光學廣播系統和方法

專利名稱：光學廣播系統和方法
技術領域：
本發明的實施例涉及在光學廣播系統上分配光學信號。
背景技術：
近年來，微電子工業的趨勢表明，未來的多處理器芯片可以包括幾十甚至幾百個 節點。節點可以是也稱為內核的處理元件以及例如緩存、輸入/輸出和存儲器的其它設備。 期望的特征在于，片上廣播總線在芯片上提供任何一個節點與所有節點的通信，這被稱為 “任何對所有”通信。原則上，可以驅動總線的任何節點可以通過總線將信息廣播給從該總 線分接的所有節點。例如，廣播可以用于保持任何給定內核的緩存的一致性。隨著節點數量增加，總線必須相應地縮放。同時，節點自身的性能改進需要來自總 線的帶寬的等同增加。更大的節點計數導致更大的互連路徑長度，這進而導致更大的信號 完整性問題、增加的芯片面積需求、以及更高的功率。與為匹配節點性能而對于更高帶寬的 需求相結合的這些因素使得實現大規模片上電子廣播總線對于高節點計數、高性能芯片是 不實際的。為了克服這些限制，已經提出了分級總線，例如連接到八個節點的總線、以及 與對等鏈路連接的總線集合。參見例如R. Kumar, V. Zyuan,和D. Μ. Tullsen的 "Interconnections in Multi-core Architectures: Understanding Mechanisms, Overheads, and Scaling, 〃， SIGARCH Computer Architecture News 33, 2, pp. 408-419 (2005年5月)。然而，一般而言，多數電多核處理器解決方案完全避免廣播互連而支持一 對一互連(例如網格)。在需要廣播功能的情況下，廣播消息被分解為用于每一內核的等同 的一對一消息。雖然這在功能上對很多系統起作用，但冗余性消耗了額外帶寬和功率，并且 導致時延。與電總線比較，光學總線保證遠更高的帶寬、更低的功率以及更低的時延。然而， 即使利用光學器件，由若干固定發送器廣播總線構成的一對所有(one-to-all)總線配置關 于功率和表面面積并不良好地縮放，因為需要與發送器同樣多的總線。相應地，期望一種光學可縮放廣播總線，其展現出低時延和高帶寬。特別地，這種 光學可縮放總線的片上版本是高度期望的。

發明內容
本發明的實施例針對一種光學廣播系統，用于將信息從系統的任何節點廣播到系 統的所有其它節點。在一個實施例中，用于將信息從系統的任何一個節點廣播到系統的所 有節點的光學廣播系統包括光學廣播總線，所述光學廣播總線包括調制器部分和檢測器部 分。所述節點中的每一個控制光學地耦合到所述調制器部分的調制器，并且每一節點控制 光學地耦合到所述檢測器部分的檢測器。光學功率源將未調制的光注入到光學廣播總線 中，在節點處的調制器在其節點的控制下對所述未調制的光進行調制以生成一個或多個光 學信號，所述光學信號在廣播總線上載送來自其相應節點的信息。所述光學廣播總線被配置為使得調制器部分通過每一節點的調制器。所述調制器部分后面有所述檢測器部分，所 述檢測器部分通過每一節點的檢測器。每一檢測器光學地耦合到所述檢測器部分，從而所 有節點接收所述調制器生成的光學信號。根據本發明的另一實施例包括一種用于將信息從系統的任何節點廣播到系統的 所有節點的方法。所述方法包括將未調制的光注入到具有調制器部分和檢測器部分的光 學廣播總線中。所述光學廣播總線具有回繞(wrap-around)配置，其中，調制器部分通過每 一節點，后面有通過每一節點的檢測器部分。所述方法繼續進行仲裁以確定哪個或哪些節 點可以在光學廣播總線上進行廣播，并且所述一個或多個節點在所述光學廣播總線的調制 器部分中對未調制的光進行調制，以產生從所述調制部分行進到所述檢測器部分中的光學 信號。在所述光學廣播總線的檢測器部分中在所有節點處接收所述光學信號。據此方法， 一次任何一個節點可以使用光學總線波導來將信息分配到所有節點。此外，在某些實施例中，將未調制的光注入到所述總線波導中包括使用波分復用 (WDM)或密集波分復用(DWDM)將多個波長的光注入到所述總線波導中。使用WDM或DWDM 允許其調制器不正在對相同波長的光進行調制的節點同時進行廣播。


圖IA示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播系統的示意性表示。圖IB示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播樹形系統的樹形拓撲。圖IC示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播樹形系統的示意性表示。圖1D-1E示出根據本發明實施例配置的兩個光學廣播樹形系統的樹形拓撲。圖2示出根據本發明實施例配置的調制器。圖3示出根據本發明實施例的表示未調制的光的強度調制的三條曲線。圖4示出根據本發明實施例的經由分支波導和光學抽頭光學地耦合到總線波導 的檢測器。圖5A示出根據本發明實施例配置的漸逝耦合器的頂視圖。圖5B示出根據本發明實施例的圖5A所示的沿著線5B-5B的耦合器的截面圖。圖6示出根據本發明實施例配置的仲裁系統的示意性表示。圖7示出說明根據本發明實施例的在光學廣播系統上進行廣播的方法的控制流 程圖。圖8A示出根據本發明實施例配置的微環諧振器和一部分鄰近脊形波導的等距視 圖。圖8B示出根據本發明實施例的微環的透射率相對于波長的曲線。圖9A示出根據本發明實施例的用作光電檢測器的微環諧振器。圖9B示出根據本發明實施例的用于將光學信號從第一波導耦合到第二波導的微 環諧振器。圖10示出根據本發明實施例的圍繞微環和脊形波導的摻雜區域的示意性表示和 頂視圖。
具體實施例方式本發明實施例針對光學廣播系統，其用于在節點的系統上廣播信息。光學廣 播系統使得系統的任何一個節點能夠向系統的所有節點廣播，并且也稱為任何對所有 (any-to-all)光學廣播系統。術語“節點”指代內核、緩存、輸入/輸出設備、以及存儲器、 或任何其他處理、發送或存儲設備，以及術語“節點的系統”可以指代例如計算機系統。任何 對所有光學廣播通信系統在節點的任何系統中可以是功率和時延高效的，在所述系統中， 存在具有對于一個節點將同一數據提供給多個其它節點的需求的多個處理元件。這種系統 的示例包括在多核處理器中的多個內核之間保持緩存一致性，在信號處理器陣列上重新分 配數據，以及在網絡交換機中進行多播。按當前數據速率，電子廣播總線不能跨越整個集成 電路。轉發器和重定時器可以用于緩和這些問題，但它們將明顯增加功率和時延。以下參照不同種類的光學廣播系統的示意性表示來描述廣播系統和方法實施例。 本領域技術人員將立即意識到，這些廣播系統和方法可以容易地擴大或縮小，以提供用于 具有不同數量的節點的系統的廣播能力。I.光學廣播系統
圖IA示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播系統100的示意性表示。廣播系統 100為N個節點中的每一個提供了光學廣播能力，其中，N是整數。如圖IA的示例所示，僅 表示出N個節點中的六個，并且這些節點在該示例中按順時針方式標記為1至N。廣播系統 100包括光學廣播總線，其由總線波導102組成，總線波導102在一端光學地耦合到光學功 率源104，光學功率源104將未調制的光注入到波導中。總線波導102包括三個部分調制 器部分106、跟隨調制器部分106的檢測器部分108、以及將調制器部分106連接到檢測器 部分108的連接器部分107。例如，從源104按順時針方式跟蹤波導102的路徑揭示出通過 N個節點中的每一個的波導102的調制器部分106以及也通過N個節點中的每一個并且在 節點N終止的波導102的檢測器部分108。換句話說，在該示例中，總線波導102的回繞布 置使得總線波導102能夠通過N個節點中的每一個兩次，一次用于調制，一次用于檢測。總 線波導102可以是單個波導，或者可以由經過回繞布置的波導集合構成。廣播系統100包括N個調制器，其光學地耦合到調制器部分106。每一調制器與波 導102進行光學通信，并且與關聯節點進行電子通信。例如，如圖IA所示，調制器109-114 與波導102的調制器部分106進行光學通信，并且分別與節點1、2、j、j+l、N-l和N進行電 子通信。當節點要發送信息時，其將信息發送到其關聯的調制器，該調制器通過對經過波導 102的一定波長的未調制的光進行調制來生成載送該信息的光學信號。以下在題為調制器 的第二部分提供調制器的示例的配置和操作的更詳細描述。廣播系統100還包括N個檢測器，其光學地耦合到波導102的檢測器部分106。每 一檢測器與關聯節點進行電子通信。因而，檢測器可以接收光學信號，并且將其載送的信息 轉換為其傳送到其關聯節點的電子信號。光學廣播總線還包括光學抽頭和分支波導，它們 使得檢測器能夠與波導102進行光學通信。例如，如圖IA所示，檢測器116-120分別與節點 1、2、j、j+1、以及N-I進行電子通信，并且分別經由光學抽頭122-126和分支波導128-132 與波導102的檢測器部分106進行光學通信。檢測器134與波導102的檢測器部分106進 行直接光學通信，并且與節點N進行電子通信。以下在題為檢測器的第三部分提供檢測器 的示例的配置和操作的更詳細描述，并且以下在題為光學抽頭的第四部分提供光學抽頭的示例的配置和操作的更詳細描述。 光學功率源104被配置為輸出ρ個波長的未調制的光，使用WDM或DWDM將所述未 調制的光輸入到總線波導102中，其中，ρ是整數。術語“光”指代可以以各種不同波長組 成的電磁輻射。例如，波長可以位于電磁頻譜的可見光部分、紅外部分和/或紫外部分。如 圖IA的示例所示，方向箭頭136表示光沿著波導102傳播的方向，在該示例中光在順時針 方向上通過每一調制器。單個節點通過控制關聯調制器而通過總線波導102將信息廣播到所有節點，所述 調制器對沿著波導102傳播的未調制的光的至多ρ個波長進行調制以產生沿著波導102的 其余調制器部分106載送信息的至多ρ個光學信號。例如，節點2通過以下方式將信息廣 播到節點1至N 調制沿著波導102傳輸的未調制的光的至多ρ個波長以產生至多ρ個對應 光學信號，所述光學信號在波導102的調制器部分106上載送該信息經過其余節點j至N。 光學信號然后進入波導102的檢測器部分108，在此，與每一節點關聯的每一光學抽頭(例 如122，124)將與光學信號關聯的光學信號功率的一部分轉移(divert)到其分支波導(例 如 128,130)中。注意，光學廣播系統100的光學抽頭依次轉移來自總線波導102的廣播光學信號。 然而，與通過該方式依次轉移光學信號關聯的光學功率損耗可能較大。在本發明其它實施例 中，光學功率損耗可以通過將光學廣播系統配置成具有光學抽頭的樹狀光學廣播總線而得以 減少。在某些實施例中，適當的分離器可以用在波導分支點，以實現樹形光學廣播總線。每一 分離器被配置為將進入光學信號分為多個輸出光學信號，其均載送近似相同的光學功率。圖IB示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播樹形系統140的樹形拓撲。廣播 系統140包括光學廣播樹形總線142，其具有二叉樹配置。具體地說，廣播樹形總線142包 括總線波導調制器部分144，其在一端光學地耦合到源104。廣播樹形總線142由三級光學 抽頭組成。第一級包括光學地耦合到總線波導調制器部分144、第二級光學抽頭148、以及 第三級光學抽頭150的根光學抽頭146。如圖IB的示例所示，每一光學抽頭148經由波導 分支(在該示例中示出以單個分支波導152實現)光學地耦合到根光學抽頭146，并且經由 分離的分支波導巧4光學地耦合到兩個光學抽頭150。圖IB還揭示了，每一光學抽頭150 經由分離的分支波導156耦合到兩個檢測器。廣播樹形總線142被配置為支持八節點系統的廣播。廣播系統140的檢測器由字 母“D”表示，并且均由下標1-8分離地標識。廣播系統140還包括由字母“M”表示的八個 調制器，并且每一調制器由下標1-8分離地標識。調制器光學地耦合到總線波導調制器部 分144。每一調制器以及具有相同下標的對應檢測器受控于相同節點。例如，調制器3和檢 測器3電子耦合到相同節點沫示出)。圖IC示出根據本發明實施例配置的第一光學廣播樹形系統的示意性表示。圖IC 揭示了圖IB所示的拓撲可以按回繞布置實現的一種方式，該回繞布置將調制器1-8和對應 檢測器1-8中的每一個置于與關聯節點進行電子通信。該回繞布置也使得每一節點能夠按 照相同的時鐘偏移調制并且檢測光學信號。源104使用WDM或DWDM將ρ個波長的未調制的光輸出到總線波導144中。節點 中的任何一個可以通過以下方式將信息通過總線波導142廣播到所有節點控制關聯調制 器調制沿著總線波導144傳播的光的未調制波長的至多ρ個波長以產生將信息載送到分支波導的至多P個光學信號。在圖IB-圖IC中，光學抽頭標識為50 50或2路分離器，其將 每一光學信號分為兩個等同光學信號，每一光學信號具有近似相同的光學功率。因而，所有 光學信號通過三個光學抽頭，并且以近似相同的光學功率到達檢測器。例如，節點3與調制 器3進行電子通信，并且可以通過控制調制器3調制沿著總線波導144發送的未調制的光 的至多P個波長以產生至多P個對應光學信號而將信息廣播到所有八個節點。根光學抽頭 146以及光學抽頭148和150劃分光學信號，從而檢測器1_8中的每一個接收具有近似相同 光學功率的相同光學信號。 廣播系統140僅僅是采用50 :50光學抽頭來將光學信號廣播到八個節點的廣播系 統的示例。廣播系統140可以擴展或縮小，以處理各種節點系統的廣播。可以通過調整光 學抽頭級的數量來完成該操作。調制器與檢測器之間的分支波導的任何路徑上的50 :50光 學抽頭的數量之間的數學關系給出如下
權利要求
1.一種光學廣播系統(100，140，160，180)，用于將信息從系統的任何節點廣播到系統 的所有節點，所述光學廣播系統包括具有調制器部分和檢測器部分的光學廣播總線(142，162，182)，所述光學廣播總線被 配置為使得所述調制器部分通過每一節點并且所述檢測器部分通過每一節點；調制器(108-113)，其光學地耦合到所述調制器部分，并且由所述節點控制以生成將信 息從所述調制器部分載送到所述檢測器部分中的光學信號；以及檢測器(116-120，134)，其光學地耦合到所述檢測器部分，并且由所述節點控制以使得 所有節點接收所述光學信號。
2.權利要求1所述的系統，還包括光學功率源，其將未調制的光注入到所述光學廣播 總線中，其中，所述未調制的光由所述節點在調制器部分中進行調制，以生成光學信號。
3.權利要求1所述的系統，其中，所述檢測器部分還包括分支波導(404)，每一分支波導光學地耦合到檢測器；以及光學抽頭(406)，其被配置為將所述光學信號的一部分從回繞總線波導耦合到所述分 支波導之一中。
4.權利要求3所述的系統，其中，所述光學抽頭被配置為分配所述光學信號，使得每 一檢測器接收具有近似相同光學功率的光學信號。
5.權利要求1所述的系統，其中，所述調制器部分和所述檢測器部分還構成被配置為 以近似相同的光學功率將所述光學信號分配到所述檢測器的廣播樹形總線的部分。
6.權利要求5的系統，其中，所述廣播樹形總線(142，162，182)還包括回繞總線波導(144，164)，其光學地耦合到所述調制器；光學抽頭(146，148，150，166，168)，其被配置為將光學信號分為具有近似相同光學功 率的數個光學信號；以及回繞分支波導，其被配置為在光學抽頭之間載送光學信號并且將所述光學信號載送到 所述檢測器中。
7.權利要求1所述的系統，其中，所述調制器(108-113,202)還包括諧振器(204)，其 鄰近于所述調制器部分布置，每一諧振器被配置為當節點施加電子信號時與所述調制器部 分載送的一個波長的光漸逝地耦合，并且其中所述檢測器還包括光學地耦合到所述檢測器 部分的諧振器(410)，其中每一諧振器漸逝地耦合來自所述檢測器部分的特定波長的光學 信號，并且生成傳輸到節點的對應電子信號。
8.權利要求4所述的系統，其中，所述諧振器(204)還包括微環(802)，每一微環被配 置為漸逝地耦合來自鄰近波導的特定波長的光。
9.權利要求1所述的系統，其中，所述光學廣播總線實現在單個集成電路芯片上。
10.一種用于將信息從系統的任何節點廣播到系統的所有節點的方法，包括將未調制的光注入(701)到具有調制器部分和檢測器部分的光學廣播總線中，所述光 學廣播總線具有回繞配置，其中所述調制器部分通過每一節點并且所述檢測器部分通過每 一節占.I— /、、、 仲裁(703)以確定哪個節點能夠在所述光學廣播總線上進行廣播；在所述光學廣播總線的調制器部分中調制(704)所述未調制的光，以產生從所述調制 部分行進到所述檢測器部分中的光學信號；以及在所述光學廣播總線的檢測器部分中在所有節點處接收(705)所述光學信號。
11.權利要求10所述的方法，其中將所述未調制的光注入到總線波導(102)中還包 括使用波分復用或密集波分復用將多個波長的光注入到所述總線波導(102)中。
12.權利要求10的方法，其中調制所述未調制的光還包括通過將每一波長的光漸逝 地耦合到由關聯節點電子地控制的諧振器(204)中來調制不同波長的光。
13.權利要求10所述的方法，其中在每一節點處接收所述光學信號還包括分配所述 光學信號，從而使得每一節點接收具有基本上相同光學功率的光學信號。
14.權利要求13所述的方法，其中分配所述光學信號還包括將每一光學信號的一部 分漸逝地耦合到每一檢測器，從而使得每一檢測器接收具有基本上相同光學功率的相同光 學信號。
15.權利要求13所述的方法，其中分配所述光學信號還包括將所述光學信號分為被 載送到所述檢測器的每個具有近似相同光學功率的數個基本上等同的光學信號。
全文摘要
本發明實施例針對光學廣播系統(100,140,160,180)。系統的節點可以是內核、緩存、輸入/輸出設備以及存儲器或任何其他信息處理、發送或存儲設備的任何組合。所述光學廣播系統包括光學廣播總線(142,162,182)。與廣播總線進行光學通信的系統的任何節點可以將光學信號中的信息廣播到與廣播總線進行光學通信的所有其它節點。
文檔編號H04B10/00GK102067494SQ200880129869
公開日2011年5月18日 申請日期2008年6月17日 優先權日2008年6月17日
發明者D·M·范特雷亞斯, M·菲奧倫蒂諾, M·麥克拉倫, N·L·賓克特 申請人:惠普開發有限公司