнению с чисто оптической передачей. Также в матрице электрического коммутатора необходима электроэнергия для проталкивания абсолютно всех бит данных через матрицу, и каждую секунду сотни миллиардов или триллионов бит могут проходить через матрицу. В принципе электронная коммутация может предоставить максимальную гибкость при реконфигурации, форматировании, синхронизации и иной оптимизации представления данных перед их отправкой в путь. Однако для большого количества данных, проходящих через современный узел, несомненно, просто непрактично коммутировать все электронным образом, и экономика предоставления фундаментального аппаратного обеспечения также является неподдерживаемой. К тому же, предполагается, что полоса пропускания, проходящая через узлы, будет улучшена только со временем.
В течение десятилетия или около того, предшествующего настоящей заявке, технология оптической коммутации развивалась для дополнения электронной коммутации, с которой она находится в согласовании, и фактически для обеспечения улучшения в полосе пропускания данных, проходящих через узлы. Оптическая коммутация обычно рассматривает каждую длину волны в качестве связующей единицы и открыто передает каждую длину волны на ее место назначения внутри узла, либо выходного волокна или канала длины волны, связанного с локальным трафиком. Проницаемый оптический коммутатор эффективно устанавливает физический путь для света при заданной длине волны на заданное входное волокно, который должен быть линейно и непосредственно пропущен на необходимое выходное волокно или локальный порт. Такой коммутатор главным образом пропускает любые оптические данные независимо от формата или содержимого, пока они находятся в пределах диапазона длины оптической волны для этого оптического канала. Поскольку оптический коммутатор не может модифицировать подробные данные в рамках длины оптической волны, то он не является настолько же гибким, как электронный коммутатор. Но что более существенно, энергия, необходимая для коммутации данных для этой длины волны, равняется лишь количеству энергии, необходимой для установки и поддержки оптического пути через коммутатор, что в общем составляет величину на порядок ниже, чем величина, необходимая для электронной коммутации подобных данных. Поскольку энергопотребление зачастую является ограничивающим фактором для длины волны, которой может управлять узел, то оптическая коммутация является не только удобной для удаленной конфигурации, но также четко обеспечивает текущие и будущие уровни производительности оптических сетей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним общеизвестным подходом, в котором электронная коммутация предоставляет практическую масштабируемость, является модульное расширение. Предоставляется основной модуль коммутации, который поддерживает необходимость коммутатора умеренного размера. Если необходим коммутатор большего размера, то вместо создания дополнительного компонента, предоставляющего новый необходимый размер коммутатора, возможно соединить несколько модулей расширяемого коммутатора, и связь между модулями обеспечит функционирование набора модулей в качестве большего коммутатора. До настоящего изобретения компоненты оптической коммутации не могли предоставить полезную аналогичную возможность. Компоненты оптической коммутации обычно могут располагаться каскадом посредством соединения стандартных выходов одного компонента и стандартных входов дополнительных компонентов. Однако это предоставляется только для геометрического расширения, т.е. 8 1x8 коммутаторов могут быть не каскадированы одним 1x8 коммутатором для создания 1x64 коммутатора. Эта геометрическая прогрессия становится слишком большой и слишком быстрой для широкого применения и в действительности не предоставляет средства для модульной расширяемой коммутации. Целью настоящего изобретения является предоставление средств поддержки линейного расширения интегральных массивов и модулей оптической коммутации. Технические сведения этих нововведений раскрывают, что небольшая часть дополнительных элементов оптической схемы на схематической периферии главной оптической схемы для компонента оптической коммутации может предоставить порты расширения, которые позволяют соединение нескольких модулей в линейные конфигурации, и эти порты расширения обеспечивают необходимую связь между компонентами оптической коммутации для того, чтобы сделать линейное расширение практичным. Принципы нововведений, описанных в данной заявке, могут быть применены для предоставления возможности расширения для различных общих архитектур оптической коммутации. Таким образом, нововведения настоящего изобретения обеспечивают масштабируемые системы оптической коммутации из линейно расширяемых модулей оптической коммутации для любых основных классов архитектур оптического коммутатора, описанных в данной заявке. Применения изобретения в отношении архитектур, описанных в данной заявке, является примерными, и специалист в данной области техники с использованием преимуществ данных идей сможет применить изобретение в отношении других конфигураций архитектур оптического коммутатора.
В первом аспекте изобретение относится к устройству оптической коммутации с соединениями расширения, включающими фотонную интегральную схему. Фотонная интегральная схема может содержать N входных оптических портов, где N>1, входной световой путь, связанный с каждым входным портом, M оптических выходных портов, где M ≥ 1, выходной световой путь, связанный с каждым выходным портом, обходной блок оптического коммутатора, связанный с каждым выходным портом, P входных портов расширения, где P ≥ 1, световой путь расширения, связанный с каждым входным портом расширения и соединенный со связанным обходным блоком коммутатора, несколько элементов оптической коммутации и связанных световых путей, формирующих сеть соединений между входными световыми путями и обходным блоком коммутатора, связанным с выходным световым путем.
В следующем аспекте изобретение относится к устройству оптической коммутации с соединениями расширения, содержащими фотонную интегральную схему. Фотонная интегральная схема может содержать N входных оптических портов, где N ≥ 1, входной световой путь, связанный с каждым входным портом, M оптических выходных портов, где M>1, выходной световой путь, связанный с каждым выходным портом, обходной блок оптического коммутатора, связанный с каждым выходным портом, Q выходных портов расширения, где Q ≥ 1, световой путь расширения, связанный с каждым выходным портом расширения и соединенный со связанным обходным блоком коммутатора, несколько элементов оптической коммутации и связанных световых путей, формирующих сеть соединений между обходным блоком коммутатора, связанным с входным световым путем и выходными портами.
L
L
В дополнительных аспектах изобретение относится к расширяемому устройству оптической коммутации для динамической конфигурации соединений между выбранным количеством оптических входных портов и M оптических выходных портов. Устройство коммутации может содержать Z оптических модулей коммутации (Z ≥ 2) с оптическими соединениями для формирования конфигурации, которая имеет начальный модуль, терминальный модуль и опциональные промежуточные модули, где каждый модуль оптической коммутации L содержит N входных портов и M выходных портов и необходимую возможность коммутации между входными портами и выходными портами с суммой N, равной выбранному количеству входных портов. Каждый модуль оптической коммутации, который не является начальным модулем, может иметь набор входных портов расширения, соединенных через обходные коммутаторы с соответствующими выходными портами, и каждый оптический модуль, который не является терминальным модулем, может иметь набор выходных портов, соединенных с входными портами расширения другого модуля.
L
L
В другом аспекте изобретение относится к расширяемому устройству оптической коммутации для динамической конфигурации соединений между N оптических входных портов и выбранным количеством оптических выходных портов, где устройство коммутации содержит Z оптических модулей коммутации (Z ≥ 2) с оптическими соединениями для формирования конфигурации, которая имеет начальный модуль, терминальный модуль и опциональные промежуточные модули. Каждый модуль L оптической коммутации содержит N входных портов и M выходных портов и необходимую возможность коммутации между входными портами и выходными портами с суммой M, равной выбранному количеству выходных портов. Каждый модуль оптической коммутации, который не является терминальным модулем, может иметь набор выходных портов расширения, соединенных через обходные коммутаторы с соответствующими входными портами, и каждый оптический модуль, который не является начальным модулем, может иметь набор входных портов, соединенных с выходными портами расширения другого модуля.
Более того, изобретение относится к оптической кольцевой сети, содержит несколько узлов, два отличных оптических кольца, соединенных с узлами, и оптические ветви на каждом узле, предоставляющие оптическое соединение между каждым оптическим кольцом и N выходными оптическими линиями, где оптические ветви содержат два 1 x N оптических коммутатора, где каждый 1 x N оптический коммутатор соединен с соответствующим кольцом, а N 2x1 обходных коммутаторов соединяются с соответствующими 1 x N оптическими коммутаторами и N оптическими линиями.
К тому же, изобретение относится к узлу коммутации оптической сети, содержащему N оптических световых путей, N’xM’ коммутатор кросс-соединений (OXC) и N”xM” многоадресный коммутатор (MCS), набор обходных коммутаторов и набор обходных световых путей между выходом OXC и обходным коммутатором, где обходной коммутатор также соединен с выходом MCS.
В дополнительных аспектах изобретение относится к узлу коммутации оптической сети, содержащему N входных световых путей, блок извлечения и структуру устранения конфликта, где блок извлечения содержит многоадресный коммутатор (MCS), и структура устранения конфликта содержит выборочный оптический коммутатор с выходом из выборочного оптического коммутатора, направленного через световые каналы на входы MCS, где N входных световых путей разделены на поднабор, предоставляющий вход для структуры устранения конфликта, и еще один поднабор, предоставляющий вход для блока извлечения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 изображен оптический коммутатор, который содержит N входов и M выходов;
на фиг. 2 изображен коммутатор в сборе, который содержит по меньшей мере один коммутатор, оснащенный портами расширения;
на фиг. 3 изображен альтернативный вариант осуществления коммутатора в сборе, который содержит по меньшей мере один коммутатор, оснащенный портами расширения;
на фиг. 4 изображено четыре модуля, соединенных для предоставления N x M коммутатора;
на фиг. 5 изображен расширяемый модуль коммутации;
на фиг. 6 изображен расширяемый коммутатор, который содержит несколько обходных линий;
на фиг. 7 изображена группа расширяемых коммутаторов, собранных вместе;
на фиг. 8 изображен расширяемый многоадресный коммутатор;
на фиг. 9 изображена сборка расширяемых многоадресных коммутаторов;
на фиг. 10 изображена подсекция коммутатора, изображенного на фиг. 8;
на фиг. 11 изображена альтернативная 4x1 схема для многоадресного коммутатора;
на фиг. 12 изображена другая альтернативная 4x1 схема для многоадресного коммутатора;
на фиг. 13 изображено концептуальное расположение кросс-соединения расширяемой 4 x 3 планарной схемы световой волны (PLC);
на фиг. 14 изображен вариант осуществления схемы для расширяемой PLC;
на фиг. 15 изображена функциональная диаграмма расширяемого коммутатора;
на фиг. 16 изображена функциональная диаграмма оптических модулей коммутатора, изображенного на фиг. 15;
на фиг. 17 изображена функциональная диаграмма соединений модулей коммутатора, изображенного на фиг. 15;
на фиг. 18A изображен вид в перспективе модели передней стороны платы;
на фиг. 18B изображен вид в перспективе задней стороны платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 19 изображен вид в плане подсборки платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 20 изображен вид в перспективе подсборки платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 21 изображен вид в перспективе подсборки платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 22 изображен вид в перспективе подсборки платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 23 изображен вид сверху схемы для расширяемого коммутатора платы, изображенной на фиг. 18A;
на фиг. 24a изображен вариант осуществления многоадресного коммутатора;
на фиг. 24b изображен альтернативный вариант осуществления многоадресного коммутатора;
на фиг. 25 изображен график полученной оптической энергии на CR;
на фиг. 26 изображен вариант осуществления многоадресного ROADM с выравнивателем нагрузки стрелки поперечного перевода;
на фиг. 27 изображена гистограмма стоимости ROADM с использованием различных типов многоадресного коммутатора и отношений извлечения;
на фиг. 28 изображена улучшенная архитектура для ROADM с использованием 8 программируемых разветвителей;
на фиг. 29 изображен программируемый разветвитель на основе MZI и примерные спецификации;
на фиг. 30 изображен MCS в случае, когда начальный поток трафика имеет только одно направление;
на фиг. 31 изображен MCS в случае, когда начальный поток трафика равномерно поступает со всех направлений;
на фиг. 32 изображен MCS в случае, когда предоставляется полностью автоматическая гибкость;
на фиг. 33 изображена схема различных опций устранения конфликта подключения аппаратного обеспечения;
на фиг. 34 изображена схема архитектуры CD с перемещением конфликта;
на фиг. 35 изображена концептуальная диаграмма кольцевой сети с параллельными оптическими путями, соединяющими набор узлов; и
на фиг. 36 изображен пример структуры узла.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Масштабируемые модули оптического коммутатора обеспечивают функции оптической коммутации для оптических сетей, которые могут содержать большое количество оптических маршрутов. Модуль коммутатора может содержать массив активируемых 1:2 элементов оптического коммутатора, 2:2 оптических коммутаторов, разветвителей и объединителей и может обеспечивать соединения трех наборов оптических линий для возможности интеграции в одной размерности или соединения четырех наборов оптических линий для возможности интеграции в двух размерностях. Две основные размерности, определяющие функцию коммутации, включают входные оптические линии и выходные оптические линии. В некоторых вариантах осуществления модуль оптической коммутации может содержать обходные коммутаторы для обеспечения обхода ряда элементов оптической схемы для снижения соответствующих оптических потерь при передаче через элементы коммутатора, если функция коммутации не выполняется для конкретной входной/выходной линии в модуле при интеграции в массив модулей. При наличии модулей оптического коммутатора со сниженными потерями архитектура сети может быть спроектирована таким образом, чтобы в большей степени использовать преимущество функции масштабируемой оптической коммутации. Таким образом, на основе использования масштабируемых оптических коммутаторов может быть достигнуто более простое масштабирование архитектур оптической сети. На основе способности выполнять крупномасштабную оптическую коммутацию с использованием чисто оптических коммутаторов количество оптически-электрических преобразователей в сети может быть значительно уменьшено, что приведет к значительному сокращению капитальных расходов, а также значительному сокращению энергопотребления. Расширяемые коммутаторы могут быть легко сконструированы в форме планарной схемы освещения, несмотря на то, что конструкции могут быть эффективно сконструированы из компонентов свободного пространства, таких как 1x2 или 2x2 коммутаторы, соединенные с оптическими волокнами. Расширяемые коммутаторы могут быть легко сконструированы в форме планарной схемы освещения, несмотря на то, что конструкции могут быть эффективно сконструированы из компонентов свободного пространства, таких как 1x2 или 2x2 коммутаторы, соединенные с оптическими волокнами.
Как и все сети связи, оптические сети интегрируют функции коммутации для обеспечения различных соединений для обеспечения маршрутизации передач. Например, маршруты передачи с большим диапазоном соединяются с ветвями для направления оптических сигналов между конечными маршрутами, связанными с отправителем и получателем. Разделение конкретных связей или частей связей может быть основано на длине волны и/или временном различении в объединенной передаче, отправленной по магистрали большего диапазона, т.е. объединенного сигнала, линий. В каком-то месте в сети оптический диапазон частот может быть разделен для изолирования специальных сигналов в диапазоне частот для маршрутизации, а аналогично отдельные соединения объединены для передачи по объединенным сигнальным линиям. Функция оптической коммутации может быть выполнена с использованием электронной коммутации посредством первого преобразования оптического сигнала в электронный сигнал с использованием соответствующего приемника (приемников). Однако затраты в конечном счете могут быть значительно снижены, и/или пропускная способность коммутации значительно повышена, если эффективная оптическая коммутация может быть выполнена со сниженным преобразованием оптических сигналов в электронные сигналы. Модули оптической коммутации, описанные в данной заявке, предоставляют необходимую масштабируемость посредством предоставления оптических соединений в соответствии с несколькими размерностями планарной оптической схемы наряду с массивом элементов оптической схемы.
Если оптическая коммутация не может быть соответствующим образом масштабирована, то оптическая коммутация может быть использована только в ограниченных архитектурах сети. Таким образом, описывается ячеистая оптическая сеть для предоставления функциональности коммутации на основе узлов 4-степенной коммутации. См. Prasanna et al., "Versatility of a Colorless and Directionless WSS Based ROADM Architecture," COMSNET 2009, январь 2009 г., Бангалор, Индия, которая включается в данную заявку посредством ссылки. Планарные оптические схемы были спроектированы для приспосабливания 16 X 16 оптической матричной коммутации на одной пластине. См. Goh et al., "Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Non-Blocking 16 x 16 Thermooptical Matrix Switch on a 6-in Wafer Using Silica-Based Planar Lightwave Circuit Technology," J. of Lightwave Technology, 19.(3), pp 371-379 (March 2001), которая включается в данную заявку посредством ссылки. Однако конструкция 16 x 16 оптических коммутаторов, описанная Goh et al., не предоставляет никакого непосредственного масштабирования. Схемы оптической коммутации, описанные в данной заявке, предоставляют высокую степень масштабируемости посредством введения дополнительного уровня соединяемости в схеме, где каждая отдельная оптическая схема предоставляет n x m массив коммутаторов. Массив n x m может быть связан с n входных оптических портов и m выходных оптических портов. Функция коммутации может быть связана с N входных линий и M выходных линий для обеспечения необходимой коммутации в сети и N x M функция коммутации может быть установлена посредством соответствующей интеграции n x m функции коммутации отдельных модулей.
Оптическая и электронная коммутации дополняют друг друга в узле коммутации. Несмотря на то, что до сих пор осуществляются улучшения, основной отличительный признак электронной коммутации точно установлен. Однако технология оптической коммутации до сих пор развивается и различные нововведения все еще необходимы для устройств оптической коммутации, чтобы начать полную обращения к их ожидаемому домену. Настоящие и предстоящие системы оптической коммутации обычно подпадают под несколько основных классов архитектуры. Несмотря на то, что общепринятые границы между этими классами четко не установлены, обычно они следующие: основной конфигурируемый оптический мультиплексор добавления-извлечения (ROADM); коммутатор выборочной длины волны (WSS); оптическое кросс-соединение (OXC или реже OCX); простое ветвление (1xN, Nx1); и многоадресный коммутатор (MCS). Фундаментальные рабочие характеристики для каждого из этих классов являются точно установленными.
Таким образом, основной ROADM предоставляет возможность независимого определения для каждой длины волны во входном волокне того, будет ли длина волны маршрутизирована на соответствующее выходное волокно или извлечена на локальный порт или отличную волоконную пару. Кроме того, в основном ROADM любая длина волны, которая извлекается и, следовательно, не маршрутизируется непосредственно на выход, может быть использована для представления новых оптических потоков данных с локальных портов или других волоконных пар на выходное волокно. Неудачным обстоятельством техники оптических сетей является то, что существует два очень отличных компонента, которые носят обозначение «ROADM». Компонентом ROADM является описанный ранее компонент, но существуют также системы ROADM высшей степени, которые могут быть использованы для выборочного извлечения или маршрутизации через отдельные длины волн среди большого количества входных/выходных волоконных пар. Изначально системы ROADM являлись лишь совокупностью компонентов ROADM, и системы управления, которые связывали их вместе, и общее название не представляли проблем. Однако эти ROADM высшей степени развивались и зачастую содержали некоторые другие классы оптических коммутаторов, включая, например, WSS, OXC и MCS. Устаревшие компоненты ROADM до сих пор существуют, но термин ROADM в наше время чаще относится к системам высшего порядка. Следовательно, термин ROADM должен относиться к системе ROADM высшего уровня кроме случаев, когда специально указывается «компонент ROADM». Специальные варианты осуществления расширяемого OXC и MCS представляются ниже наряду с ROADM, включающим расширяемый MCS.
Текущие коммутаторы класса WSS имеют один вход и несколько выходов, и каждая длина волны на входе может быть независимо маршрутизирована на любой из выходов, и каждый выход может принимать любое количества длин волн на входном волокне. WSS, как и большинство классов проницаемых оптических коммутаторов, предоставляет соединение между входом и выходом одинаково хорошо для оптических сигналов, распространяющихся с входа на выход или распространяющихся с того же выхода на вход. Следовательно, термины «вход» и «выход» используются лишь для удобства описания принципа работы, но на практике они могут быть использованы, как было описано, или могут быть использованы в обратном направлении. В настоящее время рассматривается коммутатор будущего класса WSS, где один компонент может маршрутизировать длины волн среди нескольких входов и нескольких выходов, но на данный момент практичным является предоставление такой возможности только в качестве системы высшего уровня, использующей несколько дискретных компонентов.
OXC предоставляет произвольную перестановку последовательности входных портов среди обычно равного количества выходных портов, хотя в общем отличного количества выходных портов, как будет описано ниже. Эта перестановка может, например, преобразовать набор входных портов, где каждый порт несет только одну специальную длину волны из одного специального волокна к набору выходных портов, где каждый выходной порт может быть запрограммирован на перенос любой длины волны от любого волокна. Коммутатор простого ветвления предоставляет основную 1xN коммутацию, где все оптические сигналы в одном входном порте маршрутизируются вместе на один из N выходных портов. Этот коммутатор является также двусторонним, где N раздельных оптических сигналов поступают на N портов, и коммутатор выбирает сигналы только из одного из этих портов для маршрутизации на один «входной» порт, работающий в качестве выходного.
MxN многоадресный коммутатор использует M 1xN разветвителей на M входных каналах для распределения всех оптических сигналов в каждом входном порте по отношению к N выходов. Каждый из N выходов имеет Mx1 многопозиционный коммутатор для изолирования сигналов от необходимого входного порта. MCS имеет основное преимущество, которое выражается в том, что он не имеет оптической фильтрации, так что он не только проницаем для данных в каждой длине волны, но также проницаем для самой конфигурации набора длин волн («бесцветный»), т.е. каналы длины волны не должны соответствовать никакой характерной спецификации сетки длины волны или полосам пропускания канала. Изначальной ценой этой добавленной проницаемости является снижение мощности сигнала из-за оптического разветвления на входных каскадах и в некоторых вариантах применения MCS содержит массив оптических усилителей для повышения уровня сигнала и компенсации дополнительных потерь на каждом входе.
Оптические узлы в сети связи могут содержать один или несколько компонентов оптической коммутации одного или нескольких из этих классов. Поскольку сети становятся большими и более сложными, то масштабируемость может быть в целом значительной проблемой и очень значительной в отношении возможности коммутации. Необходимые оптические узлы конструируются бесцветными, ненаправленными и неблокируемыми, как будет также описано далее. Природой этих сетей является существование значительной разницы в номинально лучшей конфигурации для каждого из этих узлов. Известный уровень техники для компонентов оптической коммутации является таковым, что каждый продукт предоставляет поддержку специального количества портов, реализация подобного компонента, предоставляющего различное количество портов, требует отдельной разработки продукта. Это препятствует разностороннему развитию, которое наиболее должным образом решило бы проблему необходимости различных оптических узлов и обуславливает использование менее эффективного универсального подхода проектирования узлов. Существует четкая и насущная потребность в средствах для более гибкой адаптации размера матриц оптической коммутации с использованием одного или нескольких основных классов оптической коммутации. Расширяемые коммутаторы, описанные в данной заявке, предоставляют важный и инновационный компонент для проектирования адаптируемого узла.
Функция оптической коммутации, описанная в данной заявке, может быть масштабирована посредством интеграции отдельных модулей коммутации в эффективный больший массив коммутации, собранный из отдельных модулей оптической схемы. Интеграция модулей для предоставления масштабируемости может быть выполнена в одной размерности или двух размерностях. Для выполнения интеграции в одной размерности оптическая схема может быть спроектирована с дополнительным набором портов, соответствующих либо n входных оптических портов для формирования эффективного расширенного массива с размерностями (b · n) x m коммутации, либо m выходных оптических портов для формирования эффективного расширенного массива с размерностями n x (c · m) коммутации. Параметр b является количеством n x m оптических схем, соединенных по отношению к входным линиям для формирования расширенного массива коммутации, и подобным образом параметр c является количеством n x m оптических схем, соединенных по отношению к выходным линиям для формирования расширенного массива коммутации. В отношении оптической интеграции в двух размерностях модули оптической схемы формируются посредством 4 наборов оптических портов, т.е. двух наборов n портов и двух наборов m портов. Эти оптические схемы затем могут быть собраны в расширенный массив с (b · n) x (c · m) возможностью коммутации. Параметр n может равняться или не равняться параметру m.
Отдельные оптические схемы могут содержать массив (2 x 2 или 2 x 1) оптических коммутаторов, соединяющих n входов с m выходов. Каждый 2 x 2 (или 2 x 1) оптический коммутатор предоставляет активируемый коммутатор между входной линией и выходной линией. Подходящие активируемые оптические коммутаторы также описаны ниже, и в общем активируемые оптические коммутаторы управляются электронным образом для переключения коммутатора между конфигурациями соединений. Посредством массива активируемых оптических коммутаторов в модуле сигнал, связанный с одним из n входных портов, может быть маршрутизирован на один из m выходных портов посредством прохождения через массив активируемых оптических коммутаторов. Интеграция с другой оптической схемой посредством соединения другого набора n портов с входными портами второй оптической схемы предоставляет доступ ко второму массиву n x m (2 x 2 или 2 x 1) оптических коммутаторов, так что эффективно может быть получен доступ к другим m выходным портам в интегральном расширенном массиве. Интеграция может быть продолжена. Подобным образом интеграция с другой оптической схемой посредством дополнительного набора m портов может предоставить доступ m выходным портам ко второму набору n входных портов в интегральном расширенном массиве. Продолжение интеграции может привести к (b · n x c · m) масштабируемости, в которой параметры b, c или оба параметра b и c превышают 1. В интегральном расширенном массиве существует эффективный массив активируемых оптических коммутаторов, соединяющих b · n входы с c · m выходами. Таким образом, конструкции расширяемой оптической схемы обеспечивают хорошие возможности масштабируемости. Для согласования масштабирования модулей оптической схемы с целевой функцией коммутации сети обычно (b-1) · n<N ≤ b · n и (c-1) · m<M≤c · m, где N является входами сети, а M является выходами сети. Аналогичное рассуждение может показать, что количества «n» и «m» не должны быть одинаковыми среди всех компонентов расширенного массива, предоставляя еще большую гибкость среди достигаемых конфигураций.
Любая целесообразная конструкция активируемого элемента оптической коммутации может быть собрана в массив, как будет также описано ниже. Поскольку оптическая схема, предназначенная для устройств коммутации с дополнительным набором или двумя наборами оптических портов, предоставляет весьма необходимые возможности масштабирования, то прохождение сигналов через расширенный массив 2 x 2 или 2 x 1 оптических коммутаторов может привести к нежелательному уровню оптических потерь. В частности, прохождение оптического сигнала через активируемые оптические коммутаторы обычно приводит к некоторым оптическим потерям, даже если коммутатор находится в режиме на «проход» или режиме не коммутации. В масштабированном интегральном коммутаторе оптический сигнал может проходить через значительное количество активируемых коммутаторов, даже если коммутация выполняется только на одном из активируемых оптических коммутаторов. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления планарные оптические схемы или другие конструкции расширяемого коммутатора содержат обходные оптические маршруты, которые предоставляют возможность обойти набор активируемых оптических коммутаторов для снижения соответствующих потерь, если конкретная входная или выходная линия не подвергается никакой коммутации в конкретном модуле в данный момент времени. Управление направлением оптического сигнала в качестве альтернативы вдоль обходного маршрута или коммутируемого маршрута может осуществляться одним 1 х 2 оптическим коммутатором. Возможность обхода может быть установлена для входных линий, выходных линий или обеих линий.
В описании топологии схемы активируемых коммутаторов термин массив используется в общем смысле и не обязательно относится к компоновке матрицы. Два конкретных варианта осуществления описаны более подробно ниже. Вариант осуществления расширяемого коммутатора кросс-соединений имеет матрицу 2 х 2 коммутаторов в логической и топологической схеме n x m расширяемого коммутатора кросс-соединений. В другом варианте осуществления расширяемый многоадресный коммутатор описан посредством схемы ветвления разветвителей, которые представляют массив 2 x 1 коммутаторов для соединения расширенных n x m разветвленных входов с m выходами, где массив коммутаторов расположен не в матричной конфигурации. Конечно, физическая схема фактических устройств обычно не походит на топологическую схему устройств из-за коэффициента пропорциональности, компоновки и других практических соображения.
Масштабируемый оптический коммутатор может быть предназначен для интеграции в бесцветный, ненаправленный и неблокируемый (CDC) сетевым узлом. Под бесцветностью понимают способности извлекать или добавлять конкретную длину световой волны на любой порт. Под ненаправленностью понимают способность соединяться со всеми направлениями, исходящими от локальных ретрансляторов, где каждое «направление» непосредственно соответствует конкретной входящей/исходящей волоконной паре, соединяемой с узлом. Под неблокируемостью понимают, что узел может решить проблему двух отличных оптических сигналов, сходящихся в узле на различных волокнах, но содержащих ту же длину волны, и следующих по общему оптическому маршруту. Обычно это решается путем маршрутизации одной из длин волн на локальный трафик, где он может быть электронным образом коммутирован на другую доступную длину волны и повторно введен в необходимый маршрут, обычно соединенный с исходящим волокном. Устройство масштабируемого коммутатора, описанное в данной заявке, обычно удовлетворяет эти особенности и соответственно может быть интегрировано в CDC сетевой узел.
Схематический вид N x M кросс-соединения оптической коммутации (OXC) в оптической сети схематически показан на фиг. 1. N x M оптический коммутатор 100 оптически соединен с N входными оптическими линиями 102, например, оптическими волокнами, и M выходных линий 104, например, оптических волокон. N, т.е. количество входных линий, может быть равно или не равно M, т.е. количеству выходных линий. Вследствие масштабируемости функции оптической коммутации, как описано в данной заявке, N и M обычно могут иметь относительно большое значение, и в интересующих вариантах осуществления N и M независимо равняются по меньшей мере приблизительно 8, а в других вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно 16, а в других вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно 32 или более или промежуточным четным или нечетным целым значениям. Подобные комментарии по отношению к диапазонам входных и выходных линий применяются к другим вариантам осуществления коммутации, описанным в данной заявке. Специалист в данной области техники поймет, что дополнительные диапазоны оптических линий в пределах точных диапазонов, описанных выше, являются дополнительными и находятся в рамках настоящего изобретения.
В общем устройство оптической коммутации может быть помещено в любом удобном месте в оптической сети. С этой точки зрения сигналы, передаваемые по отдельным входным линиям и выходным линиям, могут быть предназначены или не предназначены для передачи отдельных связей, и это могут быть объединенные сигналы, переносимые в диапазоне частот длин волн. В некоторых вариантах осуществления оптические коммутаторы связаны с возможностями MUX/DeMUX для разветвления и/или объединения оптических сигналов в оптическом диапазоне частот. Выражения MUX и DeMUX используются в данной заявке соответственно для функций мультиплексирования и демультиплексирования, как общепринято в известном уровне техники. Функции MUX и DeMUX могут быть выполнены посредством планарных решеток на основе массива волноводов (AWG) или других необходимых дисперсионных элементов. В некоторых вариантах осуществления входные сигналы могут содержать сигналы, предназначенные для набора пользователей, и выходные линии представляют собой оптические ветви, направленные к специальному пользователю, которые соответствуют использованию элемента коммутации на конце оптической сети для направления сигналов конечным пользователям. Обозначения входной и выходной могут быть произвольными в том смысле, что сигналы могут быть направлены через коммутатор в любом направлении, поскольку функция коммутации является оптически двусторонней. Но обозначения входной и выходной используются для описания групп оптических линий, которые маршрутизируются между друг другом независимо от направления передач. В других вариантах осуществления коммутатор может быть использован для направления мультиплексированных или объединенных сигналов по ветви по оптической сети от любых пользователей.
Несмотря на то, что настоящее изобретение может быть применено для улучшения различных средств оптической коммутации, масштабируемые оптические коммутаторы, описанные в данной заявке, являются примерами сборки оптических схем. Оптические схемы соответственно выполнены с соответствующей возможностью соединения для предоставления масштабируемости. Оптические схемы соединены в модули для предоставления необходимого уровня оптической коммутации. Изобретение может быть особенно преимущественным, если оптические схемы интегрировать в качестве планарных оптических схем.
1
2
1
2
1
2
Соединение двух оптических схем для предоставления масштабирования в отношении входных линий схематически показано на фиг. 2 в концептуальной структуре, которая подробно описана в контексте некоторых характерных вариантов осуществления. Функции оптической коммутации осуществляют, например, посредством сборки 108, которая содержит первый коммутатор 109, который содержит оптическую схему 110, и второй коммутатор 111, который содержит оптическую схему 112. Схема 110 содержит N входных портов 107, M выходных портов 121 и M входных портов 123 расширения. Подобным образом схема 112 содержит N входных портов 118 и M выходных портов 120. Схемы 110, 112 соединены с M входных портов расширения первого коммутатора 109, соединенных с M выходных портов второго коммутатора 111 через оптические соединения 114, такие как оптические волокна или другие подходящие оптические соединения. N входных оптических линий 116 соединены с планарной оптической схемой 110, и N входных оптических линий 117 соединены с планарной оптической схемой 112. M портов 121 схемы 110 имеют выходные линии 125. Таким образом, сборка 108 оптических схем 110, 112 вместе предоставляет коммутацию между N+N входных портов и M выходов. Эта схематическая диаграмма демонстрирует случай, когда общее количество входов (N+N) превышает общее количество коммутируемых выходов. Этот вариант осуществления демонстрирует, как входные порты расширения могут быть использованы для эффективного расширения количества входов с доступными коммутаторами специального размера, которые могут отдельно иметь более низкую пропускную способность. Например, использование коммутатора с портами расширения в сборке изменяет 4 х 6 коммутатор на 8 х 6 коммутатор, который удваивает количество коммутируемых входов.
2
2
1
1
2
1
2
Масштабируемость в отношении выходных линий схематически показана на фиг. 3. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, оптическая коммутация осуществляется сборкой 127 с интегрированием коммутаторов 128 и 129. Коммутатор 128 содержит оптическую схему 130. Коммутатор 129 содержит оптическую схему 132. Схема 130 содержит N входных портов 134, M выходных портов 136 и M выходных портов 138 расширения. Аналогично схема 132 содержит N входных портов 140 и М выходных портов 142. Схемы 130, 132 соединены посредством выходных портов 138 расширения с входами 140 через оптические соединения 144. N входных оптических линий 146 и M оптических выходных линий 148 также соединены со схемой 130. M выходных линий 150 дополнительно соединены со схемой 132. Этот вариант осуществления демонстрирует случай, когда общее количество выходов (M+M) превышает общее количество входов (N или N), хотя альтернативные варианты осуществления могут включать большее количество входов относительно выходов или равное количество. Этот вариант осуществления также демонстрирует, как выходные порты расширения могут быть использованы для расширения эффективного количества выходов. Например, применение коммутатора с портами расширения было использовано для изменения 4 х 6 коммутатора на 4 x 12 коммутатор, который удваивает количество коммутируемых выходов.
1
1
1
1
1i
1t
1i
1t
2
2
2
2
2i
2t
2i
2t
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
2
2
1
2
2
На фиг. 4 изображено соединение четырех модулей 149, 151, 153, 155, каждый из которых содержит оптическую схему, которая предоставляет масштабируемость в отношении как входных, так и выходных линий. Функция коммутации осуществляется оптическими схемами 150, 152, 154, 156. Оптическая схема 150, такая как оптическая схема, оптически соединена посредством определенного количества N соединений с оптической схемой 152 и посредством определенного количества M соединений с оптической схемой 154. Количества N и M могут изменяться в пределах N – Nи M – M соответственно. Оптическая схема 154 оптически соединена посредством N соединений с оптической схемой 156, и оптическая схема 152 оптически соединена посредством M соединений с оптической схемой 156. Количества N и M могут изменяться в пределах N – Nи M – M соответственно. Если N равняется общему количеству пользовательских входных соединений, то N+N=N, или N+N превышает N, если интегральные модули имеют избыточную неиспользованную пропускную способность. Подобным образом, если M равняется общему количеству выходных соединений, то M+M=M или M+M превышает M, если интегральные модули имеют избыточную и неиспользованную пропускную способность. Оптическая схема 150 предоставляет оптическую коммутацию между N входных линий и M оптических выходных линий, и оптическая схема 152 предоставляет оптическую коммутацию между N оптических входных линий и M выходных линий. Соответственно оптическая схема 154 предоставляет оптическую коммутацию между N входных линий и M оптических выходных линий, и планарная оптическая схема 156 предоставляет оптическую коммутацию между N оптических входных линий и M выходных линий. Таким образом, оптические схемы 150, 152, 154, 156, которые могут быть планарными оптическими схемами, вместе предоставляют коммутацию между N входных оптических маршрутов и M выходных оптических маршрутов. Масштабируемый аспект соединения модулей предусматривает, что N и M могут быть независимо выбраны, например, N=M, N>M или N<M. Несмотря на то, что на фиг. 4 изображены 4 расширяемые оптические схемы, способность расширения предусматривает, что дополнительные оптические схемы могут быть соответственно присоединены для дополнительного улучшения входной пропускной способности, выходной пропускной способности или одновременно входной и выходной пропускной способности.
На фиг. 2–4 схематически изображена масштабируемость оптической коммутации в контексте оптического коммутатора 100, изображенного на фиг. 1. В частности, планарные оптические коммутаторы предназначены для интеграции в качестве модулей для обеспечения расширения в отношении количества входных линий и/или количества выходных линий. Несмотря на то, что фиг. 2 – 4 направлены на раскрытие интегрирования в отношении двух модулей для размерности входа и/или двух модулей для размерности выхода, масштабируемость может подобным образом распространяться на размерности входа и/или размерность выхода для включения более двух модулей коммутации в каждую размерность, например, три модуля, четыре модуля и так далее. Отдельный модуль коммутации был схематически изображен в отношении Фиг. 2 – 4.
Примером модуля коммутации является массив оптических коммутаторов. В этих вариантах осуществления каждый модуль коммутации обычно содержит n x m массив (2 x 2) активируемых оптических коммутаторов, который обеспечивает опциональную коммутацию с входной оптической линии на выходную оптическую линию. На фиг. 5 изображен модуль 502 коммутации, который имеет четыре входных канала 504a, 504b, 504c, 504d; четыре нисходящих выходных канала 506a, 506b, 506c и 506d расширения; и три порта 508a, 508b и 508c извлечения. Входные каналы 504a, 504b, 504c и 504d соединены с нисходящими выходными каналами 506a, 506b, 506c и 506d расширения посредством путей 510a, 510b, 510c и 510d соответственно. Каждый из входных каналов 504a, 504b, 504c и 504d соединен с возможностью коммутации с каждым из портов 508a, 508b и 508c извлечения посредством путей 512a, 512b и 512c. Матричные коммутаторы 516 размещены в точках, где пути 510a, 510b, 510c и 510d пересекают пути 512a, 512b и 512c.
Работа основной матрицы коммутатора является непосредственной. Матричные коммутаторы 516 обычно могут быть предназначены для предоставления возможности оптическим путям пересекать друг друга без какого-либо влияния, и большинство коммутаторов в матрице могут находиться в этом состоянии при любой заданной конфигурации. Если конкретный входной канал 504a, 504b, 504c или 504d выбран для маршрутизации на конкретный порт 508a, 508b или 508c извлечения, то коммутатор 516 в одной точке пересечения для этих двух волноводов активируется для повторной маршрутизации входного канала. Для любой действующей конфигурации для коммутатора кросс-соединений в полностью коммутируемом состоянии находится не более одного коммутатора в любой строке или любом столбце, как изображено на фиг. 5. Если коммутатор находится в полностью коммутируемом состоянии, то сигнал с входа для этого порта извлечения также повторно маршрутизируется в нисходящую часть этого входного канала, при этом функционально устройство может выполнять одновременно как добавления, так и извлечения. Этот режим может быть предоставлен практически любым решением оптической коммутации, но он осуществляется крайней редко, если вообще осуществляется, так что предположительно он не является необходимым. Этот режим может также поддерживать некоторые другие функции в более сложных сборках коммутации.
В некоторых вариантах осуществления расширяемый коммутатор содержит несколько обходных линий. Одним из преимуществ обходной линии является то, что сигнал может обойти коммутаторы/точки разветвления для снижения потерь в сигнале. Один вариант осуществления обходной линии предусматривает, что 1x2 (или 2x1) обходные коммутаторы размещают на входных линиях и/или линиях извлечения для обеспечения обхода схемы на случай, если коммутация не осуществляется в конкретной линии в конкретной схеме. Для планарных оптических схем массивы обходных 1x2 оптических коммутаторов могут быть размещены на том же кристалле оптической схемы, что и N x M расширяемый коммутатор, или на отдельном кристалле оптической схемы. Если предназначенный для этого входного канала порт извлечения находится на представленном модуле, то сигнал будет обычно маршрутизирован на ряд коммутаторов. Если нет, то канал сигнала будет маршрутизирован через обходной канал через все коммутаторы на выходной порт расширения. Подобным образом каждый порт извлечения может быть соединен через 2x1 коммутатор. Если входной канал, предназначенный для этого порта извлечения, находится на представленном модуле, то 2x1 коммутатор выберет волновод, исходящий из столбца матричных коммутаторов, для этого порта. Если нет, то он выберет канал, исходящий из входного порта расширения, обойдя столбец матричных коммутаторов.
Вариант осуществления расширяемого коммутатора, который содержит несколько обходных линий, изображается на фиг. 6. Расширяемый коммутатор 600 содержит массив 602 оптических матричных коммутаторов 604, размещенных на точках пересечения выбираемых линий 606 входного канала и линий 608 извлечения. В изображенном варианте осуществления выбираемые линии 606 канала и линии 608 извлечения проходят через несколько матричных коммутаторов 604, которые имеют положение для обеспечения возможности передачи сигналов в некоммутируемом состоянии через выбираемые линии 606 и/или линии 608 извлечения. Одна или несколько обходных линий могут быть обеспечены одной или несколькими линиями канала и/или одной или несколькими линиями извлечения. На фиг. 6 изображены обходные линии 610 канала и обходные линии 612 извлечения. Входные 1x2 коммутаторы 614 обеспечивают соединение входных линий 615 с коммутатором 614, так что коммутатор 614 может коммутировать свет с входных линий 615 на обходные линии 610 канала или выбираемые линии 606 канала. 2x1 коммутаторы 618 извлечения допускают выбор и передачу как линии 608 извлечения, так и обходной линии 612 извлечения на выходные линии 617. В качестве альтернативы могут быть предоставлены коммутаторы, которые имеют плавную настраиваемость, так что коммутатор может направить входной сигнал для выбора в пределах ни одной или обеих линий. Обходные линии могут соединяться с портом расширения на одном конце и обходным коммутатором на другом конце. Обходные линии 606 канала могут соединяться на выходных портах 620 расширения, или может быть предоставлено другое устройство соединения для соединения с другим расширяемым коммутатором или некоторым другим устройством. Обходные линии 612 извлечения имеют возможность соединения для получения входящих данных на входные порты 622 расширения. При эксплуатации один или несколько расширяемых коммутаторов 600 соединяют с выходными портами 620 расширения, которые оптически соединяются с входными линиями 615 и/или выходными линиями 617, которые оптически соединяются с входными линиями 622 расширения. После сборки нескольких расширяемых коммутаторов сигнал, который поступает на коммутатор 614, маршрутизируется на порт извлечения, если необходимый порт извлечения находится на коммутаторе, или проходит через обходную линию на другой коммутатор. Обозначение в качестве входной линии по сравнению с линией извлечения является произвольным для устройств с коммутаторами, которые пропускают свет в любом направлении: соответственно, входные линии и линии извлечения могут быть инвертированы. Для упрощения фигуры только часть эквивалентных компонентов обозначена ссылочными позициями.
На фиг. 7 изображена группа расширяемых коммутаторов, собранных вместе. Сборка 700 коммутатора содержит расширяемые модули 720, 740, 760, 780 коммутатора. Расширяемые модули 720, 740, 760, 780 коммутатора содержат массивы 722, 742, 762, 782 оптических матричных коммутаторов 724, 744, 764, 784, размещенных в точках пересечения выбираемых линий 726, 746, 766, 786 входного канала и линий 728, 748, 768, 788 извлечения обходных линий 730, 750, 770, 790 канала и обходных линий 732, 752, 772, 792 извлечения. Входные 1x2 коммутаторы 733, 753, 773, 793 соединены для коммутации световых сигналов с входных линий 734, 754, 774, 794 на обходные линии 730, 750, 770, 790 канала или выбираемые линии 726, 746, 766, 786 канала. 2x1 коммутаторы 735, 755, 775, 795 извлечения допускают выбор и переход либо линий 728, 748, 768, 788 извлечения, либо обходных линий 732, 752, 772, 792 извлечения на выходные линии 736, 756, 776, 796. В качестве альтернативы могут быть предоставлены коммутаторы, которые предоставляют функцию коммутации в непрерывном диапазоне.
Обходные линии 730, 770 канала оптически соединены с входными линиями 754, 794 соответственно. 2x1 коммутаторы 735, 755 извлечения оптически соединены для пропускания сигналов на обходные линии 772, 792 извлечения. Предоставлены порты (схематически изображенные в виде границ коммутаторов, пересекающих оптические пути) для соединения с пользовательскими устройствами и/или другими расширяемыми модулями. Термин пользовательские устройства является общим термином, который охватывает сети, подсети, узлы, специальные устройства, устройства сетевой связи и устройства конечного пользователя. Впускные порты предоставляют оптическое соединение с входными линиями 734, 754, 774, 794; в этом варианте осуществления линии 734 и 774 доступны для соединения с пользовательскими устройствами, и порты для входных линий 774 и 794 соединены с другими модулями расширения. Впускные порты расширения предоставляют оптическую соединяемость с обходными линиями 732, 752, 772, 792 извлечения; в этих вариантах осуществления линии 732 являются бездействующими, а линии 772 доступны для получения оптических сигналов от входных портов расширения для обеспечения направления сигналов со входов 734 на выходы 776. Выходные порты расширения предоставляют оптическую соединяемость с обходными линиями 730, 750, 770, 790 канала; в этом варианте осуществления линии 750 и 790 являются бездействующими, а порты для линий 730 и 770 соединены через выходные порты расширения с входными портами коммутаторов 740 и 780 соответственно.
В фактической топологии кристалла коммутаторы на входном порте добавляют один каскад, и коммутаторы на порте извлечения также добавляют один каскад. Таким образом, большие матрицы коммутатора могут быть произвольно (по меньшей мере, в рамках функциональной геометрии) увеличены в масштабе с одного общего модуля.
Также учитывая, что 1x2 коммутаторы могут быть интегрированы в выходные клеммы расширения модуля коммутатора для предоставления возможности каждому модулю соединять два нисходящих модуля извлечения, и подобным образом входные клеммы расширения могут иметь 2x1 коммутаторы и, следовательно, каждый модуль может направлять каналы извлечения с двух дополнительных блоков канала. Это обеспечивает составление матриц из одного типа модуля вдоль ветвей геометрии древа, нежели следующей схемы, слабо подходящей для улучшения общей оптической эффективности. Также коммутаторы на портах расширения будут перекрывать коммутаторы на входных портах и портах извлечения и, следовательно, не будут добавлять никаких каскадов на физическую схему в планарном интегральном модуле, следовательно, осуществляя очень небольшое увеличение в размере планарного кристалла.
На фиг. 8 изображен вариант осуществления расширяемого многоадресного коммутатора. Компоненты коммутатора расположены таким образом, чтобы проиллюстрировать их соединения и то, как могут быть согласованы пути, коммутаторы и разветвители для предоставления расширяемости в многоадресном применении. Специалисты, рассматривающие эту иллюстрацию, смогут изготовить схемы физического устройства, как будет описано ниже. Расширяемый многоадресный коммутатор 800 имеет дерево 802 разветвителя и секцию 804 коммутации. Дерево 802 разветвителя увеличивает оптические входы a, b, c, d, так что каждый оптический вход соединен с каждой оптической выходной линией X1 - X8. Входные порты (не показанные) предназначены для предоставления оптических соединений интерфейса устройства с входами a-d. Дерево 802 разветвителя имеет три уровня для соответствующего разветвления сигнала на соответствующее количество оптических путей, хотя может быть использовано различное количество уровней в зависимости от количества входных линий и необходимой многоадресной передачи на конкретные выходные оптические линии. Уровень 1 содержит оптический разветвитель на каждом входе, где разветвители 811a, 811b, 811c, 811d разветвляют входные линии a, b, c, d соответствующим образом для последующего создания 2 ветвей для каждого входа, при этом в общей сложности создается 8 ветвей. Разветвленные сигналы передаются на разветвители 821a, 821b, 821c, 821d, 822a, 822b, 822c, 822d уровня 2, которые разветвляют сигналы на 2 ветви для каждого входа этого уровня, в общей сложности 16 ветвей и 4 сигнала для каждого входа a-d. Разветвленные сигналы затем передаются на разветвители 831a, 831b, 831c, 831d, 831a', 831b', 831c', 831d', 832a, 832b, 832c, 832d, 832a', 832b', 832c', 832d, 833a, 833b, 833c, 833d, 833a', 833b', 833c', 833d, 834a, 834b, 834c, 834d, 834a', 834b', 834c', 834d' уровня 3, где каждый разветвитель разветвляет сигналы на 2 ветви, следовательно, создавая 32 ветви и в общей сложности 8 сигналов для каждого входа a-d. Секция 804 коммутации содержит входные порты расширения (схематически изображенные в виде конца соответствующих оптических путей), соединенные с помеченными обходными линиями 806, которые соединены с обходными коммутаторами, как указывается ниже. Выходные линии 808, помеченные в качестве X1-X8, оптически соединены с выходным портом (схематически изображенным в виде конца выходных линий). Блоки 841, 841', 842, 842', 843, 843', 844, 844' коммутации предоставляют коммутируемые соединения между деревом 802 разветвителя и выходными линиями 808. Каждый блок коммутации соединяет входы a-d с обходными коммутаторами 851, 851', 852, 852', 853, 853', 854, 854', которые оптически соединены для коммутации между сигналами от дерева 802 разветвителя обходной линии 806 для передачи на выходную линию 808. Специально для блока 841, например, оптический коммутатор 841ab обеспечивает на выбор вход a или b, где выбранный сигнал a/b передается на коммутатор 841bc, который обеспечивает коммутацию между a/b или c, где выбранный сигнал a/b или c передается на коммутатор 841cd, который обеспечивает коммутацию между a/b/c и d. Затем блок 841 коммутации передает один из сигналов a-d на обходной коммутатор 851, который обеспечивает выбор между a/b/c/d и обходным путем 806, помеченным B8. Сигнал, выбранный обходным коммутатором 851, затем передается на выходную линию 808, помеченную X8. При эксплуатации один или несколько расширяемых коммутаторов могут соединяться с выходами, помеченными X1-X8, оптически соединенными с входными портами расширения, помеченными B1-B8. Входы a-d доступны для коммутации, так что любой выход X1-X8 может поддерживать любой из входов a-d. Выходы X1-X8 в качестве альтернативы могут переносить сигнал, полученный с входных портов расширения. При эксплуатации осуществляют оптические соединения с одним или несколькими входными портами расширения, одним или несколькими входными портами и одним или несколькими выходными портами. Сигналы, проходящие на входные порты и/или входные порты расширения, выбраны для передачи через любой выход 808. Следует также отметить, что не существует ограничений в отношении обходных коммутаторов 851, предоставляющих коммутацию в непрерывном диапазоне для поддержки приложений, где необходимо дополнительное объединение входных сигналов с входными сигналами расширения.
Несмотря на то что на фиг. 8 специальными позициями обозначены входные оптические линии и выходные оптические линии, другие варианты осуществления могут быть подобным образом выполнены с использованием другого количества входов и выходов. Дерево разветвителя может быть соответственно изменено и лишние разветвленные оптические линии могут быть сформированы, если подходящее дерево разветвителя предоставляет большее количество оптических линий, чем количество выходных линий. Лишние оптические линии могут быть бездействующими и просто направлять любой оптический сигнал от любого интерферирующего распространения. Альтернативные конструкции блоков коммутации описываются ниже.
На фиг. 9 изображена сборка 900 терминального расширяемого модуля 920 коммутатора и начального расширяемого модуля 10 коммутатора, где каждый расширяемый модуль коммутатора является по существу вариантом осуществления, описанным на фиг. 8. Выходы 913 начального модуля 910 оптически соединены с соответствующими входными портами 922 расширения терминального модуля 920 посредством световых путей 902. Расширяемые модули 910 и 920 коммутатора могут, например, являться отдельно спроектированными ячейками на общей планарной подложке в фотонной интегральной схеме (PIC), и соединяющие световые пути 902 могут являться оптическими волноводами на той же подложке. В другом примере расширяемые модули 910 и 920 коммутатора могут, например, являться отдельно укомплектованными модулями коммутатора, основанными на отдельных PIC, и соединяющие световые пути могут являться однорежимными оптическими волокнами в качестве набора отдельных нитей или волоконной ленты. Каждый выход в наборе 923 выходов может быть настроен на выборочное соединение с одним из входов 921 терминального модуля 920 посредством установки связанного обходного коммутатора в 924a-g для соединения с одним из локальных входов, как подробно описано для фиг. 8. В качестве альтернативы каждый выход в наборе 923 выходов может быть настроен на выборочное соединение с одним из входов 911 начального модуля 910 посредством установки связанного обходного коммутатора в 924a-g для соединения со связанным входным портом расширения, как подробно описано для фиг. 8, затем последующей установки соответствующих элементов коммутатора в модуле 910 коммутатора для соединения выбранного входа из входов 911 с выходом в выходах 913, который соединен с соответствующим входным портом расширения во входных портах 922 расширения. Следовательно 4x8 расширяемый MCS 920 может быть обновлен посредством присоединения второго 4x8 MCS 910 к входным портам 922 расширения с образованием сборки 900 из двух 4x8 модулей коммутатора, которая предоставляет те же функции, что и выделенный 8x8 MCS.
На фиг. 10 изображено увеличенное изображение подчасти фиг. 8, иллюстрирующее блоки 841, 841' коммутации, соединяющие дерево разветвления с обходными коммутаторами. Стрелки a, b, c, d иллюстрируют входы, исходящие с третьего уровня дерева разветвления. В этом варианте осуществления каждый блок коммутации получает 1 вход из каждого из четырех потенциально доступных входов a-d. Каждый обходной коммутатор предоставляет выбор для вывода одного из a-d или сигнала в обходную линию. Блоки коммутации расположены последовательной конфигурацией для последующего выбора между сигналами, исходящими с добавленной оптической линии.
На фиг. 11 изображена альтернативная подчасть расширяемого коммутатора. Блоки 1102, 1104 коммутации расположены древовидной конфигурацией и являются функционально эквивалентной альтернативой блокам 841 и 841' коммутации, изображенным на фиг. 10. В блоке 1102 коммутатор 1106 может быть выбран между входами a и b для предоставления выхода a/b, и коммутатор 1108 может быть выбран между входами c и d для предоставления выхода c/d. Коммутатор 1110 может быть выбран между a/b и c/d для предоставления выхода a/b/c/d для обходного коммутатора 1112, который в свою очередь может быть выбран между a/b/c/d или обходным сигналом B1. Коммутаторы 1114, 1116, 1118, 1120 подобным образом сконфигурированы для предоставления возможности выбора между любыми из a-d и B2.
На фиг. 12 изображена альтернативная подчасть для расширяемого коммутатора. Блоки 1208, 1210 коммутации расположены древовидной конфигурацией и иллюстрируют альтернативную распределенную схему блоков 1102 и 1104 коммутации, изображенных на фиг. 11. Блок 1208 коммутации содержит коммутаторы 1210, 1211, 1212, связанные с обходным коммутатором 1214. Блок 1215 коммутации содержит коммутаторы 1216, 1218 и 1220, связанные с обходным коммутатором 1222. Коммутатор 1210 может быть выбран между a и b для передачи a/b на коммутатор 1212. Коммутатор 1211 может быть выбран между c и d для предоставления выхода c/d, который передается на коммутатор 1212, который в свою очередь выбирает между a/b и c/d. Связанный обходной коммутатор 1214 может быть выбран между a/b/c/d и В1. Блок 1214 коммутации и связанный обходной коммутатор 1222 подобным образом могут быть выбраны для направления a/b/c/d/B2 на выход 1224.
i
c
o
с
Концептуальное расположение кросс-соединения расширяемой 4 x 3 планарной схемы световой волны (PLC) изображено на фиг. 13. Кросс-соединение 1300 расширяемой 4 x 3 PLC имеет N входов 1302 и N входов 1303 расширения. Коммутатор 1300 имеет M выходов 1308 и M выходов 1309 расширения. Обходные коммутаторы 1312, 1314 служат для входов 1302 и 1308 соответственно. Следует отметить, что значительной особенностью является то, что при компактном расположении длина волноводного массива поддерживает ряд каскадов коммутации, где количество каскадов равно M+N-1. На основе текущих топологических размеров коммутаторы, превышающие 4x4, будут предусматривать наматывание волноводов на кристалл PLC. Коммутатор кросс-соединения 8 x 8 PLC описан в Goh et al., "Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Nonblocking 16 x 16 Thermooptic Matrix Switch on a 6-in Wafer Using Silica Based Planar Lightwave Circuit Technology," Journal of Lightwave Technology 19(3):371-379 (March 2001). Черновая схема PLC, описанная в данной заявке, которая приблизительно соответствует схеме, предлагаемой в статье Goh, изображена на фиг. 14. Коммутатор 1400 имеет входы 1402 и выходы 1404, а также модули 1406 коммутации/интерференции с метками #1-#15. Набор обходных коммутаторов 1408 предоставлен для входов 1402 коммутатора и выходные обходы 1410 предоставлены рядом с выходами 1404. Как было описано ранее, при применении настоящего изобретения к данному типу физической схемы волноводы расширения и обходные коммутаторы настоящего изобретения могут быть маршрутизированы рядом с существующими волноводами и коммутаторами, сохраняя существующий порядок каскадирования, следовательно осуществляя небольшое увеличение или вовсе не осуществляя увеличение в необходимом размере интегрального кристалла.
Конструкция многоадресного коммутатора (MCS)
Было разработана необходимая конструкция коммутатора MCS, который можно легко поместить на две планарные схемы световой волны, которые надлежащим образом согласованы. Также эти конструкции коммутатора MCS могут быть расширяемыми посредством факультативного применения 1 x 2 коммутаторов или 1 x 2 оптических разветвителей для каждой входной линии добавления или извлечения. Коммутируемые или разветвленные сигналы направляются на различные системы коммутатора MCS. Это обеспечивает масштабируемость на выходных линиях. Подобным образом входные линии могут быть масштабированы посредством разветвления линий для ввода в различные системы коммутатора MCS, а затем соответствующие выходы из различных систем коммутатора MCS могут быть снова соединены вместе.
Необходимая конструкция MCS изображена на фиг. 15–23. Особенности масштабирования изображены только на фиг. 15 для упрощения. Конструкция на этих фигурах, например, показывает две функции 1502 оптического многоадресного коммутатора (каждый из которых состоит из массива оптических разветвителей 1054 и массива оптических коммутаторов 1506 и соединений 1508 между ними), 32 соединителя 1510 оптического ответвления, 32 фотодиода 1512, 32 фотодиода, 32 оптоизолятора 1514, 16 сглаживающих фильтров 1516 спектра усиления, 16 катушек 1518 легированного эрбием волокна, два 1x8 настраиваемых разветвителя 1520 и соединения между всеми вышеуказанными функциями и электроникой электрического управления. Могут использоваться коммутаторы/разветвители 1522 (фиг. 15) с несколькими MCS 1500, которые являются нисходящими. В варианте осуществления, изображенном на фигурах, функции эффективно разделены между различными модулями 1530, 1540, 1550 с волоконными соединениями 1552, 1552' между ними. Один модуль 1530 содержит планарные схемы световой волны (PLC), основанные на монолитной интеграции оптических функций, фотодиодной гибридной интеграции и электронном управлении. Второй модуль 1540 содержит дискретные компоненты, которые упорядочены таким образом, что обеспечивают эффективное волоконное соединение между первым модулем и вторым модулем. Третий модуль 1550 может содержать мультиплексор разделения по длинам волн, например, решетку на основе массива волноводов или подобное, и настраиваемый разветвитель (TSPL). На фиг. 18–23 показано изображение различных видов вариантов осуществления собранных модулей, формирующих устройство.
В общем, расширяемые элементы коммутации, схематически изображенные на фиг. 1–13, могут быть эффективно сформированы с использованием оптических компонентов свободного пространства, соединенных с оптическими волокнами. Подходящие отдельные коммутаторы, оптические разветвители, опто-волокнные соединители и другие сопутствующие компоненты имеются в продаже, и улучшенные версии находятся в непрерывной разработке. Однако может быть необходимым интегрировать устройства в качестве планарных оптических схем на соответствующий кристалл. Таким образом, расширяемый коммутатор может быть сформирован в качестве отдельного планарного устройства с соответствующей компоновкой и подходящие соединители могут быть использованы для соединения нескольких коммутаторов для получения преимущества от возможности расширения. Схема с большим количеством соединителей на планарном кристалле позволяет получить соответственно небольшую площадь основания со всеми доступными функциональными возможностями. Пример такой схемы изображен на фиг. 23.
Материалы для формирования PLC могут быть нанесены на подложку с использованием CVD и его вариантов, гидролиза в пламени или других соответствующих методов нанесения. Подходящие подложки включают, например, материалы с соответствующей устойчивостью к высоким температурам обработки, такие как кремний, керамика, такая как кварцевая или глиноземистая, или тому подобные. В некоторых вариантах осуществления могут быть представлены подходящие предшественники диоксида кремния, и кремниевое стекло может быть легировано для обеспечения необходимого показателя рефракции и технологических свойств. Нанесение рисунка может быть выполнено посредством фотолитографии или других подходящих методик нанесения рисунка. Например, формирование кремниевого стекла, легированного Ge, P и B на основе плазмостимулируемого CVD (PECVD), для использования в качестве верхнего слоя покрытия для PLC описано в патенте США № 7160746, Zhong et al., под названием "GEBPSG Top Clad for a Planar Lightwave Circuit", который включен в данную заявку посредством ссылки. Подобным образом формирования ядра для оптических планарных волноводов описано, например, в патенте США №6615615, Zhong et al., под названием "GEPSG Core for a Planar Lightwave Circuit", который включен в данную заявку посредством ссылки. Параметры для формирования соответствующего волноводного массива известны в уровне техники. Подобным образом может быть выполнена обработка с использованием InP стекла или других материалов оптического стекла.
В общем оптические сигналы, проходящие через коммутатор, могут иметь затухающие сигналы. Несмотря на то, что конструкции расширения, описанные в данной заявке, могут снизить это затухание, может быть необходимо связать расширяемые коммутаторы с соответствующими оптическими усилителями. Таким образом, может быть необходимым нанести массив оптических усилителей, соединенных с входами коммутатора, хотя точная структура может быть выполнена в соответствии с системой. В частности, некоторые структуры описаны ниже в контексте ROADM.
Архитектура ROADM с многоадресным коммутатором
Необходимая бесцветная, ненаправленная, неблокируемая гибкая сетчатая архитектура ROADM основывается на MxN многоадресном коммутаторе и распределителе нагрузки OXC. Многоступенчатые бесцветные и ненаправленные ROADM на основе архитектуры радиовещания (через 1xN оптические соединители) и выбора (через Mx1 селективные коммутаторы длины волны (WSS)) в экспресс-тракте были развернуты в течение нескольких лет [1,2]. Однако в отношении локальных путей добавления/извлечения до сих пор были развернуты лишь цветные длины волн (λ) или ограниченное количество бесцветных λ. Вследствие быстрого увеличения трафика существует необходимость в многоступенчатом узле центральной станции (CO) для динамического добавления/извлечения большего количества бесцветных, ненаправленных и неблокируемых (CDC) длин волны [2]. В качестве примера рассматривается 8-струпенчатая CO с 96 λ с/на каждое из 8 направлений, при этом 50% отношение добавления/извлечения требует от СО добавить/извлечь 96·8·50%=384λ. Для добавления/извлечения такого большого количества λ модульные и масштабируемые MxN многоадресные коммутаторы (MCS) предположительно предлагают наиболее экономически выгодное решение на сегодняшний день. В данной заявке представлены способы оптимизации архитектуры гибкого сетчатого CDC ROADM на основе MCS, так что затраты на него минимизируются. Один вариант осуществления изображен на фиг. 18–23.
На фиг. 18А изображена плата 1800 гибкого сетчатого CDC ROADM на основе MCS с передней стороной 1802, радиатором 1804, линейной платой 1806, модулем 1808 многоадресного коммутатора, лотком 1810 для изолятора/EDF, лотком 1812 управления волокном и лотком 1814 управления защитным волокном. На фиг. 18B изображен другой вид сбоку в перспективе платы 1800, на котором также изображено волокно 1816, лоток 1818 управления волокном и соединение 1820 волокон предохранителя. На фиг. 19 изображен вид в плане подсборки 1801 платы 1800, на котором изображена область 1822 предохранителя. На фиг. 20 изображен вид в перспективе подсборки 1801, на котором изображен модуль 1808 многоадресного коммутатора в месте над областью 1822 предохранителя. На фиг. 21 изображен вид в плане подсборки 1801 с лотком 1824 для изолятора/GFF EDF, волокном 1816 и соединением 1820 волокон предохранителя. На фиг. 22 изображена подсборка 1801 с лотком 1818 управления волокном. Радиатор 1804 размещен возле верхней части платы. Входные/выходные волокна выступают под углом к нижней части модуля MCS/TSPL и маршрутизируются на перемычки лицевой панели. На фиг. 23 изображена черновая схема для планарно-интегрированного 4x16 расширяемого MCS, содержащего несколько возможных относительных размерностей и несколько грубых деталей, хотя специальные схемы обычно включать специальные ссылки конструктора.
Основная архитектура CDC ROADM на основе MxN многоадресных коммутаторов
Основной MxN MCS 2400 изображен в серой плате, изображенной на фиг. 24а [3], где в качестве примера M=8 и N=16. Каждый из 8 входных портов 2402 MCS соединен в одном из восьми направлений. MCS предоставляет «бесцветное» извлечение без предварительной фильтрации на внешний когерентный приемник (CR), который имеет встроенный настраиваемый лазер, который служит в качестве локального осциллятора, или в качестве альтернативы внешний настраиваемый фильтр канала может изолировать один канал длины волны для предоставления на стандартный приемник прямого обнаружения. Настраиваемый фильтр канала может значительно увеличить общую стоимость, пока не будет разработана чрезвычайно недорогостоящая технология, и, следовательно, главный акцент будет делаться только на когерентные системы. MCS является «ненаправленным», поскольку любой выходной порт может извлекать любой входной сигнал из любого направления через 1xM коммутатор выбора. MCS также является «неблокируемым», поскольку каждый 1xM коммутатор может выбрать сигналы только из конкретного направления, так что для определенной операции препятствует столкновению друг с другом нескольких λ одинакового цвета с различных направлений. Наконец, MCS также имеет признак «гибкой сетки» вследствие отсутствия фильтра в CR, что также делает ROADM на основе MCS действительно недорогостоящим.
WSS,max
Автономный MCS не может завершить функции добавления/извлечения многоступенчатого CDC по нескольким причинам. Во-первых, потери 1xN разветвителей могут быть компенсированы эрбиевыми волоконными усилителями (EDFA). Во-вторых, вследствие ограниченных выходных портов на один MCS (N≤24 с использованием современной технологии планарной схемы световой волны или MEMS) должно быть добавлено несколько плат MCS в форме «оплаты по мере роста». В общей сложности для 384 λ необходимо использовать 384/16=24 8x16 плат MCS. В результате может быть использован 1x24 WSS между каждым волокном извлечения и 24 платами MCS для разветвления входящих с каждого направления 96 λ в эти 24 выходных порта, а главное, для управления максимальным количеством λ на выходной порт (N). Основная архитектура CDC ROADM может иметь верхний слой из 8 1х24 WSS, второй слой из 192 EDFA и нижний слой из 24 8x16 MCS плат для обеспечения 384 λ, извлеченных из любого из 8 направлений без конфликта. Горячая резервная защита может быть получена путем добавления дополнительной усиленной платы MCS к фиг. 24а, так что в случае, если любая из активных усиленных плат MCS даст сбой, то WSS из верхнего слоя могут повторно маршрутизировать соответствующий трафик на резервную плату. Подобная архитектура необходима для направления добавления. Следует отметить, что в этой основной архитектуре большое количество EDFA и WSS с большим количеством портов может привести к проблемам, связанным со стоимостью, пространством и энергопотреблением.
WSS,max
WSS,max
CR
CR
WSS,max
WSS,max
split
split
split
WSS,max
split
WSS,max
split
WSS,max
split
WSS,max
split
WSS,max
rec
Параметр N, упомянутый выше, должен удовлетворять следующим условиям: (i) N ≤ N, где N является максимальным количеством совпадающих λ, которые могут быть обработаны посредством CR с приемлемо низким штрафом [4] OSNR – это условие необходимо, поскольку все λ N получают посредством CR. (ii) N=N, где N является общим количеством разветвленных портов после EDFA (N=16 на фиг. 24а) – это условие необходимо для удовлетворения требований худшего неравномерного трафика, если λ передаются на усиленный MCS только с одного направления, и каждый CR выбирает уникальную длину волны. Если N>N, то подразумевается, что (N - N) λ не имеет выходного порта для выхода, а если N<N, то подразумевается, что если входящие λ продолжают поступать только с одного направления, то должны быть добавлены новые усиленные платы MCS, даже если остаются пустые порты в исходной плате. Следовательно, идеальным условием является N=N. (iii) Каждый EDFA должен обеспечить λ N с существенной оптической мощностью на одну λ (P) на CR, который имеет обычную чувствительность приемника в -20 дБм для 100G DP-QPSK. Посредством объединения условий (i) и (ii) может быть получено следующее выражение:
N<sub>split</sub>=N<sub>WSS,max</sub> ≤ N<sub>CR</sub>, для всех EDFA в усиленной плате MCS
(1)
Из условия (iii) следует:
P<sub>rec</sub>=P<sub>EDFA</sub> -10 log·(N<sub>WSS,max</sub>) -10 log·(N<sub>split</sub>) – IL<sub>excess</sub>,
(2)
excess
WSS,max
WSS,unif
WSS,max
WSS,unif
где PEDFA является общей выходной мощностью для каждого EDFA, а IL является избыточными потерями MCS более 10 log(N), диапазон которых может составлять от 3 до 6 дБ. Уравнения (1) и (2) подразумевают, что каждый EDFA, изображенный на фиг. 24, спроектирован для обработки неравномерного трафика в худшем случае, т.е. каналы N λ, и следовательно требует EDFA большей мощности и большей стоимости. Эффект неравномерного трафика может быть выражен в рамках отношения η неравномерного трафика к равномерному трафику. Например, на фиг. 19а равномерный трафик с 50% отношением извлечения обеспечивает N=96·50%/24=2 и, следовательно, η=N / N =16/2=8.
Архитектура CDC ROADM на основе MxN многоадресных коммутаторов
На фиг. 24 изображен 8-ступенчатый CDC ROADM с 50% извлечением: на фиг. 24а используется 8 1x24 WSS 2404 и 24 усиленных 8x16 MCS 2406; на фиг. 24b используется 8 1x12 WSS 2408 и 12 усиленных двойных 8x16 плат посредством введения 1x2 разветвителей 2412 между EDFA 2411 и двойными MCS 2414. Блок, помеченный CR=, обозначает когерентный приемник. Дополнительно улучшение основной архитектуры, изображенной на фиг. 24а, для снижения стоимости и размера описывается далее. Стоимость одного порта добавления/извлечения в CDC ROADM задается следующей формулой:
Стоимость одного порта добавления/извлечения=стоимость одного порта добавления/извлечения MCS+стоимость EDFA J+стоимость порта WSS/K
(3)
split
split
split
split
WSS,max
rec
split
L
L
В примере, изображенном на фиг. 24а, J=2 (каждые 8 EDFA соответствуют 16 портам добавления/извлечения MCS) и K=2 (каждые 8 портов добавления/извлечения WSS соответствуют 16 портам добавления/извлечения MCS). Вопрос теперь заключается в том, могут ли J и K быть дополнительно увеличены посредством увеличения N, чтобы большее количество портов добавления/извлечения MCS смогло разделить стоимость EDFA высшего слоя и WSS. Одним из подходов является увеличение количества портов добавления/извлечения MCS, но максимальное количество портов на один MCS должно быть ≤ 24 на сегодняшний день. Другим подходом является введение 1x2 (L=1,2,3,..) разветвителей между EDFA и MCS (так что N=Nx2), как изображено на фиг.1b (L=1). Следует отметить, что добавление слоя 1x2 разветвителя на фиг. 24b эффективно делает усиленный MCS 8х32 модулем, который обеспечит снижение количества усиленных плат MCS и портов WSS на 50%, как может быть замечено при сравнении фиг. 24a и 24b. С другой стороны, Nне может быть слишком большим, поскольку его верхняя граница может быть получена из уравнения (2), допуская, что N=Nи PEDFA=21дБм, результат которого изображен на фиг. 25. Предполагая, что P=-16дБм (это дает 4дБм запаса для обычного CR), видно, что N может быть ≤ 32 (например, с использованием двойных 8x16 MCS с 1x2 разветвителями) или ≤ 48 (например, с использованием двойных 8x24 MCS с 1x2 разветвителями) в зависимости от избыточных потерь MCS.
split
split
WSS,max
split
rec
split
split
WSS,max
WSS,max
split
split
WSS,max
split
split
WSS,max
rec
EDFA
excess
WSS,max
На сегодняшний день обычный NCR ≤ 12-16 и, следовательно, NCR в уравнении (1) фактически устанавливает более жесткое ограничение на N, чем в уравнении (2), даже несмотря на то, что это ограничение может быть ослаблено посредством последующих специальных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Уравнение (1) также указывает на то, что N и N тесно связаны, поскольку каждый раз, когда N удваивается, P снижается на 6 дБ, а не на 3 дБ. Однако существует несколько архитектурных подходов для ослабления ограничений относительно N, установленных уравнением (1). Первым подходом является применение настраиваемого массива фильтров (TFA) между MCS и CR для обеспечения того, что количество полученных λ на CR будет ≤ NCR, даже если N=N является большим [5]. Недостатком этого подхода является то, что стоимость TFA добавляется непосредственно к стоимости за каждый порт извлечения, и вносимая потеря TFA~2 дБ может эффективно увеличить стоимость EDFA. Согласно второму подходу EDFA в усиленной плате MCS используют совместно один или несколько лазеров накачки через настраиваемый 1хМ разветвитель, так что большинству EDFA не придется усиливать полную нагрузку N λ, следовательно сохраняя стоимость [3]. Недостатком этого способа является то, что сложно гибко отрегулировать насос, который совместно используют несколько EDFA для динамического добавления/извлечения λ. Также этот способ не позволяет большому значению N увеличивать K в уравнении (3). Подход согласно настоящему изобретению обеспечивает отсоединение N от N в уравнении (1), так что N можно увеличивать независимо. Как изображено на фиг. 26, на которой изображен CDC ROADM на основе МCS с распределителем 2448 нагрузки OXC (100% извлечения), NхN (N=64) оптическое кросс-соединение (OXC) 2450 вводят между слоями WSS 2452 и EDFA 2452, и N значительно увеличивается до 4x24=96. OXC служит в качестве «распределителя нагрузки» (LB), т.е. даже если первые 96 λ поступают только с одного направления (например, западного направления), распределитель нагрузки повторно перемещает 8 западных выходных портов WSS (с 12 λ на один порт) на передний ряд, так что использовать необходимо только одну усиленную плату MCS вместо нескольких. ROADM, изображенный на фиг. 26, имеет следующие особенности: (a) он обеспечивает 100% добавление/извлечение, так что его стоимость может быть разделена на 784 портов добавления/извлечения; (b) он использует отличное значение η целостности; (c) он использует небольшое количество совпадающих каналов на CR (N=12), и его вносимая потеря, равная ~2дБ, может быть легко компенсирована посредством следующих EDFA без увеличения стоимости; (d) он значительно увеличивает разветвление после EDFA до 96, но все еще работает при подходящем значении P=-15дБм (полученном из уравнения (2), где P=21 дБм и IL=5дБ). Также J и K в уравнении (1) теперь увеличены на 12, что приводит к более низкой общей стоимости материала, как изображено на фиг. 27 (смотреть «8х96+LB»). Также на фиг. 27 изображена относительная стоимость других типов MCS с использованием традиционных подходов с 50% добавлением/извлечением. Основной причиной, почему распределитель нагрузки может снизить общую стоимость 8х16 ROADM на основе MCS на ~70%, например, является то, что в направлении извлечения 192 15 дБм EDFA снижаются до 64 21 дБм EDFA, и количество портов WSS снижается с 192 до 64. Для адекватного сравнения на фиг. 27 8x12 и 8x16 MCS не могут полностью достичь 50% добавления/извлечения, поскольку 1x32 и 1x24 WSS не доступны на сегодняшний день, в то время как 8x24 и 8x32 MCS могут столкнуться с определенными штрафами OSNR вследствие того факта, что их N превышает NCR, который на сегодняшний день равняется 12~16.
На фиг. 28 изображен ROADM, интегрированный в различные сетевые конфигурации. Применение расширяемых многоадресных коммутаторов предоставляет необходимую гибкость маршрутизации. ROADM 2800 содержит программируемые разветвители 2802, которые программируются во избежание распределения оптической мощности в бездействующие каналы и связанных расходов. Программируемые разветвители 2802 могут динамически перенастраивать распределение мощности, например, для трафика 2804 в одном направлении, при этом 2802a иллюстрирует эффект разветвления. Разветвители 2802 программируются, например, для трафика 2806 равномерно со всех направлений, при этом под 2802b, 2802b' иллюстрируют пример потока сигнала. Разветвители 2802 программируются для произвольного трафика 2808, при этом 2802c, 2802c', 2802c" иллюстрируют то же самое.
На фиг. 29 изображен вариант осуществления непрерывного коммутатора, использованного в качестве программируемого разветвителя. Программируемый разветвитель 2900 на основе MZI имеет вход N 2902, который динамически разветвлен на 16 выходов 2804. Такой разветвитель может быть применен в качестве дерева разветвителя для многоадресного коммутатора, например, в специальных вариантах осуществления, описанных выше. В общем может быть изготовлен оптический коммутатор с непрерывным диапазоном, т.е. из интерферометра Маха-Цендера, принимающего непрерывный диапазон напряжений возбуждения на свой фазовращатель. Оптические коммутаторы для архитектур, описанных в данной заявке, такие как 1x2, 2x1 и 2x2 коммутаторы, могут быть подобным образом основаны на структурах интерферометра Маха-Цендера. Альтернативные конструкции оптического коммутатора могут быть основаны на технологии MEM и/или других механических структурах, например структурах на основе пьезоэлектрика, электрооптических эффектах, магнитооптических эффектах их сочетаниях и т.п. В общем конструкции оптического коммутатора известны в уровне техники и находятся в непрерывной доработке.
На фиг. 30 изображен альтернативный вариант осуществления конструкции ROADM, изображенного на фиг. 24а. В этом варианте осуществления ROADM 3000 содержит встраиваемую плату 3002 усилителя, расположенную между селективными коммутаторами 3004 длины волны (WSS) и схемами 3006 MCS. Схемы 3006 MCS содержат разветвители 3008 и блоки 3010 коммутатора. Усилители могут усиливать каждый входной сигнал внутри MCS. На фиг. 31 изображена разновидность варианта осуществления с усилителями малой мощности для применения в сетях с трафиком, поступающим равномерно со всех направлений, как изображено на фиг. 28.
На фиг. 32 изображен вариант осуществления ROADM с набором из 8 8 1x20 WSS 3020, соединенных с входами 3021, предоставляющими ввод в коммутаторы 3022 кросс-соединения OXC для распределения нагрузки. Встраиваемый пул 3024 усилителя предоставляет усиление сигналов от WSS. В некоторых вариантах осуществления часть выхода 3030 с OXC 3020 может быть направлена на входные порты MCS 3028, и вторая часть выходов 3032 OXC может быть направлена на входные порты 3034 расширения MCS, которые соединены с обходными световыми путями 3036, ведущими к обходным коммутаторам 3038. Этот вариант осуществления предусматривает предоставление полностью автоматической и гибкой коммутации.
Конструкция ROADM с использованием альтернативных маршрутов в ROADM изображена на фиг. 33. Архитектура панели (c) отличается от ROADM с устранением конфликта на основе предустановленного большего количества ретрансляторов DWDM, и порты оптической транспортной сети схематически изображены на панели (a) и основаны на клиентских волоконных кросс-соединениях панели (b). Несмотря на то, что расширяемые коммутаторы, описанные в данной заявке, могут быть эффективно применены в любой из этих архитектур, конструкция панели (c) предусматривает повторную маршрутизацию через блоки устранения конфликта коммутаторов для устранения конфликта до несущественных вероятностей. Архитектура согласно варианту осуществления ROADM изображена на фиг. 34.
-7
Как изображено на фиг. 34, блоки устранения конфликта могут содержать до N-1 структур коммутатора устранения конфликта (CM), где N является количеством входов в ROADM. Каждая структура коммутатора CM может содержать NxM коммутаторы, такие как коммутаторы кросс-соединения, или другие подобные функции коммутатора. Как изображено на фиг. 34, каждая структура коммутатора содержит 1 x 8 ответвителей мощности и 1 x 16 силовой коммутатор, который предоставляет функцию кросс-соединения. ROADM дополнительно содержит M блоков вывода. Как изображено на фиг. 34, выход из WSS направлен на M (1xN) ответвителей мощности, которые предоставляют вход в коммутаторы MCS, и выход из блоков конфликта также направлен на входы MCS. В альтернативных вариантах осуществления на основе конструкций расширяемого коммутатора MCS, описанного в данной заявке, выходы из блоков конфликта могут быть направлены на входные порты расширения коммутаторов MCS без применения ответвителей. Частота блокирования в качестве функции расчетной нагрузки может эффективно не иметь конфликтов, например, частота блокирования, равная 10, с большим количеством блоков конфликта, в частности, 5-7 блоками конфликта.
Кольцевые оптические сети могут обеспечивать значительную надежность, поскольку, если возникает поломка на линии, то передача сигнала может быть в качестве альтернативы осуществлена через параллельное кольцо, независимо от места поломки. Концептуальная диаграмма кольцевых сетей с двумя параллельными оптическими путями, соединяющими набор узлов, изображена на фиг. 35. Такая кольцевая сеть может быть применена, например, в качестве границы сети городских масштабов примерно с 4-8 портами на один узел, 88 длинами волн DWDM, с бесцветным ROADM. В некоторых вариантах осуществления кольцевая сеть может быть использована в качестве централизованной кольцевой сети с основным узлом и связанными подузлами. Потенциальная структура узла изображена на фиг. 36.
На фиг. 36 изображен узел 3602, который содержит две параллельных структуры для выполнения функций ДОБАВЛЕНИЯ и ИЗВЛЕЧЕНИЯ. Каждая параллельная оптическая линия 3604 и 3606 соединяется с 1x2 WSS со сторонами ДОБАВЛЕНИЯ (3608, 3610) и ИЗВЛЕЧЕНИЯ (3612, 3614) узла. Сторона ДОБАВЛЕНИЯ узла содержит два MCS 3620, 3622, соединенных с WSS 3608, 3610 соответственно, и MCS 3620, 3622 соединяются с набором 2x1 обходных коммутаторов 2624. Подобным образом сторона ИЗВЛЕЧЕНИЯ узла содержит два MCS 3640, 3642, соединенных с WSS 3612, 3614 соответственно, и MCS 3640, 3642 соединяются с набором 2x1 обходных коммутаторов 2644. Если используется интегральный расширяемый MCS, то выход из одной из пар MCS (3620+3622 или 3640+3642) могут быть направлены на входные порты расширения другого коммутатора MCS для применения обходных коммутаторов расширяемого коммутатора для предоставления необходимой функциональности.
Вышеизложенные варианты осуществления предназначены для иллюстрации и не являются ограничивающими. Дополнительные варианты осуществления подпадают под объем формулы изобретения. Кроме того, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет ясно, что изменения могут быть осуществлены в форме и деталях без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Любое включение посредством ссылки вышеизложенных документов ограничивается тем, что объект не включается, что противоречит сформулированному в данной заявке раскрытию.
Ссылки, включенные в данную заявку посредством ссылки: [1] Feuer, et al., Optical Fiber Telecommunications, Vol.B, Systems and Networks, Chapter 8, 2008; [2] S. Gringeri, et al., IEEE Commn. Mag., p.40, July 2010; [3] S. Zhong and J. Bao, публикация заявки на патент США, US 2009/0067845; [4] L. Nelson, et al., J. Lightwave Technol., p.2933, 2010; [5] T. Watanabe, et al., OFC/NFOEC, документ OTuD3, 2011.