一種光開關(guān)矩陣及其路由控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子及光通信元件，具體涉及一種光開關(guān)矩陣及其路由控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光通信系統(tǒng)的快速發(fā)展和密集波分復(fù)用技術(shù)的提出，光開關(guān)矩陣成為光通信 領(lǐng)域一個至關(guān)重要的元件，可以按照要求將一個通道上的光路轉(zhuǎn)換到另一個光路。因此，光 開關(guān)矩陣具有解決線路沖突，損壞通道修復(fù)和路由交換等功能。現(xiàn)有的光開關(guān)矩陣種類有 很多，例如微機(jī)電光開關(guān)、熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、全息光開關(guān)等。因?yàn)椴▽?dǎo)光開關(guān)具有無移 動部件，穩(wěn)定度高、傳輸損耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)建光開關(guān)矩陣時，受到了極大的重視 和研究。
[0003] 現(xiàn)有的波導(dǎo)光開關(guān)矩陣有兩種：其一，利用2種類型的馬赫增德爾干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer，MZI)構(gòu)建光開關(guān)矩陣，但是此種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于 結(jié)構(gòu)的不對稱性，因此只能實(shí)現(xiàn)單方向的多播功能；其使用兩種類型的光開關(guān)，未能給出一 種可以計算交換方式的算法。其二，一些利用同種類型馬赫增德爾干涉儀（MZI)結(jié)構(gòu)或者 其它同種類型元件構(gòu)成的光開關(guān)矩陣，其結(jié)構(gòu)只能完成一種相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)直通或者交叉 功能，即實(shí)現(xiàn)單播形式，不能完成多播類型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種光開關(guān)矩陣，同時提供其路由控制方法，解決現(xiàn)有波導(dǎo)光開關(guān)矩 陣不能實(shí)現(xiàn)多播功能，或者使用多個不同類型的MZI具有結(jié)構(gòu)的不對稱性，不能實(shí)現(xiàn)雙向 無阻塞傳輸并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
[0005] 本發(fā)明所提供的一種NXN光開關(guān)矩陣，由NXN個馬赫增德爾干涉儀通過單模波 導(dǎo)連接構(gòu)成，N多2,其特征在于：
[0006] 所述馬赫增德爾干涉儀包括第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、前段金屬薄膜、后段金屬薄膜， 所述第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)平行設(shè)置，自前而后依次形成前端3dB耦合器、后端3dB耦合器， 所述第一波導(dǎo)位于前端3dB耦合器和后端3dB耦合器之間的部分依次包裹前段金屬薄膜、 后段金屬薄膜，構(gòu)成馬赫增德爾干涉儀；第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)的首端分別作為馬赫增德爾干 涉儀的a輸入端、b輸入端，第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)的尾端分別作為馬赫增德爾干涉儀的c輸 出端、d輸出端；
[0007] 前段金屬薄膜、后段金屬薄膜在第一波導(dǎo)上包裹長度相等，厚度相同，因此在施加 相同電壓的情況下，前段金屬薄膜、后段金屬薄膜區(qū)域引起的光相位的變化一樣；
[0008] NXN個馬赫增德爾干涉儀構(gòu)成N行N列的NXN光開關(guān)矩陣，連接方式為：
[0009] (1)當(dāng)N為奇數(shù)時，
[0010] j 彡（N-l)/2 時，
[0011]

[0026] 上述各表達(dá)式中，"="號表示互相連接，a# b^、Cl j、牝分別表示光開關(guān)矩陣中第 i行第j列的馬赫增德爾干涉儀的a輸入端、b輸入端、c輸出端、d輸出端，行序號i = 1、 2、"'N，列序號 j = l、2、"·、Ν。
[0027] 所述ΝΧΝ光開關(guān)矩陣的路由控制方法，其特征在于，包括下述步驟：
[0028] 步驟一、給出單個馬赫增德爾干涉儀ΜΖΙ的矩陣表達(dá)式：
4俞出 接口矩陣
，i為光開關(guān)矩陣的行序號，i = 1、2…Ν ;，j是光開關(guān)矩陣的 列序號，j = 1、2…N ;
[0029] A。、By取值為1或0, 巧分別表示對A。、By取反；
[0030] ~、1^、(^、(^分別表示光開關(guān)矩陣中第1行、第」列的馬赫增德爾干涉儀的3輸 入端、b輸入端、C輸出端、d輸出端；
[0031] 步驟二、計算傳輸矩陣 S，S = ENF(N 1ΜΝ 1}ΕΝ
[0032] 其中Ej為第j級節(jié)點(diǎn)矩陣，互連矩陣F 為第j級節(jié)點(diǎn)矩陣和第j+1級節(jié)點(diǎn)矩陣 間的連接矩陣;m為各級節(jié)點(diǎn)矩陣、互連矩陣以及傳輸矩陣S中矩陣單元的行序號，m= 1， 2…，2N，η為矩陣單元的列序號，η = 1，2···，2N ;
[0034] ΕΛ 2Ν行Ν列矩陣，E i的第m = 2i-l行、n = i列的元素為A u，第m = 2i行、η =i列的元素為Bu，代表光開關(guān)矩陣中第i行、第1列的ΜΖΙ ;矩陣中空格元素為0 ;
[0036] Ε,為2N行2N列矩陣，E ^的第m = 2i-l行、η = 2i-l列的元素為A u，第m = 2i-l 行、n = 2i列的元素為m = 2i行、n = 2i-l列的元素為Byiii = 2i行、n = 2i列元素 為K，代表光開關(guān)矩陣中第i行、第j列的MZI，j辛1、N ;矩陣中空格元素為0 ;
[0038] EA N行2N列矩陣。E N的第m = i行、n = 2i-l列的元素為A i.j，第m = i行、η =2i列的元素為i，代表光開關(guān)矩陣第i行、第Ν列的ΜΖΙ ;矩陣中空格元素為0 ;
[0039] 對于互連矩陣Fj j:
[0040] (1)當(dāng)N為奇數(shù)時，
[0042] 當(dāng)m < N，第m行、第n = 2m-l列的元素為1 ;當(dāng)m>N時，第m行、第n = 2m-2N列 的元素為1 ;矩陣中空格元素為0 ;
[0044] 當(dāng)m為奇數(shù)時，第m行，第η = (m+l)/2列的元素為1 ;當(dāng)m為偶數(shù)時，第m行，第η =N+m/2列元素為1 ;矩陣中空格元素為0 ;
[0045] (2)當(dāng)N為偶數(shù)時，
[0047] 當(dāng)m < N，第m行、第n = 2m-l列的元素為1 ;當(dāng)m>N時，第m行、第n = 2m-2N列 的元素為1 ;矩陣中空格元素為0 ;
[0050] 當(dāng)m為奇數(shù)時，第m行，第n = (m+l)/2列的元素為1 ;當(dāng)m為偶數(shù)時，第m行，第η =N+m/2列元素為1 ;矩陣中空格元素為0 ;
[0051] 將各級節(jié)點(diǎn)矩陣和互連矩陣代入傳輸矩陣S中：
[0053] S為NXN階矩陣，Snin是傳輸矩陣S中第m行、η列的矩陣單元，也是關(guān)于A i ,表 達(dá)式；
[0054] 步驟三、將傳輸矩陣S代入下式：
[0055] (c1nC2n^.. ciN... c剛）T - S X (ε?η^^ι^.. ￡^廣.aNi) T，
[0056] au為光開關(guān)矩陣第i行、第1列MZI的a輸入端；c lN為光開關(guān)矩陣第i行、第N列 MZI 的 c 輸出端，i = 1，2···Ν，
[0057] 求得 clN= snlXa11+sn2Xa21+...s nnXall...+snNXaN1，
[0058] m的值與c輸出端的角標(biāo)i的值相同，η的值與a輸入端的角標(biāo)i的值相同；
[0059] 根據(jù)要求的傳輸路徑，即哪個au輸入端的信號從哪個c lN輸出端輸出，對應(yīng)系數(shù) sm為1，否則為0,確定傳輸矩陣S每個矩陣單元s m的值；即可求出每個A By的值，從而 確定
[0060] 即光開關(guān)矩陣單個馬赫增德爾干涉儀的控制狀態(tài)。
[0061] 本發(fā)明首先優(yōu)化了現(xiàn)有MZI的結(jié)構(gòu)，并由此MZI通過單模波導(dǎo)連接，構(gòu)成NXN光 開關(guān)矩陣，此NXN光開關(guān)矩陣不僅可以實(shí)現(xiàn)光信號從一路轉(zhuǎn)換到另一路的單播，也可以實(shí) 現(xiàn)從一路轉(zhuǎn)換到另外幾路傳輸?shù)亩嗖ツＪ?，由于光開關(guān)矩陣的對稱性，還可以實(shí)現(xiàn)輸入與 輸出端口的對換，即輸出端口也可以實(shí)現(xiàn)對輸入端口的單播和多播輸出，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，結(jié) 構(gòu)上少了一級矩陣，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且具有無阻塞性能。同時，給出了這種NXN光開 關(guān)矩陣的路由控制方法，給出單個MZI的矩陣表達(dá)式，計算傳輸矩陣S，根據(jù)要求的傳輸路 徑，確定傳輸矩陣S中每個矩陣單元的值，從而確定單個馬赫增德爾干涉儀的控制狀態(tài)，僅 用一個傳輸矩陣即可計算單播和多播的路由控制信息。
【附圖說明】
[0062] 圖1為本發(fā)明的MZI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063] 圖2⑷為本發(fā)明MZI直通功能示意圖；
[0064] 圖2 (B)本發(fā)明MZI交叉功能示意圖；
[0065] 圖2 (C)本發(fā)明MZI上路多播功能示意圖；
[0066] 圖2(D)本發(fā)明MZI下路多播功能示意圖；
[0067] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的4X4光開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)示意圖；
[0068] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的1 :3多播的傳輸路徑示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步描述。
[0070] 本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種4X4光開關(guān)矩陣，由4X4