擴(kuò)張型benes光交換集成芯片路由算法

1、擴(kuò)張型擴(kuò)張型Benes光交換集成芯片路由算法光交換集成芯片路由算法張金花，武保劍張金花，武保劍，邱，邱昆（電子科技大學(xué)（電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都信息與通信工程學(xué)院，光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都611731）摘要：摘要：以“基于微環(huán)諧振器的1616高速光交換集成芯片”863項(xiàng)目為背景，介紹了光交換集成芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成，以及重排無阻塞的傳統(tǒng)型和擴(kuò)張型Benes光交換集成芯片結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了

2、相應(yīng)環(huán)路路由算法的具體執(zhí)行過程。提出一種層級(jí)優(yōu)化的環(huán)路路由算法，并通過窮舉法證明了其有效性，其中算法的權(quán)值系數(shù)與光開關(guān)插入損耗相聯(lián)系。針對(duì)本文給定的交換連接需求情形，采用層級(jí)優(yōu)化的路由算法，得到了其最佳配置狀態(tài)。研究表明：擴(kuò)張型Benes結(jié)構(gòu)具有很好的串?dāng)_抑制性能，容錯(cuò)能力強(qiáng)，但其插入損耗比傳統(tǒng)型Benes結(jié)構(gòu)略有增加。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：光交換集成芯片；Benes交換網(wǎng)絡(luò)；環(huán)路路由算法中圖分類號(hào)：號(hào)：TN256文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A開放科學(xué)（資源

3、服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：RoutingalgithmofdilatedBenesopticalswitchingintegratedchipZHANGJinhuaWUBaojianQIUKun(KeyLabatyofOpticalFiberSensingCommunicationMinistryofEducationSchoolofInfmationCommunicationEngineeringUniversityofElectro

4、nicScienceTechnologyofChinaChengdu611731China)Abstract:Basedonthe863project“1616highspeedopticalswitchingintegratedchipbasedonmicroringresonat”theexperimentalsystemofopticalswitchingintegratedchipbasedontherearrangeablen

5、onblockingstructureoftraditionaldilatedBeneswkisintroduced.Thespecificoperatingprocessofthecrespondinglooproutingalgithmsisdescribedindetail.Thispaperpresentsahierarchicallyoptimizedlooproutingalgithmwiththeweightcoeffic

6、ientrelatedtotheionlossofopticalswitchcellverifiesitseffectivenessbytheexhaustivemethod.ItisshownthatthedilatedBenesstructurehasagoodperfmanceincrosstalksuppressionalongwithstrongfaulttolerancebuttheionlossisslightlyincr

7、easedcomparedwiththetraditionalBenesstructure.Keywds:opticalswitchingintegratedchipBenesswitchingwklooproutingalgithm0引言引言光交換集成芯片是指在微納尺度內(nèi)、利用集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光交換功能的芯片器件，光交換功能可使光信號(hào)從一個(gè)信道選擇性地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道。與傳統(tǒng)光交換器件相比，光交換集成芯片能夠有效降低交換節(jié)點(diǎn)功耗、體

8、積和成本，也有助于提高交換容量、增強(qiáng)器件可靠性。集成光開關(guān)是構(gòu)成光交換集成芯片的基本單元，常見的集成光開關(guān)單元結(jié)構(gòu)有定向耦合器型、MZI或微環(huán)干涉型、多模干涉型、全內(nèi)反射型和數(shù)字型等[12]。光開關(guān)的切換功能離不開光波導(dǎo)材料的熱光、電光和載流子色散等物理效應(yīng)，制作集成光開關(guān)的光波導(dǎo)材料主要有LiNbO3、IIIV族化合物半導(dǎo)體（如InP、GaAs）、SiO2和硅等，其中基于IIIV族化合物半導(dǎo)體和硅材料的高速光交換集成器件是目前研究的熱

9、點(diǎn)[34]。一般而言，光交換集成芯片由輸入輸出光耦合接口、光開關(guān)矩陣以及控制單元等幾部分組成，其中光開關(guān)矩陣是由光開關(guān)單元組成的交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如嚴(yán)格無阻塞的直通型和樹型結(jié)構(gòu)、重排無阻塞的拜尼茲型（Benes）和斯番克拜尼茲型（SpankeBenes）結(jié)構(gòu)等[59]。因此，采用12或22光開關(guān)單元組成大規(guī)模光交換集成芯片時(shí)，光開關(guān)單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一一一一一S11S21S31S41S51S61S71S81S12S22S32S42S52S62S

10、72S82S13S23S33S43S53S63S73S83S14S24S34S44S54S64S74S84S15S25S35S45S55S65S75S85S16S26S36S46S56S66S76S86S17S27S37S47S57S67S77S87一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1234567891011121314151612345678910111213141516圖21616傳統(tǒng)型Benes光交換結(jié)構(gòu)對(duì)于圖2所示的由七

11、級(jí)光開關(guān)組成的1616傳統(tǒng)型Benes結(jié)構(gòu)，可采用基于2t可重排交換網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路路由算法[21]，在輸入端口和輸出端口之間建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中同一2?2光開關(guān)單元的兩個(gè)輸入信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)同一個(gè)輸出端口。事實(shí)上，通路上開關(guān)單元交叉態(tài)或平行態(tài)（2?2光開關(guān)的兩種狀態(tài)）的不同，也影響芯片的串?dāng)_和插入損耗等性能。實(shí)驗(yàn)中我們采用改進(jìn)的環(huán)路算法，具體的改進(jìn)過程將結(jié)合擴(kuò)張型Benes結(jié)構(gòu)加以說明。下面針對(duì)1616傳統(tǒng)型Benes結(jié)構(gòu)描述環(huán)路路由算法

12、的基本思想：首先確定邊緣級(jí)（如第一級(jí)和第七級(jí)）開關(guān)的狀態(tài)，再確定內(nèi)部次級(jí)（如第二級(jí)和第六級(jí)）開關(guān)的狀態(tài)，依次類推，直到所有開關(guān)狀態(tài)都確定。以Input=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，Output=8，13，7，9，1，2，16，5，11，10，15，3，14，4，6，12為例，描述環(huán)路路由算法的具體實(shí)施過程。首先，假設(shè)第一級(jí)的第1個(gè)開關(guān)S11為平行態(tài)，根據(jù)Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從第一級(jí)中

13、輸入端口1輸入的光信號(hào)經(jīng)“上”子網(wǎng)絡(luò)連接至對(duì)應(yīng)開關(guān)S47（交叉態(tài)）的輸出端口8，即完成交換需求I1?O8；然后，與同一開關(guān)S47的輸出端口7對(duì)應(yīng)的交換需求是I3?O7，輸出端口7應(yīng)從“下”子網(wǎng)絡(luò)連接至輸入端口3，對(duì)應(yīng)的開關(guān)S12應(yīng)為交叉態(tài)，則開關(guān)S12另一輸入端口4應(yīng)從“上”子網(wǎng)絡(luò)連接至處于平行態(tài)的開關(guān)S57，這樣才能滿足交換需求I4?O9；依次類推，并由此形成了第一個(gè)環(huán)路。接下來，從第一級(jí)中任選一個(gè)未遍歷的開關(guān)開始，按照第一個(gè)環(huán)路路由

14、的過程進(jìn)行所有未遍歷開關(guān)狀態(tài)的配置，由此形成第二個(gè)環(huán)路，第二個(gè)環(huán)路與第一個(gè)環(huán)路相互獨(dú)立，且此時(shí)第一級(jí)和第七級(jí)的所有開關(guān)均已遍歷完。第一級(jí)和第七級(jí)開關(guān)的對(duì)應(yīng)狀態(tài)如圖3所示。下一步的任務(wù)是通過第二級(jí)和第六級(jí)之間的兩個(gè)88開關(guān)陣列建立連接路徑，并確定第二級(jí)和第六級(jí)的開關(guān)狀態(tài)。最終確定的所有光開關(guān)狀態(tài)如圖4所示。1234567891011121314151612345678910111213141516S11S21S31S41S51S61S71