可容错的无阻塞片上光路由器

摘要

本发明公开了一种可容错的无阻塞片上光路由器，主要解决现有光片上网络中由于某些微环谐振器故障导致通信无法进行的问题。其包括5个输入端口、5个输出端口、11根光波导和34个微环谐振器；每根光波导分别与输入、输出端口连接，形成多个波导交叉点，这些微环谐振器分别设置在波导交叉点处、平行波导的中间处及输入、输出端口。通过光波导和微环谐振器的搭建，实现三种通信方式，分别是：直接通过光波导通信；使用微环谐振器在直接路径耦合通信；使用微环谐振器在备用路径耦合通信。本发明通过备用路径可在直接路径上的微环谐振器损坏时，启用备用路径恢复通信，进而增进了片上网络光路由器容错能力，可用于光片上网络的节点互连。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种无阻塞片上光路由器，可用于光片上网络的节点互连。

背景技术

在现有的光片上网络中，当微环谐振器发生故障时，路径会被重新计算，并不考虑含有故障微环谐振器的光路由器。但事实上故障往往仅发生在少数微环谐振器上。在网络层面，由于某些微环谐振器的功能故障而放弃整个光路由器，会导致路由跳数的不必要的增长和资源浪费。因此，可靠的光路由器越来越成为光片上通信领域的重中之重，对于光路由器的容错性能要求越来越高。

中国科学院半导体研究所申请的专利“基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器”(申请日：2012年5月9日，申请号：CN201210142673.1，公开号：CN102645706A)中公开了一种基于微环谐振器的五端口光学路由器。该光路由器的实施方式是：利用15个具有相同结构尺寸的微环谐振器作为光开关通过两种状态的动态切换，实现光学路由器五个端口的无阻塞通信。该光路由器存在的不足之处是：除了5个通信方向可以直接通过波导通信，其余15个通信方向间互联仅通过微环谐振器才能进行，一旦某个微环谐振器坏了，路由器中就会有两个方向无法继续通信，整个路由器会在计算恢复路径时被放弃，降低了路由器的利用率，网络可靠性低。

浙江大学申请的专利“基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器”(申请日：2013年1月29日，申请号：CN201310039839.1，公开号：CN103091784A)中公开了一种基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器。该光路由器的实施方式是：利用微环谐振器和波导构建一个4×4的无阻塞光路由器，通过交叉波导微环谐振器和平行波导微环谐振器的结合使用，减少路由器中交叉波导数目，降低损耗和串扰。该专利技术所公开的系统存在的不足之处是：当某一个普通微环损坏时，系统中便会有两个方向无法通信，当利用率高的第七微环谐振器损坏时，二端口到一端口，四端口到三端口均无法通信，路由器的性能会严重降低，同时也降低了网络可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种可容错的无阻塞片上光路由器，以保证通信可靠性，提高路由器利用率，提升网络性能。

本发明的具体思路是：利用波导和有源微环谐振器搭建可容错的无阻塞片上光路由器，通过控制单元根据切换要求打开和关闭微环谐振器，进行微环谐振器开状态、关状态的相互转换，实现选择性地调节光信号路径。由于微环谐振器损坏概率大，波导损坏的概率极小，因此在尽可能多的方向上直接通过波导连接，降低微环谐振器的数目，提高这些方向上的通信可靠性，其余方向上通过建立备用路径的方式，达到即使某一微环谐振器损坏，路由器也可以通过备用路径恢复通信的效果。

根据上述思路，本发明的可容错的无阻塞片上光路由器包括5个输入端口、5个输出端口、11根光波导和34个微环谐振器；每根光波导分别与输入、输出端口连接，形成多个波导交叉点；这些微环谐振器分别设置在波导交叉点处、平行波导的中间处及输入、输出端口。

作为优先，各个波导与各个输入输出端口的连接关系如下：

第一波导(W1)连接第一输入左端口(X10)和第三输出上端口(Y30)；

第二波导(W2)连接第一输入右端口(X11)和第五输出下端口(Y51)；

第三波导(W3)连接第二输入右端口(X21)和第五输出上端口(Y50)，并与第一波导(W1)交叉，形成第一交叉点(C1)；

第四波导(W4)连接第二输入左端口(X20)和第四输出右端口(Y41)，并分别与第一波导(W1)和第三波导(W3)交叉，形成第二交叉点(C2)和第三交叉点(C3)；

第五波导(W5)连接第三输入上端口(X30)和第十二微环谐振器(M12)，并与第一波导(W1)交叉，形成第四交叉点(C4)；

第六波导(W6)连接第三输入下端口(X31)和第一输出右端口(Y10)，并与第二波导(W2)交叉，形成第五交叉点(C5)；

第七波导(W7)连接第五输入上端口(X50)和第四输出左端口(Y40)，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点：即与第一波导(W1)交叉，形成第六交叉点(C6)和第七交叉点(C7)；与第三波导(W3)交叉，形成第八交叉点(C8)；与第四波导(W4)交叉，形成第九交叉点(C9)和第十交叉点(C10)；与第五波导(W5)交叉，形成第十一交叉点(C11)；

第八波导(W8)连接第五输入下端口(X51)和第二输出右端口(Y21)，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点：即与第二波导(W2)交叉，形成第十二交叉点(C12)和第十三交叉点(C13)；与第六波导(W6)交叉，形成第十四交叉点(C14)；

第九波导(W9)连接第四输入左端口(X40)和第一输出左端口(Y10)，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点：与第一波导(W1)交叉，形成第十五交叉点(C15)和第十六交叉点(C16)；与第三波导(W3)交叉，形成第十七交叉点(C17)和第十八交叉点(C18)；

第十波导(W10)连接第四输入右端口(X41)和第二输出左端口(Y20)，并与第一波导(W1)和第九波导(W9)交叉，分别形成第十九交叉点(C19)和第二十交叉点(C20)；

第十一波导(W11)连接第十微环谐振器(M10)和第三输出下端口(Y3)。

作为优先，各个微环谐振器的位置关系设置如下：

第一微环谐振器(M1)设置在第十波导(W10)在与第三波导(W3)之间的平行处；

第二微环谐振器(M2)设置在第十八交叉点(C18)的左下角；

第三微环谐振器(M3)设置在第九波导(W9)与第四波导(W4)之间的平行处；

第四微环谐振器(M4)设置在第十七交叉点(C17)的右上角；

第五微环谐振器(M5)设置在第十九交叉点(C19)的左下角；

第六微环谐振器(M6)设置在第九波导(W9)与第一波导(W1)之间的平行处；

第七微环谐振器(M7)设置在第四波导(W4)与第一波导(W1)之间的平行处；

第八微环谐振器(M8)设置在第一交叉点(C1)的右下角；

第九微环谐振器(M9)设置在第七波导(W7)与第一波导(W1)之间的平行处；

第十微环谐振器(M10)设置在第十一波导(W11)与第八波导(W8)之间的平行处；

第十一微环谐振器(M11)设置在第六波导(W6)与第二波导(W2)之间的平行处；

第十二微环谐振器(M12)设置在第五波导(W5)与第三波导(W3)之间的平行处；

第十三微环谐振器(M13)设置在第八波导(W8)与第六波导(W6)之间的平行处；

第十四微环谐振器(M14)设置在第九波导(W9)与第七波导(W7)之间的平行处；

第十五至第三十四微环谐振器(M15-M34)分别设置在5个输入端口和5个输出端口中，即每个输入、输出端口中均放置有2个微环谐振器，且每个微环谐振器位于端口的两根平行波导之间。

本发明与现有系统相比具有以下优点：

第一，本发明为严格的无阻塞光路由器，利用波导和有源微环谐振器的搭建，构造出了严格无阻塞的光路由器，严格的无阻塞路由器意味着当任意两个端口通信时，其余所有端口间任意两者通信都不会受到影响，克服了传统有阻塞路由器通信效率低，网络性能受限的问题，同时降低了网络时延，提高了资源利用率。

第二，本发明利用波导和有源微环谐振器，在某些通信方向上提供了备用路径，当直接路径上微环谐振器损坏时，启用备用路径工作，同时由于在输入、输出端口中放置两个微环谐振器，以便当一个坏了的时候可以使用另一个来工作，克服了传统路由器中当某一微环谐振器损坏时，整个路由器都将失效的问题，提高了路由器的利用效率，提升了网络的容错性能。

附图说明

图1是本发明的平面结构示意图；

图2是本发明中基本光交换单元结构示意图；

图3是本发明中第四输入、输出端口内部结构示意图；

图4是本发明中第四输入、输出端口中默认微环谐振器损坏时使用备用微环谐振器示意图；

图5是本发明中采用光波导直接通信示意图；

图6是本发明中第四发送端口X4到第五接收端口Y5采用直接路径通信示意图；

图7是本发明中第四发送端口X4到第五接收端口Y5采用备用路径通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的详细描述。

参照图1，本发明可容错的无阻塞片上光路由器包括5个输入端口、5个输出端口、11根光波导和34个微环谐振器；每根光波导分别与输入、输出端口连接，形成多个波导交叉点；这些微环谐振器分别设置在波导交叉点处、平行波导的中间处及输入、输出端口。其中各个波导与各个输入输出端口的连接关系如下：

第一波导W1连接第一输入左端口X10和第三输出上端口Y30；

第二波导W2连接第一输入右端口X11和第五输出下端口Y51；

第三波导W3连接第二输入右端口X21和第五输出上端口Y50，并与第一波导W1交叉，形成第一交叉点C1；

第四波导W4连接第二输入左端口X20和第四输出右端口Y41，并分别与第一波导W1和第三波导W3交叉，形成第二交叉点C2和第三交叉点C3；

第五波导W5连接第三输入上端口X30和第十二微环谐振器M12，并与第一波导W1交叉，形成第四交叉点C4；

第六波导W6连接第三输入下端口X31和第一输出右端口Y10，并与第二波导W2交叉，形成第五交叉点C5；

第七波导W7连接第五输入上端口X50和第四输出左端口Y40，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点，即第七波导W7与第一波导W1交叉，形成第六交叉点C6和第七交叉点C7；第七波导W7与第三波导W3交叉，形成第八交叉点C8；第七波导W7与第四波导W4交叉，形成第九交叉点C9和第十交叉点C10；第七波导W7与第五波导W5交叉，形成第十一交叉点C11；

第八波导W8连接第五输入下端口X51和第二输出右端口Y21，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点，即第八波导W8与第二波导W2交叉，形成第十二交叉点C12和第十三交叉点C13；第八波导W8与第六波导W6交叉，形成第十四交叉点C14；

第九波导W9连接第四输入左端口X40和第一输出左端口Y10，并分别与其它多个波导交叉形成多个交叉点，即第九波导W9与第一波导W1交叉，形成第十五交叉点C15和第十六交叉点C16；第九波导W9与第三波导W3交叉，形成第十七交叉点C17和第十八交叉点C18；

第十波导W10连接第四输入右端口X41和第二输出左端口Y20，并与第一波导W1和第九波导W9交叉，分别形成第十九交叉点C19和第二十交叉点C20；

第十一波导W11连接第十微环谐振器M10和第三输出下端口Y31。

上述每个光波导均为弯曲波导，用于实现片上光信号的传输。

在上述通过波导和端口连接而形成的结构中设置有微环谐振器，各个微环谐振器的位置关系设置如下：

第一微环谐振器M1设置在第十波导W10在与第三波导W3之间的平行处；

第二微环谐振器M2设置在第十八交叉点C18的左下角；

第三微环谐振器M3设置在第九波导W9与第四波导W4之间的平行处；

第四微环谐振器M4设置在第十七交叉点C17的右上角；

第五微环谐振器M5设置在第十九交叉点C19的左下角；

第六微环谐振器M6设置在第九波导W9与第一波导W1之间的平行处；

第七微环谐振器M7设置在第四波导W4与第一波导W1之间的平行处；

第八微环谐振器M8设置在第一交叉点C1的右下角；

第九微环谐振器M9设置在第七波导W7与第一波导W1之间的平行处；

第十微环谐振器M10设置在第十一波导W11与第八波导W8之间的平行处；

第十一微环谐振器M11设置在第六波导W6与第二波导W2之间的平行处；

第十二微环谐振器M12设置在第五波导W5与第三波导W3之间的平行处；

第十三微环谐振器M13设置在第八波导W8与第六波导W6之间的平行处；

第十四微环谐振器M14设置在第九波导W9与第七波导W7之间的平行处；

第十五至第三十四微环谐振器M15-M34分别设置在5个输入端口和5个输出端口中，即每个输入、输出端口中均放置有2个微环谐振器，且每个微环谐振器位于端口的两根平行波导之间。

上述每个微环谐振器的直径和谐振波长相同，且谐振波长等于光路由器的工作波长，用于实现片上光信号的转向。

本路由器采用XY路由算法进行路由，即在网络中注入的分组首先沿水平方向路由，直至到达其在水平方向上的最终位置；然后，在竖直方向上继续传输，直到分组到达目的地。在此路由器中，禁止4种通信路径，这四种禁止通信路径分别为：

禁止从第一输入端口X1到第二输出端口Y2的通信；

禁止从第一输入端口X1到第四输出端口Y4的通信；

禁止从第三输入端口X3到第二输出端口Y2的通信；

禁止从第三输入端口X3到第四输出端口Y4的通信。

本发明路由器在禁止上述的4种通信方向路径后，再采用剩余的16种通信方向进行路由。在这16种通信方向中，9种通信方向在路由器内部直接通过光波导相连，故障率低；剩余7种通信方向需要通过微环谐振器耦合到达目的端口。其中：

通过光波导直接相连通信的9种路径包括:

从第一输入左端口X10到第三输出上端口Y30的通信；

从第一输入右端口X11到第五输出下端口Y51的通信；

从第二输入左端口X20到第四输出右端口Y41的通信；

从第二输入右端口X21到第五输出上端口Y50的通信；

从第三输入下端口X31到第一输出右端口Y11的通信；

从第三输入上端口X30到第二输出左端口Y20的通信；

从第四输入左端口X40到第一输出右端口Y11的通信；

从第五输入下端口X51到第一输出右端口Y11的通信；

从第五输入上端口X50到第四输出左端口Y40的通信。

在剩余7种方向上需要通过微环谐振器耦合光波导通信，在这些方向上建立两条路径，即直接路径和备用路径，路由器正常工作时优先使用直接路径通信，当直接路径上的微环谐振器损坏时采用备用路径通信，因此有7条直接路径及7条备用路径，共14条路径，每条路径上需要使用1个微环谐振器，共需要14个微环谐振器。

该7条直接路径及其需要使用的微环谐振器耦合关系如下：

第二输入左端口X20到第一输出左端口Y10的通信使用第三微环谐振器M3耦合；

第二输入左端口X20到第三输出上端口Y30的通信使用第七微环谐振器M7耦合；

第四输入左端口X40到第五输出上端口Y50的通信使用第二微环谐振器M2耦合；

第四输入左端口X40到第三输出上端口Y30的通信使用第六微环谐振器M6耦合；

第五输入下端口X51到第三输出下端口Y31的通信使用第十微环谐振器M10耦合；

第五输入下端口X51到第一输出右端口Y11的通信使用第十三微环谐振器M13耦合；

第三输入下端口X31到第五输出下端口Y51的通信使用第十一微环谐振器M11耦合。

该7条备用路径及其需要使用的微环谐振器耦合关系如下：

第二输入右端口X21到第一输出左端口Y10的通信使用第四微环谐振器M4耦合；

第二输入右端口X21到第三输出上端口Y30的通信使用第八微环谐振器M8耦合；

第四输入右端口X41到第五输出上端口Y50的通信使用第一微环谐振器M1耦合；

第四输入右端口X41到第三输出上端口Y30的通信使用第五微环谐振器M5耦合；

第五输入上端口X50到第三输出上端口Y30的通信使用第九微环谐振器M9耦合；

第五输入上端口X50到第一输出左端口Y10的通信使用第十四微环谐振器M14耦合；

第三输入上端口X30到第五输出上端口Y50的通信使用第十二微环谐振器M12耦合。

参照图2，本实例的基本光交换单元为基本1x2开关元件，其分为以下两个类别：一是并联开关元件，如图2a所示；二是交叉开关元件，如图2b所示。这两种开关元件均由两根波导和一个微环谐振器组成。控制单元根据切换要求打开和关闭微环谐振器。当关闭时，微环谐振器处于截止状态时，谐振波长为截止状态共振波长，入射光信号将从输入端口输入，光信号的传输方向不改变，从关状态输出方向输出。当微环谐振器处于导通状态时，谐振波长变为导通状态共振波长，入射光信号将从输入端口耦合到微环谐振器中并从开状态输出方向输出。

参照图3，本实例中第四输入、输出端口内部结构，其中：

第四输入端口X4的内部结构，由两根平行波导和两个微环谐振器构成，这两根波导平行放置，两个微环谐振器分别为一个默认微环谐振器D和一个备用微环谐振器R，这两个微环谐振器放置在两根波导的平行中间处，其他输入端口类似，如图3a所示；

第四输出端口Y4的内部结构，由两根平行波导和两个微环谐振器构成，这两根波导平行放置，两个微环谐振器分别为一个默认微环谐振器D和一个备用微环谐振器R，这两个微环谐振器放置在两根波导的平行中间处，其他输入端口类似，如图3b所示。

参照图4，本实例的输入、输出端口中默认微环谐振器D损坏时使用备用微环谐振器R的工作方式，其中：

第四输入端口X4中默认微环谐振器D损坏时，输入端口向路由器中输入的数据通过备用微环谐振器R耦合传输，如图4a所示；

第四输出端口Y4默认微环谐振器D损坏时，输出端口从路由器中输出的数据通过备用微环谐振器R耦合传输，如图4b所示。

参照图5，本实例展示了从第四输入左端口X40到第一输出左端口Y10直接通过波导W9的通信路径，其采用光波导直接通信，此时两个端口间的通信仅通过波导传输，无需使用微环谐振器耦合，故障率低。

参照图6，本实例中展示了从第四发送端口X4到第五接收端口Y5之间的通信路径，其通过微环谐振器耦合光信号从直接路径通信，其中直接路径即为从第四输入左端口X40到第五输出上端口Y50，使用第二微环谐振器M2耦合传输。

参照图7，本实例中展示了第四输入端口X4到第五输出端口Y5采用备用路径的通信，其通信方法为通过微环谐振器耦合光信号从备用路径通信，当直接路径上的微环谐振器M2损坏时，采用备用路径即从第四输入右端口X41到第五输出上端口Y50的通信，使用第一微环谐振器M1耦合传输。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。