CN117118519B - 一种光学输入输出芯片及分布式计算系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学输入输出芯片及分布式计算系统，包括：输出子芯片，包括第一光处理模块，用于使光源提供的光形成N个第一光分支，并使每个第一光分支按M个波长分成M个第一子光分支，并进行逐一调制，使经调制后的N个第一光分支形成含有N个不同模式的第二光分支以第一偏振态输出；输入子芯片，包括第二光处理模块，用于使含有N个不同模式的第二光分支形成N个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由第一偏振态旋转变为第二偏振态的部分光分离后再次形成第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的第一偏振态的光在分别按M个波长分成M个第二子光分支后，一一对应地合并以解调，因此能有效增加通信速率和带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于模分复用和/或波分复用的新型光学高速输入输出芯片及使用该芯片的分布式计算系统。
背景技术
高速输入/输出（Input/Output，简称I/O）在计算机和通信系统中用于快速传输数据的各种技术和接口，旨在提供更高的数据传输速率、更低的延迟和更大的带宽，以满足现代计算和通信需求。高速输入/输出技术在超级计算、人工智能、大数据处理、高性能计算、云计算、高速通信、虚拟现实等领域发挥着重要作用，这些应用对于高速输入/输出的带宽、功能等提出更高需求，而传统电学高速输入/输出（Electrical I/O）技术面临许多瓶颈，无法持续满足其需求。
光学高速输入/输出（Optical I/O）技术的出现为解决这个问题提供了潜力。光学高速输入/输出是通过大带宽、高密度光接口解决交换机芯片、CPU、GPU等大容量芯片的I/O端口散出的一系列技术，解决这些芯片之间的互联问题 （chip to chip interconnect）。相对于当前成熟的电学高速输入/输出技术，光学高速输入/输出有望提供百倍以上的通道密度，每个通道可以提供百倍以上的带宽，同时具备低功耗、低延迟等优势。例如，在新一代人工智能（AI）和高性能计算（HPC）等应用中，需要用到分布式计算系统架构和计算资源的池化技术，各个计算资源芯片（CPUs，GPUs， FPGAs，ASICs等）之间的高速互联就需要用到这种光学高速输入/输出的方案。图1为现有的一种光学高速输入/输出的应用示意简图，其中XPU指的是包括CPUs，GPUs，FPGAs，ASICs等的各个计算资源芯片，Optical I/O指的是光学高速输入/输出芯片，两个计算单元之间以连接在各自的光学高速输入/输出芯片上的光纤进行连接，实现两个计算资源芯片之间的高速互联。
当前的光学高速输入/输出技术，是以波分复用（Wavelength divisionmultiplexing，简称WDM）为主要方案，即通过多个波长来共同承载高数据量互联。例如，当方案中使用8个波长，每个波长承载32Gbit/s的数据，则可以总共承载8×32Gbit/s =256Gbit/s的数据。随着未来对更高速率通信的需求的日益增长，仅通过持续增加波长数目来增加总带宽的方案受到极限挑战，且不断增加的波长数据对光源的要求更高，成本更高。因此，亟需一种新型方案来解决这个问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光学输入输出芯片及分布式计算系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种光学输入输出芯片，包括：输出子芯片和输入子芯片；
所述输出子芯片包括第一光处理模块，用于使光源提供的含有M个波长的光形成N个第一光分支，并采用波分复用技术和模分复用技术，使每个第一光分支中的光按M个波长区分进一步形成M个第一子光分支，并进行逐一调制，再使经调制后的所述N个第一光分支的光形成含有N个不同模式的第二光分支，并以第一偏振态输出，进入光传输媒介；其中，M≧1，N≧1；
所述输入子芯片包括第二光处理模块，用于使由所述输出子芯片输出经光传输媒介传输至的含有所述N个不同模式的第二光分支形成N个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由所述第一偏振态在光传输媒介传输过程中旋转变为不同的第二偏振态的部分光分离后再次形成所述第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的剩余的所述第一偏振态的光在分别按M个波长区分形成M个第二子光分支后，进行一一对应地合并以解调。
进一步地，所述第一光处理模块包括分光器、第一波分解复用器、调制器、波分复用器和模分复用器，所述分光器用于将所述光源输出的光分成所述N个第一光分支，每个第一光分支中的M个波长的光被一个所述第一波分解复用器分成所述M个第一子光分支，每个第一子光分支中的单一波长的光各自经过一个所述调制器被加载上高速电信号，即被调制，然后又经由一个所述波分复用器将M个被调制后的各个单一波长的光合并为一路，最终所述N个第一光分支中的光经过一个所述模分复用器合并为一路，这个过程中所述模分复用器将所述N个第一光分支中的光转换成为含有所述N个不同模式的第二光分支，最后，这些加载了高速电信号的M个波长、N个不同模式的光在所述输出子芯片的输出端以第一偏振态通过一个作为光传输媒介的多模光纤被传送到设于另一个光学输入输出芯片或同一个光学输入输出芯片上的所述输入子芯片的输入端，在多模光纤中传送的第一偏振态的光因发生旋转，在传到所述输入端时，一部分光会呈现第一偏振态，而另一部分光会呈现第二偏振态；所述第二光处理模块包括模分解复用器、偏振分离旋转器、第二波分解复用器和探测器，由所述输入端输入的含有第一偏振态和第二偏振态的N个不同模式的光，经过一个所述模分解复用器和偏振分离旋转器，将N个不同模式和两个不同偏振态的光分开并转换，其中，所述模分解复用器将含有N个不同模式的第二光分支都转换为同一模式的第三光分支，所述偏振分离旋转器将每个第三光分支中的第二偏振态的光与第一偏振态的光分开，并将其再转为第一偏振态，使得分开成两路后的第三光分支总共有2N个，与原本所在的第三光分支对应的原本为第一偏振态的光和由第二偏振态被再转为第一偏振态的光被安排为一组，并分别经由一个所述第二波分解复用器，将各自含有的M个波长的光再次分为M个第二子光分支，并形成M个第二子光分支对，且每个第二子光分支对中的两个波长相同的光进入同一个所述探测器的两端，被合并在一起，解调为高速电信号。
进一步地，当所述调制器为微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器时，所述调制器还同时复用为第一波分解复用器和波分复用器；和/或，所述第二波分解复用器通过微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器形成。
进一步地，当N=1时，另一种实现方式是：不设置所述分光器、所述模分复用器和所述模分解复用器，并且，所述多模光纤替换为单模光纤，所述光源输出的光被直接输入唯一的一个所述第一波分解复用器，并由唯一的一个所述波分复用器输出后，通过所述输出子芯片的输出端经所述单模光纤传送到设于另一个光学输入输出芯片或同一个光学输入输出芯片上的所述输入子芯片的输入端，且直接进入所述偏振分离旋转器。
进一步地，当M=1时，另一种实现方式是：不设置所述第一波分解复用器、所述波分复用器和所述第二波分解复用器，由所述分光器分出的所述N个第一光分支各自直接经过一个所述调制器调制后，直接进入所述模分复用器进行模式转换，经所述模分解复用器和所述偏振分离旋转器转换形成的每一组第三光分支中仅有的两个相同波长的第一偏振态的光直接进入对应一个所述探测器的两端。
进一步地，所述输出子芯片和所述输入子芯片设于同一个所述光学输入输出芯片上，或者，所述输出子芯片和所述输入子芯片分设于两个不同的所述光学输入输出芯片上；和/或，所述输出子芯片和所述输入子芯片之间通过作为光传输媒介的光纤、光波导或光子引线键合连接；和/或，所述第一光分支至所述第三光分支、所述第一子光分支和所述第二子光分支形成于波导上。
进一步地，所述第一偏振态包括TE偏振态，所述第二偏振态包括TM偏振态；和/或，所述N个不同模式包括从一阶模直到N阶模，所述第二光处理模块使由所述输出子芯片输出至的含有所述N个不同模式的第二光分支形成N个一阶模的第三光分支。
进一步地，所述光源以多个分别提供不同波长的子光源封装在一起形成，或者，所述光源通过产生不同波长的光的同一个光源形成；和/或，所述光源设于所述光学输入输出芯片上，或外置于所述光学输入输出芯片外并通过光耦合的方式将光送入所述光学输入输出芯片；和/或，所述调制器包括马赫-曾德尔干涉仪调制器、迈克尔逊干涉仪调制器、定向耦合器调制器、锗/硅吸收调制器、微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器；和/或，所述分光器包括Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、光子晶体分光器或亚波长分光器；和/或，所述第一波分解复用器、所述波分复用器或所述第二波分解复用器包括阵列波导光栅、阶梯光栅、级联马赫-曾德干涉仪、级联微环、级联马赫-曾德干涉仪和微环或法布里-珀罗干涉仪；和/或，所述模分复用器或所述模分解复用器包括多模干涉耦合器、多模绝热耦合器、弯曲耦合器、反向耦合器、多波导耦合结构、不规则多模结构、光栅结构、光子晶体结构或亚波长结构；和/或，所述偏振分离旋转器包括双层楔形结构、双材料结构、弯曲结构、多模干涉结构或绝热结构；和/或，所述探测器包括PIN二极管、金属-半导体-金属光电探测器或雪崩光电二极管；和/或，所述模分解复用器和所述偏振分离旋转器以两个相互独立的结构实现各自的功能，或集成在同一个结构中实现各自的功能。
本发明还提供一种分布式计算系统，含有上述的光学输入输出芯片。
进一步地，所述分布式计算系统包括设于基板上的计算资源池、闪存资源池和存储资源池，所述计算资源池包括排布为第一阵列的多个计算单元，每个所述计算单元包括第一光源、第一光子集成电路芯片、第一电子集成电路芯片和计算资源芯片，所述闪存资源池包括排布为第二阵列的多个闪存单元，每个所述闪存单元包括第二光源、第二光子集成电路芯片、第二电子集成电路芯片和闪存资源芯片，所述存储资源池包括排布为第三阵列的多个存储单元，每个所述存储单元包括第三光源、第三光子集成电路芯片、第三电子集成电路芯片和存储资源芯片；所述光学输入输出芯片分设于所述第一光子集成电路芯片至所述第三光子集成电路芯片上；所述第一光子集成电路芯片、所述第二光子集成电路芯片和所述第三光子集成电路芯片通过连接在各自的所述光学输入输出芯片之间的作为光传输媒介的光纤、光波导或光子引线键合，实现所述计算单元、所述闪存单元和所述存储单元之间的光互联。
由上述技术方案可以看出，本发明通过在光学输入输出芯片上使用波分复用技术和模分复用技术对由光源发出的光进行调制及解调处理，能够有效增加光学输入输出芯片的通信速率，进一步增加和拓展光学输入输出芯片的带宽，同时具有高通道密度、低功耗、低延迟等优点。并且，针对输出子芯片，当采用具备波长选择的功能的调制器（例如微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器、布拉格光栅调制器等）时，还可以省去第一波分解复用器和波分复用器的使用，而针对输入子芯片，还可以采用具备波长选择功能的调制器替代第二波分解复用器，不仅能节约芯片上的空间，而且可利用这类调制器本身尺寸较小的特点，实现芯片的小型化和高带宽密度。应用本发明光学输入输出芯片的分布式计算系统，可通过本发明光学输入输出芯片具有的光学高速输入输出优点，实现系统中各芯片间的光互联，从而有效提高了互联带宽，增加了通道密度，降低了功耗，并改善了延迟。
附图说明
图1为现有的一种光学高速输入/输出的应用示意图。
图2-图6为本发明一较佳实施例的一种光学输入输出芯片的结构示意图。
图7为本发明一较佳实施例的一种输出子芯片和输入子芯片分设于两个不同的光学输入输出芯片上时的光互联结构示意图。
图8为本发明一较佳实施例的一种输出子芯片和输入子芯片分设于同一个光学输入输出芯片上时的光互联结构示意图。
图9为本发明一较佳实施例的一种分布式计算系统架构的概念示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明提供一种光学输入输出芯片，包括：输出子芯片和输入子芯片；
所述输出子芯片包括第一光处理模块，用于使光源提供的含有M个波长的光形成N个第一光分支，并采用波分复用技术和模分复用技术，使每个第一光分支中的光按M个波长区分进一步形成M个第一子光分支，并进行逐一调制，再使经调制后的所述N个第一光分支的光形成含有N个不同模式的第二光分支，并以第一偏振态输出，进入光传输媒介；其中，M≧1，N≧1；
所述输入子芯片包括第二光处理模块，用于使由所述输出子芯片输出经光传输媒介传输至的含有所述N个不同模式的第二光分支形成N个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由所述第一偏振态在光传输媒介传输过程中旋转变为不同的第二偏振态的部分光分离后再次形成所述第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的剩余的所述第一偏振态的光在分别按M个波长区分形成M个第二子光分支后，进行一一对应地合并以解调。
本发明通过在光学输入输出芯片上使用波分复用技术和模分复用技术对由光源发出的光进行调制及解调处理，能够有效增加光学输入输出芯片的通信速率，进一步增加和拓展光学输入输出芯片的带宽，同时具有高通道密度、低功耗、低延迟等优点。
本发明的一个创新点在于，可以与现有波分复用方案相兼容。
应用本发明光学输入输出芯片的分布式计算系统，可通过本发明光学输入输出芯片具有的光学高速输入输出优点，实现系统中各芯片间的光互联，从而有效提高了互联带宽，增加了通道密度，降低了功耗，并改善了延迟。
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
参考图2。本发明的一种光学输入输出芯片，包括位于图示光学输入输出芯片的上部的输出子芯片（用作发射器）和下部的输入子芯片（用作接收器）。其中，输出子芯片包括第一光处理模块，输入子芯片包括第二光处理模块。
第一光处理模块包括分光器、第一波分解复用器、调制器、波分复用器和模分复用器。输出子芯片设有光源（laser sources），光源向分光器（Splitter）提供含有M个波长（λ1~λM）的光（混合光），例如图2中光源处示意性示出的具有M个不同波长（λ1~λM）的光，但不限于此。分光器将光源输出的光分成N个第一光分支，第一光分支的数量例如为与光的可分模式匹配的任意多个。N个第一光分支中的每个第一光分支中都含有M个波长的光。
每个第一光分支中的M个波长的光，都被一个第一波分解复用器（WDM Demux）按照M个波长分成M个第一子光分支，例如与上述M个波长对应的M个第一子光分支，每个第一子光分支都分别含有一个单一波长的光，且M个第一子光分支中的光的波长各不相同。即设置有N个第一波分解复用器，这样就一共有M×N个第一子光分支。每个第一子光分支中的单一波长的光各自经过一个调制器（Modulator，简称Mod），被加载上高速电信号，即被调制。这样就一共有M×N个调制器。然后又经由一个波分复用器（WDM Mux）将每个第一子光分支中的M个被调制后的单一波长的光合并为一路，即设置有N个波分复用器。这样，每个第一光分支中被分出的M个波长的光，经过波分复用器合并后，又再次通过合并形成含有M个波长的光（混合光）。
最终N个第一光分支中的光经过一个模分复用器（MDM Mux）合并为一路。这个过程中，模分复用器将N个第一光分支中的光转换成为含有N个不同模式的第二光分支，即将每一个第一光分支中的光转换成为与其他各第一光分支中的光的模式不同的光，例如转换成为一个一阶模的光，一个二阶模的光，……，直到一个N阶模的光，形成含有N个不同模式的第二光分支。通过使第二光分支形成于波导上，从而能够承载多阶模式的光。举例而言，如果N为3个，则进行模式转换后，将转换成为一个一阶模的光，一个二阶模的光和一个三阶模的光，形成含有3个不同模式的第二光分支；而如果N为2个，则进行模式转换后，将转换成为一个一阶模的光和一个二阶模的光，形成含有2个不同模式的第二光分支；极端情况下，如果N为1个，则进行模式转换后，将转换成为仅含有一个一阶模的光的第二光分支。
最后，这些加载了高速电信号的M个波长、N个不同模式的光被传送到设于另一个光学输入输出芯片（或同一个光学输入输出芯片）上的输出子芯片的输出端，并在输出子芯片的输出端以第一偏振态，进入作为光传输媒介的光纤，例如以TE偏振态通过一个多模光纤被传送到输入子芯片的输入端。
作为业内常识，虽然光源发出的光是TE偏振态，且光从输出子芯片的输出端发出时依然保持为TE偏振态，但光在光纤中传输时，偏振态会旋转，所以传到输入子芯片的接收端（输入端）时，一部分光会呈现TE偏振态，而另一部分光会呈现TM偏振态（第二偏振态），需要作分离处理。
第二光处理模块包括模分解复用器（MDM Demux）、偏振分离旋转器（Polarizationsplitter rotator，简称PSR）、第二波分解复用器（WDM Demux）和探测器（Photodetector，简称PD）。由输出子芯片输出经光纤传输至输入端输入的含有TE偏振态的光和TM偏振态的光，经过一个模分解复用器和偏振分离旋转器（注：图中将模分解复用器和偏振分离旋转器以集成在同一矩形框显示，并以MDM Demux&PSR表示，代表模分解复用器和偏振分离旋转器集成在同一个结构中共同实现二者的功能，有些情形下模分解复用器和偏振分离旋转器也可以作为两个相互独立的结构实现各自的功能），将N个不同模式和两个不同偏振态（TE偏振态和TM偏振态）的光分开并进行转换。
其中，模分解复用器将含有N个不同模式的第二光分支都转换为N个同一模式的第三光分支，例如都转换为N个同一模式的一阶模的第三光分支。偏振分离旋转器将每个第三光分支中含有的由TE偏振态在光纤传输过程中旋转变为不同的TM偏振态的光与TE偏振态的光分开，并将这些TM偏振态的光再转为TE偏振态，使得每个原来的第三光分支都分开成两路，以第三光分支A和第三光分支B表示，这样经分开后的第三光分支就总共有了2N个（N个第三光分支A和N个第三光分支B），并将与原本所在的一个第三光分支（即分开成两路前的一个原有的第三光分支）对应的原本为TE偏振态的光（被分出成为一个新的一阶模的第三光分支A）和由TM偏振态被再转为TE偏振态的光（被分出成为另一个新的一阶模的第三光分支B）安排为一组，共计N组，并分别经由一个第二波分解复用器（这样就一共有2N个或N对第二波分解复用器），将同一组中具有原本的TE偏振态的光的一个第三光分支A和具有由TM偏振态被再转为TE偏振态的光的另一个第三光分支B各自含有的M个波长的光（混合光）再次按不同的M个波长各分为M个第二子光分支，以第二子光分支C和第二子光分支D表示，M个第二子光分支C和M个第二子光分支D每个都分别含有一个单一波长的光，M个第二子光分支C中的光的波长各不相同，M个第二子光分支D中的光的波长各不相同，且M个第二子光分支C与M个第二子光分支D之间按相同波长一一对应排列，由此形成M个第二子光分支对，即每对第二子光分支对（包括一个第二子光分支C和一个波长与之相同的第二子光分支D）中的两个单一波长的光（一个是原本为TE偏振态的光，另一个是由TM偏振态被再转为TE偏振态的光）的波长相同，且使得每个第二子光分支对中的两个波长相同的光进入同一个探测器的图示上下两端，从而被合并在一起，解调为高速电信号。这样，需要用到M×N个探测器。
图2实施例的光学输入输出芯片架构中，同时使用了模分复用（Mode divisionmultiplexing，简称MDM）和波分复用两种技术，共设有M×N个调制器和M×N个探测器，如果每个调制器或探测器工作的调制速率为K Gbit/s，则总共的通信带宽为M×N×K Gbit/s。可见，本发明上述实施例相比仅利用波分复用的方案，多增加了N倍的通信速率，即模分复用提供了另一个拓展通信带宽的维度。因此，本发明进一步增加和拓展了光学输入输出芯片的带宽，并且也同样具有高通道密度、低功耗、低延迟等优点。同时可以看出，本发明在使用模分复用和波分复用两种技术时，还具有能够与现有波分复用方案相兼容的优势。
上述调制器的实现形式包括但不限于马赫-曾德尔干涉仪调制器、迈克尔逊干涉仪调制器、定向耦合器调制器、锗/硅吸收调制器、微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器、布拉格光栅调制器等。
有些调制器自身具备波长选择的功能（例如微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器、布拉格光栅调制器等），所以，当这些调制器被使用时，上述图2所示的光学输入输出芯片架构中，可以省去WDM Mux和WDM Demux。
如图3所示，作为另一种架构形式，当调制器采用微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器时，例如图示的微环调制器时，这些调制器在发射端既被用作高速调制器，又被用作第一波分解复用器和波分复用器，所以省去了第一波分解复用器和波分复用器的使用。而且，在接收器部分，诸如微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器的此类调制器，可以用作第二波分解复用器，例如图示的以微环调制器用作第二波分解复用器，将不同波长分开，并将这些不同波长的光送入各个探测器，所以省去了WDM Demux的使用。这种架构形式因省去了WDM Mux和WDM Demux，从而节约了芯片上的空间。而且，这类调制器由于本身尺寸较小，有利于实现芯片的小型化和高带宽密度。此架构的其他方面，请参考针对图2实施例的上述说明加以理解，不再赘述。
在一些实施例中，可以根据需要，将上述架构进一步简化为只含有波分复用或模分复用的方案。
参考图4。其为只含有波分复用的结构形式，即N=1。此时的光学输入输出芯片将无需设置分光器、模分复用器和模分解复用器。并且，多模光纤也可以替换为单模光纤。此架构下，光源输出的光被直接输入设有的唯一一个第一波分解复用器，并由唯一的一个波分复用器输出后，通过输出子芯片的输出端经单模光纤传送到设于另一个光学输入输出芯片（或同一个光学输入输出芯片）上的输入子芯片的输入端，且直接进入偏振分离旋转器。此架构的其他方面，请参考针对图2实施例的上述说明加以理解，不再赘述。
参考图5。进一步地，当上述图4实施例中的调制器同样采用例如微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器时，例如图示的微环调制器时，这些调制器还同时复用为第一波分解复用器和波分复用器。并且，第二波分解复用器也可通过微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器形成，例如图示的以微环调制器用作第二波分解复用器。从而节约了芯片上的空间，有利于实现芯片的小型化和高带宽密度。
参考图6。其为只含有模分复用的结构形式，即M=1。此时的光学输入输出芯片将无需设置第一波分解复用器、波分复用器和第二波分解复用器，且光源只需要提供一个波长。此架构下，由分光器分出的N个第一光分支各自直接经过一个调制器调制后，直接进入模分复用器进行模式转换，例如转换成为一个一阶模的光，一个二阶模的光，……，直到一个N阶模的光，形成含有N个不同模式的第二光分支。而经多模光纤传导至模分解复用器和偏振分离旋转器后转换形成的N组第三光分支都是一阶模的光，并可通过N个波导分别进行承载，N组第三光分支中，每组第三光分支中的两个第三光分支（第三光分支A和第三光分支B），就各自仅有一个相同波长的TE偏振态的光（一个是原本为TE偏振态的光，另一个是由TM偏振态被再转为TE偏振态的光），且这两个相同波长的TE偏振态的光直接进入对应一个探测器的两端。因此N组第三光分支一共只需要配置N个探测器。
参考图7。在实际应用中，通常一个芯片发射器发出的信号由另一个芯片的接收器接收，进而实现不同芯片之间的互联，即输出子芯片和输入子芯片分设于两个不同的光学输入输出芯片上（为方便理解，图右的其中一个光学输入输出芯片绘制成倒置状态）。图2-图6的上述实施例，即体现了图7所示的应用场景。但可以理解，也可以采用同一个芯片自发自收的方式，即体现为输出子芯片和输入子芯片设于同一个光学输入输出芯片上的情况，如图8所示。
在一些实施例中，输出子芯片和输入子芯片之间除了通过光纤进行连接外，也可以通过光波导进行连接，还可以通过光子引线键合连接。
在一些实施例中，第一光分支至第三光分支、第一子光分支和第二子光分支形成于波导上，即以波导作为这些光路的载体，在发射器部分的光源、分光器、第一波分解复用器、调制器、波分复用器、模分复用器和输出子芯片的输出端之间形成以波导连接的光路，以及在接收器部分的输入子芯片的输入端、分解复用器、偏振分离旋转器、第二波分解复用器和探测器之间形成以波导连接的光路。
在一些实施例中，上述能够提供多个波长的光的光源的实现形式，可以是将多个不同波长的子光源封装在一起形成。或者，也可以是由同一个光源产生不同波长的光形成的光源（例如克尔频率梳光源）。并且，光源既可以通过集成而设于光学输入输出芯片内部，也可以外置于光学输入输出芯片外部并通过光耦合的方式将光送入光学输入输出芯片。
在一些实施例中，上述的分光器的实现形式包括但不限于Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、光子晶体分光器、亚波长分光器等。
在一些实施例中，上述的第一波分解复用器、波分复用器、第二波分解复用器的实现形式包括但不限于阵列波导光栅、阶梯（Echelle）光栅、级联马赫-曾德干涉仪、级联微环、级联马赫-曾德干涉仪和微环、法布里-珀罗干涉仪。并且，第一波分解复用器、波分复用器、第二波分解复用器既可以是无源的，也可以是可调的。
在一些实施例中，上述的模分复用器或模分解复用器的实现形式包括但不限于多模干涉耦合器、多模绝热耦合器、弯曲耦合器/反向耦合器、多波导耦合结构、不规则多模结构、光栅结构、光子晶体结构、亚波长结构。
在一些实施例中，上述的偏振分离旋转器的实现形式包括但不限于双层楔形结构、双材料结构、弯曲结构、多模干涉结构、绝热结构等。
在一些实施例中，上述的模分解复用器和偏振分离旋转器可以集成在同一个结构中实现模分解复用器和偏振分离旋转器各自的功能，如图2-图3所示。或者，上述的模分解复用器和偏振分离旋转器也可以由两个相互独立的结构实现模分解复用器和偏振分离旋转器各自的功能。
在一些实施例中，上述的探测器可以基于许多不同的工作原理形成，如PIN二极管、金属-半导体-金属光电探测器、雪崩光电二极管等。这些二极管结的方向既可以是横向的，也可以是垂直的。并且，这些二极管结也可以制作成复杂的形状，如L形、U型等。
上述的多模光纤包括但不限于是常规多模光纤、长方形核心多模光纤、多边形核心多模光纤、保偏光纤、渐变折射率光纤、多芯光纤、空芯光纤、光子晶体光纤等。
以下通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种分布式计算系统作进一步的详细说明。
本发明的一种分布式计算系统，含有上述的光学输入输出芯片。
参考图9。以上述本发明的光学输入输出芯片在分布式计算系统架构中的应用为例，分布式计算系统包括设于基板（例如硅中介板（Si interposer））上的计算资源池、闪存资源池和存储资源池。
其中，计算资源池包括排布为第一阵列的多个计算单元；每个计算单元包括外置的第一光源（Laser source，简称LS）、第一光子集成电路芯片（Photonics integratedCircuit，简称PIC）、传统的第一电子集成电路芯片（Electronic integrated Circuit，简称EIC）（含有驱动器（driver）、跨阻放大器（TIA）等）和计算资源芯片（XPU，例如CPUs，GPUs，FPGAs，ASICs等）。
闪存资源池包括排布为第二阵列的多个闪存单元；每个闪存单元包括第二光源（LS）、第二光子集成电路芯片（PIC）、第二电子集成电路芯片（EIC）和闪存资源芯片（Memory）。
存储资源池包括排布为第三阵列的多个存储单元；每个存储单元包括第三光源（LS）、第三光子集成电路芯片（PIC）、第三电子集成电路芯片（EIC）和存储资源芯片（SSD）（图8中示例性显示的位于计算资源池、闪存资源池、存储资源池三个阵列中的各光源、各第二电子集成电路芯片的位置对应，各第一光子集成电路芯片、各第二光子集成电路芯片和各第三光子集成电路芯片的位置对应，计算资源芯片、闪存资源芯片和存储资源芯片的位置对应，但不限于此）。
多个光学输入输出芯片分设于第一光子集成电路芯片至第三光子集成电路芯片上；第一光子集成电路芯片、第二光子集成电路芯片和第三光子集成电路芯片通过连接在各自的光学输入输出芯片之间的作为光传输媒介的光纤（Fiber）、光波导（Waveguide）或光子引线键合（Photonic wire bond），实现计算单元、闪存单元和存储单元的芯片之间的光互联，从而有效提高了互联带宽，增加了通道密度，降低了功耗，改善了延迟。
可以理解，图9中的阵列并不局限为三行，即可以有更多个计算资源池、闪存资源池和存储资源池。并且，图9中的阵列也并不局限为三列，即计算资源池、闪存资源池和存储资源池各自不局限于排为一列，也可以是多列。
以上所述分布式计算系统架构所在的集成材料平台包括但不限于硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、磷化铟、铌酸锂、钛酸钡、聚合物。所述波导类型包括但不限于通道波导、脊波导、缝隙波导、扩散波导、光子晶体波导。所述分布式计算系统架构的工作波长范围包括但不限于可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段。所述分布式计算系统架构的应用领域包括光通信、光互联、自由空间光通信、光计算、光开关、激光雷达、光束控制、光陀螺仪、光学传感、光存储、人工智能、自动驾驶、智慧城市等。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (7)
1.一种光学输入输出芯片，其特征在于，包括：输出子芯片和输入子芯片；
所述输出子芯片包括第一光处理模块，用于使光源提供的含有M个波长的光形成N个第一光分支，并采用波分复用技术和模分复用技术，使每个第一光分支中的光按M个波长区分进一步形成M个第一子光分支，并进行逐一调制，再使经调制后的所述N个第一光分支的光形成含有N个不同模式的第二光分支，并以第一偏振态输出，进入光传输媒介；其中，M＞1，N＞1；
所述输入子芯片包括第二光处理模块，用于使由所述输出子芯片输出经光传输媒介传输至的含有所述N个不同模式的第二光分支形成N个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由所述第一偏振态在光传输媒介传输过程中旋转变为不同的第二偏振态的部分光分离后再次形成所述第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的剩余的所述第一偏振态的光在分别按M个波长区分形成M个第二子光分支后，进行一一对应地合并以解调；
其中，所述第一光处理模块包括分光器、第一波分解复用器、调制器、波分复用器和模分复用器，所述分光器用于将同一个所述光源输出的含有M个波长的混合光分成所述N个第一光分支，每个第一光分支中的M个波长的光被一个所述第一波分解复用器分成所述M个第一子光分支，每个第一子光分支中的单一波长的光各自经过一个所述调制器被加载上高速电信号，即被调制，然后又经由一个所述波分复用器将M个被调制后的各个单一波长的光合并为一路，最终所述N个第一光分支中的光经过一个所述模分复用器合并为一路，这个过程中所述模分复用器将所述N个第一光分支中的光转换成为含有所述N个不同模式的第二光分支，最后，这些加载了高速电信号的M个波长、N个不同模式的光在所述输出子芯片的输出端以第一偏振态通过一个作为光传输媒介的多模光纤被传送到所述输入子芯片的输入端，在多模光纤中传送的第一偏振态的光因发生旋转，在传到所述输入端时，一部分光会呈现第一偏振态，而另一部分光会呈现第二偏振态；所述第二光处理模块包括模分解复用器和偏振分离旋转器、第二波分解复用器和探测器，由所述输入端输入的含有第一偏振态和第二偏振态的N个不同模式的光，经过一个集成在同一个结构中的所述模分解复用器和偏振分离旋转器，将含有N个不同模式的第二光分支都转换为N个同一模式的第三光分支，并将每个第三光分支分成第三光分支A和第三光分支B两路，第三光分支A为原本为第一偏振态的光，第三光分支B为由第二偏振态被再转为第一偏振态的光，并将与原本所在的一个第三光分支对应的一个第三光分支A和一个第三光分支B安排为一组，共计N组，每组的第三光分支A和第三光分支B分别经由一个所述第二波分解复用器，将每组的第三光分支A和第三光分支B各自含有的M个波长的光再次各分为M个第二子光分支，并形成按相同波长一一对应排列的M个第二子光分支对，且每个第二子光分支对中的两个波长相同的光进入同一个所述探测器的两端，被合并在一起，解调为高速电信号，从而增加通信速率和通道密度，降低功耗，并改善延迟，所述探测器包括PIN二极管、金属-半导体-金属光电探测器或雪崩光电二极管，所述第一偏振态包括TE偏振态，所述第二偏振态包括TM偏振态。
2.根据权利要求1所述的光学输入输出芯片，其特征在于，当所述调制器为微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器时，所述调制器还同时复用为第一波分解复用器和波分复用器；和/或，所述第二波分解复用器通过微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器形成。
3.根据权利要求1所述的光学输入输出芯片，其特征在于，所述输出子芯片和所述输入子芯片设于同一个所述光学输入输出芯片上，或者，所述输出子芯片和所述输入子芯片分设于两个不同的所述光学输入输出芯片上；和/或，所述输出子芯片和所述输入子芯片之间通过作为光传输媒介的光纤、光波导或光子引线键合连接；和/或，所述第一光分支至所述第三光分支、所述第一子光分支和所述第二子光分支形成于波导上。
4.根据权利要求1所述的光学输入输出芯片，其特征在于，所述N个不同模式包括从一阶模直到N阶模，所述第二光处理模块使由所述输出子芯片输出至的含有所述N个不同模式的第二光分支形成N个一阶模的第三光分支。
5.根据权利要求1所述的光学输入输出芯片，其特征在于，所述光源以多个分别提供不同波长的子光源封装在一起形成，或者，所述光源通过产生不同波长的光的同一个光源形成；和/或，所述光源设于所述光学输入输出芯片上，或外置于所述光学输入输出芯片外并通过光耦合的方式将光送入所述光学输入输出芯片；和/或，所述调制器包括马赫-曾德尔干涉仪调制器、迈克尔逊干涉仪调制器、定向耦合器调制器、锗/硅吸收调制器、微环调制器、微盘调制器、光子晶体调制器或布拉格光栅调制器；和/或，所述分光器包括Y形分支、三叉戟形分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、光子晶体分光器或亚波长分光器；和/或，所述第一波分解复用器、所述波分复用器或所述第二波分解复用器包括阵列波导光栅、阶梯光栅、级联马赫-曾德干涉仪、级联微环、级联马赫-曾德干涉仪和微环或法布里-珀罗干涉仪；和/或，所述模分复用器或所述模分解复用器包括多模干涉耦合器、多模绝热耦合器、弯曲耦合器、反向耦合器、多波导耦合结构、不规则多模结构、光栅结构、光子晶体结构或亚波长结构；和/或，所述偏振分离旋转器包括双层楔形结构、双材料结构、弯曲结构、多模干涉结构或绝热结构。
6.一种分布式计算系统，其特征在于，含有根据权利要求1所述的光学输入输出芯片。
7.根据权利要求6所述的分布式计算系统，其特征在于，所述分布式计算系统包括设于基板上的计算资源池、闪存资源池和存储资源池，所述计算资源池包括排布为第一阵列的多个计算单元，每个所述计算单元包括第一光源、第一光子集成电路芯片、第一电子集成电路芯片和计算资源芯片，所述闪存资源池包括排布为第二阵列的多个闪存单元，每个所述闪存单元包括第二光源、第二光子集成电路芯片、第二电子集成电路芯片和闪存资源芯片，所述存储资源池包括排布为第三阵列的多个存储单元，每个所述存储单元包括第三光源、第三光子集成电路芯片、第三电子集成电路芯片和存储资源芯片；所述第一光子集成电路芯片至所述第三光子集成电路芯片上分别设有所述光学输入输出芯片；所述第一光子集成电路芯片、所述第二光子集成电路芯片和所述第三光子集成电路芯片通过连接在各自的所述光学输入输出芯片之间的作为光传输媒介的光纤、光波导或光子引线键合，实现所述计算单元、所述闪存单元和所述存储单元之间的光互联。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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