KR101548779B1 - 광 브로드캐스트 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 브로드캐스트 시스템(100, 140, 160, 180)에 관한 것이다. 당해 시스템의 노드는 코어, 캐시, 입력/출력 디바이스 및 메모리의 소정 조합이거나 다른 프로세싱 디바이스, 송신 디바이스, 또는 저장 디바이스일 수 있다. 광 브로드캐스트 시스템은 광 브로드캐스트 버스(142, 162, 182)를 포함한다. 브로드캐스트 버스와 광학적으로 통신하는 시스템의 노드는 광 신호의 정보를, 브로드캐스트 버스와 광학적으로 통신하는 다른 모든 노드에 브로드캐스트할 수 있다.

Description

광 브로드캐스트 시스템 및 방법{OPTICAL BROADCAST SYSTEMS AND METHODS}
본 발명의 실시예들은 광 브로드캐스트 시스템(optical broadcast system)에서의 광 신호의 분배에 관한 것이다.
최근, 마이크로일렉트로닉 산업(microelectroinc industry)에서는, 향후 멀티프로세서 칩이 수십개 또는 수백개의 노드로 구성될 수 있다는 것을 보여주는 것이 트렌드(trends)이다. 노드는 소위 코어(core)라고 불리는 처리 요소(a processing element) 및, 캐쉬, 입력/출력 및 메모리와 같은 다른 디바이스일 수 있다. 온-칩 브로드케스트 버스가, "애니-투-올(any-to-all) 통신이라고 불리는, 칩 상의 모든 노드에 임의의 하나의 노드 통신을 제공하는 것이 바람직한 특징이다. 원리상, 버스를 구동할 수 있는 임의의 노드는, 버스를 통해, 버스에 접속된 모든 노드에 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 예컨대, 브로드캐스트는 임의의 주어진 코어의 캐시(any given core's cache)의 코히런시(coherency)를 유지하는데 이용될 수 있다.
노드의 수가 증가함에 따라, 그에 맞추어 버스도 스케일(scale)되어야 한다. 동시에, 노드 그 자체에서의 성능 향상은 그에 상응하여 버스로부터의 대역폭의 증가를 요구한다. 노드 카운트(the larger node count)가 커지면 상호 접속 경로 길이가 커지게 되고, 결국, 신호 무결성 문제(greater signal integrity issues)가 더 커지고, 칩 면적 요건이 증가하게 되고, 파워가 높아지게 된다. 이들 요인들은, 노드 성능에 매칭되도록 더 높은 대역폭이 요구되는 것과 결합되어, 높은 노드 카운트 및 고성능 칩에 대해 대규모 온-칩 전자 브로드캐스트 버스의 구현을 현실적이지 못하게 한다.
이러한 제한들을 극복하기 위해서, 8개의 노드에 접속되는 버스, 및 P2P(peer-to-peer) 링크와 접속되는 버스의 세트와 같은 계층형 버스(hierarchical buses)가 제안되어 있다. 예컨대, R. Kumar, V. Zyuan, 및 D. M. Tullsen에 의한 "Interconnections in Multi-core Architectures: Understanding Mechanisms, Overheads, and Scaling,"(SIGARCH Computer Architecture News 33, 2, 408-419페이지(2005년 5월))을 참조한다. 그러나, 통상적으로 대부분의 전기적 멀티코어 프로세서 해결책은, 메시(mesh)와 같은 일대일 접속(one-to-one interconnections)을 선호하여 대체로 브로드캐스트 접속을 회피하고 있다. 브로드캐스트 기능(broadcast functionality)이 필요한 경우, 브로드캐스트 메시지는 각 코어에 대한 동일한 일대일 메시지로 분리된다. 이러한 작업이 많은 컴퓨터에서 기능적으로 행해지지만, 리던던시(redundancy)는 여분의 대역폭 및 파워를 소모하여, 레이턴시(latency)를 초래한다.
광 버스는 전기 버스(electrical bus)와 비교하여, 훨씬 높은 대역폭, 낮은 파워 및 낮은 레이턴시를 보장한다. 그러나, 광 버스라고 하더라도, 송출기만큼 많은 버스가 필요하기 때문에, 다수의 고정 송출기 브로드캐스트 버스(a number of fixed-sender broadcast buses)로 구성되는 원-투-올(one-to-all) 버스 구조는 파워 및 표면적의 측면에서 양호하게 스케일링되지 않는다.
따라서, 낮은 레이턴시 및 높은 대역폭을 보이는 광 스케일링 가능한 브로드캐스트 버스가 요구된다. 특히, 그러한 광 스케일링 가능한 버스의 온-칩 버전(on-chip version)이 강하게 요구된다.
본 발명의 실시예들은 시스템의 임의의 노드로부터 다른 모든 노드로 정보를 브로드캐스팅하는 광 브로드캐스트 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 시스템의 임의의 한 노드로부터 모든 노드로 정보를 브로드캐스팅하는 광 브로드캐스트 시스템은 변조기부 및 검출기부를 포함하는 광 브로드캐스트 버스를 포함한다. 각각의 노드는 변조기부에 광학적으로 결합되는 변조기를 제어하고, 각각의 노드는 검출기부에 광학적으로 결합되는 검출기를 제어한다. 광 전원은, 비변조광을 광 브로드캐스트 버스에 주입하고, 노드의 변조기는 해당 노드의 제어 하에서 비변조광을 변조해서, 브로드캐스트 버스 상으로 개개의 노드로부터 정보를 반송하는 1개 이상의 광 신호를 생성한다. 광 브로드캐스트 버스는 변조기부가 각 노드의 변조기를 통과하도록 구성된다. 변조기부는 각 노드의 검출기를 통과하는 검출기부 앞에 마련된다. 각 검출기는 모든 노드가 변조기에 의해 생성된 광 신호를 수신하도록 검출기부에 광학적으로 결합된다.
본 발명에 따른 다른 실시예는 시스템의 임의의 노드로부터 모든 노드로 정보를 브로드캐스팅하는 방법을 포함한다. 당해 방법은 비변조광을, 변조기부 및 검출기부를 갖는 광 브로드캐스트 버스로 주입하는 단계를 포함한다. 광 브로드캐스트 버스는 변조기부가 각 노드를 통과한 이후에, 검출기부가 각 노드를 통과하는 랩-어라운드 구성(wrap-around configuration)을 갖는다. 당해 방법은 어떠한 노드 또는 노드들이 광 브로드캐스트 버스를 거쳐서 브로드캐스트할 수 있고, 광 브로드캐스트 버스의 변조기부에서 비변조광을 변조하여, 변조기부로부터 검출기부로 이동하는 광 신호를 생성하는지를 판단하기 위한 중재를 계속한다. 광 신호는 광 브로드캐스트 버스의 검출기부내의 모든 노드에서 수신된다. 이러한 방법에 의해서, 한번에 임의의 하나의 노드가 광 버스 도파관을 이용하여, 모든 노드에 정보를 분배할 수 있다.
또한, 몇몇 실시예들에서는, 비변조광을 버스 도파관으로 주입하는 단계는 WDM(wavelength division multiplexing) 또는 DWDM(dense wavelength division multiplexing)을 이용하여 복수의 파장의 광을 버스로 주입하는 단계를 포함한다. WDM 또는 DWDM을 이용하면, 변조기가 동일한 파장의 광을 변조하지 못하는 노드가 동시에 브로드캐스트할 수 있게 된다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 시스템의 개략적 구성을 나타내는 도면,
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 시스템의 트리 토폴로지(tree topology)를 나타내는 도면,
도 1c는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 시스템의 개략적 구성을 나타내는 도면,
도 1d~도 1e는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 2개의 광 브로드캐스트 트리 시스템의 트리 토폴로지를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 변조기를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른, 비변조광(unmodulated light)의 강도 변조(intensity modulation)를 나타내는 3개의 그래프를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른, 분기 도파관(a branching waveguide) 및 광학 탭(optical tap)을 통하여 버스 도파관과 광학적으로 결합되는 검출기를 나타내는 도면,
도 5a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 에버네센트 결합기(evanescent coupler)의 평면도,
도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 5a에 도시한 선 5B-5B에 따른 결합기의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 중재 시스템(arbitration system)의 개략적 구성을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 광 브로드캐스트 시스템을 통한 브로드캐스팅 방법을 나타내는 제어 흐름도,
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 인접 리지 도파관(an adjacent ridge waveguide)의 일부 및 마이크로링 공진기(microring resonator)의 등가 도면,
도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로링을 위한 투과율 대 파장의 그래프,
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 광검출기로서 이용되는 마이크로링 공진기를 나타내는 도면,
도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른, 제 1 도파관으로부터 제 2 도파관으로 광 신호를 결합하는데 이용되는 마이크로링 공진기를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른, 마이크로링 및 리지 도파관을 둘러싸는 도핑 영역의 개략적 구성도 및 평면도이다.
본 발명의 실시예들은 노드의 시스템을 거쳐서 정보를 브로드캐스팅하기 위한 광 브로드캐스트 시스템에 관한 것이다. 광 브로드캐스트 시스템은 임의의 하나의 노드를 시스템의 모든 노드로 브로드캐스팅시킬 수 있어, 애니-투-올 광 브로드캐스트 시스템(any-to-all optical broadcast system)이라고도 불린다. 예컨대 용어 "노드(node)"는 코어, 캐시, 입력/출력 디바이스 및 메모리 또는 다른 처리 디바이스, 송신 디바이스 또는 저장 디바이스를 지칭하며, 용어 "노드의 시스템(system of nodes)"은 컴퓨터 시스템을 지칭할 수 있다. 애니-투-올 광 브로드캐스트 통신 시스템은 하나의 노드가 복수의 다른 노드에 동일한 데이터를 제공할 필요가 있는 복수의 처리 요소(multiple processing elements)가 있는 임의의 노드의 시스템에서 파워 및 레이턴시면에서 효율적이다. 그러한 시스템의 예들은 멀티코어 프로세서의 복수의 코어간의 캐시 일관성(cache consistency)을 유지하는 것, 신호 프로세서의 어레이에 데이터를 재분배하는 것 및, 네트워크 스위치에서의 멀티캐스팅(multicasting)하는 것을 포함한다. 현재의 데이터 속도(current data rates)로는, 전자적 브로드캐스트 버스들은 전체 집적 회로를 연결할 수 없다. 이러한 문제들을 완화시키기 위해서 중계기(repeaters) 및 리타이머(retimers)가 이용될 수 있지만, 이들은 파워 및 레이턴시를 상당히 부가한다.
브로드캐스트 시스템 및 방법의 실시예들은 이하에서 다른 종류의 광 브로드캐스트 시스템의 개략적 표현을 참조하여 설명된다. 당업자라면, 이들 브로드캐스트 시스템 및 방법이, 상이한 수의 노드를 갖는 시스템에 대해 브로드캐스팅 능력을 제공하도록 용이하게 확장 또는 축소될 수 있음을 즉시 인식할 것이다.
Ⅰ. 광 브로드캐스트 시스템
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 시스템(100)의 개략적 도면을 나타낸다. 당해 브로드캐스트 시스템(100)은 N 노드 각각에 대해 광 브로드캐스팅 능력을 제공하며, 여기서 N은 자연수이다. 도 1a의 예에 나타낸 바와 같이, 단지 6개의 N 노드가 도시되며, 본 예에서는 이 노드들은 1부터 N까지 시계 방향으로 라벨링(labeled)되어 있다. 브로드캐스트 시스템(100)은 일단이 광 전원(104)과 광학적으로 결합되는 버스 도파관(102)으로 구성되는 광 브로드캐스트 버스를 포함하며, 광 전원은 비변조광을 도파관으로 주입한다. 버스 도파관(104)은 3개의 부분, 즉 변조기부(106), 변조기부(106)에 후속하는 검출기부(108) 및, 변조기부(106)을 검출기부(108)에 접속하는 접속기부(107)를 포함한다. 예컨대, 전원(104)으로부터 시계 방향으로 도파관(102)의 경로를 트레이싱(tracing)하면 N 노드 각각을 경유하는 도파관(102)의 변조기부(106), 및 N 노드 각각도 또한 경유하고 노드 N에서 종료하는 도파관(102)의 검출기부(108)가 나타나게 된다. 즉, 버스 도파관(102)의 랩-어라운드 배열(wrap-around arrangement)은 버스 도파관(102)이 N 노드 각각을 2번 통과하게 할 수 있는데, 본 예에서는, 변조에 대해 1번, 검출에 대해 1번이다. 버스 도파관(102)은 단일 도파관이거나, 랩-어라운드 배열을 관통하는 도파관의 세트로 구성될 수 있다.
브로드캐스트 시스템(100)은 변조기부(106)와 광학적으로 결합된 N개의 변조기를 포함한다. 변조기 각각은 도파관(102)과 광학적으로 통신함과 아울러 연관된 노드와 전자적으로 통신한다. 예컨대, 도 1a에 도시한 바와 같이, 변조기(109-114)는 도파관(102)의 변조기부(106)와 광학적으로 통신하고, 노드 1, 2, j, j+1, N-1 및 N과 제각기 전자적으로 통신한다. 노드가 정보를 송신하려고 하면, 노드는 도파관(102) 내를 전파하는 비변조광의 파장을 변조함으로써, 정보를 반송하는 광 신호를 생성하는 자신의 관련된 변조기에 정보를 보낸다. 변조기의 예의 구성 및 동작에 대한 더 상세한 설명은 이하의 변조기라는 제목의 제 2 단락에서 제공된다.
브로드캐스트 시스템(100)은 또한 도파관(102)의 검출기부(106)에 광학적으로 결합된 N개의 검출기를 포함한다. 각 검출기는 관련된 노드와 전자적으로 통신한다. 따라서, 검출기는 광 신호를 수신하고, 광 신호가 담고 있는 정보를 전기 신호로 변환하는데, 이 전기 신호는 관련된 노드로 통신된다. 광 브로드캐스트 버스는 또한 검출기가 도파관(102)과 광학적으로 통신할 수 있도록 광학 탭(optical taps) 및 분기 도파관(branching waveguides)을 포함한다. 예컨대, 도 1a에 도시한 바와 같이, 검출기(116-120)는 각각, 노드 1, 2, j, j+1 및 N-1과 제각기 전자적으로 통신하고, 광학 탭(122-126) 및 분기 도파관(128-132)을 통해 도파관(102)의 검출기부(106)와 광학적으로 통신한다. 검출기(134)는 도파관(102)의 검출기부(106)과 직접 광학적으로 통신하고, 노드 N과 전자적으로 통신한다. 검출기의 예의 구성 및 동작의 더 상세한 설명은 이하의 검출기라는 제목의 제 3 단락에서 제공되고, 광학 탭의 예의 구성 및 동작의 더 상세한 설명은 이하의 광합 탭이라는 제목의 제 4 단락에서 제공된다.
광 전원(optical power source)(104)은 WDM 또는 DWDM을 이용하여 버스 도파관(102)으로 입력되는 p개 파장의 비변조광을 출력하도록 구성되며, 여기서 p는 자연수이다. 용어 "광"은 여러가지의 상이한 파장으로 구성될 수 있는 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 지칭한다. 예컨대, 파장은 전자기 스펙트럼의 가시선 부분, 적외선 부분, 및/또는 자외선 부분에 존재한다. 도 1a의 예에 도시한 바와 같이, 화살표(136)는, 본 예에서는 각 변조기를 시계 방향으로 통과하는 도파관(102)을 따라 광이 전파되는 방향을 나타낸다.
단일 노드는, 도파관(102)을 따라 전파되는 최대 p개의 파장의 비변조광을 변조하여, 도파관(102)의 나머지 변조기부(106)를 따라 정보를 반송하는 최대 p개 광 신호로 생성하도록 연관된 변조기를 제어함으로써, 버스 도파관(102)을 거쳐서 모든 노드로 정보를 브로드캐스트한다. 예컨대, 노드 2는, 도파관(102)을 따라 전송된 최대 p개 파장의 비변조광을 변조하여, 도파관(102)의 변조기부(106)에서 나머지 노드 j부터 N까지 통과한 정보를 반송하는 최대 p개의 대응하는 광 신호를 생성함으로써 노드 1부터 노드 N까지 정보를 브로드캐스트한다. 광 신호는 각각의 노드와 연관된 각각의 광학 탭(예컨대, 122, 124)이 광 신호와 연관된 광 신호 파워의 일부를 분기 도파관(예컨대, 128, 130)으로 전환(divert)하는 도파관(102)의 검출기부(108)에 입사된다.
광 브로드캐스트 시스템(100)의 광학 탭은 버스 도파관(102)으로부터 브로드캐스트 광 신호를 순차적으로 전환한다. 그러나, 이러한 방식에서는, 광 신호의 순차적 전환에 대한 광 파워 손실이 커질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 광학 탭의 트리형 광 브로드캐스트 버스로 광 브로드캐스트 시스템을 구성함으로써 광 파워 손실을 줄일 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 적절한 스플리터(appropriate splitters)가 도파관 분기점에서 이용되어, 트리형 광 브로드캐스트 버스를 구현할 수 있다. 각 스플리터는 입력되는 광 신호를, 대략 동일한 광 파워를 각각 반송하는 복수의 출력 광 신호로 분할하도록 구성된다.
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 트리 시스템(140)의 트리 토폴로지를 나타낸다. 브로드캐스트 시스템(140)은 2진 트리 구성을 갖는 광 브로드캐스트 트리 버스(142)를 포함한다. 특히, 브로드캐스트 트리 버스(142)는 일단이 광 전원(104)에 광학적으로 결합되는 버스 도파관 변조기부(144)를 포함한다. 브로드캐스트 트리 버스(142)는 3개 레벨의 광학 탭으로 구성된다. 제 1 레벨은 버스 도파관 변조기부(144)에 광학적으로 결합되는 루트 광학 탭(146), 제 2 레벨의 광학 탭(148), 및 제 3 레벨의 광학 탭(150)을 포함한다. 도 1b의 예에 나타낸 바와 같이, 광학 탭(148) 각각은 본 예에서 나타내는 바와 같이, 단일 분기 도파관(152)로 구현되는 도파관 분기를 경유하여 루트 광학 탭(146)에 광학적으로 결합되며, 별개의 분기 도파관(154)을 거쳐서 2개의 광학 탭(150)에 광학적으로 결합된다. 도 1b는 또한 별개의 분기 도파관(156)을 거쳐서 2개의 검출기에 광학 탭(150) 각각이 결합되는 것을 나타낸다.
브로드캐스트 트리 버스(142)는 8개의 노드 시스템에 대한 브로드캐스트를 지원(support)하도록 구성된다. 브로드캐스트 시스템(140)의 검출기는 문자 "D"로 나타내며, 각기 아래 첨자 1-8로 각각 구별된다. 브로드캐스트 시스템(140)은 또한 문자 "M"으로 나타내는 8개의 변조기를 포함하며, 각각의 변조기는 아래 첨자 1-8로 각기 구별된다. 변조기는 버스 도파관 변조기부(144)에 광학적으로 결합된다. 각 변조기 및 그에 대응하는 검출기는 동일한 아래 첨자를 가지며, 동일한 노드에 의해 제어된다. 예컨대, 변조기 3 및 검출기 3은 동일한 노드(도시하지 않음)에 전자적으로 결합된다.
도 1c는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 1 광 브로드캐스트 트리 시스템의 개략적 구성을 나타낸다. 도 1c는 도 1b에 나타낸 토폴로지가, 연관된 노드와 전자적으로 통신 가능하게 변조기 1-8 및 대응하는 검출기 1-8 각각을 배치하는 랩-어라운드 배열로 구현될 수 있는 하나의 방식을 나타낸다. 이러한 랩-어라운드 배열은 또한 각 노드가 동일한 클럭 스큐(the same clock skew)로 광 신호를 변조 및 검출하도록 한다.
광 전원(104)은 비변조광의 p개 파장을 WDM 또는 DWDM을 이용하여 버스 도파관(144)으로 출력한다. 노드들 중 임의의 하나의 노드는, 버스 도파관(144)을 따라 전파되는 광의 비변조 파장 중 최대 p개의 파장을 변조하여, 분기 도파관으로 정보를 반송하는 최대 p개의 광 신호를 생성하도록 연관된 변조기를 제어함으로써 버스 도파관(142)을 거처서 모든 노드에 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 도 1b 및 도 1c에 있어서, 광학 탭은 각각의 광 신호를, 각각이 대략 동일한 광 파워를 갖는 2개의 동등한 광 신호로 분할하는 50:50 또는 2웨이(2way) 스플리터로서 식별된다. 따라서, 모든 광 신호는 3개의 광학 탭을 통과하여, 대략 동일한 광 파워로 검출기에 도달한다. 예컨대, 노드 3은 변조기 3과 전자적으로 통신하고, 버스 도파관(144)를 따라 전송된 비변조광의 최대 p개 파장을 변조하여 최대 p개에 대응하는 광 신호를 생성하도록 변조기를 제어함으로써 모든 8개의 노드에 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 루트 광학 탭(146) 및 광학 탭(148, 150)은 검출기 1-8 각각이 대략 동일한 광 파워의 동일 광 신호를 수신하도록, 광 신호를 분리한다.
브로드캐스트 시스템(140)은 광 신호를 8개의 노드에 브로드캐스트하기 위한 50:50 광학 탭을 이용하는 단지 브로드캐스트 시스템의 일례이다. 브로드캐스트 시스템(140)은 다양한 노드 시스템에 대한 브로드캐스트를 다루도록 확장 혹은 축소될 수 있다. 이것은 광학 탭 레벨의 수를 조정함으로써 달성될 수 있다. 변조기와 검출기간의 분기 도파관의 임의의 경로 상에서 50:50의 광학 탭의 수들간의 수학적 관계는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112011003849572-pct00001
여기서 NSL은 광학 탭 레벨의 수이며, 2를 밑으로 하는 로그는 광학 탭으로부터 출력되는 2개의 광 신호에 대응한다. 예컨대, 8개의 노드 브로드캐스트 시스템(140)에서는, 광 신호가 3개의 광학 탭 레벨을 통과한다. 4개의 노드 시스템에서는, 광학 탭 레벨의 수가 2이고, 16개의 노드 시스템에서는, 광학 탭 레벨의 수가 4이다.
도 1d는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 2 광 브로드캐스트 트리 시스템(160)의 트리 토폴로지를 나타낸다. 브로드캐스트 시스템(160)은 4개 세트의 트리 구조(quaternary tree configuration)를 갖는 광 브로드캐스트 트리 버스(162)를 포함한다. 특히, 브로드캐스트 트리 버스(162)는 일단이 광 전원(104)과 광학적으로 접속되는 버스 도파관 변조기부(164)를 포함한다. 브로드캐스트 트리 버스(162)는 2 레벨의 광학 탭을 포함한다. 제 1 레벨은 버스 도파관(164)에 광학적으로 결합되는 루트 광학 탭(166), 광학 탭(168)의 제 2 레벨을 포함한다. 도 1c의 예에 나타낸 바와 같이, 광학 탭(168) 각각은 단일 분기 도파관(170)을 경유하여 루트 광학 탭(166)에 광학적으로 결합되고, 별개의 분기 도파관(172)을 경유하여 4개의 검출기에 광학적으로 결합된다.
브로드캐스트 트리 버스(162)는 16개의 노드 시스템에 대한 브로드캐스트를 지원하도록 구성된다. 브로드캐스트 시스템(160)의 검출기는 또한 문자 "D"로서 표현되고, 각기 아래 첨자 1-16으로 개별적으로 구별된다. 브로드캐스트 시스템(160)은 또한 문자 "M"으로 나타내어지는 8개의 변조기를 포함하며, 각기 아래 첨자 1-16으로 개별적으로 구별된다. 변조기는 버스 도파관 변조기부(164)에 광학적으로 결합된다. 동일한 아래 첨자를 갖는 각 변조기 및 그에 대응하는 검출기는 16개의 노드 시스템(도시하지 않음)의 동일한 노드와 전자적으로 통신한다. 예컨대, 변조기 2 및 검출기 2는 동일 노드(도시하지 않음)에 전자적으로 결합된다.
광 전원(104)은 WDM 또는 DWDM을 이용하여 비변조광의 p개 파장을 버스 도파관(164)으로 출력한다. 노드들 중 임의의 하나의 노드는 버스 도파관(164)을 따라 전파되는 광의 비변조 파장 중 최대 p개 파장을 변조하여, 정보를 분기 도파관으로 반송하는 최대 p개의 광 신호를 생성하도록 연관된 변조기를 제어함으로써, 버스 도파관(162)을 거쳐서 모든 노드에 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 광학 탭은 각 광 팁에 입사되는 광 신호를, 각각이 대략 동일한 광 파워를 갖는 4개의 동등한 광 신호로 분리하는 4-웨이 스플리터이다. 따라서, 모든 광 신호는 2개의 광학 탭을 관통하여, 대략 동일한 광 파워를 갖고 검출기에 도달한다. 예컨대, 변조기 2와 전자적으로 통신하는 노드는, 버스 도파관 변조기부(164)를 따라 전송되는 비변조광의 최대 p개의 파장을 변조하여, 최대 p개의 대응 광 신호를 생성하도록 변조기 2를 제어함으로써 모든 16개의 노드에 정보를 브로드캐스트할 수 있다. 도파관의 검출기부에서의 루트 광학 탭(166) 및 광학 탭(168)은, 대략 동일한 광 파워를 갖는 동일 광 신호를 검출기 1-16이 각각 수신하도록, 광 신호를 분리한다.
브로드캐스트 시스템(160)은 단지, 광 신호를 16개의 노드에 브로드캐스트하기 위해 4-웨이 광학 탭을 사용하는 브로드캐스트 시스템의 일례이다. 브로드캐스트 시스템(160)은 여러 가지의 상이한 시스템에 대한 브로드캐스트를 다루도록 확장 또는 축소될 수 있다. 이것은, 광학적 텝 레벨의 수를 그에 대응하여 조정함으로써 달성된다. 변조기와 검출기간의 분기 도파관의 임의의 경로 상에서의 4-웨이 광학 탭의 수간의 수학적 관계는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112011003849572-pct00002
4를 밑으로 하는 로그는 광학 탭으로부터 출력되는 4개의 광 신호에 대응한다. 예컨대, 16 노드의 브로드캐스트 시스템(160)에서는, 광 신호는 2개의 광학 탭 레벨을 통과한다. 4 노드 시스템에서는, 광학 탭 레벨의 수가 1이고, 32 노드 시스템에서는, 광학 탭 레벨의 수가 4이다.
일반적으로, 노드 N의 수, 각 광학 탭으로부터의 출력 광 신호의 수 q, 변조기와 검출기간의 분기 도파관의 각 경로를 따라 배치된 광학 탭 레벨 NSL의 수간의 수학적 관계는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112011003849572-pct00003
다른 실시예에서는, 상이한 타입의 광 브로드캐스트 트리 시스템은 대락 동일한 광 파워를 갖는 광 신호를 검출기에 전달하도록 구성될 수 있다. 이들 실시예에서는, 각 광 브로드캐스트 버스의 광학 탭 레벨은 상이한 타입의 광학 탭으로 구성될 수 있다. 예컨대, 도 1e는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 제 3 광 브로드캐스트 트리 시스템(180)의 트리 토톨로지를 나타낸다. 광 브로드캐스트 트리 버스(182)는 50:50 루트 광학 탭(146), 제 1 레벨의 50:50 광학 탭(148), 및 분기 도파관(152, 154)의 접속이 브로드캐스트 트리 버스(162)의 분기 도파관(170)에 의해 단일 루트 4-웨이 광학 탭(166)으로 대체되는 것을 제외하고 브로드캐스트 트리 버스(142)와 거의 동일하다. 광 브로드캐스트 트리 버스 검출기부(182)는 변조기 1-8에 의해 생성된 광 신호를, 대략 동일한 광 파워를 갖고 검출기 1-8 모두에 도달하게 한다.
제 2 및 제 3 광 브로드캐스트 트리 시스템(160, 180)에서 나타낸 트리 토폴로지 각각은 하나의 노드의 변조기가 모든 다른 노드의 검출기에 의해 수신할 수 있는 변조된 광 신호를 브로드캐스트하도록, 검출기 도파관부의 앞에 변조기부를 배치하는 랩-어라운드 배열로 구현될 수 있다. 이들 랩-어라운드 배열은 또한 각 노드가 동일한 클럭 스큐(the same clock skew)로 광 신호를 변조 및 검출하도록 한다.
광 브로드캐스트 버스 구성은 도 1a 및 도 1c에 도시한 단순한 버스 도파관 구성에 한정되지 않음을 유의해야 한다. 다른 구성은 노드의 배열 방법에 따를 수 있다. 예컨대, 변조기부 및 검출기부는, 이전의 64 노드 각각을 뱀 형상 방식으로 구불구불하게 하는 랩-어라운드 배열로, 버스 도파관의 변조기부 및 검출기부를 구성함으로써 8×8 64 노드 시스템에서 64 노드 각각을 경유하도록 구성될 수 있다.
별개의 클럭을 갖는 동기 시스템에서는, 시스템 클럭 분배는 데이터 및 클럭의 상대적 타이밍이 유지되도록 동일한 토폴로지를 따른다. 이와 달리, 도파관상의 하나의 파장을 클럭에 전용하거나, 또는 8b10b 인코딩과 같은 클럭과 데이터의 인코딩을 이용함으로써, 데이터와 함께 클럭을 동일한 도파관으로 라우팅하기 위한 다양한 방식이 존재한다.
Ⅱ. 변조기
도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 변조기(202)를 나타낸다. 변조기(202)는 버스 도파관(206)에 인접하여 배치된, 공진기(204)와 같은 p개의 공진기를 포함한다. 공진기는 특정 파장의 광에 대해 공진하도록 구성할 수 있는 일종의 파장 선택성 요소이다. 각 공진기는 도파관(206)과 광학적으로 통신하고, 노드(도시하지 않음)에 전자적으로 결합된다. 도 2의 예에 나타낸 바와 같이, λ1…λp로 기재한 개별의 비변조 파장으로 구성되는 광은 광 전원(104)(도시하지 않음)으로부터 출력되어 버스 도파관(206)에 의해 전달된다. 적절한 전압이 인가되면, 공진기는 각각 전자적으로 튜닝 가능(tunable)하고, 공진기 각각은 파장 λ1…λp의 하나와 공진하도록 구성되는데, 이러한 경우 해당 공진기가 "활성(active)"라고 한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 공진기는, 활성화시에 각 공진기가 공진하는 파장을 식별하기 위해서 파장 λ1…λp의 하나로 라벨링된다. 공진기가 활성이면, 에버네센트 결합을 통해 관련된 파장의 광을 버스 도파관(206)으로부터 추출한다. 트랩된(trapped) 광은 궁극적으로 감쇠되어 공진기와 연관되는 손실에 의해 누설된다. 공진기가 액티브인 동안, 도파관(206)에 의해 반송된 광의 강도 또는 진폭은 활성 공진기에서 강하된다. 전압이 더이상 인가되지 않으면, 공진기의 공진 파장은 광의 파장으로부터 시프트되고, 도파관(206)에 의해 반송된 광의 강도 및 진폭이 리턴되고, 광은 공진기 옆의 버스 도파관(206)을 따라 영향을 받지 않고 전파된다. 전압이 공진기에 인가되지 않을 때, 공진기는 "비활성"이라고 한다.
노드는 전압 신호를 공진기 각각에 인가함으로써 광 신호를 생성한다. 각 전압 신호는 전자적으로 결합된 노드로부터 출력되는 2진 정보를 나타내는 "온(on)" 및 "오프(off)" 또는 "하이(high)" 및 "로우(low)"의 패턴으로 구성된다. 예컨대, "온" 전압은 2진수 "0"으로 나타내고, "오프" 전압은 2진수 "1"로 나타낼 수 있다. 단일 공진기에 인가되는 "온" 및 "오프" 전압의 패턴은 그에 대응하여 공진기가 활성 상태와 비활성 상태를 스위칭시키도록 한다. 변조광은 도파관(206)을 따라 전송되는 "로우" 및 "하이" 강도 패턴으로 구성되는 광 신호이며, 여기서 "로우" 강도는 2진수 "0"으로 표시되고, "하이" 강도는 2진수 "1"로 표시될 수 있다. 즉, 광 신호의 "로우" 및 "하이" 강도 패턴은 전압 신호의 "온" 및 "오프" 전압 패턴에 대응한다.
도 3은 노드(도시하지 않음)에 의해 제공되는 특정 전압 패턴에 따라 특정 파장 λk의 비변조광의 강도 변조를 나타내는 3개의 그래프이다. 제 1 그래프(302)는 공진기(201)를 통과하기 전에, 도파관(206)에 의해 전달되는 파장 λk의 비변조광의 실질적으로 연속인 강도를 나타낸다. 제 2 그래프(304)는 변조기(202)에 전자적으로 결합된 노드(도시하지 않음)에 의해 생성된 2진수 "01010"으로 나타내는 "온" 및 "오프"의 패턴을 나타낸다. 그래프(304)의 전압 패턴은 공진기(203)에 인가된다. 제 3 그래프(306)은 공진기(204)를 통과한 직후에 도파관(206)에 의해 반송된
Figure 112011003849572-pct00004
로 기재된 동일 파장의 광 신호의 "로우" 및 "하이" 강도의 패턴을 나타낸다. 그래프(304, 306)는 2진수 "0"을 나타내기에 충분한 길이의 시간 주기 동안 공진기(204)에 "온" 전압이 인가될 때에, 공진기(204) 부근의 파장 λk의 광의 강도는 대략 동일한 시간 주기 동안 낮은 것을 보인다. 2진수 "1"을 나타내기에 충분한 길이의 시간 주기 동안에 전압이 "오프"로 전환되면, 공진기(204) 부근의 파장 λk의 광의 강도는 대략 동일 시간 주기 동안에 복원(restore)된다. 즉, 광 신호의 "로우" 및 "하이" 강도 패턴은 2진수 "01010"으로도 표현된다. "온" 전압이 공진기(204)에 인가되면, 공진기(204)는 도파관(206)으로부터 파장 λk의 광을 추출하고, 이에 따라 공진기(204)를 통과하는 광의 강도를 "하이"로부터 "로우"로 떨어지게 된다. 그러나, 전압이 "오프"로 전환되면, 공진기(204)의 공진은 광의 파장으로부터 시프트되고, 광은 도파관(206)으로부터 공진기(204)로 흡수되고, 공진기(204)를 통과하는 광의 강도는 "하이"로 복원된다. 그 결과, "온" 및 "오프" 전압의 패턴으로 인코딩된 동일 데이터는 각각 "로우" 및 "하이"로 작성된다. 변조기는 대략 10Gbit/sec 이상의 변조 레이트로 동작될 수 있다.
도 2로 되돌아가서, 변조기(202)의 p 공진기는 광의 p 파장 λ1…λp 각각을 개별적으로 변조하여
Figure 112011003849572-pct00005
로 기재되는 p 대응 광 신호를 생성하도록 독립적으로 동작될 수 있다.
Ⅲ. 검출기
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 검출기(402)를 나타낸다. 검출기(402)는 노드(도시하지 않음)에 전자적으로 결합되는 p개의 공진기로 구성된다. 전술한 변조기(204)의 공진기와는 달리, 검출기(402)의 공진기는 활성의 공진 상태로 영구적으로 유지된다. 대신에, 검출기(402)의 공진기는 p개의 광 신호의 하나와 공진하도록 구성된다. 그 결과, 검출기(402)의 각 공진기는 에버네센트 결합을 통해 광의 대응 파장을 추출한다. 검출기(402)의 각 공진기는 또한 검출기부로 구성된다. 예컨대, 공진기(408)는 검출기부(410)로 구성된다. 광 신호
Figure 112011003849572-pct00006
는 공진기(408)에 에버네센트적으로 결합된다. 검출기부(410)는 공진기(408)에 트랩된 광 신호
Figure 112011003849572-pct00007
의 "로우" 및 "하이" 강도 패턴을 전자적으로 결합된 노드(도시하지 않음)에 전송하는 대응 "온" 및 "오프" 전기 신호로 변환된다. 검출기(402)의 p개의 공진기는 분기 도파관(404)으로부터의 p개의 광 신호
Figure 112011003849572-pct00008
각각과 에버네센트적으로 별개로 결합하여, 전자적으로 결합된 노드(도시하지 않음)에 전송되는 p개의 별개의 대응 전기 신호를 생성하도록 독립적으로 동작할 수 있다.
Ⅳ. 광학 탭
도 1a로 되돌아가서, 일반적으로, 광학 탭은 N개의 검출기 각각이 대략 동일 광 파워를 갖는 p개의 광 신호 각각을 수신하도록 구성된다. 이것은, 이하의 식
Figure 112011003849572-pct00009
에 따라 광 신호 파워의 분수(Rn)를, 광학적으로 결합된 분기 도파관으로 전환하고, 이하의 식,
Figure 112011003849572-pct00010
에 따라 버스 도파관(102) 상의 광 신호 파워의 분수(Tn)을 전송하도록, 이상적으로 각 광학 탭을 구성함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 이상적으로는 Rn+Tn=1, n은 버스 도파관(102)을 따라 위치한 광학 탭 지수를 나타내는 정수(1≤n≤N-1; 1은 광학 탭(122)을 나타내고, N-1은 광학 탭(126)을 나타냄)이다.
그러나, 실제로, 버스 도파관(102) 및 광학 탭은 버스 도파관(102)을 따라 광 신호가 전파되기 때문에, 광 신호의 약화를 초래하는 광 파워 손실의 원인으로 된다. 광 신호가 N개 노드 모두에 브로드캐스트될 수 있도록 버스 도파관(102)에 주입되어야 하는 광 파워의 양은 이하의 식
Figure 112011003849572-pct00011
에 의해 결정될 수 있으며, 여기서 D는 각 검출기에 도달하는 광 파워를 나타내고, b는 도파관 및 광학 탭 손실을 감안한 후에 전송되는 광 파워의 분수를 나타낸다. 광학 탭 1에서 전송된 광 파워로 전환되는 비율은 이하와 같이 주어진다.
Figure 112011003849572-pct00012
다음 광학 탭의 비는 이하와 같이 주어진다.
Figure 112011003849572-pct00013
임의의 수의 상이한 광 전환 디바이스는 광학 탭으로 이용될 수 있다. 본 발명에서 이용될 수 있는 광학 탭의 일종은 에버네센트 커플러이다. 도 5a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 에바네센트 커플러(500)의 평면도를 나타낸다. 다양한 종류의 에버네센트 커플러의 개략적 설명에 대해서는, S. J. Hewlett 등에 의한 "Analysis and design of highly broad-band, planar evanescent couplers"(Optical and Quantum Electronics, vol. 28, 71-81페이지, 1996년)를 참조한다. 커플러(500)는 점선(506, 508)간의 길이 Lc 및, 도파관 중앙 대 중앙간 거리 d의 균일 중앙 영역을 유도하는 일정한 곡률 반지름(constant bend radius)의 곡선형(curved) 입력/출력 암(input/output arms)을 갖는 2개의 리지 도파관(502, 504)으로 구성된다. 리지 도파관(502)은 광 신호를 검출기에 반송하는 분기 도파관의 일부이고, 리지 도파관(504)은 광 신호를 반송하는 브로드캐스팅 도파관(102)의 일부일 수 있다. 도파관(502, 504)은 공기 클래딩(air cladding)을 가질 수 있거나, 도파관(502, 504)은 도파관을 구성하는 물질보다 상대적으로 더 작은 굴절률을 갖는 물질에 내장될 수 있다. 커플러(500)는 곡선형 입력 암 및 출력암으로부터의 결합에 대한 기여 및 에버네센트 결합이 아주 강한 중앙 영역으로부터의 결합에 대한 기여를 고려하여 설계될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라, 도 5a에 도시한 선 5B-5B에 따른 커플러(500)의 중앙 영역의 단면도를 나타낸다. 도파관은 상이한 직사각형 단면의 기하학적 구조를 갖는다. 도 5b의 예에 나타낸 바와 같이, 도파관은 실질적으로 동일한 높이이지만, w1/h 및 w2/h의 상이한 도파관 어스펙트 비(different waveguide aspect ratios)에 대응하는 상이한 폭을 가진다.
점선(506)에 의해 구별되는 포인트에서, 단위 광 파워의 광 신호가 도파관의 포트 4에 주입되고, 제로(zero) 광 파워가 도파관(502)의 포트 1에 주입되면, 점선(508)에서의 포트 2 및 포트 2에 존재하는 광 신호의 분수 파워는 이하의 식
Figure 112011003849572-pct00014
에 의해 설명되며, 여기서
Figure 112011003849572-pct00015
이고, F2는 도파관간의 최대 분수형 광 파워 전달(maximum fractional optical power transfer)을 나타내고, C0은 도파관 분리가 증가함에 따라 지수적으로 감소하는 결합 계수(coupling coefficient)를 나타낸다.
도 1b-도 1d로 되돌아가서, 광 브로드캐스트 트리의 분기점에 위치하는 광학 탭은 도 1b의 광 브로드캐스트 트리 시스템(140)에서 채용되는 50:50 스플리터로서 동작하도록 적절히 구성될 수 있고, 이상적으로 R=T=1/2로 구성되는 광학 탭이거나 Y-형상 도파관일 수 있다. 광 브로드캐스트 트리 시스템(160)의 4-웨이 광학 탭은 이상적으로 R=T=1/2로 구성되는 3개의 연속하는 광학 탭 또는 3개의 연속하는 Y-형상 도파관을 이용하여 구성될 수 있다.
Ⅴ. 온-칩 구현
전술한 광 브로드캐스트 시스템은 단일 칩 상에 광학층(optical layer)으로 구현될 수 있다. 예컨대, 임의의 실시예에서는, 칩 크기가 대략 25×25이고 64개 이상의 노드를 가질 수 있다. 도파관은 대략 200×500㎚의 단면 치수를 가질 수 있고, 변조기 및 검출기는 대략 40-60㎛에 이르는 길이를 가질 수 있고, 마이크로링은 0.5-5㎛의 간격으로 분리될 수 있고, 마이크로링의 직경은 대략 1-20㎛에 이르며, 광학 탭의 길이 Lc는 대략 0.02-1㎜일 수 있다. 이들 치수 범위는 예시적 범위를 나타내며 본 발명의 광 브로드캐스트 시스템이 채용될 수 있는 광범위한 치수를 제한하려는 것은 결코 아님을 유의해야 한다. 따라서 이들 치수들 및 치수 범위는 특정 구현법에 따라 변화될 수 있다.
Ⅵ. 중재(Arbitration)
2개의 노드가 동시에 브로드캐스트할 수 있지만, 브로드캐스팅 노드는 각 노드의 브로드캐스트 전송 상에 변조할 수 없다. 예컨대, 비변조광이 버스 도파관(102) 상의 2개의 노드를 통과하면, 이들 노드들은 그 광의 상이한 파장을 변조함으로써 동시에 브로드캐스트할 수 있다. 예컨대, 도 1a로 되돌아가서, 노드 1 및 노드 j가 버스 도파관(102) 상으로 동시에 브로드캐스트하는 것이 허용된다고 가정한다. Node 1은 광 전원(104)으로부터 출력되는 비변조광의 특정 파장을 변조하여, 버스 도파관(102)의 변조기부(106)에 전송되는 광 신호를 생성한다. Node j가 Node 1에 의해 생성된 광 신호의 동일 파장을 변조하는 경우, 변조 처리는 Node 1에 의해 생성된 광 신호에 의해 반송되는 정보를 파괴한다. 또한, Node j가 이미 변조된 광 신호를 변조하기 때문에, Node j가 Node 1에 의해 생성된 광 신호에 포함시키려고 하는 어떠한 정보도 또한 이해될 수 없다. 따라서, Node 1 및 Node j가 광 전원(104)에 의해 생성된 광의 상이한 파장을 변조하는 한, 양 노드는 동시에 브로드캐스트할 수 있다.
2개 이상의 노드가 브로드캐스트를 손싱시키는 것을 방지하기 위해서는, 정보를 모든 노드에 브로드캐스트하도록, 각 노드는 광 브로드캐스트 버스 혹은 특정 파장을 소정 주기 동안 독점적으로 사용하는 것을 허용받는다. 중재는 공지된 전자 기반 중재 시스템 및 방법을 이용하여 행해지거나, 이하와 같은 모든 광 시스템 및 방법을 이용하여 행해질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 중재 시스템(600)의 개략적 구성을 나타낸다. 중재 시스템(600)은 토큰-링 도파관(602) 및 광 전원(606)에 결합된 파워 도파관(604)을 포함한다. 중재 시스템(600)은 N개의 노드 중 하나와 전자적으로 각각 결합되고 토큰-링 도파관(602) 및 파워 도파관(604)에 광학적으로 결합되는 N개의 인젝터(injector)를 포함한다. 중재 시스템(600)은 N개의 노드 각각와 전자적으로 결합되고 이 노드들을 각각 제어하며 토큰-링 도파관(602)에 광학적으로 결합된 N개의 다이버터(diverter)도 포함한다. 본 예에서는, 다이버터는 토큰-링 도파관(602)의 내부 영역이고 이에 인접하여 배치된다. 임의의 실시예들에서는, 도파관(602, 604)은 리지 도파관일 수 있으며, 이하의 마이크로링 및 리지 도파관이라는 제목의 단락에서 설명된다.
광 전원(606)은 동일한 광 전원(104)이거나, WDM 또는 DWDM을 채용하여 상이한 파장으로 구성되는 비변조광을 파워 도파관(604)에 주입하는 상이한 광 전원일 수 있다. 광은 화살표(608)로 구별되는 방향으로 진행한다. 광의 각 파장은 상이한 리소스와 연관될 수 있다. 리소스는 출력 포트와 같은 특정 노드에 위치되거나, 리소스는 광 브로드캐스트 버스 또는 광 전원(104)으로부터 출력되는 광의 파장과 같이, 2개 이상의 노드에 의해 이용될 수 있는 공통 또는 공유 리소스일 수 있다. 예컨대, 광 전원(606)으로부터 출력되는 λBW로 기재된 파장은 광 브로드캐스트 버스를 표현하는데 할당될 수 있다.
N개의 인젝터 각각은 전자적으로 튜닝 가능한 공진기(turnable resonators)의 세트로도 구성된다. 각 공진기는 광 전원(606)에 의해 주입된 광의 파장 중 하나의 파장과 공진하도록 구성될 수 있다. 공진기가 전자적으로 결합된 노드에 의해 활성화되면, 해당 공진기는 인접한 파워 도파관(604)으로부터의 광을 에버네센트 결합을 통해 추출하여, 광이 에버네센트 결합을 통해 토큰-링 도파관(602)으로 전송되기 전 소정 시간 주기 동안 공진기 내에서 추출된 광을 트래핑한다. 그 후, 광은 화살표(610)으로 나타낸 방향으로 토큰-링 도파관(602)으로 전파된다. 전압이 더 이상이 인가되지 않으면, 공진기의 공진 파장은 광의 파장으로부터 시프트되고, 광은 공진기 옆의 파워 도파관(604)을 따라 방해되지 않고서 전파되는 반면, 토큰-링 도파관(602)으로 주입된 광은 시계 방향으로 계속 순환한다.
N개의 다이버터 각각은 전자적으로 튜닝 가능한 공진기의 세트로 구성된다. 다이버터의 공진기 각각은 토큰-링 도파관(602)으로부터 특정 파장의 광을 추출하도록 구성된다. 공진기는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 검출기로 구성될 수 있어, 특정 파장의 광을 공진기가 추출하면, 검출기부는 전자적으로 결합된 노드에 전자적으로 전송되는 전기 신호를 생성하여, 광이 토큰-링 도파관(602)으로부터 추출되었음을 표시한다.
토큰-링 도파관(602)에 주입되는 특정 파장의 광은 "토큰"이라고 불린다. 토큰은 특정의 연관된 리소스를 이용하기 위해 광을 전달하는 특정 파장의 광의 펄스의 형태일 수 있다. 예컨대, 광 브로드캐스트 버스와 연관된 토큰은 토큰-링 도파관(602) 상의 파장 λBW의 광의 펄스의 존재에 의해 나타내어질 수 있다.
리소스의 중재는 이하와 같이 중재 시스템(600)을 이용하여 행해질 수 있다. 일반적으로, 중재를 개시하기 전에, 각 리소스는 광 전원(606)에 의해 주입된 광의 특정 파장을 파워 도파관(604)에 할당한다. 파장 λBW의 토큰은 N개의 노드에 의해 이용되어 특정 리소스의 가용성을 판단한다. 토큰 λBW가 토큰-링 도파관(602) 상에서 순환 중이면, 리소스가 이용 가능하다. 노드는 당해 노드에 전자적으로 결합된 다이버터의 공진기를 통해 토큰-링 도파관(602)으로부터 토큰 λBW를 노드가 추출할 때에만 리소스를 이용할 수 있다. 토큰 λBW는 공진기 내에서 트랩되고, 검출기부는 토큰 λBW의 존재를 확인하는 전기 신호를 전기적으로 결합된 노드에 송신한다. 그리고, 노드는 리소스를 이용하기 시작할 수 있다. 리소스의 이용을 필요로 하는 다른 노드들은 토큰 λBW가 토큰-링 도파관(602)에서 이용 가능하게 될 때까지 대기해야 한다. 노드가 리소스를 이용하는 것을 종료한 경우, 노드는 전자적으로 결합된 인젝터의 공진기를 이용하여, 파장 λBW의 토큰을 토큰-링 도파관(602)으로 주입함으로써 토큰-링 도파관(602) 상에서 토큰 λBW를 리프레시(refresh)한다.
Ⅶ. 브로드캐스팅 방법
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 광 브로드캐스트 시스템을 통한 브로드캐스팅 방법을 나타내는 제어 흐름도를 나타낸다. 단계 701에서, 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, p개의 상이한 파장으로 구성된 비변조광이 버스 도파관으로 주입된다. 단계 702의 순환 루프에서, 단계 703-7-6이 각 브로드캐스트를 위해 반복된다. 단계 703에서, 도 6을 참조하여 전술한 방법 및 시스템과 같은 중재 방법 및 중재 시스템은 어떤 노드가 버스 도파관 상에서 브로드캐스트하도록 노드가 허용되는지 여부를 판정하는데 이용된다. 단계 703에서, 브로드캐스트가 허용된 노드는, 도 2-도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 비변조광을 변조하여, 버스 도파관에 놓여지는 광 신호를 생성한다. 단계 705에서, 모든 노드는, 도 4-도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, 버스 도파관으로부터 광 신호의 일부를 추출한다. 단계 706에서, 버스 도파관 상에서 다음 브로드캐스트를 위해 당해 방법이 리턴되어 재시작된다.
Ⅷ. 마이크로링 공진기 및 리지 도파관
임의의 시스템 실시예에서는, 도파관은 리지 도파관일 수 있고, 공진기는 마이크로링 공진기일 수 있다. 도 8a는 본 발명의 실시예들에 따라 구성되고 기판(806)의 표면 상에 배치된 리지 도파관(804)의 일부 및 마이크로링 공진기(802)의 등각도(isometric view)를 나타낸다. 도파관(804)을 따라 전송되는 광 신호는, 광 신호가 공진 조건,
Figure 112011003849572-pct00016
를 만족하는 경우, 도파관(804)로부터 마이크로링(802)로 에버네센트적으로 결합되며, 여기서 neff는 마이크로링(802)의 실효 굴절률이고, C는 마이크로링(802)의 원주이고, m는 정수, λ는 광 신호의 파장이다. 곱 neffC는 공통(cavity)의 광학 길이(optical length)이다. 즉, 파장 λ의 정수배인 파장의 광 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)로 에버네센트적으로 결합된다.
에버네센트 결합은 마이크로링과 같은 한 매체로부터 리지 도파관 등과 같은 다른 매체로 및 반대의 경우로 광의 에버네센트파(evanescent waves)가 전송되는 처리이다. 예컨대, 마이크로링 공진기(802)와 리지 도파관(804)간의 에버네센트 결합은 도파관(804)에서 전파되는 광에 의해 생성되는 에버네센트 필드(evanescent field)가 마이크로링(802) 내에 결합될 때에 발생한다. 마이크로링(802)은 에버네센트 필드의 모드를 서포트하도록 구성되고, 에버네센트 필드가 마이크로링(802)에서 전파되는 광을 발생시켜서, 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)로 광을 에버네센트적으로 결합한다고 가정한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 마이크로링(802)과 도파관(804)에 대한 투과율(transmittance) 대 파장의 그래프를 나타낸다. 가로선(808)은 파장축을 나타내고, 세로선(810)은 투과율축을 나타내며, 곡선(812)은 파장의 범위에 걸쳐 마이크로링(802)을 통과하는 광 신호의 투과율을 나타낸다. 마이크로링(802)을 통과하는 광 신호의 투과율은
Figure 112011003849572-pct00017
에 의해 정의되며, 여기서 Iin은 마이크로링(802)에 도달하기 전에 도파관(804)을 따라 전파되는 광 신호의 강도이고, Iout는 마이크로링(802)을 통과한 후에 도파관(804)을 따라 전파되는 광 신호의 강도이다. 투과율 곡선(821)의 최소치(814, 816)는 파장 λm=L/m 및 λm+1=L/(m+1)을 갖는 광 신호에 대해 제로 투과율에 대응하며, 여기서 L은 공동의 광학 길이이다. 이들 파장은 규칙적으로 이격된 다수의 최저치 중 단지 2개만을 나타낸다. 이들 광 신호는 전술한 공진 조건을 만족하며, 마이크로링(802)과 "강한 공진(strong resonance)"을 가지며, 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 에버네센트적으로 결합된다. 파장 λm 및 λm+1 주위의 협파장 영역에서는, 투과율 곡선(812)은 광 신호의 파장이 파장 λm 및 λm+1로부터 멀어질수록 투과율의 가파른 증가를 보인다. 즉, 공진의 강도가 감소하고, 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)로 결합되는 광 신호의 일부는 광 신호의 파장이 공진 파장으로부터 멀어질수록 감소된다. 영역(818-820)에서 상기 파장을 갖는 광 신호는 실질적으로 아무런 방해없이 마이크로링(802)을 통과한다.
마이크로링 공진기의 에버네센트 결합 특성으로 인하여, 마이크로링 공진기는 인접하는 도파관을 따라 전송되는 특정 광 신호를 검출하는데 이용될 수 있거나, 인접하는 도파관으로부터 다른 인접하는 도파관으로 특정 파장의 광 신호를 결합하는데 이용될 수 있다. 도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 검출기부(902)에 결합된 마이크로링 공진기(802)를 나타낸다. 마이크로링(802)를 공진시키는 파장을 갖는 광 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 에버네센트적으로 결합되고, 소정 시간 주기 동안 트랩된 상태로 유지되면서 도파관(802) 내에서 순환된다. 검출기부(902)는 마이크로링(802)의 SiGe 도핑 영역일 수 있다. 검출기부(902)는 마이크로링(802)에서 순환하는 광 신호를 흡수하고, 당해 광 신호를, 신호선을 통해, 전자적으로 결합된 노드에 전송될 수 있는 전자 신호로 변환된다. 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따라, 도파관(804)으로부터 제 2 도파관(904)으로 광 신호를 결합하는데 이용되는 마이크로링 공진기(802)를 나타낸다. 마이크로링(802)과 공진하는 파장을 갖는 광 신호는 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 에버네센트적으로 결합된다. 광 신호는 마이크로링(802)에서 순환하고 도파관(904)에 에버네센트적으로 결합된다. 광 신호가 도파관(804)을 따라 한 방향으로 전송되고, 제 2 도파관(904) 내에 결합되는 광 신호가 반대 방향으로 전송되는 것에 유의하자.
마이크로링(802)은 마이크로링(802) 및 도파관(804) 주위의 기판(806)의 영역을 적절한 전자 도너 및 전자 억셉터 원자 또는 불순물로 도핑함으로써 전자적으로 튜닝될 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예들에 따라, 마이크로링(802) 및 리지 도파관(804) 주위의 도핑 영역의 개략적 구성 및 평면도를 나타낸다. 소정 실시예에서는, 마이크로링(802)은 진성 반도체를 포함한다. p형 반도체 영역(1001)은 마이크로링(902)의 내부의 반도체 기판에 형성될 수 있고, n형 반도체 영역(1002, 1003)은 마이크로링(802)의 외부를 둘러싸는 도파관(804)의 반대쪽의 반도체 기판에 형성될 수 있다. p형 영역(1001) 및 n형 영역(1002 1003)은 마이크로링(802) 부근에서 p-i-n 접합을 형성한다. 다른 실시예들에서는, 도펀트(dopant)는 마이크로링(802) 내부의 기판의 n형 반도체 영역(1001) 및 마이크로링(802)의 외부를 둘러싸는 기판에 p형 반도체 영역(1002, 1003)을 형성하기 위해서 반전된다.
전자적으로 튜닝 가능한 마이크로링(802)은 마이크로링을 둘러싸는 영역에 적절한 전압이 인가되는 경우, 인접한 도파관으로부터의 광을 에버네센트적으로 결합하거나 또는 전환(divert)하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전자 제어된 마이크로링(802)은 도파관(804)을 따라 전파되는 파장 λ를 갖는 광 신호가 이하의 식
Figure 112011003849572-pct00018
과 같은 공진 조건을 만족하지 않도록, 원주 C 및 실효 굴절률 neff'로 구성될 수 있으며, 여기서, n'effC는 공진기의 광학 길이이다. 이러한 광 신호는 아무런 방해없이 마이크로링(802)을 통과하고, 마이크로링(802)은 "오프"로 전환된다. 즉, 마이크로링(802)은, 마이크로링(802)에 적절한 전압이 인가될 때, 실효 굴절률 neff'가 굴절률값 neff로 시프트되고 광 신호가 공진 조건, 즉
Figure 112011003849572-pct00019
을 만족하도록 적절한 물질로 형성될 수 있다.
광 신호는 이제, 도파관(804)으로부터 마이크로링(802)으로 결합된다. 이후에 전압이 "오프"로 전환되면, 마이크로링(802)의 실효 굴절률은 neff'로 시프트되고, 동일한 광 신호가 도파관(804)을 따라 방해없이 전파된다.
본 발명의 시스템 실시예는 마이크로링 공진기 및 리지 도파관에 한정되지 않음을 유의해야 한다. 다른 실시예에서는, 도파관을 따라 전파되는 광의 특정 파장과 결합되도록 구성될 수 있는 임의의 적당한 공진기가 사용될 수 있다.
전술한 기술(description)은, 설명을 위해, 특정 명명법(specific nomenclature)을 이용하여 본 발명의 명확한 이해를 제공한다. 그러나, 당업자에게는, 본 발명의 실시를 위해 구체적인 상세한 설명이 필요하지 않음이 자명할 것이다. 본 발명의 특정 실시예의 전술한 설명은 실례 및 설명을 위해 제시되었다. 이들은 개시된 정확한 유형으로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 명확하게는, 전술한 교시의 관점에서 많은 변형 및 변경이 가능하다. 본 발명의 원리 및 그 실시 응용예를 가장 잘 설명하기 위해서 실시예들이 나타내어지고 설명되어, 당업자라면, 본 발명 및 다양한 실시예들을, 생각한 특정 사용에 적당한 다양한 변형예로 이용할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위 및 이들의 등가물에 의해 정의될 것이다.

Claims (15)

  1. 시스템의 임의의 노드로부터 모든 노드로 정보를 브로드캐스팅(broadcating)하기 위한 광 브로드캐스트 시스템(100, 140, 160, 180)에 있어서,
    변조기부(modulator portion) 및 검출기부(detector portion)를 포함하고, 상기 변조기부가 각 노드를 통과하고, 상기 검출기부가 각 노드를 통과하도록 구성되는, 광 브로드캐스트 버스(142, 162, 182)와,
    상기 변조기부에 광학적으로 결합되고, 상기 변조기부로부터 상기 검출기부로 정보를 운송하는 광 신호를 생성하도록 상기 노드에 의해 제어되는, 변조기(109-114)와,
    상기 검출기부에 광학적으로 결합되고, 모든 노드가 상기 광 신호를 수신하도록 상기 노드에 의해 제어되는 검출기(116-120, 134)를 포함하고,
    상기 검출기부는 동일한 광 파워로 상기 변조된 광 신호를 상기 검출기로 분배하도록 구성된 브로드캐스트 트리 버스(broadcast tree bus)를 형성하는 복수의 스플리터(splitter)를 더 포함하는
    광 브로드캐스트 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    비변조광(unmodulated light)을 상기 광 브로드캐스트 버스로 주입하는 광 전원(optical power source)을 더 포함하며,
    상기 변조기부에서 상기 노드는 상기 비변조광을 변조하여 상기 광 신호를 생성하는
    광 브로드캐스트 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 브로드캐스트 트리 버스(142, 162, 182)는,
    상기 변조기에 광학적으로 결합되는 랩-어라운드 버스 도파관(144, 164)과,
    광 신호를, 동일한 광 파워를 갖는 다수의 광 신호로 분할(split)하도록 구성된 광학 탭(146, 148, 150, 166, 168)과,
    상기 광 신호를 광학 탭 사이 및 상기 검출기로 운송하도록 구성된 랩-어라운드 분기 도파관을 더 포함하는
    광 브로드캐스트 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조기(109-114, 202)는 상기 변조기부에 인접하여 배치된 공진기들(204)을 더 포함하고, 각 공진기는 전자 신호가 노드에 의해 인가될 때에, 상기 변조기부에 의해 운송되는 광의 한 파장과 에버네센트적으로(evanescently) 결합되도록 구성되고,
    상기 검출기는 상기 검출기부에 광학적으로 결합되는 복수의 공진기(410)를 더 포함하며, 각 공진기는 상기 검출기부로부터의 특정 파장의 광 신호를 에버네센트적으로 결합하여, 노드에 전송되는 대응 전자 신호를 생성하는
    광 브로드캐스트 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공진기(204)는 복수의 마이크로링(microring)(802)을 더 포함하고, 각 마이크로링은 인접한 도파관으로부터의 특정 파장의 광을 에버네센트적으로 결합하도록 구성되는
    광 브로드캐스트 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 브로드캐스트 버스는 단일 집적 회로 칩 상에 구현되는
    광 브로드캐스트 시스템.
  10. 시스템의 임의의 노드로부터 모든 노드로 정보를 브로드캐스팅하는 방법에 있어서,
    비변조광을, 변조기부 및 검출기부를 포함하는 광 브로드캐스트 버스에 주입하는 단계(701) - 상기 광 브로드캐스트 버스는 상기 변조기부가 각 노드를 통과하고 상기 검출기부가 각 노드를 통과하는 랩-어라운드 구성(wrap-around configuration)을 가짐 - 와,
    어느 노드가 상기 광 브로드캐스트 버스를 통해 브로드캐스트할 수 있는지를 판정하기 위해 중재하는 단계(703)와,
    상기 변조기부로부터 상기 검출기부로 진행하는 광 신호를 생성하기 위해, 상기 광 브로드캐스트 버스의 상기 변조기부에서 비변조광을 변조하는 단계(704)와,
    상기 변조된 광 신호를 분할하고 브로드캐스트 트리 버스를 사용하여 상기 광 신호를 분배하여 각각이 동일한 광 파워를 갖는 동일 광 신호들이 상기 노드로 운송되도록 하는 단계와,
    상기 광 브로드캐스트 버스의 상기 검출기부 내의 상기 광 신호를 모든 노드에서 수신하는 단계(705)를 포함하는
    브로드캐스팅 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비변조광을 버스 도파관(102)으로 주입하는 단계는, 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing) 또는 고밀도 파장 분할 다중화(dense wavelength division multiplexing)를 이용하여 광의 복수 파장을 상기 버스 도파관(102)으로 주입하는 단계를 더 포함하는
    브로드캐스팅 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 비변조광을 변조하는 단계는 광의 각 파장을 연관 노드에 의해 전자적으로 제어되는 공진기(204)로 에버네센트적으로 결합함으로써 상기 광의 상이한 파장을 변조하는 단계를 더 포함하는
    브로드캐스팅 방법.
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 신호를 분배하는 단계는 각 검출기가 동일한 광 파워를 갖는 동일 광 신호를 수신하도록 각 광 신호의 일부를 각 검출기에 에버네센트적으로 결합하는 단계를 더 포함하는
    브로드캐스팅 방법.
  15. 삭제
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