專利名稱：利用二進制樹的大n×n光開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光交叉互連開關，具體涉及適用于光交叉互連開關的二進制樹的大N×N布局。
背景技術：
在高容量光網絡中，一種重要的器件是N×N交叉互連開關。這個器件的功能是在每個節(jié)點的幾條輸入光纖上提供全連通性，其中每條光纖傳輸幾個波長信道。該開關必須是無阻塞開關[1-11]，它必須是快速和高效的。(注意，在這個技術說明中，參考另一個文件是用方括號中數字標示的，用于標識它在附錄的參考文獻表中的位置。)利用經典的交叉結構，它包括1×2元件和2×1元件的二進制樹[2]，可以獲得有最小損耗和串音的這些性質。然而，由于需要2N(N-1)個大量元件，這種布局在N很大的情況下是不切實際的。因為元件數目隨N的增加而按二次方增加，在N很大的情況下，N×N交叉互連開關快速地變得太大。例如，N＝64和N＝128的元件數目分別是8086和32512。隨著光網絡容量的不斷增大，就需要更大的N×N交叉互連開關。
我們需要的是這樣一種大的N×N交叉互連開關，在不顯著增大損耗和串音的條件下，把元件數目減至最小。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的設備，公開一種適合于N很大的擴展N×N光交叉互連開關，它利用低深度(低損耗)和低串音值實現高的效率(很少的元件數目)。與經典的交叉開關布局比較，在不顯著增大深度和串音的條件下，大大地減小寬度和元件數目。利用6層1×2元件和2×1開關元件的二進制樹，可以實現最簡單形式的這種布局。前兩層形成輸入級，第三層和第四層形成中心級，第五層和第六層形成輸出級。在每個輸入級，中心級和輸出級中，奇數層是由1×2元件二進制樹形成的，而偶數層是由2×1元件二進制樹形成的。每級是由1×2元件二進制樹與2×1元件二進制樹直接地結合在一起形成的。類似地，把各對樹直接地連接在一起，就使相鄰各級連接在一起。在一個實施例中，利用位于相鄰各級之間每個結點附近一個或多個2×2元件的對稱布局，使深度大大地減小。利用這種布局，N×N交叉互連所需的元件數目在N＝64和N＝128的情況下分別約為4500和13500，與經典的交叉布局比較，利用兩級二進制樹需要的元件數目分別約為8000和33000。該布局的另一個特征是，利用Clos類型結構得到更小的深度。串音是2級，它引起發(fā)射到每個輸出端口的最大分量為三個分量。
更具體地說，本發(fā)明的目的是一種N×N無阻塞光開關，用于提供N個入口中任何一個入口與N個出口中任何一個出口之間的連接，其中N是整數，該N×N開關包括(1)整數p層，每層是由不同N×N布局形成的；(2)整數N個1×p輸入空間開關，N個輸入空間開關中每個開關的每個輸入端連接到N個入口中不同的一個入口，且每個輸入空間開關連接到所有各層；(3)整數N個p×1輸出空間開關，N個輸出空間開關中每個開關的每個輸出端連接到N個出口中不同的一個出口，且每個輸出空間開關連接到所有各層；(4)每層是包括三級，其中第1級和第3級是由m×m開關組成，而第2級是由 無阻塞開關組成；(5)其中每個m×m開關能夠從它的m輸入端口中任何一個端口到它的m輸出端口中任何一個端口之間至少形成一條路徑，且第1級中每個m×m開關經第2級中一個特定開關連接到第3級中每個m×m開關；和(6)其中層數p滿足p≥2m-1。
按照本發(fā)明的另一個方面，一種N×N無阻塞光開關提供N個入口中任何一個入口與N個出口中任何一個出口之間的連接，其中N是整數，最簡單形式的N×N開關包括三級，分別是m×p開關， 開關，和p×m開關，其中m是N的整數除數，p是滿足p≥2m-1的整數。每級是由兩層樹組成，且完整的布局包括(1)由1×2開關元件或2×1開關元件形成的6層樹，安排成輸入級，中心級和輸出級；(2)其中每個偶數層樹是由1×2元件形成的，所以，每個樹有一個輸入端口，它是由樹根處的1×2元件形成的，且它有許多對應于樹葉的輸出端口，輸出端口是由輸出1×2元件形成的；(3)其中每個奇數層樹是由2×1元件形成的，所以，每個樹是倒置的，因此有一個對應于根的輸出端口和多個對應于葉的輸入端口。輸入級是由m×p開關組成的，它包括第一層二進制樹和第二層二進制樹，第一層中每個樹有它連接到N個入口中不同一個入口的輸入端口，并有連接到第二層樹中不同一個樹的每個輸出端口，第二層樹的每個輸出端口連接到中心級中不同的一個樹。中心級是由 開關組成的，它包括第三層和第四層二進制樹，第三層中每個樹有連接到第四層樹中不同一個樹的每個輸出端口，第四層樹中每個輸出端口連接到輸出級中不同的一個樹。輸出級是由p×m開關組成的，它包括第五層和第六層二進制樹，第五層中每個樹有連接到第六層樹中不同一個樹的每個輸出端口，第六層樹中每個輸出端口連接到N個出口中不同的一個出口。
以上布局的一個重要特征是，把結點兩側的樹根直接地連接在一起，就使相繼各級連接在一起。因此，利用較少數目的2×2元件代替結點附近的1×2元件和2×1元件，可以減小深度和元件數目。


在附圖中，圖1是利用Clos布局實現的N×N交叉互連開關的方框圖。中心級的基本部件是n×n開關，其中n＝N/m，其他兩級分別是m×(2m-1)開關和(2m-1)×m開關。
圖2a表示在兩級的連接處的第1級中每個2×1元件連接到另一級中的1×2元件。這兩個元件可以用圖2b所示的單個2×2元件代替，其代價是兩級之間的鏈路數目加倍。
圖3a表示鏈路連接的兩個交叉布局的三維視圖。圖3b表示二進制樹之間的交叉互連是如何用簡單的m×m元件代替，例如，其中m＝2，3，和4。
圖4表示把第2級m＝8和第3級 的兩個樹連接在一起得到的布局。該布局的第一部分是兩個樹對稱的m×m布局，它可以用2×2元件的相當基線布局代替。
圖5表示現有技術的2×2交叉布局。
圖6是典型的N×M交叉布局的一般表示，它包括4個中心部件與輸入1×2元件和輸出2×1元件的組合。
圖7表示在N＝4情況下典型的N×N交叉布局。
圖8是圖7中4×4交叉布局的三維表示。
圖9表示優(yōu)化的2×3交叉布局，適合于在僅有一個波導交叉的晶片上實現集成形式。
圖10表示經典的交叉布局的方框圖。
圖11表示無阻塞的 布局，它包括二進制樹輸入級與輸出級之間連接的中心級 部件。
圖12表示阻塞的N×N布局，它包括m×m開關輸入級與輸出級之間連接的中心級 部件。
圖13表示利用p層實現的無阻塞N×N布局，每層是利用圖12中的阻塞布局實現的。
圖14a表示利用較小基本部件的m×(2m-1)單元的交叉結構。遞歸地采用這種結構，利用對稱的m×m部件和非對稱的m/2×(m-1)部件的組合，實現m×(2m-1)布局，例如，圖14b和14c分別表示m＝4和8的情況。在每種情況下，利用圖9的布局使波導交叉數目減至最小。
在以下的描述中，不同附圖中相同單元的命名代表相同的元件。此外，在元件的命名中，第一個數字代表該元件首次出現在該圖中(例如，102首次出現在圖1中)。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的設備，公開一種適合于大N的擴展N×N交叉互連，利用低深度(低損耗)和低串音值實現高效率(元件數目少)。與經典的交叉開關布局比較，在基本不增加深度和串音的條件下，大大減小寬度和元件數目。在最簡單的情況下，該布局是利用三級實現的，每級包括兩層1×2開關元件和2×1開關元件的二進制樹。該布局的重要特征是，把結點兩側的樹根直接地連接在一起，就使相繼各級連接在一起。因此，利用較少數目的2×2元件代替結點附近的1×2元件和2×1元件，可以大大減小總的深度。另一方面，這種技術增加了各級之間的鏈路數目，所以，它主要用于對深度(損耗)有嚴格要求的情況。在所有的情況下，新布局的特征是類似于經典交叉布局情況下的低串音和低深度值。具體地說，串音是2級，它大致引起發(fā)射到每個輸出端口最多三個分量。
圖1是利用Clos布局實現的N×N交叉互連開關的方框圖。中心級(第2級)102中的基本部件是n×n開關，其中n＝N/m，輸入級(第1級)101和輸出級(第3級)103中分別利用m×(2m-1)開關和(2m-1)×m開關。如圖2a中m＝2所示，101至103的每一級中基本部件的構成是利用二進制樹的交叉布局。例如，第1級中部件201包括第一層202和第二層203；對于每個輸入端I1和I2，第一層202有單獨的輸入二進制樹；對于每個輸出端O1，O2，和O3，第二層203有單獨的輸出二進制樹。輸入端I1二進制樹包括1×2元件1和1×2元件2，而輸入端I2二進制樹包括1×2元件3和1×2元件4。輸出端O1樹包括2×1元件5，輸出端O2樹包括2×1元件6，和輸出端O3樹包括2×1元件7。第2級有第一層204和第二層205，第3級也是如此(未畫出)。因此，圖1中的N×N交叉互連開關是利用總數為6層二進制樹實現的，其中第1級，第2級和第3級中的每一級包括兩層二進制樹。這兩層中的第一層是由1×2元件(例如，圖2a中的202，204)形成的，而第二層是由2×1元件(例如，圖2a中的203，205)形成的。在兩級的結點206處把對應的元件連接在一起就把相繼各級連接在一起。這表示在圖2a中，其中在結點206處，第1級101中各列2×1元件是與第2級102中對應的1×2元件成對的。在結點206處，每對2×1元件和1×2元件用單個2×2元件代替，例如，207，得到圖2b中所示的單列2×2元件。雖然在圖2b中沒有畫出，在圖1中N×N開關的第2級(中心級)102與第3級(輸出級)103之間的結點處重復相同的過程。若各個結點按照這種方式連接，則形成的N×N開關的總深度(損耗)在不顯著影響串音的條件下減小一半。人們往往希望在有最小波導交叉數目的平面晶片上以集成形式實現每個基本部件。于是，通過適當地安排以下所示的各個樹，得到輸入級101和輸出級103的最佳布局。最后，我們還確定使總的元件數目最少的輸入開關和輸出開關的最佳尺寸(圖1中的104和105)。最后的結果是具有以下性質的N×N開關布局。第一，元件數目和寬度明顯地低于經典的交叉布局。的確，對于完全擴展的無阻塞開關，它們不是顯著地大于最小值。第二，串音和深度相當地接近于交叉布局的情況。第三，該結果在這樣的意義下是最佳的，在沒有顯著增加深度和元件數目的條件下，不能再進一步減小串音和深度。
在以上的例子中，我們考慮m＝2的最簡單情況，但是，對于較大的m，可以得到相同的結果。我們利用交叉布局實現每個基本部件，并得到6層二進制樹。參照圖3a，其中畫出N＝32，m＝4的開關布局中第1級的基本部件301和第2級的基本部件302。第一層和第二層形成第1級，它們分別是用1×(2m-1)樹和m×1樹構成的。類似地，最后一級只是第1級的鏡像。注意到，第1級與第2級之間的每個連接是利用鏈路304實現的，該鏈路把位于結點305兩側的兩個樹根直接地連接在一起。因此，如圖3a所示，每個m×1樹通過不同的鏈路304連接到1×n樹。注意到，第1級中部件301的第七個，最后一個，m×1樹通過鏈路306連接到第2級中第七部件的第一個1×n樹，未畫出。注意到，中心級中第一部件302的第八個1×n樹通過鏈路307連接到第1級中第八部件的第一個m×1樹，未畫出。這是因為在我們N＝32和m＝4的典型開關布局中，第1級包括N/m個(即，8個)部件，每個部件有2m-1個或7個輸出端，第2級包括2m-1個(即，7個)部件，每個部件有N/m個或8個輸入端。
注意在圖3a中，m×1樹與1×n樹中對應的匹配部分一起形成對稱的m×m布局。這種布局僅僅被一個信號遍歷，所以，通過用圖3b中所示2×2元件相當的m×m布局代替它，可以大大減小它的深度，其中m和n分別是，m＝2，3，4，8和 。參照圖4，新的布局稱之為基線布局，每個由logm列 個元件組成。所以，利用新的布局，深度從2logm減小到logm，元件數目從2(m-1)變化到 。其中深度定義為信號從開關布局的輸入端遍歷輸出端的開關元件數目。若對損耗(深度)有嚴格的要求，則新的布局顯然是有利的。另一方面，我們把兩級之間互連的數目增加到m倍，所以，若總的損耗不是重要的，則該技術未必是有利的。注意，對于m＞2，我們采用以上的技術用相同尺寸的基線布局代替整個m×m布局。很清楚，利用較小的基線布局，為的是僅僅改變m×m布局的中心部分，實現較小的深度減小，要求較少地增加互連數目。例如，取代布局313，我們只是利用m＝4的2×2布局311，因此在沒有增加太多互連數目的情況下，得到較小的深度或損耗減小。因此，取決于開關的尺寸以及深度與互連數目之間的相對重要性，可以利用各種尺寸的基線布局。相同的以上考慮也適用于最后兩級之間的結點，即，開關布局中第2級與第3級之間的結點。
注意到，此處考慮的布局是充分地擴展的。即，1×2，2×1，2×2開關元件中沒有出現多于一個信號。沒有這個條件，兩個信號遍歷2×2元件會給每個信號添加小的串音分量，其幅度X是由該元件的消光比確定。另一方面，此處每個元件最多被一個指定信號遍歷，因此，每個串音分量在X中是2級或高于2級。
1.交叉布局在最簡單的情況下，現有技術N＝2的對稱交叉布局包括如圖5所示的4個元件。圖5中每個開關元件，或在這個申請的其他圖中，可以設置成它的一種主要狀態(tài)，直行狀態(tài)301或交叉狀態(tài)302。注意到，圖5中或其他圖中的每個1×2元件和2×1元件的狀態(tài)是受所加控制信號C單獨的控制。圖6所示是用于構造較大的非對稱N×M交叉布局的一般布局，其中M＞N。選取N＝M，圖6的布局可用于較大的對稱N×N交叉布局。具體地說，圖7中是N＝4的布局。這個布局僅包括兩組二進制樹，如圖8所示的三維表示。在非對稱的N×M情況下可以得到類似的布局。于是，元件總數為2NM-N-M，總的深度是logN+logM，其中每項四舍五入到下一個最大的整數。以上的布局是非常誘人的，如以下所討論的，因為它們有最小的深度和最低的串音。另一方面，一個不可取的特征是，在N＝M很大的情況下，元件數目很大。于是，利用圖1所示的Clos結構，必須減小N很大情況下的元件數目。
例如，利用圖8所示二進制樹的交叉結構，可以實現這種布局的每個基本部件。具體地說，利用輸入級中這種結構，我們發(fā)現，每個m×(2m-1)輸入開關要求總數為Q＝2m(2m-1)-3m+1的元件，和總深度是2logm+1，相同的結果可適用于輸出級中每個(2m-1)×m開關。通常，我們希望在一個晶片上以集成形式實現每種開關。于是，重要的是實現具有最少波導交叉數目的m×(2m-1)開關和(2m-1)×m開關，以便簡化集成形式的制作方法。我發(fā)現這個條件是在圖9中m＝2情況的2×3布局中實現的，該布局包括7個元件，其中僅有一個波導交叉601。此外，利用圖9中非對稱開關與圖7中對稱開關的組合，我們可以實現較大m的開關。
2.廣義CLOS布局圖1中的Clos結構要求中心級為 部件和其他兩級為(2m-1)×m部件。所以，若Q是每個(2m-1)×m部件中的元件數目，則我們得到如下的遞歸公式PN=(m-1)PN/m+2NmQ----(1)]]>由于布局是對稱的，輸出級是輸入級的鏡像，我們只需要考慮輸入級。對于每個基本部件，利用二進制樹的交叉布局，我們發(fā)現，PN/m=2Nm(Nm-1)]]>和Q＝2m(2m-1)-3m+1，得到PN=(2m-1)N(2Nm2+4m-1m)-2N,]]>DN＝2(logN+logm+1)分別給出這個完整布局的元件數目和深度。
其次，我們把這三級結合在一起，得到由1×2開關元件或2×1開關元件形成的6層樹。參照圖3a，第一層和第二層形成第1級301，它們分別是由1×m樹和(2m-1)×1樹組成的。第三層和第四層形成第2級305，它們是由1×n樹和n×1樹組成的，其中 。類似地，最后一級只是第1級的鏡像。如上面所指出的，這種布局的重要性質是，直接地把結點305兩側的樹根連接在一起，就使第1級和第2級結合在一起。因此，結點305處連接在一起的每對樹形成對稱的m×m布局，它包括與第3級中1×n輸入樹309的最初1×m部分組合的第2級中m×1輸出樹308。這種布局僅僅被一個信號遍歷，所以，利用圖4所示相當的2×2元件布局，可以減小它的深度。這種新的布局稱之為基線網。它相當于原先的布局，因為通過適當地選取2×2元件的設置，輸入信號可以轉移到任何的輸出端口。它的主要優(yōu)點是得到最小的深度。的確，與原先的布局比較，深度從2logm減小到logm，元件數目從2(m-1)變化到 。若對損耗(深度)有嚴格的要求，則新的布局顯然是有利的。另一方面，我們把兩級之間的互連數目增加到m倍。例如，對于m＝2，圖2a的101級中基本部件的每個連接210是用兩個連接211代替的，如圖2b所示。所以，若總的損耗并不重要，則該技術未必是有利的。相同的考慮也適用于最后兩級的結點。利用以上的技術，最后的結果是，這個完整布局的元件數目和深度分別減小到PN=(2m-1)N(2Nm2+logm)-2N,]]>DN＝2(logN+1)現在的深度已接近于擴展布局的最小值2logN。
其次，通過合適地選取m，我們把元件數目減至最小，對于N＝64，128，在m＝4的情況下，PN＝4352，DN＝14在m＝8的情況下，PN＝13184，DN＝16與利用圖7和8中2(N2-N)個元件的單個交叉布局所要求的數值8064和32512比較，現在的元件數目是大大地減小了。新的數值相當地接近于最小值，在充分擴展的布局中，這兩個最小值分別為3600和11000。深度和串音也接近于最小值。通過優(yōu)化控制算法，我們可以證明，每個部件對(每個信號)的貢獻大致為一個2級串音分量。
現在，可以把這種布局按照如下推廣。可以把N×N交叉布局按照N＝M的圖6分解成包括中心單元601的布局，該中心單元包括與輸入二進制樹602和輸出二進制樹603組合的4個N/2×N/2中心部件。很清楚，對于中心單元601的每個部件，可以實行類似的分解，我們可以證明，對N×N布局重復應用這種分解，在s次之后，產生包括輸入二進制樹和輸出二進制樹的中心級布局，它們連接到 部件，其中r＝2s。如圖11所示，這種過程可以應用于 布局，于是我們得到r＝m情況下 部件的布局。這種過程顯然可應用于圖1中的每個中心部件106。注意到，中心部件106分解成分別包括1×m樹的輸入級1101和m×1樹的輸出級1102，以及包括總數為m2中心部件的中心級1103。其次，我們把中心部件106的每個1×m樹1101與輸入級101中第二樹層的匹配m×1樹1104進行組合以形成對稱的m×m布局。類似地，我們應用相同的過程到中心部件輸入樹中每個m×1樹1102和輸出級103中第二樹層的匹配1×m樹1105以形成對稱的m×m布局。例如，若m＝4，則1×m樹是1×4樹，而m×1樹是4×1樹，如圖3b中313所示，組合1×4樹與4×1樹產生4×4元件。最后的結果是圖12中的N×N布局。注意到，沒有畫出輸入端1201的所有連接，也沒有畫出第2級1203與第3級1204之間以及輸出端1205的所有連接。在一般的情況下，第1級是利用m×m開關構成的，第2級是利用 部件構成的，而輸出級是利用m×m開關構成的。圖12中的布局顯然是阻塞的，因為每個m×m僅能支持一條路徑。另一方面，這種布局的性質是，輸入級中每個m×m開關可以經特定的 部件連接到輸出級中每個m×m開關。由于這個性質，組合p≥2m-1個圖13所示的這種N×N布局可以得到無阻塞N×N開關。最后的布局包括與輸入級1302中1×p二進制樹和輸出級1303中p×1二進制樹組合的p個中心層1301。假設圖1中的每個基本部件是利用交叉布局實現的，我們已導出這種布局。然而，這個條件在圖12和13中不必得到滿足。具體地說，每個 不必是交叉布局。此外，每個m×m不需要利用兩個樹的組合實現的，在這兩個樹之間只有一條鏈路(如圖3b和4所示)。具體地說，通過增加鏈路的數目，利用2×2元件的基線布局得到最小的深度。更一般地說，代替以上的兩種設計，對于每個m×m布局可以利用中間設計。與圖10中經典的交叉布局比較，以上N×N布局的重要共同特征是，利用大大減小元件的數目，實現它們低損耗(深度)值和低串音值。
注意到，在圖12中的特定情況下，每個m×m部件包括2×1元件m×1的二進制樹，它們連接到1×2元件的1×m二進制樹，且每個 開關是1×2元件二進制樹和2×1元件二進制樹的交叉布局，圖13中的完整布局完全相當于圖1中利用每個基本部件一個二進制樹交叉布局得到的布局。所以，在此情況下，該布局有效地包括總數為6層二進制樹，如以上所指出的。
到此為止，我們假設圖13中有2m-1層，因為可以證明圖13中布局在廣義的無阻塞情況下所需要的最小層數。然而，在有冗余度的一般情況下，可以要求更大的數目p以增加可靠性。如以上所指出的，為了使該布局是無阻塞的，圖13中每個 必須是無阻塞的。以上假設從圖6中導出的布局，其優(yōu)點是它相同p層的模塊結構。
我們舉出例子作為這一節(jié)的結論。在以上N×N布局中，利用每個m×m開關中的2×2元件使深度最小。然而，如從圖2a和2b中可以看出，這種技術增加相繼各級之間的鏈路數目(m＝2時加倍)。在以下的例子中，我們假設大的N，并希望把各級之間的光纖連接數目減至最小。所以，我們不采用以上的技術。我們還把中心部件的數目從p＝2m-1增加到p＝2m，對于兩個端口之間的每個連接，保證總是可以有兩條不同的路徑可利用以增大冗余度。于是，對于N＝128和m＝8的情況，該布局包括32個8×16開關，隨后是16個16×16中心開關。現在元件的總數為15104，在以前情況下需要13664個元件。在中心級兩側的16×16光纖連接器總數為16個。總的深度為22，它相當于損耗小于5dB，其中假設每列的損耗小于0.2dB。附加的損耗是由各種連接引起的。每個開關需要一個連接。把輸入和輸出光纖連接包括在內，我們得到總數為7個連接。假設每個連接的損耗小于0.5dB，則總的損耗為8.5dB。
利用以下描述的簡單算法，串音分量的總數(對于特定的輸出端口，在最差的情況下為2級)是3個，而不是交叉布局中產生的1個。在以上的例子中，深度是2logN+logm+1，而不是2logN；寬度是 ，而不是N2。深度是從前到后的開關元件列數，即，從入口到出口，如圖1中的D所示。寬度是從上到下的中心級中開關元件數目，如圖2a中的W所示。
如以上所指出的，可能需要構造有最小波導交叉數目的m×(2m-1)開關。為了達到這個目的，利用圖14a的結構是很方便的。通過遞歸地構造這種結構，利用對稱的部件和非對稱的2×3部件，可以實現m×(2m-1)布局。在每種情況下，利用圖5中的2×2基本部件，圖9中的2×3基本部件，與圖7中的4×4基本部件的組合，把波導交叉數目減至最小。
串音圖10所示是典型的現有技術8×8交叉布局圖，其中僅畫出輸入端I1和輸出端O3，其他的輸入端和輸出端有類似的結構。一般的N×N交叉布局有N行和N列，形成正方形陣列或矩陣1001。我們把圖10中交叉布局的串音減至最小。這種布局是完全擴展的，所以，每條串音路徑至少包括兩個阻塞元件，其傳輸系數近似為0。因此，由于每個串音分量的“級次”是由阻塞元件的數目確定的，其級次至少是2。具體地說，對于N＝2，圖10中的布局簡化成圖5中的布局，其特征是每個輸出端口只有一個串音分量。利用以下描述的簡單算法，得到圖7中N＝4的相同結果。更一般地說，對于大的N，特定端口接收2級串音分量的概率漸近地為0。以上布局的另一個特征是具有最小的深度，由于以上的性質，它在許多應用中是最佳的布局。
N×N交叉布局(圖10中的類型)的特征是總數為N2條路徑，它確定中心平面上N2個點的正方形陣列。每行對應于特定的輸入端口，而每列對應于特定的輸出端口。若所有的輸入信號是激活的，則該布局的特征是正好有N條激活路徑和N2-N條空閑路徑。每條空閑路徑貢獻一個串音分量。它的路徑是從一條激活路徑的特定元件到另一條激活路徑的特定元件。由于傳輸是在空閑路徑的兩端被阻塞的，串音的級次至少為2。此處定義的級次是無阻塞元件的總數，對于空閑路徑其特征大致為零傳輸。注意到，每個輸出端口剛好接收N-1個串音分量，每個串音分量是由特定輸入信號和特定空閑路徑產生的。然而，一些空閑路徑包括多于兩個元件，所以，我們預期其中一些高于2級。的確，如以下所示，利用簡單的算法，以上N-1個串音分量中至多一個分量是2級。
注意到，僅有2個元件的所有空閑路徑一定是2級。我們用α表示它。此處我們僅關心其余的空閑路徑，我們用γ表示它。我們的目的是，利用至少一個中間元件阻塞這些路徑，使其中許多空閑路徑高于2級。注意到，相鄰于中心平面的元件安排成各組中4個2×2部件。還包括相鄰于2×2部件的元件，我們得到圖7中所示的4×4部件。該算法僅涉及這些部件。
首先，考慮包括2×2開關的中心級。每個開關是由4個元件和4條路徑構成的，如圖5和10所示。兩個元件是在中心平面的一側，其余兩個元件是在中心平面的另一側。因此，4條路徑在該平面上形成4個點的陣列。此處，若兩條輸入路徑是空閑的，則我們用4個元件中的一個元件阻塞每條路徑。這可以利用兩種方法完成，相當于我們此處的目的。在另一種情況下，若至少一條輸入路徑I1，I2是激活的，則設置開關在它的一種主要狀態(tài)，直行狀態(tài)或交叉狀態(tài)。于是，兩條路徑被阻塞，其余兩條路徑沒有阻塞。在此情況下，若輸入路徑都是激活的，則結果是兩條2級空閑路徑，我們用α表示。另一方面，若僅僅一條輸入路徑是激活的，則得到三條空閑路徑。其中兩條是阻塞的，它們的級次高于2級，而另一條路徑是空閑的，但未被阻塞，我們用γ表示。現在，α和γ的路徑總數剛好等于激活路徑的數目N。所以，我們得出結論，2級路徑的總數不大于N。我們還可以證明，以上的α和γ路徑有重要的性質，中心平面上的每行僅包括其中之的一，中心平面上的每列也是如此。所以，N條路徑是分離的。每個輸入信號對其中之一有貢獻，而每個輸出端口接收其中之一。
其次，考慮路徑γ，其級次尚待確定。這條路徑通過特定的4×4部件，它包括那個4×4部件中的輸入元件和輸出元件。為了使該路徑的級次大于2，它至少必須包括5個元件。若這個條件得到滿足，則以上一個元件是中間空閑元件，利用這個元件阻塞該路徑，其級次至少變成3級。由于各條γ路徑都是分離的，這個過程可以應用于所有這些路徑而不會發(fā)生沖突，最后的結果是，具有多于4個元件的所有γ路徑的級次都變成高于2級。注意到，對于N＝4，所有空閑路徑至多包括4個元件。在此情況下，沒有一條γ路徑可以被阻塞，2級路徑的數目剛好等于4。另一方面，對于大的N，我們發(fā)現，特定輸出端口接收2級串音分量的概率為1N-1+(2N-2)2]]>其中第一項是附加信號通過特定2×2部件的概率 ，其中輸出信號利用這個部件。
重要的結論是，對于經典的交叉布局，串音基本上與N無關。它完全是由中心部件產生的1級近似，所以，僅要求這些部件有大的消光比。
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權利要求
1.一種N×N無阻塞光開關，用于提供N個入口中任何一個入口與N個出口中任何一個出口之間的連接，其中N是整數，該N×N開關包括整數p個層，每層是由不同的N×N布局形成的；整數N個1×p輸入空間開關，N個輸入空間開關中每個開關的每個輸入端連接到N個入口中不同的一個入口，且每個輸入空間開關連接到所有各層；整數N個p×1輸出空間開關，N個輸出空間開關中每個開關的每個輸出端連接到N個出口中不同的一個出口，且每個輸出空間開關連接到所有各層；每層是由三級組成的，其中第1級和第3級是由m×m開關組成的，而第2級是由 無阻塞開關組成的；每個m×m開關能夠從它的m輸入端口中任何一個端口到它的m輸出端口中任何一個端口之間至少形成一條路徑，且第1級中每個m×m開關經第2級中一個特定開關連接到第3級中每個m×m開關；和層數p滿足p≥2m-1。
2.按照權利要求1的N×N開關，其中每個m×m開關包括2×1元件的m×1二進制樹，它們連接到1×2元件的1×m二進制樹。
3.按照權利要求1的N×N開關，其中每個m×m開關包括 個2×2元件，每個安排成logm列 元件。
4.按照權利要求1的N×N開關，其中每個 開關是1×2元件和2×1元件的二進制樹的交叉布局。
5.按照權利要求1的N×N開關，其中每個m×m開關包括2×1元件的m×1二進制樹，它們連接到1×2元件的1×m二進制樹，且其中每個 開關是1×2元件和2×1元件的二進制樹的交叉布局。
6.按照權利要求1的N×N開關，其中每個m×m開關和每個 開關是2×1元件和1×2元件的兩層二進制樹的交叉布局，且完整的布局包括總數為6層二進制樹，其中第一層和第二層形成第1級m×p開關，第三層和第四層形成第2級 開關，和第五層和第六層形成第3級p×m開關。
7.一種N×N無阻塞光開關，用于提供N個入口中任何一個入口與N個出口中任何一個出口之間的連接，其中N是整數，該N×N開關包括第三級分別包括m×p開關， 開關，和p×m開關，其中m是N的整數除數，而p是滿足p≥2m-1的整數；每級包括兩層1×2元件或2×1元件形成的樹；N×N開關包括總數為6層樹；每個偶數層樹是由1×2元件形成的，因此，每個樹有一個輸入端口，它是由樹根處的1×2元件形成的，且有對應于樹葉的1×2元件形成的許多輸出端口；每個奇數層樹是由2×1元件形成的，因此，每個樹有對應于樹根的一個輸出端口和有對應于樹葉的許多輸入端口；輸入級包括m×p開關，它包括第一層和第二層二進制樹，第一層中每個樹有連接到N個入口中不同一個入口的輸入端口和有連接到第二層樹中不同樹的每個輸出端口，第二層樹中每個輸出端口連接到中心級中不同的一個樹；中心級包括 開關，它包括第三層和第四層二進制樹，第三層中每個樹有連接到第四層樹中不同一個樹的每個輸出端口，第四層樹中每個輸出端口連接到輸出級中不同的一個樹；和輸出級包括p×m開關，它包括第五層和第六層二進制樹，第五層中每個樹有連接到第六層樹中不同一個樹的每個輸出端口，第六層樹中每個輸出端口連接到N個出口中不同的一個出口。
8.按照權利要求7的N×N開關，其中輸入級包括多個2×3開關部件，每個開關部件的特征是一個波導交叉。
9.按照權利要求7的N×N開關，其中輸出級包括多個3×2開關部件，每個開關部件的特征是一個波導交叉。
10.按照權利要求7的N×N開關，其中在輸入級與中心級之間以及中心級與輸出級之間的連接結點處，直接地連接到該連接結點處1×2開關的每個2×1開關組合是利用2×2開關代替的。
11.按照權利要求7的N×N開關，其中m≥4和在輸入級與中心級之間以及中心級與輸出級之間的連接結點處，直接地連接到1×4開關的每個4×1開關組合是利用包括兩列2×2開關的4×4開關代替的。
12.按照權利要求7的N×N開關，其中m≥3和在輸入級與中心級之間以及中心級與輸出級之間的連接結點處，直接地連接到1×3開關的每個3×1開關組合是利用包括兩列開關元件的3×3開關代替的。
13.按照權利要求7的N×N開關，其中輸入級包括多個，N/m個，m×p輸入開關，每個m×p輸入開關的每個輸入端連接到N個入口中不同的一個入口，其中m是N的整數除數，而p是滿足p≥2m-1的整數；輸出級包括多個，N/m個，p×m輸出開關，每個p×m輸出開關的每個輸出端連接到N個出口中不同的一個出口；和中心級包括多個，p個，N/m×N/m中心開關，其中每個N/m×N/m中心開關的N/m個輸入端連接到不同的m×p輸入開關，且每個N/m×N/m中心開關的N/m個輸出端連接到不同的p×m輸出開關。
14.按照權利要求7的N×N開關，其中開關深度是2logN+logm+1。
15.按照權利要求7的N×N開關，其中開關寬度是 。
全文摘要
一種適合于大N的擴展N×N光交叉互連開關,在不顯著增加深度(低損耗)和串音的條件下展示高的效率(元件數目少)。本發(fā)明包括6層1×2元件和2×1元件的二進制樹。第一層和第二層形成輸入級,第三層和第四層形成中心級,第五層和第六層形成輸出級。在每個輸入級,中心級,和輸出級中,奇數層是由1×2元件的二進制樹形成的,而偶數層是由2×1元件的二進制樹形成的。每級是由1×2元件二進制樹與2×1元件二進制樹直接地結合在一起形成的。在一個實施例中,利用位于相鄰各級之間每個結點附近一個或多個2×2元件的對稱布局,可以大大地減小深度。該布局的另一個特征是,利用Clos類型結構可以得到更小的深度。
文檔編號H04L12/56GK1348270SQ01135418
公開日2002年5月8日 申請日期2001年10月12日 優(yōu)先權日2000年10月13日
發(fā)明者科拉杜·皮爾特羅·德拉貢 申請人:朗迅科技公司