JPH0821910B2 - 光メッシュ結合バスインターコネクション - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインターコネクションに
光エネルギーを利用する自由空間メッシュ接続バスネッ
トワークに関する。このネットワークは並列処理コンピ
ュータの空間光インターコネクション（光相互接続）に
利用できる。

【０００２】

【従来の技術】高速伝送、超広帯域及び非干渉自由空間
伝搬は、ディジタルコンピュータのための高いスループ
ットの光インターコネクションの研究における主要な推
進力であった。完全に接続されたクロスバーのような再
配列可能な光インターコネクションは特に重要なものと
期待されている。その理由は非ブロッキング通信構造は
短い再構成時間で経路指示の融通性が大きいからであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｎ個の処理要
素を持つクロスバーの経路指示の融通性は大きなエネル
ギー損失という代償を伴っている。例えばＮに比例する
パワーの分布損（ＰＤＬ：ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）がある。この基本的制約のため
に、クロスバーは例えば１０００以下のＮの適切な値に
対してのみ効果的に実現できると予測される。光クロス
バーの第２の大きな問題点は２次元アレイの実現に必要
な有効な光コンポーネントがないことである。従ってＮ
個の処理要素は直線アレイに沿って配置されている。

【０００４】本発明の目的は従来の技術の問題点を解決
した光相互結合技術を提供することにある。特に本発明
はＮを相互接続される処理要素またはノードの数とし
て、Ｎ^{0 . 5} で増大するパワー分布損を持つメッシュ結
合バス（ＭＣＢとする）アーキテクチャに基づいた自由
空間光インターコネクションネットワークを提供する。
更に高密度なアレイの処理要素を相互接続するのに最適
なネットワークを提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による光ＭＣＢネットワークは、各セットが
直線方向のルートシグナルに適合し、引き続くセットは
前記セットにより与えられる経路指示の方向に直角な方
向のルートシグナルに適合し、各セットは２次元アレイ
の光バスを有している。ここで使用される光バスとは、
直線アレイの機能的に別々の光学エレメントであり、そ
れは情報を送信するために発光する光源と、情報を受け
るために受光する光検出器である。典型的には、各光源
は情報を送るべき処理エレメントの出力ノードと接続さ
れ、各光検出器は情報を受けるべき処理エレメントの入
力ノードに接続される。

【０００６】本発明は、光源と検出器からなる２次元ア
レイの個々の光源を個々の検出器に完全に接続する新規
な光インターコネクションリンクであることを特徴とす
る。この新規な相互接続リンクは、単体の光源からのス
ポット状の光が、光バスを作る直線アレイの各検出器を
照射する細長い光に変換できるように、２つの垂直なま
たは直交する方向に像を作ったり、伝送できる光コンポ
ーネントを用いることを特徴とする。この種の最適な光
コンポーネントは円筒状レンズやわん曲円筒鏡を有す
る。

【０００７】例えば円筒状レンズの使用により入力平面
から放射される光ビームのスポットは各々、１つの方向
において負の単位倍率で出力平面上に結像されるが、一
方その直角方向ではそのスポットは伝搬し細長い形状
（ストリップ）となる。特別な波長を使用するかまたは
放出された光に適切な伝送アドレスを包含させることに
より入力スポットを適切に符号化することにより、直線
アレイの特定の検出器は特定の光源に選択的にリンクさ
れる。もしこの検出器が第２のセットの個々の光源を励
起するために使用されて、そのプロセスが直交方向にお
いて繰り返されるならば、２次元アレイのノードの２つ
のノード間において所望の光学的相互接続が実現され
る。さらにこのプロセスを第３の直交方向で繰り返すこ
とで３次元の光学的相互接続が得られる。

【０００８】

【実施例】本発明を図面を参照しながら詳細に説明す
る。図１は２次元アレイにおいて配列されたＮ個のノー
ドを完全に相互接続するのに適したＭＣＢネットワーク
の基本的構成を示す。各ノードを処理エレメントＰＥ
（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）で示した。
このノードは相互接続されるコンピュータコンポーネン
トである。本発明はこのような相互接続を達成する新規
な光インターリンクを提供する。このために光インター
リンクは２次元アレイの光バスを有することが望まし
い。ｈ１からｈｎと分類された第１のセットの水平方向
の光バスの各バスは、ｖ１からｖｎと分類された第２の
セットの垂直方向の光バスの各バスに垂直に広がってい
る。そして各ＰＥノードを最近接の行と列のバスに接続
している。

【０００９】各水平及び垂直の光バスは直線アレイの光
源と光検出器により形成したものと見なすこともでき
る。それらに各ＰＥに対する１つが接続されている。混
乱を最小にするために、この概略的表示での光源及び光
検出器は、離散するエレメントとして示さずむしろ伝導
性バスを特徴的に示すやり方で、つまり実線として示し
た。

【００１０】いづれかの水平状列における各光源は関連
する行または列における各光検出器上に光を照らすよう
にできる。しかし標準としては１つの検出器のみがその
光を有効に利用することができる。例えばその光は一定
した波長であって、その垂直の列では、１つの検出器の
みがその波長の（光を）受けられるものとする。更に水
平行における光線の各々は、ｎをＮ^{0 . 5} に等しいとし
て、ｎ波長のうちの異なる１つにおいて動作し、列にお
ける各検出器はその波長の内の異なる１つを単独に受け
ることができる。

【００１１】能率を最大にするには、各水平バスでのｎ
個の光源に対して、同じｎ個の波長を使用するのが望ま
しい。図２は本発明による相互接続配列に対する波長の
適当な割当を説明するための図であり、起こり得る割当
競争を避ける方法として、アレイの光源に対する循環状
順列を示している。図２でも見られるように、頂部行で
の光源は１からｎへと累進状順序で割当てられ、各引き
続く行は行または列のどれもが２つの同じ波長を持たな
いように、前の行から１単位だけ右へ推移したものを含
んでいる。

【００１２】各バスはＮ^{0 . 5} のノードを相互接続する
能力を持っているので、Ｎ^{0 . 5} の電力分配損が得られ
る。その回路網を使用することで、もし所定の間に行わ
れる相互接続が単一であるならば、単一の相互接続はい
づれでも２つの経路指示ステップにおいて行えることに
なる。しかしながら仮に複数の相互接続が一度に行える
としてさえ、各処理エレメントが入力信号に対する接続
及び出力信号に対する接続をもつ完全なセットの相互接
続はせいぜい３回の経路指示ステップにおいて、つまり
始めは所望の行のバスに対する適当な垂直バスを見いだ
すためのその行での経路指示、ついで選ばれた垂直バス
での経路指示、最後に所望のノードに対する行バスでの
経路指示において行われることになる。

【００１３】図３は本発明による円筒状アレイの性質を
説明するための図で、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は入力
平面３０と、円筒状レンズ３１とそして出力平面３２と
からなる本発明による単一の経路指示ステップに対する
配列のそれぞれ側面図および上面図である。円筒状レン
ズは、ｆをレンズの焦点距離として２つの平面の各々か
ら距離２ｆだけ離れて設置され、入力平面３１上での光
のスポットは側面図の平面において所定のスポットへと
結像されるが、上面図の平面においては、それがその出
力平面上において狭い細片となるように伝えられる。

【００１４】入力平面は３０には図１に示したように、
行と列において２次元アレイの光源が設置され、それぞ
れ異なる波長のｎ個の光源を有する各行は、図２に示さ
れるように、それぞれ異なる波長のｎ行の光源を形成す
る。この図においてそれらの光源と検出器は分離したエ
レメントとして示した。図３（Ａ）の側面図ではバスラ
インにより、図３（Ｂ）の上面図では異なる波長で表し
た。

【００１５】同様にして出力平面３２は図１に示したよ
うに、２次元アレイの検出器を行及び列に有し、各行列
は各々が光源と同じＮ個の波長の１つに同調されるＮ個
の波長検出器を有し、行または列はいづれでも特定の波
長に同調される１つ以上の検出器を持たないようになっ
ている。図３（Ａ）で見られるように、頂部から２番目
の行における光源からのスポットは検出器の底部から２
番目の行を横切って延在するラインに対して集束され
る。この動作は必要とされる第１の経路指示のステップ
を効果的に可能にする。

【００１６】さて、普通に望まれる２次元状経路指示を
達成するには、少なくとも第２の経路指示を第１の経路
指示に直交した方向において行うことが必要である。

【００１７】この目的のために、第１の方向に直交した
方向における経路指示を達成するために、円筒状レンズ
の軸が９０度回転された第２の配列を用いる。この配列
においてその入力平面での光線からのスポットはそのア
レイでの一列の検出器を照射するために、垂直状ストリ
ップの光を出力平面に与えるように使用される。

【００１８】典型的な実施例においてこの種の２つの配
列は、第１の配列での第１の経路指示において選ばれた
検出器が第２の配列での対応した光線を励起するために
使用されるように一緒に結合され、新しく励起された光
線は、第２の配列での検出器を選ぶために直交する方向
で２番目の経路指示を行うために使用される。明らか
に、競争のない状態において、この方法は図１に示され
ている配列のいづれか２つの処理エレメント間での通信
を可能にする。

【００１９】前述のように、起こり得る競争が回避され
なければならない問題であるならば、第１の方向におけ
るのと同様な第３の配列における第３の経路指示が使用
される。

【００２０】実施例において、Ｎ^{0 . 5} の電力分配損に
おけるＮノードの経路指示はせいぜい３ステップ時間遅
延を犠牲にして得られる。この電力−時間トレードオフ
は、いづれかの単一ステップ再構成可能な経路指示体系
を使用するのが困難な、例えば１０００という大きな値
のＮを含む応用にとって特に重要である。

【００２１】多くの例では、ＭＣＢにより相互接続され
るべき処理エレメントが実質的に単体の平面に沿って置
かれるのが望ましく、そうすることでコンポーネントの
数を少なくでき、しかも必要な空間は相互接続のために
使用される光路を折り返すことで、一層コンパクトにで
きる。

【００２２】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は一層コンパク
トな構造において必要とされる基本的な２つの経路指示
ステップを可能にする折りたたみ構成５０のそれぞれ側
面図、上面図をそれぞれ示している。この場合単体の平
面５１は９０±０．１度以下の頂角をもつ第１の屋根
（ルーフ）反射器５２と第１の円筒状レンズ５３との第
１の組合せと、第２の円筒状レンズ５４と第２の同様な
直角の屋根反射器５５との第２の組合せとの間の中心に
置かれる。図４に示すように、２つの円筒状レンズ５３
及び５４と、２つの屋根反射器５２及び５５とは互いに
関連して９０度回転されたそれらの軸をもつ。

【００２３】この実施例において、中央平面５１の１つ
の表面は第１の経路指示ステップに対する入力平面及び
出力平面として作用するが、反対の表面は第２の経路指
示ステップに対するそうした役割を行う。このために各
表面は適切に介在された分離した２次元状アレイの光源
及び検出器を含み、その組立体の右半分は第１の経路指
示のために使用され、その左半分は第１の経路指示に直
交した方向における第２の経路指示のために使用され
る。送りプロセッサから経路指示されるべき情報はまず
右半分における光源を励起するために使用され、その光
源はまた所望の第１の経路指示に対応した右半分におけ
る適切な検出器を励起するために使用される。この検出
器は左半分における対応した光線を励起するために使用
され、そしてこれは所望の第２の経路指示ステップに対
応した検出器を前と同様な様式において励起するために
使用される。２つの円筒状レンズ及び２つの屋根反射器
の方位における変化のために２つの半体における経路指
示は方向において所望の９０度差をもつことになる。

【００２４】前の実施例におけるように、入力平面の第
１の表面上における光スポットは円筒状レンズによりス
トリップへと変換され、そしてそのストリップはそれが
同じ平面上にあって、光源波長に適切に同調された１つ
のみがエネルギーを与えられる行での検出器を照射する
ために屋根反射器によりそこからくる方向において反射
し戻される。この検出器はまた入力平面の第２の表面上
でのその対応する位置における光源を励起し、そこでの
光スポットは影響を受けた円筒状レンズにより所定のス
トリップへと変換され、その所定のストリップは影響を
受けた屋根反射器による反射後に第２の表面上にあっ
て、そのうちの１つが前と同様に選ばれる列での検出器
を照射する光のストリップとなる。こうして２つの直交
方向における経路指示が実現される。

【００２５】記述された波長分割多重化アクセスを含む
経路指示は大きな帯域幅を使用し、円筒状レンズはその
焦点距離が波長に依存する分散的コンポーンネントとな
る傾向があるために、その円筒状レンズを適切に設計す
ることが重要である。この波長依存性を減少させるに
は、その円筒状レンズを異なる材料の一対の正及び負の
レンズを一緒に接合することにより形成される色消しダ
ブレットとして形成することが望ましい。

【００２６】計算によると利用可能なコンポーネントを
例にとると、３１６×３１６角アレイとして構成された
１０００００の分解可能なチャネルは０．７５ｎｍのチ
ャンネル間隔をもつ２３０ナノメートルの全光学波長帯
域を使用することで相互接続可能なことを示している。
記述された自由空間相互接続を行うのに円筒状の光学
部材を使用する包括的概念は円筒状レンズの使用に限定
されない。理論的にはホログラム、わん曲鏡、またはレ
ンズ、鏡、格子及びホログラムの組み合わせのような他
の光学素子も採用できる。この中では特にわん曲鏡が有
用である。

【００２７】ＭＣＢ回路網を実施するのに一対のわん曲
鏡を使用する本発明の実施例は、図５（Ａ），（Ｂ）で
の側面図、上面図においてそれぞれ示されている。

【００２８】この組立体において、図４の実施例の対向
端部における円筒状レンズと屋根反射器の組み合わせは
円筒状の鏡により置き換えられている。２つの円筒状の
鏡６２、６４は各々、Ｒを各鏡の曲率半径としてその２
面を持つ中央平面６１から距離Ｒに位置され、それらは
直交するわん曲面を持つように配向されている。従って
前の実施例におけるように、その回路網の半分では入力
平面の表面上での光のスポットが行での検出器を照射す
るストリップとして反射し戻され、その表面上でしかも
他の半分では、列での検出器を照射するストリップとし
て反射し戻されるので、２つの直交する方向における経
路指示は前の実施例におけるように実現できる。前と同
様に中央平面の向いあう面は光源及び光検出器の２次元
アレイを支持している。行または列における適切な検出
器の選択は、異なる波長の光源と、各行及び列における
この波長に別々に同調されるた検出器とを使用すること
により行われる。

【００２９】所望の選択性を行うには他の方法を使用し
てもよい。例えば光源により送信されるメッセージは、
そのメッセージがそれに対してアドレス指定される光検
出器により特別に認識されるアドレスを含むように符号
化されてもよい。この場合その光源は広帯域の光を送信
できることになる。

【００３０】光源及び検出器としては種々な装置が使用
される。波長の弁別が重要であるところでの使用には個
々の光源が離散する狭い帯域において放出する必要があ
り、従って波長の合ったレーザダイオードは特に好都合
である。検出器の応答についての所望の波長選択性は各
検出器に適当なろ波作用を与えることにより最も良く達
成される。

【００３１】また、単体の光源を行または列における１
つ以上の検出器に光学的に接続してもよく、この場合に
はこの検出器の各々を光源の波長にあわせる必要があ
る。同様にしてもし行における２つの光源が同じ波長で
作られるとすると、同じ検出器対してはいづれでも接続
できることになる。

【００３２】また光のスポットを光のストリップへと変
換するのに、レンズ及び鏡以外の光学素子を使用しても
良い。特にホログラムや格子は単一の光のスポットを離
散するスポット列（前述の光のストリップに対応する）
へと変換するのに適している。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば高密度なアレイ素子を相
互に接続できる光インターコンネクションのネットワー
クを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２次元アレイにおいて配列されたＮ処理エレメ
ントを完全に相互接続できるメッシュ接続バス回路網の
基本的アーキテクチャを示す図である。

【図２】本発明による相互接続配列に対する波長の適当
な割当を例示するチャート図である。

【図３】本発明に従って使用されたときにおける円筒状
アレイの性質を例示するための側面図（Ａ）、上面図
（Ｂ）である。

【図４】一対の円筒状レンズ及び一対の屋根反射器を使
用した本発明の実施例の側面図（Ａ）、上面図（Ｂ）を
示す図である。

【図５】メッシュ接続バス回路網を実施するために一対
の湾曲した鏡を使用した本発明の実施例の側面図
（Ａ）、上面図（Ｂ）を示す図である。

【符号の説明】

３０ 入力平面 ３１ 円筒状レンズ ３２ 出力平面 ５０ 折りたたみ構成 ５１ 中央平面 ５２、５５ 屋根（ルーフ）反射器 ５３、５４ 円筒状レンズ ６１ 中央平面 ６２、６４ 円筒状の鏡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由空間光メッシュ結合ネットワークで
   相互接続されたシステムであって、 行及び列に配列された第１の２次元アレイ光源と、 前記光源からの光を受けるように行と列に配列された第
   １の２次元アレイの光検出器と、前記光源からの光を前
   記第１の光検出器に入射する前にさえぎるように配置さ
   れ、１つの光源から発射されたスポット状の光を前記第
   １の光検出器の１列または１行上に入射する細長い形状
   の光に変換し、情報を伝達するための第１の経路指示段
   階で前記第１の光検出器の少なくとも１つに選択的にエ
   ネルギーを与え情報を伝達する第１の光学手段と、 行及び列に配列された第２の２次元アレイ光源と、 前記第２のアレイの各光源はエネルギーを与えられるこ
   とで、第１のアレイの光検出器の異なる１つにそれぞれ
   結合され、 前記第２のアレイ光源からの光を受けるように行と列に
   配列された第２の２次元アレイ光検出器と、 前記第２のアレイ光源からの光を前記第２の光検出器に
   入射する前にさえぎるように配置され、１つの光源から
   発射されたスポット状の光を前記第２の光検出器の前記
   第１の光学手段の場合に変換された方向と垂直方向の１
   列または１行上に入射する細長い形状の光に変換し、情
   報を伝達するための第２の経路指示段階で第１の経路指
   示段階とは異なる方向に、前記第２の光検出器の少なく
   とも１つに選択的にエネルギーを与え情報を伝達する第
   ２の光学手段とを備え、 前記第１の光学手段と第２の光学手段は、円筒状レンズ
   またはわん曲鏡またはホログラムまたは回折格子である
   ことを 特徴とする光メッシュ結合バスインターコネクシ
   ョン。
2. 【請求項２】アレイ光源は異なる波長光の光源であり、
   経路指示は波長分割多重により行なうことを特徴とする
   請求項１記載の光メッシュ結合バスインターコネクショ
   ン。
3. 【請求項３】経路指示はアドレス指定された光検出器に
   より行なうことを特徴とする請求項１記載の光メッシュ
   結合バスインターコネクション。