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数据中心的光子交换机、光子交换结构和方法

阅读：347发布：2021-02-25

IPRDB可以提供数据中心的光子交换机、光子交换结构和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且包括WSC以及传统数据中心在内的数据中心互连已经使云计算提供商、云服务提供商和云用户面临着瓶颈和成本/功耗问题。如今光纤技术已在数据中心的运营中发挥关键作用，并将在未来发挥越来越大的作用；该技术旨在以最短的等待时间、最低的成本、刀片服务器和整个网络上最小的空间消耗来尽可能快地移动数据。因此，新的光纤互连架构将有利于解决传统的分层时分多路复用(TDM)路由和互连问题，并可减少延时、增加灵活性、降低成本、降低功耗，利用可扩展光模块的光交换互连网络提供互连以及提供允许交换速度小于交换结构中最慢交换元件的时空交换结构。，下面是数据中心的光子交换机、光子交换结构和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于互连与第一脊型交换机相关联的第一组叶片交换机和与第二脊型交换机相关联的第二组叶片交换机的系统，无需提供模块化光交换(MOS)互连网络通过第一和第二脊型交换机中的至少一个第二脊型交换机进行路由，该模块化交换互连网络可实现第一组叶片交换机中每一个上端口到第二组叶片交换机中每一个上端口的带宽可编程分配。

2.根据权利要求1所述的系统，其中MOS可编程地将每个单独的光通道连接到第一组叶片交换机中的一个叶片交换机，进而到第二组叶片交换机中的一个第二叶片交换机上的任何端口。

3.根据权利要求1所述的系统，其中第一组叶片交换机中每一个交换机上连接端口的端口以及第二组叶片交换机中每一个交换机上的端口是每个叶片交换机端口的预定子集，每个交换机端口可将叶片交换机连接到相关的脊型交换机。

4.一种形成交换结构的方法，该交换结构的重新配置速率大于由交换结构内最慢交换元件定义的重新配置速率，该方法包括提供输入时间交换机阵列、多个空间交换结构和输出时间交换机阵列，其中不同于多个空间交换结构中的当前活动空间交换结构，多个空间交换结构的可配置空间交换结构可在输入和输出时间交换阵列将所有光信号路由到多个空间交换结构中的可配置空间交换结构之前，形成新的配置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中重新配置速度可通过输入输出时间交换机阵列确定，该输入输出时间交换机阵列的交换速度高于多个空间交换结构。

6.根据权利要求4所述的方法，其中根据交换结构的最大重配置速率和多个空间交换结构的交换速度可确定多个空间交换结构的数量。

7.一种形成交换结构的方法，该交换结构的重新配置速率大于由交换结构内最慢交换元件定义的重新配置速率，该方法包括提供输入时间交换机阵列、多个空间交换结构和输出时间交换机阵列，其中不同于耦合到输入时间交换阵列的预定输出端口的多个空间交换矩阵中的当前活动空间交换结构，多个空间交换结构中的预定空间交换结构上输入时间交换机阵列的预定输出端口和输出时间交换机阵列的预定输入端口之间的路径可在输入和输出时间交换机阵列将所有光信号路由到多个空间交换结构中的可配置空间交换结构之前，形成新的配置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中重新配置速度可通过输入输出时间交换机阵列确定，该输入输出时间交换机阵列的交换速度高于多个空间交换结构。

9.根据权利要求7所述的系统，其中输入时间交换阵列的输出端口与输出时间交换器阵列上的输入端口之间的光路分布穿过多个空间交换结构。

10.根据权利要求7所述的系统，其中多个空间交换结构中每个空间交换结构是严格无阻塞空间交换结构、广义非阻塞空间交换结构、可重新排列的非阻塞空间交换结构和阻塞式空间交换结构中至少一种。

11.一种通过耦合到每个第一交换机带外信令信号的输出的预定子集并根据带外信令信号确定距离多个第一交换机的第二远程交换机配置，形成距离多个第一交换机的第二远程交换机的配置的方法。

12.根据权利要求11所述的系统，其中每个第一交换机的输出的预定子集可为所有未激活(未选择)输出或每个第一交换机的激活(选定)输出。

13.根据权利要求11所述的方法，其中

第二远程交换机是具有光波导的硅微机电系统(MOEMS)设备，其中带外信令信号的波长可使用基于光波导的解复用器从每个光波导中解复，所述每个光波导可通过单片光电检测器耦合到多个第一交换机中的一个第一交换机并转换为电信号或混合耦合到MOEMS设备；

第一远程交换机是具有光波导的硅微机电系统(MOEMS)设备，其中带外信令信号的波长可使用基于光波导的解复用器解复至每个光波导，所述每个光波导可通过单片光设备交换耦合到多个第一交换机中的每个第一交换机的输出端口并耦合到可将带外光信号变为待交换的信号的光源或混合耦合到MOEMS设备。

14.一种交换方法，其中从枢轴延伸的光束上的第一光波导在相对于光束横向设置的第一MEMS致动器的作用下可相对于枢转点旋转，从而第一光波导可耦合到至少基于光束、枢轴点和第一MEMS致动器以几何形式设置的多个第二光波导中的第二光波导。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：

第二MEMS致动器，该第二MEMS致动器可侧向设于发射到第一MEMS致动器的光束的另一侧；

第一闩锁致动器，该第一闩锁致动器可耦合到具有第一固锁位置的第一MEMS致动器的旋转臂；

第二闩锁致动器，该第二闩锁致动器可耦合到具有第二固锁位置的第二MEMS致动器的旋转臂，其中第二固锁位置设于第一固锁位置所形成的位置之间；其中第一闩锁致动器和第二闩锁致动器中仅一个可在任何时间点激活，以便将光交换机锁定到当前位置。

16.根据权利要求14所述的方法，其中

光束上的第一光波导是光束上多个光波导中的一个。

17.根据权利要求14所述的方法，其中

枢轴及邻近的多个第二光波导端部之间的光束具有预定形状，以便使光束端部可保持与多个第二光波导接触。

18.一种光交换机，包括：

其上设有第一和第二输入波导的第一波导部分；

其上设有第一和第二输出波导的第二波导部分；

其上设有多个光波导的悬置波导部分；和

耦合到所述悬置波导部分的MEMS致动器；其中

第一位置中，MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而多个光波导的第一子集可光耦合到交换机处于第一状态时的第一和第二波导部分；

第二位置中，MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而多个光波导的第二子集可光耦合到交换机处于第二状态时的第一和第二波导部分。

19.根据权利要求18所述的光交换机，其中

第三位置中，MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而多个光波导均无法耦合到交换机处于第三状态时的第一和第二波导部分。

20.根据权利要求18所述的光交换机，

第一和第二波导部分与多个第二光波导中的任何一个之间的光耦合可通过渐逝耦合或对接耦合来实施。

21.一种光交换机，包括：

其上设有第一和第二波导的非悬置波导部分；

其上均设有光波导的第一和第二悬置波导部分；和

耦合到第一和第二悬置波导部分的第一和第二MEMS致动器；其中，第一位置中，第一和第二MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而悬置波导部分可光耦合到交换机处于第一状态时非悬置波导部内的第一和第二波导；

第二位置中，第一和第二MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而悬置波导部分可光耦合到交换机处于第二状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导。

22.根据权利要求21所述的光交换机，其中

第一和第二波导可交叉，从而在第二状态下，使交换机处于交叉状态；和第一状态下，第一和第二波导内的光信号可耦合至/自悬置波导部分，从而波导交叉可形成旁路，交换机可处于条形状态。

23.一种光交换机，包括：

其上设有第一和第二波导的非悬置波导部分；和

其上均设有光波导的第一和第二悬置波导部分；其中，

第一配置中，可定位悬置光波导部分，使悬置光波导耦合到交换机处于第一状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导；

第二配置中，可定位悬置光波导部分，使悬置光波导部分光耦合到交换机处于第二状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导。

24.根据权利要求23所述的光交换机，进一步包括：闩锁，该闩锁可耦合到第一和第二悬置波导部分，用于将悬置波导部分锁定在第一和第二配置中的适当位置；和弹簧，该弹簧可耦合到第一和第二悬置波导部分，用于在闩锁释放时将悬置波导部分定位到第二配置。

25.根据权利要求23所述的光交换机，进一步包括：闩锁，该闩锁可耦合到第一和第二悬置波导部分，用于将悬置波导部分锁定在第一和第二配置中的两个位置，每个闩锁包括用于第一配置的多个闩锁位置，其中根据通过光交换机路由的光信号的波长范围，可为光交换机建立第一配置中多个闩锁位置的闩锁位置。

26.根据权利要求23所述的光交换机，其中

利用静电力和电磁力中的至少一个可将第一和第二悬置波导部分定位到第一配置。

27.一种网络，包括：

通过第二层内多个光交换机，在第一层内互连多个电子分组交换机，以形成双层折叠克洛斯网络拓扑，其中多个光交换机彼此之间非直接光互连，

每个电子分组交换机均连接到多个光交换机。

28.根据权利要求27所述的网络，其中

每个电子分组交换机包括多个并行通道光收发机，其中每个并行通道收发机可耦合到不同的光纤，并可耦合到不同的光交换机。

29.根据权利要求28所述的网络，其中

每个并行通道光收发机应符合预定标准，该预定标准应从PSM4QSFP+、QSFP 28和QSFP56中选定。

30.根据权利要求27所述的网络，其中

每个光交换机包括多个光交换机平面。

31.一种交换元件，包括：电子分组交换和光交换，多个服务器间的用于交换的交换元件耦合到位于机架中作为“架顶式”交换机中的交换元件和至少另一远端电子设备。

32.根据权利要求31所述的交换元件，其中

交换机元件可对数据中心内其他服务器机架内的多个“架顶式”交换机中至少另一“架顶式”交换机执行脊型光交换功能。

33.一种系统，包括：

均耦合到多个P并行通道可插拔光收发机的多个R光缆；和包括M×N光交换机平面中多个P的光交换矩阵，其中

通过以下方法之一，每个光缆均连接到M×N光交换机平面的多个P：将所述P并行通道可插拔光收发机的预定并行通道静态连接到M×N光交换机平面中的多个P的M×N光交换机平面；

通过形成光交换矩阵的一部分光交换矩阵动态连接，从而组装到光缆上的一个或多个拉出连接器可耦合到光交换矩阵上的多个拉出连接器。

34.根据权利要求33所述的系统，其中

每个光缆可与单组服务器内多个电子分组交换机的电子分组交换机互连，每个电子分组交换机设于服务器机架的顶部。

35.根据权利要求33所述的系统，其中

每个光缆可与多组服务器内多个电子分组交换机的电子分组交换机互连，每个电子分组交换机设于多组服务器中每组服务器内的预定服务器机架的顶部。

36.根据权利要求33所述的系统，进一步包括：

均耦合到多个P并行通道可插拔光收发机的多个其他S光缆；和多个其他光交换机矩阵，每个矩阵包括多个M×N光交换机平面中的多个P，其中整个光交换机矩阵可使连接到整个光交换机矩阵预定子集的电子分组交换机的所有并行通道动态聚合到另一电子分组交换机。

37.一种光交换方法，包括在基于MOEMS的光交换机的可移动元件上多个第一光波导中的第一光波导与基于MOEMS的光交换机固定元件上多个第二光波导中的至少一个第二光波导之间形成光耦合，其中，第一状态下，基于MOEMS的光交换机在第一光波导与第二光波导之间具有光耦合；

第二状态下，基于MOEMS的光交换机在第一光波导和第二光波导之间无光耦合。

38.根据权利要求37所述的方法，其中

光耦合可在下列耦合器中通过渐逝耦合实施：

包括多个第一光波导中第一光波导和多个第二光波导中第二光波导的横向定向耦合器；和包括多个第一光波导中第一光波导和多个第二光波导中第二光波导的垂直定向耦合器。

39.根据权利要求37所述的方法，其中

基于MOEMS的光交换机的可移动元件可横向、纵向平移并可相对于基于MOEMS的光交换机的固定元件旋转。

40.根据权利要求37所述的方法，其中

多个第一光波导中第一光波导和多个第二光波导中第二光波导可通过多个第一光波导中每个第一光波导的介质包层以及多个第二光波导中第二光波导耦合。

41.一种光交换方法，其中从枢轴延伸的光束上的第一光波导在相对于光束横向设置的第一MEMS致动器的作用下可相对于枢转点旋转，从而第一光波导可穿过空气间隙对接耦合到至少基于光束、枢轴点和第一MEMS致动器以几何形式设置的多个第二光波导中的第二光波导。

42.根据权利要求41所述的方法，光束可耦合到间隙闭合元件，该间隙闭合元件可使悬置结构延伸以使空气间隙闭合。

43.根据权利要求41所述的方法，形成第一光波导和第二光波导中一个的支撑体的层具有轮廓，从而第一光波导和第二光波导中的另一个可与所述第一光波导和第二光波导中的一个自对准。

44.一种光交换机，包括：

支撑第一光波导和第二光波导的光交换机的可移动MEMS元件，其中第一光波导和第二光波导以足够大的角度相交，以限制第一光波导和第二光波导之间的光耦合；

设于所述可移动MEMS元件上的弯曲光波导，所述弯曲光波导具有朝向所述第一光波导第一端设置的第一端和朝向所述第二光波导第一端设置的第二端；

支撑在光交换机固定部上的第三和第四波光导；其中，

第一状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到第一光波导和第二光波导中相应一个的第一端；

第二状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到弯曲光波导的端部。

45.一种光交换机矩阵，包括：

光交换矩阵第一端处的多个输入；

光交换矩阵第二远端处的多个输出；

多个单位单元，每个单位单元包括：

设于所述可移动MEMS元件上的弯曲光波导，所述弯曲光波导具有朝向所述第一光波导第一端设置的第一端和朝向所述第二光波导第一端设置的第二端；

支撑在光交换机固定部上的第三和第四波光导；其中，

第一状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到第一光波导和第二光波导中相应一个的第一端；

第二状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到弯曲光波导的端部；

其中沿光交换矩阵的第一端和光交换矩阵的第二端之间另一边缘设置的相邻单元电池可通过反射镜相互连续地耦合。

说明书全文

数据中心的光子交换机、光子交换结构和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光子交换机和光子交换结构，尤其是涉及MOEMS光子交换结构和具有快慢空间和波长重构速率相结合的光交换结构，适用于数据中心和云计算应用。

背景技术

[0002] 严格而言，云计算是用于描述各种计算概念的短语，该概念涉及通过实时通信网络(例如，因特网)连接的大量计算机。但如今的“云”或“在云中”通常是指“即服务”出售的软件、平台和基础设施，即，利用远程互联网。通常，卖方具有从远程位置托管产品和服务的实际能耗服务器，因此终端用户不必操作，仅需直接登录到网络，无需安装任何东西。云计算服务的主要模式称为软件即服务(SaaS)、平台即服务、基础设施即服务，可在公共、私有或混合网络中提供。如今，谷歌、亚马逊、Oracle云、Salesforce、卓豪和微软Azure都是支持从应用到数据中心一切服务的较知名云端供应商，共同的主题是基于付费使用。

[0003] 主要的云供应商通过自己的数据中心提供服务，而其他第三方提供商需访问该数据中心或其他分布全球的数据中心，以便在互联网上存储和分配数据并处理该数据。鉴于上述互联网数据以及1亿多网站上将近超过1000亿的网页，因而数据中心包含大量的数据。近20亿用户访问所有此类网站，包括越来越多的高带宽视频，显而易见，很难了解互联网上每秒上传和下载多少数据。截止2016年，用户流量预计将超过每月100艾字节，即，每月超过
100,000,000兆兆字节或每秒超过42,000千兆字节。但峰值需求将相当高，预计有超过6亿的用户在高峰时段同时流式传输互联网高清视频。

[0004] 所有此类数据将通过数据中心以及在相应的数据中心之间和数据中心内部流向用户或从用户处流出，从而此类IP流量须倍增多倍以便创建总IP流量。数据中心遍布着由电缆架所包围的高架电子设备，数据通常存储在大型、快速的硬盘驱动器中。服务器是请求检索、处理或发送数据并使用快速交换机访问正确的硬盘驱动器的计算机。路由器可将服务器连接到互联网。同时，此类数据中心可单独或共同提供同源的互连计算基础设施。由于互连数据中心内部需具有成本效益且具规模的方式，并且很多数据中心彼此之间的应用程序是免费提供的，从而基础设施的运营商不仅面临着对于宽带成倍增长需求的挑战，也不期望其基础设施的成本和功耗大大增加。与此同时，消费者对下载/上传速度和访问内容等待时间的需求带来了更大的压力。

[0005] 光纤技术已在数据中心运营中发挥了关键作用，并将越来越多地应用，旨在以最短的等待时间、最低的成本、刀片服务器和整个网络上最小的空间消耗来尽可能快地移动数据。据FacebookTM报道，例如，Farrington等人在《Facebook的数据中心网络架构》(2013年IEEE光纤互连大会，http://nathanfarrington.com/presentations/facebook-optics-oida13-slides.pptx)中指出，基于单个简单请求，内部数据中心流量与外部流量之间的比例可高达1000:1。数据中心内部90％的流量是集群内的。

[0006] 因此，增强数据中心内的多层级连接性是有利的，例如，利用光子互连架构形成管芯到管芯、服务器到服务器、机架到机架以及集群到集群的连接，以解决多个冲突需要。利用支持采用空间和/或波长域的大型光子交换结构的光子集成电路设备也是有利的，而采用快慢光子交换元件的组合提供分布式光子交换结构的交换速度较慢，从而可缩短等待时间、增加灵活性、降低成本、降低功耗并提供高互连数。

[0007] 更有利的是，可通过光交换，利用光交换中的透明度和短暂等待时间来增强连接性并减少互联网和网络规模数据中心的等待时间。然而，迄今为止，利用基于三维(3D)微机电系统(MEMS)或二维(2D)马赫-曾德干涉仪(MZI)的光交换数据交换技术尚未提供数据中心内光交换的商业案例。但基于2D平面微机电系统(MOEMS)的光交换可提供所需的功能、性能、可扩展性和成本平衡，以满足数据中心商业案例，由此形成光交换机块和矩阵可支持互联网的网络部署。

[0008] 通过参阅下文对于本发明具体实施例的说明并结合附图，本领域技术人员可清楚了解本发明其他方面的内容和特性。

发明内容

[0009] 本发明旨在减少现有技术中关于光网络的限制，尤其是用于数据中心和云计算应用的波分复用网络。

[0010] 根据本发明的实施例，提供了一种用于互连与第一脊型交换机相关联的第一组叶片交换机和与第二脊型交换机相关联的第二组叶片交换机的系统，无需提供模块化光交换(MOS)互连网络通过第一和第二脊型交换机中的至少一个第二脊型交换机进行路由，该模块化交换互连网络可实现第一组叶片交换机中每一个上端口到第二组叶片交换机中每一个上端口的带宽可编程分配。

[0011] 根据本发明的实施例，提供了一种形成交换结构的方法，该交换结构的重新配置速率大于由交换结构内最慢交换元件定义的重新配置速率，该方法包括提供输入时间交换机阵列、多个空间交换结构和输出时间交换机阵列，其中不同于多个空间交换结构中的当前活动空间交换结构，多个空间交换结构的可配置空间交换结构可在输入和输出时间交换阵列将所有光信号路由到多个空间交换结构中的可配置空间交换结构之前，形成新的配置。

[0012] 根据本发明的实施例，提供了一种形成交换结构的方法，该交换结构的重新配置速率大于由交换结构内最慢交换元件定义的重新配置速率，该方法包括提供输入时间交换机阵列、多个空间交换结构和输出时间交换机阵列，其中不同于耦合到输入时间交换阵列的预定输出端口的多个空间交换矩阵中的当前活动空间交换结构，多个空间交换结构中的预定空间交换结构上输入时间交换机阵列的预定输出端口和输出时间交换机阵列的预定输入端口之间的路径可在输入和输出时间交换机阵列将所有光信号路由到多个空间交换结构中的可配置空间交换结构之前，形成新的配置。

[0013] 根据本发明的实施例，提供了一种通过耦合到每个第一交换机带外信令信号的输出的预定子集并根据带外信令信号确定距离多个第一交换机的第二远程交换机配置，形成距离多个第一交换机的第二远程交换机的配置的方法。

[0014] 根据本发明的实施例，提供了一种交换方法，其中从枢轴延伸的光束上的第一光波导在相对于光束横向设置的第一MEMS致动器的作用下可相对于枢转点旋转，从而第一光波导可渐逝耦合到至少基于光束、枢轴点和第一MEMS致动器以几何形式设置的多个第二光波导中的第二光波导。

[0015] 根据本发明的实施例，提供一种光交换机，包括：其上设有第一和第二输入波导的第一波导部分；
其上设有第一和第二输出波导的第二波导部分；
其上设有多个光波导的悬置波导部分；和
耦合到所述悬置波导部分的MEMS致动器；其中，
第一位置中，MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而多个光波导的第一子集可渐逝耦合到交换机处于第一状态时的第一和第二波导部分；
第二位置中，MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而多个光波导的第二子集可渐逝耦合到交换机处于第二状态时的第一和第二波导部分。

[0016] 根据本发明的实施例，提供一种光交换机，包括：其上设有第一和第二波导的非悬置波导部分；和
其上均设有光波导的第一和第二悬置波导部分；
耦合到第一和第二悬置波导部分的第一和第二MEMS致动器；其中，
第一位置中，第一和第二MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而悬置波导部分可光耦合到交换机处于第一状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导；
第二位置中，第一和第二MEMS致动器可定位悬置波导部分，从而悬置波导部分可光耦合到交换机处于第二状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导。

[0017] 根据本发明的实施例，提供一种光交换机，包括：其上设有第一和第二波导的非悬置波导部分；和
其上均设有光波导的第一和第二悬置波导部分；其中，
第一配置中，可定位悬置光波导部分，使悬置光波导耦合到交换机处于第一状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导；
第二配置中，可定位悬置光波导部分，使悬置光波导部分光耦合到交换机处于第二状态时非悬置波导部分内的第一和第二波导。

[0018] 根据本发明的实施例，提供了一种网络，包括通过第二层内多个光交换机，在第一层内互连多个电子分组交换机，以形成双层折叠克洛斯网络拓扑，其中，多个光交换机彼此之间非直接光互连，每个电子分组交换机均连接到多个光交换机。

[0019] 根据本发明的实施例，提供了交换元件，包括电子分组交换和光交换，多个服务器间的用于交换的交换元件耦合到位于机架中作为“架顶式”交换机中的交换元件和至少另一远端电子设备。

[0020] 根据本发明的实施例，提供了一种系统，包括：均耦合到多个P并行通道可插拔光收发机的多个R光缆；和
包括M×N光交换机平面中多个P的光交换矩阵，其中
通过以下方法之一，每个光缆均连接到M×N光交换机平面的多个P：
将所述P并行通道可插拔光收发机的预定并行通道静态连接到M×N光交换机平面中的多个P的M×N光交换机平面；
通过形成光交换矩阵的一部分光交换矩阵动态连接，从而组装到光缆上的一个或多个拉出连接器可耦合到光交换矩阵上的多个拉出连接器。

[0021] 根据本发明的实施例，提供了一种光交换方法，包括在基于MOEMS的光交换机的可移动元件上多个第一光波导中的第一光波导与基于MOEMS的光交换机固定元件上多个第二光波导中的至少一个第二光波导之间形成光耦合，其中，第一状态下，基于MOEMS的光交换机在第一光波导与第二光波导之间具有光耦合；
第二状态下，基于MOEMS的光交换机在第一光波导和第二光波导之间无光耦合。

[0022] 根据本发明的实施例，提供了一种光交换方法，其中从枢轴延伸的光束上的第一光波导在相对于光束横向设置的第一MEMS致动器的作用下可相对于枢转点旋转，从而第一光波导可穿过空气间隙对接耦合到至少基于光束、枢轴点和第一MEMS致动器以几何形式设置的多个第二光波导中的第二光波导。根据本发明的实施例，提供了一种光交换机，包括：
支撑第一光波导和第二光波导的光交换机的可移动MEMS元件，其中第一光波导和第二光波导以足够大的角度相交，以限制第一光波导和第二光波导之间的光耦合；
设于所述可移动MEMS元件上的弯曲光波导，所述弯曲光波导具有朝向所述第一光波导第一端设置的第一端和朝向所述第二光波导第一端设置的第二端；
支撑在光交换机固定部上的第三和第四波光导；其中，
第一状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到第一光波导和第二光波导中相应一个的第一端；
第二状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到弯曲光波导的端部。

[0023] 根据本发明的实施例，提供一种光交换矩阵，包括：光交换矩阵第一端处的多个输入；
光交换矩阵第二远端处的多个输出；
多个单位单元，每个单位单元包括：
支撑第一光波导和第二光波导的光交换机的可移动MEMS元件，其中第一光波导和第二光波导以足够大的角度相交，以限制第一光波导和第二光波导之间的光耦合；
设于所述可移动MEMS元件上的弯曲光波导，所述弯曲光波导具有朝向所述第一光波导第一端设置的第一端和朝向所述第二光波导第一端设置的第二端；
支撑在光交换机固定部上的第三和第四波光导；其中，
第一状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到第一光波导和第二光波导中相应一个的第一端；
第二状态下的可移动MEMS元件可将第三和第四光波导中的每一个耦合到弯曲光波导的端部；
其中沿光交换矩阵的第一端和光交换矩阵的第二端之间另一边缘设置的相邻单元电池可通过反射镜相互连续地耦合。

[0024] 通过参阅下文对于本发明具体实施例的说明并结合附图，本领域技术人员可清楚了解本发明其他方面的内容和特性。

附图说明

[0025] 现将本发明的实施例通过示例并参照附图进行说明，其中：

[0026] 图1是根据现有技术的数据中心网络的示意图；

[0027] 图2为根据本发明实施例，支持扩展的双层叶脊结构的示意图；

[0028] 图3和图4分别是在网络规模数据中心应用于叶片交换机和脊型交换机层级的模块化光交换(MOS)网络架构的示意图；

[0029] 图5A和5B是根据本发明的实施例，模块化光交换机(MOS)以及示例性模块化光纤随机互连元件的机架安装实施例示意图；

[0030] 图6A和6B是根据本发明的实施例，两个MOS之间互连的示意图；

[0031] 图7是根据本发明的实施例，用于规模数据中心的扩展光交换机(SOOS)网络架构的示意图；

[0032] 图8是根据图7中SOOS架构的以太网交换机端口计数的示意图，相对于现有技术中3层克罗斯非阻塞叶片结构脊型交换机与计算机服务器数量；

[0033] 图9至11是如图3至8所示，利用支持例如，MOS和SOOS光交换结构的MOEMS转向硅(MOTUS)的光交换机技术示意图；

[0034] 图12是根据本发明的实施例，相同管芯上利用多个MOTUS实例的4x4光子交换结构示意图，该交换结构可提供较少交叉计数，具有垂直交叉和严格非阻塞的架构；

[0035] 图13是根据本发明的实施例，采用MOTUS光引擎和定向耦合器的4x4和8x8光交换机矩阵示意图，可增强布局和减少交叉；

[0036] 图14是根据本发明的实施例，采用初始时域交换平面的空间分集光子交换结构的架构示意图；

[0037] 图15是应用于图14中示例性的4×4严格非阻塞空间分集结构的架构()，以及与N×N核心空间分集结构的m顺序时域分集相结合的n信道的广义架构示意图；

[0038] 图16是应用于图14中示例性的8×8空间分集结构的架构示意图，具有与8×8核心空间分集可重新布置的非阻塞结构相结合的2-时域分集通道；

[0039] 图17是应用于图14中示例性的8×8空间分集结构的架构示意图，具有与8×8和4×4核心空间分集可重新布置的非阻塞结构相结合的2和4-时域分集通道；

[0040] 图18是应用于图14中示例性的16×16空间分集结构的架构示意图，具有与16×16核心空间分集可重新布置的非阻塞结构相结合的4-时域分集通道，可与空间分集结构共同使用；

[0041] 图19是根据本发明的实施例，一对光电交换机之间的带外同步机制示意图；

[0042] 图20A至20C是未使用镜面元件的直接波导-波导MOEMS光交换机示意图，可采用枢转悬置波导和用于非对称地锁定到双闩锁位置的双侧向闩锁致动器；

[0043] 图21A是由16个2×2交换元件组成的4×4可扩展交叉条形交换矩阵示意图；

[0044] 图21B是利用2×2交换元件的4×4、8×8和64×64交叉条形矩阵示意图；

[0045] 图22是根据本发明的实施例，利用MOEMS元件的2×2交换元件示意图，其中MEMS包含条形波导和交叉波导，且可渐逝耦合到输入/输出波导；

[0046] 图23A是根据本发明的实施例，图22中2×2交换元件处于“默认”状态的示意图；

[0047] 图23B是根据本发明的实施例，图22中2×2交换元件处于“条形”和“交叉”状态的示意图；

[0048] 图24是根据本发明的实施例，使用单交叉、采用2个MOEMS元件和光学渐逝耦合的2×2交换元件示意图；

[0049] 图25A和25B分别是根据本发明的实施例，闩锁2×2交换元件的示意图，分布采用“交叉”和“条形”状态下的MOEMS元件和光学渐逝耦合；

[0050] 图25C和25D分别是根据本发明的实施例，闩锁2×2交换元件的示意图，分别采用“交叉”和“条形”状态下的MOEMS元件和光学渐逝耦合；

[0051] 图26A和26B是根据本发明的实施例，闩锁2×2交换元件的示意图，采用“交叉”和“条形”状态下的MOEMS元件和光学渐逝耦合，分别仅需用于闩锁的MEMS致动器；

[0052] 图27A和27B是根据本发明的实施例，如图26A和26B所示，未使用限制器结构而采用波导介电覆层作为限制器的闩锁2×2交换元件截面图，用于使用RIE蚀刻工艺形成的间隙闭合机制；

[0053] 图28A是根据本发明的实施例，基于MOEMS的线性移动垂直光耦合元件截面图；

[0054] 图28B是根据本发明的实施例，基于MOEMS的旋转移动垂直光耦合元件截面图；

[0055] 图29A是采用此类1×2光交换元件的1×2光交换元件和4×4/3×4光交换矩阵示意图；

[0056] 图29B是根据本发明的实施例，基于MOEMS的线性移动1×2光交换元件示意图，采用如图29A所示用于1×2交换元件的拓扑；

[0057] 图30是根据本发明的实施例，如图29B所示，处于条形和交换状态下基于MOEMS的线性移动1×2光交换元件截面图，为清楚起见，波导示为间隙；

[0058] 图31是根据本发明的实施例，2×2和3×3光交换电路的示意图，采用如图29B和30所示基于MOEMS的线性移动1×2光交换元件；

[0059] 图32是根据本发明的实施例，如图29B所示，采用基于MOEMS的线性移动1×2光交换元件，以提供路径独立损耗(PILOS)交换的8×8光交换矩阵示意图；

[0060] 图33是根据本发明的实施例，基于MOEMS的旋转移动2×2阻塞光交换元件示意图；

[0061] 图34和35是根据本发明的实施例，基于MOEMS的旋转移动1×5光交换元件示意图；

[0062] 图36是根据本发明的实施例，基于MOEMS的旋转移动1×5光交换元件内的静电间隙闭合示意图；以及

[0063] 图37是根据本发明的实施例，基于MOEMS的旋转移动1×5光交换元件内的静电间隙闭合的自对准示意图。

具体实施方式

[0064] 本发明涉及光网络，尤其涉及数据中心和云计算网络中的光交换使用。

[0065] 下文的说明仅提供了示例性实施例，并不旨在限制本说明书的范围、应用或配置；而下文对示例性实施例的说明可为本领域技术人员提供实施示例性实施例的说明。应当理解，在不脱离根据所附权利要求中说明的精神和范围的前提下，可对元件的功能和布置进行各种更改。

[0066] 1.内部数据中心通信中未使用光交换技术的现状

[0067] 目前，大多数仓库规模数据中心网络均围绕使用极高密度交换机的两层叶/脊以太网聚合拓扑而设计。首先，将服务器连接到叶片交换机，再将叶片交换机连接到脊型交换机。应将每个叶片交换机连接到每个脊型交换机，以确保网络不会超出所选超额阈值以外的任何位置。通过使用此类网络拓扑，利用相同的成本多路径协议(ECMP)，则可使上游和下游之间的聚合路径上具有等量的带宽，从而通过多个聚合链路提供非阻塞网络架构。叶片交换机上的上行链路数量限制了可连接到的脊型交换机的数量；脊型交换机上的下行链路数量限制了可作为整个网络一部分的叶片交换机的数量。

[0068] 因此，可添加到两层叶/脊数据中心网络架构的计算机服务器的数量是叶片交换机上的上行链路数量的直接函数。完全非阻塞拓扑要求叶片交换机具有与计算机服务器的下行链路带宽一样多的上行链路带宽。相比之下，图2中，根据本发明实施例的双层叶/脊架构中，仅需扩展该架构，即可在所选超额参数内以恒定的等待时间添加最大量的服务器，原因是每个叶交换机可连接到每个脊型交换机。因此，为了实现这一目标并使该架构扩展，应将40Gbps的叶片交换机上行链路的带宽分解为10Gbps的4个链路，再连接到4个不同的脊型交换机。由此，更多上行链路可连接到更多脊，从而可支持更多叶片交换机和服务器。

[0069] 2.叶脊连接的发展

[0070] 两层叶脊架构已成为本领域技术人员已知的数据中心网络架构的标准。第一层由定义为叶片的交换机组成，第二层由定义为脊的交换机组成，在三层网络拓扑中，可设有第二层叶片交换机，位于第一层叶片交换机和第三层脊型交换机之间。为了申请本专利，第二层叶片交换机称为脊型交换机。

[0071] 2A：采用可重配置光可调谐发射机和接收机的模块化光交换(MOS)连接

[0072] 基于WDM的环网可通过消除脊型交换机之间的互连要求以及可编程CDC光交换机，缩短叶节点之间的等待时间并在叶节点之间提供一定程度的可编程容量，来提供跨环连接。此类基于WDM环的网络可缩短脊型“内部”等待时间。然而，若低容量流量在大容量流量占据优势时遇到阻塞，则基于成本效益以太网交换机的传统设计方法、等效成本多径负载平衡和未知流量尺寸的简单散列算法是低效的。目前，网络中约80％的东西向流量代表不到10％的流量，这种情况越来越普遍。现有技术中，集中式流量工程可能有助于以消耗本地知识路由来改善整体网络的利用率。因此，现有技术的架构未解决短等待时间敏感性低容量流量会受到长时间带宽匮乏高容量流量的阻塞，而降低应用性能。

[0073] 然而，由于目的是节省低容量流量，同时应防止高容量流量冲突，以避免影响低容量流量或避免出现高容量流量完全停顿这种最严重的情况，因此流量工程具有挑战性。随着两种流量的增加，可跟踪暂时或永久大于任何给定以太网交换机的交换机，扩展架构的方式可大大增加网络中可寻址光路的数量并将“大象”流转移到专用点对点光路上。基于三维(3D)MEMSM×N光交换机，从“大象”流中分流数据中心叶脊的解决方案现正进入市场，但由于此类解决方案基于专为接线板自动化设计的光交换机，而非模块化，因而不表现出扩展特性，且采购成本高、需集中流量工程。此外，由于三维MEMS基于自由空间光学器件，因此很复杂不便于封装且体积庞大。

[0074] 因此，发明者已利用单个构造元件的几个示例，即，1×N(例如，N＝32)、基于新微细胞学机械结构(MOEMS)的平面光交换机，形成了模块化光交换(MOS)网络架构(如图3所示)，其中该平面光交换机包括集成光波导的MEMS旋转镜。利用大规模硅光子学集成，可将多个平面MOEMS光交换机示例集成到单个硅管芯上。因此，可在每个硅晶片上制造出数百个光交换机，并获得类似于微电子工业中可实现的成本结构。例如，系统级产品64×2048模块化光交换机可采用此类1×32平面光交换机的64个示例来集成到单个印刷电路板上。鉴于具有紧凑型二维MOEMS，此类模块化光交换机可适应数据中心单机架单元配置，并可使一堆模块化光交换机在同一机柜中相互吸引以便布置并易于互连在一起。

[0075] 根据本发明的实施例，扩展模块化光交换机(MOS)可与具有或不具有叶交换机级WDM环形网络的每个架顶式(ToR)交换机相串联(如图4和图5所示)，参见相应专利申请：发明者于2014年3月10日提交的题为《有关光网络的方法和系统》的美国临时专利申请(编号：61/950,238)以及于2015年3月10日提交的题为《有关光网络的方法和系统》的相关世界知识产权局专利合作条约申请。MOS可使用户维护网络规模数据中心网络的扩展和经济性，从而提高数据中心的维度。因此，ToR交换机可利用分布式本地知识路由来将“大象”流分配到其他ToR的点对点光路上，而无需实施网络的广泛流量工程。

[0076] 架顶式交换机(ToR)是安装在数据中心机柜(机架)中的交换机，设于机架内的所有服务器上。位于数据中心网络的边缘，可使服务器彼此连接并连接到网络基础设施。基于示例性的先进以太网交换机，在不久的将来ToRs的普遍配置将采用支持QSFP+10Gbps4X收发机(QSFP10或QSFT+)的四个小型可插拔接口的32个端口，并演进到单机架单元配置中的QSFP28Gbps4X收发机(QSFP28)。低廉的成本使其可用作扩展设计中的脊型交换机。QSFP+(QSFP10)接口可支持4对双向通道(每个ToR端口10Gbps)，总共32个40Gbps端口或128个10Gbps端口，采用并行通道QSFP+可插拔光纤和分支电缆。QSFP28接口可支持4对双向通道(每个ToR端口25Gbps)，总共32个100Gbps端口、64个50Gbps端口或128个25Gbps端口，采用并行通道可插拔光纤和分支电缆。

[0077] 如图3所示，模块化光交换(MOS)参照网络架构(RNA)利用了ToR可采用并行通道可插拔光纤的事实。如今，此类ToR不仅具有足够的接口来连接全机架式服务器，还有足够的接口来提供与数据中心叶脊以太网脊交换机和MOS RNA的模块化光交换机的必要连接。如图3所示的MOS RNA中，每个脊型交换机150可支持到16个ToR叶片交换机140以及一对脊型交换机150的连接及相联的32个ToR叶片交换机140之间的连接，设有包括32个互连模块MOS#1至MOS#32的MOS650，标记为610(1)至610(32)。示例性MOS RNA中，发明者提出，32端口QSFP+ToR的端口分配如下：●机架中16个服务器130的16个QSFP+端口(每个端口40Gbps)，或通过并行通道可插拔光纤和分支电缆作为机架中64个服务器端口的64个端口(10Gbps)(根据设计可支持多达64个服务器130)；
●8个以太网脊型交换机150的8个QSFP+端口(40Gbps)，或通过并行通道可插拔光纤和分支电缆作为高达32个脊型交换机150的32个端口(10Gbps)(或其他任一组合，例如，相邻脊型交换机150的40Gbps端口、下一对最相邻脊型交换机130的20Gbps端口和下面8个脊型交换机150的10Gbps端口)；和
●连接到MOS650的8个QSFP+端口(40Gbps)，具有并行通道可插拔光纤和分支电缆。

[0078] MOS RNA650中，重点不在于连接到以太网脊型交换机的ToR叶片交换机140上的端口，原因是该部分网络的行为与任何现有2:1超额叶脊交换机相同。MOS网络架构的新颖之处在于ToR叶片交换机140上的端口，该端口连接到32个互连模块MOS#1 610(1)至MOS#32 610(32)内的模块化光交换机。若ToR叶片交换机140的8个QSFP+端口连接到单个MOS模块
610(X)模块化光交换机，则并行通道可插拔光学器件(40GbasePSM4)的各32对通道中的每个可连接到各1:32平面光交换机，由此通过MOS模块MOS#1 610(1)至MOS#32 610(32)支持
1024位互连，用于将每个ToR叶片交换机140连接到MOS650网络。

[0079] MOS RNA650中，32个ToR叶片交换机140中的每个可连接到单独的MOS模块610(X)。再将MOS模块610跨光纤混洗互连在一起，则可在具有高达2,048个服务器接口(10Gbps)的
32个机架/32个ToR叶片交换机140的满量程行/pod配置的情况下将MOS RNA650扩展到以下容量。除了以太网交换叶脊网络的总容量为10.24Tbps之外，扩展MOS RNA650还具有以下附加带宽：
●任何两个给定ToR叶片交换机140之间的点对点带宽，直接在320Gbps的8个QSFP+接口之间；
●一行32个ToR叶片交换机140的二等分带宽，每个ToR叶片交换机具有8个QSFP+接口：
2.64Tbps；
●一行32个ToR交换机的可寻址带宽，每个ToR交换机具有8个QSFP+接口：327.68Tbps。

[0080] 由于MOS650中的光交换机具有独立协议，因此通过将ToR叶片交换机140的32端口QSFP10接口替换为32端口QSFP28接口，并将具有QSFP28接口的脊型交换机150升级，则可获得32个机架的满量程配置，该配置可将2,048个服务器接口以25Gbps的速率互连。除了使跨以太网交换叶脊具有25.6Tbps的总容量以外，还可实现模块化光交换网络中的以下附加带宽：●跨8个QSFP+接口，任意两个给定ToR叶片交换机140之间的点对点带宽：800Gbps；
●一行32个ToR叶片交换机140的二等分带宽，每个ToR叶片交换机具有8个QSFP+接口：
6.6Tbps；和
●一行32个ToR叶片交换机140的可寻址带宽，每个ToR叶片交换机具有8个QSFP+接口：
819.2Tbps。

[0081] 此类东西向大带宽容量可通过32个独立的MOS模块610互连来实施，此类模块可以实际扩展和高弹性的方式与ToR匹配安装。MOS RNA650中，均可通过2,048个单独的1:32平面光交换机示例的互连来实施，该平面光交换机示例可均匀分布在32个模块化光交换机之间。很明显，在单个叶脊和/或多个叶脊阵列之间直接互连ToR叶交换机140的MOS RNA650减少了连接的ToR叶交换机140之间的等待时间。

[0082] 显然，在不脱离本发明范围的前提下，可对图3中的MOS RNA650进行更改。例如，1:32平面光交换机可用1:48、1:16或1:64平面光交换机或其他端口计数来代替，以便互连不同数量的ToR叶片交换机140和/或每个叶脊阵列内的ToR叶片交换机140。可选地，MOS RNA650可支持与WDM环形网络相结合或隔离的操作，该网络与ToR叶片交换机140互连。类似地，MOS RMA可支持与WDM环形网络相结合或隔离的操作，该网络与脊型交换机150互连。可选地，MOS RNA650可在更高层级上实施，例如，图4中，MOS RNA650除了连接到叶片交换机
140之外，还连接到脊型交换机150。

[0083] 图5A和5B展示了MOS RNA650中4U机架单元710和1U机架单元720的实施图。参照4U机架单元710，再考虑图3中的MOS RNA650，标记为Q1至Q8的左上方有8个连接器，每个连接器连接到ToR叶片交换机140的QSFP+(QSFP10)端口，因此连接到4U机架单元710在每个连接器上接收4×10Gbps传输信道，并将4×10Gbps接收信道提供回ToR叶片交换机140。4U机架单元710内，此类通道耦合到四个模块730A至730D中的一个，使其分别接收/提供Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6和Q7/Q8的信号。因此，每个模块内，所接收的8个发送信号可耦合到8个1:32发射(Tx)光交换机(OS)740，而8个接收器通道可耦合到8个32:1的接收(Rx)光交换机770。由此，模块内的每个TxOS740可路由到标记为C1至C32的32个输出端口760中的一个，此类输出端口本身是多路连接器，且从该32个输出端口760C1至C32接收到的信号可耦合到RxOS770。因此，所述4U机架单元710在8个连接器Q1至Q88×(4×10Gbps)上接收通道并将该32个10Gpbs通道以每个8×(4×10Gbps)从C1至C32路由至8个输出连接器760或以32×(1×10Gbps)从C1至C32路由至所有输出连接器760C1至C32或以16×(2×10Gbps)路由至16个输出连接器760，或其他组合。

[0084] 如图所示，标识为模块W、模块X、模块Y、模块Z的四个模块730A至730D中的每个可分别通过TxOS740在单个4U机架单元710内向Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6和Q7/Q8提供发射信号到输出连接器760C1至C32的等级W、X、Y和Z。同时，每个模块路径中的RxOS770可将输出连接器760C1至C32的等级W、X、Y和Z上的信号接收到Q1/Q2、Q3/Q4、Q5/Q6和Q7/Q8连接器。或者，单个模块(例如，模块W730A)可容纳在单个1U机架单元720内。可选地，4U机架单元710内的所有功能可容纳在1U机架单元720内。可选地，可通过使用更多计数的连接器(例如，MPO24 24光纤连接器来代替MPO12 12光纤连接器)来减少连接器的计数，用于4U机架单元710或1U机架单元720中的MOS单元之间的互连。

[0085] 因此，很明显，4U机架单元710或1U机架单元720由此可通过C1至C32连接器彼此连接并连接到各自的叶片交换机或叶片交换机。图6A和6B中展示了示例性互连，透视图750展示了互连映射700的扩展部分。

[0086] 2B：适用于网络规模数据中心的扩展光交换(SOOS)网络架构

[0087] 如上所述，对云服务需求的增加会引起数据中心内的带宽激增，相当于实际互联网流量的300倍。此外，如上所述，应在网络规模数据中心(WSDC)中支持不同的流量模式，包括但不限于持续不断的“大象”流和短暂延迟的敏感“老鼠”流。值得注意的是，80％以上的东西向流量带宽可用“大象”流表示，占不到10％的流量，而占90％流量的“老鼠”流表示不到20％的宽带。业内人士广泛认为光交换技术提供了将“大象”流从WSDC分组交换网络卸载的解决方案。但现有技术设计未在成本可行的可扩展架构内实现高带宽的可用性。

[0088] 因此，发明者已建立了替代现有技术的架构及上述关于2A部分的创造性MOS，并将其称为WSDC的缩放光交换(SOOS)网络架构；该架构是基于包含硅光子平面光交换机的几个示例的光交换机(例如，1×48)，该交换机可平行化以支持四边形并行通道光纤，从而可在每个通道上进行交换。使用大型1×N交换机可避免在蝴蝶配置中设有小型交换机。此外，通过确保在任何电路的路径中最多只有两个光交换机级，可使用低功率单模硅光子收发机而无需外部扩增。

[0089] 图7展示了SOOS数据中心网络架构，其中，WSDC包括48个pod(Pod 1 810(1)至Pod 48 810(48))，其中每个Pod n 810(n)包括48个机架(R1至R48)，而每个机架有48台计算机服务器(C1到C48)，形成110,592计算机服务器(48P×48R×48C＝110,592C)。如图8所示，扩展规模总计为48P 48R 48C＝110,592C。通过光交换进行扩展是通过48平面(平面1 820(1)到平面48 820(48))实现的，每个平面包含12个光交换机S#1至S#12，可用于每个pod，R中每个机架之间的交换；平面的选择是通过每个pod(P)内12个光交换机(OS#1至OS#12)来完成的。

[0090] 四路并行通道可插拔光纤(Q)(例如，40Gbps的QSFP+或100Gbps的QSFP28)可通过八位多推(MPO)单模连接器来接触各光纤上的8个通道(4个)(4个发射通道和4个接收通道))。单个Q可以1/4线路速率配置为四个单独的全双工收发机(即QSFP+为40/4＝10Gbps，QSFP28为100/4＝25Gbps)。为了支持扩展网络架构，收发机包含使用1×48交换机的8通道(L)(单个pod(P)内支持48个顶架式交换机T(1)至T(4)，单个WSDC内的48个pod(P))，光交换机(OS#n)的高效配置是四路全双工设计，具有48个八位(8L)单模连接器。OS#n的内部，1×48平面光交换机的384个示例可通过2304×2304位置的4个光纤混洗相互连接。
表1：图8中，SOOS参照网络架构中的符号和数量

[0091] 每个机架(R)包含一个架顶式交换机(T(1)至T(48))，可连接到相同pod(P)内的12个光交换机(OS#1至OS#12)。因此，pod(Pod 1 810(1)至Pod 48 810(48))内，所述12个光交换机(OS#1至OS#12)可执行Pod内部(Intra-Pod)分布式光结构的功能，与现有技术中两层叶脊折叠克洛斯网络拓扑中的脊型交换机具有相同的层级。为了能有足够的资源来交换每个架顶式交换机(T)的12个QPLPO，实现12个QPLPO*4个通道＝48个通道，以便每个架顶式交换机(T)可以QPLPO的1/4线路速率同时连接到相同pod中的所有其他架顶式交换机，则每个Pod n 810(n)内需12个交换机(OS#1至OS#12)。通常，给定的pod n 810(n)中，12个光交换机可位于pod中间的机架内，并通过MPO八光纤跳线连接到均匀分布在48个架顶式(T)交换机上的576个QPLPO。

[0092] 如图8中的图像800所示，其他实施例中，光交换机可集成为以太网架顶式(ToR)交换机内的模块，由此ToR可执行电子分组交换叶功能以及相同Pod或本地环境中其他ToR的光交换脊功能。

[0093] 整个WSDC的48个pod(Pod 1 810(1)至Pod 48 810(48))中，应具有48P×12S＝576个intra-P S；利用SOOS架构，WSDC的所有48个pod可通过inter-P光交换的48个平面(平面1 820(1)至平面48820(48))互连，其中，每个平面包括另外12个光交换机(S#1至S#12)，用于总共48P×12S＝576个inter-P S；所述intra-P S交换可用于选择任何两个pod之间的平面，从而在给定pod P n的情况下，给定机架R内的架顶式交换机可与另一P中另一机架R内的另一架顶式交换机进行光交换；整个WSDC部署最终可包括576个intra-P S+576个inter-P S＝1152光交换机。

[0094] 其他实施例中，本领域技术人员应清楚理解到，可根据光交换机基数，减小或增加光平面的数量，以匹配数据中心的拓扑(即，WSDC的基数为64：每个机架上，64个平面穿过64个服务器的64个机架内的64个pod，或WSDC的基数为32：每个机架上，32个平面穿过32个服务器的32个机架内的32个pod)。

[0095] 短等待时间“老鼠”流的光交换可能太慢，因此，SOOS提供了每架顶式(T)1个QPLPO的简约3层叶脊结构非阻塞以太网分组交换机(EPS)830，对于WSDC中的所有“老鼠”流都足够大。SOOS中，将96个QPLPO的48个以太网intra-P结构EPS 830和48个QPLPO的48个附加以太网inter-P脊型EPS添加到2304个架顶式EPS中，用于总数为2304+48+96＝2400的以太网EPS。因此，为了处理SOOS中的“老鼠”流，以太网EPS结构脊型层中有(48×96Q)+(48×48Q)＝6912Q个EPS端口。比较Facebook的3+1端口48R×48P现有技术架构，例如参见https://code.facebook.com/posts/360346274145943/introducing-data-center-fabric-the-next-generat ion-facebook-data-center-network/，该设计包含96个QSFP+的高达64个结构交换机和64个QSFP+的高达192个结构交换机，相当于脊型结构中的(64×96Q)+(192×64Q)＝18,432QEPS端口。因此，根据本发明的实施例，该现有技术的设计中的EPS端口需为SOOS EPS脊型结构层的18432/6912＝2.7倍。

[0096] 根据本发明实施例的SOOS中，任何给定的pod Pod(n)810(n)中，每个架顶T具有上行链路端口，分配如下：12Q至12个不同的intra-P S、12Q至12个inter-P S以及1Q至48个不同以太网结构EPS中的每个EPS，总共25Q；32Q的每个架顶T具有剩余32Q-25Q＝7Q用于服务器，足够每个机架上的7×4＝28计算机服务器C以1/4线路速率运行。类似地，48Q(尺寸与SOOS中的脊型EPS相同)的架顶式T具有48-25＝23Q，用于以Q线速率运行的23台服务器和以1/4线路速率运行的高达23×4＝92计算机服务器C。SOOS中，只有3T跳通过光交换机可使任意两个计算机服务器C跨任何两个pod P分离，而在3层叶脊结构中，除了2T跳，还有2个结构跳和1个脊型跳，在任何两个计算机服务器C之间的任何两个pod P上总共5跳；因此，现有技术的3层叶脊结构的架构内，本发明的SOOS等待时间会因EPS而降低。

[0097] 如图8所示的示例性SOOS架构的任何给定的pod Pod n 810(n)中，在QSFP+线路速率下，所有架顶式交换机之间的总光交换带宽为48T×12Q×40Gbps＝23,040Gbps(指数为48位)，因此可光寻址容量为23,040Gbps×48radix＝1.1Pbps(每秒1.1贝脱比特)。然而，在QSFP28线路速率下，带宽为48T×12Q×100Gbps＝57,600Gbps(指数为48位)，因此可寻址的容量是57,600Gbps×48radix＝2.76Pbps。WSDC中，连接到Intra-P S和Inter-P S的架顶式T中的收发机的总数是24×2304T(24QperT)＝55,296Q。由于每个电路的每端具有1Q，因此在QSFP28线路速率下，光交换之前可用总带宽为(55296Q/2)×100Gbp2.76Pbps。该带宽首先通过总共576个Intra-P S光交换机进行光交换(指数为48位)，然后通过总共576个Inter-PS光交换机再次进行光交换(附加指数为48位)。整个WSDC得到的总可寻址带宽为
2.76Pbps×48×48＝6,359Pbpss(intra-P+inter-P)，因此，整个WSDC的光交换带宽是同步带宽的6,359Pbps/2.76Pbps＝2,304倍。图8是随着扩展，整个SOOS WSDC中EPS端口和光交换端口增加的示意图，图中展示了SOOS端口总和明显小于SOOS中所述的相同持续带宽下基于3层克洛斯的现有技术中其他WSDC设计的EPS端口数量。

[0098] 3.大规模硅光子学MOEMS集成光交换机

[0099] 3A：光交换机的概念

[0100] 如图6至图8所示，每个MOS RNA 650内，多个1:32光子光交换设备可用于发射机侧路由TxOS 740光引擎和接收机侧路由RxOS 770光引擎。此类基于发明者开发的新型MOEMS，利用了微光可调交换机(MOTUS)内核。图9中，第一和第二光引擎900A和900B为利用可调谐MOEMS，通过旋转MEMS反射镜路从单个波导路由到N输出波导，反之亦然，反射镜分别位于MEMS反射镜的后面或前面。如光显微照片900C和第一显微照片900D中所示，可调谐MEMS包括镜面部分930，其中弯曲的MEMS反射镜930A可相对于耦合到通道波导的平面波导区域930B转动。弯曲的MEMS反射镜930A可耦合到MEMS致动器920，该MEMS致动器920可在静电驱动下使弯曲的MEMS反射镜930A旋转。为了降低功耗，弯曲MEMS反射镜930A可使用第二显微照片900E中所示的闩锁致动器910来锁定到位。如第二显微照片900E所示，闩锁包括可移动部分，闩锁向下移动时，该闩锁两侧上的可移动部分将移动到锁定位置。该闩锁的致动器可使闩锁上下自由移动。

[0101] 下文图20A和20B展示并说明了MOTUS内无反射镜元件的1×N光交换机的其他实施例。图13B展示并说明了使用定向耦合器或其他光耦合器网络来替代第二光交换机的其他实施例，该组合级包括相同硅管芯上的多个光交换机。

[0102] 3B：光波导技术

[0103] 考虑到标准MEMS制造工艺、原型设计和生产操作的可用性，MOEMS(特别是MEMS)反射镜和其他MEMS致动器通常选择硅作为基板来制造，例如，MEMSCAP公司、桑迪亚国家实验室SUMMiT V工艺、Teledyne DALSA的多项目晶片“Shutt le”运行和生产设施以及意法半导体高产量微机电系统生产设施等所制造的多用户MEMS进程(MUMP)。

[0104] 3B.1：氮化硅波导平台

[0105] 在光波导技术的选择中，用于通信窗口中光波导的硅(1300nm和/或1550nm)是设有二氧化硅(SiO2)包层的氮化硅(Si3N4)芯光波导。图10中第一波导横截面1000A中展示了此类波导几何形状的示例。由此，所述光波导1000包括二氧化硅130下包层、氮化硅(Si3N4)140芯和二氧化硅(SiO2)130上包层。图中展示了波导横截面1000A，其中，光波导1000通过空气间隙耦合到可调谐元件内的MEMS反射镜(MEMSM)1100，该可调谐元件采用MEMS元件，例如，相对于平面波导区域930B的弯曲MEMS反射镜930A。由于所述光波导厚度为≈10μm，因此空气间隙接口处所述微机电系统反射镜1100可以是所述硅基板中形成的致动硅(Si)MEMS结构顶上的同种材料结构。所述光波导1000在其下方和所述硅基板前方设有聚酰亚胺层，经回蚀形成所述MEMS1100枢轴的一部分。沉积在所述光波导1000垂直端壁和微机电系统反射镜1100壁上的是抗反射涂层。

[0106] 现考虑基于Si3N4波导的MEMSM波长可调谐PIC电路的设计指南，再考虑MEMS镜设计半径1.00mm，耦合到布拉格反射器的光波导与MEMSM的边缘间隔200μm，且在每种情况下，MEMSM的枢转安装座到光波导的距离等于MEMSM的半径。因此，得到的MEMSM宽度为950μm，考虑到MEMSM的最大角旋转为±3°，则上下端波导之间的横向间隔分别为105μm。现考虑0.75μm间隔波导，设计半径1.00mm，可访问通道的最大数量为74(距离中心±37个通道)，而在较小通道间隔(0.5μm)处为80个通道(距离中心±40个通道)。因此，很明显，利用Si3N4波导技术，通道的数量很重要。设计参数不同，例如，通道数为12、16、18、24、32的较小设计半径的MEMS反射镜设备可在±3°MEMS反射镜旋转和较小的管芯封装内实施。因此，可在支持集成CMOS电子器件和大容量低成本标准工艺的制造平台上实施高通道数紧凑型电动MEMS1:N和N:1占地面积小、功耗低的光交换机。

[0107] 3B.2：硅绝缘体波导平台

[0108] 在光波导技术的选择中，可与1300nm和1550nm硅的电信窗口中光波导相匹配的是顶部设有空气包层而底部设有氮化硅(SiO2)包层的硅绝缘体波导。图10中的第二波导横截面1000B中展示了此类平台：其中波导几何1200包括下部二氧化硅(SiO2)130下包层、硅120芯，且可根据空气折射率或使用另一种材料来形成上包层。类似地，图中展示了波导横截面1000B，其中光波导1200通过空气间隙耦合到MEMS1300，例如，相对于平面波导区域930B的弯曲MEMS反射镜930A。

[0109] 然而，由于硅120的高折射率，用于单模波导的硅120的厚度限制为220nm，对于MEMS设备而言太薄。但厚度为时，模态指数为1μm的硅平面波导中存在5种模式，相应地，可利用脊形波导几何形状来选择基本模式。由此，1μm硅的所述微机电系统反射镜1300由同种材料形成。考虑到折射率，在所述光波导1200和微机电系统反射镜1300的空气间隙上的所述抗反射(AR)层可由折射率为1.66的聚对二甲苯1.66形成。所述抗反射层的厚度近似于233nm。

[0110] 现考虑基于绝缘硅波导的MEMSM波长可调谐PIC电路的设计指南，再考虑MEMS镜设计半径2.00mm，光波导与MEMSM的边缘间隔200μm，且MEMSM的枢转安装座到光波导的距离等于MEMSM的半径。因此，得到的MEMSM宽度为680μm，考虑到MEMSM的最大角旋转为±3°，则上下端波导之间的横向间隔分别为209μm。图11展示了光波导(间隔分别为4.5μm和5.5μm)的可访问通道的数量。因此，对于5.5μm间隔波导，设计半径2.00mm，可访问通道的最大数量为74(距离中心±37个通道)，而对于间隔为4.50μm的波导，该设计的可访问通道的相应最大数量为90个通道(距离中心±45个通道)。

[0111] 因此，很明显，使用绝缘硅波导技术同样可允许大量通道。设计参数不同，设备(例如，通道数为12、16、18、24、32、40和64较小设计半径的MEMS反射镜设备)可在±3°MEMS反射镜旋转和较小的管芯封装内实施。因此，可在支持集成CMOS电子器件和大容量低成本标准工艺的制造平台上实施高通道数紧凑型电动MEMS1:N和N:1占地面积小、功耗低的光交换机。

[0112] 3C：基于MOTUS的MOS光交换模块

[0113] 基于新型硅光子学的MOTUS1:N(例如，N＝32)的尺寸，以及封装的组件不受电路封装的限制，而是受到连接到管芯的N+1(例如，33)光纤束的限制。平面光电路管芯设有N+1高质量的V形槽，从而可以低损耗的方式安装大阵列N+1光纤。考虑到连接到相同管芯上的大量光纤，同一管芯上高N 1:N平面光交换机的成倍(例如，四个)包装示例中具有实际限制。2
包括四个1:32平面MOTUS光交换机的全硅封装管芯的尺寸应小于150mm ，可提供足够的空间来连接所需的4×(32+1)＝132光纤束。相比之下，MOTUS4×(1:32)管芯本身足够小，单个
8英寸晶片可制造超过200个管芯。测试光交换机的晶片尺寸，可得到每个管芯的成本，类似于微电子工业中集成电路等其他种类硅管芯的成本。

[0114] 因此，很明显，此类1:NMOTUS光引擎可形成3U机架单元710模块(730A至730D)或1U机架单元720内1:32TxOS740和32:1RxOS770的基础。然而，使用16个“管芯”的四个1:32MOTUS交换机示例的进一步集成可实现单个印刷电路板的封装，具有面向ToR QSFP+接口的64个光纤和面向其他模块化光交换机的2048个光纤。得到的64x2048模块化光交换机极其紧凑，功率很低，可在单个数据中心支持机架单元配置。通过内部光纤shuffle连接在一起的高密度光纤跳线，可实现模块化光交换机的堆叠。光交换机的模块化可实现在调试新机架时与其他ToR匹配地部署。此外，由于此类MOTUS光交换机功耗低、成本低、协议不可知、有效载荷不可知、波分复用不可知，且可避免单点故障，因此可通过TDM和WDM支持升级数据速率。

[0115] 3D：基于MOTUS的叶脊光交换机模块

[0116] 上文所述和所示的用于高N 1:N和N:1光交换机的MOTUS光引擎也可应用于小型N N×N光交换机，例如，使用4-ary 2-fly交换方法的4×4非阻塞构建块。由于N＝4，则可在MOTUS光引擎内采用更紧凑型旋转MEMS元件，从而将完全集成的4×4矩阵集成到如图12所示的4mm2管芯中，其中布局1300A包括完全连接的交换机矩阵，例如，示意图1300B中的4个2
1:4光交换机和4个4:1光交换机，全部通过光互连来连接。因此，4×44mm管芯现只有8个光纤连接。此类4×4可形成叶片交换机内的光交换机模块的基础。显然，完全连接的交换矩阵在此类叶片交换机内可实现严格的非阻塞路由和重配置。该架构可推广到使用1:N和N:1光交换机的N×N，但由于路由N交叉连接具有复杂性，随着N2的增加，波导互连可能脱离管芯。

[0117] 因此，应考虑光脊型交换机，其中64×(1×64)输入交换机的输入阵列可通过64×(64×1)光纤互连网络耦合到64×64＝4,096输出交换机的光脊型交换机。此类光互连可利用光纤和/或聚合物柔性平面互连方法，或利用固定的V沟槽互连，来实现紧凑64×64交叉连接，输入V沟槽中交换机的64个输出可耦合到成直角的64个V形槽组件的输出V沟槽阵列。

[0118] 根据本发明实施例的光交换应用中，节点内路由到一个连接的发射机路由回相联接收机的可能性很低，相应地图12中，第二示意图1300C展示了根据本发明的实施例的复杂性(RC)较小的N×N光交换机(RCOS)。如图所示，RCOS采用N 1:(N-1)和(N-1):1交换矩阵，具有(N-1)×(N-1)交叉连接。因此，每个输入In#X(X＝1,2,3,4)可以较小复杂性的交换和光互连路由到输出Out#Y(Y＝1,2,3,4)(Y≠X)。

[0119] 根据本发明的实施例，图13中第一和第二图像1300D和1300E分别展示了4×4和8×8光交换机矩阵，分别采用了MOTUS光引擎，基于定向耦合器可路由到光接收器。第一图像1300D展示了包括第一至第四MOTUS光引擎1310A至1310D的4×4光交换机，该光引擎可耦合到数据源(为清楚起见未示出)，在控制器的控制下，可分别选择输出端口以分别传输到第一至第四光接收器1320A至1320D的选定接收器(为清楚起见未示出)。来自MOTUS光引擎
1310A至1310D的每个输出端口可分别通过一个或多个定向耦合器耦合到选定的接收器。由于交叉矩阵的设计，每个光路由与通向/来自定向耦合器的水平和垂直链路组成，从而路径之间的光交叉为90度，以实现高串扰和低损耗。与传统的完全连接架构相比，该架构还减少了交叉连接的数量。

[0120] 相比之下，第二图像1300E展示了8×8交换机矩阵设计方法的扩展，其中第一至第八可插拔收发机1330A至1330H可分别耦合到第一至第八MOTUS光交换机1340A至1340H以及第一至第八接收机1350A至1350H。每个第一至第八MOTUS光交换机1340A至1340H的光输出可分别耦合到基于定向耦合器的路由矩阵，由此分别耦合到第一至第八接收机1350A至1350H的适当接收机。该配置可提供循环，若无需此功能，则矩阵可减少到多个光纤互连。由于交叉矩阵的设计，每个光路可由通过定向耦合器从每个MOTUS光交换机到接收器的水平和垂直链路组成，从而路径之间的光交叉为90度，以实现高串扰和低损耗。同样，当与传统的完全连接架构相比时，该架构还减少了交叉连接的数量。

[0121] 图13中还展示了根据本发明实施例的交叉1300F，例如，图13B的第一和第二图像1300D和1300E中4×4和8×8光交换机矩阵内实施的交叉。交叉1300F处，每个光波导1360具有可使光束扩展的锥形1370，从而可提高交叉1300F的性能。锥形1370内，可形成亚波长纳米结构，以通过增强扩展光束的模式转换来进一步提高交叉的性能，因此可减少插入损耗。

[0122] 虽然上文说明了采用管芯装波导交叉的4×4和8×8光交换机矩阵，但本领域技术人员应理解到，可使用其他交叉来设计较大的交换机矩阵。例如，48×48设计可能需在任何交换位置的路径中具有约95个垂直交叉，交叉(0.01dB)可使因交叉而导致的附加管芯损耗约1dB。

[0123] 4.延时的空间交换机矩阵

[0124] 本发明的实施例中，如图4至图8和图13所示，基于MOEMS的MOTUS光交换引擎可提供紧凑型、低功率、低成本、协议不可知、有效载荷不可知和波分复用不可知的技术，用于在数据中心的叶脊路由结构内提供光子交换结构。此类基于MOEMS的MOTUS光交换引擎也可用在例如路由器、波长分插复用器、保护交换等其他光交换结构中；但采用旋转镜的此类基于MOEMS的设备(顺序为10μs-100μs)交换速度在许多应用中可能极慢，原因是重新配置的光链路在交换过程中应是非激活的。因此，本发明者已建立了延时的空间交换机矩阵或时空交换机矩阵。图14展示了时空N×N交换机1400A，采用了第一和第二时间交换级1410和1440以及包括第一和第二矩阵1420和1430的中心空间交换级。第一和第二时间交换级F11410和F21440包括N×(1×2)和N×(2×1)交换阵列，而第一和第二矩阵SFM1 1420和SFM2 1430包括N×N交换矩阵。

[0125] 因此，如时序图1400B所示，光流量首先通过第一矩阵SFM11420进行路由，直到触发第二矩阵SFM2 1430到新的期望配置时间T1。因此，T2＝T1+TMEMS，其中TMEMS是MOEMS交换机的交换时间，形成了第二矩阵SFM2 1430，且在缓冲期TBUFFER之后，触发第一和第二时间交换级F1 1410和F2 1440，T3＝T2+TBUFFER＝T1+TMEMS+TBUFFER，从而T4＝T3+TFAST＝T1+TMEMS+TBUFFER+TFAST，其中TFAST是分别是所形成并用于实时流量的第一和第二时间交换级F1 1410和F2 1440的交换速度。若使用铌酸锂光子电路实施称为1:2和2:1交换机阵列的第一和第二时间交换级F11410和F21440，则可轻易实现亚纳秒交换速度。根据第一和第二时间交换级F11410和F21440的光子电路技术，可实现从微秒到亚纳秒的交换速度。因此，MOEMS交换时间TMEMS定义了若TMEMS≤TELAPSE+TFAST，时空N×N交换机1400A的最大重新配置速率，而第一和第二时间交换级F1 1410和F2 1440限定了时空N×N交换机1400A的交换速度。

[0126] 图15展示了分别包括第一和第二1×2空间矩阵1520A和1520B以及分别包括第一至第四输入4×4时间交换机1510A至1510D以及第一至第四输出1×2时间交换机1530A至1530D的示例性时空N×N交换机1500。利用光子电路技术，所有8个时间交换机可集成到单个管芯中且两个4×4空间矩阵可集成到单个管芯，并共同封装。或者，具有或不具有集成光放大的化合物半导体InGaAsP交换机可用于时间交换机，或随着硅光子学的继续开发，未来可能将时间和空间交换机形成在同一硅晶片内。

[0127] 时空N×N交换机在图15中的时空N×N交换机1550中广泛应用，其中M N×N空间交换机1570(1)至1570(M)为设于具有N个1:M交换通道的输入时间交换机1560和具有N个M:1交换通道的输出时间交换机1580之间。与仅具有2个空间交换机矩阵的时空N×N交换机1400A相比，M空间交换矩阵可使时空N×N交换机1550重新配置的速率大于TMEMS，例如第二空间N×N交换机而并非时空N×N交换机(可等待第一空间N×N交换机重新配置并交换回实时流量)已配置和激活，第三N×N交换机可重新配置。因此，可根据空间矩阵的最大重新配置速率和交换时间来形成维度M，忽略诸如TELAPSE和暂时交换时间的缓冲延时TFAST。

[0128] 根据本发明实施例的时空N×N交换机(TSN2S)方法也可应用于可重新排列的非阻塞交换结构以及如图16所示的严格无阻塞的交换结构，其中第一和第二TSN2S矩阵1600和1650分别采用普通的32x32可重新布置的Benes网络(采用2×2交换元件)。参照第一TSN2S
1600，其可视为采用具有复杂性16×(2×2)的输入和输出时间矩阵1610和1640的第一和第二16×16空间矩阵1620和1630的2位16×16TSN2S。或者，如第二TSN2S1650所示，则可将其视为采用第一至第四8×8空间矩阵1670A至1670D的4位8×8TSN2S，该第一至第四空间矩阵
1670A至1670D设于第一和第二输入时间16×(2×2)矩阵1660和1665以及第一和第二输出时间16×(2×2)矩阵1670和1675之间。第一和第二输入时间16×(2×2)矩阵1660和1665以及第一和第二输出时间16×(2×2)矩阵1670和1675可通过完美的shuffle耦合，第二输入时间16×(2×2)矩阵1665和第二输出时间16×(2×2)矩阵1675可通过两个完美的shuffle网络耦合到第一至第四8×8空间矩阵1670A至1670D，可将上部8个2×2交换机连接到第一和第二8×8空间矩阵1670A和1670B，而将下部8个2×2交换机连接到第三和第四8×8空间矩阵1670C和1670D。

[0129] 因此，若32x32可重新布置的Benes网络由第一、第二、第六和第七等级的快速交换机和第三至第五级交换机的慢速交换机构成，则可部署为2位16×16TSN2S或4位8×8TSN2S。该配置在图17中的第一和第二示意图1700和1750中交替地示为交替的交换平面。
第一和第二输入时间16×(2×2)矩阵1660和1665以及第一和第二输出时间16×(2×2)矩阵1670和1675可以分别替换为8×(1×4)和8×(4×1)输入输出时间矩阵。

[0130] 图18的第一示意图1800展示了采用该32×(1×4)和32×(4×1)输入输出时间矩阵的4位32×32时空交换结构。但与上文图14至17中的时空交换结构相反，严格而言，非阻塞或可重新配置的非阻塞矩阵可明确地或隐含地视为在使用中进行交换，单独地基于全部共同工作的时间交换机。该情况下，为了下一重新配置而形成的空间矩阵须在时间交换机进行交换之前完全配置。但不一定必须以这种方式工作。或者，可在4个32×32时空交换结构1820Y(Y＝A,B,C,D)内形成路径，与时间输入和输出交换机1810X并行，彼此独立地工作。因此，如第一至第四32×32时空交换结构1820A至1820D所示，路径可在32×32时空交换结构中同时形成，下一配置可用于重构另一32×32时空交换结构内形成的路径。因此，仅该路径或重新配置的路径应停止发射以便进行重新配置，而通过单个时空交换结构的所有路径的路由中，所有路径均应暂停传输。

[0131] 很明显，如图18所示的时空交换结构可通过增加控制算法中的复杂性来进行路径的周期性重新包装，从而使多个平面采用最小数量的交换元件，以便在形成新的光路径时无需一个或多个现有路径同时重新配置。替代性的重新包装例如可将所有路线划分到特定的空间交换平面或将输入端口的重新包装子集划分到不同的预定空间交换平面。很明显，如图18所示的时空交换结构可与严格的非阻塞空间交换结构、广义无阻塞空间交换结构、可重新配置的非阻塞空间交换结构和阻塞空间交换结构共同使用。可选地，多个空间交换结构可全部相同，或在本发明的其他实施例中，可采用不同阻塞级别的空间交换结构。可选地，输入输出时间交换机阵列可在波长域中进行配置，从而使特定端口与特定波长相关联。可选地，一些空间交换结构可与时空交换结构内的其他空间交换结构具有不同的维度，或可利用其他技术，使多个空间交换结构中的某些平面以不同的速率进行路由。例如，具有较小角度旋转的MOEMS1:4MOTUS光引擎的交换速率可比相同技术中MOEMS 1:32MOTUS光引擎更快。此类短暂而突发的“大象”流可通过该空间交换结构进行路由，原因是能比其他交换结构更快地对平面进行重新配置。可选地，路由到该平面的流量可实现若链路超过预定持续时间则路由到空间交换结构的另一平面。显然，在不脱离本发明范围的前提下，可采用一系列配置。

[0132] 如图14至18所示，本说明书中关于将输入端口映射到输出端口的时空交换结构的配置可由控制器暗中确定。很明显，本发明的实施例中，控制器可通过遥控器的映射来提供，例如，数据中心内，基于连接到时空交换结构(例如，叶片交换机)的设备发出的信令，或基于受到流量负载影响的设备发出的信令(例如，脊型交换机，其中时空交换结构可连接到叶片交换机)。或者，时空交换结构的必要控制信息可从本地导出，例如，分析所接收的信号(例如，头部/前导码数据)。

[0133] 本发明的其他实施例中，时空交换结构可用于卸载分组交换层重负载的网络通道。因此，时空交换结构可为具有光交换端口和分组交换端口的混合交换机，其中该交换端口全部以光方式进行路由，但分组交换机端口可路由到分组交换机而非本地/远程光接口设备/网络。因此，可在交换机通道深度缓冲器中探测分组头部，并在第一分组进行传输时有效负载到达时空交换结构(下一分组所需的配置)之前从头部进行识别。因此，可减少传输中的死区时间。可选地，时空交换结构内空间交换的一些平面可优先地由分组数据采用。

[0134] 图19展示了一对光电路交换机1910和1920之间的带外同步机制。如图所示，第一光交换机1910的每个输出可分别通过第一、第二和第三抽头1930、1960和1970耦合到第二光交换机。第一抽头1930可将X％(例如，X＝2)耦合到第一光电检测器1940。耦合到每个第二抽头1960的是光源1950，从而Y％(例如，Y＝2)光源1950输出的光信号可通过第一光电路交换机1910到第二光电交换机1920的光信号耦合到光纤上。然后，此类信号中的每个信号再通过滤波器1970(该滤波器1970可将来自光源1950的输出耦合到第二光电探测器1980，但直接将网络信号传输到第二光电交换机1920)。因此，控制电路(为清楚起见未示出)可接收来自第一光电检测器1940的输出，以确定可用的光源1950并由此向第二光电探测器1980提供信号。

[0135] 因此，例如，交换信道上存在来自第一光电路交换机的光信号，可触发所有光源1950(除了与有源信道相关联的光源)，此类光源1950的输出(例如，带外传输LED上的输出)可通过滤波器激活并耦合到第二光电探测器1980，从而第二控制电路(为清楚起见未示出)可根据接收到的信号(除了激活的信号之外的所有信号)确定需接通的端口。因此，可基于所发射的光信号内的前导码信号来使第二光电交换机1920进行交换。通常，应去除第一抽头1930和第一光电检测器1940，且光源1950应根据可获取第一光交换机电路1910配置的控制电路来触发。以这种方式，可采用光学层中的频带外信令来分别区别彼此远离的第一和第二光交换机电路1910和1920。图19所示的示例十分简单，但很明显，该方法适用于通用交换结构，原因是每个非激活路径可携带带外信号，从而可在多个远程交换机上与其他组合共同接收，以确定激活路径。或者，只有激活路径可利用带外信号激活。

[0136] 可选地，第二抽头1960可为通过粗WDM将传输信号与带外光源1950信号组合的多路复用器。若使用了第一抽头1930，则此类多路复用器可与MOTUS光引擎集成。类似地，滤波器1970、解复用器可与相应的第二光电交换机MOTUS光学引擎集成。因此，可采用便宜的LED和低成本光电二极管来实现光交换机之间的低比特率/连续波和超低延时同步。多路复用器和解复用器不仅可与硅MOEMS集成，同时，还可使用单片和/或混合集成技术将光电检测器和LED集成到硅晶片。

[0137] 5.增强型MOEMS光交换设备

[0138] 前面的章节中，已针对小型交换结构即4×4、分布式交换元件(例如，1×48)和大型交换结构，说明了利用微机电系统(MOEMS)的光交换结构。本发明者在先前的专利申请中已建立了此类MOEMS光交换机的多个构建块，此类专利申请包括：-2014年3月7日提交的题为《基于反射镜的MEMS和方法》的美国临时专利申请(61/949,
474)；
-2015年3月9日提交的题为《基于反射镜的MMS和方法》的知识产权局专利合作条约申请；
-2014年3月10日提交的题为《关于光网络的方法和系统》的美国临时专利申请(61/
950,238)；
-2015年3月10日提交的题为《关于光网络的方法与系统》的知识产权局专利合作条约申请；
-2014年3月7日提交的题为《波长可调谐光元件和子系统的方法和系统》的美国临时专利申请(61/949,484)；和
-2015年3月9日提交的题为《波长可调谐光元件和子系统》的世界知识产权局专利合作条约申请。

[0139] 下文第5.1至5.3节中说明了使用MOEMS技术的光交换机变型，无需使用反射镜(例如，上文说明和示出的1×N光交换机的MOTUS光引擎中使用的反射镜)。

[0140] 5.1.全自动和半位闩锁的直接MOEMSM×N光交换机

[0141] 图20A展示了具有枢转波导和双侧向闩锁致动器的直接波导-波导1×NMOEMS光交换机。如图所示，输入波导2010形成在衬底区域，该衬底区域包括硅衬底和中间层以及光波导堆叠，现有技术已知的衬底上的波导配置，发明者称之为非悬置波导。再转变为波导部分2020和2025，该波导部分2020和2025是悬置的波导部分，原因是衬底已经过完全蚀刻或波导结构下方留有薄层。波导部分2020和2025位于枢轴点2045之前和之后，该枢轴点2045是与通过基底蚀刻的波导结构耦合的柱体，例如，图22中的第三横截面2275。可通过光束侧向耦合到支撑光波导部分2020和2025的光束是第一和第二旋转致动器2040和2050。该致动器在通过向第一和第二旋转致动器2040和2050施加适当的DC电压产生的静电力下，可将波导束绕枢轴点2045扭转在柱体上，从而使光波导的端部可与所需光波导对准布置在MOEMS结构的第二非悬置部分上的光波导阵列2070。

[0142] 旋转后，第一和第二致动器2040和2050可通过第一和第二闩锁致动器2030和2060分别锁定到位，从而使交换机保持在选定配置，而不会持续地将直流电压施加到第一和第二旋转致动器2040和2050。通过将例如第二闩锁致动器2060的闩锁角度偏移第一闩锁致动器2030的一半步长，则可增加闩锁位置的角度分辨率，从而使可设位置的数量加倍，以增加波导数量和/或减小旋转角度范围。因此，图20A中的MOEMS光交换机用作可闩锁的1×N光交换机，其中N是光波导阵列2070内的可寻址/所具有的波导数量。很明显，光交换机通过将作为波导输入输出的关联反转而用作可闩锁的N×1光交换机。

[0143] 现图20B展示了与图20中基本相同的机械配置，不同之处在于图20B中非悬置式输入波导部分2080如同悬置的波导部分2090和2095一样具有M光波导，从而光束可在第一和第二旋转致动器2040和2050的作用下旋转，将M光波导对准光波导阵列2070内的N输出波导的子集，或若间距不同，则所选的一个M光波导或其子集可对准N输出波导的子集。例如，沿一个方向旋转可将M光波导对准N输出波导的一个子集，例如，M，其中N＝2×M，沿另一方向旋转时，则可将M光波导对准N输出波导的另一子集，例如，M，其中N＝2×M。以这种方式，图20B中的光交换机可用作M联动1×2光交换机或M联动2×1光交换机。很明显，可实施其他配置，例如，联动1×4或1×8交换机。

[0144] 为了使具有波导的悬置光束相对于光波导阵列2070旋转，可提供气隙。本领域技术人员应清楚理解到，即使空气间隙为1-3μm，也会增加光损耗。因此，参照图20C，图20A和20B分别展示了1×N或M:N交换机的变型。因此，枢转点2045和波导阵列2070之间的悬置光波导2000A现成形为具有柔性间隙的闭合结构，从而可使间隙损耗最小化，原因是通过弯曲设计内应力的结构可减少间隙并可延长，从而可使旋转波导与输出波导阵列2070接触。可选地，柔性间隙封闭结构可金属化，从而加热可增加引起进一步弯曲的应力，使间隙在MOEMS之前形成并随后释放，原因是悬置梁具有隔离性，热质量低。或者，MOEMS可包括线性致动器以便抽出波导，使该波导旋转，再重新闭合间隙，其中柔性间隙闭合结构可吸收线性致动器中的过度运行。

[0145] 5.2.用于无交叉横向条拓扑的MOEMS2×2光交换机

[0146] 上述架构中，对采用1×N和N×1光交换机的重要部分进行了说明和讨论(如图4-8B、13和15所示)，其他采用2×2交换元件的部分如图16-18所示。2×2交换元件可采用具有无源互连的4个1×2交换元件来实施，需使用较大交换结构中的长构建块，通常，采用1×2交换元件的架构有利于完全连接的架构(如图13所示)，而非横向条结构(如图21A所示)。若光交换机可作为2×2构建块实施，则如图21A所示的严格无阻塞4×4横向条交换机可采用
16个2×2光交换机或64个1×2。相反，完全连接仅需24个1×2，但与横向条交换机结构不同的是需大量的波导交点。进一步地，图21B展示了根据本发明实施例、所有采用2×2MOEMS交换元件2100B的4×4矩阵2100D、8×8矩阵2100E和64×64交叉矩阵2100F(如下图22A至26B所示)。如图21B所示，使用16个2×2MOEMS交换元件2100B的4×4矩阵2100D在8×8矩阵
2100E内可形成“构建块”，从而可采用包括共64个2×2MOEMS交换元件2100B的4个4×4矩阵
2100D。然后，每个8×8矩阵2100E可成为“构建块”，使64个8×8矩阵2100E形成64×64横向条矩阵2100F，从而可采用1,296个2×2MOEMS交换元件2100B。

[0147] 因此，如图22中第一图像2200所示，本发明者已通过提供1×2渐逝耦合的光元件(ECOE)建立了MOEMS2×2。如第一至第五横截面2260至2290所示，1×2ECOE可应用于不同区域：-锚固的MEMS结构(第一横截面226)，其中上硅(Si)2220可通过中间二氧化硅(SiO2)
2230牺牲层锚固到硅(Si)2220衬底；
-未固定的MEMS结构(第二横截面2270)，其中已蚀刻和去除SiO22230和Si 2220衬底，仅留下SiMEMS元件；
-枢轴悬置波导(第三横截面2275)，其中SiO22230包层和氮化硅(Si3N4)芯光波导位于具有基板(枢轴)隔离柱的Si 2220光束顶部；
-悬置波导(第四横截面2280)，其中SiO22230包层和氮化硅(Si3N4)芯光波导位于自由Si2220波束顶部；和
-非悬置波导(第五横截面2290)，其中SiO22230包层和氮化硅(Si3N4)芯光波导可通过中间二氧化硅(SiO2)2230牺牲层锚固到硅(Si)2220衬底。

[0148] 薄Si3N4芯层(例如70nm≤t≤220μm)可在无需偏振无关的操作时使用，而在本发明的其他实施例中，可采用较厚的Si3N4芯层，t≈1μm，用于偏振无关的交换操作。图23A和23B分别展示了“默认”、“条形”和“交叉”状态下的1×2ECOE操作。而图22B展示了如上文中光交换机实施例一样利用类似的波导-波导耦合(通常称为对接耦合)的2×2对接耦合光元件(BCOE)2200A。原则上，根据本发明实施例的2×2BCOE交换元件可采用与2×2ECOE相同方式工作的MOEMS元件，但需具有端端波导耦合而非渐逝耦合。参照图23A中最初的第一图像2300A，悬置的波导结构2360示为与非悬置波导结构2350成一直线。每个非悬置波导结构
2350具有代表输入波导对或输出波导对的一对波导。悬置的波导结构2360包括标记为1-4的四个光波导，其中一个隔离，另三个按预定的图案交叉，从一端延伸到另一端。悬置的波导结构2360可耦合到MEMS2340，该MEMS2340是任一端具有柔性锚固件2330的线性梳状致动器，设于耦合到VDD22310和VDD12320的第一和第二固定梳之间。如图23A中的第一图像2300A所示，两个电压VDD1、VDD2均未使用，从而使MEMS2340处于“中性”默认状态。

[0149] 现参照图23B中的第二图像2300B，已施加适当的电压VDD1和VDD2，从而可使MEMS2340和悬置波导2360移动，波导1和4现通过波导1和4渐逝地耦合到输入和输出波导，该波导1和4物理地邻接在非悬置波导结构2350上输入和输出波导的映射悬置部分。因此，输入和输出波导可通过波导1和4以“条形”状态耦合。图23C的第三图像2300C中，已施加适当的电压VDD1和VDD2，从而可使MEMS2340和悬置波导2360移动，波导2和3现通过波导2和3渐逝地耦合到输入和输出波导，该波导2和3物理地邻接在非悬置波导结构2350上输入和输出波导的映射悬置部分。因此，输入和输出波导可通过波导2和3以“交叉”状态耦合。因此，2×2交换元件可支持条形和交叉状态以及阻止来自输入的输出的非输入状态。

[0150] 根据采用MOEMS元件和光渐逝耦合的本发明实施例，分别在图24中的第一和第二状态2400A和2400B中说明了替代2×2交换元件。第一状态2400A中，2×2交换元件包括在第一和第二MEMS位置2410A和2420A中的一对MEMS致动器，可控制第一和第二悬置波导部分2430和2440的移动，从而该第一和第二悬置波导部分2430和2440可与第一和第二波导2450和2460分离，交叉于设备中间。因此，由于第一和第二悬置波导部分2430和2440的分离，2×
2交换元件可处于默认的交叉状态。第二图像2300B中，MEMS致动器已致动到第一和第二MEMS位置2410B和2420B，从而使第一和第二悬置波导部分2430和2440耦合到第一和第二波导2450和2460，使耦合到2×2交换元件的光信号渐逝地耦合到第一和第二悬置波导部分
2430和2440并由此传输再重新耦合。以这种方式，第一和第二悬置波导部分2430和2440内的光信号可绕过设备中间的交叉，从而使2×2交换元件置于条形状态。可选地，具有波导交叉设计的非悬置波导部分的中心部分和耦合至/自该结构的光波导，可使第一和第二悬置波导部分2430和2440形成零间隙定向耦合器或限定的间隙定向耦合器，其中非悬置波导部分上的波导在中心部分内转移离开，以便在交叉之前避免可能发生的重新耦合，从而增加串扰。

[0151] 5.3.用于无交叉横向条拓扑的闩锁MOEMS2×2光交换机

[0152] 现图25A和25B展示了根据本发明实施例的闩锁2×2交换元件，分别利用“交叉”和“条形”状态的MOEMS元件和光渐逝耦合(如图24所示)。因此，2×2交换元件的默认交叉状态可通过非悬置波导部分2510内的波导交叉设定。悬置的波导部分2530可在线性致动器控制下从致动器2510移动，以便通过使悬置的波导部分2530相对于非悬置波导部分2510成预定的间隔来将2×2交换元件转换到条形状态或通过使悬置波导部分2530与非悬置波导部分2510分离而回到交叉状态；任一状态下，第一至第四闩锁2540A至2540D以及弹簧2520可通过将悬置的波导部分2530锁定到每种交换状态位置而将交换机保持在限定状态。该弹簧
2520可用于拉住悬置的波导部分2530而推压在闩锁2540A至2540D上。图中还展示了交换机置于条形状态时，可限制悬置波导部分移动的限制器2560。该限制器2560可将悬置的波导部分2530和非悬置波导部分1310之间的波导间隔设为耦合模式理论中的波导间隔，以便从“耦合”区域重新分离时可在波导之间进行100％功率耦合。

[0153] 现图25C和25D展示了根据本发明实施例的闩锁2×2交换元件，分别采用“交叉”和“条形”状态下的MOEMS元件和光渐逝耦合(如图24和图25A和25B)。因此，2×2交换元件的默认交叉状态可通过保持在地电势的非悬置波导部分2510内的波导交叉设定。悬置的波导部分2530可在线性致动器控制下从致动器2510移动，以便通过使悬置的波导部分2530相对于非悬置波导部分2510成预定的间隔来将2×2交换元件转换到条形状态或通过使悬置波导部分2530与非悬置波导部分2510分离而回到交叉状态；任一状态下，第一至第四闩锁2540A至2540D以及弹簧2520可通过将悬置的波导部分2530锁定到每种交换状态位置而将交换机保持在限定状态。该弹簧2520可用于将悬置的波导部分2530以条形状态拉到闩锁2540A至2540D(如图25D所示)，并将悬置的波导部分2530以交叉状态推压在闩锁2540A至2540D上(如图25C所示)。图中展示了通过施加到MEMS致动器固定部分的VDD1来致动的悬置波导部分
2530，以及再通过施加到MEMS致动器固定部分的VDD2来致动的闩锁2540A至2540D。

[0154] 5.4.用于无交叉横向条拓扑的无闩锁致动器的MOEMS2×2光交换机

[0155] 上述结构中，MEMS致动器已移动了MOEMS光交换机的一个或多个元件，以将光交换机从一种交换状态转换到另一种。而图26A和26B展示了采用非悬置波导1330和悬置波导1350部分之间感应电磁力的替代MEMS光交换机。因此，图26A中，悬置波导部分1350在弹簧
1340的作用下分离时，2×2交换元件的默认交叉状态可再次通过非悬置波导部分1330内的波导交叉进行设置，再使用第一至第四闩锁2540A至2540D进行锁定。但第一至第四闩锁
2540A至2540D释放非悬置波导部分1330与悬置波导部分1350之间的电磁吸引时，则可将该悬置波导部分1350拉向非悬置波导部分1330。此外，限制器2660可用于限制悬置波导部分
1350的移动，波导之间的间隙是与“耦合”区域重新分离时，通过耦合模式理论中波导之间的100％功率耦合形成的。悬置波导部分1350的电磁吸引可通过相对于非悬置波导部分
1330，适当地偏置悬置波导部分1350来形成。

[0156] 5.5.使用钝化层作为间隔，用于无交叉横向条拓扑的无闩锁致动器的MOEMS2×2光交换机

[0157] 现图27中第一和第二横截面图2700C和2700D展示了根据本发明实施例、无闩锁致动器的MOEMS2×2光交换机2700的实施例。无闩锁致动器的MOEMS2×2光交换机2700利用了与MOEMS光交换机(分别如图26A和26B所示)类似的设计和结构，该结构采用了非悬置波导和悬置波导部分之间感应电磁力。但无闩锁致动器的MOEMS2×2光交换机2700不采用限制器结构2660，原因是可替代地依赖于悬置波导部分1350和非悬置波导部分1330的直接物理邻接。图27展示了上部区域2700A处于“脱离”状态，其中悬置波导1330已由弹簧单独地拉动离开非悬置波导1350，或下部区域2700B处于“接合”状态时，可通过改变隔离悬置硅的极性与斥力结合，此时悬置的波导1330通过抵抗弹簧力的静电吸引而抵靠着非悬置波导1350而接合。

[0158] 第一横截面2700C中，硅2220顶部的Si3N4芯-SiO2包层悬置在每个悬置波导1330和非悬置波导1350上；第二横截面2700D中，硅2220顶部的Si3N4芯-SiO2包层悬置在每个悬置波导1330上，但悬置在非悬置波导1350下。显然，在不脱离本发明范围的情况下，可实施其他变型。

[0159] 图22A至27展示了作为两个波导之间的简单线性结的波导交叉。但在本发明的实施例中，该交叉区域可采用通过成形波导转换形成的波束、通过子波长结构等进行的模式耦合，来增强交叉串扰和损耗性能。同样很明显，定向耦合器的零间隙或固定间隙性能需符合光交换网络的波长范围。

[0160] 6.基于垂直方向耦合器的MOEMS光交换元件

[0161] 分别如上图21B至27B所示，本说明书已说明并展示了采用MOEMS激活的横向定向耦合器元件的光交换元件。而本发明者还建立了具有垂直方向耦合器而非侧向定向耦合器，采用线性MOEMS移动的定向耦合器元件。例如，图28A展示了根据本发明的实施例、基于线性移动MOEMS的垂直光耦合元件的第一至第四横截面图2800A至2800D，即：●第一横截面图2800A，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置和平移MOEMS元件进行线性移动可使光信号从固定光波导渐逝地耦合至/自MOEMS光波导，且单独的纵向线性平移或纵向线性平移与垂直平移相结合可调整/停止渐逝耦合；
●第二横截面图2800B，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置和平移MOEMS元件进行线性移动可使光信号从固定光波导渐逝地耦合至/自MOEMS光波导，且单独的横向线性平移或纵向线性平移与垂直平移相结合可调整/停止渐逝耦合；
●第三横截面图2800C，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置和平移的MOEMS元件进行线性移动可使光信号消逝地耦合至/自MOEMS元件的任一端的固定光波导；和
●第四横截面图2800D，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置和平移的MOEMS元件进行线性移动可使光信号对接耦合至/自固定光波导。

[0162] 很明显，在本发明的其他实施例中，平移元件可为垂直定向耦合器的下波导，而非如第一至第三截面2800A至2800D中所示的上波导。第三横截面图2800C中，中心波导的平移可提供交换功能的不同配置，其中，中心波导固定且输入和/或输出波导共同或独立移动。现图28B展示了根据本发明的实施例、基于旋转移动MOEMS的垂直光耦合元件的第一至第三截面图2850A至2850C。即：
●第一横截面图2850A，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置MOEMS元件进行旋转移动可使光信号从固定光波导渐逝地耦合至/自MOEMS光波导，且单独的旋转移动或旋转移动与垂直平移相结合可调整/停止渐逝耦合；
●第二横截面图2850B，其中具有设于顶部的光波导的悬置MOEMS元件进行旋转移动可使光信号通过固定光波导的对接耦合而耦合至/自MOEMS光波导，且单独的旋转移动或旋转移动与垂直平移相结合可调整/停止渐逝耦合；
●第三横截面图2800C，其中具有在顶部悬垂设置的光波导的悬置MOEMS元件进行旋转移动可使光信号消逝地耦合至/自对准配置中的固定光波导，但上波导的旋转会导致耦合停止。

[0163] 很明显，本发明的其他实施例中，旋转元件可为垂直定向耦合器的下波导，而非如第一至第三截面2850A至2850C中所示的上波导。

[0164] 7.阻塞式2×2单元晶格和采用相同交换元件的交换机矩阵

[0165] 现参照图29A，第一示意图2900A展示了根据本发明实施例的1×2光交换元件，该光交换元件可采用在第一状态(输入2/1分别路由至输出4/3)以及第二状态(输入2路由至输入3)下支持耦合的光交换机。此类1×2元件可构成一系列MxN交换机的基础，例如，4×43×4光交换机矩阵(分别如第二和第三原理图2900B和2900C所示)。图29B展示了根据本发明的实施例、采用1×2交换元件拓扑(如图29A所示)、基于线性移动MOEMS的1×2光交换元件。如图所示，第一和第二MEMS致动器2940和29560分别可使悬置的MOEMS平台(包括弯曲波导
2920和交叉2910)横向移动(X轴)，而第三MEMS致动器2950可使悬置的MOEMS平台在Y轴上移动。

[0166] 因此，波导2970和2980均可耦合到弯曲波导2920，或耦合到直波导由此耦合交叉2910。因此，MEMS致动器可使基于MOEMS的1×2光交换元件配置成如图29A中第一示意图
2900A所示的状态1和状态2。第一和第二原理图3000A和3000B分别示意性地展示了这两种状态，其中根据本发明的实施例，基于线性移动MOEMS的1×2光交换元件(如图29B所示)可采用条形和横向状态中的线性对接耦合，其中为了清楚起见，图28A中第四示意图2800D展示了具有间隙的波导，或图28A中第一示意图2800A展示了垂直耦合的波导。

[0167] 现图31分别展示了根据本发明实施例的2×2和3×3光交换电路3100A和3100B，该电路采用了基于线性移动MOEMS的1×2光交换元件(如图29B和30所示)。2×2光交换电路3100A中的1×2光交换元件对3010A/3010B和3010C/3010D的外波导路径可通过波导反射镜
3030耦合。类似地，在3×3光交换电路3100B内，1×2光交换元件对3020A/3020B、3020B/
3020C、3020G/3020H和3020H/3020I类似地通过波导反射镜3030耦合。现图32展示了根据本发明的实施例、采用基于线性移动MOEMS的第一和第二1×2光交换元件3210和3220的8×8光交换机矩阵(如图29B和30所示)，其中第二1×2光交换元件3220是第一1×2光交换元件
3210的倒置设计。因此，在任何输入处所输入的光信号可通过单个MOEMS激活耦合到各自的输出端口，且光交换机矩阵可在通路无关损耗(PILOSS)配置下工作。

[0168] 现图33展示了根据本发明的实施例、旋转移动的基于MOEMS的2×2阻塞式光交换元件，可进行与图29B中类似的路由。因此，旋转MOEMS元件3310可旋转，从而圆形部分可围绕其旋转中心旋转，通过输入I/P1和I/P2以及输出O/P1和O/P2来耦合位于该圆形部分上的光波导。第一至第三波导WG1、WG2和WG3设于旋转MOEMS元件3310上。因此，基于旋转移动MOEMS的2×2光交换元件的连接如下表2所示：表2：基于旋转移动MOEMS的2×2光交换元件的连接

[0169] 图34和35展示了根据本发明的实施例、基于旋转移动MOEMS的1×5光交换元件。如图34所示，与MOEMS电连接的是：●闩锁锁垫3410、
●闩锁垫3420、
●顺时针旋转垫3430、
●间隙闭合垫3440、
●逆时针旋转3450、和
●地面3460。

[0170] 图35中第一和第二原理图3500A和3500B分别展示了耦合到第一和第三波导、基于旋转移动MOEMS的1×5光交换元件。现图36展示了根据本发明的实施例、可与其他基于旋转移动MOEMS的光交换元件和电路相兼容，基于旋转移动MOEMS的1×5光交换元件中的第一和第二静电间隙闭合示意图。第一原理图3600A中，旋转的MOEMS元件可相对于固定的MOEMS元件移动时，悬置和旋转的MOEMS元件和固定的MOEMS元件不带电(或可类似于带电)。相反，第二示意图3600B中，旋转和固定的MOEMS元件反向带电，从而可彼此吸引。

[0171] 图37展示了根据本发明的实施例的静电间隙闭合的变型，该变型可与基于线性或旋转移动MOEMS的光交换元件兼容。与图36中的配置相比，固定元件硅已经过蚀刻，因而硅的轮廓倾斜，从而随着旋转/线性元件的平移，下降的光波导结构可升高到相同水平，以作为固定元件上的光波导。

[0172] 上述说明给出了具体元件以便透彻理解该实施例。然而，需要了解的是本实施例可在缺少这些特定元件的情况下实施。例如，电路可在框图中示出，以免不必要的元件混淆对本实施例的理解。其他情况下，可显示公知的电路、过程、算法、结构和技术，而无需显示不必要元件，以免使该实施例模糊。

[0173] 上述所公开的本发明示例性实施例用于例证和说明，而非旨在全部囊括或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述公开说明，本文所述实施例的多种变型和修改对本领域普通技术人员是显而易见的。本发明的范围仅由所附的权利要求书及其等效内容来定义。

[0174] 进一步地，在描述本发明典型实施例的过程中，说明书部分可能已经具体有步骤地介绍了本发明中提供的方法和/或过程。尽管如此，在某种程度上所述方法或工艺不依赖于本文所给出的特定步骤，所述方法或工艺不应限于所述的特定步骤顺序。本领域技术人员应了解的是，这些步骤也可按其它顺序进行。因此，本说明书中规定的步骤的特定顺序不应限制所附权利要求。此外，涉及本发明方法和/或工艺的权利要求书不应限于本文所述的实施步骤，并且本领域技术人员应清楚，所述顺序可以改变，但仍然包括在本发明的精神和范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
光子检测器-专利编号CN109983761A	2020-05-11	210
一种光子计数器-专利编号CN109255425A	2020-05-13	612
光子客户端-专利编号CN102800143A	2020-05-11	620
一种光子客户端-专利编号CN102722926A	2020-05-13	111
一种光子客户端-专利编号CN102722922A	2020-05-13	323
智能光子门锁-专利编号CN102768774B	2020-05-12	341
光子血糖仪-专利编号CN104382603A	2020-05-11	668
光子客户端-专利编号CN102800143B	2020-05-11	248
光子卡-专利编号CN205193852U	2020-05-12	601
光子钥匙-专利编号CN202838475U	2020-05-12	679

数据中心的光子交换机、光子交换结构和方法

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