0 引言
        光交换集成芯片是指在微纳尺度内、利用集成光学技术实现光交换功能芯片，光交换功能可使光信号从一个信道选择性地转移到另一个信道。与传统光交换器件相比，光交换集成芯片能够有效降低交换节点功耗、体积和成本，也有助于提高交换容量、增强器件可靠性。集成光开关是构成光交换集成芯片的基本单元，常见的集成光开关单元结构有定向耦合器型、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）或微环干涉型、多模干涉型、全内反射型和数字型等[1,2]。光开关的切换功能离不开光波导材料的热光、电光和载流子色散等物理效应，制作集成光开关的光波导材料主要有LiNbO3、III-V族化合物半导体（如InP、GaAs）、SiO2和硅等，其中基于III-V族化合物半导体和硅材料的高速光交换集成器件是目前研究的热点[3,4]。
        一般而言，光交换集成芯片由输入输出光耦合接口、光开关矩阵以及控制单元等几部分组成。其中，光开关矩阵是由光开关单元组成的交换网络结构，如严格无阻塞的直通型和树型结构、重排无阻塞的拜尼兹型（Benes）和斯番克-拜尼兹型（Spanke-Benes）结构等[5-9]。因此，采用1×2或2×2光开关单元组成大规模光交换集成芯片时，光开关单元拓扑结构至关重要[3]。相比而言，重排无阻塞交换结构所需的开关单元数目较少，因此被广泛研究。2014年，上海交通大学报道了一个低功耗的2×2开关单元[10]，采用的开关单元结构是双微环耦合MZI结构，器件串扰小于-20dB，开关切换的功耗为0.69mW。2017年，中科院半导体研究所基于Benes结构实现了32×32载流子注入型光交换芯片[4]，体现了目前高速光交换芯片的规模水平。在大规模光交换芯片中，预先确定开关路由来满足交换服务请求是不现实的，必须借助于合适的路由算法。因此，交换结构的性能与芯片路由算法密切相关。另一方面，随着光交换集成芯片输入输出端口数的扩大，芯片系统的串扰和插入损耗急剧增加，成为制约光交换芯片交换规模的关键因素[11-13]。除进一步完善光开关单元设计和加工工艺外，通过改进光交换网络拓扑结构及其路由算法也可以降低芯片系统串扰和插入损耗[14-16]。在光交换网络中，主要从以下两方面评价路由算法：一是输入信号能够无阻塞、无差错地路由到指定的输出端口，二是所选择的路由的插入损耗或串扰尽可能小。
        以前，针对重排无阻塞结构[17-21]，重点解决配置算法的资源冲突、算法复杂度和时间复杂度等问题，没有关注整个芯片结构的性能问题。本文以“基于微环谐振器的16×16高速光交换集成芯片”863项目为背景，介绍光交换集成芯片系统组成，研究重排无阻塞传统型Benes光交换集成芯片路由算法，提出一种可提高芯片串扰性能的扩张型Benes交换结构和层级优化环路路由算法。

5 结束语
        针对低串扰的扩张型Benes结构，本文提出了一种可实现任意输入输出连接请求的层级优化环路路由算法，能够得到最佳的开关配置状态，采用遍历方法证明了其有效性。研究表明：与传统型Benes结构相比，扩展型Benes结构的容错能力更强，但输入输出端口之间插入损耗的一致性略差。