基于五端口光路由器的光片上网络制造技术

本发明专利技术公开了一种基于五端口光路由器的光片上网络，主要解决现有五端口光路由器微环谐振器数目较多、损耗较大、容量较小的问题。该网络包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器。其中五端口光路由器采用五角星结构，它由5根波导和15个无源微环谐振器构成，5根波导按照五角星的规律进行排列，形成5个端口和5个波导交叉点，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，通过将15个无源微环谐振器分为5组，结合波分复用技术，实现每个端口能同时与其他四个端口进行通信，本发明专利技术不需要控制电路进行预约建链，简化了网络结构，降低了能量损耗，提高了网络容量，可用于mesh或torus拓扑结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，特别涉及一种光片上网络，可用于光通信系统中IP核之间的光互连，采用分组交换机制，适用于mesh或torus拓扑结构。
技术介绍
随着信息领域通信业务的增长，处理器芯片上IP核的数目也在不断地增加。传统的电互连方式在能耗、时延、带宽和串扰等方面已经无法满足当前片上网络的通信需求。光片上网络作为一种全新的技术，通过将芯片上众多的IP核进行光互连，可以有效地解决电互连下的诸多技术难题。近年来，光片上网络也得到了快速的发展，出现了许多适用于光片上网络的高效的网络拓扑。mesh和torus网络拓扑作为经典的2维片上网络结构，在光片上网络也得到了广泛应用。许多研究人员提出了一些四端口的光路由器，但是这种四端口的光路由器不是很适合mesh或torus拓扑结构，主要体现为mesh或torus拓扑结构中的光路由器分别需要一个端口连接四个方向的光路由器，而本地的IP核则需要通过网关与本节点中的光路由器进行连接。五端口光路由器构建的mesh或torus拓扑结构的网络则不需要网关。为此现有技术提出了如下几种五端口光路由器。AndrewW.Poon等人在文章“Cascadedactivesiliconmicroresonatorarraycross-connectcircuitsforWDMnetworks-on-chip”(IntegratedOptoelectronicDevices，2008)中针对mesh拓扑结构提出了比较经典的5×5crossbar路由器，简称路由器1。该路由器的实现方式是：在水平和垂直方向上各放置5根平行的波导，水平放置的5根波导对应5个输入端口，垂直放置的5根波导对应5个输出端口。在每个波导交叉点各放置一个微环谐振器来实现光信号的转向。该路由器中的25个微环谐振器相同，其谐振波长一样，通过控制电路可以控制这些微环谐振器在打开和关闭状态之间转换，实现5个端口之间无阻塞全双工通信。该路由器存在的不足是：1)需要单独的控制电路来控制该路由器中25个微环谐振器，而控制电路的存在增加了芯片制造的复杂度，且控制电路消耗的能量占网络消耗总能量很大一部分；2)该路由器使用电路交换机制，数据在传输之前需要预约建链，而电路交换不适用于短分组网络；3)虽然一个输入、输出端口与输出、输入端口之间只需要打开一个微环谐振器即可建立一条传输路径，支持各端口之间无阻塞通信，但是一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高；4)该路由器需要的波导和微环谐振器的数目较多。虽然在文献“CascadedMicroresonator-BasedMatrixSwitchforSiliconOn-ChipOpticalInterconnection”(ProceedingsoftheIEEE，2009)中AndrewW.Poon等人提到当禁止同一端口的输入与输出间通信时，可以减少5个微环谐振器，但是仍然需要20个微环谐振器和10根波导。较多的微环谐振器与波导不仅增加了芯片制造的复杂度，还增加了制造成本；5)该路由器物理结构中有26个波导交叉，增加了插入损耗和串扰。HuaxiGu等人在文章“ALow-powerLow-costOpticalRouterforOpticalNetworks-on-ChipinMultiprocessorSystems-on-Chip”(IEEEComputerSocietyAnnualSymposiumonVLSI，2009)中提出了一种名为Cygnus的五端口光路由器，简称路由器2。该路由器的实现方式是：将6根波导适当地弯折，每次弯折90°，来减少波导交叉数目和微环谐振器的数目，再在适当位置摆放具有相同谐振波长的微环谐振器，通过控制电路控制微环谐振器在打开与关闭状态之间的转换，实现五个端口之间的无阻塞全双工通信。使用该路由器构建的mesh拓扑结构网络，光信号在同一维度传输时不需要对微环谐振器进行打开操作，只需要在转向时才使转向处的微环谐振器处于打开状态，在能耗及网络的可扩展性方面都有一定的优势，但是该方案仍具有以下不足：1)该路由器与路由器1一样，需要单独的控制电路来控制微环谐振器的状态，实现端口间的通信，控制电路增加了制造的复杂度；2)该路由器使用电路交换机制，数据在传输之前需要预约建链，同样不适用于短分组网络；3)与路由器1一样，一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高；4)该路由器有6根波导、16个微环谐振器和13个波导交叉，虽然相比于路由器1有所减少，但是依然较多。RJi等人在文章“Five-portopticalrouterforphotonicnetworkson-chip”(OpticsExpress，2011)中针对mesh和torus拓扑结构提出了一种五端口光路由器，简称路由器3。该路由器的实现方式与路由器2几乎一样，同样只使用了6根波导，16个微环谐振器，但波导交叉是14个。本方案的不足之处是：1)需要单独的控制电路，数据传输前需要预约建链，波导、微环谐振器和波导交叉数目较多；2)当使用一个波长时，该路由器可以实现各端口之间无阻塞通信，一个输入、输出端口只能同时与一个输出、输入端口进行通信，不利于网络带宽的提高。虽然文中提出该路由器可以使用波分复用技术，但是并没有详细说明具体的实现过程，并且可以得出当结合波分复用技术使用多种波长进行通信时会存在以下两个问题。其一，由于微环谐振器需要耦合更多的波长，其处于打开的状态也会更多，因此控制电路更加复杂，需要确保微环谐振器适时地具有确定的谐振波长；其二，不同波长信号对同一微环谐振器可能存在竞争，因此需要适当的仲裁机制进行仲裁。上述三种五端口光路由器均可以用于mesh或torus拓扑结构，但是这些网络结构存在以下共同的问题：1)网络需要单独的控制电路，这会带来较大的能耗、增加制造复杂度；2)网络中对链路存在竞争，需要仲裁机制进行仲裁，因此源节点在传输数据前需要预约建链，不适用于短分组网络；3)一个节点不能同时与两个及两个以上的节点进行通信，不利于网络容量的提高；4)这些网络采用电路交换机制，对于某些需要采用分组交换机制的特殊应用不适合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于五端口光路由器的光片上网络，以简化网络结构、降低能量损耗、提高网络容量。为实现上述目的，本专利技术基于五端口光路由器的光片上网络，包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器；五端口光路由器的本地输出、输入端口分别与探测器和调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的IP核相连，不同节点之间的路由器通过波导连接，构成节点数为N×N的mesh或torus拓扑结构，其特征在于：五端口光路由器由5根波导和15个需要分组的无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，即15个无源微环谐振器摆放在5个端口和5个波导交叉处；每个端口包含一根输入波导和一根输出波导，五个端口中有一个端口作为本地端口，其余四个端口各对应东、西、南本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于五端口光路由器的光片上网络，包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器；五端口光路由器的本地输出、输入端口分别与探测器和调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的IP核相连，不同节点之间的路由器通过波导连接，构成节点数为N×N的mesh或torus拓扑结构，其特征在于：五端口光路由器由5根波导和15个需要分组的无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，即15个无源微环谐振器摆放在5个端口和5个波导交叉处；每个端口包含一根输入波导和一根输出波导，五个端口中有一个端口作为本地端口，其余四个端口各对应东、西、南、北四个方向中的一个方向；每个无源微环谐振器与两根波导相邻，无源微环谐振器将与自己谐振波长相同的光信号从其中一根波导耦合到另一根波导上传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于五端口光路由器的光片上网络，包括五端口光路由器、探测器、调制器和缓存器；五端口光路由器的本地输出、输入端口分别与探测器和调制器相连；探测器接收路由器输出的光信号，并将光信号变成二进制的数据分组存入到缓存器中；缓存器和调制器与芯片上的IP核相连，不同节点之间的路由器通过波导连接，构成节点数为N×N的mesh或torus拓扑结构，其特征在于：五端口光路由器由5根波导和15个需要分组的无源微环谐振器构成，其中5根波导按照五角星的规律进行排列，每个端口摆放一个无源微环谐振器、每个波导交叉处摆放两个无源微环谐振器，即15个无源微环谐振器摆放在5个端口和5个波导交叉处；每个端口包含一根输入波导和一根输出波导，五个端口中有一个端口作为本地端口，其余四个端口各对应东、西、南、北四个方向中的一个方向；每个无源微环谐振器与两根波导相邻，无源微环谐振器将与自己谐振波长相同的光信号从其中一根波导耦合到另一根波导上传输。2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于五端口光路由器中的15个无源微环谐振器共有5种结构，分为5组，每组3个无源微环谐振器，每个端口处的一个无源微环谐振器和与该端口相对的波导交叉处的两个无源微环谐振器设为同一组，同组内的3个无源微环谐振器结构相同，且具有相同的谐振波长，不同组之间的无源微环谐振器结构不同，具有不同的谐振波长。3.根据权利要求1所述的网络，其特征在于：本地端口中的输出波导与探测器相连，输入波导与调制器相连；每个方向上的端口与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘乾坤，顾华玺，王琨，杨银堂，朱李晶，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61