CN106533993B

CN106533993B - 基于五端口光路由器的光片上网络

Info

Publication number: CN106533993B
Application number: CN201611137028.5A
Authority: CN
Inventors: 刘乾坤; 顾华玺; 王琨; 杨银堂; 朱李晶
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106533993A

Abstract

本发明公开了一种基于五端口光路由器的光片上网络，主要解决现有五端口光路由器微环谐振器数目较多、损耗较大、容量较小的问题。该网络包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器。其中五端口光路由器采用五角星结构，它由5根波导和15个无源微环谐振器构成，5根波导按照五角星的规律进行排列，形成5个端口和5个波导交叉点，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，通过将15个无源微环谐振器分为5组，结合波分复用技术，实现每个端口能同时与其他四个端口进行通信，本发明不需要控制电路进行预约建链，简化了网络结构，降低了能量损耗，提高了网络容量，可用于mesh或torus拓扑结构。

Description

基于五端口光路由器的光片上网络

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种光片上网络，可用于光通信系统中IP核之间的光互连，采用分组交换机制，适用于mesh或torus拓扑结构。

背景技术

随着信息领域通信业务的增长，处理器芯片上IP核的数目也在不断地增加。传统的电互连方式在能耗、时延、带宽和串扰等方面已经无法满足当前片上网络的通信需求。光片上网络作为一种全新的技术，通过将芯片上众多的IP核进行光互连，可以有效地解决电互连下的诸多技术难题。

近年来，光片上网络也得到了快速的发展，出现了许多适用于光片上网络的高效的网络拓扑。mesh和torus网络拓扑作为经典的2维片上网络结构，在光片上网络也得到了广泛应用。许多研究人员提出了一些四端口的光路由器，但是这种四端口的光路由器不是很适合mesh或torus拓扑结构，主要体现为mesh或torus拓扑结构中的光路由器分别需要一个端口连接四个方向的光路由器，而本地的IP核则需要通过网关与本节点中的光路由器进行连接。五端口光路由器构建的mesh或torus拓扑结构的网络则不需要网关。为此现有技术提出了如下几种五端口光路由器。

Andrew W.Poon等人在文章“Cascaded active silicon microresonator arraycross-connect circuits for WDM networks-on-chip”(Integrated OptoelectronicDevices，2008)中针对mesh拓扑结构提出了比较经典的5×5crossbar路由器，简称路由器1。该路由器的实现方式是：在水平和垂直方向上各放置5根平行的波导，水平放置的5根波导对应5个输入端口，垂直放置的5根波导对应5个输出端口。在每个波导交叉点各放置一个微环谐振器来实现光信号的转向。该路由器中的25个微环谐振器相同，其谐振波长一样，通过控制电路可以控制这些微环谐振器在打开和关闭状态之间转换，实现5个端口之间无阻塞全双工通信。该路由器存在的不足是：1)需要单独的控制电路来控制该路由器中25个微环谐振器，而控制电路的存在增加了芯片制造的复杂度，且控制电路消耗的能量占网络消耗总能量很大一部分；2)该路由器使用电路交换机制，数据在传输之前需要预约建链，而电路交换不适用于短分组网络；3)虽然一个输入、输出端口与输出、输入端口之间只需要打开一个微环谐振器即可建立一条传输路径，支持各端口之间无阻塞通信，但是一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高；4)该路由器需要的波导和微环谐振器的数目较多。虽然在文献“Cascaded Microresonator-Based MatrixSwitch for Silicon On-Chip Optical Interconnection”(Proceedings of the IEEE，2009)中Andrew W.Poon等人提到当禁止同一端口的输入与输出间通信时，可以减少5个微环谐振器，但是仍然需要20个微环谐振器和10根波导。较多的微环谐振器与波导不仅增加了芯片制造的复杂度，还增加了制造成本；5)该路由器物理结构中有26个波导交叉，增加了插入损耗和串扰。

Huaxi Gu等人在文章“A Low-power Low-cost Optical Router for OpticalNetworks-on-Chip in Multiprocessor Systems-on-Chip”(IEEE Computer SocietyAnnual Symposium on VLSI，2009)中提出了一种名为Cygnus的五端口光路由器，简称路由器2。该路由器的实现方式是：将6根波导适当地弯折，每次弯折90°，来减少波导交叉数目和微环谐振器的数目，再在适当位置摆放具有相同谐振波长的微环谐振器，通过控制电路控制微环谐振器在打开与关闭状态之间的转换，实现五个端口之间的无阻塞全双工通信。使用该路由器构建的mesh拓扑结构网络，光信号在同一维度传输时不需要对微环谐振器进行打开操作，只需要在转向时才使转向处的微环谐振器处于打开状态，在能耗及网络的可扩展性方面都有一定的优势，但是该方案仍具有以下不足：1)该路由器与路由器1一样，需要单独的控制电路来控制微环谐振器的状态，实现端口间的通信，控制电路增加了制造的复杂度；2)该路由器使用电路交换机制，数据在传输之前需要预约建链，同样不适用于短分组网络；3)与路由器1一样，一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高；4)该路由器有6根波导、16个微环谐振器和13个波导交叉，虽然相比于路由器1有所减少，但是依然较多。

R Ji等人在文章“Five-port optical router for photonic networkson-chip”(Optics Express，2011)中针对mesh和torus拓扑结构提出了一种五端口光路由器，简称路由器3。该路由器的实现方式与路由器2几乎一样，同样只使用了6根波导，16个微环谐振器，但波导交叉是14个。本方案的不足之处是：1)需要单独的控制电路，数据传输前需要预约建链，波导、微环谐振器和波导交叉数目较多；2)当使用一个波长时，该路由器可以实现各端口之间无阻塞通信，一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高。虽然文中提出该路由器可以使用波分复用技术，但是并没有详细说明具体的实现过程，并且可以得出当结合波分复用技术使用多种波长进行通信时会存在以下两个问题。其一，由于微环谐振器需要耦合更多的波长，其处于打开的状态也会更多，因此控制电路更加复杂，需要确保微环谐振器适时地具有确定的谐振波长；其二，不同波长信号对同一微环谐振器可能存在竞争，因此需要适当的仲裁机制进行仲裁。

上述三种五端口光路由器均可以用于mesh或torus拓扑结构，但是这些网络结构存在以下共同的问题：1)网络需要单独的控制电路，这会带来较大的能耗、增加制造复杂度；2)网络中对链路存在竞争，需要仲裁机制进行仲裁，因此源节点在传输数据前需要预约建链，不适用于短分组网络；3)一个节点不能同时与两个及两个以上的节点进行通信，不利于网络容量的提高；4)这些网络采用电路交换机制，对于某些需要采用分组交换机制的特殊应用不适合。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于五端口光路由器的光片上网络，以简化网络结构、降低能量损耗、提高网络容量。

为实现上述目的，本发明基于五端口光路由器的光片上网络，包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器；五端口光路由器的本地输出、输入端口分别与探测器和调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的IP核相连，不同节点之间的路由器通过波导连接，构成节点数为N×N的mesh或torus拓扑结构，其特征在于：

五端口光路由器由5根波导和15个需要分组的无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，即15个无源微环谐振器摆放在5个端口和5个波导交叉处；

每个端口包含一根输入波导和一根输出波导，五个端口中有一个端口作为本地端口，其余四个端口各对应东、西、南、北四个方向中的一个方向；

每个无源微环谐振器与两根波导相邻，无源微环谐振器将与自己谐振波长相同的光信号从其中一根波导耦合到另一根波导上传输。

本发明与现有方案相比具有以下优点：

第一，由于本发明不需要控制电路，是无源网络，无需预约建链，降低了能耗与制造复杂度，且信源产生的分组可以即时发送，适用于短分组网络。

第二，由于本发明中五端口光路由器只需要5根波导和15个无源微环谐振器，相对于现有五端口光路由器成本更低，且路由器中只存在5个波导交叉，因此具有更低的插入损耗和串扰。

忽略光信号在波导中传输时引入的损耗，将以上现有的三个五端口光路由器和本发明中五端口光路由器所需的波导数目、微环谐振器数目、存在的波导交叉数目及路由器的插入损耗计算如下表1，其中计算插入损耗采用的参数是：波导交叉损耗为0.12dB，波导弯曲损耗为0.005dB/90°，微环谐振器耦合损耗为0.5dB，经过微环谐振器损耗为0.005dB。

表1五端口光路由器的比较

由上表可知：在这些路由器中，本发明中的五端口光路由器使用的波导数目和微环谐振器数目最少，因此成本较低，且最大损耗和平均损耗最小；另外，波导交叉数目最少，有利于减少信号间的串扰。

第三，由于本发明中将五端口光路由器中的15个无源微环谐振器进行分组，可以采用波分复用技术，能够实现一个端口与其余四个端口同时通信，即一个节点能够同时与四个方向的节点进行通信，利于提高系统容量。

附图说明

图1是本发明的mesh拓扑结构光片上网络图；

图2是本发明的torus拓扑结构光片上网络图；

图3是本发明中的五端口光路由器原理结构图；

图4是本发明中的五端口光路由器物理结构图；

图5是本发明中的五端口光路由器优化后的物理结构图；

图6是本发明中的节点结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的网络实例详细说明本发明的实施方式。

实施例1，mesh拓扑结构的光片上网络。

参照图1，本发明基于五端口光路由器的mesh拓扑结构光片上网络，包括4×4个节点，节点之间通过波导相连，相邻节点中路由器摆放的角度相差180°，两种角度分别记为0°与180°。每个节点有一个五端口光路由器、一个探测器、一个调制器和一个缓存器。该五端口光路由器的任意一个端口为本地端口，其余四个端口各对应东、西、南、北四个方向中的一个方向，每个端口都有一根输入波导和一根输出波导。

五端口光路由器的本地端口中的输出波导与探测器相连，输入波导与调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的IP核相连，IP核从缓存器中读取分组，将需要发送给其他节点的分组送给调制器。

五端口光路由器每个方向上的端口与自己所在方向相邻节点中的五端口光路由器相连，即每个方向上端口中的输出波导和输入波导分别与该方向相邻节点中五端口光路由器对应端口中的输入波导和输出波导相连，而网络中有些路由器的端口不需要与别的路由器相连，这些端口是：x坐标为0的节点中的路由器西方向端口、x坐标为3的节点中的路由器东方向端口、y坐标为0的节点中的路由器南方向端口和y坐标为3的节点中的路由器北方向端口，所有路由器四个方向端口之间的这些连接形成mesh拓扑结构。

参照图3和图4，所述五端口光路由器由5根波导和15个无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，形成5个端口和5个波导交叉点，每个端口摆放一个无源微环谐振器，每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，即15个无源微环谐振器MR₁、MR₂、MR₃、MR₄、MR₅、MR₆、MR₇、MR₈、MR₉、MR₁₀、MR₁₁、MR₁₂、MR₁₃、MR₁₄和MR₁₅摆放在5个端口和5个波导交叉处。

路由器中的五个端口分别记为P₁、P₂、P₃、P₄和P₅，这5个端口的区别仅在于标号的不同，路由器中的15个无源微环谐振器共有5种结构，分为5组。每个端口处的一个无源微环谐振器和与该端口相对的波导交叉处的两个无源微环谐振器设为同一组，即标号为MR₁、MR₆和MR₁₁的无源微环谐振器为第一组，标号为MR₂、MR₇和MR₁₂的无源微环谐振器为第二组，标号为MR₃、MR₈和MR₁₃的无源微环谐振器为第三组，标号为MR₄、MR₉和MR₁₄的无源微环谐振器为第四组，标号为MR₅、MR₁₀和MR₁₅的无源微环谐振器为第五组。同组内的3个无源微环谐振器结构相同，且具有相同的谐振波长，不同组无源微环谐振器结构不同，具有不同的谐振波长。五组无源微环谐振器的谐振波长依次记为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄和λ₅，通过使用5种波长进行各端口间的无阻塞通信，该五组无源微环谐振器的谐振波长分配如表2所示

表2本发明中的五端口光路由器波长分配表

输入\输出	O<sub>1</sub>	O<sub>2</sub>	O<sub>3</sub>	O<sub>4</sub>	O<sub>5</sub>
						I<sub>1</sub>	\	λ<sub>4</sub>	λ<sub>2</sub>	λ<sub>5</sub>	λ<sub>3</sub>
I<sub>2</sub>	λ<sub>4</sub>	\	λ<sub>5</sub>	λ<sub>3</sub>	λ<sub>1</sub>
						I<sub>3</sub>	λ<sub>2</sub>	λ<sub>5</sub>	\	λ<sub>1</sub>	λ<sub>4</sub>
I<sub>4</sub>	λ<sub>5</sub>	λ<sub>3</sub>	λ<sub>1</sub>	\	λ<sub>2</sub>
						I<sub>5</sub>	λ<sub>3</sub>	λ<sub>1</sub>	λ<sub>4</sub>	λ<sub>2</sub>	\

表中I₁、I₂、I₃、I₄、I₅和O₁、O₂、O₃、O₄、O₅分别是端口P₁、P₂、P₃、P₄、P₅的输入波导和输出波导。由表可知：两个端口使用一种波长进行全双工通信，且不影响其他端口间的通信。如端口P₁和P₅使用λ₃进行通信，端口P₂和P₄也使用λ₃进行通信，但是互不影响。

用本发明中的五端口光路由器构建光片上网络时，需要设计出路由器的物理结构。图4中，端口P₅作为本地端口，端口P₃、P₁、P₄、P₂分别作为东、西、南、北方向的端口，将波导进行适当的弯折，每次弯折90°便可得到路由器的物理结构。

本发明基于五端口光路由器的光片上网络采用分组交换机制，分组在不同节点之间逐跳传输，节点中来自路由器四个方向的分组都会被送往本地端口，IP核对分组做如下处理：如果分组的目的节点为本节点，则不转发该分组；如果分组的目的节点不是本节点，则转发该分组。因此四个方向端口之间无需通信，可将五端口光路由器进行优化。

参照图5，优化后的五端口光路由器中，将用于东、西、南、北四个方向端口之间通信的无源微环谐振器去除，只保留无源微环谐振器MR₂、MR₃、MR₇、MR₈、MR₁₁和MR₁₄。

参照图6，本发明中五端口光路由器本地端口中的输出波导与探测器相连，输入波导与调制器相连。

探测器由4个结构互不相同的无源微环谐振器和4个光电转换器O/E构成，每个无源微环谐振器对应一个光电转换器；4个无源微环谐振器分别记为MR₁₆、MR₁₇、MR₁₈和MR₁₉，且分别与图3中标号为MR₁、MR₂、MR₃和MR₄的无源微环谐振器结构相同，具有相同的谐振波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄；探测器中每个无源微环谐振器与路由器本地端口中的输出波导相邻，将与自己谐振波长相同的光信号从该波导上耦合下来，再经过无源微环谐振器与光电转换器之间的波导传送给光电转换器。

调制器由4个有源微环谐振器和1个驱动电路构成，4个有源微环谐振器分别记为MR₂₀、MR₂₁、MR₂₂和MR₂₃，且分别与图3中标号为MR₁、MR₂、MR₃和MR₄的无源微环谐振器具有相同的谐振波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄。当有源微环谐振器处于打开状态时能耦合自己的谐振波长，反之不能。每个有源微环谐振器与路由器本地端口中的输入波导相邻，驱动电路根据分组中的目的地址通过电加热片有选择地控制每个有源微环谐振器在打开与关闭状态之间转换，对激光源输出的与微环谐振器谐振波长相同的光波进行调制，将分组以光信号的形式发送给其他节点。

将图1所示的网络应用于光通信系统，假设源节点坐标为(0,0)，目的节点坐标为(2,2)，采用XY路由算法来进一步说明分组在网络中传输的过程。可知传输路径上的节点坐标依次为(0,0)、(1,0)、(2,0)、(2,1)、(2,2)。

在节点(0,0)内，IP核产生一个目的节点为(2,2)的分组，分组中包含目的节点地址。该分组被发送给调制器，调制器中的驱动电路根据分组的目的地址，通过电加热片来控制标号为MR₂₃的有源微环谐振器的状态，将分组携带的信息调制在波长为λ₄的光波上，该光信号通过路由器东方向P₃端口送往节点(1,0)。

在节点(1,0)内，携带分组信息的光信号通过路由器西方向P₃端口送往探测器。在探测器中，谐振波长为λ₄且标号为MR₁₉的无源微环谐振器将光信号耦合下来，光电变换器将光信号变为二进制数据分组后存入缓存器；IP核从缓存器中读取该分组，由于分组的目的节点为(2,2)，因此将该分组发送给调制器，调制器中的驱动电路根据分组的目的地址，通过电加热片来控制标号为MR₂₂的有源微环谐振器的状态，将分组携带的信息调制在波长为λ₃的光波上，该光信号通过路由器东方向P₁端口送往节点(2,0)。

在节点(2,0)内，携带分组信息的光信号通过路由器西方向P₁端口送往探测器。在探测器中，谐振波长为λ₃且标号为MR₁₈的无源微环谐振器将光信号耦合下来，光电变换器将光信号变为二进制数据分组后存入缓存器；IP核从缓存器中读取该分组，由于分组的目的节点为(2,2)，因此将该分组发送给调制器，调制器中的驱动电路根据分组的目的地址，通过电加热片来控制标号为MR₂₀的有源微环谐振器的状态，将分组携带的信息调制在波长为λ₁的光波上，该光信号通过路由器北方向P₂端口送往节点(2,1)。

在节点(2,1)内，携带分组信息的光信号通过路由器南方向P₂端口送往探测器。在探测器中，谐振波长为λ₁且标号为MR₁₆的无源微环谐振器将光信号耦合下来，光电变换器将光信号变为二进制数据分组后存入缓存器；IP核从缓存器中读取该分组，由于分组的目的节点为(2,2)，因此将该分组发送给调制器，调制器中的驱动电路根据分组的目的地址，通过电加热片来控制标号为MR₂₁的有源微环谐振器的状态，将分组携带的信息调制在波长为λ₂的光波上，该光信号通过路由器北方向P₄端口送往节点(2,2)。

在节点(2,2)内，携带分组信息的光信号通过路由器南方向P₄端口送往探测器。在探测器中，谐振波长为λ₂且标号为MR₁₇的无源微环谐振器将光信号耦合下来，光电变换器将光信号变为二进制数据分组后存入缓存器；IP核从缓存器中读取该分组，由于分组的目的节点为本节点，因此不再转发该分组。

实施例2，torus拓扑结构的光片上网络。

参照图2，本发明基于五端口光路由器的torus拓扑结构光片上网络，除路由器之间的连接关系所形成的拓扑结构与实施例1不同外，其余完全相同。各节点中路由器的连接关系如下：

五端口光路由器每个方向上的端口与自己所在方向相邻节点中的五端口光路由器相连，即每个方向上端口中的输出波导和输入波导分别与该方向相邻节点中五端口光路由器对应端口中的输入波导和输出波导相连；网络中x坐标为0的节点中的路由器西方向端口与x坐标为3的节点中的路由器东方向端口相连，y坐标为0的节点中的路由器南方向端口与y坐标为3的节点中的路由器北方向端口相连，所有路由器四个方向端口之间的这些连接形成torus拓扑结构。

Claims

1.一种基于五端口光路由器的光片上网络结构，包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器；五端口光路由器的本地输出、输入端口分别与探测器和调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的知识产权IP核相连，不同节点之间的路由器通过波导连接，构成节点数为N×N的mesh或torus拓扑结构，其特征在于：

五端口光路由器由5根波导和15个需要分组的无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，形成5个端口和5个波导交叉点，五角星的每个顶角为一个端口，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处的上下位置摆放两个无源微环谐振器，15个无源微环谐振器摆放在五角星的5个端口和5个波导交叉处；

2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于五端口光路由器中的15个无源微环谐振器共有5种结构，分为5组，每组3个无源微环谐振器，每个端口处的一个无源微环谐振器和与该端口相对的两个波导交叉处的上部两个无源微环谐振器设为同一组，同组内的3个无源微环谐振器结构相同，且具有相同的谐振波长，不同组之间的无源微环谐振器结构不同，具有不同的谐振波长。

3.根据权利要求1所述的网络，其特征在于：本地端口中的输出波导与探测器相连，输入波导与调制器相连；每个方向上的端口中的输出波导和输入波导分别与该方向相邻的五端口光路由器对应端口中的输入波导和输出波导相连。

4.根据权利要求1所述的网络，其特征在于：探测器由4个结构互不相同的无源微环谐振器和4个光电转换器O/E构成，每个无源微环谐振器对应一个光电转换器；每个无源微环谐振器与路由器本地端口中的输出波导相邻，将与自己谐振波长相同的光信号从该波导上耦合下来，再经过无源微环谐振器与光电转换器之间的波导传送给光电转换器。

5.根据权利要求4所述的网络，其特征在于探测器中的4个无源微环谐振器结构互不相同，且分别具有不同的谐振波长。

6.根据权利要求1所述的网络，其特征在于：调制器由4个有源微环谐振器和1个驱动电路构成，每个有源微环谐振器与路由器本地端口中的输入波导相邻，驱动电路通过电加热片有选择地控制每个有源微环谐振器在打开与关闭状态之间转换，对激光源输出的与微环谐振器谐振波长相同的光波进行调制。

7.根据权利要求6所述的网络，其特征在于调制器中的4个有源微环谐振器结构互不相同，且分别具有不同的谐振波长，且当有源微环谐振器处于打开状态时能耦合自己的谐振波长，反之不能。

8.根据权利要求1所述的网络，其特征在于网络中相邻路由器摆放的角度相差180°。

9.根据权利要求1所述的网络，其特征在于网络节点数为N×N的取值，根据网络的拓扑结构确定，当网络是mesh拓扑结构时，N取奇数或偶数，当网络是torus拓扑结构时，N取偶数。