CN102067494B

CN102067494B - 光学广播系统和方法

Info

Publication number: CN102067494B
Application number: CN200880129869.9A
Authority: CN
Inventors: N·L·宾克特; D·M·范特雷亚斯; M·麦克拉伦; M·菲奥伦蒂诺
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: US20110097086A1; EP2289184A4; CN102067494A; KR101548779B1; WO2009154592A1; EP2289184A1; US8391714B2; KR20110044972A; JP2011526104A

Abstract

本发明实施例针对光学广播系统（100,140,160,180）。系统的节点可以是内核、缓存、输入/输出设备以及存储器或任何其他信息处理、发送或存储设备的任何组合。所述光学广播系统包括光学广播总线（142,162,182）。与广播总线进行光学通信的系统的任何节点可以将光学信号中的信息广播到与广播总线进行光学通信的所有其它节点。

Description

光学广播系统和方法

技术领域

本发明的实施例涉及在光学广播系统上分配光学信号。

背景技术

近年来，微电子工业的趋势表明，未来的多处理器芯片可以包括几十甚至几百个节点。节点可以是也称为内核的处理元件以及例如缓存、输入/输出和存储器的其它设备。期望的特征在于，片上广播总线在芯片上提供任何一个节点与所有节点的通信，这被称为“任何对所有”通信。原则上，可以驱动总线的任何节点可以通过总线将信息广播给从该总线分接的所有节点。例如，广播可以用于保持任何给定内核的缓存的一致性。

随着节点数量增加，总线必须相应地缩放。同时，节点自身的性能改进需要来自总线的带宽的等同增加。更大的节点计数导致更大的互连路径长度，这进而导致更大的信号完整性问题、增加的芯片面积需求、以及更高的功率。与为匹配节点性能而对于更高带宽的需求相结合的这些因素使得实现大规模片上电子广播总线对于高节点计数、高性能芯片是不实际的。

为了克服这些限制，已经提出了分级总线，例如连接到八个节点的总线、以及与对等链路连接的总线集合。参见例如 R. Kumar, V. Zyuan, 和D. M. 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，多数电多核处理器解决方案完全避免广播互连而支持一对一互连（例如网格）。在需要广播功能的情况下，广播消息被分解为用于每一内核的等同的一对一消息。虽然这在功能上对很多系统起作用，但冗余性消耗了额外带宽和功率，并且导致时延。

与电总线比较，光学总线保证远更高的带宽、更低的功率以及更低的时延。然而，即使利用光学器件，由若干固定发送器广播总线构成的一对所有（one-to-all）总线配置关于功率和表面面积并不良好地缩放，因为需要与发送器同样多的总线。

相应地，期望一种光学可缩放广播总线，其展现出低时延和高带宽。特别地，这种光学可缩放总线的片上版本是高度期望的。

发明内容

本发明的实施例针对一种光学广播系统，用于将信息从系统的任何节点广播到系统的所有其它节点。在一个实施例中，用于将信息从系统的任何一个节点广播到系统的所有节点的光学广播系统包括光学广播总线，所述光学广播总线包括调制器部分和检测器部分。所述节点中的每一个控制光学地耦合到所述调制器部分的调制器，并且每一节点控制光学地耦合到所述检测器部分的检测器。光学功率源将未调制的光注入到光学广播总线中，在节点处的调制器在其节点的控制下对所述未调制的光进行调制以生成一个或多个光学信号，所述光学信号在广播总线上载送来自其相应节点的信息。所述光学广播总线被配置为使得调制器部分通过每一节点的调制器。所述调制器部分后面有所述检测器部分，所述检测器部分通过每一节点的检测器。每一检测器光学地耦合到所述检测器部分，从而所有节点接收所述调制器生成的光学信号。

根据本发明的另一实施例包括一种用于将信息从系统的任何节点广播到系统的所有节点的方法。所述方法包括：将未调制的光注入到具有调制器部分和检测器部分的光学广播总线中。所述光学广播总线具有回绕（wrap-around）配置，其中，调制器部分通过每一节点，后面有通过每一节点的检测器部分。所述方法继续进行仲裁以确定哪个或哪些节点可以在光学广播总线上进行广播，并且所述一个或多个节点在所述光学广播总线的调制器部分中对未调制的光进行调制，以产生从所述调制部分行进到所述检测器部分中的光学信号。在所述光学广播总线的检测器部分中在所有节点处接收所述光学信号。据此方法，一次任何一个节点可以使用光学总线波导来将信息分配到所有节点。

此外，在某些实施例中，将未调制的光注入到所述总线波导中包括：使用波分复用（WDM）或密集波分复用（DWDM）将多个波长的光注入到所述总线波导中。使用WDM或DWDM允许其调制器不正在对相同波长的光进行调制的节点同时进行广播。

附图说明

图1A示出根据本发明实施例配置的第一光学广播系统的示意性表示。

图1B示出根据本发明实施例配置的第一光学广播树形系统的树形拓扑。

图1C示出根据本发明实施例配置的第一光学广播树形系统的示意性表示。

图1D-1E示出根据本发明实施例配置的两个光学广播树形系统的树形拓扑。

图2示出根据本发明实施例配置的调制器。

图3示出根据本发明实施例的表示未调制的光的强度调制的三条曲线。

图4示出根据本发明实施例的经由分支波导和光学抽头光学地耦合到总线波导的检测器。

图5A示出根据本发明实施例配置的渐逝耦合器的顶视图。

图5B示出根据本发明实施例的图5A所示的沿着线5B-5B的耦合器的截面图。

图6示出根据本发明实施例配置的仲裁系统的示意性表示。

图7示出说明根据本发明实施例的在光学广播系统上进行广播的方法的控制流程图。

图8A示出根据本发明实施例配置的微环谐振器和一部分邻近脊形波导的等距视图。

图8B示出根据本发明实施例的微环的透射率相对于波长的曲线。

图9A示出根据本发明实施例的用作光电检测器的微环谐振器。

图9B示出根据本发明实施例的用于将光学信号从第一波导耦合到第二波导的微环谐振器。

图10示出根据本发明实施例的围绕微环和脊形波导的掺杂区域的示意性表示和顶视图。

具体实施方式

本发明实施例针对光学广播系统，其用于在节点的系统上广播信息。光学广播系统使得系统的任何一个节点能够向系统的所有节点广播，并且也称为任何对所有（any-to-all）光学广播系统。术语“节点”指代内核、缓存、输入/输出设备、以及存储器、或任何其他处理、发送或存储设备，以及术语“节点的系统”可以指代例如计算机系统。任何对所有光学广播通信系统在节点的任何系统中可以是功率和时延高效的，在所述系统中，存在具有对于一个节点将同一数据提供给多个其它节点的需求的多个处理元件。这种系统的示例包括在多核处理器中的多个内核之间保持缓存一致性，在信号处理器阵列上重新分配数据，以及在网络交换机中进行多播。按当前数据速率，电子广播总线不能跨越整个集成电路。转发器和重定时器可以用于缓和这些问题，但它们将明显增加功率和时延。

以下参照不同种类的光学广播系统的示意性表示来描述广播系统和方法实施例。本领域技术人员将立即意识到，这些广播系统和方法可以容易地扩大或缩小，以提供用于具有不同数量的节点的系统的广播能力。

I.光学广播系统

图1A示出根据本发明实施例配置的第一光学广播系统100的示意性表示。广播系统100为N个节点中的每一个提供了光学广播能力，其中，N是整数。如图1A的示例所示，仅表示出N个节点中的六个，并且这些节点在该示例中按顺时针方式标记为1至N。广播系统100包括光学广播总线，其由总线波导102组成，总线波导102在一端光学地耦合到光学功率源104，光学功率源104将未调制的光注入到波导中。总线波导102包括三个部分：调制器部分106、跟随调制器部分106的检测器部分108、以及将调制器部分106连接到检测器部分108的连接器部分107。例如，从源104按顺时针方式跟踪波导102的路径揭示出通过N个节点中的每一个的波导102的调制器部分106以及也通过N个节点中的每一个并且在节点N终止的波导102的检测器部分108。换句话说，在该示例中，总线波导102的回绕布置使得总线波导102能够通过N个节点中的每一个两次，一次用于调制，一次用于检测。总线波导102可以是单个波导，或者可以由经过回绕布置的波导集合构成。

广播系统100包括N个调制器，其光学地耦合到调制器部分106。每一调制器与波导102进行光学通信，并且与关联节点进行电子通信。例如，如图1A所示，调制器109-114与波导102的调制器部分106进行光学通信，并且分别与节点1、2、j、j+1、N-1和N进行电子通信。当节点要发送信息时，其将信息发送到其关联的调制器，该调制器通过对经过波导102的一定波长的未调制的光进行调制来生成载送该信息的光学信号。以下在题为调制器的第二部分提供调制器的示例的配置和操作的更详细描述。

广播系统100还包括N个检测器，其光学地耦合到波导102的检测器部分106。每一检测器与关联节点进行电子通信。因而，检测器可以接收光学信号，并且将其载送的信息转换为其传送到其关联节点的电子信号。光学广播总线还包括光学抽头和分支波导，它们使得检测器能够与波导102进行光学通信。例如，如图1A所示，检测器116-120分别与节点1、2、j、j+1、以及N-1进行电子通信，并且分别经由光学抽头122-126和分支波导128-132与波导102的检测器部分106进行光学通信。检测器134与波导102的检测器部分106进行直接光学通信，并且与节点N进行电子通信。以下在题为检测器的第三部分提供检测器的示例的配置和操作的更详细描述，并且以下在题为光学抽头的第四部分提供光学抽头的示例的配置和操作的更详细描述。

光学功率源104被配置为输出p个波长的未调制的光，使用WDM或DWDM将所述未调制的光输入到总线波导102中，其中，p是整数。术语“光”指代可以以各种不同波长组成的电磁辐射。例如，波长可以位于电磁频谱的可见光部分、红外部分和/或紫外部分。如图1A的示例所示，方向箭头136表示光沿着波导102传播的方向，在该示例中光在顺时针方向上通过每一调制器。

单个节点通过控制关联调制器而通过总线波导102将信息广播到所有节点，所述调制器对沿着波导102传播的未调制的光的至多p个波长进行调制以产生沿着波导102的其余调制器部分106载送信息的至多p个光学信号。例如，节点2通过以下方式将信息广播到节点1至N：调制沿着波导102传输的未调制的光的至多p个波长以产生至多p个对应光学信号，所述光学信号在波导102的调制器部分106上载送该信息经过其余节点j至N。光学信号然后进入波导102的检测器部分108，在此，与每一节点关联的每一光学抽头（例如122，124）将与光学信号关联的光学信号功率的一部分转移（divert）到其分支波导（例如128，130）中。

注意，光学广播系统100的光学抽头依次转移来自总线波导102的广播光学信号。然而，与通过该方式依次转移光学信号关联的光学功率损耗可能较大。在本发明其它实施例中，光学功率损耗可以通过将光学广播系统配置成具有光学抽头的树状光学广播总线而得以减少。在某些实施例中，适当的分离器可以用在波导分支点，以实现树形光学广播总线。每一分离器被配置为将进入光学信号分为多个输出光学信号，其均载送近似相同的光学功率。

图1B示出根据本发明实施例配置的第一光学广播树形系统140的树形拓扑。广播系统140包括光学广播树形总线142，其具有二叉树配置。具体地说，广播树形总线142包括总线波导调制器部分144，其在一端光学地耦合到源104。广播树形总线142由三级光学抽头组成。第一级包括光学地耦合到总线波导调制器部分144、第二级光学抽头148、以及第三级光学抽头150的根光学抽头146。如图1B的示例所示，每一光学抽头148经由波导分支（在该示例中示出以单个分支波导152实现）光学地耦合到根光学抽头146，并且经由分离的分支波导154光学地耦合到两个光学抽头150。图1B还揭示了，每一光学抽头150经由分离的分支波导156耦合到两个检测器。

广播树形总线142被配置为支持八节点系统的广播。广播系统140的检测器由字母“D”表示，并且均由下标1-8分离地标识。广播系统140还包括由字母“M”表示的八个调制器，并且每一调制器由下标1-8分离地标识。调制器光学地耦合到总线波导调制器部分144。每一调制器以及具有相同下标的对应检测器受控于相同节点。例如，调制器3和检测器3电子耦合到相同节点（未示出）。

图1C示出根据本发明实施例配置的第一光学广播树形系统的示意性表示。图1C揭示了图1B所示的拓扑可以按回绕布置实现的一种方式，该回绕布置将调制器1-8和对应检测器1-8中的每一个置于与关联节点进行电子通信。该回绕布置也使得每一节点能够按照相同的时钟偏移调制并且检测光学信号。

源104使用WDM或DWDM将p个波长的未调制的光输出到总线波导144中。节点中的任何一个可以通过以下方式将信息通过总线波导142广播到所有节点：控制关联调制器调制沿着总线波导144传播的光的未调制波长的至多p个波长以产生将信息载送到分支波导的至多p个光学信号。在图1B-图1C中，光学抽头标识为50：50或2路分离器，其将每一光学信号分为两个等同光学信号，每一光学信号具有近似相同的光学功率。因而，所有光学信号通过三个光学抽头，并且以近似相同的光学功率到达检测器。例如，节点3与调制器3进行电子通信，并且可以通过控制调制器3调制沿着总线波导144发送的未调制的光的至多p个波长以产生至多p个对应光学信号而将信息广播到所有八个节点。根光学抽头146以及光学抽头148和150划分光学信号，从而检测器1-8中的每一个接收具有近似相同光学功率的相同光学信号。

广播系统140仅仅是采用50：50光学抽头来将光学信号广播到八个节点的广播系统的示例。广播系统140可以扩展或缩小，以处理各种节点系统的广播。可以通过调整光学抽头级的数量来完成该操作。调制器与检测器之间的分支波导的任何路径上的50：50光学抽头的数量之间的数学关系给出如下：

其中，NSL是光学抽头级的数量，对数的底数2对应于从光学抽头输出的2个光学信号。例如，对于八节点广播系统140，光学信号通过3个光学抽头级。对于4节点系统，光学抽头级的数量是2，以及对于16节点系统，光学抽头级的数量是4。

图1D示出根据本发明实施例配置的第二光学广播树形系统160的树形拓扑。广播系统160包括光学广播树形总线162，其具有四叉树配置。具体地，广播树形总线162包括总线波导调制器部分164，其在一端光学地耦合到源104。广播树形总线162包括两级光学抽头。第一级包括光学地耦合到总线波导164以及第二级光学抽头168的根光学抽头166。如图1C的示例所示，每一光学抽头168经由单个分支波导170光学地耦合到根光学抽头166，并且经由分离的分支波导172光学地耦合到四个检测器。

广播树形总线162被配置为支持16节点系统的广播。广播系统160的检测器也由字母“D” 表示，并且均由下标1-16分离地标识。广播系统160还包括由字母“M” 表示的八个调制器，其也由下标1-16分离地标识。调制器光学地耦合到总线波导调制器部分164。具有相同下标的每一调制器和对应检测器与十六节点系统（未示出）的相同节点进行电子通信。例如，调制器2和检测器2电子耦合到相同节点（未示出）。

源104使用WDM或DWDM将p个波长的未调制的光输出到总线波导164中。节点中的任何一个可以通过以下方式将信息通过总线波导162广播到所有节点：控制关联调制器调制沿着总线波导164传播的光的未调制波长的至多p个波长以产生将信息载送到分支波导的至多p个光学信号。光学抽头是4路分离器，其将进入每一光学抽头的光学信号分为四个等同的光学信号，每一光学信号具有近似相同的光学功率。因而，所有光学信号通过两个光学抽头，并且以近似相同的光学功率到达检测器。例如，与调制器2进行电子通信的节点可以通过以下方式将信息广播到所有16个节点：控制调制器2来调制沿着总线波导调制器部分164传输的未调制的光的至多p个波长以产生至多p个对应光学信号。波导的检测器部分中的光学抽头168以及根光学抽头166划分光学信号，从而使得检测器1-16中的每一个接收具有近似相同光学功率的相同光学信号。

广播系统160仅仅是采用4路光学抽头来将光学信号广播到16个节点的广播系统的示例。广播系统160可以扩展或缩小，以处理各种不同系统的广播。可以通过对应地调整光学抽头级的数量来完成该操作。调制器与检测器之间的分支波导的任何路径上的4路光学抽头的数量之间的数学关系给出如下：

其中，对数的底数4对应于从光学抽头输出的4个光学信号。例如，对于16节点广播系统160，光学信号通过2个光学抽头级。对于4节点系统，光学抽头级的数量是1，以及对于32节点系统，光学抽头级的数量是4。

通常，节点N的数量、从每一光学抽头输出的光学信号的数量q、以及沿着调制器与检测器之间的分支波导的每一路径定位的光学抽头级的数量NSL之间的数学关系给出如下：

。

在其它实施例中，不同类型的光学广播树形系统可以被配置为将具有近似相同光学功率的光学信号传递到检测器。在这些实施例中，光学广播总线的每一光学抽头级可以由不同类型的光学抽头组成。例如，图1E示出根据本发明实施例配置的第三光学广播树形系统180的树形拓扑。光学广播树形总线182几乎与广播树形总线142等同，除了50：50根光学抽头146、第一级50：50光学抽头148以及连接分支波导152和154已经被具有广播树形总线162的分支波导170的单根4路光学抽头166替代。光学广播树形总线检测器部分182使得调制器1-8所生成的光学信号能够以近似相同的光学功率到达所有检测器1-8。

第二光学广播树形系统160和第三光学广播树形系统180中表示的每一树形拓扑可以以调制器部分后面有检测器波导部分的回绕布置而实现，从而节点的调制器可以广播已调制的光学信号，所述已调制的光学信号可以在所有其它节点处由检测器接收到。这些回绕布置也使得每一节点能够按相同的时钟偏移（on the same clock skew）调制并且检测光学信号。

注意，光学广播总线配置不限于图1A和图1C所示的简单总线波导配置。其它配置根据如何布置节点而是可能的。例如，通过以下方式可以将调制器和检测器部分配置为通过8x8 64节点系统中的64个节点中的每一个：以类似蛇形方式弯曲通过64个节点中的每一个的回绕布置来配置总线波导的调制器部分和检测器部分。

在具有分离时钟的同步系统中，系统时钟分配遵循与广播相同的拓扑，从而时钟和数据的相对定时得以保持。可替换地，通过将波导上的一个波长专用于时钟，或是通过使用利用数据对时钟进行编码（例如8b10b编码），存在在相同波导上路由（route）时钟和数据的多种可能的方案。

II.调制器

图2示出根据本发明实施例配置的调制器202。调制器202包括p个谐振器，例如谐振器204，其邻近于总线波导206布置。谐振器是一类波长选择元件，其可以被配置为与特定波长的光谐振。每一谐振器与波导206进行光学通信，并且电子地耦合到节点（未示出）。如图2的示例所示，由表示为λ₁……λ_p的p个分离的未调制的波长组成的光从光学功率源104（未示出）输出，并且由总线波导206载送。谐振器均是电子可调的，并且每一谐振器被配置为当施加适当的电压时与波长λ₁……λ_p之一谐振，在此情况下，谐振器被称为是“活动的（active）”。如图2所示，每一谐振器用波长λ₁……λ_p之一标记，以标识当活动时每一谐振器与之谐振的波长。当谐振器活动时，其经由渐逝耦合从总线波导206提取关联波长的光。俘获的光最终经由与谐振器关联的损耗衰减并且泄漏。在谐振器活动的同时，波导206所载送的光的强度或幅度在活动的谐振器处下降。当不再施加电压时，谐振器的谐振波长偏移离开光的波长，波导206所载送的光的强度或幅度复原，并且光沿着总线波导206不受干扰地传播通过谐振器。当没有电压施加到谐振器时，谐振器被称为是“不活动的”。

节点通过将电压信号施加到每一谐振器而生成光学信号。每一电压信号由“开”和“关”或“高”和“低”电压的模式组成，所述电压表示从电子耦合的节点输出的二进制信息。例如，“开”电压可以表示二进制数字“0”，以及“关”电压可以表示二进制数字“1”。施加到单个谐振器的“开”和“关”电压的模式使得谐振器对应地在活动状态与不活动状态之间切换，这调制相同波长的光的幅度。已调制光是沿着波导206传输的由“低”和“高”强度模式组成的光学信号，其中“低”强度可以表示二进制数字“0”以及“高”强度可以表示二进制数字“1”。换句话说，光学信号的“低”和“高”强度模式对应于电压信号的“开”和“关”电压模式。

图3示出表示根据节点（未示出）所提供的特定电压模式对特定波长λ_k的未调制的光进行强度调制的三条曲线。第一曲线302表示在通过谐振器204之前波导206所载送的波长λ_k的未调制的光的基本连续的强度。第二曲线表示代表由电子耦合到调制器202的节点（未示出）所生成的二进制数字“01010”的“开”和“关”电压的模式。曲线304的电压模式施加到谐振器204。第三曲线304表示恰好在通过谐振器204之后波导206所载送的由所表示的相同波长的光学信号的“低”和“高”强度的模式。曲线304和306揭示，当“开”电压施加到谐振器204达到长得足以表示二进制数字“0”的时间段时，谐振器204附近的波长λ_k的光的强度在近似相同的时间段内为低。当“关闭”电压达到长得足以表示二进制数字“1”的时间段时，谐振器204附近的波长λ_k的光的强度在近似相同的时间段内得以恢复。换句话说，光学信号的“低”和“高”强度模式也表示二进制数字“01010”。当“开”电压施加到谐振器204时，谐振器204从波导206提取波长λ_k的光，使得通过谐振器204的光的强度相应地从“高”下降到“低”。然而，一“关闭” 电压，谐振器204的谐振就偏移离开光的谐振，光停止从波导206被吸收到谐振器204，并且通过谐振器204的光的强度恢复为“高”。结果，以“开”和“关”电压的模式编码的相同数据分别以“低”和“高”强度而被实例化。调制器可以以超过近似10G比特/秒的调制速率而进行操作。

返回图2，调制器202的p个谐振器可以独立地操作，以分离地调制光的p个波长 λ₁……λ_p中的每一个，从而生成表示为……的p个对应光学信号。

III.检测器

图4示出根据本发明实施例配置的检测器402。检测器402由p个谐振器组成，所述谐振器电子地耦合到节点（未示出）。与上述调制器204的谐振器不同的是，检测器402的谐振器被永久保持在活动的谐振状态。检测器402的每一谐振器改为被配置成与p个光学信号之一谐振。结果，检测器402的每一谐振器经由渐逝耦合提取对应波长的光。检测器402的每一谐振器也配置有检测器部分。例如，谐振器408配置有检测器部分410。光学信号渐逝耦合到谐振器408中。检测器部分410将谐振器408中俘获的光学信号的“低”和“高”强度模式转换为传输到电子耦合节点（未示出）的对应“开”和“关”电信号。检测器402的p个谐振器可以独立地操作，以分离地渐逝耦合来自分支波导404的p个光学信号……中的每一个，以生成传输到电子耦合节点（未示出）的p个分离的对应电信号。

IV.光学抽头

返回图1A，通常，光学抽头被配置为使得N个检测器中的每一个接收具有近似相同光学功率的p个光学信号中的每一个。可以通过以下方式来实现此：理想地将每一光学抽头配置为根据下式将光学信号功率的份额（R_n）转移到光学耦合的分支波导中：

并且根据下式在总线波导102上传输光学信号功率的份额（T_n）：

其中，理想地，R_n + T_n = 1，并且n是表示沿着总线波导102定位的光学抽头索引的整数，从而，1表示光学抽头122，并且N-1表示光学抽头126。

然而，实际上，总线波导102和光学抽头对于光学功率损耗有贡献，随着光学信号沿着总线波导102的传播，所述光学功率损耗可以使得光学信号衰减。需要注入到总线波导102中从而使得光学信号可以被广播到所有N个节点的光学功率的量可以如下确定：

其中，D表示到达每一检测器的光学功率，以及b表示在虑及波导和光学抽头损耗之后透射的光学功率的份额。在光学抽头1处所转移的光学功率与透射的光学功率的比率如下给出：

后续光学抽头比率如下给出：

。

任何数量的不同的光转移设备可以用于光学抽头。渐逝耦合器是一种可以在本发明中采用的光学抽头。图5A示出根据本发明实施例配置的渐逝耦合器500的顶视图。对于各种渐逝耦合器的一般描述，参见S. J. Hewlett等的"Analysis and design of highly broad-band, planar evanescent couplers,"，Optical and Quantum Electronics, vol. 28, pp 71-81 (1996)。耦合器500由两个脊形波导502和504组成，它们二者具有恒定弯曲半径的弯曲的输入/输出臂，这产生虚线506与508之间的长度L_c的均匀中心区域，以及中心到中心波导间距d。脊形波导502可以是将光学信号载送到检测器的分支波导的一部分，以及脊形波导504可以是载送光学信号的广播波导102的一部分。波导502和504可以具有空气覆层，或者波导502和504可以嵌入比构成波导的材料具有相对更小折射率的材料中。耦合器500可以被设计为考虑来自弯曲的输入和输出臂以及来自渐逝耦合最强的中心区域的对于耦合的贡献。

图5B示出根据本发明实施例的图5A所示的沿着线5B-5B的耦合器500的中心区域的截面图。这些波导具有不同的矩形截面几何形状。如图5B的示例所示，波导具有基本上相同的高度但具有不同的宽度，这对应于w₁/h和w₂/h的不同波导宽高比。

当在由虚线506所标识的各点处，将单位光学功率的光学信号注入到波导504的端口4中并且将零光学功率注入到波导502的端口1中时，在虚线508处的离开端口2和3的光学信号的部分（fractional）功率由以下表达式描述：

和

其中，，F²表示波导之间的最大的部分光学功率传递，并且C₀表示随增加的波导间距而指数减小的耦合系数。

返回图1B-图1D，位于光学广播树的分支点的光学抽头可以适当地被配置成作为在图1B的光学广播树形系统140中采用的50：50分离器进行操作，其可以是理想地用R=T=1/2配置的光学抽头或Y形波导。可以使用理想地用R=T=1/2配置的三个连续光学抽头或三个连续Y形波导来配置光学广播树形系统160的4路光学抽头。

V.片上实现方式

上述光学广播系统可以实现在单个芯片上的光学层中。例如，在特定实施例中，芯片大小可以是近似25×25mm，并且具有64个或更多个节点。波导可以具有近似200×500nm的截面尺寸，调制器和检测器可以具有范围在近似40-60μm的长度，微环可以分离开0.5-5μm，微环的直径的范围可以是近似1-20μm，并且光学抽头的长度L_c的范围可以为近似0.02-1mm。注意，这些尺寸范围表示示例性范围，并且绝不意图限制可以采用本发明的光学广播系统的尺寸的宽泛范围。因而，这些尺寸和尺寸范围可以根据特定实现方式而变化。

VI.仲裁

两个节点可以同时广播，但广播节点不可以在每一节点的广播传输上进行调制。例如，当未调制的光通过总线波导102上的两个节点时，这些节点可以通过调制不同波长的光来同时广播。例如，返回图1A，假设节点1和j被允许在总线波导102上同时广播。节点1调制从光学功率源104输出的未调制的光的特定波长，以产生在总线波导102的调制器部分106上传输的光学信号。如果节点j调制节点1所生成的光学信号的相同波长，则调制过程毁坏节点1所生成的光学信号所载送的信息。此外，因为节点j正调制已经调制过的光学信号，所以节点j尝试嵌入节点1所生成的光学信号中的任何信息也是不能理解的。因而，只要节点1和节点j调制源104所生成的光的不同波长，两个节点就可以同时广播。

为了防止两个或更多个节点破坏广播，每一节点被准许在某时间段内排他地使用光学广播总线或特定波长，以将信息广播到所有节点。可以使用公知的基于电子的仲裁系统和方法来执行仲裁，或者可以使用全光学系统和方法来执行仲裁，如下所述。

图6示出根据本发明实施例配置的仲裁系统600的示意性表示。仲裁系统600包括令牌环波导602和功率波导604，功率波导604耦合到光学功率源606。仲裁系统600包括N个注入器，每个注入器均电子耦合到N个节点之一，并且光学地耦合到令牌环波导602和功率波导604。仲裁系统600还包括N个转移器（diverter），所述转移器电子耦合到分别控制它们的N个节点中的每一个，并且光学地耦合到令牌环波导602。在该示例中，转移器布置在令牌环波导602的内部区域中并且与令牌环波导602相邻。在特定实施例中，波导602和604可以是以下在微环和脊形波导部分中描述的脊形波导。

源606可以是相同源104或不同光学功率源，其采用WDM或DWDM将由不同波长组成的未调制的光注入到功率波导604中。光在方向箭头608所标识的方向上行进。光的每一波长可以关联于不同资源。资源可以位于特定节点（例如输出端口）处，或者资源可以是可以由多于一个的节点使用的公共或共享资源，例如光学广播总线或从光学功率源104输出的光的波长。例如，从源606输出的由λ_BW所表示的波长可以被分派为表示光学广播总线。

N个注入器中的每一个也由一组电子可调谐振器组成。每一谐振器可以被配置为与源606所注入的光的波长之一谐振。当谐振器由电子耦合节点激活时，其经由渐逝耦合从邻近功率波导604提取光，在谐振器内将所提取的光俘获某一时间段，之后光经由渐逝耦合而透射到令牌环波导602中。光然后在方向箭头610所标识的方向上在令牌环波导602中传播。当不再施加电压时，谐振器的谐振波长偏移离开光的波长，并且光不受干扰地沿着功率波导604传播通过谐振器，同时注入到令牌环波导602中的光以逆时针方式继续循环。

N个转移器中的每一个由一组电子可调谐振器组成。转移器中的每一谐振器被配置为从令牌环波导602提取特定波长的光。谐振器可以配置有以上参照图4描述的检测器，从而当谐振器提取特定波长的光时，检测器部分生成电信号，该电信号电子地传输到电子耦合节点，以指示已经从令牌环波导602提取了光。

注入到令牌环波导602中的特定波长的光称为“令牌”。令牌可以是传达使用特定关联资源的权利的特定波长的光的脉冲的形式。例如，与光学广播总线关联的令牌可以由令牌环波导602上波长λ_BW的光的脉冲的存在来表示。

可以如下所述使用仲裁系统600来执行资源的仲裁。通常，在仲裁开始之前，每一资源被分派有源606注入到功率波导604中的光的特定波长。N个节点使用具有波长λ_BW的令牌来确定特定资源的可用性。当令牌λ_BW正在令牌环波导602上循环时，资源可用于使用。仅当节点经由电子耦合到节点的转移器的谐振器从令牌环波导602提取令牌λ_BW时，节点才可以使用资源。令牌λ_BW被俘获在谐振器内，并且检测器部分将电信号传输到电子耦合节点，以确认令牌λ_BW的存在。节点然后可以开始使用资源。需要使用资源的其它节点必须等待直到令牌λ_BW在令牌环波导602上可用。当节点已经完成使用资源时，节点通过采用电子耦合的注入器的谐振器将具有波长λ_BW的令牌注入到令牌环波导602中来刷新令牌环波导602上的令牌λ_BW。

VII.用于广播的方法

图7示出说明根据本发明实施例的用于在光学广播系统上进行广播的方法的控制流程图。在步骤701中，将由p个不同波长组成的未调制的光注入到总线波导中，如以上参照图1描述的那样。在步骤702的for循环中，对于每一广播重复步骤703-706。在步骤703中，仲裁方法和系统（例如以上参照图6描述的方法和系统）被用于确定哪个节点被允许在总线波导上进行广播。在步骤703中，准许广播的节点对未调制的光进行调制，以产生放置在总线波导上的光学信号，如以上参照图2–图3描述的那样。在步骤705中，所有节点从总线波导提取光学信号的一部分，如以上参照图4-图5描述的那样。在步骤706中，该方法返回并且对于总线波导上的下一广播而重新开始。

VIII.微环谐振器和脊形波导

在特定系统实施例中，波导可以是脊形波导，以及谐振器可以是微环谐振器。图8A示出布置在衬底806的表面上并且根据本发明实施例配置的微环谐振器802以及邻近脊形波导804的一部分的等距视图。当沿着波导804传输的光学信号满足以下谐振条件时，该光学信号从波导804渐逝耦合到微环802中：

其中，n_eff是微环802的有效折射率，C是微环802的周长，m是整数，以及λ是光学信号的波长。乘积n_effC是腔体的光学长度。换句话说，具有波长λ的整数倍的波长的光学信号从波导804渐逝耦合到微环802中。

渐逝耦合是这样的过程：通过该过程光的渐逝波从一种介质（例如微环）传输到另一介质（例如脊形波导），反之亦然。例如，当在波导804中传播的光所生成的渐逝场耦合到微环802中时，发生微环谐振器802与脊形波导804之间的渐逝耦合。假设微环802被配置为支持渐逝场的模式，那么渐逝场产生在微环802中传播的光，由此将光从波导804渐逝耦合到微环802中。

图8B示出图8A所示的微环902和波导804的透射率相对于波长的曲线。水平线808表示波长轴，垂直线810表示透射率轴，以及曲线812表示在一定波长范围上的通过微环802的光学信号的透射率。通过微环802的光学信号的透射率定义为：

其中，I_in是在到达微环802之前沿着波导804传播的光学信号的强度，以及I_out是在通过微环802之后沿着波导804传播的光学信号的强度。透射率曲线812的极小值814和816对应于具有波长和的光学信号的零透射率，其中，L是腔体的光学长度。这些波长仅表示很多规律间隔开的极小值中的两个。这些光学信号满足以上的谐振条件，被称为与微环802“强谐振”，并且从波导804渐逝耦合到微环802中。在波长λ_m和λ_m+1周围的窄波长区域中，透射率曲线812揭示了光学信号的波长离开波长λ_m和λ_m+1越远，透射率会急剧增加。换句话说，光学信号的波长离开谐振波长越远，谐振强度减小并且从波导804耦合到微环802中的光学信号的部分减少。具有区域818-820中的波长的光学信号基本上不受干扰地通过微环802。

因为微环谐振器的渐逝耦合特性，微环谐振器可以用于检测沿着邻近波导传输的特定光学信号，或微环谐振器可以用于将特定波长的光学信号从一个邻近波导耦合到另一邻近波导中。图9A示出根据本发明实施例的耦合到检测器部分902的微环谐振器802。具有与微环802谐振的波长的光学信号从波导804渐逝耦合到微环802中，并且在波导802内循环的同时保持被俘获达某时间段。检测器部分902可以是微环802的SiGe掺杂区域。检测器部分902吸收微环802中循环的光学信号，并且将光学信号转换为可以通过信号线路传输到电子耦合节点的电子信号。图9B示出根据本发明实施例的用于将光学信号从波导804耦合到第二波导904中的微环谐振器802。具有与微环802谐振的波长的光学信号从波导804渐逝耦合到微环802中。光学信号在微环802内循环，并且渐逝耦合到波导904中。注意，光学信号沿着波导804在一个方向上传输，并且耦合到第二波导904中的光学信号在相反方向上传输。

可以通过用适当的电子施主和电子受主原子或杂质掺杂微环802和波导804周围的衬底806的区域而电子地调谐微环802。图10示出根据本发明实施例的微环802和脊形波导804周围的掺杂区域的示意性表示和顶视图。在特定实施例中，微环802包括本征半导体。p型半导体区域1001可以形成在微环902内部的半导体衬底中，以及n型半导体区域1002和1003可以形成在围绕微环802外部的半导体衬底806中以及形成在波导804的相对侧的半导体衬底806中。p型区域1001以及n型区域1002和1003在微环802的周围形成p-i-n结。在其它实施例中，掺杂物可以反转，以在微环802内部的衬底中形成n型半导体区域1001，并且在围绕微环802外部的衬底中形成p型半导体区域1002和1003。

电子可调微环802可以被配置为当适当的电压施加到微环周围的区域时渐逝耦合或者转移来自邻近波导的光。例如，电子受控微环802可以配置有周长C以及有效折射率 n_eff′，从而沿着波导804传播的具有波长λ的光学信号不满足谐振条件，如下所示：

其中，是谐振器的光学长度。该光学信号不受干扰地通过微环802，并且微环802被称为“关闭”。另一方面，微环802可以用合适的材料形成，从而当适当的电压施加到微环802时，有效折射率n_eff′偏移为折射值n_eff，并且光学信号满足谐振条件：

。

光学信号现在从波导804耦合到微环802中，并且微环802被称为“打开”。当电压随后“关闭”时，微环802的有效折射率偏移回到n_eff′，并且相同的光学信号沿着波导804不受干扰地传播。

注意，本发明的系统实施例不限于微环谐振器和脊形波导。在其它实施例中，可以使用可以被配置为与沿着波导传播的特定波长的光耦合的任何合适的谐振器。

为了解释的目的，前面的描述使用特定术语来提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，为了实践本发明，并不需要具体细节。给出本发明具体实施例的前面描述，目的是说明和描述。它们并非意欲穷举本发明或者将本发明限制为所公开的精确形式。显然，根据以上教导，很多修改和变化是可能的。示出并且描述实施例，以最佳地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物定义。

Claims

1.一种光学广播系统（100,140,160,180），用于将信息从系统的任何节点广播到系统的所有节点，所述光学广播系统包括：

具有调制器部分和检测器部分的光学广播总线（142,162,182），所述光学广播总线被配置为使得所述调制器部分通过每一节点并且所述检测器部分通过每一节点；

调制器（108-113），其光学地耦合到所述调制器部分，并且由所述节点控制以生成将信息从所述调制器部分载送到所述检测器部分中的光学信号；以及

检测器（116-120,134），其光学地耦合到所述检测器部分，并且由所述节点控制以使得所有节点接收所述光学信号，

其中所述检测器部分还包括多个分离器，所述多个分离器形成广播树形总线，所述广播树形总线被配置为以近似相同的光学功率将经调制的光学信号分配到所述检测器。

2.权利要求1所述的系统，还包括光学功率源，其将未调制的光注入到所述光学广播总线中，其中，所述未调制的光由所述节点在调制器部分中进行调制，以生成光学信号。

3.权利要求1的系统，其中，所述广播树形总线（142,162,182）还包括：

回绕总线波导（144,164），其光学地耦合到所述调制器；

光学抽头（146,148,150,166,168），其被配置为将光学信号分为具有近似相同光学功率的数个光学信号；以及

回绕分支波导，其被配置为在光学抽头之间载送光学信号并且将所述光学信号载送到所述检测器中。

4.权利要求1所述的系统，其中，所述调制器（108-113,202）还包括谐振器（204），其邻近于所述调制器部分布置，每一谐振器被配置为当节点施加电子信号时与所述调制器部分载送的一个波长的光渐逝地耦合，并且其中所述检测器还包括光学地耦合到所述检测器部分的谐振器（410），其中每一谐振器渐逝地耦合来自所述检测器部分的特定波长的光学信号，并且生成传输到节点的对应电子信号。

5.权利要求4所述的系统，其中，所述谐振器（204）还包括微环（802），每一微环被配置为渐逝地耦合来自邻近波导的特定波长的光。

6.权利要求1所述的系统，其中，所述光学广播总线实现在单个集成电路芯片上。

7.一种用于将信息从系统的任何节点广播到系统的所有节点的方法，包括：

将未调制的光注入（701）到具有调制器部分和检测器部分的光学广播总线中，所述光学广播总线具有回绕配置，其中所述调制器部分通过每一节点并且所述检测器部分通过每一节点；

仲裁（703）以确定哪个节点能够在所述光学广播总线上进行广播；

在所述光学广播总线的调制器部分中调制（704）所述未调制的光，以产生从所述调制部分行进到所述检测器部分中的光学信号；

使用广播树形总线分离经调制的光学信号并且分配所述光学信号，使得每个具有近似相同光学功率的数个基本上等同的光学信号被载送到节点；以及

在所述光学广播总线的检测器部分中在所有节点处接收（705）所述光学信号。

8.权利要求7所述的方法，其中将所述未调制的光注入到总线波导（102）中还包括：使用波分复用或密集波分复用将多个波长的光注入到所述总线波导（102）中。

9.权利要求7的方法，其中调制所述未调制的光还包括：通过将每一波长的光渐逝地耦合到由关联节点电子地控制的谐振器（204）中来调制不同波长的光。

10.权利要求7所述的方法，其中分配所述光学信号还包括：将每一光学信号的一部分渐逝地耦合到每一检测器，从而使得每一检测器接收具有基本上相同光学功率的相同光学信号。