集成高基数非阻塞光交换结构

摘要

本文描述的技术一般涉及集成高基数严格非阻塞光交换结构，其可用于数据中心中的机架内通信。该结构可以配置有任意数量的端口。本文描述了该光交换结构的一般拓扑结构，以及路由控制器(例如，算法/机构)。该光交换结构架构在高性能、高带宽、高度鲁棒的交换结构中能提供严格非阻塞路由，并具有低功耗和低延迟的优势。

权利要求

1.一种包括严格非阻塞光电路交换结构和路由控制器的系统，包括：严格非阻塞光电路交换结构，其包括多个环路和集群，其中所述集群中的每个集群包含输入模块、输出模块和光交换元件，并且其中每个集群的输入模块能够通过所述多个环路中的至少一个环路被耦接至所述集群中的每个其他集群的输出模块；和路由控制器，其被配置为控制一个集群的源输入模块的开启状态和关闭状态、另一个集群的目的输出模块和光交换元件，以建立从源输入模块到目的输出模块的光信号路径，其中所述路由控制器被进一步配置为，基于所述严格非阻塞光电路交换结构的端口总数和相对于目的输出模块的目的位置的源输入模块的源位置：确定从源输入模块到目的输出模块的所述多个环路中的选定环路，基于选定环路开启源输入模块或开启目的输出模块，以及控制所述光交换元件中的在选定环路上的每个光交换元件的开启状态或关闭状态，以建立光信号路径。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个环路包括内环路和外环路。

3.根据权利要求2所述的系统，其中从源输入模块到目的输出模块的光信号路径经由一个旋转方向上的内环路之一被路由，或者经由相反旋转方向上的外环路之一被路由。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述路由控制器被配置为控制另一个集群的另一个输入模块和不同的其他群集的另一个输出模块和其他光交换元件的各自的开启状态和关闭状态，以建立在其他集群的其他输入模块和不同的其他集群的其他输出模块之间的另一个至少部分同步的光信号路径。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述源输入模块包括将光耦接到波导中的光学引脚。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述目的输出模块包括光学引脚，所述光学引脚接收来自波导的光并将光耦接到一个或多个光纤中。

7.根据权利要求1所述的系统，其中至少一些光交换元件包含微谐振器，或者其中至少一些光交换元件包含马赫‑曾德尔干涉仪，或者其中至少一些光交换元件包含微谐振器并且其中至少一些光交换元件包含马赫‑曾德尔干涉仪。

8.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个光交换元件包含耦合谐振器光波导。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述光交换元件中的一个光交换元件包括微谐振器组，所述微谐振器组包括微谐振器，且其中所述微谐振器中的每个微谐振器具有不同的谐振波长。

10.根据权利要求1所述的系统，其中相对于目的输出模块的目的位置的源输入模块的源位置是基于集群在一个旋转方向上的顺序编号。

11.根据权利要求1所述的系统，其中在集群内，输入模块的相对位置在输出模块的右边，或输入模块的相对位置在输出模块的左边、或输入模块的相对位置在输出模块的上边、或输入模块的相对位置在输出模块的下边。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述路由控制器被进一步配置为访问数据结构以确定下列各项中的至少一项：从源输入模块到目的输出模块的选定环路，基于选定环路是开启源输入模块还是开启目的输出模块，或者是否控制所述光交换元件中的在选定环路上的每个光交换元件的各自的开启状态或各自的关闭状态。

13.一种应用于严格非阻塞光电路交换结构和路由控制器的方法，包括：通过耦接到严格非阻塞光电路交换结构的路由控制器来接收包括源光学块和目的光学块的输入，所述输入要求将源输入模块耦接到目的输出模块来提供一条光信号路径；和通过所述路由控制器来建立从源输入模块到目的输出模块的光信号路径包括：基于所述严格非阻塞光电路交换结构的端口总数和相对于目的输出模块的第二位置的源输入模块的第一位置，来确定：

选定环路，

是开启源输入模块还是开启目的输出模块，和选定环路上每个光交换元件的各自的开启状态或者各自的关闭状态。

14.根据权利要求13所述的方法，其中接收所述输入包含接收端口的总数。

15.根据权利要求13所述的方法，其中确定每个光交换元件各自的开启状态或者各自的关闭状态包括：将每个光交换元件控制为各自的关闭状态，或者将一个光交换元件控制为各自的开启状态并且将每个其他光交换元件控制为各自的关闭状态。

16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：通过所述路由控制器来至少部分同时地建立在不同源输入模块和不同目的输出模块之间的不同光信号路径。

17.一种机器可读存储介质，包括可执行指令，当由严格非阻塞集成光交换结构的路由机构执行时，所述可执行指令促使操作被执行，所述操作包括：基于所述严格非阻塞集成光交换结构的端口总数、代表源输入模块的第一值和代表目的输出模块的第二值，来确定源输入模块是否能够经由所述严格非阻塞集成光交换结构的内环路或者外环路路由到目的输出模块；

响应于源输入模块被确定为能够经由内环路路由到目的输出模块，根据端口总数、第一值和第二值，来确定源输入模块的第一开启状态或第一关闭状态、目的输出模块的第二开启状态或第二关闭状态以及内环路中相应路由路径上的第一组光交换元件的各自的第三开启状态或第三关闭切换状态；

响应于源输入模块被确定为能够经由外环路被路由到目的输出模块，根据端口总数、第一值和第二值，来确定源输入模块的第一开启状态或第一关闭状态、目的输出模块的第二开启状态或第二关闭状态以及外环路中相应路由路径上的第二组光交换元件的各自的第四开启状态或第四关闭切换状态；和输出与第一开启状态或第一关闭状态和第二开启状态或第二关闭状态以及各自的第三开启状态和第三关闭状态或各自的第四开启状态和第四关闭状态相对应的控制信号，以将光信号从源输入模块路由到目的输出模块。

18.根据权利要求17所述的机器可读存储介质，其中，所述操作还包括：接收表示源输入模块的第一值和表示目的输出模块的第二值。

19.根据权利要求17所述的机器可读存储介质，其中所述控制信号是第一控制信号，并且其中所述操作还包括：输出第二甚至更多控制信号以至少部分同时地将其他光信号从不同源输入模块路由到另一个不同目的输出模块。

20.根据权利要求17所述的机器可读存储介质，该存储介质上载有用于确定第一开启状态或第一关闭状态、第二开启状态或第二关闭状态、各自的第三开启状态和第三关闭状态或各自的第四开启状态或第四关闭状态中的至少一个的访问数据结构体。

说明书

集成高基数非阻塞光交换结构

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求在2016年4月1日提交的题为“INTEGRATED HIGH‑RADIX NON‑BLOCKING OPTICAL SWITCHING FABRIC”的美国临时申请号62/390,529的优先权，该美国临时申请的
全部内容通过引用合并在此。

技术领域

[0003] 本公开一般涉及光交换，该光交换包含用于数据中心机架内的互连。

背景技术

[0004] 基于例如用于云计算中的数据中心的数据服务、大数据分析和社交网络服务环境在计算中正变得广为人知。为了运营这样的数据中心，强大的服务器需要以在它们之间提
供信息的高速交换的方式互连。

[0005] 这些互连，包括用于服务器之间的架构内互连，普遍要求采用相对高的带宽和高能效的交换结构。这样的交换结构通常是能支持数十甚至数百个互连端口的高基数交换结
构。

[0006] 传统的电气交换机由于它们具有相对大的延迟和功耗正达到这种交换结构的可用性极限。被广泛研究的硅光子设备由于它们在光互连中的高数据传输性和低功耗性，使
得其用于交换结构具有很大的优势和潜力。

[0007] 然而，许多已知的光交换结构拓扑/构架要么是阻塞结构要么是可重排的非阻塞结构，与严格非阻塞结构相比，遭受更大的延迟(其中严格非阻塞指的是同时使用从任何输
入端口到任何输出端口的能力)。目前已有的一些非阻塞光交换结构的损耗相当大，使其不
能用作高基数光交换结构。尽管在光链路中使用中继器来减少这些结构中的损耗是可行
的，但是中继器会增加系统能耗并且对系统有其他的负面影响，包括由于光‑电‑光转换引
起的额外的时延，以及使得芯片制造更加困难等。

发明内容

[0008] 提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些代表性的构思，这些构思将在下面的具体实施方式中进一步详细描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征
或必要特征，也不旨在被用于以任何方式限制所要求保护的主题的范围。

[0009] 简要地，本文描述的技术的一个或多个方面涉及通过耦接到严格非阻塞光电路交换结构的路由控制器，来接收包括源光学块和目的光学块的输入，该输入要求源输入模块
耦接到目的输出模块以提供光信号路径。各方面包括通过路由控制器建立从源输入模块到
目的输出模块的光信号路径，包括基于严格非阻塞光电路交换结构的端口总数和相对于第
二位置的目的输出模块的第一位置的源输入模块，来确定选定环路、是开启源输入模块还
是开启目的输出模块、以及在选定的环路上的每个光交换元件的相应开启状态或相应关闭
状态。

[0010] 从以下结合附图的详细描述中，其他优势将变得显而易见。

附图说明

[0011] 本文描述的技术通过示例的方式说明，并且不限于附图，在附图中相似的附图标记指示相似的元件，并且其中：

[0012] 图1是根据一个或多个示例实施方式的非阻塞集成光交换结构的示例方框图表示，该非阻塞集成光交换结构被用于机架顶部交换机以将服务器机架中的服务器互连。

[0013] 图2是根据一个或多个示例实施方式的非阻塞集成光交换结构的6端口光交换结构的拓扑的示例表示。

[0014] 图3是根据一个或多个示例实施方式的光交换元件的示例方框图表示。

[0015] 图4和图5是根据一个或多个示例实施方式的光输入模块的示例方框图表示。

[0016] 图6和图7是根据一个或多个示例实施方式的光输出模块的示例方框图表示。

[0017] 图8是根据一个或多个示例实施方式的使用单个微谐振器作为光交换元件来建立路径的非阻塞集成光交换结构的8端口光网络的拓扑的示例表示。

[0018] 图9和图10是微谐振器组的谐振关闭状态(图9)和谐振开启状态(图10)的示例性表示。

[0019] 图11是根据一个或多个示例实施方式的使用一个或多个微谐振器作为光交换元件并且示出插入集群以增加端口数量的非阻塞集成光交换结构的8端口光网络的拓扑的示
例表示。

[0020] 图12是根据一个或多个示例实施方式的非阻塞集成光交换结构的12端口光网络的拓扑的示例表示，该示例示出了集群的插入和增加光交换元件以增加端口数量。

[0021] 图13是根据一个或多个示例实施方式的使用一个或多个微谐振器作为光交换元件并且示出端口编号方案的非阻塞集成光交换结构的N端口光网络的拓扑的示例表示。

[0022] 图14和15包括根据一个或多个示例实施方式的涉及路由控制器在非阻塞集成光交换结构中建立路径的操作的流程图。

[0023] 图16是根据一个或多个示例实施方式的路由控制器访问保存的信息以在非阻塞集成光交换结构中建立路径的表示。

具体实施方式

[0024] 本文描述的技术的各个方面一般涉及集成高基数严格非阻塞光交换结构，其可配置有任意(可行的)数量的端口，例如用于数据中心的机架内。该技术提供了一般的拓扑，其
同路由控制器(例如，算法/机构)一道，产生光交换结构架构，该架构对于提供所需数量的
端口是可扩展的。通常，该技术(相对于其他技术)通过实现双向路由显著地减少了光信号
需要通过的光学设备。应当理解，该技术的高性能、低功率互连使得数十个甚至上百个节点
之间的超高带宽和低延迟的机架内通信具有低功耗、低损耗和高鲁棒性。

[0025] 应当理解，本文中的任何例子都是非限制性的。例如，光交换结构的实现可以显示为并入与服务器机架互连的机架顶部交换机中，但这仅是一个有益的用途；实际上，光交换
结构既不限于机架顶部交换机也不限于服务器互连。作为另一示例，本文示例了包括两个
纵横制(crossbar‑like)环路(一个内环路和一个外环路)的各种光学电路，但是具有多于
两个和/或不同(例如，堆叠)配置的光学电路可以从本文描述的技术中获益并且包含于本
文描述的技术中。同样地，本文描述的技术不限于任何特定实施方式，实施例，方面，构思，
结构，功能或本文描述的示例。相反，本文描述的任何实施方式，实施例，方面，构思，结构，
功能或本文描述的示例都是非限制性的，并且该技术可以以各种方式使用，这些方式通常
提供交换构思的益处和优势。

[0026] 图1展示了一个一般例子：服务器S1至服务器Sm的机架，其中服务器S1至Sm经由机架顶部交换机102互连。机架顶部交换机102包括如本文所述的非阻塞集成光交换结构104
和路由控制器106。应当理解，尽管通常如图1所示路由控制器106是单独的，但是路由控制
器106可以被认为是非阻塞集成光交换结构104的一部分，如同虚线框108所示；例如，两者
可以被一起组装例如在单个芯片里面。可替换地，路由控制器106可以以任何合适的方式耦
接至光交换结构104。

[0027] 图2示例了包括光网络218和路由控制器106的6端口光交换结构216。在图2中，有与六个端口相对应的6个集群220至225(由虚线矩形表示)，其中每个集群包含输入模块(用
标有“I”的正方形表示)、输出模块(用标有“O”的正方形表示)和多个光交换元件(用没有标
记的正方形表示)。通常，这些组件中的相关组件通过波导彼此连接。

[0028] 光交换元件可以包括2x2光学开关，输入模块可以包括1x2光交换元件和光学引脚(例如，光栅耦合器，镜子，棱镜等)，且输出模块可能包含2x1光交换元件和光学引脚。更具
体地，每对输入模块和输出模块在径向方向上与多个光交换元件相连，这些光交换元件被
称为该输入输出对的光交换元件，这些光交换元件及该输入输出对合称一个输入输出集
群。例如，在图2中，输入输出集群220包括输入输出对(输入模块1030，输出模块1031)和被
标记为1033至1035的光交换元件；(注意：为了清晰的目的，对其他集群221至225，不是所有
的输入模块、输出模块和光交换元件都被分别标注)。

[0029] 如图2的虚斜线所示，路由控制器106控制每一个输入模块、输出模块和光交换元件的开启状态和关闭状态。尽管为了展示清楚，虚斜线仅仅显示了从路由控制器106至集群
223的输入模块、输出模块和光交换元件，但是可以理解路由控制器106同样地控制其他的
每个输入模块、输出模块和光交换元件的开启状态和关闭状态。通过适当地开启或者关闭
这些功能块，来自不同输入端的光信号能同时路由到不同的输出端。

[0030] 在一个或多个实施方式中，光网络包含两个纵横制环路，输入端口和输出端口位于这两个纵横制环路之间。当从图2的角度去看时，来自任何输入模块的光学信号能够通过
顺时针的内部环路路由至一半的输出模块，并通过逆时针的外部环路路由至另一半输出模
块。但要注意，术语“一半”并不精确，因为输入模块没有耦接到其自己配对的输出模块；换
而言之，不支持U形转弯(U‑turn)，因为通过交换结构交换节点内部的信息是没有意义的。
注意到除了关于内环路上和外环路上的最长路径之外，通过路由控制器106的信号路由需
要在每条路径上最多开启一个光交换元件，同时开启输入模块或者输出模块。

[0031] 因此，在6端口交换结构中，任何被称为“源”输入模块的输入模块可以通过路由控制器106被耦接到“目的”输出模块，其中目的输出模块是其他五个可能输出模块(即，除了
源输入模块自己配对的输出模块以外的输出模块)中的一个。例如，来自源输入模块1030的
光信号可以通过选择内环路被路由到目的输出模块1431和1531，也可通过选择外环路被路
由到目的输入模块1131，1231和1331，但是不能被路由到输出模块1031。将光信号从源输入
模块1030路由到目的输出模块1331或目的输出模块1431不需要开启光交换元件。此外，为
了把光信号从源输入模块1030路由到目的输出模块1131，仅需要开启光交换元件1034，并
且为了把光信号从源输入模块1030路由到目的输出模块1231，仅需要开启光交换元件
1033。类似地，为了建立从源输入模块1030到目的输出模块1531的路径，仅需要开启光交换
元件1035。

[0032] 在一个或多个实施方式中，微谐振器可用于实现光交换元件330(图3)，其中标记为332的圆圈表示为微谐振器。输入模块440或输入模块550(分别为图4和图5)可以使用微
谐振器442或微谐振器552；诸如光栅耦合器444之类的光学引脚同样也在图4中被示出并且
配置为接收光信号。输出模块660或输出模块770(分别为图6和图7)可以使用微谐振器662
或微谐振器772；诸如光栅耦合器664之类的光学引脚同样也在图6中被示出并且配置为输
出光信号。通常，输入模块中的光学引脚将来自光纤的光耦接到网络中，而输出模块中的光
学引脚将来自网络的光耦接到光纤中。

[0033] 其中光交换元件被示出如图8中的圆圈(包含圆圈880)的一个微谐振器在这些块中足以用于单波长操作。然而，包括多个具有不同谐振波长的微谐振器的微谐振器组允许
使用波分复用(WDM)技术，这可带来优势。因此，如本文所用，对于使用微谐振器的实施方
式，术语“光交换元件”、“输入模块”和“输出模块”包含单个微谐振器和微谐振器组。但是，
要注意的是，本文描述的技术不限于微谐振器，并且实际上，例如，马赫‑曾德尔(Mach‑
Zehnder)干涉仪(MZI)也可以用作光学交换器件；换言之，光交换元件、输入模块和输出模
块能够用MZI实现，且网络可以具有各光学交换器件的组合。此外，输出模块也可以用Y分支
组合器构建(尽管它们倾向于引入比微谐振器更多的插入损耗)。而且，输入和输出的相对
位置可以互换，因此本文示出的结构仅是非限制性示例。

[0034] 为了开启光交换元件，使用微谐振器的一种技术是改变光交换元件中的微谐振器的温度。另一种技术是将自由载流子注入至光交换元件中的微谐振器中，以将微谐振器从
非共振(如图9中的方框990所示)改变为共振(如图10中的方框1000所示)。这两种交换方法
可被分别称为热控交换和载流子注入交换。可以理解，当微谐振器的状态改变时，所建立的
光信号路径也改变。

[0035] 转到与可扩展性相关的方面，图8和图11分别示出了8端口光网络816和8端口光网络1116。相对于6端口光网络，图11示出了如何在两个相邻的输入输出集群中插入两个输入
输出集群(具有粗体集群组件的虚线框1110和1111)以提供8端口光网络1116。注意尽管这
里没有示出，但应当理解，可以添加一个输入输出集群来提供7端口光网络。相对于8端口光
网络，图12示出了如何在两个相邻的输入输出集群中插入四个输入输出集群(具有粗体集
群组件的虚线框1210，1211，1212和1213)以提供8端口光网络1216。再次，插入一个输入输
出集群以提供9端口光网络，插入两个输入输出集群以提供10端口光网络，以此类推。事实
上，如图13所示，可插入任意数量的输入输出集群以将拓扑扩展成通用N端口光网络1316。

[0036] 为了增加光网络中的总端口数，需要相应的增加光交换元件的个数。例如，可以看出6端口光网络216(图2)每个集群具有三个光交换元件，8端口光网络1116(图11)每个集群
具有5个光交换元件，12端口光网络1216(图12)每个集群具有9个光交换元件，以此类推。更
具体地，对于通用N端口光网络，每个集群包括N‑3个光交换元件。

[0037] 还要注意，(N/2)‑1个光交换元件和外环路相关联，其余的(N/2)‑2个光交换元件和内环路相关联。同样应该注意到使用多于两个纵横制“环路”来构建光交换网络会带来更
多波导交叉，并导致更大的损耗和串扰，因为需要在平面光学电路中通过穿过至少一个纵
横制“环路”来把这些纵横制“环路”和输入模块、输出模块连接。

[0038] 转到一种合适的路由算法。因为在光交换结构中从源输入模块到目的输出模块的光信号路径需要基于路由算法来建立。由于在一个或多个实施方式中，任何输入端口和输
出端口之间的可用的路径在网络中是唯一的，所以仅仅需要确定沿着该路径的光学交换元
件、输入模块和输出模块的控制信号，以正确地将光学信号从源头路由到目的地。以下算法
是实现上述目的的一种方法，其中还参考图14和图15的示例操作(被示例为步骤)来描述以
下算法：

[0039]

[0040] 注意到该算法是基于源地址和目的地址，因此为了正确，编号顺序需要保持一致。在这个例子中，对上述算法，最左上方的输入模块和输出模块被识别为端口0，端口号沿着
逆时针方向增加，(如果从上方观察，例如在图8和图13中的例子；尽管如此，顺时针或者其
他一致的编号方式也是可行的)。还要注意的是，Ins和Outd分别代表了源s的输入模块和目
的d的输出模块，OSEl，s，d，inner代表在内环路中沿着从s到d的路径的距离s的第l个光交换元
件(OSEl，s，d，outer用于外环路)，OSEothers，s，d，inner代表了在内环路中沿着从s到d的路径的距离
s的除了第l个光交换元件以外的所有光交换元件(OSEothers，s，d，outer用于外环路)(外环路)，
OSEall，s，d，inner代表内环路中的所有BOSE(OSEall，s，d，outer用于外环路)，并且on或off分别代表
开启信号或关闭信号，例如，在基于微谐振器的网络中，这些信号分别使得微谐振器处于谐
振开启状态或谐振关闭状态。

[0041] 同样应当注意到，输入模块相对于输出模块的位置是相当灵活的。例如，输入模块0可以在输出模块0的右边而输入模块1可以在输出模块1的左边。因此，一个集群内的输入
模块和输出模块的位置是可互换的。

[0042] 为了设置从输入端口到输出端口的路径，路由控制器需要在源的输入输出集群中至多开启一个光交换元件，并且还要开启输入模块或输出模块。在图14的步骤1402，控制器
接收源端口s、目的端口d以及在端口数量是可变的情况下(例如，和硬编码至所制造的芯片
中的情况相反)的端口数N，作为输入。步骤1402基于源s和目的d之间的端口差异来确定初
始光交换元件值l。

[0043] 然后，上述算法确定光信号是由内环路还是外环路来路由，如上述算法中的第2到10行以及图14中的步骤1408到步骤1422所示。通常，这些行/步骤还在数学上确定控制信
号，即，相关集群的部件的开启状态或关闭状态。注意到如果执行那些行/步骤，l的值可能
会改变，这发生在第5行(步骤1414)或第9行(步骤1422)。

[0044] 通常，如果信号需要访问光网络的外环路(Is_outer＝＝True),则控制器将在源的输入模块中的微谐振器设置为谐振关闭状态，并在目的的输出模块中的微谐振器设置为
谐振开启状态。

[0045] 根据与图15的步骤1502至步骤1514相对应的算法1的第11至23行，路由控制器确定沿着从源到目的的唯一路径的光交换元件的状态。步骤1504、步骤1506和步骤1508用于
外环路，而步骤1510、步骤1512和步骤1514用于内环路。注意到通过步骤1504(外环路)或步
骤1510(内环路)，通过最长路径来路由光信号，不需要开启任何光交换元件(步骤1508用于
外环路，步骤1512用于内环路)。否则，控制器基于源和目的之间的距离开启光交换元件，并
沿着从源到目的的路径关闭其余的光交换元件(步骤1510用于外环路，步骤1514用于内环
路)。

[0046] 举例来说，在图8的8端口光网络中，为了把光信号从输入端口0路由到输出端口4(标记为粗虚线)，不需要开启任何沿着连接输入端口0和输出端口4的路径的光交换元件
(单个微谐振器)。为了把光信号从输入端口1路由到输出端口7(如图8中粗实线所标注)，控
制器使用内环路并开启图8中的光交换元件880(用“X”标记)，并根据算法1中第9行和第19
行，关闭其他沿着这条路径的光交换元件。要注意的是，如果该光交换结构的外环路和内环
路被认为类似于极坐标系中的两个纵横制结构，则这个过程有些类似于纵横制路由算法。

[0047] 转到另一方面，虽然上述算法是高效的并且适用于具有两个环路的任何N端口网络，但是对于任何固定数量N的所有的d和s的值，预先(例如，离线、在制造之前)运行这个算
法也是可行的(至少对于具有相较少数量的端口网络而言)，并将结果存储在数据结构中。
例如，在图16中，路由控制器1606如前所述接收s和d作为输入而不是动态的运行算法(在
线)，路由控制器1606访问数组数据结构1690，数组数据结构1690存储了给这两个输入源和
目的值输出正确控制信号所需要的信息。此外，因为这个例子中的N在制造时是固定的，所
以上述的算法1可在制造之前离线运行，其中控制信号作为结果输出并存储在片上的数据
结构中，以用于在线查找。

[0048] 例如，考虑在图16的例子中，将6端口光交换结构固定在芯片上。这个例子中端口数N由此固定为6，且s的值和d的值的范围从零(0)到五(5)。因此可用数组1690来存储输入
模块是否开启(如果不是，则输出模块是否开启)以及任何光交换元件(OSE)的开启状态是
否要开启(其他的则关闭)的每个有效的输入组合。要注意的是，网络需要通过控制器以合
适的方式识别和映射它的光交换元件，例如，每个网络可以在整个网络中具有单个不同的
编号，以唯一地识别其中的每个光交换元件(例如图2中的0至18)，或者可以存在集群(端
口)号，在集群号中配对(C0，OSE0)的交换元件，以唯一地识别在整个光网络中的每个光交
换元件。还要注意，光交换元件的空闲状态是关闭状态。当没有建立路径时，所有光交换元
件都处于关闭状态。当一次交换结束后光信号路径被拆除时，沿着这条路径的光交换元件
被关闭(即，任何相关光交换元件，包括任何之前被开启的光交换元件)。

[0049] 在图16的例子中，对于源0、目的1，源(输入模块)被关闭，由此目的(输出模块)被开启，并且被标识为S01的光交换元件(在图2中标记为光交换元件1034)开启。对于源0、目
的2，源(输入模块)被关闭，由此目的(输出模块)被开启，并且被标识为S02的光交换元件
(在图2中标记为光交换元件1033)开启。要注意的是，为了建立从源s到目的d的路径，控制
器控制在源集群中的所有光交换元件。因此在图16的例子中，对于6端口数据结构1609的源
0、目的2行，集群0中除了S01以外的光交换元件都被关闭。

[0050] 对于源5、目的3，目的(输出模块)被断开，因此源(输入模块)被开启，并且没有任何光交换元件被开启。注意到在数据结构1690中，符号“‑”代表在那个源集群中的所有光交
换元件都需要被关闭，并且，例如，可以在数组中取值‑1。

[0051] 对于源5、目的4，目的(输出模块)被关闭，因此源(输入模块)被开启，并且被识别为S54的光交换元件(在图2中标记为光交换元件1532)被开启。

[0052] 注意，在数据结构1690中的“X”代表不可能，也就是，当源和目的在同一个集群中时的情况。实际上，在一个或多个实施方式中，这样的行可以从数组中移除。

[0053] 由此可见，本文描述的是严格非阻塞光交换结构拓扑和路由算法，它们支持双向路由，以按照低功耗的方式实现数十甚至数百个节点之间的超高带宽和低延迟的机架内通
信。注意严格非阻塞属性在形式上是可证明的。此外，相对于其他结构，本文描述的技术具
有显著更低的最差情况损耗(worst‑case loss)和相对于纵横制更低的平均损耗。例如，当
使用32WDM通道时，128端口的该光交换结构的最差情况损耗和平均损耗比同样端口数的纵
横制(单向)结构的最差情况损耗和平均损耗分别低了大约30dB和大约15dB。而且，和纵横
制相比，光交换结构对于设备的损耗参数不太敏感。

[0054] 一个或多个方面涉及严格非阻塞光电路交换结构，其包括集群，其中所述集群中的每个集群包含输入模块、输出模块和光交换元件。每个集群的输入模块能够和所述集群
中的每个其他集群的输出模块通过多个环路中的至少一个环路耦接。各方面包括配置为控
制一个集群的源输入模块的开启状态和关闭状态的路由控制器，路由控制器控制另一个集
群的目的输出模块和所述光交换元件，以建立从源输入模块到目的输出模块的光信号路
径。路由控制器进一步配置为，基于严格非阻塞光电路交换结构的端口的总数和相对于目
的输出模块的目的位置的源输入模块的源位置，确定从源输入模块到目的输出模块的选定
环路，基于选定的环路开启源输入模块或开启目的输出模块，并控制所述光交换元件中的
位于选定环路中的每一个光交换元件的开启状态或关闭状态来建立光信号路径。

[0055] 多个环路可包括内环路和外环路。从源输入模块到目的输出模块的光信号路径可通过某个旋转方向中的内环路之一被路由，或者通过相反的旋转方向经中的外环路之一被
路由。

[0056] 路由控制器可以被配置为分别控制另一集群和另一输入模块和其他不同集群的另一输出模块以及其他光交换元件的开启状态和关闭状态，从而建立在其他集群的其他输
入模块和其他不同集群的其他输出模块之间至少部分同步的另一光信号路径。

[0057] 源输入模块可包括将光耦接到波导中的光学引脚。目的输出模块可包括光学引脚，该光学引脚接收从波导来的光并将光耦接到一个或多个光纤中。至少一些光交换元件
可包括微谐振器，和/或至少一个光交换元件可包括耦合谐振器光波导。所述光交换元件中
的一个光交换元件可包括微谐振器组，该微谐振器组包括微谐振器，其中所述微谐振器中
的每个微谐振器具有不同的谐振波长。至少一些光交换元件可包括马赫‑曾德尔干涉仪。

[0058] 相对于目的输出模块的目的位置的源输入模块的源位置可以基于在一个旋转方向上的集群的顺序编号。在集群中，输入模块的相对位置可以在输出模块的右边，或者输入
模块的相对位置可以在输出模块的左边。

[0059] 路由控制器可被配置为访问数据结构以确定下列各项中的至少一项：从源输入模块到目的输出模块的选定环路，基于选定环路是否开启源输入模块或开启目的输出模块，
或者是否控制所述光学交换元件的在选定环路上的每个光学交换元件的各自的开启状态
或各自的关闭状态。

[0060] 一个或多个方面涉及通过耦接到严格非阻塞光电路交换结构的路由控制器来接收包括源光学块和目的光学块的输入，该输入请求将源输入模块耦接到目的输出模块，以
提供光信号路径。各方面包括通过路由控制器来建立从源输入模块到目的输出模块的光信
号路径，包括基于严格非阻塞光电路交换结构的端口总数量和相对于目的输出模块的第二
位置的源输入模块的第一位置，来确定选定环路，确定是否开启源输入模块或开启目的输
出模块，并且确定选定环路上的每个光交换元件的各自的开启状态和各自的关闭状态。

[0061] 对信号进行接收可包括接收端口的总数量。确定每个光交换元件的各自的开启状态或者各自的关闭状态可包括将每个光交换元件控制为各自的关闭状态，或者将一个光交
换元件控制为各自的开启状态并且将每个其他光交换元件控制为各自的关闭状态。

[0062] 本文也描述了通过路由控制器建立在不同源输入模块和不同目的输出模块之间的至少部分同步的不同光信号路径。

[0063] 一个或多个方面涉及严格非阻塞集成光交换结构的路由机构的操作，包括：基于严格非阻塞集成光交换结构的端口总数，来确定代表源输入模块的第一值和代表目的输出
模块的第二值，源输入模块是否可通过严格无阻塞集成光交换结构的内环路或外环路路由
到目的输出模块。响应于源输入模块被确定为可通过内环路路由到目的输出模块，本文描
述的是根据端口总数、第一值和第二值，来确定源输入模块的第一开启状态或第一关闭状
态，目的输出模块的第二开启状态或第二关闭状态，以及内环路中相应光信号路径上的第
一组光交换元件的各自的第三开启状态或第三关闭切换状态。还描述了响应于源输入模块
被确定为可通过外环路路由到目的输出模块，根据端口总数、第一值和第二值，来确定源输
入模块的第一开启状态或第一关闭状态，目的输出模块的第二开启状态或第二关闭状态，
以及外环路中相应光信号路径上的第二组光交换元件的各自的第四开启状态或第四关闭
切换状态，并输出与第一开启状态或第一关闭状态以及第二开启状态或第二关闭状态并且
还与各自的第三开启状态和第三关闭状态或各自的第四开启状态和第四关闭状态相对应
的控制信号，以将光信号从源输入模块路由到目的输出模块。

[0064] 操作还可包括，接收表示源输入模块的第一值和表示目的输出模块的第二值。控制信号可以是第一控制信号，并且操作可以进一步包括，输出第二控制信号以至少部分同
时地将其他光信号从不同源输入模块路由到另一不同的目的输出模块。确定第一开启状态
或第一关闭状态、第二开启状态或第二关闭状态、各自的第三开启状态和第三关闭状态或
各自的第四开启状态和第四关闭状态中的至少一个，可以包括访问数据结构。

[0065] 结论

[0066] 虽然容易对本发明进行各种修改和替换构造，但在附图中示出了某些图示实现方式，并在上面对这些实现方式进行了详细描述。然而，应该理解，并非旨在将本发明限制为
所公开的具体形式，相反，其目的是涵盖所有落入本发明的精神和范围的所有的修改，替代
结构和等同物。

[0067] 除了本文描述的各种实施方式之外，应当理解，可使用其他类似的实施方式，或者可以对所描述的实施方式进行修改和添加，在不偏离所描述的实施方式的情况下执行相应
的实施方式的相同或者等同的功能。相应地，本发明不限于任何单一实施方式，而是应根据
所附权利要求在宽度，精神和范围上进行解释。