JP2011526104A - 光学的同報通信システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1A
Description
近年、マイクロエレクトロニクス業界の動向は、次世代のマルチプロセッサのチップが数十または数百ものノードから構成され得ることを示す。ノードは、コアとも呼ばれる処理要素、並びにキャッシュ、入力/出力、及びメモリのような他の装置とすることができる。望ましい特徴は、オンチップの同報通信バスがチップの全ノードと通信する任意の1つのノードを提供することであり、それは「エニイツーオール(any-to-all)」通信と呼ばれる。原理的には、バスを駆動することができる任意のノードが、当該バスにタップ接続する全ノードに、当該バスを介して情報を同報通信することができる。例えば、同報通信は、任意の与えられたコアのキャッシュの一貫性(コヒーレンス)を維持するために使用され得る。
本発明の実施形態は、システムの任意のノードから他の全てのノードに情報を同報通信(broadcast:一斉送信、放送)するための光学的同報通信システムを対象とする。一実施形態において、システムの任意の1つのノードから全てのノードに情報を同報通信するための光学的同報通信システムは、変調器部分および検出器部分を含む光同報通信バスを含む。各ノードは、変調器部分に光学的に結合された変調器を制御し、各ノードは、検出器部分に光学的に結合された検出器を制御する。光パワーソースが、非変調光を光同報通信バスに導入し、ノードの変調器がそのノードの制御下で非変調光を変調して、同報通信バス上のその個々のノードからの情報を搬送する1つ又は複数の光信号を生成する。光同報通信バスは、変調器部分が各ノードの変調器を通過するように構成される。変調器部分の後に、各ノードの検出器を通過する検出器部分が続く。各検出器は、ノードの全てが変調器により生成された光信号を受け取るように検出器部分に光学的に結合される。
本発明の実施形態は、システムのノードを介して情報を同報通信するための光学的同報通信システムを対象とする。光学的同報通信システムは、任意の1つのノードがシステムの全ノードに同報通信することを可能にし、エニイツーオール(any-to-all)光学的同報通信システムとも呼ばれる。用語「ノード」は、コア、キャッシュ、入力/出力装置、及びメモリ、或いは任意の他の処理、送信または格納装置を表し、用語「ノードシステム」は、例えばコンピュータシステムを表すことができる。エニイツーオール光学的同報通信システムは、1つのノードが同じデータを複数の他のノードに提供することを必要とする状態で複数の処理要素が存在する任意のノードシステムでパワー及び待ち時間を効率的にすることができる。係るシステムの例は、マルチコアのプロセッサにおける複数のコア間のキャッシュ一貫性を維持すること、信号プロセッサのアレイにわたってデータを再分配すること、及びネットワーク交換においてマルチキャストを行うことを含む。現在のデータレートにおいて、電子的同報通信バスは、全集積回路に広がることができない。リピータ及びリタイマを用いて、これらの問題を緩和することができるが、これらは電力および待ち時間を大幅に増す。
図1Aは、本発明の実施形態に従って構成された第1の光学的同報通信システム100の略図を示す。同報通信システム100は、N個のノードのそれぞれに光学的同報通信の能力を提供し、この場合、Nは整数である。図1Aの例に示されるように、N個のノードのうち6個だけが示され、ノードは、この例において時計回りで1からNまで表示されている。同報通信システム100は、非変調光を導波路に導入(注入)する光パワーソース104に一方の端部で光学的に結合されたバス導波路102からなる光同報通信バスを含む。バス導波路102は3つの部分、即ち、変調器部分106、変調器部分106の次に来る検出器部分108、及び変調器部分106を検出器部分108に接続するコネクタ部分107を含む。例えば、ソース104から時計回りで導波路102の経路をたどることにより、N個のノードのそれぞれを通過する導波路102の変調器部分106、N個のノードのそれぞれをまた通過する導波路102の検出器部分108が明らかになり、ノードNで末端をなす。言い換えれば、この例において、バス導波路102のラップアラウンドの構成により、バス導波路102はN個のノードのそれぞれを2回(変調のために1回、及び検出のために1回)通過することが可能になる。バス導波路102は単一の導波路とすることができるか、又はラップアラウンドの構成を通過する一組の導波路から構成され得る。
log2N=NSL
ここで、NSLは、光タップ段の数であり、2を底とする対数は、光タップから出力される2つの光信号に対応する。例えば、8ノードの同報通信システム140の場合、光信号は3つの光タップ段を通過する。4ノードのシステムの場合、光タップ段の数は2であり、16ノードのシステムの場合、光タップ段の数は4である。
log4N=NSL
ここで、4を底とする対数は、光タップから出力される4つの光信号に対応する。例えば、16ノードの同報通信システム160の場合、光信号は2つの光タップ段を通過する。4ノードのシステムの場合、光タップ段の数は1であり、32ノードのシステムの場合、光タップ段の数は4である。
logqN=NSL。
図2は、本発明の実施形態に従って構成された変調器202を示す。変調器202は、バス導波路206に隣接して配置された共振器204のような、p個の共振器を含む。共振器は、特定の波長の光と共振するように構成され得る波長選択的な素子のタイプである。各共振器は、導波路206と光学的に連絡し、ノード(図示せず)に電子的に結合される。図2の例で示されるように、λ1・・・λpにより示されたp個の別個の非変調波長から構成される光は、光パワーソース104(図示せず)から出力されて、バス導波路206により伝えられる。共振器はそれぞれ電子的に同調可能であり、各共振器は、適切な電圧が印加された場合に波長λ1・・・λpの1つと共振するように構成され、この場合、共振器は「アクティブ」であると言われる。図2に示されるように、共振器のそれぞれは、各共振器がアクティブである場合に共振する波長を識別するために、波長λ1・・・λpの1つで表示される。共振器がアクティブである場合、それは、エバネセント結合を介してバス導波路206から関連した波長の光を抽出する。捕らえられた光は、共振器に関連した損失によって最終的に減衰し漏出する。共振器がアクティブである間、導波路206により伝えられる光の強度(輝度)または振幅は、アクティブな共振器で低下する。電圧がもはや印加されない場合、共振器の共振波長は、光の波長からそれて、導波路206により伝えられる光の強度または振幅は戻り、当該光はバス導波路206に沿って邪魔されずに伝播して当該共振器を通過する。電圧が共振器に印加されない場合、共振器は「イナクティブ」であると言われる。
図4は、本発明の実施形態に従って構成された検出器402を示す。検出器402はノード(図示せず)に電子的に結合されたp個の共振器から構成される。上述した変調器204の共振器とは異なり、検出器402の共振器は永久的にアクティブ、共振状態に保たれる。代わりに、検出器402の各共振器は、p個の光信号の1つと共振するように構成される。結果として、検出器402の各共振器は、エバネセント結合を介して、対応する波長の光を抽出する。また、検出器402の各共振器は、検出器部分と共に構成される。例えば、共振器408は、検出器部分410と共に構成される。光信号バーλp−5は、共振器408へエバネセント結合される。検出器部分410は、共振器408に捕らえられた光信号バーλp−5の「低」及び「高」の強度パターンを、電子的に結合されたノード(図示せず)に伝達される対応する「オン」及び「オフ」の電気信号へ変換する。検出器402のp個の共振器は、分岐導波路404からのp個の光信号バーλ1・・・バーλpのそれぞれに別個にエバネセント結合して、電子的に結合されたノード(図示せず)に伝達されるp個の別個の対応する電気信号を生成するように独立して動作することができる。
図1Aに戻ると、概して、光タップは、N個の検出器のそれぞれがほぼ同じ光パワーを有するp個の光信号のそれぞれを受け取るように構成される。これは、数1の式に従って、光信号パワーの一部分(数分の一)(Rn)を光学的に結合された分岐導波路に分岐し、数2の式に従って光信号パワーの一部分(数分の一)(Tn)をバス導波路102に伝達するように各光タップを理想的に構成することにより達成され得る。
FP2=F2sin2φ、及び
FP3=1−F2sin2φ
ここで、φ=C0Lc/F、F2は、導波路間で移動する一部分の光パワーの最大値を表し、C0は、導波路の離隔距離の増大と共に指数関数的に減少する結合係数を表す。
上述された光学的同報通信システムは、単一のチップ上の光学層で実現され得る。例えば、特定の実施形態において、チップのサイズは、約25×25mmとすることができ、64個以上のノードを有することができる。導波路は、約200×500nmの断面寸法を有することができ、変調器および検出器は、約40〜60μmの範囲にわたる長さを有することができ、マイクロリングは、0.5〜5μmだけ離されることができ、マイクロリングの直径は、約1〜20μmの範囲にわたることができ、光タップの長さLcは、約0.02〜1mmの範囲にわたることができる。留意すべきは、これらの寸法の範囲は、例示的な範囲を表しており、本発明の光学的同報通信システムが利用され得る寸法の広い範囲を制限することを決して意図していない。かくして、これらの寸法および寸法の範囲は、特定の具現化形態に応じて変化することができる。
2つのノードが同時に同報通信することができるが、同報通信するノードは、各ノードの同報通信の伝送にわたって変調することができない。例えば、非変調光がバス導波路102上の2つのノードを通過する場合、これらのノードは、異なる波長の光を変調することにより同時に同報通信することができる。例えば、図1Aに戻ると、ノード1及びjがバス導波路102上で同時に同報通信することを許可されたと仮定する。ノード1は、光パワーソース104から出力された特定の波長の非変調光を変調して、バス導波路102の変調器部分106に伝達される光信号を生成する。ノードjが、ノード1により生成された同じ波長の光信号を変調する場合、変調プロセスは、ノード1により生成された光信号により伝えられる情報を破壊する。更に、ノードjが既に変調された光信号を変調しているので、ノード1により生成された光信号にノードjが埋め込もうとしている任意の情報も理解できない。かくして、ノード1及びノードjが、ソース104により生成された異なる波長の光を変調する限り、双方のノードは同時に同報通信することができる。
図7は、本発明の実施形態による、光学的同報通信システムを介して同報通信する方法を示す制御流れ図を示す。ステップ701において、図1に関連して上述されたように、p個の異なる波長からなる非変調光がバス導波路へ導入される。ステップ702のforループにおいて、ステップ703〜706は各同報通信に関して繰り返される。ステップ703において、図6に関連して上述された方法およびシステムのような、調停方法およびシステムは、どのノードがバス導波路で同報通信することを許可されているかを決定(判定)するために使用される。ステップ704において、図2〜図3に関連して上述されたように、同報通信するための許可を有する1つのノードが非変調光を変調して、バス導波路に配置される光信号を生成する。ステップ705において、図4〜図5に関連して上述されたように、ノードの全てが、バス導波路から光信号の一部を抽出する。ステップ706において、方法は戻り、バス導波路で次の同報通信のために再開始する。
特定のシステムの実施形態において、導波路はリッジ型導波路とすることができ、共振器はマイクロリング共振器とすることができる。図8Aは、基板806の表面に配置され、本発明の実施形態に従って構成されたマイクロリング共振器802、及び隣接するリッジ型導波路804の一部の等角図を示す。導波路804に沿って伝達される光信号は、光信号が以下の共振条件、即ち
neffC=λm
を満たす場合に、導波路804からマイクロリング802へエバネセント結合される。ここで、neffはマイクロリング802の有効屈折率であり、Cはマイクロリング802の円周であり、mは整数であり、λは光信号の波長である。積neffCはキャビティの光路長である。言い換えれば、波長λの整数の倍数である波長を有する光信号は、導波路804からマイクロリング802へエバネセント結合される。
T=Iout/Iin
ここで、Iinは、マイクロリング802に到達する前に導波路804に沿って伝播する光信号の強度であり、Ioutはマイクロリング802を通過した後に導波路804に沿って伝播する光信号の強度である。透過率の曲線812の最小値814及び816は、波長λm=L/m及びλm+1=L/(m+1)を有する光信号のゼロの透過率に対応し、ここでLはキャビティの光路長である。これらの波長は、多くの規則的に離間した最小値の2つだけを表す。上記の共振条件を満たすこれらの光信号は、マイクロリング802との「強い共振」を有すると言われ、導波路804からマイクロリング802へエバネセント結合される。波長λm及びλm+1の周囲の狭い波長領域において、透過率の曲線812は、光信号の波長が波長λm及びλm+1から遠くに離れるほど、透過率が急激に増加することを明らかにする。言い換えれば、共振の強さが減少し、導波路804からマイクロリング802へ結合された光信号の一部は、光信号の波長が共振波長から遠くに離れるほど減少する。領域818〜820の波長を有する光信号は、マイクロリング802を実質的に邪魔されずに通過する。
n’effC≠mλ
の共振条件を満たさないように、円周C及び有効屈折率n’effで構成され得る。ここで、n’effCは共振器の光路長である。この光信号は、邪魔されずにマイクロリング802を通過し、そのマイクロリング802は、「オフ」にされていると言われる。他方では、マイクロリング802は、適切な電圧がマイクロリング802に印加される場合に有効屈折率n’effが屈折値neffにシフトし、光信号が共振条件、即ち、
neffC=mλ
を満たすように、適切な材料で形成され得る。
Claims (15)
- システムの任意のノードから全てのノードに情報を同報通信するための光学的同報通信システム(100、140、160、180)であって、
変調器部分と検出器部分を有し、前記変調器部分が各ノードを通過し、前記検出器部分が各ノードを通過するように構成された光同報通信バス(142、162、182)と、
前記変調器部分に光学的に結合され、前記変調器部分から前記検出器部分へ情報を搬送する光信号を生成するように前記ノードにより制御される変調器(108〜113)と、
前記検出器部分に光学的に結合され、全てのノードが光信号を受け取るように前記ノードにより制御される検出器(116〜120、134)とを含む、光学的同報通信システム(100、140、160、180)。 - 非変調光を前記光同報通信バスに導入する光パワーソースを更に含み、前記非変調光が、前記変調器部分の前記ノードにより変調されて、光信号が生成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記検出器部分が、
それぞれ検出器に光学的に結合された分岐導波路(404)と、
ラップアラウンドのバス導波路からの光信号の一部を前記分岐導波路の1つに結合するように構成された光タップ(406)とを更に含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記光タップは、各検出器がほぼ同じ光パワーを有する光信号を受け取るように、光信号を分配するように構成されている、請求項3に記載のシステム。
- 前記変調器部分および前記検出器部分が、ほぼ同じ光パワーを有する光信号を前記検出器に分配するように構成された同報通信ツリーバスの部分を更に含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記同報通信ツリーバス(142、162、182)が、
前記変調器に光学的に結合されたラップアラウンドのバス導波路(144、146)と、
光信号をほぼ同じ光パワーを有する多数の光信号に分割するように構成された光タップ(146、148、150、166、168)と、
前記光タップ間、及び前記検出器へ光信号を伝えるように構成されたラップアラウンドの分岐導波路とを更に含む、請求項5に記載のシステム。 - 前記変調器(108〜113、202)が、前記変調器部分に隣接して配置された共振器(204)を更に含み、各共振器は、電子信号がノードにより印加された場合に前記変調器部分により伝えられる1つの波長の光とエバネセント結合するように構成されており、前記検出器が、前記検出器部分に光学的に結合された共振器(410)を更に含み、各共振器が前記検出器部分からの特定の波長の光信号にエバネセント結合して、ノードに伝達される対応する電子信号を生成する、請求項1に記載のシステム。
- 前記共振器(204)が更に、マイクロリング(802)からなり、各マイクロリングが隣接する導波路からの特定の波長の光にエバネセント結合するように構成されている、請求項4に記載のシステム。
- 前記光同報通信バスが単一の集積回路チップ上に実現される、請求項1に記載のシステム。
- システムの任意のノードから全てのノードに情報を同報通信するための方法であって、
変調器部分および検出器部分を有する光同報通信バスへ非変調光を導入(701)し、前記光同報通信バスがラップアラウンドの構成を有し、前記変調器部分が各ノードを通過し、前記検出器部分が各ノードを通過し、
どのノードが前記光同報通信バスを介して同報通信することができるかを決定するために調停(703)し、
前記変調器部分から前記検出器部分へ進む光信号を生成するために、前記光同報通信バスの前記変調器部分で前記非変調光を変調(704)し、
前記光同報通信バスの前記検出器部分の全てのノードにおいて光信号を受け取る(705)ことを含む、方法。 - 前記非変調光を前記バス導波路(102)に導入することが、波長分割多重または高密度波長分割多重を用いて複数の波長の光を前記バス導波路(102)に導入することを更に含む、請求項10に記載の方法。
- 前記非変調光を変調することが、関連したノードにより電子的に制御される共振器(204)へ各波長の光をエバネセント結合することにより、異なる波長の光を変調することを更に含む、請求項10に記載の方法。
- 各ノードで光信号を受け取ることは、各ノードが実質的に同じ光パワーを有する光信号を受け取るように、光信号を分配することを更に含む、請求項10に記載の方法。
- 光信号を分配することは、各検出器が実質的に同じ光パワーを有する同じ光信号を受け取るように、各検出器へ各光信号の一部をエバネセント結合することを更に含む、請求項13に記載の方法。
- 光信号を分配することは、それぞれが前記検出器に伝えられるほぼ同じ光パワーを有する多数の実質的に同一の光信号へ光信号を分割することを更に含む、請求項13に記載の方法。
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