CN1205494C - 全互连光纤网络系统 - Google Patents

Abstract

全互连光纤网络系统，属于光通讯系统或设备，采用带状并行光纤作为数据传输通道，其接口仅需一组低成本的并行面发射激光模块和并行接收模块；本发明包括路由选通发送、接收模块和M×M全互连光纤网络组件，路由选通发送模块有M个，各自包括面发射激光阵列芯片及电路选通开关芯片；路由选通接收模块亦有M个，各自包括并行阵列探测器芯片及开关芯片；M×M全互连光纤网络组件包括M条光缆，各包括M×N条纤芯，光缆首端依序分别连接路由选通发射模块；光缆末端依序分别连接路由选通接收模块。该网络传输带宽宽、数据通道成数十倍增加、系统中无路径阻塞、寻径时间缩短、传输速率提高，相对于波分复用技术成本可降低10倍以上。

Description

全互连光纤网络系统

技术领域

本发明属于光通讯系统或设备，可用于计算机和通讯领域。

背景技术

信息技术正在向着宽带、高速、大容量方向发展，通讯技术中路由器设备需要的容量越来越大，从10G比特、100G比特到T比特量级方向发展。并行处理计算机领域需要的运算速度越来越高，其体系结构可以由互连交换网络将大量微处理芯片互连一起组成的高性能并行处理系统，将大量单机主板互连组成的机群系统，将许多机群之间互连组成网格运算系统，在传统电子互连交换网络系统技术中，都需要应用大量的4×4、8×8、16×16、32×32、64×64等矩阵交换开关芯片作为系统中分组信号的路由寻径控制。由于系统的传输率不断提高，通道中分组信息急剧增加，而传统电子互连交换网络系统中相对路由寻径数据通道数少，其交换节点需要功能十分强大的控制系统进行集中控制、路由选择、流量控制、时钟检测和纠错。所以，导致系统中分组信息寻径时间增加、丢失率增高。特别是在网格运算系统中，若干组机群(或若干台计算机)可以分布在一栋建筑大楼内，或分布在一个小区内，若干组机群(或若干台计算机之间互连通讯，需要一种具有较高传输带宽(2.5Gbps，10Gbps，40Gbps，或更高)，较远传输距离(800米或更长)的全无阻塞的光纤互连网络传输系统。目前，采用波分复用技术构建成全互连光纤传输网络系统，见图1。以8组机群组成的网格运算系统为例，可采用一种环型网络结构，每一机群组用一个特定的波长λ作为地址，分别为λ₀，λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅，λ₆，λ₇，每一组波长可选用通讯标准波长。每一组机群组的接口处所需要的光电子器件如下：只能下载自己特徵波长λ信息的OADM上、下载器件、具有可以选择发送λ₀，λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅，λ₆，λ₇8种波长信息中其他7种不同波长信息的复杂而昂贵的发送器件以及一个8波段的波分复用器件，整个传输系统需要共56组昂贵的发送器件，8组OADM下载器件和8波段的波分复用器件。如果该系统的传输速率为10Gbps、或更高，这种波分复用全互连光纤传输网络系统的价格是十分昂贵而难以承受的。

发明内容

本发明提出一种全互连光纤网络系统，采用带状并行光纤作为数据传输通道，其接口处仅需要一组低成本的并行面发射激光阵列芯片和并行阵列探测器芯片发送和接收信息，以相对于波分复用技术降低其成本，提高通讯系统的路由数据通道数，基于本发明可以研制出4×4、8×8、16×16、32×32等空分全光互连交换光纤网络组件和高密度、大容量光互连光纤网络背板组件。同时，用于网格运算系统或多机并行处理系统，

本发明的一种全互连光纤网络系统，包括路由选通发送、接收模块和M×M全互连光纤网络组件；所述路由选通发送模块有M个，各自包括M×N面发射激光阵列芯片及相应的电路开关芯片；所述路由选通接收模块亦有M个，各自包括M×N并行阵列探测器芯片及相应的电路开关芯片；M×M全互连光纤网络组件包括M条光缆，每条光缆各包括M×N条纤芯，M条光缆各自首端M×N条纤芯依序分别连接各自对应的路由选通发送模块中的M×N面发射激光阵列芯片；M条光缆各自末端M×N条纤芯依序分别连接路由选通接收模块的M×N并行阵列探测器芯片；其中M＝2ⁿ，n和N为自然数。

所述的全互连光纤网络系统，其进一步特征在于：所述M×M全互连光纤网络组件各条光缆M×N条纤芯首端制成一维光纤阵列，每一条纤芯与对应M×N面发射激光阵列芯片的每一象元一对一对准；各条光缆M×N条纤芯末端分组制成一维光纤阵列，每一条纤芯与相应M×N并行阵列探测器芯片的象元一对一对准。

当其用于网格运算系统时，所述的全互连光纤网络系统，其特征在于所述路由选通发送模块有M个，无需向自身传送数据，故各自包括(M-1)×N面发射激光阵列芯片及与其相对应的电路开关芯片；所述路由选通接收模块有M个，无需接收来自自身的数据，故各自包括(M-1)×N并行阵列探测器芯片及与其相对应的电路开关芯片；所述M×M全互连光纤网络组件包括M条光缆，每条光缆省去与自身通讯的数据通道，各包括(M-1)×N条纤芯，M条光缆各自首端(M-1)×N条纤芯依序分别连接各自对应的路由选通发送模块的(M-1)×N面发射激光阵列芯片；M条光缆各自末端N条纤芯为一组并行排放，分成M-1组依序分别连接排除对应自身的路由选通接收模块后下余M-1个路由选通接收模块的(M-1)×N并列阵列探测器芯片。

上述的全互连光纤网络系统，其进一步特征在于：所述M×M全互连光纤网络组件各条光缆(M-1)×N条纤芯首端制成一维光纤阵列，每一条纤芯与对应(M-1)×N面发射激光阵列芯片的每一象元一对一对准；各条光缆(M-1)×N条纤芯末端分组制成一维光纤阵列，每一条纤芯与相应(M-1)×N并行阵列探测器芯片的象元一对一对准。

所述的全互连光纤网络系统，所述M×M全互连光纤网络组件前端和末端的(M-1)×N条纤芯，可以采用光纤融熔焊接或采用并行光纤适配连接器方式与包含有(M-1)×N条纤芯的光缆对接传送信息，再分别与路由选通发送模块的(M-1)×N面发射激光阵列芯片和路由选通接收模块的(M-1)×N并行阵列探测器芯片连接。

该全互连光纤网络系统不但传输带宽很宽、系统的路由数据通道数成数十倍的增加，分组信息的路由寻径仅需要在组件的入口处，对分组头进行极简单的裁决直通目的地。由许多空分全光互连交换光纤网络组件组成的高速、大容量路由交换系统，由于系统的路由数据通道数成数十倍到百倍的增加，分组信息的路由寻径仅需要在组件的入口和模板之间的接口二处，对分组头进行极简单的裁决就可以直通目的地。所以，分组信息的路由寻径过程不需要进行集中控制、路由选择、流量控制，分组信息的寻径的时间大大缩短、传输速率大大提高，系统中无路径阻塞，丢失率大大降低。

用低成本的波长为850nm的带状并行光纤网络传输高速数据信息，目前是局域网中发展的方向，同样也是构建网格运算系统中高速数据传输网的最佳选择。网格运算系统(多机系统)的通讯协议可采取自定义方式，并行数据传输的物理层和协议适配接口卡可按照自定义协议研制。利用本发明的网络，若传输带宽需要10Gbps或更高时，采用带状并行光纤作为数据传输通道，每一条传输率为2.5Gbps，4条并行光纤的传输带宽可为10Gbps，每一组机群组(或每一台计算机)的接口处，采用低成本、波长为850nm的并行面发射激光阵列(VCSEL)并行收发模块发送信息，用并行阵探测器PIN接收模块接收信息，其带宽可达10-40Gbps或更高，机群之间传输距离可达800米或更长，该网络相对采用波分复用技术的装置成本可以降低10倍以上。

附图说明

图1为现有的波分复用全互连光纤传输网络示意图，

图2为本发明8×8全互连光纤网络系统示意图，

图3为本发明8×8全互连光纤网络系统寻径示意图，

图4为用于并行处理机群或网格运算系统时，本发明示意图，

图5为本发明用于网格运算系统时的结构示意图，

图6为包括路由选通发送、接收模块的接口卡示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体说明。

A)图2所示，以8×8全互连光纤网络系统为例予以说明，其中M＝8，N＝1，该系统由带8×1开关的路由选通发送模块1、8×8全互连光纤网络组件2和带8×1开关路由选通接收模块3组成。该系统输入端口的标志为I₀、I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₇，输出端口的标志为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇，每一个输入端口都有8条通道分别到每一个输出端口作为专用的数据信息传送通道，第I₀输入端口的8条数据传送通道分别与标志为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇输出端口的第O条通道相连，第I₁输入端口的8条数据传送通道分别与标志为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇输出端口的第1条通道相连，……第I₇输入端口的8条数据传送通道分别与标志为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇输出端口的第7条通道相连，网络系统对任意一个输入端口到任意一个输出端口都提供了一条专用的传送通道，没有任何路径阻塞。每一个输入端口到任意一个输出端口的路径选择，仅需要在输入端口经过8×1开关选通一个结点，控制VCSEL阵列中的一个象元发光，并将电信号变成光信号，通过一条专用光纤通道，直接将光信号传送到确定的输出端口。该8×8全互连光纤网络系统详细路由寻径交换过程，如图3所示，标志为I₀、I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₇输入端口为来自光纤的光信号，以I₄输入端口为例，若要与输出端口O₂通讯，其路由寻径交换过程如下：来自I₄输入端口光信号，首先转换成电信号，对分组头信息进行裁决，知道该分组信息需要达到O₂输出端口，则只要立即控制8×1开关的第3个结点连通，电信号调制VCSEL阵列芯片的第3个象元发光，将电信号变成光信号，直接通过与O₂输出端口连通的专用光纤通道，立即将光信号传送到了O₂输出端口，O₂输出端口上的PIN接收阵列中的第3象元将光信号传换成电信号，从O₂输入端口输出。其他任意一个输入端口到任意一个输出端口的分组信息的路由寻径，都按照以上方法，在输入端口只需对分组信息头一次裁决，即可选通路径直接达到输出端口。由于VCSEL和PIN的电/光和光/电的转换速率已经达到10Gbps，功耗很低、成本较低。采用空分全光互连交换4×4、8×8、16×16、32×32……N×N光纤网络组件作为基本单元，可组成宽带、高速、大容量的全光互连的路由交换网络系统，应用于通讯领域中路由器设备和高性能并行处理系统。

B)分布在一栋建筑大楼内或分布在一个小区内几个机群间的互连网格运算系统，若有M组机群(或多机)组成一个网格运算系统，可采用M×M全互连Crossbar网络结构。图4和图5以M＝8组机群组成的网格运算系统为例，由于各机群之间传输距离大约在800米左右，若网络传输系统带宽为2.5Gbps，可用一条光纤传输信息，即N＝1；若网格运算系统中所需要的数据带宽为v，而每一条光纤的传送速率为v₀，则系统中任何两个机群之间的数据传送需要n＝v/v₀条并行光纤为一组传送数据信息。若有M组机群组成一个网格运算系统，需要的数据传输带宽为v，其全互连并行光纤网格传输系统，为不需要同序号输入和输出互连的全互连M×M并行光纤网格传输系统，一组数据传送的并行光纤数为n＝v/v₀，v₀为一条光纤的传送速率。若机群之间信息传送带需要一条光纤作为信令传送，则每一组数据和信令传送的并行光纤数为N＝n+1。若速度为10Gbps或更高时，为了使接口器件成本大幅度的降低，可采用低成本、波长为850nm的并行面发射激光阵列芯片VCSEL发送信息，用并行阵列探测器芯片PIN接收信息，二者构成路由选通发送和接收模块。若传输带宽需要10Gbps或更高时，采用波长为850nm的带状并行多模光纤作为数据传输通道，每一条传输率为2.5Gbps，4条并行光纤的传输带宽可达10Gbps。另外有1条纤芯传送信令，共N＝5条并行光纤为一组数据和信令通道。为了每一组机群能与其他任意7组机群通信，则每一组机群端口有7组5条纤芯微带组成的数据和信令通道，分别提供与其他7组机群互连通讯的数据通道。本组机群(或本台计算机)若与其他某机群(其它计算机)通讯，可直接选通相应的端口即可进行数据通讯。因此，每一组机群发射端口有7组5条纤芯带状光纤组成的数据和信令通道，共35条光纤组成一条发射光纤光缆，同样，每一组机群接收端口有7组5条纤芯带状光纤组成的数据和信令通道共35条光纤组成一条接收光纤光缆。该用于格运算系统中空分带状并行光纤全互连网络传输系统，路由控制是一种分布式的控制系统，十分简单，每一组机群系统的路由选通，与哪一组机群通讯，每一组机群的路由选择都在自己的端口进行，路由控制速度快、时延极短。该网络系统，若需要传输速率更高，则可增加并行传输通道数目或增加每一通道的传送速率。若节点数目需要增加，可在端口处直接增加数据传送通道数目，或采用其它拓朴结构带状并行光纤网络的传输系统。

并行光纤全互连网络组件，若光纤数很少，可按照网络拓朴结构直接排放，特别要保证接口处的光纤顺序的正确。若光纤网络中的光纤数很多，要保证接口处的光纤顺序的正确性，可按以下提出一套工艺流程研制。如图4和图5所示的带状并行光纤8×8全互连Cossbar网络为例，任何两组机群之间数据和信令通道共5条光纤为一组，每一组机群的接口处有7×5＝35条光纤。为了使网络结构清楚，接口处的光纤组排列有序，可在耐高温的塑料薄膜上喷涂一层胶，让光纤网络在胶层上，按照网络的拓朴结构排放铺设。为了让在8对接口处光纤排放成有序的一维阵列，制作一块平面不锈钢底板(或其他材料)，面积大小可按需要设计。为了让来自其他端口的光纤较自然成一定弧形卷入每一个端口，形成一维阵列排放在规定的位置上，在网络的8对接口附近，各光纤(或一组光纤)的转弯处设有一小孔。在排放光纤网络时，将已喷涂一层胶的耐高温的塑料薄膜平放在平面不锈钢底板上，并在已制作好的每一个小孔上，让小针穿过薄膜插入小孔固定。网络一边为发射边，端口排序为I₀、I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₇，另一边为接收边，端口排序为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇的8个发射端口，将光缆一端破开约一米长作为制作空分带状并行光纤全互连(或其他拓朴结构)网络单元组件所需的光纤长度。或用长度适量(如一米)的每组包括35条纤芯的8组光纤，首先制作全互连光纤网络组件，光纤网络排放时，为了从发射到接收边在各端口排列有序，从发射边I₀序号开始，5条并行光纤一组向接收边序号为O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆、O₇的端口有序排放，……最后排放发射边序号为I₇的光纤，5条并行光纤一组向接收边序号为O₀、O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆的端口有序排放。接收边各序号端口上来自各发射边端口的光纤，按照发射端口的序号I₀、I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₇，有序排列成一维阵列，并用下面的胶层固定。当带状并行光纤网络按照需要的拓朴结构排放完成后，特别检查发射和接收边各端口的光纤序号是否正确，最后在上面再铺一层已喷涂一层胶的耐高温的塑料薄膜加以固定。这样就可以完成空分带状并行光纤全互连网络组件的制作。该空分带状并行光纤全互连网络组件用于网格运算系统时，每一端口35条光纤都要分别与光纤芯数相同的光缆中的光纤完全对接，可以用融熔焊接，或用并行光纤适配器对接，可完成带状并行光纤全互连(或其他拓朴结构)光纤传输网络的制作。

C)端口路由选通收发模块

全互连光纤网络系统，其输入和输出接口器件包括路由选通发送和接收模块。见图6，网络与各机群(或计算机)的接口处的接口板由七部分组成：一维面发射激光VCSEL阵列芯片4、一维并行阵列PIN探测器芯片5、驱动一维面发射激光VCSEL阵列芯片的驱动电路阵列芯片6、一维并行阵列PIN芯片将光信号转换成电信号后，信号特别弱需要放大到一定的TTL或ECL电平的放大电路阵列芯片7、7×1的逻辑选择发射开关芯片8、7×1的逻辑选择接收开关芯片9和自定义通讯协议处理电路10。网络与各机群(或计算机)的接口处的接口板有(M-1)×N(N为每一组并行通道数目)一维面发射激光VCSEL阵列芯片4作为电/光转换，将数据和信令电信号转换成光信号，耦合到(M-1)×N带状并行光纤中，将信号发送到其他任何一组机群组(或计算机)。但是，7组VCSEL阵列象元中哪一组发送光信号是受7×1的逻辑选择发射芯片的控制。从其他机群(或计算机)传送来的数据和信令光信号，接口处有(M-1)×N一维并行阵列PIN芯片5作为光/电转换，将数据和信令光信号转换成电信号，由7×1的逻辑选择接收开关芯片9将电信号放大到所需要的电平。

Claims (5)

1.一种全互连光纤网络系统，包括路由选通发送、接收模块和M×M全互连光纤网络组件；其特征在于所述路由选通发送模块有M个，各自包括M×N面发射激光阵列芯片及相应的电路开关芯片；所述路由选通接收模块亦有M个，各自包括M×N并行阵列探测器芯片及相应的电路开关芯片；M×M全互连光纤网络组件包括M条光缆，每条光缆各包括M×N条纤芯，M条光缆各自首端M×N条纤芯依序分别连接各自对应的路由选通发送模块中的M×N面发射激光阵列芯片；M条光缆各自末端M×N条纤芯依序分别连接路由选通接收模块的M×N并行阵列探测器芯片；其中M＝2ⁿ，n和N为自然数。

2.如权利要求1所述的全互连光纤网络系统，其特征在于：所述M×M全互连光纤网络组件各条光缆M×N条纤芯首端制成一维光纤阵列，每一条纤芯与对应M×N面发射激光阵列芯片的每一象元一对一对准；各条光缆M×N条纤芯末端分组制成一维光纤阵列，每一条纤芯与相应M×N并行阵列探测器芯片的象元一对一对准。

3.如权利要求1所述的全互连光纤网络系统，其特征在于当其用于网格运算系统时，所述路由选通发送模块无需向自身传送数据，故各自包括(M-1)×N面发射激光阵列芯片及与其相对应的电路开关芯片；所述路由选通接收模块无需接收来自自身的数据，故各自包括(M-1)×N并行阵列探测器芯片及与其相对应的电路开关芯片；所述M×M全互连光纤网络组件每条光缆省去与自身通讯的数据通道，各包括(M-1)×N条纤芯，M条光缆各自首端(M-1)×N条纤芯依序分别连接各自对应的路由选通发送模块的(M-1)×N面发射激光阵列芯片；M条光缆各自末端以N条纤芯为一组并行排放，分成M-1组依序分别连接排除对应自身的路由选通接收模块后余下M-1个路由选通接收模块的(M-1)×N并行阵列探测器芯片。

4.如权利要求3所述的全互连光纤网络系统，其特征在于：所述M×M全互连光纤网络组件各条光缆(M-1)×N条纤芯首端制成一维光纤阵列，每一条纤芯与对应(M-1)×N面发射激光阵列芯片的每一象元一对一对准；各条光缆(M-1)×N条纤芯末端分组制成一维光纤阵列，每一条纤芯与相应(M-1)×N并行阵列探测器芯片的象元一对一对准。

5.如权利要求3或4所述的全互连光纤网络系统，其特征在于所述M×M全互连光纤网络组件前端和末端的(M-1)×N条纤芯，可采用光纤融熔焊接或采用并行光纤适配连接器方式与包含有(M-1)×N条纤芯的光缆对接传送信息，再分别与路由选通发送模块的(M-1)×N面发射激光阵列芯片和路由选通接收模块的(M-1)×N并行阵列探测器芯片连接。

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