基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法，用于提升结构扩展性和广播通信效率，降低集成设计难度和控制电路功耗，包括M×N个超级节点、M个全局交换网、N个本地交换网和M×N×(M+N)条第三光波导，M≥2，N≥2，M×N个超级节点分为N组，每组M个，第n组中第m个超级节点表示为Sn,m，1≤n≤N，1≤m≤M，每个超级节点中包括M个计算节点、一个交叉开关、两个光调制器和M+N‑2个光解调器，每个全局交换网包括N个微环功率分配器，每个本地交换网包括M个微环功率分配器，根据n、m，每个超级节点连接一个本地交换网和一个全局交换网，根据目的计算节点所在超级节点组编号和在该超级节点组内编号在本地交换网、全局交换网或本地交换网和全局交换网进行通信。

On-chip structure and communication method of broadcasting light based on micro-ring power divider and organization

The invention discloses a broadcasting optical on-chip structure and communication method based on micro-ring power divider and grouping, which is used to improve the structure scalability and broadcasting communication efficiency, reduce the difficulty of integrated design and control circuit power consumption, including M*N super nodes, M global switching networks, N local switching networks and M*N*M+N Article 3 optical waveguide, M>2, N>2, M*N super nodes are divided into N super nodes. Group M, each group M, the mth super-node in group n is represented as Sn, m, 1 < n < N, 1 < m < M. Each super-node includes M computing nodes, a cross-switch, two optical modulators and M+N 2 optical demodulators. Each global switching network includes N micro-ring power dividers, and each local switching network includes M micro-ring power dividers. According to n, m, each super-node is connected. A local switching network and a global switching network communicate with the global switching network by calculating the super-node group number of the node and the number of the super-node group in the local switching network, the global switching network or the local switching network.

【技术实现步骤摘要】
基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法
本专利技术属于通信
，涉及一种片上光互连结构及通信方法，具体涉及一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法，可用于计算系统中计算节点之间广播通信。
技术介绍
片上光互连结构通过光波导实现计算系统中计算节点间通信。在计算系统中，计算节点间除存在单播通信外，还存在大量广播通信，因此需要设计支持广播的光片上结构。考虑到大量计算节点之间广播通信量，广播光片上结构及通信方法在设计时主要需要解决结构的可扩展性问题，集成设计问题、能耗问题和通信效率问题。现有研究人员针对以上问题，分别从结构和通信方法上进行了研究。麻省理工学院的ZhanSu等人2014年在IEEELasersandElectro-Optics发表文章“Anon-chippartialdropwavelengthselectivebroadcastnetwork”，公开了一种通过8个微环同时耦合一个波导上一条光波实现的广播网络，该广播网络可以实现一个端口同时向8个端口进行广播通信，通信效率高，此外使用通过使用无源微环谐振器，降低了片上控制电路能耗开销，但该广播网络的不足在于仅能实现一个节点对其余8个节点的广播，无法实现更大规模节点之间的相互广播，扩展性有限。申请公布号为CN103442311A，名称为“支持多播通信的光片上网络系统”的专利申请，公开了一种支持多播通信的光片上网络系统，该光片上网络系统通过由不同半径的有源微环谐振器组成的两级网络，实现了基于波长路由的多节点间的多播通信，具有一定的可扩展性，但该光片上网络系统存在的不足在于：在结构方面，集成特定弯折角度光波导，且多微环之间半径关系需要精细控制才能实现对不同波长的精确耦合，增加了片上光结构的集成设计难度，有源微环需要额外的控制电路改变其耦合波长，这增加了系统控制电路能耗开销；在通信方面，使用多波长进行多播，需要复杂的波长分配策略，且片上光波长资源有限，这些都限制了多播通信的范围，多播通信效率低。申请公布号为CN105183693A，名称为“一种基于三维片上网络的多播传输方法”的专利申请，公开了一种基于三维片上网络的多播传输方法。该方法以一源节点为中心，将三维片上网络动态划分为高分区和低分区，随后两个分区根据一系列判别条件又进一步被优化划分为更小的多个子分区，最终源节点产生的多播信息在多个子分区中进行路由，该通信方法动态划分后可实现多区域的独立多播，虽然网络传输过程中多播通信效率有所提高，但每次广播通信前动态分区、子分区划分操作过于复杂和繁琐，使得多播通信配置时间开销增大，源节点目的节点之间整个通信流程上通信效率仍然不高，此外复杂的划分操作需要额外电路支持，这增加了使用该方法进行多播的系统能耗开销。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法，用于提升广播光片上结构的扩展性，降低结构的集成设计难度，同时提高广播通信的效率。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，包括M×N个超级节点1、M个全局交换网2、N个本地交换网3和M×N×(M+N)条第三光波导4，M≥2，N≥2，M×N个超级节点1分为N组，每组M个，第n组中的第m个超级节点1表示为Sn,m，1≤n≤N，1≤m≤M；所述超级节点1包括交叉开关11和与其相连的M个计算节点12、两个光调制器13和M+N-2个光解调器14；所述交叉开关11，用于实现计算节点12、光调制器13和光解调器14间广播信息的交换；所述计算节点12，用于产生、发送和接收广播信息；所述光调制器13，用于将数据位宽为B的电信号转换为数据位宽为1的光信号；所述光解调器14，用于将数据位宽为1的光信号转化为数据位宽为B的电信号，B&gt;1；所述全局交换网2包括N个第一微环功率分配器21；所述第一微环功率分配器21包括第一主传输光波导211、N-1个第一微环谐振器212和N-1个第一辅助传输光波导213；所述第一主传输光波导211，用于将光调制器13发出的数据位宽为1的光信号耦合进第一微环谐振器212，所述第一辅助传输光波导213，用于将第一微环谐振器212耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器14；所述本地交换网3包括M个第二微环功率分配器31；所述第二微环功率分配器31包括第二主传输光波导311、M-1个第二微环谐振器312和M-1个第二辅助传输光波导313；所述第二主传输光波导311，用于将光调制器13发出的数据位宽为1的光信号耦合进第二微环谐振器312，所述第二辅助传输光波导313，用于将第二微环谐振器312耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器14；所述Sn,m包括的两个光调制器13中的一个与第n个本地交换网3中一个第二主传输光波导311通过一条第三波导4连接，另一个与第m个全局交换网2中一个第一主传输光波导211通过一条第三波导4连接；所述Sn,m包括的M+N-2个光解调器14中的M-1个各与第n个本地交换网3中的一个第二辅助传输光波导313通过一条第三波导4连接，另N-1个各与第m个全局交换网2中的一个第一辅助传输光波导213通过一条第三波导4连接；每一条第三波导4仅被使用一次。上述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，所述第一主传输光波导211与各第一辅助传输光波导213平行或垂直，且该第一主传输光波导211与各第一微环谐振器212的间距不同；所述N-1个第一微环谐振器212与各自耦合的第一辅助传输光波导213的间距相同，N≥2；所述各第一微环谐振器212半径相同；所述第一辅助传输光波导213传输的数据位宽为1的光信号的功率为第一主传输光波导211传输的数据位宽为1的光信号的功率的上述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，所述第二主传输光波导311与各第二辅助传输光波导313平行或垂直，且该第二主传输光波导311与各第二微环谐振器312的间距不同；所述M-1个第二微环谐振器312与各自耦合的第二辅助传输光波导313的间距相同，M≥2；所述各第二微环谐振器312半径相同；所述第二辅助传输光波导313传输的数据位宽为1的光信号的功率为第二主传输光波导311传输的数据位宽为1的光信号的功率的上述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，所述计算节点12，包括广播信息生成和处理模块121，以及与广播信息生成模块121连接的广播信息发送模块122和广播信息接收模块123，其中：所述广播信息生成和处理模块121，用于产生广播信息，处理广播信息；所述广播信息发送模块122，用于发送广播信息；所述广播信息接收模块123，用于接收广播信息。上述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，所述交叉开关11，包括信息交换模块111、信息处理模块112、控制模块113、数据位宽均为B的M+2个输出端口114和数据位宽均为B的2M+N-2个输入端口115，B&gt;1，N≥2，M≥2，其中：所述信息交换模块111用于将电信号从输入端口115发送至输出端口114；所述信息处理模块112用于对输入端口中广播信息中添加标记，或复制输入端口中的广播信息，并在复制后广播信息中添本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，包括M×N个超级节点(1)、M个全局交换网(2)、N个本地交换网(3)和M×N×(M+N)条第三光波导(4)，M≥2，N≥2，M×N个超级节点(1)分为N组，每组M个，第n组中的第m个超级节点(1)表示为Sn,m，1≤n≤N，1≤m≤M；所述超级节点(1)包括交叉开关(11)和与其相连的M个计算节点(12)、两个光调制器(13)和M+N‑2个光解调器(14)；所述交叉开关(11)，用于实现计算节点(12)、光调制器(13)和光解调器(14)间广播信息的交换；所述计算节点(12)，用于产生、发送和接收广播信息；所述光调制器(13)，用于将数据位宽为B的电信号转换为数据位宽为1的光信号；所述光解调器(14)，用于将数据位宽为1的光信号转化为数据位宽为B的电信号，B>1；所述全局交换网(2)包括N个第一微环功率分配器(21)；所述第一微环功率分配器(21)包括第一主传输光波导(211)、N‑1个第一微环谐振器(212)和N‑1个第一辅助传输光波导(213)；所述第一主传输光波导(211)，用于将光调制器(13)发出的数据位宽为1的光信号耦合进第一微环谐振器(212)，所述第一辅助传输光波导(213)，用于将第一微环谐振器(212)耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器(14)；所述本地交换网(3)包括M个第二微环功率分配器(31)；所述第二微环功率分配器(31)包括第二主传输光波导(311)、M‑1个第二微环谐振器(312)和M‑1个第二辅助传输光波导(313)；所述第二主传输光波导(311)，用于将光调制器(13)发出的数据位宽为1的光信号耦合进第二微环谐振器(312)，所述第二辅助传输光波导(313)，用于将第二微环谐振器(312)耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器(14)；所述Sn,m包括的两个光调制器(13)中的一个与第n个本地交换网(3)中一个第二主传输光波导(311)通过一条第三波导(4)连接，另一个与第m个全局交换网(2)中一个第一主传输光波导(211)通过一条第三波导(4)连接；所述Sn,m包括的M+N‑2个光解调器(14)中的M‑1个各与第n个本地交换网(3)中的一个第二辅助传输光波导(313)通过一条第三波导(4)连接，另N‑1个各与第m个全局交换网(2)中的一个第一辅助传输光波导(213)通过一条第三波导(4)连接；每一条第三波导(4)仅被使用一次。...

【技术特征摘要】
1.一种基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，包括M×N个超级节点(1)、M个全局交换网(2)、N个本地交换网(3)和M×N×(M+N)条第三光波导(4)，M≥2，N≥2，M×N个超级节点(1)分为N组，每组M个，第n组中的第m个超级节点(1)表示为Sn,m，1≤n≤N，1≤m≤M；所述超级节点(1)包括交叉开关(11)和与其相连的M个计算节点(12)、两个光调制器(13)和M+N-2个光解调器(14)；所述交叉开关(11)，用于实现计算节点(12)、光调制器(13)和光解调器(14)间广播信息的交换；所述计算节点(12)，用于产生、发送和接收广播信息；所述光调制器(13)，用于将数据位宽为B的电信号转换为数据位宽为1的光信号；所述光解调器(14)，用于将数据位宽为1的光信号转化为数据位宽为B的电信号，B&gt;1；所述全局交换网(2)包括N个第一微环功率分配器(21)；所述第一微环功率分配器(21)包括第一主传输光波导(211)、N-1个第一微环谐振器(212)和N-1个第一辅助传输光波导(213)；所述第一主传输光波导(211)，用于将光调制器(13)发出的数据位宽为1的光信号耦合进第一微环谐振器(212)，所述第一辅助传输光波导(213)，用于将第一微环谐振器(212)耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器(14)；所述本地交换网(3)包括M个第二微环功率分配器(31)；所述第二微环功率分配器(31)包括第二主传输光波导(311)、M-1个第二微环谐振器(312)和M-1个第二辅助传输光波导(313)；所述第二主传输光波导(311)，用于将光调制器(13)发出的数据位宽为1的光信号耦合进第二微环谐振器(312)，所述第二辅助传输光波导(313)，用于将第二微环谐振器(312)耦合进的数据位宽为1的光信号发送至光解调器(14)；所述Sn,m包括的两个光调制器(13)中的一个与第n个本地交换网(3)中一个第二主传输光波导(311)通过一条第三波导(4)连接，另一个与第m个全局交换网(2)中一个第一主传输光波导(211)通过一条第三波导(4)连接；所述Sn,m包括的M+N-2个光解调器(14)中的M-1个各与第n个本地交换网(3)中的一个第二辅助传输光波导(313)通过一条第三波导(4)连接，另N-1个各与第m个全局交换网(2)中的一个第一辅助传输光波导(213)通过一条第三波导(4)连接；每一条第三波导(4)仅被使用一次。2.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述第一主传输光波导(211)与各第一辅助传输光波导(213)平行或垂直，且该第一主传输光波导(211)与各第一微环谐振器(212)的间距不同；所述N-1个第一微环谐振器(212)与各自耦合的第一辅助传输光波导(213)的间距相同，N≥2；所述各第一微环谐振器(212)半径相同；所述第一辅助传输光波导(213)传输的数据位宽为1的光信号的功率为第一主传输光波导(211)传输的数据位宽为1的光信号的功率的3.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述第二主传输光波导(311)与各第二辅助传输光波导(313)平行或垂直，且该第二主传输光波导(311)与各第二微环谐振器(312)的间距不同；所述M-1个第二微环谐振器(312)与各自耦合的第二辅助传输光波导(313)的间距相同，M≥2；所述各第二微环谐振器(312)半径相同；所述第二辅助传输光波导(313)传输的数据位宽为1的光信号的功率为第二主传输光波导(311)传输的数据位宽为1的光信号的功率的4.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述计算节点(12)，包括广播信息生成和处理模块(121)，以及与广播信息生成模块(121)连接的广播信息发送模块(122)和广播信息接收模块(123)，其中：所述广播信息生成和处理模块(121)，用于产生广播信息，处理广播信息；所述广播信息发送模块(122)，用于发送广播信息；所述广播信息接收模块(123)，用于接收广播信息。5.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述交叉开关(11)，包括信息交换模块(111)、信息处理模块(112)、控制模块(113)、数据位宽均为B的M+2个输出端口(114)和数据位宽均为B的2M+N-2个输入端口(115)，B&gt;1，N≥2，M≥2，其中：所述信息交换模块(111)用于将电信号从输入端口(115)发送至输出端口(114)；所述信息处理模块(112)用于对输入端口中广播信息中添加标记，或复制输入端口中的广播信息，并在复制后广播信息中添加标记，所添加的标记为全局标记或本地标记；所述控制模块(113)用于判断广播信息的输出端口；所述M+2个输出端口(114)，其中M个输出端口(114)用于各向所在超级节点(1)中一个计算节点(12)发送广播信息，其余两个输出端口(114)用于各向所在超级节点(1)中一个光调制器(13)发送广播信息；所述2M+N-2个输入端口(115)，其中M个输入端口(115)用于各接收所在超级节点(1)中一个计算节点(12)的广播信息，其余M+N-2输入端口(115)用于各接收所在超级节点(1)中一个光解调器(14)的广播信息。6.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述光调制器(13)包括依次连接的序列化模块(131)、电光控制电路(132)和第三微环谐振器(133)，以及与第三微环谐振器(133)耦合的第一波导(134)，所述第一波导(134)的输入端连接有激光源(135)，该第一波导(134)的输出端作为光调制器(13)的输出，其中：所述序列化模块(131)，用于将数据位宽为B的电信号转换为数据位宽为1的电信号；所述电光控制电路(132)，用于将数据位宽为1的电信号转换为控制信号；所述第三微环谐振器(133)，根据电光控制电路(132)产生的控制信号用于将光波调制为数据位宽为1的光信号；所述第一波导(134)，用于向全局交换网或本地交换网注入数据位宽为1的光信号；所述激光源(135)，用于向第一波导(134)中注入光波。7.根据权利要求1所述基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构，其特征在于，所述光解调器(14)包括依次连接的解序列化模块(141)，光电控制电路(142)和参锗微环谐振器(143)，以及与参锗微环谐振器(143)耦合的第二波导(144)，该第二波导(144)的一端作为光解调器(14)的输入，其中：所述解序列化模块(141)，用于将数据位宽为1的电信号转换为数据位宽为B的电信号；所述光电控制电路(142)，用于将参锗微环谐振器(143)产生的未整形的电信号转变为数据位宽为1的电信号；所述参锗微环谐振器(143)将数据位宽为1的光信号转变为未整形的电信号；所述第二波导(144)，用于接收全局...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾华玺，王康，杨银堂，王琨，王玥，
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