KR20120052931A - 고속, 고밀도 통신 시스템을 위한 광학적 상호연결 장치 - Google Patents

고속, 고밀도 통신 시스템을 위한 광학적 상호연결 장치 Download PDF

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Abstract

광 도메인의 데이터를 나타내기 위해 PAM 기술을 이용함으로써 광범위한 SERDES 기능에 대한 필요를 제거하는 동시에, 광학적 클럭 신호를 전송하기 위해 분리된 채널을 이용함으로써 장치의 수신단에서 클럭 복원 회로에 대한 필요를 제거하는, 고속 데이터 응용에 사용되는 광학적 상호연결 장치가 제공된다.

Description

고속, 고밀도 통신 시스템을 위한 광학적 상호연결 장치{OPTICAL INTERCONNECTION ARRANGEMENT FOR HIGH SPEED, HIGH DENSITY COMMUNICATION SYSTEMS}
본원은 2009년 6월 12일에 출원된 미국 가출원번호 61/186,718을 기초로 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 본 명세서에 참조로 도입된다.
본 발명은 광학적 상호연결 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 클럭 신호를 위한 분리된 전송 채널과 함께 PAM(pulse amplitude modulation)을 이용함으로써 광범위한 SERDES(serialization/deserialization)에 대한 요구를 감소시키는 장치에 관한 것이다.
컴퓨팅 및 네트워킹 애플리케이션에 대한 지속적인 수요로 인해, 대형 데이터 센터뿐만 아니라 HPC(high performance computing) 플랫폼에 대한 수요가 증가하고 있다. 어느 쪽이건 간에, 컴퓨터 서버들 또는 네트워크 노드들 간의 상호연결은 칩 또는 서버 내의 컴퓨팅 파워의 성장을 따라가지 못하고 있다. 병목현상은 서버-대-서버의 통신 파워, 사이즈 및 지연 시간뿐만 아니라, 칩-대-칩의 통신 파워, 사이즈 및 지연 시간을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 보다 최근 응용에서는, 광섬유의 대역폭이 일반적인 구리 상호연결에 비해 상당히 크므로, 광섬유가 칩들(또는 서버들) 간의 물리적인 링크로 사용되었다.
칩 상에서의 처리 그 자체는 일반적으로 폭이 다수의 비트로 된 병렬 워드를 사용하여 수행된다(일반적인 병렬 워드는 8 비트, 16 비트, 32 비트 또는 64 비트의 폭을 갖는다). 이 정보를 제 1 칩으로부터 제 2 칩(또는 다른 소자)으로 전송하는 것은, 칩의 에지에서의 핀 카운트를 줄이기 위해 일반적으로 상기 병렬 워드가 직렬 형태로 변환되는 것을 요구하며, 상기 칩에서의 물리적인 패키징은 아마도 많은 개수의 병렬 출력 리드를 다룰 필요가 있다.
그 결과, 직렬화(serialization) 프로세스는 일반적으로 칩의 에지에서 수행되어, 병렬 워드로부터 직렬 데이터를 생성한다. 통신 경로의 수신단에서는 유입되는 직렬 데이터 스트림을 프로세스의 수신측 상의 칩 내에서 사용되는 병렬 워드 구조로 다시 재변환하도록 병렬화(de-serialization) 기능이 요구된다. 이러한 직병렬화 프로세스의 조합은 종종 해당 기술분야에서 "SERDES"로 언급된다. 추가적으로, 시스템의 수신단은 적절하게 병렬 워드를 재생성하기 위해, 유입되는 직렬화된 데이터 스트림에 대해 클럭 복원을 수행해야 한다.
SERDES 및 클럭 복원 프로세스는 상당한 양의 전력을 소모하는 동시에 고속의 동작이 요구되고 기대되는 프로세스에 지연 시간을 추가하는 점에서 문제가 있다.
따라서, 종래기술에는 개선된 동작 특성을 갖는 광학-기반 상호연결 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 고속, 고밀도 통신 시스템을 위한 광학적 상호연결 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
종래기술에 대해 존재하는 요구는 본 발명에 의해 해결되며, 본 발명은 광학적 상호연결 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, PAM 기술을 이용함으로써 광범위한 SERDES 기능에 대한 필요를 감소시키고, 추가적으로 클럭 신호를 위한 분리된 전송 채널을 도입함으로써 장치의 수신단에서의 클럭 복원 회로에 대한 필요를 제거하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 동시에 다수의 비트를 전송할 수 있는 인코딩된 스트림을 생성하기 위해 멀티-레벨 PAM 신호가 병렬 데이터 워드로부터 생성되어, 칩의 에지에서 병렬 데이터 워드를 완전히 직렬화할 필요를 제거한다. PAM은 전체 워드에 대해 수행될 수 있거나, 부분적인 PAM 기술이 도입될 수 있다. 예를 들어, PAM-16 광학적 변조 기술이 동시에 4 비트를 전송하기 위해 이용될 수 있다. 일반적으로, PAM-N2 변조 기술이 동시에 N 비트의 데이터를 전송하기 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광학적 MZI(Mach-Zehnder interferometer)가 병렬 워드 입력 신호로부터 PAM 출력 신호를 생성하기 위해 사용된다. 그리고 나서, 제 2 MZI가 PAM 신호와 병렬로, 별도로 클럭 신호를 전송하기 위해 사용되어, 수신단에서 클럭 복원을 수행할 필요를 제거한다. 광학적 클럭 신호는 상이한 파장을 사용하여 PAM 출력 데이터 신호와 동일한 신호 경로(일반적으로, 섬유)를 통해 전송될 수 있거나, 동일한 파장을 사용하여 제 2 의 개별적인 광섬유를 통해 전송될 수 있다.
유리하게, 생성된 광학적 클럭 신호는 칩을 가로질러 더 분배되고, 주파수가 동기화된 클럭킹(frequency-locked clocking) 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예 및 효과는 이어지는 발명의 상세한 설명을 통해 첨부된 도면을 참조로 하여 분명하게 될 것이며, 다수의 도면에서 유사한 도면번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 제 1 칩과 제 2 칩 간의 예시적인 데이터 통신 배열의 블록도이며, 각각의 칩은 병렬 데이터 워드를 이용하는 프로세싱 코어 및 직렬 데이터 전송을 이용하는 상호연결을 가지며; 종래의 광학-기반 상호연결 장치는 SERDES 기능을 사용한다.
도 2는 도 1의 배열에서 사용하기 위한 SERDES 기능을 사용한 광학-기반 상호연결 장치의 예시적인 종래의 구현을 도시한다.
도 3은 예시적인 데이터 통신 장치의 블록도이며, 도 1에 도시된 SERDES 기능은 직접적인 광학적 상호연결 장치로 대체된다.
도 4는 도 3의 장치에서 사용될 수 있는 예시적인 직접적인 광학적 상호연결 장치를 도시하며, 여기서 PAM 구조가 다수의 데이터 비트를 동시에 전송하기 위해 사용된다.
도 5는 본 발명의 광학적 상호연결 장치의 예시적인 실시예를 포함하며, 병렬의 전기적 데이터를 PAM 광학적 신호로 인코딩하는 제 1 MZI 및 클럭 신호를 전송하는 제 2 MZI를 이용하여, 수신단에서 CDR에 대한 필요를 제거한다.
도 6은 본 발명의 광학적 상호연결 장치의 대안적인 실시예를 도시하며, PAM 데이터 신호 및 광학적 클럭 둘 모두를 전송하기 위해 동일한 파장을 사용하고, 두 신호를 전송하기 위해 분리된 광섬유를 제공한다.
도 7은 도 5 또는 도 6의 장치에서 사용될 수 있는 대안적인 광학적 클럭 구조를 도시하며, 상기 대안적인 구조는 주파수가 동기화된 광 신호를 컴퓨팅 칩의 다양한 영역에 분배하기 위한 광학적 분할 장치뿐만 아니라, 제 2 (여분의) 클럭원을 포함한다.
전술한 바와 같이, 오늘날의 데이터 센터는 수천 개의 컴퓨팅 노드들에 의존하며, 상기 컴퓨팅 노드들은 고속의 상호연결을 사용하여 함께 결합되어, 오늘날의 응용의 성능을 달성한다. 각각의 컴퓨팅 노드는 다양한 기능을 수행하도록 사용되는 IC (칩) 프로세서 코어로 구성된다. 각각의 노드의 프로세싱 파워는 지속적으로 급격하게 증가하고 있다. 그러나, 고속, 저전력 그리고 심지어 낮은 지연 시간으로 노드들을 상호연결할 필요가 오늘날의 사용 가능한 기술을 앞지르고 있다.
도 1은 제 1 칩(1)과 제 2 칩(2) 간의 전통적인 종래의 광학적 상호연결 장치를 도시한다. 칩(1)은 병렬 워드 포맷으로 방대한 양의 데이터를 다루는 기능을 수행하는 프로세싱 코어(3)를 포함한다. 유사한 프로세싱 코어(4)가 칩(2) 내에 포함되고, 광학적 상호연결 링크(5)를 통해 칩들(1 및 2) 간의 통신을 제공할 필요가 있다. 오직 하나의 링크(5)만이 명확함을 위해 도시되었음이 이해될 것이다. 적절하게 복잡한 시스템에는 수만 개의 이러한 링크들이 있을 것이다. 게다가, 도 1은 칩들(1 및 2)로부터 네 개의 출력 세트를 도시하지만, 추가적인 세트의 출력이 있을 수 있으며, 상기 칩들을 넷보다 많은 다른 노드들로 연결할 수 있음이 이해될 것이다.
도시된 바와 같이, 각각의 프로세싱 코어로부터 출력되거나 입력되는 병렬 워드 데이터는 먼저 결합된 SERDES 장치를 지나가며, SERDES(6)는 프로세싱 코어(3)와 결합되고, 분리된 SERDES(7)는 프로세싱 코어(4)와 결합된다. 통신 경로가 제 1 칩(1)으로부터 제 2 칩(2)으로 형성됨을 가정하면, 프로세싱 코어(3)에서 출력되는 병렬 데이터 워드는 그 후 SERDES(6) 내에서 직렬화되고, 예를 들어 전기적 연결 핀(P1)에서 제 1 칩(1)을 빠져나온다. 그 후, 직렬화된 전기적 신호는 E/O(electrical/optical) 변환 장치(8) 내에서 광학적 대체물로 변환되고, 제 2 칩(2)으로의 전송을 위해 광학적 상호연결 링크(5)로 결합된다. 그리고 나서, 제 2 칩(2)의 주변부에서, 광신호는 O/E(optical/electrical) 변환 장치(9) 내에서 전기적인 형태로 변환되고, SERDES(7)의 "병렬화"부(7-D)에 대한 입력으로 인가되며, 상기 병렬화부는 데이터를 병렬화하고 데이터를 병렬 워드 형태로 재생시킨다.
상세히 도시되지는 않았지만, 유사한 전송 경로가 제 2 칩(2)에서 제 1 칩(1)으로 데이터를 역전송하기 위해 반대 방향으로 사용됨이 자명하다. 실제로, 모든 상호연결은 양방향 형태로 가정된다.
전술한 바와 같이, SERDES(6, 7) 및 E/O, O/E 변환 장치(8, 9)는 상당한 전력을 소모하며, 전체 시스템에 지연 시간을 추가하는 것으로 알려져 있다. 게다가, 높은 데이터 레이트의 응용의 경우, 이러한 다양한 컴포넌트들의 대역폭은 매우 크도록 요구되어, 매우 큰 전력을 요구한다.
도 2는 도 1의 시스템에 도입될 수 있는 전통적인 종래의 광학적 상호연결 장치의 도면이다. 이 경우, 4-비트 폭의 병렬 데이터 워드를 전송하는 것이 요구되며, 각각의 비트는 예를 들어 5 Gb/s(물론 임의의 다른 데이터 레이트가 이용될 수도 있다)의 데이터 레이트에서 동작한다. 네 개의 병렬 데이터 비트는 SERDES(6)의 직렬화부(6-S)에 대한 분리된 입력으로 인가된다. 그 결과, 5 Gb/s의 예시적인 레이트에서 동작하는 네 개의 분리된 스트림은 20 Gb/s의 데이터 레이트에서 동작하는 단일 출력 데이터 스트림을 형성하도록 결합된다. 도 2의 특정 실시예에서, E/O 변환은 E/O 변환 장치 내에 형성된 MZI 내에서 일어나며, CW(continuous wave) 광학적 입력 신호(I)가 분리된 입력으로 인가되고, 전기적 데이터 신호가 변조된 광학적 출력 신호(O)를 생성하도록 사용된다. 그 후, 광학적 출력 신호(O)는 광 채널(5)(섬유, 집적된 광 도파로 또는 다른 적절한 광 통신 매체일 수 있음)로 결합되어 그를 따라 진행한다. 그리고 나서, 제 2 칩(2)의 주변부에 위치한 O/E 변환 장치(9)는 수신된 20 Gb/s의 광신호를 직렬의 전기적 데이터 신호로 (20 Gb/s에서) 재변환한다. 그리고 나서, SERDES(7)의 병렬화부(도 2에서 7-D로 지시됨)는 네 개의 출력 데이터 경로를 따라 신호를 분리할 것이며, 각각의 출력 데이터 경로는 제 1 칩(1)에서 출력되는 신호의 세트와 동일한 데이터 레이트로 동작하며, 이 경우에서는 5 Gb/s로 동작한다. 이러한 특정 데이터 레이트의 경우, 변조기(8), O/E 변환기(9), 직렬화기(6-S) 및 병렬화기(7-D) 모두의 대역폭은 대략 20 GHz가 되는 것이 필요하며, 이는 상당한 전력을 요구한다.
도 1 및 도 2에 도시된 종래의 장치에 대한 개선이 N2-레벨의 신호가 N 데이터 비트를 동시에 전송하기 위해 사용되도록 광학적 변조 기술을 변형하여, 프로세싱 코어(3 및 4)의 출력에서 SERDES 동작에 대한 필요를 제거함으로써 구현될 수 있다. 도 3은 예시적인 N2-레벨의 직접적인 광학 장치의 블록도를 포함한다. N=4인 통신 경로를 또다시 가정하면(즉, 4 비트의 병렬 워드가 프로세싱 코어(3)에서 출력됨), 4 비트의 병렬 워드는, 상호연결 링크(5)를 따라 전송되는 16-레벨 광학적 출력 신호로 네 개의 모든 비트를 인코딩하기 위해 적절한 타입의 E/O 변환 장치(10)에 대한 입력으로 직접 인가된다. 수신단에서, O/E 변환이 먼저 수행되고, 그 뒤 제 2 프로세싱 코어(4)에 의한 사용을 위해 16-레벨 신호가 개별적인 데이터 신호로 변환된다.
도 4는 도 3의 장치에 이용될 수 있는 N2-레벨 프로세싱 타입의 특정 실시예이다. 이러한 특정 실시예에 도시된 바와 같이, 4 비트의 병렬 워드는 광학적 변조기(12)에 대한 입력으로 인가된다(다른 다양한 장치가 사용될 수 있음이 이해될 것이며, 상기 장치는 8 비트, 16 비트, 64 비트 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다). 전술한 종래의 장치와 유사하게, 데이터는 5 Gb/s의 레이트로 스트리밍될 수 있지만, 임의의 다른 데이터 레이트가 사용될 수도 있다. 도 2의 종래의 장치와 달리, 네 개의 분리된 비트가 먼저 직렬화되지 않고, 광학적 변조기(12)에 대한 동시 입력으로 인가된다. 이러한 특정 실시예에서, 광학적 변조기(12)는 PAM-16 광 출력 신호를 생성하기 위해 네 개의 입력 신호를 이용하는 PAM을 포함한다. 이러한 응용을 위한 광학적 PAM 장치의 이용은 2009년 1월 27일에 K. Shastri 등이 특허받아 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 7,483,597에 자세히 설명되어 있으며, 상기 특허는 본 명세서에 참조로 도입된다. 이 경우, 분리된 변조 세그먼트(13)에 결합된 네 개의 병렬 비트를 사용하여, 변조기(12)를 따라 형성된 복수의 변조 세그먼트(13-1, 13-2, 13-3 및 13-4)의 길이를 조절함으로써, PAM-16 변조된 광 출력 신호가 원래의 입력 데이터 레이트(예를 들어, 5 Gb/s)를 유지하면서 형성된다. 변조기(12)의 다른 멀티-세그먼트 장치가 사용될 수 있으며, 세그먼트의 개수가 증가하는 것은 출력 신호의 선형성을 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 전술한 바와 같이, 5 Gb/s의 데이터 레이트는 오직 예로서 간주되며, 임의의 다른 적절한 데이터 레이트가 본 발명의 시스템에 사용될 수 있다.
입력 데이터 스트림의 데이터 레이트를 유지함으로써, 광 채널은 보다 적은 분산-기반 손실을 경험할 수 있으며, O/E 변환 장치(9)는 제 2 칩(2)에서 O/E 변환을 수행하는데 있어 보다 적은 전력을 소모할 것이다. 이러한 특정 응용에서, 4 비트 A/D 컨버터 및 CDR(clock-data recovery) 회로(14)는 병렬화기 대신 네 개의 분리된 데이터 비트를 복원하기 위해 이용된다.
도 1 및 도 2의 장치가 개선되더라도, 도 3 및 도 4의 "직접적인 광학적(direct optical)" 실시예는 여전히 통신 경로의 수신측에서 CDR의 사용을 요구하며, 이는 여전히 상당한 양의 전력을 소모하고 시스템에 에러를 유발하여 지연 시간을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 광학적 상호연결 경로의 수신측에서 CDR에 대한 필요는, 수신측 A/D 컨버터를 제어하기 위해 전송된 클럭 신호를 사용하여, PAM 광 데이터 신호와 함께 병렬로 광학적 클럭 신호를 동시에 전송함으로써 제거될 수 있다. 각각의 링크를 따른 CDR 동작을 제거함으로써, 상당한 양의 전력이 절약되는 동시에, 시스템의 지연 시간이 감소된다.
도 5는 본 발명에 따라 형성된 예시적인 광학적 상호연결을 도시하는 도면을 포함하며, PAM 광학적 데이터 신호와 함께 병렬로 광학적 클럭 신호를 전송하는 제 2 신호 경로를 포함한다. 도 3 및 도 4와 관련하여 전술된 장치와 유사하게, PAM 변조기(12)는 병렬 N 비트 데이터 입력을 기반으로 N2-레벨 광 신호를 전송하기 위해 사용된다. 이 실시예에서 N=4이고, 임의의 다른 적절한 N 값이 이용될 수 있음이 자명하다.
도시된 바와 같이, 4 비트 병렬 비트 워드는 위상 정렬기(20)에 대한 입력으로 인가된다(설명을 위해, 각각의 데이터 입력은 5 Gb/s의 레이트에서 동작하는 것으로 가정되었으나, 임의의 다른 적절한 데이터 레이트가 사용될 수 있음이 자명하다). 분리된 클럭 입력이 위상 정렬기(20)로 인가되고, 네 개의 분리된 데이터 스트림들의 동기화된 동작을 유지하기 위해 사용된다. 일 예시적인 실시예에서, 한 세트의 D 플립플롭이 위상 정렬기(20)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그 후, "클럭에 따라 형성된(clocked)" 데이터 신호가 PAM 변조기(12)에 대한 분리된 입력으로 인가되며, 제1 파장(λ1)의 CW 광학적 입력 신호(I)가 변조기(12)로의 광학적 입력으로 사용된다. 또다시, 광학적 변조기(12)는 PAM 출력 신호를 형성할 수 있는 멀티-세그먼트 변조기를 포함하며, 세그먼트의 개수는 출력의 선형성에 기여한다(즉, 세그먼트의 개수의 증가는 변조기의 위상 전달 기능을 더 잘 따르도록 출력을 적절하게 조정하는 기능을 유발할 것이다). 변조기(12)로부터의 출력은 펄스 진폭이 변조된 광 신호이며(또한 "PAM 광학적 데이터 신호"로도 불림), 입력 데이터 신호의 모든 N 비트를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 전기적 클럭 신호가 분리된 변조기(22)에 대한 잉ㅂ력으로 인가된다. 도 5의 특정 실시예에서, 제 2 파장(λ2)에서 동작하는 제 2 CW 광원은 변조기(22)에 대한 광학적 입력으로 사용되어, 출력에서 광학적 클럭 신호(OC)를 생성한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 변조기(22)는 본질적으로 PAM 변조기(12)와 동일한 치수를 나타내도록 형성되어, 변조기(22)를 따라 진행하는 광신호가 본질적으로 변조기(12)를 따라 진행하는 광신호와 동일한 진행 지연을 경험하도록 하며, 광학적 클럭 신호(OC)가 PAM 변조된 광학적 데이터 신호와 동기화된 채로 유지되도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, PAM 광학적 데이터 신호 및 광학적 클럭 신호(OC)는 광학적 멀티플렉서(24)에 대한 분리된 입력으로 인가되며, 상기 광학적 멀티플렉서는 파장(λ1 및 λ2)의 신호들을 제 2 칩(2)으로의 전송을 위한 광 채널(5)로 결합시킨다. 칩(2)에서 수신하면, PAM 데이터 및 클럭 신호는 광학적 디멀티플렉서(26) 내에서 분리되며, 파장(λ1)의 PAM 광학적 데이터 신호는 제 1 O/E 변환 장치(9-1)에 대한 입력으로 인가되고, 파장(λ2)의 광학적 클럭 신호(OC)는 제 2 O/E 변환 장치(9-2)에 대한 입력으로 인가된다. 장치(9-1)로부터의 변환된 전기적 데이터 신호 출력은 A/D 컨버터(28)에 대한 입력으로 인가되고, O/E 변환 장치(9-2)로부터의 전기적 클럭 신호 출력은 A/D 컨버터(28)에 대한 클럭 입력으로 직접 인가된다.
본 발명의 장치에서, 광 채널(5)을 따라 데이터 신호와 함께 클럭 신호를 동시에 전송하는 것은 클럭이 수신된 데이터와 직접적으로 동기화되고, 채널의 수신측에서 PAM 광학적 데이터 신호로부터 "클럭 복원"을 수행할 필요를 없애는 점에서 중요한 특징을 갖는다. 그 결과, CDR에 대한 필요를 제거하는 것은 장치에 의해 소모되는 전체 전력을 감소시키고, 시스템의 지연 시간을 줄인다.
도 6은 본 발명의 광학적 상호연결 장치의 대안적인 실시예를 도시한다. 이 경우, 광학적 클럭은 동일한 파장(λ1)에서 PAM 광학적 데이터 신호로 생성되고, 그리고 나서, 제 1 칩(1)과 제 2 칩(2) 간의 분리된 광섬유를 통해 전송된다. 동ㅇ리한 도면번호가 유사한 구성요소를 위해 사용되는 도 6을 참조하면, 위상 정렬기(20)로부터 클럭에 따라 형성된 데이터 출력은 변조기(12)에 대한 전기적 입력으로 인가되고, 도 5의 실시예와 같이 원래의 클럭 신호는 제 2 변조기(22)에 대한 입력으로 인가된다. 그러나, 이 경우 동일한 CW 레이저원이 변조기(12 및 22) 둘 모두에 대해 광학적 입력 신호를 제공하도록 사용된다. 다시 말해, CW 레이저원으로부터의 출력은 광학적 스플리터(29)를 통과하고, 변조기(12 및 22) 둘 모두의 광학적 입력에 커플링된다. 따라서, 변조기(12 및 22)의 출력은 비록 상이한 변조 특징을 갖더라도 동일한 파장에서 동작하는 광신호일 것이다. 본 발명의 이 실시예에 따르면, 멀티플렉서는 요구되지 않으며; 대신 광 채널(5)이 한 쌍의 광섬유(5-1 및 5-2)를 포함하도록 형성되며, PAM 광학적 데이터 신호는 제 1 섬유(5-1)로 커플링되고, 광학적 클럭 신호(OC)는 제 2 섬유(5-2)로 커플링된다. 그리고 나서, 한 쌍의 신호는 제 2 칩(2)으로의 경로를 따라 진행하며, 섬유(5-1)를 따르는 PAM 광학적 데이터 신호는 제 1 O/E 변환 장치(9-1)에 대한 입력으로 인가되고, 섬유(5-2)를 따르는 광학적 클럭 신호(OC)는 제 2 O/E 변환 장치(9-2)에 대한 입력으로 인가된다. 이어지는 프로세싱은 본질적으로 도 5에 관하여 전술한 바와 동일하다.
도 6의 실시예에서, 다른 파장의 제 2 광학적 레이저와 파장 먹스/디먹스 컴포넌트에 대한 필요를 제거하는 것과, 장치의 일 단에서 제 2 광섬유 및 필수적인 커플링에 대한 필요를 제거하는 것 사이에서 트레이드-오프가 있다.
나아가, 시스템 내의 다양한 광학적 소자(들) 또는 소자들의 조합으로 분배되는 클럭 신호를 제공하기 위해 생성된 광학적 클럭 신호의 이용을 확장시키는 것이 가능하다. 도 7은 변조기(22)로 이용될 수 있는 일 예시적인 광학적 클럭 분배 장치(30)를 도시하며, 여기서 장치(30)로부터의 일 출력은 예를 들어 멀티플렉서(24) 또는 광섬유(5-2)에 대한 광학적 클럭 입력으로 인가되거나, 나머지 광학적 클럭 신호는 다른 광학적 시스템 컴포넌트로 분배된다.
도 7을 참조하면, 장치(30)는 원래의 소스가 고장난 것으로 인식되면 백업 소스로 사용되도록, CW 광학적 입력 신호의 제 2 소스(제 2 소스(32)로 지시됨)를 이용할 수 있음이 도시된다("고장"은 기결정된 임계값 미만으로 떨어지는 제 1 소스로부터의 출력 파워로도 정의될 수 있다). 이러한 균형잡힌 구조에서, 전기적 클럭 신호 및 그 역 신호(도 7에서 CLK 및
Figure pct00001
로 도시됨)는 MZI(34)에 대한 입력으로 인가되고, CW 광신호를 변조하도록 사용되어, 광학적 클럭(OC) 출력 신호 및 그 역 신호를 생성한다(OC 및
Figure pct00002
로 도시됨).
도 7에 도시된 바와 같이, 장치(30)는 복수의 분기형 도파관으로 형성된 광 스플리팅 장치(36)를 더 포함하며, 광 스플리터(36)는 MZI(34)의 출력에 결합된다. 그 결과, 도파관 섹션 각각은 파장(λ2)에서 진행하는 광학적 클럭 신호(OC)를 전달한다. 하나의 출력 도파관(38)이 광학적 멀티플렉서(24)에 대한 OC 입력으로 사용되도록 도시된다(도 5 참조). 나머지 OC 신호는 동일한 칩 상에 위치한 다양한 다른 광 시스템으로 분배되도록 사용 가능하며, 이러한 신호들은 주파수가 동기화되어 유지된다. 유리하게, 주파수가 동기화된 광학적 클럭을 분배하는 기능은 광 시스템 내의 다양한 위치에서 CDR에 대한 필요를 제거한다. 명시적으로 도시되지는 않았지만, PAM 광학적 데이터 신호는 유사한 광 스플리팅 장치를 통과하고, 칩을 가로질러 이 데이터를 이용할 다양한 광학적 노드로 전달될 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명이 다수의 실시예를 참조로 기술되었으나, 통상의 기술자는 청구된 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않은 채 수행될 수 있는 다양한 변경을 인식할 것이다. 그 결과, 본 발명은 도면에 도시되고 발명의 상세한 설명에 기술된 실시예들로 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의해서만 지시된다.

Claims (10)

  1. 고속 데이터 신호를 전송하기 위한 광학적 상호연결 장치에 있어서, 상기 광학적 상호연결 장치는:
    전기적 고속 데이터 신호를 광학적 데이터 신호로 변환하기 위해 제 1 프로세싱 노드와 연결된 전송 컴포넌트;
    상기 전송 컴포넌트의 출력에 결합된 광학적 전송 채널; 및
    상기 광학적 데이터 신호를 수신하고 상기 수신된 광학적 데이터 신호를 원래의 전기적 고속 데이터 신호로 재변환하기 위해, 제 2 프로세싱 노드와 연결되고 상기 광학적 전송 채널의 출력에 결합되는 수신 컴포넌트를 포함하고,
    상기 전송 컴포넌트는:
    출력으로 복수의 병렬 위상-정렬된 데이터 신호를 생성하도록, 복수의 N 병렬 데이터 신호 및 전기적 클럭 신호에 응답하는 위상 정렬 엘리먼트;
    복수의 N 병렬 위상-정렬된 데이터 신호를 나타내는 PAM(pulse amplitude modulated) 광학적 데이터 신호를 생성하도록, 상기 복수의 N 병렬 위상-정렬된 데이터 신호 및 CW(continuous wave) 광신호에 응답하는 제 1 광학적 변조기; 및
    광학적 클럭 출력 신호를 생성하도록, 상기 전기적 클럭 신호 및 CW 광신호에 응답하는 제 2 광학적 변조기를 포함하고,
    상기 수신 컴포넌트는:
    수신된 PAM 광학적 데이터 신호의 전기적 버전을 생성하도록, 상기 수신된 PAM 광학적 데이터 신호에 응답하는 제 1 O/E(optical/electrical) 변환 장치;
    수신된 광학적 클럭 신호의 전기적 버전을 생성하도록, 상기 수신된 광학적 클럭 신호에 응답하는 제 2 O/E 변환 장치; 및
    상기 제 1 및 제 2 O/E 변환 장치의 출력으로부터 원래의 복수의 N 병렬 데이터 신호를 복원하도록, 상기 제 1 및 제 2 O/E 변환 장치의 출력에 응답하는 A/D 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송 컴포넌트의 제 1 및 제 2 광학적 변조기는 각각 제 1 및 제 2 MZI(Mach-Zehnder interferometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 MZI는 멀티-세그먼트 간섭계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 MZI는 복수의 N 병렬 데이터 신호로부터 PAM-N2 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전송 컴포넌트는:
    제 1 파장(λ1)에서 동작하고, 상기 제 1 광학적 변조기의 입력에 결합된 제 1 광 신호원;
    제 2 파장(λ2)에서 동작하고, 상기 제 2 광학적 변조기의 입력에 결합된 제 2 광 신호원; 및
    상기 제 1 및 제 2 광학적 변조기로부터의 광학적 출력 신호를 단일 광학적 출력 신호 경로로 결합시키는 광학적 멀티플렉서를 더 포함하고,
    상기 수신 컴포넌트는:
    파장(λ2)으로 진행하는 광학적 클럭 신호로부터 파장(λ1)으로 진행하는 PAM 데이터 신호를 분리하고, 각각의 신호를 분리된 광학적 신호 경로로 결합시키는 광학적 디멀티플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전송 컴포넌트는:
    파장(λ1)으로 동작하는 광원; 및
    상기 광원으로부터의 출력의 제 1 부분을 상기 제 1 광학적 변조기의 광학적 입력으로 전달하고, 상기 광원으로부터의 출력의 제 2 부분을 상기 제 2 광학적 변조기의 광학적 입력으로 전달하는 광 스플리터를 더 포함하고,
    상기 광학적 전송 채널은 한 쌍의 광섬유를 포함하고, 제 1 섬유는 PAM 광학적 데이터 신호의 진행을 지원하고, 제 2 섬유는 광학적 클럭 신호의 진행을 지원하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 광학적 변조기는, 상기 제 1 프로세싱 노드를 가로질러 주파수가 동기화된 복수의 광학적 클럭 신호를 분산시키는 광학적 클럭 분산 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광학적 클럭 분산 장치는 상기 제 2 광학적 변조기의 출력에 결합된 광 스플리터를 포함하고,
    상기 광 스플리터는 상기 제 1 프로세싱 노드를 가로질러 상기 주파수가 동기화된 복수의 광학적 클럭 신호를 분산시키는 복수의 분기형 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 광학적 변조기는, 원래의 CW 소스가 고장난 것으로 인식되면 백업 소스로 이용하기 위해 제 2 CW 광학적 입력 신호원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 광학적 변조기는 광신호를 제공하는 한 쌍의 CW 광학적 입력 신호원을 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 CW 광학적 입력 신호원 중 제 2 CW 광학적 입력 신호원은, 상기 한 쌍의 CW 광학적 입력 신호원 중 제 1 CW 광학적 입력 신호원이 고장난 것으로 인식되면 백업 소스로 이용되는 것을 특징으로 하는 광학적 상호연결 장치.
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