CN110012368B - 一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统 - Google Patents

Abstract

一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，包含多模光交换阵列，N组波分‑模分复用光信号发送与接收系统，以及支撑片上系统的外围驱动电路系统、电学串并转换、并串转换系统和高速数据输入输出电学总线。该系统将数据处理节点产生的高速串行电信号转换为并行多通道电信号输入，通过调制器阵列转换为光信号并加载在波长与模式共同复用的光载波上，通过多模波导输入端口进入多模光交换阵列，到达目标端口后再解复用成多个通道的光信号，并经过光电探测器转换成并行电信号，最后还原成高速串行信号提供给目标端口的数据节点使用。具有低能耗，高带宽，低延迟的特点。数据输入与输出接口均为电域，与现有的各种处理器数据接口兼容。

Description

一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统

技术领域

本发明涉及片上光互联与集成光学技术领域，具体涉及一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统。

背景技术

近年来，依靠提高主频来提升处理器性能的方式遭遇到了功耗的限制。多核并行处理的架构已经成为处理器性能继续提升的重要手段。多核处理器的整体性能不仅与处理核的数目及性能有关，也取决于各处理核之间的通信效率。多核处理器采用由金属连线构建的片上网络来实现各处理核之间的信息交换。随着片上集成的处理核越来越多，其对片上网络通信带宽的要求越来越高，由传统金属连线实现的片上网络因其高功耗、低带宽及高延迟而成为制约多核处理器发展的一个瓶颈。光互连因为其低功耗，低延迟和高带宽，被认为是取代电互连的有效方案。片上光交换网络是在芯片上实现的光通信网络。

片上光互连网络要求所有光器件在片上实现集成，考虑到片上光互连网络对通信带宽的要求，单一信道的通信带宽受到调制器和探测器速率的限制，不能无限增加，因此还需要引入复用技术。

片上模式复用技术作为近年来新兴起的技术，受到广泛的关注。一方面，其利用了波导中的多个正交的模式来传输多个信道，不需要多个波长，因此可减少多波长激光器的需求，从而降低系统的复杂性。另一方面，作为与波长平行的另外一个自由度，将波分复用与模分复用结合，可以极大的提升器件的数据吞吐量。因此，需要将模分复用引入到片上光交换网络中。实现硅基集成化片上多模光交换系统，对于片上光互连技术的发展有着重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出了一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统。

为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，该片上系统包含多模光交换阵列，N组波分-模分复用光信号发送与接收系统，在系统应用中，还配套有支撑片上系统的外围电路系统、电学数据处理节点和高速数据输入输出电学总线，其中，N组波分-模分复用信号发送与接收系统， N为光交换系统所设计的交换端口数，为不小于2的正整数；每组波分-模分复用光信号发送与接收系统包括波长选择性电光调制器阵列，模式复用器，多模输入波导，多模输出波导，模式解复用器，波长解复用器，以及探测器阵列；

波分-模分复用信号发送与接收系统中：多模输入波导连接模式复用器，模式复用器连接波长选择性电光调制器阵列，多模输出波导连接模式解复用器，模式解复用器连接波长解复用器，波长解复用器连接探测器阵列；波分-模分复用信号发送与接收系统的多模输入波导和多模输出波导分别连接多模光交换阵列，

外围电路系统包括串并信号转换器、调制器驱动电路、跨阻放大器、并串信号转换器，其中调制器驱动电路与串并信号转换器和波长选择性电光调制器阵列连接，跨阻放大器与探测器阵列和并传信号转换器连接，并串信号转换器和串并信号转换器分别与高速数据输入输出电学总线连接，高速数据输入输出电学总线与电学数据处理节点连接。

本发明主要用于多个数据处理节点间超大吞吐量的数据交换。其中，波长-模式混合复用信号的光交换功能全部在片上实现，其光交换系统与数据处理节点之间的接口通过电-光与光-电转换来实现。在发送端，来自处理单元的高速串行数据经过串并信号转换器被转换为多个并行的信号，然后通过调制器驱动电路驱动调制器阵列，将它们加载在波长-模式混合复用的载波上，然后送入多模光交换阵列的多模输入端口用于交换。在接收端，来自多模输出端口的波长-模式复用信号经过解复用，由探测器阵列转换为并行的电流信号，并经过跨阻放大器转换为电压信号，送入并串信号转换器，还原为原有的高速串行信号，供其他处理单元使用。

本发明中，每组片上波分-模分混合复用信号发送与接收子系统中的波长选择性电光调制器阵列均采用微环谐振器构成，因为其良好的波长选择性与较小的体积，利于阵列化集成。每个信号发送子系统中集成的数量为P×Q，其中P为系统中所传输的混合复用信号模式通道的数量，Q为系统中波长通道的数量，P，Q均为正整数，数值上相互独立。

本发明中，模式复用器与模式解复用器成对出现。在发送端，模式复用器将来自波长选择性电光调制器阵列的多波长调制信号复用在同一个多模波导中，送入多模输入波导中。在接收端，模式解复用器将来自多模输出波导的复用信号解复用为多通道单模信号，以供探测器阵列使用。在结构上二者相同，而数据的流向相反，使得他们的功能相反。它们均具有平坦的传输特性，保证在波分复用信号覆盖的波长范围内具有足够的光学带宽。在输入的波长间隔发生变化时，只需要调节波长选择性电光调制器阵列中相应调制器的谐振波长既可，以此提高系统对波分复用信号的兼容性。

本发明中，每组波分-模分复用信号发送与接收子系统中的探测器阵列均采用锗-硅探测器，采用在绝缘体上的硅上外延生长锗的工艺，以达到和硅光子工艺平台的兼容性。其数量为P×Q，与调制器阵列的数量一一对应。

本发明中，多模光交换阵列具有支持波长-模式混合复用信号的输入输出与交换的特点。因此除了具有在波分复用信号覆盖的波长范围内具有足够的光学带宽，在信号交换的同时，还需要具有将每个端口输入与输出的多通道波长-模式混合复用信号作为整体在端口间交换的功能。即从光交换阵列某个端口输入的混合复用信号在经过交换前后，来自每个端口内的不同通道之间不存在交换，即所有的通道一起到达目标端口，而不会有单独的通道被交换到其他端口，且交换前后每个通道顺序的信号内容没有发生变化。这个特点保证了在接收端交换后的多个并行信号可以被还原为原发送端的串行高吞吐量信号的内容。

本发明中实现波长-模式混合复用信号整体交换的方法为：利用具有大光学带宽特点的模式解复用器与支持单一模式交换的光开关阵列，将输入的复用信号先解复用成多个单一模式通道的并行信号，同时进行交换后，再经过相同结构的模式复用器恢复为原有的混合复用信号。其中，常见的模式复用/解复用器可以基于非对称定向耦合器，多模干涉耦合器等来构建；常见的支持单一模式交换的光开关阵列可以由Mach-Zehnder干涉光开关来构建。

本发明中光交换阵列，其多模输入和输出端口成对出现，分别对应一个数据处理节点，且因为片上光互连网络节点本地通信可以很方便地在电域完成，因此不存在同一个输入输出对之间的光学数据交换需求。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统方案，其数据交换在光域，可充分利用其低功耗，低延迟的特性，而数据输入-输出接口为电域，可保持与现有电学数据处理节点的高度兼容性；

（2）本发明使用了波长-模式混合复用系统来加载和传输数据，充分发挥了多维度复用来增加信号的通道数；同时利用了串并转换的方案，突破调制器和探测器的速率限制，使得数据输入和输出具有很高的吞吐量，且具有良好的扩展性，增加数据吞吐量可通过增加波长通道或模式通道数来实现；

（3）本发明中系统中的各个组件均与硅基工艺相兼容，因而可以与电学器件实现单片集成。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明一具体实施例的示意图，其中波长通道数为3，模式通道数为2，光交换阵列的规模为2×2；

附图标记说明：激光器 105，波长选择性电光调制器阵列106，模式复用器107，多模输入波导108，多模输出波导109，模式解复用器110，波长解复用器111，探测器阵列112，光交换阵列115，串并信号转换器103，调制器驱动电路104，跨阻放大器113，和并串信号转换器114，数据处理节点101，高速数据输入输出电学总线102。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统。

图1为本发明的整体系统架构示意图，其结构上包括：光交换阵列115；

N组片上波分-模分混合复用光信号发送与接收子系统，N为光交换系统所设计的交换端口数，与系统所支持交换的处理单元的数量相同，为不小于2的正整数；每组内包含：波长选择性电光调制器阵列106，模式复用器107，多模输入波导108，多模输出波导109，模式解复用器110，波长解复用器111，以及探测器阵列112。多模输入波导108连接模式复用器107，模式复用器107连接波长选择性电光调制器阵列106，多模输出波导109连接模式解复用器110，模式解复用器110连接波长解复用器111，波长解复用器111连接探测器阵列112；其中模式复用器107与模式解复用器110成对出现，在结构上二者相同，而数据的流向相反，它们均具有平坦的传输特性，在波分复用信号覆盖的波长范围内具有足够的光学带宽。其中模式其中波长选择性电光调制器阵列106均采用微环谐振器构成，其数量为P×Q，其中P为系统中模式通道的数量，Q为系统中波长通道的数量，P，Q均为正整数，数值上相互独立。波分-模分复用光信号发送与接收系统的多模输入波导108和多模输出波导109分别连接多模光交换阵列115。外围电路系统包括串并信号转换器103、调制器驱动电路104、跨阻放大器113、并串信号转换器114，其中调制器驱动电路104与串并信号转换器103和波长选择性电光调制器阵列106连接，跨阻放大器113与探测器阵列112和并串信号转换器114连接，并串信号转换器114和串并信号转换器103分别与高速数据输入输出电学总线102连接，高速数据输入输出电学总线102与电学数据处理节点101连接。

上述方案主要用于多个数据处理节点间大吞吐量的数据交换。其中，波长-模式混合复用信号的光交换功能全部在片上实现，其光交换系统与数据处理节点之间的接口通过电-光与光-电转换来实现。在发送端，来自处理单元的高速数据经过串并信号转换器被转换为多个并行的信号，然后通过调制器的驱动电路驱动调制器阵列，将它们加载在波长-模式混合复用的载波上，然后送入多模输入端口用于交换。在接收端，来自多模输出端口的混合复用信号经过解复用，由探测器阵列转换为电信号，并经过跨阻放大器转换为电压信号，送入并串信号转换器，还原为原有的信号，供其他处理单元使用。

图2为本发明的一种具体实施方案的示意图，包括基于微环谐振器的波长选择性电光调制器阵列106，与基于非对称定向耦合器的模式复用器107，模式复用器110，基于非对称定向耦合器与Mach-Zehnder单模光开关的多模光交换阵列115，基于上-下载微环的波长解复用器111，和锗-硅探测器阵列112。其支持的波长通道数为3，模式通道数为2，光交换阵列的规模为2×2。其中，只有激光器105不包含在片上系统中。激光器105产生3个波长的载波，通过光纤与芯片的耦合端口，被送入到片上系统中。在本实施例中，每个模式通道包含3个微环调制器，其谐振波长分别和输入光的每个波长相对应，选择性的调制每个波长的载波，因此该调制器阵列中一共包含12个微环调制器，如106所示。调制器阵列106与模式复用器107连接，被电学信号调制后的四路单模-3波长复用信号分别进入两个模式复用器107，上下各两路分别被耦合成多模输入波导中的TE0模式和TE1模式，进入与模式复用器的输出端口连接的2×2多模光交换阵列115连接的两个多模输入波导的端口108。因为光交换阵列115的规模为2×2，因此交换状态一共有两种，一种为两个输入的信号直接通过开关，不发生交换，另外一种为两路输入信号发生交换。交换后的信号从与光交换阵列115连接的两个多模输出波导的端口109输出。进入与多模输出波导的端口109连接的模式解复用器110，被解复用为单模的3波长信号，模式解复用器与波长解复用器111连接。这里利用上下载的微环谐振器来解复用波长复用信号，通过调谐微环谐振器的谐振波长，可以将信号一一过滤出来。波长解复用器111连接探测器阵列112，解复用后的信号被送入探测器阵列112，并最终转换为电学信号。该过程为之前所述的片上多模光交换系统在波长通道数为3，模式通道数为2，光交换阵列的规模为2×2时的特例，外围电路系统未画出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (6)

1.一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于：该兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统包含多模光交换阵列（115），N组波分-模分复用光信号发送与接收系统，还配套有支撑片上系统的外围电路系统、电学数据处理节点（101）和高速数据输入输出电学总线（102），其中，N组波分-模分复用信号发送与接收系统，N为光交换系统所设计的交换端口数，为不小于2的正整数；每组波分-模分复用光信号发送与接收系统包括波长选择性电光调制器阵列（106），模式复用器（107），多模输入波导（108），多模输出波导（109），模式解复用器（110），波长解复用器（111），以及探测器阵列（112）；每组波分-模分复用信号发送与接收系统中：多模输入波导（108）连接模式复用器（107），模式复用器（107）连接波长选择性电光调制器阵列（106），多模输出波导（109）连接模式解复用器（110），模式解复用器（110）连接波长解复用器（111），波长解复用器（111）连接探测器阵列（112），波分-模分复用信号发送与接收系统的多模输入波导（108）和多模输出波导（109）分别连接多模光交换阵列（115）；外围电路系统包括串并信号转换器（103）、调制器驱动电路（104）、跨阻放大器（113）、并串信号转换器（114），其中调制器驱动电路（104）与串并信号转换器（103）和波长选择性电光调制器阵列（106）连接，跨阻放大器（113）与探测器阵列（112）和并串信号转换器（114）连接，并串信号转换器（114）和串并信号转换器（103）分别与高速数据输入输出电学总线（102）连接，高速数据输入输出电学总线（102）与电学数据处理节点（101）连接；激光器（105）产生多波长的激光，在被耦合进入芯片，为整个多模光交换系统提供光源。

2.根据权利要求1所述的兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于：每组波分-模分复用信号发送与接收系统中的波长选择性电光调制器阵列（106）均采用微环谐振器构成，其数量为P×Q，其中P为系统中模式通道的数量，Q为系统中波长通道的数量，P，Q均为正整数，数值上相互独立。

3.根据权利要求1或2所述的兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于：模式复用器（107）与模式解复用器（110）成对出现，在结构上二者相同，而数据的流向相反，它们均具有平坦的传输特性，在波分复用信号覆盖的波长范围内具有足够的光学带宽。

4.根据权利要求3所述的兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于：每组波分-模分复用信号发送与接收系统中的探测器阵列均采用锗-硅探测器，以达到和硅工艺平台的兼容性，其数量为P×Q，与波长选择性电光调制器阵列（106）的数量一一对应。

5.根据权利要求1或4所述的兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于：多模光交换阵列（115）具有支持多波长、多模式复用信号的输入输出与交换的特点，并且在信号交换的同时，从每个端口输入与输出的多通道波长-模式混合复用信号是被作为整体发生端口间交换，交换的前后，来自每个端口内的不同通道之间不存在交换。

6.根据权利要求5所述的兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统，其特征在于实现波长-模式混合复用信号整体交换的方法为：利用具有大光学带宽特点的模式解复用器与支持单一模式交换的多模光交换阵列，将输入的复用信号先解复用成多个单一模式通道的并行信号，进行交换后，再经过相同结构的模式复用器恢复为原有的混合复用信号。

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