專利名稱：用快速競爭解決設(shè)計的快速切換可升級光互連的制作方法
相關(guān)申請交叉引用本申請要求獲得美國臨時專利申請?zhí)?0/431063的35U.S.C.§119(e)下的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時專利的申請日期為2002年12月4日。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及高帶寬，高速光學(xué)互連系統(tǒng)，并特別地涉及快速切換或光信號包切換的光通信或互連系統(tǒng)，具有快速，有效競爭解決。
背景技術(shù)：
因為通信和互連系統(tǒng)的能力和靈活性的增加，電子元件的能力受到了挑戰(zhàn)。隨比特率的日益增加，功耗，阻抗，和交擾的管理變得明顯地困難。許多并行的電子處理器能處理高比特率，但隨著互連或網(wǎng)絡(luò)性能的日益增加，作為整體，合成電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，及并行處理器和支承裝置的功耗變得難以管理。同樣，在具有高度互連的高比特率的高度并行系統(tǒng)中，競爭解決或時序安排變成了瓶頸問題。
光學(xué)互連和通信系統(tǒng)提供實現(xiàn)更高級的性能的能力結(jié)構(gòu)簡單和低邏輯復(fù)雜性，低功耗，并導(dǎo)致更高可靠性。特別在管理信號流中，例如高并行超級計算機(jī)的互連并行處理結(jié)構(gòu)所需的，高速切換光學(xué)互連對電子互連及對電子切換光學(xué)互連是更可取的。然而，即使在光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，因為節(jié)點數(shù)量和支持的數(shù)據(jù)速率的增加，競爭解決或信息或信息包流的次序及有效控制變成令人畏縮的任務(wù)。
發(fā)明簡述本發(fā)明提供一種光互連結(jié)構(gòu)，用于同步光互連或網(wǎng)絡(luò)，即以最高數(shù)據(jù)速率能高度地可升級許多端口。該可升級性(scalibility)重要地涉及能影響競爭解決或數(shù)據(jù)流經(jīng)過互連的時序控制的體系結(jié)構(gòu)。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種可升級(scalable)光互連，所述光互連包括多個發(fā)送器；多路復(fù)用子系統(tǒng)，構(gòu)成或配置成能依據(jù)正交多路復(fù)用方案，能將多個發(fā)送器的信號組合進(jìn)一條或多條傳輸光纖；寬帶突發(fā)模式接收機(jī)，構(gòu)成或配置成以能從多個發(fā)送器中的任何一個發(fā)送器接收任何信號；分布子系統(tǒng)，構(gòu)成和配置成能獨立地和同時地將每個發(fā)送器的信號分布給每個接收機(jī)；及一個或多個選擇子系統(tǒng)，構(gòu)成和配置成能在小于1微秒內(nèi)從正交多路復(fù)用方案內(nèi)選擇單個通道。
依據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種可升級光互連，在沿所述有的至少兩正交切換維，以小于1微秒的切換速度，能進(jìn)行透明光切換。希望地，但不是必需，這些至少兩個維度包括間隙和波長。
依據(jù)本發(fā)明的又一方面，可升級光互連包括多個本地發(fā)送器；比特時鐘，給多個發(fā)送器提供比特時鐘信號；10納秒開關(guān)或更快的開關(guān)，用于在所述多個發(fā)送器內(nèi)進(jìn)行選擇；及突發(fā)模式接收機(jī)，構(gòu)成及配置成經(jīng)過所述開關(guān)，從所述本地發(fā)送器接收突發(fā)數(shù)據(jù)(burst of data)，由此，突發(fā)模式接收機(jī)僅需要獲取與每個突發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)的比特相位，而不是比特頻率，不同時獲取比特頻率和比特相位。
依據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種分布可升級競爭解決和資源安排子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括多個輸入控制通道；多個輸出控制通道；分布在一個或多個處理器上的多個邏輯處理，所述邏輯處理的第一處理，專用于解決來自發(fā)送器的信號中的競爭，所述信號競爭第一子集共享資源；所述邏輯處理的第二處理，專用于部分地依據(jù)來自所述第一處理的輸出，解決來自發(fā)送器的信號的競爭，所述信號競爭光互連內(nèi)的第二子集共享資源，并其中，所述第一子集和第二子集是單獨多路復(fù)用和選擇的。
依據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種在光互連內(nèi)競爭解決和資源安排的方法，所述方法包括步驟解決來自發(fā)送器的信號的競爭，所述信號競爭互連內(nèi)的第一子集共享資源；部分地依據(jù)解決來自發(fā)送器的信號的競爭的結(jié)果(所述信號競爭第一子集共享資源)，來解決來自發(fā)送器的信號的競爭，所述信號競爭光互連內(nèi)的第二子集共享資源，其中所述第一子集和所述第二子集是單獨多路復(fù)用并可選擇的。
在下面的詳細(xì)描述中將闡明本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點，并且那些技術(shù)熟練人員將從描述中容易明白或通過實現(xiàn)按這里描述的本發(fā)明將認(rèn)識到，包括下面的詳述，權(quán)利要求性，以及附圖。
應(yīng)當(dāng)明白本發(fā)明實施例前述的一般描述和下面的本發(fā)明實施例的詳細(xì)描述都旨在提供一種概觀或結(jié)構(gòu)，用于理解本發(fā)明的性質(zhì)和特性，如根據(jù)權(quán)利要求的。附圖旨在提供進(jìn)一步地理解本發(fā)明，并入并構(gòu)成本說明的一部分。附圖與本說明一起描述本發(fā)明的各種實施例，用于解釋本發(fā)明的原理和操作。
附圖簡述

圖1是依據(jù)本發(fā)明光互連的一個實施例的原理框圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明光互連的另一個實施例的原理圖；圖3是原理圖，示出一部分圖1實施例的更詳細(xì)實施例；圖4是原理圖，示出一部分圖1實施例的更詳細(xì)實施例；圖5是依據(jù)本發(fā)明分布子系統(tǒng)的一個實施例的原理圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明分布子系統(tǒng)的另一個實施例的原理圖；圖7是依據(jù)本發(fā)明分布子系統(tǒng)的又一個實施例的原理圖；圖8是依據(jù)本發(fā)明陣列放大器模塊的一個實施例的原理圖；圖9是依據(jù)本發(fā)明陣列放大器模塊的另一個實施例的原理圖；圖10是依據(jù)本發(fā)明空間選擇器的一個實施例的原理圖；圖11是依據(jù)本發(fā)明另一個空間選擇器的一個實施例的原理圖；圖12是依據(jù)本發(fā)明波長選擇器的一個實施例的原理圖；圖13是依據(jù)本發(fā)明另一波長選擇器的一個實施例的原理圖14是依據(jù)本發(fā)明又一波長選擇器的一個實施例的原理圖；圖15是依據(jù)本發(fā)明又一波長選擇器的一個實施例的原理圖；圖16是依據(jù)本發(fā)明又一波長選擇器的一個實施例的原理圖；圖17是依據(jù)本發(fā)明又一波長選擇器的一個實施例的原理圖；圖18是利用波帶的選擇腳的一個實施例的原理圖；圖19是利用波帶的選擇腳的另一個實施例的原理圖；圖20是利用波帶的一個選擇腳的又一個實施例的原理圖；圖21是依據(jù)本發(fā)明實施例的多級正交光互連的原理圖；圖22是依據(jù)本發(fā)明實施例的分布競爭解決處理和處理器的原理圖；圖23是依據(jù)本發(fā)明實施例，由圖22的所述分布競爭解決處理和處理器執(zhí)行的處理框圖。
較佳實施例詳述本發(fā)明為可升級快速切換(最小等待時間的信號包切換)光互連提供一種實用的堅固結(jié)構(gòu)，及用于在這樣互連內(nèi)快速，可升級競爭解決的裝置和方法。這里所用的“互連接”或“互連”不限制于特定距離或地形，但本發(fā)明的互連是最佳的并打算同步操作，并能以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行光學(xué)信號包發(fā)送。
在下面連同附圖描述的本發(fā)明較佳實施例中，只要在整個附圖中涉及相同的或相似的部件，將使用相同的參考數(shù)字。
在本發(fā)明類型的開關(guān)結(jié)構(gòu)和方法中的基本統(tǒng)一原理是在多路正交域中使用多路復(fù)用和高速切換。在最低層次，使用兩個維度，希望的空間(波導(dǎo)或光纖)及波長。使用M光纖和N波長的兩個維度，M×N個信息發(fā)送器(“數(shù)據(jù)源”)和M×N個信息接收器(“接收裝置”)能按不阻塞方式進(jìn)行互連。在這樣的兩個維度中，光纖和波長多路復(fù)用互連，光纖的切換功能或“選擇性”能位于數(shù)據(jù)源附近或接收裝置附近，并且波長的選擇性也可位于數(shù)據(jù)源附近或接收裝置附近，如下面的例子描述的。
圖1示出兩個維度(光纖-波長)互連10的圖示，在本發(fā)明的上下文中是有用的，在這兩個維度互連中，光纖選擇性和波長選擇性都位于接收裝置側(cè)，如與數(shù)據(jù)源側(cè)相反?？侻條傳輸光纖12(在圖中M＝8)用于發(fā)送來自多個數(shù)據(jù)源的信息，在圖中由調(diào)制器陣列14表示。由光纖陣列15中的光纖將未調(diào)制光饋送給調(diào)制器陣列14內(nèi)的每個調(diào)制器。每個調(diào)制器賦給N種顏色中的一種(在圖中N＝8)，由數(shù)據(jù)源光纖陣列15的各自相關(guān)光纖將每種顏色攜帶給各自的調(diào)制器，在圖中由基準(zhǔn)字符13表示不同顏色行。由多路復(fù)用器20中的一個將每個調(diào)制器賦給(multiplexed on)傳輸光纖12中的一條光纖。這樣，如圖中所示的，調(diào)制器陣列14和饋送光纖陣列15是8×8陣列，這個陣列是由圖中方向16表示的顏色(波長)和圖中方向18表示的光纖(相應(yīng)于光纖12)多路復(fù)用。這樣，每個數(shù)據(jù)源通過它相應(yīng)的調(diào)制器，賦予唯一的光纖-波長座標(biāo)對。這樣，接互連的接收裝置或接收側(cè)上選擇腳的任務(wù)，如下面描述的，是能為每個選擇腳選擇任意時刻上的光纖-波長坐標(biāo)的任何一個，獨立于任何其他接收裝置。
調(diào)制器陣列14的調(diào)制器可替代地是自含數(shù)據(jù)源，例如自含激光加調(diào)制器裝置，或直接調(diào)制的激光器。在調(diào)制器是在數(shù)據(jù)源外部的情況中，希望在互連控制系統(tǒng)或與數(shù)據(jù)源相關(guān)的本地節(jié)點的控制下，允許靈活地改變某一給定數(shù)據(jù)源的顏色。外部調(diào)制器一般也能比直接調(diào)制執(zhí)行的更好，即更快，并且具有較小的線性調(diào)制脈沖或其他非線性特性。
如需要，來自調(diào)制器陣列14的調(diào)制器的光纖-顏色多路復(fù)用信號可隨意地由放大器22進(jìn)行放大，然后分流到8個不同的選擇腳30。對于選擇腳30中的每條分別選擇腳，M個分接頭(tap)，每個分接頭來自光纖12的每一條，饋送給空間開關(guān)陣列24的各自空間開關(guān)?？臻g開關(guān)陣列24的各個空間開關(guān)從M條分接線中選擇導(dǎo)線來接收信號，并將信號傳遞給波長選擇器陣列26的各個波長選擇器。波長選擇器選擇在各自選擇腳30上接收的N波長中波長，。這樣，選擇腳30的每個選擇腳能從調(diào)制器陣列14的M×N個調(diào)制器中進(jìn)行選擇接收。
在圖1的實施例中，對于光纖12的每條光纖，未經(jīng)8個分接頭分流給8個選擇腳30的信號量經(jīng)放大器28的相應(yīng)放大器進(jìn)行放大，以給另8個選擇腳30A提供信號功率，另外，經(jīng)空間開關(guān)24A和波長選擇器26A選擇M×N光纖-波長坐標(biāo)中的任何一個。在由放大器28A進(jìn)一步放大后，光纖12上的信號遭遇到復(fù)制的選擇腳結(jié)構(gòu)，如圖中省略號表示的。希望地，提供超過圖中實際顯示的足夠量的附加選擇腳，以允許數(shù)據(jù)源和接收裝置的全部M×N結(jié)構(gòu)，每個接收裝置有一個選擇腳，希望地有兩個或多個選擇腳。
在圖1的實施例，及接著描述的圖2實施例中，沿N互連光纖12到選擇腳的信號分布方案是基本總線結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)當(dāng)注意，這遠(yuǎn)非僅是替代結(jié)構(gòu)。下面將描述用于將信號從N互連光纖12分布到選擇腳的其他結(jié)構(gòu)。
圖2示出替代的兩個維度(光纖-波長)互連10的圖，在圖中，光纖選擇性位于數(shù)據(jù)源側(cè)，而波長選擇性位于接收裝置側(cè)。利用總M條光纖12發(fā)送來自在圖中由調(diào)制器陣列14表示的M×N數(shù)據(jù)源的信息。由數(shù)據(jù)源光纖陣列15中的光纖將未調(diào)制的光饋送給調(diào)制器陣列14中的每個調(diào)制器。每個調(diào)制器賦予N種顏色中的一種顏色，每種顏色由數(shù)據(jù)源光纖陣列15中的各自相關(guān)光纖攜帶到各自調(diào)制器，在圖中由參考字符13表示不同顏色行。由M×N空間開關(guān)32的一個將來自每個調(diào)制器的信號選擇地發(fā)送給光纖12中選擇的一條光纖，M×N空間開關(guān)32中，總數(shù)為N。如圖中所示，調(diào)制器陣列14和數(shù)據(jù)源光纖陣列15是M×N陣列，這個M×N陣列由圖中方向16表示的顏色(波長)，及圖中方向18表示的光纖多路復(fù)用。與圖1結(jié)構(gòu)的不同之處實際上在于數(shù)據(jù)源光纖陣列15的光纖未按某一固定圖案映射到M光纖12，但每條選擇地沿方向18的一維地發(fā)送給M光纖12中選擇的一條。這樣，每個數(shù)據(jù)源，經(jīng)過它相應(yīng)的調(diào)制器，賦予唯一波長，但在數(shù)據(jù)源側(cè)發(fā)送給一條選擇光纖。這樣，該互連的接收裝置或接收側(cè)的任務(wù)是在每個選擇腳上能隨時地選擇任何一種波長，獨立于任何其他選擇腳。
來自調(diào)制器陣列14的調(diào)制器的光纖發(fā)送的和顏色多路復(fù)用的信號經(jīng)放大器22放大，然后分流到8個8路分路器34。8條分路通路中的每條通路能將所有波長攜帶給波長選擇器陣列26中的各自波長選擇器。這樣每個接收裝置位于特定光纖地址。給每個數(shù)據(jù)源賦予某一特定顏色，而相關(guān)的空間開關(guān)32選擇能傳送來自數(shù)據(jù)源的信號的光纖12的光纖。對于每個接收裝置，波長選擇器26的各自波長選擇器選擇要接收的波長。這樣，64個總接收裝置中的每一個能有效地選擇接收來自調(diào)制器陣列14的64個調(diào)制器的任何信號。
讀者將認(rèn)識替代實施例可具有數(shù)據(jù)源側(cè)的波長選擇性，和接收裝置側(cè)的光纖選擇性，或數(shù)據(jù)源側(cè)的波長和光纖選擇性，在接收裝置側(cè)僅使用無源單波長接收器。
更重要地，這些類型的結(jié)構(gòu)能擴(kuò)展到多于兩正交維。例如，波長，空間，和時間域能正交地用于進(jìn)一步多路復(fù)用。極化，特別地兩個維度極化方式，例如在單模極化維持光纖中，同樣能用作為另一正交維，用于進(jìn)一步多路復(fù)用。有趣地，如下面更詳細(xì)解釋的，波長域能細(xì)分成該頻帶內(nèi)的波帶和波長通道，并且波帶和波長通道兩者在互連內(nèi)起著單獨的正交維的作用。的確，如下面解釋的，在時間域上，在本發(fā)明的互連中，較佳地使用至少3正交維。
在圖21中原理性表示出類似于上面圖1的一種互連，但歸納為4正交維(four orthogonal dimension)。在圖左側(cè)是發(fā)送多路復(fù)用器，在隨后各級中，這些發(fā)送多路復(fù)用器將數(shù)據(jù)通道組合覆蓋在維1，2，3上的，例如有可能表示波長，波段，及極化，或作為又一個例子，表示波長，窄空間波段，及寬空間波段。然后第一個3維在空間維上進(jìn)行多路復(fù)用(如果希望多于一個空間維(one spacedimension))，完成該多路復(fù)用。然后這些多路復(fù)用信號經(jīng)廣播網(wǎng)絡(luò)(基本上是全通分路器(splitter))單獨地分布給所述有選擇器(或選擇腳)。每個選擇腳包括，希望首先按次序，空間選擇器，所述空間選擇器選擇某一給定空間維的全部內(nèi)部，并將所述內(nèi)容傳送給選擇腳的剩余部分。然后，選擇器功能3，2，和1繼續(xù)從剩余內(nèi)容中淘汰選擇(down-selection)到單個通道，直到希望的內(nèi)容都維持在那腳上為止。每個選擇腳能選擇獨立于所有其他選擇腳的內(nèi)容。
目前最佳的是圖1類型的結(jié)構(gòu)，其中，在互連的接收裝置側(cè)實現(xiàn)所有選擇性。這便利于對高速信息包傳送切換的及時控制，并潛在地允許無限制地多點傳送。在下面表1中示出用具有每秒40G比特流的節(jié)點數(shù)可實現(xiàn)的升級。
表1---節(jié)點數(shù)
如讀者將認(rèn)識到如果可接受每接收裝置低比特率時，時間域的多種復(fù)用能明顯地倍增表I的節(jié)點計數(shù)。例如，當(dāng)每個節(jié)點表示小量用戶的平均需求，能使用這種能力，所述小量用戶例如是人們的鄰居或CPU的本地網(wǎng)絡(luò)。
希望在圖1類型的互連中能應(yīng)用共享的連續(xù)波(“CW”)WDM數(shù)據(jù)源陣列，饋送給圖1的光纖陣列15。圖3的圖示出圖1互連的數(shù)據(jù)源側(cè)更詳細(xì)節(jié)，包括連續(xù)波WDM數(shù)據(jù)源陣列36。對陣列36希望是商用分布反饋激光器(“DFB”激光器)。這些數(shù)據(jù)源提供高質(zhì)量的CW光，所述高質(zhì)量CW光是由數(shù)據(jù)源分布光纖38從陣列36攜帶的，并經(jīng)分接頭傳送給光纖陣列15的光纖。在特定大型(large-scale)實施例中如果希望在分布光纖36內(nèi)維持適當(dāng)功率，可使用陣式單通道放大器模塊40。每條光纖的數(shù)據(jù)源能聚合成多數(shù)據(jù)源模塊42，每個模塊42包括調(diào)制器14，用于光纖12的各條光纖；及多路復(fù)用器(或組合器)20。較佳地，波長多路復(fù)用器位于希望具有最高性能的位置，因為多路復(fù)用器起著能濾去來自調(diào)制器14和其他數(shù)據(jù)源的任何帶外噪聲。數(shù)據(jù)源44(僅為一個數(shù)據(jù)源模塊示出)饋送給調(diào)制器14，所述調(diào)制器14愿望地是高速電吸收(“EA”)調(diào)制器，或高速電-光(“EO”)調(diào)制器。激光源陣列36，經(jīng)過典型的熱-電穩(wěn)定，與相當(dāng)?shù)凸β蔈A模塊14保持空間地和熱隔離，使積聚在調(diào)制器及調(diào)制器附近的潛在熱能減少到最小。
又如圖3所示，帶外發(fā)送的數(shù)據(jù)可由光信號源46加到互連光纖12上。由陣列多通道放大器模塊48在光纖12上維持適合的功率電平。
圖4示出圖1互連的接收裝置側(cè)的更詳細(xì)節(jié)。如圖4所示，多通道放大器模塊，例如多通道放大器模塊48可在互連的接收裝置側(cè)內(nèi)按所需的空間重復(fù)放置，以在互連光纖12上保持適合的功率電平。發(fā)送數(shù)據(jù)可光學(xué)復(fù)制(例如經(jīng)波長選擇分接頭)，并經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)接收器陣列50可從每條總線光纖中接收。
圖5-7示出三種替代示范性分布子系統(tǒng)，有用于將來自數(shù)據(jù)源分布光纖38的顏色源分布到數(shù)據(jù)源光纖15(如圖3所示)，并有用于將來自互連光纖12(如圖3所示)的調(diào)制信號分布到選擇腳30(如圖1和4所示)。僅在高節(jié)點刻度(scale)需要放大版本(version)，并可使用如上面參考圖3和4討論的放大器模塊，而不是單個放大器。為了簡化討論，在圖5-7中，在披露的分布子系統(tǒng)配置中示出帶有單放大器的一條單光纖(或帶有單個放大器)。應(yīng)當(dāng)明白，圖5-7所示的放大器可代表放大器模塊的相應(yīng)部分，例如，圖3和4所示的那些。
對于顏色數(shù)據(jù)源的分布，所需的分接頭數(shù)一般等于N，互連的波長域中的波長數(shù)(每條互連光纖的波長數(shù))。(調(diào)制信號分布所需或希望的分接頭數(shù)通常相當(dāng)高)圖5示出在由放大器54放大之后的一連串N個總分接頭52。那么，從左到右的分接率應(yīng)當(dāng)是1∶N，1∶(N-1)，1∶(N-2)，1∶(N-4)，…4∶1，3∶1，2∶1和最后的1∶1。圖6示出一個1∶8星形分接在該1∶8星形分接中，有7個分支和本地分接頭52，并且分支中的一個經(jīng)放大器54放大，用于進(jìn)一步分接。圖7示出均勻損耗放大的星形分接，帶有位于任何分裂和分布之前的放大器54，如需要遍及該星形的分支。這種類型的分接方案可用于達(dá)到最高性能和最大可升級性(scalability)，并在互連的接收裝置或接收器側(cè)特別有用，在這里通常希望相當(dāng)高的分接數(shù)。
在本發(fā)明的光互連中，為了最好地按比例擴(kuò)大到所需放大能力，放大器能力在可能的位置可共享，除非添加到便利共享的元件費(fèi)用高于放大器費(fèi)用的減少。特別地，在使用陣列放大器模塊的位置，可用單個放大器56能實現(xiàn)圖3的陣列單通道放大器模塊40，該單放大器56由組合器或多路復(fù)用器58饋送，并跟著一個多路復(fù)用器60，如圖8圖解地示出，或跟著單通道放大器陣列62，如圖9所示。硅光學(xué)放大器(“SOAs”)可用作為或光纖放大器可用作為這些元件和圖3和4的陣列多通道放大器模塊48。
對于圖1的光學(xué)互連10內(nèi)的空間選擇(光纖選擇)開關(guān)24，多波長SOA基開關(guān)是目前較佳的技術(shù)。這個應(yīng)用的較佳技術(shù)的特征包括高速，穩(wěn)定運(yùn)行，低成本，集成性，及特別高的消光比(低交擾)和增益。替代裝置包括EO調(diào)制器，液晶或相控陣開關(guān)。SOA能夠電驅(qū)動或光驅(qū)動---電驅(qū)動達(dá)到100ps開關(guān)速率，而光驅(qū)動更快。在圖10和11中圖解地示出圖1的空間開關(guān)24的兩種替代配置。在圖10的空間開關(guān)24中，來自互連光纖12(圖1)的分接線66由2×1 SOA開關(guān)樹68進(jìn)行淘汰選擇(down-select)。在圖11的空間選擇開關(guān)24中，多路on-off的SOA多波長開關(guān)70選擇在分接線66上通過的輸入信號。On-off SOA跟著組合樹。雖然圖10的實施例保持最大的信號功率，圖11的實施例能最容易和最可靠地制造，而SOA的on-off開關(guān)提供若干增益，以補(bǔ)償星形耦合器的損耗。
對于圖1光互連10中的波長選擇開關(guān)26，有幾種可能的替代實施例，圖12-17中圖解地示出幾個這樣的實施例。圖12示出一種波長選擇開關(guān)26，含有靜態(tài)光多路分解器72和接收器陣列74。然后，電子2×1開關(guān)76樹電子地選擇希望信號。圖13示出波長開關(guān)26，含有快速可調(diào)多量子阱活性多腔濾波器(“MQW”濾波器)78，跟著一個單接收器80。在快速開關(guān)位于互連內(nèi)上游的地方，接收器80應(yīng)是突發(fā)模式接收器，即，能為比特判定快速地獲得數(shù)據(jù)時鐘頻率和相位的接收器。在互連內(nèi)的發(fā)送器共同位于本地環(huán)境內(nèi)的地方，它們是由相同比特率時鐘驅(qū)動的。這使接收器易于忍受必須獲取比特率和比特相位。在這種情況，接收器僅需要能獲得比特相位的一種功能，這種功能可比比特頻率和比特相位或甚至單獨地比比特頻率能更快地執(zhí)行，例如在最差情況下小于2納秒時間內(nèi)(180度比特相位偏差)。
圖14示出一種波長選擇開關(guān)26，含有靜態(tài)光多路分解器72，跟著光選擇器樹82和單接收器80。圖15示出一種波長選擇器26，含有一個扇出或星形分路器84，跟著固定波長濾波器陣列86，跟著on-off的SOA陣列，跟著扇入或組合器90和單接收器80。圖16示出一種波長選擇開關(guān)26，含有靜態(tài)光多路分解器72，跟著on-off的SOA陣列88，跟著扇入或組合器90和單接收器80。圖17示出一種波長選擇26，含有表態(tài)光多路分解器72，跟著on-off的SOA陣列88，跟著光多路復(fù)器92和單接收器80。應(yīng)用on-off的SOA陣列的實施例一方面的優(yōu)點在于，因為SOA裝置的內(nèi)部增益以及因為它們基本上使用恒定功率，因為通常SOA裝置中的一個，且僅一個總是接通，使功率和熱的管理可預(yù)知。同樣，可調(diào)諧濾波器，例如用在圖13實施例中所用的濾波器，即使當(dāng)切換到一個新頻率，它們能非?？斓赝顺霏h(huán)路或過沖，而SOA基的設(shè)計沒有類似的穩(wěn)定性問題。圖17的實施例的附加優(yōu)點是光多路復(fù)用器92有效地起作為一個濾波器，濾掉帶外噪聲，例如ASE噪聲，同時避免扇入或組合器內(nèi)的固有損失，并因此是目前較佳實施例。
波長選擇開關(guān)，例如圖12-17的實施例中所示的那些波長選擇開關(guān)也可配置成按波帶運(yùn)行，而不是單波長通道。至少兩個原因希望這樣做。
首先，在單獨節(jié)點需要大于某一給定波長通道可用帶寬的情況中，多通道合在一起作為通道塊或通道帶發(fā)送，并僅在每個各自節(jié)點的接收器陣列之前立即分配(divide out)。在圖18中圖解地描述這處理，圖18示出如圖17描述的波長選擇開關(guān)26，但由開關(guān)26選擇的8波長中的每個波長包括4通道帶的波長。開關(guān)26之后跟著光多路分解器94，起作分路該頻帶內(nèi)的4個通道，并將每個傳送給各自的接收器80。這樣，某一給定節(jié)點帶寬可為四倍，所有其他的都相同。多路分解器必須設(shè)計成無論它從開關(guān)26接收到4個通道中的那個頻帶，4個接收的都多路分解到適合的各自接收器80。可以使用寬的和快的可調(diào)多路復(fù)用器，但為了簡化，希望是循環(huán)多路分解器。
使用這樣寬可調(diào)的多路分解器，或這種循環(huán)多路分解器，波帶和波長通道可單獨地和互相正交地切換，在所有波長范圍內(nèi)，有效地為該互連給出一個或多個另外的正交域。例如，圖19所示的兩種波長選擇開關(guān)96和98，可功能性地替代圖17或18(或其他)實施例中的波長選擇開關(guān)26。如果因為成本或其他因素希望SOA總量減少到最少，這特別重要。如果開關(guān)96配置成在三個通道每個的三個波帶上運(yùn)行，并將開關(guān)98配置成按任何頻帶在三個通道上循環(huán)地運(yùn)行，那么，與用于提供訪問圖17實施例中8個通道的8個SOA相比，6個總SOA能提供選擇訪問9個通道。在on-off的SOA用在空間開關(guān)24的地方，同樣如圖11所示，用波帶能將SOA總量切割的更多。在圖20的圖中描述這處理，圖中示出用于圖1所示類型的交叉連接的一個節(jié)點的淘汰選擇腳，但用一個空間開關(guān)24，該開關(guān)之后跟著兩個波長開關(guān)96和98，類似于圖19的那些。這里，互連的M光纖12僅為4(M＝4)，如圖20的空間開關(guān)24的尺寸反應(yīng)的。這樣，空間開關(guān)24僅從4條光纖中選擇。對于光纖-波段-波長坐標(biāo)通道的總數(shù)M×N×O＝64，波長開關(guān)96從選擇光纖的N波段內(nèi)選擇，用N＝4，并且波長開關(guān)98從選擇波段內(nèi)的O波長子頻帶(band)或波長通道中選擇，用O＝4。這樣，在這里表示的選擇腳上，能區(qū)別64個數(shù)據(jù)源(與圖1實施例中選擇腳相同的數(shù)字)，但在空間和波長開關(guān)上僅需要12個總SOA，而不是圖1
本發(fā)明的光互連提供幾個優(yōu)點。它們較佳地將SOA用作為有源切換元件。具有目前可實現(xiàn)的SOA性能，切換速度有可能在和低于1納秒，具有相當(dāng)線性多波長性能。互連網(wǎng)絡(luò)是透明的，使它格式獨立，如需要，允許使用含在頻帶內(nèi)(或頻帶外)的多發(fā)送模態(tài)或約定，以向前糾錯。用適度附加復(fù)雜性能輕易地提供帶外光控制和時鐘分布?？缮壭允菢O佳的，特別地明智地適用于整個結(jié)構(gòu)的放大。
因為光纖損耗功能上可忽略，接收器能相對地遠(yuǎn)離相關(guān)的光纖和波長選擇器，并且調(diào)制器能相對地遠(yuǎn)離WDM數(shù)據(jù)源。因此，通道和波長選擇或/或路由選擇能功能性地集中在互連中，并因此，有關(guān)設(shè)置開關(guān)狀態(tài)的系統(tǒng)開銷能共享和合并到壓縮模塊。單信頭監(jiān)視器可應(yīng)用于為每個簇接收器節(jié)點設(shè)置開關(guān)狀態(tài)方案，由此，簡化了信頭處理系統(tǒng)。信頭解碼器和處理系統(tǒng)都是光學(xué)的，因為SOA用作為切換元件，是電控制的。
優(yōu)點是發(fā)送器和排程器/控制器緊密地相關(guān)于可能使排程延遲(等待時間)減少到最小。在高可靠性傳輸?shù)南拗浦校邮掌髂芪挥谶h(yuǎn)處。
可升級的競爭解決結(jié)構(gòu)和方法在如這里所述的極易升級的光互連設(shè)計中，希望具有競爭解決的平均升級方法，因為多個數(shù)據(jù)源一般不能同時發(fā)送給單個接收裝置。
競爭解決問題發(fā)生在遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，計算機(jī)互連，存儲區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，發(fā)生在網(wǎng)際協(xié)議路由器，數(shù)字和光交叉連接，異步傳輸模式(ATM)開關(guān)，微型和大型超級計算機(jī)及超級計算機(jī)群，IP-Peering網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)和之間，發(fā)生在大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，預(yù)約系統(tǒng)和搜索引擎內(nèi)。這里描述的結(jié)構(gòu)和方法認(rèn)為允許在成百個及甚至數(shù)千個節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)上，能每秒解決成數(shù)百萬個連接請求?？芍С挚删幊趟惴?，確保公平和優(yōu)先訪問的帶寬和各種標(biāo)準(zhǔn)。
對于大型互連系統(tǒng)，例如這里和其他披露那些系統(tǒng)，以及其他系統(tǒng)，可用在IP路由器，ATM開關(guān)，超級計算機(jī)系統(tǒng)等中，一般兩個或多個數(shù)據(jù)源希望同時訪問相同的數(shù)據(jù)接收裝置。為了避免競爭，至少一個發(fā)送器(數(shù)據(jù)源)必須臨時阻止，而另一個允許訪問有限的通道。在某些情況中，如同在超級計算機(jī)中，例如，必須在相同的微秒時間內(nèi)處理數(shù)千個競爭請求，并因此，對于十億個潛在競爭連接請求上的1000節(jié)點必須能在1秒內(nèi)解決。用現(xiàn)在的技術(shù)，單微處理芯片沒有足夠的速度，并行性或輸入/輸出帶寬，以在需要速率下解決如此多的競爭。此外，因為訪問網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)上升到超過1000(超過上面的十億交疊例子，對單CR(競爭解決)處理器，競爭解決功能變得更難。
通過將大的CR問題分解成較小的CR問題，較小的CR問題可通過高性能，但可用的CR微處理器來管理，本方法和結(jié)構(gòu)能解決這個問題。所述方法和結(jié)構(gòu)涉及怎樣分解該問題。該處理方法在訪問網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)中是可升級的，并是模塊化的，這是指，如需要，通過隨時添加子處理功能，CR處理器的大小就可隨網(wǎng)絡(luò)的大小而增加。這在當(dāng)原CR處理器在它的能力限制上完全起作用時會發(fā)生。這稱作為“熱升級”。
本申請的另一重要方面是，一般技術(shù)上認(rèn)識到雖然許多高速或復(fù)雜問題能分段到多個處理器，它們常常必須等待產(chǎn)生存儲訪問，并在共享存儲器時還有潛在競爭問題，需要存儲同步技術(shù)，就進(jìn)一步復(fù)雜化并降低處理速度。這個現(xiàn)行技術(shù)允許按這樣的一種方式把該問題分段，使該處理僅在處理器常駐存儲器(本地高速緩沖存儲器)內(nèi)進(jìn)行，并不要求訪問共享存儲區(qū)。這允許更高速度及更多分布操作，并減少執(zhí)行的復(fù)雜性。
一種互連矩陣是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，列出該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點和狀態(tài)或它們之間的互連的可用性。在全互連網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，通過合法連接能占據(jù)該矩陣內(nèi)所有可能的入口，雖然或許不可能同時。在部分互連網(wǎng)絡(luò)中，不是所有的入口表示一種可能的或易實現(xiàn)的連接。雖然這里希望的互連是全互連，這競爭解決結(jié)構(gòu)和方法涉及兩種類型的網(wǎng)絡(luò)，全互連和部分互連。這處理方法特別可應(yīng)用于可依次解決與每維競爭的多維互連矩陣。對于N維互連矩陣，連續(xù)地執(zhí)行N級CR(stage)。為光互連矩陣示出一個工作例子，所述光互連矩陣含有空間維(使用的光纖數(shù))，和頻率維或波帶維(使用光纖波帶的數(shù)量)。這概念一般歸納為附加的維數(shù)時間(使用的時隙數(shù))，極化，及甚至在一維內(nèi)的子分區(qū)或子維，或離散光纖群或離散光纖帶內(nèi)的光纖，所述一維內(nèi)的子分區(qū)或子維例如為波帶內(nèi)的波長數(shù)。
依據(jù)競爭解決的本方法，大小為K的每維配置了K個CR處理器。例如，在含有波長(假定總的Ki個波長)和光纖(假定總的Kf條光纖)兩個維度的互連矩陣中，CR處理器系統(tǒng)將含有第一級的Ki個波長CR處理器和第二級的Kf個光纖CR處理器，如圖22所示。因為12條光纖網(wǎng)絡(luò)，每條光纖含有40個波長，就有40個波長處理器和12個光纖CR處理器。通常，在N維互連網(wǎng)絡(luò)中，帶有含有最多KJ個入口的每維J，通過僅使用K1+K2+K3+K4…Kj個CR子處理器，不用競爭就可互連總數(shù)K1×K2×K3×K4×…Kj個節(jié)點。與維J相關(guān)的每個處理器將僅需要同時解決P個請求，這里P是處理級的維數(shù)內(nèi)的元件數(shù)。在該例子中，每個波長CR子處理器將解決僅12條光纖內(nèi)的競爭，并且每個光纖處理器需要僅解決40個波長內(nèi)的競爭。
在所示的例子中，每個單CR子處理器專用于給定維內(nèi)的每個元件。這允許最高的可能性能和縮放比例(scaling)。然而，如允許執(zhí)行，可分派給每個子處理器解決一維內(nèi)多個元件之間的競爭。例如，一個子處理器在每段時間周期內(nèi)能解決80個請求，因此在該例子中，可分派給單個CR光纖子處理器解決2個40個波長組內(nèi)的競爭，而分派給另外的單個CR波長處理器可解決6個12條光纖組內(nèi)的競爭(72個競爭＜80)。該排程器的優(yōu)點是含有盡可能多的全局知識(即知道盡可能多維上的請求)，以使總排程效率最大化。
在該例子中，CR算法是可編程的，并適合于網(wǎng)絡(luò)上請求的特定性能。圖23示出基本算法的圖。
退出競爭解決系統(tǒng)使用存儲器以緩存大型互連矩陣內(nèi)中間點上的數(shù)據(jù)。因為容易使用快速存儲器，對于達(dá)到某一限制的電子傳輸數(shù)據(jù)，這處理方法工作正常。然而，因為沒有無限制的光緩沖存儲器可用或使用非常有限的光緩沖存儲器，并經(jīng)常需要先入先出(FIFO)或串行訪問，不是隨機(jī)訪問，對于光互連系統(tǒng)，這處理方法工作較差，因此“線頭(head-of-line)”阻塞是一種常見限制。另外，在這些實施中，在設(shè)計開關(guān)以提供適合于應(yīng)用的緩沖器大小時，開關(guān)設(shè)計者必須做出有關(guān)應(yīng)用的某些假定。因為開關(guān)設(shè)計者很少知道開關(guān)上操作的應(yīng)用細(xì)節(jié)，這通常不是最理想的。因為本發(fā)明要求在數(shù)據(jù)源進(jìn)行緩存，如果需要，數(shù)據(jù)源設(shè)計者必須提供緩存器，并不由一個所需應(yīng)用的特定請求負(fù)擔(dān)整個開關(guān)。已經(jīng)研制出多維CR系統(tǒng)，但這些不需采用互連矩陣維的真正交的優(yōu)點，并這樣，將任意的限制放置在CR系統(tǒng)的調(diào)制性和縮放比例潛能上。在光互連矩陣的情況中，本發(fā)明采用易解決的正交維的特殊優(yōu)點。因為它的模塊性和正交性，本發(fā)明的物理實施特別優(yōu)美和優(yōu)雅，并且這實際上增加了CR系統(tǒng)的縮放比例(scale)和簡單性。
減少等待時間的結(jié)構(gòu)和方法“告訴并執(zhí)行”在這里披露的高性能光互連的類型中，特別在這里提出的應(yīng)用廣播和選擇結(jié)構(gòu)的地方，通過在數(shù)據(jù)首次發(fā)送之前避免典型地實現(xiàn)初步協(xié)議交換，可實現(xiàn)等待時間和平均傳輸時間的重大減少。換句話說，一個發(fā)送節(jié)點在發(fā)送路徑請求后，不是請求允許發(fā)送(詢問是否存在競爭)，不需等待允許就能在相同時間或立刻簡單地發(fā)送該希望的信息包。如果互連資源可用，傳輸通過，并且來自控制系統(tǒng)的反饋是接受的傳輸。如果傳輸不能通過，那么，不能選擇有問題的光數(shù)據(jù)-即，在所有選擇器上受阻(或未選擇)，但引起不能分布或任何類型的沖突—并且控制系統(tǒng)能再傳輸。結(jié)果是消除了傳輸上的等待處罰，該傳輸能在首次嘗試中通過。
冗余選擇能力在本發(fā)明的互連中，通過在每個節(jié)點內(nèi)含有冗余選擇，接收，及存儲能力，能夠明顯地減少調(diào)制到繁忙業(yè)務(wù)負(fù)載下的競爭的可能性。對于相當(dāng)小功耗(另外的3dB分路)，通過含有至少兩個完整的淘汰選擇腳和兩個接收器，每個節(jié)點能有效地含有網(wǎng)絡(luò)上兩個單獨的選擇腳。具有某些電子緩沖，那能明顯地增加首次傳輸成功的可能性，并改善互連的總性能。
那些技術(shù)熟練人員將明白可對本發(fā)明能做各種修改和變化，并不背離本發(fā)明的精神和范疇。這樣，這意味著本發(fā)明覆蓋所提供的本發(fā)明修改和變化，它們都落在附加權(quán)利要求和它們相似的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少兩個正交切換維，能以小于1微秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
2.按照權(quán)利要求1所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少兩個正交切換維，能以小于10納秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
3.按照權(quán)利要求2所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少兩個正交切換維，能以小于100皮秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
4.按照權(quán)利要求1所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少三個正交切換維，能以小于1微秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
5.按照權(quán)利要求2所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少三個正交切換維，能以小于10納秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
6.按照權(quán)利要求3所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少三個正交切換維，能以小于100皮秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
7.按照權(quán)利要求2所述的可升級光互連，其特征在于，在沿所有至少四個正交切換維，能以小于10納秒的切換速度進(jìn)行透明光切換。
8.一種可升級光互連，其特征在于，從跨空間域和波長域分布的通道，能以小于10納秒的速度單獨地進(jìn)行透明光切換。
9.按照權(quán)利要求8所述的可升級光互連，其特征在于，從跨空間，波長，及波段域分布的通道中，能以小于10納秒的速度單獨地進(jìn)行透明光切換。
10.按照權(quán)利要求8所述的可升級光互連，其特征在于，從跨空間，波長，及極化域分布的通道中，能以小于10納秒的速度單獨地進(jìn)行透明光切換。
11.按照權(quán)利要求8所述的可升級光互連，其特征在于，從跨空間，波長，波段域，及極化分布的通道中，能以小于10納秒的速度單獨地進(jìn)行透明光切換。
12.按照權(quán)利要求8所述的可升級光互連，其特征在于，從跨空間，波長，及時間域分布的通道中，能以小于10納秒的速度單獨地進(jìn)行透明光切換。
13.一種可升級光互連，其特征在于，包括多個發(fā)送器；多路復(fù)用子系統(tǒng)，構(gòu)成和排列成依據(jù)正交多路復(fù)用方案，以能將所述多個發(fā)送器的所述信號組合進(jìn)一條或多條傳輸光纖；寬帶突發(fā)模式接收器，構(gòu)成或排列成，能從所述多個發(fā)送器的任何一個發(fā)送器接收任何信號；分布子系統(tǒng)構(gòu)成及排列成能單獨地和同時地將每個發(fā)送器的所述信號分布給每個接收器；及一個或多個選擇子系統(tǒng)，構(gòu)成及排列成在小于1微秒內(nèi)，能從所述正交多路復(fù)用方案中選擇單個通道。
14.一種可升級光互連，其特征在于，包括多個本地發(fā)送器；比特時鐘，給所述多個發(fā)送器提供比特時鐘信號；10納秒或更快的開關(guān)，用于選擇所述多個發(fā)送器；及突發(fā)模式接收器，構(gòu)成和排列成經(jīng)過所述開關(guān)，從所述本地發(fā)送器接收突發(fā)數(shù)據(jù)，由此，突發(fā)模式接收機(jī)僅需獲取與每個突發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)的比特相位，而不是比特頻率，不是同時獲取比特頻率和比特相位。
15.一種分布可升級競爭解決和資源安排子系統(tǒng)，其特征在于，包括多個輸入控制通道；多個輸出控制通道；多個邏輯處理，分布在一個或多個處理器上；所述邏輯處理的第一處理專用于解決來自發(fā)送器的信號之間的競爭，所述信號競爭第一子集共享資源；部分地依據(jù)從所述第一處理的輸出，所述邏輯處理的第二處理專用于解決來自所述發(fā)送器的信號之間的競爭，所述信號競爭光互連內(nèi)第二子集共享資源；及其中所述第一子集和所述第二子集單獨地可多路復(fù)用和選擇。
16.一種在光互連內(nèi)競爭解決和資源安排的方法，其特征在于，所述方法包括步驟解決來自發(fā)送器的信號之間的競爭，所述信號競爭光互連內(nèi)第一子集共享資源；部分地依據(jù)解決來自發(fā)送器的競爭所述第一子集的信號內(nèi)競爭的結(jié)果，解決來自發(fā)送器的信號之間的競爭，所述信號競爭光互連內(nèi)第二子集共享資源；其中，所述第一子集和所述第二子集單獨地可多路復(fù)用和選擇。
全文摘要
一種可升級光互連，包括多個發(fā)送器；多路復(fù)用子系統(tǒng)，依據(jù)正交多路復(fù)用方案，能將所述多個發(fā)送器的所述信號組合到一條或多條傳輸光纖；多個寬帶突發(fā)模式接收器，構(gòu)成和定位成，能接收來自所述多個發(fā)送器的任何一個發(fā)送器的任何信號；分布子系統(tǒng)，構(gòu)成能將每個發(fā)送器的所述信號單獨地及同時地發(fā)送給每個接收器；及一個或多個選擇子系統(tǒng)，構(gòu)成和排列成，在小于1微秒內(nèi)，能從所述正交多路復(fù)用方案中選擇一個單通道。還披露了用于分布競爭解決的方法和結(jié)構(gòu)。
文檔編號H04B10/00GK1742512SQ200380109187
公開日2006年3月1日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者J·M·哈瑞斯, F·J－Y·權(quán), 小B·R·荷蒙威, D·W·史密斯 申請人:康寧股份有限公司