JP5160654B2 - ２段階光通信方法、及び、該方法を実施するための光バスシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光電子工学（オプトエレクトロニクス）に関連し、特に、光通信方法及び光バスシステムに関連する。

プロセッサメモリシステムにおいて、単一のメモリコントローラは、典型的には、複数のメモリモジュールに対するデータの伝送を制御する。書き込みトランザクションでは、メモリモジュール内のどの位置に書き込むかを指定する制御及びアドレス情報が該メモリモジュールに送られ、その後、書き込まれる実際のデータが送られる。一方、読み出しトランザクションを２つのサブトランザクションに分けることができる。第１のサブトランザクションでは、制御及びアドレス情報がメモリコントローラからメモリモジュールに送られる。第２のサブトランザクションでは、これに続いて、アドレス指定されたメモリモジュールから読み出されたデータがメモリコントローラに返される。「トランザクション」という用語は、ある装置（デバイス）が、別の装置（デバイス）にある動作を実行するように要求することを意味する。制御、アドレス、及びデータは、電線を介して伝送される電気信号に符号化される。しかしながら、電気信号の完全性を維持するという、上記トランザクションに関連し、かつ、回路基板を横断するほとんど全ての長い電線による通信における共通の課題が存在する。典型的な電線ベースの伝送媒体によって電気信号に加えられる歪みによって、電気信号の完全性が大きく低減する場合があり、このため、該電気信号が宛先装置で間違って解釈される場合がある。

集積回路プロセスの形状が小さくなるにつれて、電気信号の完全性の問題は悪化する。さらに、電気信号の完全性の問題は、高速のデータ転送速度及び大きなメモリ容量を達成する努力を著しく妨害するものである。電気信号の完全性は、信号速度が高速化すると共に、及び、受信機の数が多くなる（たとえば、信号のファンアウトが大きくなる）と共に劣化する。たとえば、メモリ容量を大きくするために、個々のメモリモジュールの記憶容量を大きくするか、又は、各メモリコントローラに取り付けられたメモリモジュールの数を増やすことができる。メモリモジュールの数を増やすことによってファンアウトが多くなるが、これによって、電気信号の完全性が損なわれる。個々のメモリモジュールの記憶容量を増やすことは、ランクの数、バンク、個々のメモリアレイのサイズを増やすことによって達成できる。しかしながら、これらの選択肢の全ては、消費電力の増加、管理オーバーヘッドの増大、及び、アクセスレイテンシの増大などの多くの新たな問題を導入する。光バスは電気バスに対する魅力的な代替手段となりうる。なぜなら、光信号は、長い距離にわたって受ける損失及び歪みが電気信号よりも大幅に少ないからである。

図１は、光信号１０６−１１０を使用して、メモリコントローラ１０１から４つのメモリモジュール１０２−１０５のうちの１つへと情報を伝送するための典型的な光バスシステム１００の略図である。光信号１０６−１１０を、自由空間内、または、光ファイバなどの導波路中を伝送させることができる。具体的には、メモリコントローラ１０１は、光クロック信号１０６、及び、光アドレス信号、制御信号、及びデータ信号１０７−１１０を生成する。部分反射ミラー（partially reflective mirror：部分的に反射するミラー）は、光信号１０６−１１０の一部を、メモリモジュール１０２−１０５に電子的に結合された対応する光電子変換器に向けて送る。たとえば、５つの光電子変換器１１１−１１１５が、メモリモジュール１０３に電子的に結合され、部分反射ミラー１２１−１２５が、光信号１０６−１０８の各々の一部の進路を変えて対応する光電子変換器１１１−１１５へと送る。光電子変換器の各々は、進路を変えられた光信号を、該光信号と同じ情報を符号化している電気信号に変換する。図１に示すように、メモリモジュールのうちの１つだけがトランザクションのターゲットである場合でも、このトランザクションは、この同じ光信号１０６−１０８をメモリモジュール１０２−１０５の全てに（一斉に）送信する処理を含む。光パワー（または光出力。以下同じ）は、光導波路の長さと共にわずかに大きくなるが、全てのメモリモジュールに光信号を一斉送信するために必要な光パワーは、メモリモジュールの数に正比例する。換言すれば、メモリコントローラ１０１は、光信号がメモリモジュール１０２−１０５の全てによって受信されることができるように、十分な光パワーを生成しなければならない。メモリモジュールのうちの１つだけがトランザクションのターゲットにされている場合において、１トランザクションにつき、メモリモジュール１０２−１０５の全てに、制御、アドレス、及びデータを一斉送信することは、光伝送媒体を非効率的に使用することになる。

技術者及びコンピュータ科学者は、送信装置と受信装置との間で、光信号に符号化されたデータを伝送するのに必要な光パワーの大きさを小さくできる方法及びシステムが必要であることを認識している。

本発明の種々の実施形態は、あるソースから複数の受信装置へと光信号を伝送するための方法及びシステムに向けられている。１つの方法の実施形態では、光イネーブルメント信号が該ソースから該複数の受信装置に送信される。ターゲット（すなわち宛先）の受信装置は、１つ以上の光データ信号を受信するための準備をすることによってこの光イネーブルメント信号の受信に応答する。該ソースは、該１つ以上の光データ信号を、該ターゲットの受信装置によって受信されるのに必要な大きさの光パワーのみでもって該ターゲットの受信装置に送る。残りの受信装置は、該１つ以上の光データ信号を受信しない。

光信号をメモリコントローラから４つのメモリモジュールに一斉送信するための光バスシステムの略図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された第１の光バスシステムの略図である。 本発明の実施形態にしたがう、図２に示す第１の光バスシステムの導波路上を伝送させられる光イネーブルメント信号を示す。 本発明の実施形態にしたがう、図２に示す第１の光バスシステムの４つの導波路上を伝送させられる光データ信号を示す。 本発明の実施形態にしたがう第１の２段階方法のいくつかのステップを表す制御フロー図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された第２の光バスシステムの略図である。 本発明の実施形態にしたがう光イネーブルメント信号と光データ信号について、時間に対する光パワーのプロットを例示した図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された第３の光バスシステムの略図である。 本発明の実施形態にしたがって、図７に示す第３の光バスシステムの導波路上を伝送させられる光イネーブルメント信号を示す。 本発明の実施形態にしたがって、図７に示す第３の光バスシステムの４つの導波路上を伝送させられる光データ信号を示す。 本発明の実施形態にしたがう第２の２段階方法のいくつかのステップを表す制御フロー図である。 本発明の実施形態にしたって構成された第４の光バスシステムの略図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された図７に示す光バスシステムを例示的に表す組立分解等角図である。 本発明の実施形態にしたがって構成されたマイクロリング共振器及び隣接するリッジ導波路の一部の等角図である。 本発明の実施形態にしたがってp-i-n接合として構成されたマイクロリング共振器の概略を示す平面図である。 本発明の実施形態にしたがって構成されたフォトニック結晶導波路、共振空胴、及び、光電子デバイス（装置）の一部の平面図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された共振空胴を示す。 本発明の実施形態にしたがって構成された第１の電子的に動作する共振空胴の断面図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された第２の電子的に動作する共振空胴の断面図である。

本発明の種々の実施形態は、あるソース（信号源）から複数の受信装置へと光信号を送信するための方法及びシステムに向けられている。以下では、システム及び方法の実施形態を、ソース、４つの受信装置、５つまたは６つの導波路に関して説明するが、本発明の実施形態はそれらに限定されない。他の実施形態では、任意の数の受信装置及び導波路を使用することができる。後述のシステムの実施形態では、ソース及び受信装置は、多くの異なる種類の計算装置、ネットワーク装置、及びデータ記憶装置を表しうる。たとえば、受信装置は、デュアルインラインメモリモジュール（「DIMM」）を表すことができ、ソースは、DIMMへと送信されたデータ及びDIMMから送信されたデータの流れを管理するメモリコントローラを表すことができる。さらに他の実施形態では、ソースは外部記憶装置を表すことができ、受信装置は、筐体またはシャーシに搭載された４つのブレードサーバを表すことができ、または、各々が複数のブレードサーバを収容する４つのシャーシを表すことができる。一方、本発明の方法の実施形態は、光インターフェースが、単一の送信ソース（送信源）及び複数の受信装置トランザクションのために使用される任意の状況に適用されることができる。さらに、該方法の実施形態は、任意の時点で使用されるアクティブな受信装置の数を減らすことにより、その消費電力が従来の方法よりも少ない。これは、トランザクションを２つの段階に分けることによって達成できる。第１の段階では、少なくとも１つの受信装置が、どの受信装置がトランザクションのターゲット（対象）であるかを指定する少量の制御情報を受信する。第２の段階では、ターゲットの受信装置（以下、ターゲット受信装置という）だけが実際にデータを受信する。いくつかの方法の実施形態では、必要な光パワーは、トランザクションの第１の段階だけに関する受信装置の数に依存する。第２の段階では、第１の段階よりも著しく多くのデータビットを送信することができるが、該第２の段階ではターゲット受信装置だけが実際にデータを受信するので、従来の一斉送信方法及びシステムよりも、全体のトランザクション電力を大幅に小さくすることができる。

以下の説明において、「光」及び「光学的に」という用語は、装置が、電磁スペクトルの可視部分のみに限定されない波長を有する古典的電磁放射（電磁放射：ＥＭＲ）及び／または量子化電磁放射で動作することを意味する。さらに、同じ材料から構成される構造的に類似のいくつかの構成要素には同じ参照番号が付されており、簡略にするために、それらの構造及び機能の説明は繰り返さない。

図２は、本発明の実施形態にしたがって、ソース２０２から４つの受信装置２０４−２０７に光信号を送信するように構成された第１の光バスシステム２００の略図である。光バスシステム２００は、各々がソース２０２に一方の端部で光学的に結合された６つの別個の導波路２１１−２１６を備える。ソース２０２は、導波路２１１−２１６の各々に光信号を出力する。特定の波長λの光信号は「チャンネル」と呼ばれる。導波路２１１−２１６は、光ファイバまたはリッジ導波路またはフォトニック結晶導波路とすることができるが、これらについては、図１１−図１５を参照してより詳細に後述する。光バスシステム２００は、光電子変換器２１８などの２４個の光電子変換器を備える。この２４個の光電子変換器は、各々の光電子変換器が、６つの導波路２１１−２１６の１つと光学的に通信し（または光通信を行い）、かつ、４つの受信装置２０４−２０７の１つと電子的に通信する（または電子通信を行う）ように配置され及び構成されている。たとえば、光電子変換器２１８は、導波路２１１と光学的に通信し、及び、受信装置２０５と電子的に通信する。光電子変換器を、p-n接合またはp-i-n接合フォトダイオードなどの光検出器、または、他の任意の適切な光信号−電気信号変換器とすることができる。光バスシステム２００は、導波路２１１及び２１２に沿って伝送する光信号の一部を対応する光電子変換器に向けて送る部分反射ミラーを備える。たとえば、部分反射ミラー２２０は、導波路２１１に光学的に結合されており、及び、導波路２１１に沿って伝送する光信号の少なくとも一部を（その進路を変えて）光電子変換器２１８に向けて送るように構成及び配置されている。

光バスシステム２００はまた、対応する受信装置によって電子的に制御されて導波路２１３−２１６からの光信号を対応する光電子変換器に選択的に結合できる共振器を備える。共振器を、適切な電圧が印加されたときに特定のチャンネルと共振するように構成することができる。この結果、導波路２１３−２１６に沿って伝送する光信号のかなりの部分を、導波路２１３−２１６から共振器、及び、対応する光電子変換器へとエバネッセント結合する（または一時的に結合する）ことができる。たとえば、共振器２２１−２２４は、それぞれ、導波路２１３−２１６に光学的に結合される。受信装置２０５によって適切な電圧が共振器２２１−２２４に印加されたときに、共振器２２１−２２４の各々の共振が、光学的に結合された導波路２１３−２１６に沿ってそれぞれ伝送する光信号の特定のチャンネルとの共振にシフトするように、共振器２２１−２２４の各々を構成することができる。この場合、共振器２２１−２２４は「オン」にされているという。したがって、導波路２１３−２１６に沿って伝送する光信号は、共振器２２１−２２４にそれぞれエバネッセント結合（または一時的に結合）し、その後、光電子変換器２２６−２２９にそれぞれエバネッセント結合（または一時的に結合）する。一方、電圧が共振器２２１−２２４に印加されていないときには、導波路２１３−２１６に沿って伝送する光信号のチャンネルと共振しないように、共振器２２１−２２４を構成することができる。この場合、共振器２２１−２２４は「オフ」にされているという。したがって、光信号は、導波路２１３−２１６に沿って邪魔されずに伝送されて、共振器２２１−２２４を通過する。共振器は、図１２−図１５を参照して後述するマイクロリング共振器やフォトニック結晶共振空洞などの、光バスシステム２００の２つの可能性のある出力導波路経路間で光を選択的に切り替えることができる任意の適切な装置（またはデバイス）とすることができる。

ソース２０２は、変調されていない光信号を変調して、導波路２１１で受信装置２０４−２０７に一斉送信される光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０を生成することができる。光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０を、振幅変調、または周波数変調、または位相変調された信号とすることができる。図２に示すように、部分反射ミラーの各々は、光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０の一部の進路を対応する光電子変換器に向ける。光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０の強度は、該信号が各部分反射ミラーを通過する際に、図２において各部分反射ミラーの後の狭い線で示すように小さくなる。各光電子変換器によって受信された光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０の一部は、電子的に結合された受信装置に送信される電気クロック信号に変換される。この電気クロック信号は、受信装置２０４−２０７の動作をソース２０２及び不図示の他の電子装置と同期をとるために該受信装置によって利用される。

ソースとターゲット受信装置との間のトランザクションを達成するための第１の方法は、図３−図４を参照して今から説明するように、光バスシステム２００を使用して、２つの段階で実現されることができる。任意のトランザクションが起こる前に、受信装置の各々に異なるアドレスが割り当てられる。ソース２０２は、受信装置２０４−２０７のどれがターゲット受信装置であるかを選択するか、または、不図示の別の装置によって選択するように指示されることができる。以下の説明では、最初は受信装置２０５がターゲット受信装置として選択されていると想定されている。

図３Ａに示す第１の段階では、ソース２０２は、導波路２１２において光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２を受信装置２０４−２０７の全てに一斉送信する。ソース２０２は、受信装置２０５にデータを受信するように指示（命令）する情報を光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２中に符号化する。導波路２１２に結合された各部分反射ミラーは、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２の一部を対応する光電子変換器に向けて送ることによって光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２の強度を減じる。各光電子変換器は、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２を、電子的に結合された受信装置に送信される電気的イネーブルメント信号に変換する。光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２は受信装置２０５に固有の情報を符号化するので、受信装置２０５だけが、それに関連する共振器２２１−２２４を「オン」にすることによって応答する。残りの受信装置２０４、２０６及び２０７は、それらに関連する共振器を「オフ」に維持する。この第１の段階では、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２の光パワーは、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１２３２の一部を部分反射ミラーの各々によって進路を変えることができ、かつ、対応する光電子変換器の各々によって検出することができるのに十分な大きさである必要がある。

図３Ｂに示す第２の段階では、ソース２０２は、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ１の送信を中止して、４つの光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３を導波路２１３−２１６にそれぞれ配置する。共振器２２１−２２４だけが「オン」になっている共振器であるので、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３は、導波路２１３−２１６に沿って邪魔されずに共振器２３３−２３６を通過し、一方、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３のかなりの部分（または大部分）は、共振器２２１−２２４を介して導波路２１３−２１６から光電子変換器２２６−２２９にそれぞれエバネッセント結合（または一時的に結合）する。光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３は残りの受信装置２０４、２０６及び２０７には送信されないので、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３は、受信装置２０５によって受信されるのに十分な光パワーだけでもって生成される。

第１の方法の他の実施形態では、光イネーブルメント信号は別個の導波路２１２上を伝送させられるので、ソース２０２は、光データ信号を導波路２１３−２１６を介して受信装置に同時に送信し、かつ、光イネーブルメント信号を導波路２１２を介して別の受信装置に送信して該別の受信装置に次の回の光データ信号に対する準備をさせることができる。たとえば、図４に示すように、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ３は受信装置２０７の共振器をアクティブにするために送信され、その間、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３は、共振器２２１−２２４によって、導波路２１３−２１６から対応する光電子変換器にエバネッセント結合（または一時的に結合）している。

図４は、本発明の実施形態にしたがう図３に関して説明した２段階法のいくつかのステップを表す制御フロー図である。ステップ４０１において、ソースは、ターゲット受信装置にデータを受信するように指示する情報を光イネーブルメント信号中に符号化して、該光イネーブルメント信号を導波路を介して全ての受信装置に一斉送信する。ステップ４０２において、全ての受信装置は、光イネーブルメント信号の一部の進路を変更する。ステップ４０３において、光イネーブルメント信号は、ターゲット受信装置だけにデータを受信するように指示する情報を含んでいるので、このターゲット受信装置だけが、ソースからのデータを受信するために共振器を「オン」にすることによって応答し、一方、残りの受信装置は、それらの共振器を「オフ」にすることによって応答する。ステップ４０４において、ソースは、該ターゲット受信装置によって抽出されるのに十分な光パワーのみでもって、いくつかの導波路を介して光信号中のデータを送信する。

本発明の別の実施形態では、導波路２１１及び２１２からの光クロック信号及びアドレス信号の進路を変更する部分反射ミラーを共振器で置き換えることができる。図５は、本発明の実施形態にしたがって、ソース２０２から受信装置２０４−２０７に光信号を送信するように構成された第２の光バスシステム５００の略図である。光バスシステム５００は、光バスシステム２００の導波路２１１及び２１２に光学的に結合された部分反射ミラーが、導波路２１１及び２１２に沿って伝送された光信号の一部を対応する光電子変換器にエバネッセント結合（または一時的に結合）するように構成された共振器によって置き換えられている点を除いて、光バスシステム２００とほぼ同じである。たとえば、共振器５０１−５０４は、光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０のチャンネルと共振し、かつ、導波路２１１からの光クロック信号λ_ＣＬＫ２３０をエバネッセント結合（または一時的に結合）するように構成され、共振器５０５−５０８は、光イネーブルメント信号λ_ＥＮｘ５１０のチャネルと共振し、かつ、導波路２１２からの光イネーブルメント信号λ_ＥＮｘ５１０をエバネッセント結合（または一時的に結合）するように構成される。ここで、ｘは、０または１または２または３である。導波路２１３−２１６中を伝送する光信号とエバネッセント結合（または一時的に結合）するために使用される電子的に動作可能な共振器とは異なり、共振器５０１−５０８は電子的に動作可能である必要はない。

図６は、本発明の実施形態にしたがって、光イネーブルメント信号及び光データ信号についての光パワー対時間の例示的なプロット６００を示す。水平線６０２は時間軸を表し、垂直線６０４は光パワー軸を表す。光データ信号の光パワーは線６０６によって表されており、光イネーブルメント信号の光パワーは線６０８によって表されている。プロット６００は、光データ信号だけが１つの受信装置に到達すればよく、光イネーブルメント信号λ_ＥＮｘは全ての受信装置に一斉送信されるので、光データ信号を送信するために必要な光パワー６０６を、全ての受信装置に光イネーブルメント信号λ_ＥＮｘを一斉送信するために必要な光パワー６０８よりはるかに小さくすることができるということを明らかにしている。さらに、光イネーブルメント信号λ_ＥＮｘは、受信装置のアドレスだけを符号化し、他の情報を実質的に符号化しないので、光イネーブルメント信号の持続時間６１０は、光データ信号の持続時間６１２よりも相当程度短くてよい。

図７は、本発明の実施形態にしたがって、ソース７０２からの光信号を４つの受信装置７０４−７０７に送信するように構成された第３の光バスシステム７００の略図である。光バスシステム７００は、光バスシステム２００に含まれているイネーブルメント導波路２１２、対応する部分反射ミラー、及び光電子変換器が光バスシステム７００には含まれていない点を除いて、光バスシステム２００とほぼ同じである。光バスシステム７００は、各々が一方の端部でソース７０２に光学的に結合された５つの別個の導波路７１１−７１５を備える。ソース７０２は、導波路７１１−７１５の各々に光信号を出力する。導波路７１１−７１５を、図１１−図１５を参照してより詳細に後述する光ファイバ、リッジ導波路、または、フォトニック結晶導波路とすることができる。光バスシステム７００は、光電子変換器の各々が、５つの導波路７１１−７１５の１つと光通信を行い、及び、４つの受信装置７０４−７０７の１つと電子通信を行うように配置されかつ構成された２０個の光電子変換器を備える。光電子変換器を、p-n接合フォトダイオードまたはp-i-n接合フォトダイオードなどの光検出器、または、他の任意の適切な光信号−電気信号変換器とすることができる。光バスシステム７００は、導波路７１１に沿って伝送された光クロック信号λ_ＣＬＫ７１８の一部を、図２を参照して上述した対応する光電子変換器に向けておくる部分反射ミラーを備える。光バスシステム７００はまた、図２を参照して上述したように、導波路７１２−７１５からの光信号を対応する光電子変換器に選択的に結合するように構成されかつ動作することができる電子的に制御される共振器を備える。

光バスシステム７００を用いて２つの段階でソースとターゲット受信装置との間のトランザクションを達成するための第２の方法を、図８−図９を参照してこれから説明する。ソース７０２は、受信装置７０４−７０７からトランザクションで使用される受信装置を選択するか、または、不図示の別の装置によって選択するように指示されることができる。

第２の方法の実施形態の第１の段階では、受信装置７０４−７０７の各々は、異なる導波路に光学的に結合された１つの共振器を「オン」にして、光イネーブルメント信号λ_ＥＮがソース７０２から出力されるのを待つ。たとえば、図８Ａに示す１実施形態では、受信装置７０４−７０７は、共振器７２０−７２３をそれぞれ「オン」にし、各受信装置は、ソース７０２が光イネーブルメント信号λ_ＥＮを送信するのを待つ。この例では、受信装置７０５が、トランザクションのターゲット受信装置として最初に選択されていると想定している。ソース７０２は、共振器７２１及び光電子変換器７２６にエバネッセント結合（または一時的に結合）した導波路７１３に光イネーブルメント信号λ_ＥＮ７２４を出力する。この方法の実施形態では、光イネーブルメント信号λ_ＥＮ７２４は、受信装置７０４−７０７が光イネーブルメント信号λ_ＥＮを待つように設定されているときにある時間期間中送信される。いくつかの実施形態では、光イネーブルメント信号λ_ＥＮをターゲット受信装置のアドレスで（またはアドレスと共に）符号化することができる。他の実施形態では、モジュールの数がチェンネルの数より少ないときには、光イネーブルメント信号λ_ＥＮを単に１つのパルスかまたは他の何らかの短い持続時間の光信号とすることができる。というのは、光イネーブルメント信号λ_ＥＮは全ての受信装置に一斉送信されるわけではないからである。たとえば、光イネーブルメント信号７２４は、受信装置７０４、７０６、及び７０７には一斉送信されず、したがって、該信号７２４を、受信装置７０５に到達するのに十分な光パワーだけでもって生成することができる。

図８Ｂを参照すると、第２の方法の実施形態の第２の段階において、光イネーブルメント信号λ_ＥＮを送信するための時間期間がほぼ終了すると、選択されていない受信装置７０４、７０６、及び７０７は、それらの共振器７２０、７２２、及び７２３をそれぞれ「オフ」にし、選択されている受信装置７０５は、共振器７３０、７２１、７３１及び７３３を「オン」にすることによって光イネーブルメント信号λ_ＥＮ７２４に応答する。ソース７０２は、導波路７１２−７１５をそれぞれ介して、４つの光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３を別個に送信する。共振器７３０、７２１、７３１及び７３３だけが「オン」になっている共振器であるので、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３は、導波路７１２−７１５に沿って邪魔されずに共振器７２０及び７３６−７３８を通過し、光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３のかなりの部分（または大部分）が、共振器７３０、７２１、７３１及び７３３を介して導波路７１２−７１５から対応する光電子変換器までエバネッセント結合（または一時的に結合）する。

図９は、本発明の実施形態にしたがう、図８を参照して上述した２段階法のいくつかのステップを表す制御フロー図である。ステップ９０１において、全ての受信装置が、異なる導波路に光学的に結合されている１つの共振器を「オン」にし、該受信装置はすべて、ターゲットの時間間隔の間、光イネーブルメント信号を待つ。ステップ９０２において、ソースは、ターゲット受信装置が「オン」にした共振器に結合された導波路を介して光イネーブルメント信号を送信することによって、該光イネーブルメント信号をターゲット受信装置に送信する。ステップ９０３において、ターゲット受信装置だけが、ソースからのデータを受信するために共振器を「オン」にすることによって応答し、一方、残りの受信装置は、それらの共振器を「オフ」にすることによって応答する。ステップ９０４において、ソースは、ターゲット受信装置によって抽出されるのに十分な光パワーのみでもって、いくつかの導波路を介して光信号中のデータをターゲット受信装置に送信する。

本発明の他の実施形態では、導波路７１１からの光クロック信号λ_ＣＬＫ７１８の進路を変更する部分反射ミラーを共振器で置き換えることができる。図１０は、本発明の実施形態にしたがって、ソース７０２からの光信号を４つの受信装置７０４−７０７に送信するように構成された第２の光バスシステム１０００の略図である。光バス出力１０００は、光バスシステム７００の部分反射ミラーが、光クロック信号λ_ＣＬＫ７１８のチャンネルと共振するように構成された共振器１００１−１００４で置き換えられている点を除いて光バスシステム７００とほぼ同じである。したがって、共振器１００１−１００４は、光クロック信号λ_ＣＬＫ７１８を導波路７１１から関連する光電子変換器へとエバネッセント結合（または一時的に結合）する。導波路７１２−７１５中を伝送する光データ信号とエバネッセント結合（または一時的に結合）するために使用される電子的に動作可能な共振器とは異なり、共振器１００１−１００４は電子的に動作可能である必要はない。

上述した第１及び第２の方法の実施形態のいくつかの変形形態において、４つの光データ信号λ_０、λ_１、λ_２、及びλ_３を、４つの変調されていない光信号を変調することによって生成することができる。光データ信号を、同じチャンネル、または、異なるチャンネルの任意の組み合わせとすることができる。１つの導波路に光学的に結合された共振器だけが、「オン」にされたときに、その導波路に沿って伝送される光データ信号のチャンネルと共振し、該共振器が「オフ」にされているときには同じその光データ信号とは共振しないように構成される。

上述した光バスシステム２００、５００、７００及び１０００を、適切な材料からなる任意のスラブ（厚板や平板）で（または該スラブ内に）実施することができる。図１１は、本発明の実施形態にしたがって構成された図７に示す光バスシステム７００を例示する組立分解等角図である。光バスシステム７００は単一のスラブ１１０２に形成される。スラブ１１０２は、Si及びGeなどの半導体、または、Al、Ga及びInなどの周期表の群IIIＡの元素と、N、P、As及びSbなどの周期表の群VAの元素との組み合わせから形成された化合物半導体から構成することができる。GaAs、AsGaAs、InGaAs、及びInGaAsPは、化合物半導体の例である。スラブ１１０２を、シリカ（SiO_２）及び窒化珪素（Si_３N_４）などの適切な誘電体材料から構成することもできる。

いくつかのシステムの実施形態では、図２に示す導波路２１１−２１６及び図７に示す導波路７１１−７１５をリッジ導波路とすることができ、共振器２２１などの共振器をマイクロリング共振器とすることができる。図１２は、本発明の実施形態にしたがって構成された、基板１２０６上に配置されたマイクロリング共振器１２０２、及び隣接するリッジ導波路１２０４の一部の等角図である。導波路１２０４に沿った光信号の伝送を、該光信号のチャンネルがマイクロリング１２０２と共振するときには大幅に小さくできる。光信号は、導波路１２０４からマイクロリング１２０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）する。

マイクロリング共振器１２０２を囲む領域に、電子供与体原子及び電子受容体原子をドープして、図３−図４及び図８−図９を参照して上述したように、該領域を対応する受信装置によって電子的に制御することができる。図１３は、本発明の実施形態にしたがって構成された電子的に制御されるマイクロリング共振器１３０２とリッジ導波路１３０４を概略的に示す平面図である。マイクロリング１３０２は、導波路１３０４のすぐ近くに配置される。いくつかの実施形態では、マイクロリング１３０２は真性半導体から構成される。ｐ型半導体領域１３０６を、マイクロリング１３０２の内側の半導体基板で（または、該半導体基板に）形成することができ、ｎ型半導体領域１３０８及び１３１０を、マイクリング１０３２の外側を囲む半導体基板であって導波路１３０４の反対側にある半導体基板で（または、該半導体基板に）形成することができる。ｐ型領域１３０６とｎ型領域１３０８及び１３１０は、マイクロリング１３０２の周りにp-i-n接合を形成する。他の実施形態では、マイクロリング１３０２の内側の半導体基板にｎ型半導体領域１３０６を形成し、マイクロリング１３０２の外側を囲む半導体基板にｐ型半導体領域１３０８及び１３１０を形成することによってドーパントを逆にすることができる。

領域１３０６と領域１３０８及び１３２０に適切な電圧または電流を印加することによって、マイクロリング１３０２の共振を電子的に制御することができる。マイクロリング１３０２を、該マイクロリング１３０２の共振が、導波路１３０４に沿って伝搬する光信号のチャンネルと共振しないように構成することができる。一方、マイクロリング１３０２に適切な電圧が印加されるときに、同じ光信号がマイクロリング１３０２と共振して、導波路１３０４からマイクロリング１３０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）するように、マイクロリング１３０２を構成することもできる。その後電圧が「オフ」になると、マイクロリング１３０２の共振はシフトバックし（後方にずれて）、同じ光信号が導波路１３０４に沿って邪魔されずに伝搬する。マイクロリングモジュレータの１例については、Q. Xu他による「12.5 Gbit/s carrier-injection-based silicon microringsilicon modulators,」（Optics Express 15, 430 (2007)）を参照されたい。

他のシステムの実施形態では、図２に示す導波路２１１−２１６、及び図７に示す導波路７１１−７１５をフォトニック結晶導波路とすることができ、共振器２２１などの共振器を共振空胴とすることができる。フォトニック結晶は、誘電特性を有する２つ以上の異なる材料から構成されたフォトニックデバイス（または光素子）であり、規則的なパターンで互いに組み合わされると、電磁放射（「ＥＭＲ」）の伝搬特性を変えることができる。２次元フォトニック結晶を、誘電性スラブまたは半導体スラブに作製された円筒孔の規則的格子（または正則格子）から構成することができる。円筒孔を、空気孔（エアホール）、または、フォトニックスラブの誘電材料とは異なる誘電材料で充填された孔とすることができる。２次元フォトニック結晶を、指定された周波数帯内のＥＭＲを反射するように設計することができる。その結果、２次元フォトニック結晶を、該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数を有するＥＭＲの伝搬を阻止するための周波数帯域消去フィルタ（周波数バンドストップフィルタ）として設計し作製することができる。一般的に、円筒孔のサイズ及び相対的な間隔によって、ＥＭＲのどの波長が２次元フォトニック結晶中を伝搬するのを阻止されるかが制御される。しかしながら、欠陥を円筒孔の格子に導入して、特定の局在化したコンポーネントを生成することができる。具体的には、「点欠陥」とも呼ばれる共振空胴を作製して、ＥＭＲの狭い波長範囲を一時的に閉じこめる共振器を提供することができる。「線欠陥」とも呼ばれる導波路を作製して、フォトニックバンドギャップのある波長範囲内にある波長を有するＥＭＲを伝送することができる。

図１４は、本発明の実施形態にしたがってスラブ１４０８に形成されたフォトニック結晶導波路１４０２、共振空胴１４０４、及び、光電子デバイス１４０６の一部の平面図である。円１４１０などの円は、スラブ１４０８の高さにわたる（延在する）孔を表している。選択された円筒孔を削除し、そのサイズを大きくし、または、小さくすることによって、共振空胴を形成することができる。具体的には、共振空胴１４０４は、破線の円によって囲まれた空き領域によって示されているように、円筒孔を削除することによって生成される。共振空胴１４０を囲んでいる孔と導波路１４０２は、導波路１４０２内のフォトニック結晶バンドギャップの周波数範囲内のＥＭＲを一時的に閉じこめる２次元ブラッグ格子と共振空胴１４０４を形成する。フォトニック結晶導波路は、フォトニック結晶バンドギャップの特定の波長範囲内の光信号を導くために使用することができる光伝送路である。列または行に並んだ円筒孔内の所定の円筒孔の直径を変更することによって、または、円筒孔の（いくつかの）行を削除することによって、導波路を作製することができる。たとえば、導波路１４０２は、円筒孔の１行全体を削除することによって生成される。網状に分岐する導波路を用いて、フォトニック結晶を通過する種々の異なる経路でＥＭＲを送ることができる。導波路に沿って伝搬する電磁信号の直径をλ／３ｎ（ｎは、スラブの屈折率）ほどに小さくすることができ、一方で、共振空胴の調和モード（または高調波モード）ボリュームを２λ／３ｎほどに小さくできる。

導波路及び共振空胴を、ＥＭＲが該導波路及び共振空胴を直接囲む領域に逃れるのを阻止する効果は１００％より小さいものでありうる。たとえば、導波路に沿って伝搬するフォトニックバンドギャップにおけるある周波数範囲内のＥＭＲは、導波路を囲む領域に拡散する傾向もある。導波路１４０２または共振空胴１４０４を囲んでいる領域に入るＥＭＲは、「エバネッセンス（evanescence）」と呼ばれるプロセスにおいて振幅が指数関数的に減衰する。その結果、共振空胴１４０４は、導波路１４０２から短い距離内に配置されて、導波路１４０２によって運ばれるＥＭＲの所定の波長を、導波路１４０２から共振空胴１４０４へとエバネッセント結合（または一時的に結合）できるようにする。共振空胴１４０４のＱ因子に依存して、抽出されたＥＭＲは、共振空胴１４０４内に閉じこめられた状態を維持して、光電子デバイス１４０６にエバネッセント結合（または一時的に結合）する前に共振することができる。

図１５Ａは、本発明の実施形態にしたがって構成された共振空胴１５０２、及びスラブ１５０４の一部を示す。共振空胴１５０２は、円筒孔を削除することによって生成される。共振空胴１５０２の直径と、円筒孔１５０６などの該共振空胴１５０２を囲む円筒孔のパターン及び直径とを、共振空胴１５０２内の光信号の特定のチャンネルを一時的に閉じこめるように選択することができる。スラブ１５０４は、ガラス基板１５０８の上部に配置される。図１５Ａに示すように、スラブ１５０４を、正にドープされた（positively doped）半導体層１５１２と負にドープされた半導体層１５１４との間に挟まれた真性層１５１０から構成することができる。

図１５Ｂは、本発明の実施形態にしたがって構成された第１の電子的に制御可能な共振空胴の断面図である。共振空胴１５０２は、２つの電極１５２０と１５２２との間に挟まれている。スラブ１５０４を、p-i-n層１５１０、１５１２、及び１５１４、または、単一の誘電層もしくは単一の半導体層などの単一層から構成することができる。共振空胴１５０２（の両端）にある電圧を印加することによって、共振空胴の共振を、光信号のチャンネルと共振するようにシフトさせることができる。

図１５Ｃは、本発明の実施形態にしたがって構成された第２の電子的に制御可能な共振空胴の断面図である。共振空胴１５０２は、２つの電極１５２４と１５２６との間に挟まれている。スラブ１５０４を、p-i-n層１５１０、１５１２、及び１５１４、または、単一の誘電層もしくは単一の半導体層などの単一層から構成することができる。共振空胴１５０２（の両端）にある電圧を印加することによって、共振空胴の共振を、光信号のチャンネルと共振するようにシフトさせることができる。

上記では、本発明を十分に理解できるようにするために、説明を目的として特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために特定の細部は必要ではないことが当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態に関する上記説明は、例示及び説明のために提示されたものである。それらは、本発明を網羅することも本発明を開示した形態そのものに限定することも意図していない。上記の教示に照らして多くの修正及び変形が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的応用を最も良く説明し、これによって、当業者が、意図する特定の用途に適するように種々の変更を加えつつ本発明及び種々の実施形態を最良に利用できるようにするために図示し及び説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって画定されることが意図されている。

Claims (7)

1. ソースから、光データ信号を、複数の受信装置のうちの１つのターゲット受信装置に送信するための方法であって、
   前記複数の受信装置の各々毎に１以上の光信号進路変更手段を設けるステップであって、該複数の受信装置の各々毎に設けられた該１以上の光信号進路変更手段の各々は、該光信号進路変更手段の各々に光学的に結合されている光信号伝送路上の光信号を、該光信号進路変更手段に電子的に結合されている受信装置に向けて送るための第１の動作モードと、該受信装置には送らずに該光信号伝送路上を伝送させるための第２の動作モードを有する、ステップと、
   前記複数の受信装置の各々について、該受信装置に電子的に結合されている前記１以上の光信号進路変更手段のうちの１つのみを前記第１の動作モードで動作させるステップであって、前記第１の動作モードで動作させられることになる前記光信号進路変更手段の各々は、互いに異なる光信号伝送路に光学的に結合されている、ステップと、
   前記ソースから、前記第１の動作モードで動作している前記光信号進路変更手段のうち、前記ターゲット受信装置に電子的に結合している光信号進路変更手段に光学的に結合している光信号伝送路（以下、この光信号伝送路を第１の光信号伝送路という）のみに光イネーブルメント信号を送信するステップと、
   前記第１の光信号伝送路に光学的に結合している前記光信号進路変更手段を介して前記光イネーブルメント信号を受信した前記ターゲット受信装置に電子的に結合している光信号進路変更手段を前記第１の動作モードで動作させ、残りの受信装置に電子的に結合している光信号進路変更手段を前記第２の動作モードで動作させるステップと、
   前記ソースから、前記ターゲット受信装置に電子的に結合している前記光信号進路変更手段に光学的に結合されている光信号伝送路の各々に、前記光データ信号を送信するステップ
   を含む方法。
2. 前記光信号進路変更手段が共振器である、請求項１の方法。
3. 前記共振器は、該共振器に電子的に結合している前記受信装置によって適切な電圧が印加されているときには前記第１の動作モードで動作し、そうでないときには前記第２の動作モードで動作する、請求項２の方法。
4. 前記ソースから送信される前記光イネーブルメント信号が前記ターゲット受信装置のアドレスで符号化されている、請求項１乃至３のいずれかの方法。
5. ソース、複数の受信装置、複数の導波路、複数の共振器、及び複数の光電子変換器を備える光バスシステムであって、
   前記複数の共振器の各々は、前記複数の光電子変換器のうちの互いに異なる光電子変換器の各々と光学的に結合可能であり、
   前記複数の受信装置の各々には、前記複数の共振器のうちの１以上の共振器及び前記複数の光電子変換器のうちの１以上の光電子変換器が電子的に結合され、
   前記複数の導波路の各々の一方の端部は、該導波路に光信号を出力する前記ソースに光学的に結合され、
   前記受信装置の任意の１つに電子的に結合されている前記１以上の共振器の各々は、前記複数の導波路のうちの互いに異なる導波路の各々に光学的に結合され、該共振器は、該共振器に電子的に結合している前記受信装置によって適切な電圧が印加されているときには、該共振器に光学的に結合されている前記導波路上の光信号の少なくとも一部を該共振器へとエバネッセント結合するように構成されており、
   前記複数の光電子変換器の各々は、該光電子変換器に光学的に結合されている共振器内で共振している光信号を、該光電子変換器に電子的に結合されている受信装置に送信される電気信号に変換するように構成されており、
   前記ソースから、前記複数の受信装置のうちの１つのターゲット受信装置に光データ信号を送信するために、
   前記複数の受信装置の各々が、該受信装置の各々に電子的に結合している前記１以上の共振器のうちの１つの共振器に前記適切な電圧を印加し、この場合に、該適切な電圧が印加されることになる該共振器の各々は、互いに異なる前記導波路に光学的に結合され、
   前記ソースが、前記適切な電圧が印加されている前記共振器のうち、前記ターゲット受信装置に電子的に結合している共振器に光学的に結合している導波路（以下、この導波路を第１の導波路という）のみに光イネーブルメント信号を送信し、
   前記第１の導波路から、該第１の導波路に光学的に結合している前記共振器、及び該共振器に光学的に結合している前記光電子変換器を介して前記光イネーブルメント信号を受信した前記ターゲット受信装置は、該ターゲット受信装置に電子的に結合している前記共振器に前記適切な電圧を印加するが、残りの受信装置は、該残りの受信装置に電子的に結合している共振器に前記適切な電圧を印加せず、
   前記ソースが、前記ターゲット受信装置に電子的に結合している前記共振器に光学的に結合されている導波路の各々に、前記光データ信号を送信する、光バスシステム。
6. 前記共振器が、
   p-i-n接合として構成されたマイクロリング共振器と、
   p-i-n接合として構成されたフォトニック結晶共振空胴
   のうちの１つを備える、請求項５の光バスシステム。
7. 前記ソースから送信される前記光イネーブルメント信号が前記ターゲット受信装置のアドレスで符号化されている、請求項５または６の光バスシステム。

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