一种光学输入输出芯片及分布式计算系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学输入输出芯片及分布式计算系统，包括：输出子芯片，包括第一光处理模块，用于使光源提供的光形成

【技术实现步骤摘要】
一种光学输入输出芯片及分布式计算系统


[0001]本专利技术涉及光电子
，尤其涉及一种基于模分复用和
/
或波分复用的新型光学高速输入输出芯片及使用该芯片的分布式计算系统
。

技术介绍

[0002]高速输入
/
输出（
Input/Output
，简称
I/O
）在计算机和通信系统中用于快速传输数据的各种技术和接口，旨在提供更高的数据传输速率
、
更低的延迟和更大的带宽，以满足现代计算和通信需求
。
高速输入
/
输出技术在超级计算
、
人工智能
、
大数据处理
、
高性能计算
、
云计算
、
高速通信
、
虚拟现实等领域发挥着重要作用，这些应用对于高速输入
/
输出的带宽
、
功能等提出更高需求，而传统电学高速输入
/
输出（
Electrical I/O
）技术面临许多瓶颈，无法持续满足其需求
。
[0003]光学高速输入
/
输出（
Optical I/O
）技术的出现为解决这个问题提供了潜力
。
光学高速输入
/
输出是通过大带宽
、
高密度光接口解决交换机芯片
、CPU、GPU
等大容量芯片的
I/O
>端口散出的一系列技术，解决这些芯片之间的互联问题 （
chip to chip interconnect
）
。
相对于当前成熟的电学高速输入
/
输出技术，光学高速输入
/
输出有望提供百倍以上的通道密度，每个通道可以提供百倍以上的带宽，同时具备低功耗
、
低延迟等优势
。
例如，在新一代人工智能（
AI
）和高性能计算（
HPC
）等应用中，需要用到分布式计算系统架构和计算资源的池化技术，各个计算资源芯片（
CPUs
，
GPUs
， FPGAs
，
ASICs
等）之间的高速互联就需要用到这种光学高速输入
/
输出的方案
。
图1为现有的一种光学高速输入
/
输出的应用示意简图，其中
XPU
指的是包括
CPUs
，
GPUs
，
FPGAs
，
ASICs
等的各个计算资源芯片，
Optical I/O
指的是光学高速输入
/
输出芯片，两个计算单元之间以连接在各自的光学高速输入
/
输出芯片上的光纤进行连接，实现两个计算资源芯片之间的高速互联
。
[0004]当前的光学高速输入
/
输出技术，是以波分复用（
Wavelength division multiplexing
，简称
WDM
）为主要方案，即通过多个波长来共同承载高数据量互联
。
例如，当方案中使用8个波长，每个波长承载
32Gbit/s
的数据，则可以总共承载8×
32Gbit/s = 256Gbit/s
的数据
。
随着未来对更高速率通信的需求的日益增长，仅通过持续增加波长数目来增加总带宽的方案受到极限挑战，且不断增加的波长数据对光源的要求更高，成本更高
。
因此，亟需一种新型方案来解决这个问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光学输入输出芯片及分布式计算系统
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供一种光学输入输出芯片，包括：输出子芯片和输入子芯片；所述输出子芯片包括第一光处理模块，用于使光源提供的含有
M
个波长的光形成
N
个第一光分支，并采用波分复用技术和模分复用技术，使每个第一光分支中的光按
M
个波长
区分进一步形成
M
个第一子光分支，并进行逐一调制，再使经调制后的所述
N
个第一光分支的光形成含有
N
个不同模式的第二光分支，并以第一偏振态输出，进入光传输媒介；其中，
M≧1
，
N≧1
；所述输入子芯片包括第二光处理模块，用于使由所述输出子芯片输出经光传输媒介传输至的含有所述
N
个不同模式的第二光分支形成
N
个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由所述第一偏振态在光传输媒介传输过程中旋转变为不同的第二偏振态的部分光分离后再次形成所述第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的剩余的所述第一偏振态的光在分别按
M
个波长区分形成
M
个第二子光分支后，进行一一对应地合并以解调
。
[0007]进一步地，所述第一光处理模块包括分光器
、
第一波分解复用器
、
调制器
、
波分复用器和模分复用器，所述分光器用于将所述光源输出的光分成所述
N
个第一光分支，每个第一光分支中的
M
个波长的光被一个所述第一波分解复用器分成所述
M
个第一子光分支，每个第一子光分支中的单一波长的光各自经过一个所述调制器被加载上高速电信号，即被调制，然后又经由一个所述波分复用器将
M
个被调制后的各个单一波长的光合并为一路，最终所述
N
个第一光分支中的光经过一个所述模分复用器合并为一路，这个过程中所述模分复用器将所述
N
个第一光分支中的光转换成为含有所述
N
个不同模式的第二光分支，最后，这些加载了高速电信号的
M
个波长
、N
个不同模式的光在所述输出子芯片的输出端以第一偏振态通过一个作为光传输媒介的多模光纤被传送到设于另一个光学输入输出芯片或同一个光学输入输出芯片上的所述输入子芯片的输入端，在多模光纤中传送的第一偏振态的光因发生旋转，在传到所述输入端时，一部分光会呈现第一偏振态，而另一部分光会呈现第二偏振态；所述第二光处理模块包括模分解复用器
、
偏振分离旋转器
、
第二波分解复用器和探测器，由所述输入端输入的含有第一偏振态和第二偏振态的
N
个不同模式的光，经过一个所述模分解复用器和偏振分离旋转器，将
N
个不同模式和两个不同偏振态的光分开并转换，其中，所述模分解复用器将含有...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光学输入输出芯片，其特征在于，包括：输出子芯片和输入子芯片；所述输出子芯片包括第一光处理模块，用于使光源提供的含有
M
个波长的光形成
N
个第一光分支，并采用波分复用技术和模分复用技术，使每个第一光分支中的光按
M
个波长区分进一步形成
M
个第一子光分支，并进行逐一调制，再使经调制后的所述
N
个第一光分支的光形成含有
N
个不同模式的第二光分支，并以第一偏振态输出，进入光传输媒介；其中，
M≧1
，
N≧1
；所述输入子芯片包括第二光处理模块，用于使由所述输出子芯片输出经光传输媒介传输至的含有所述
N
个不同模式的第二光分支形成
N
个同一模式的第三光分支，并使每个第三光分支中由所述第一偏振态在光传输媒介传输过程中旋转变为不同的第二偏振态的部分光分离后再次形成所述第一偏振态，且与原所在的第三光分支中未发生旋转的剩余的所述第一偏振态的光在分别按
M
个波长区分形成
M
个第二子光分支后，进行一一对应地合并以解调
。2.
根据权利要求1所述的光学输入输出芯片，其特征在于，所述第一光处理模块包括分光器
、
第一波分解复用器
、
调制器
、
波分复用器和模分复用器，所述分光器用于将所述光源输出的光分成所述
N
个第一光分支，每个第一光分支中的
M
个波长的光被一个所述第一波分解复用器分成所述
M
个第一子光分支，每个第一子光分支中的单一波长的光各自经过一个所述调制器被加载上高速电信号，即被调制，然后又经由一个所述波分复用器将
M
个被调制后的各个单一波长的光合并为一路，最终所述
N
个第一光分支中的光经过一个所述模分复用器合并为一路，这个过程中所述模分复用器将所述
N
个第一光分支中的光转换成为含有所述
N
个不同模式的第二光分支，最后，这些加载了高速电信号的
M
个波长
、N
个不同模式的光在所述输出子芯片的输出端以第一偏振态通过一个作为光传输媒介的多模光纤被传送到设于另一个光学输入输出芯片或同一个光学输入输出芯片上的所述输入子芯片的输入端，在多模光纤中传送的第一偏振态的光因发生旋转，在传到所述输入端时，一部分光会呈现第一偏振态，而另一部分光会呈现第二偏振态；所述第二光处理模块包括模分解复用器
、
偏振分离旋转器
、
第二波分解复用器和探测器，由所述输入端输入的含有第一偏振态和第二偏振态的
N
个不同模式的光，经过一个所述模分解复用器和偏振分离旋转器，将
N
个不同模式和两个不同偏振态的光分开并转换，其中，所述模分解复用器将含有
N
个不同模式的第二光分支都转换为同一模式的第三光分支，所述偏振分离旋转器将每个第三光分支中的第二偏振态的光与第一偏振态的光分开，并将其再转为第一偏振态，使得分开成两路后的第三光分支总共有
2N
个，与原本所在的第三光分支对应的原本为第一偏振态的光和由第二偏振态被再转为第一偏振态的光被安排为一组，并分别经由一个所述第二波分解复用器，将各自含有的
M
个波长的光再次分为
M
个第二子光分支，并形成
M
个第二子光分支对，且每个第二子光分支对中的两个波长相同的光进入同一个所述探测器的两端，被合并在一起，解调为高速电信号
。3.
根据权利要求2所述的光学输入输出芯片，其特征在于，当所述调制器为微环调制器
、
微盘调制器
、
光子晶体调制器或布拉格光栅调制器时，所述调制器还同时复用为第一波分解复用器和波分复用器；和
/
或，所述第二波分解复用器通过微环调制器
、
微盘调制器
、
光子晶体调制器或布拉格光栅调制器形成
。4.
根据权利要求2所述的光学输入输出芯片，其特征在于，当
N=1
时，另一种实现方式
是：不设置所述分光器
、
所述模分复用器和所述模分解复用器，并且，所述多模光纤替换为单模光纤，所述光源输出的光被直接输入唯一的一个所述第一波分解复用器，并由唯一的一个所述波分复用器输出后，通过所述输出子芯片的输出端经所述单模光纤传送到设于另一个光学输入输出芯片或同一个光学输入输出芯片上的所述输入子芯片的输入端，且直接进入所述偏振分离旋转器
。5.
根据权利要求2所述的光学输入输出芯片，其特征在于，当
M=1
时，另一种实现方式是：不设置所述第一波分解复用器
、
所述波分复用器和所述第二波分解复用器，由所述分光器分出的所述
N
个第一光分支各自直接经过一个所述调制器调制后，直接进入所述模分复用器进行模式转换，经所述模分解复用器和所述偏振分离旋转器转换形成的每一组第三光分支中仅有的两个相同波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：张星宇，
申请(专利权)人：赛丽科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：