專利名稱：用于在計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)之間傳送光信號的采用光子互連的計(jì)算集群的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算集群，尤其涉及包括光傳輸路徑的基于光子互連(photonic-interconnection)的計(jì)算集群，所述光傳輸路徑用于在計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)之間傳送在光信號的頻率信道(frequency channel)中編碼的數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：
在被稱作“計(jì)算集群(compute cluster)”的分布式計(jì)算平臺上近來的發(fā)展顯示出在增加數(shù)據(jù)處理速度以及減小平臺大小方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。通常，計(jì)算集群包括多個互連節(jié)點(diǎn)，其中每個節(jié)點(diǎn)都能夠執(zhí)行多個獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。節(jié)點(diǎn)能夠是處理器、存儲器、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、外部網(wǎng)絡(luò)連接或任意其他的數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)傳送設(shè)備。典型地，計(jì)算集群在數(shù)據(jù)簡化(data reduction)應(yīng)用或數(shù)據(jù)生成應(yīng)用中得以應(yīng)用。在數(shù)據(jù)簡化應(yīng)用中，通過模式識別和/或生成輸入數(shù)據(jù)的匯總(aggregate)統(tǒng)計(jì)描述來處理大型輸入數(shù)據(jù)集，諸如由科學(xué)儀器所提供的數(shù)據(jù)。例如，為了對從微陣列的光學(xué)掃描所獲得的大量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，能夠?qū)D像數(shù)據(jù)簡化為較小的匯總統(tǒng)計(jì)描述。典型地，在數(shù)據(jù)生成應(yīng)用中，小型輸入數(shù)據(jù)集為仿真提供初始條件，所述仿真生成能夠被進(jìn)一步分析或者可視化(visualize)的大型輸出數(shù)據(jù)集。燃燒模型、天氣預(yù)測以及生成動畫影片的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用是數(shù)據(jù)生成應(yīng)用的示例。
典型地，通過識別均能夠被獨(dú)立執(zhí)行的單個特定任務(wù)，將計(jì)算集群應(yīng)用劃分為數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬個任務(wù)。通常通過消息傳遞接口計(jì)算機(jī)程序和執(zhí)行環(huán)境來對應(yīng)用進(jìn)行劃分。能夠根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)來將任務(wù)分配到不同節(jié)點(diǎn)(1)每個任務(wù)被接收的次序，(2)集群中節(jié)點(diǎn)的配置，(3)每個任務(wù)的計(jì)算需求，(4)每個任務(wù)所需要的存儲量，(4)在節(jié)點(diǎn)之間所傳送的數(shù)據(jù)量，以及(5)應(yīng)用的輸入/輸出需求。
典型地，計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)經(jīng)由高速、低等待時間(low latency)、電互連的網(wǎng)絡(luò)而互連，所述網(wǎng)絡(luò)通過交換結(jié)構(gòu)(switch fabric)在節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)。

圖1A圖示了4節(jié)點(diǎn)的交換結(jié)構(gòu)體系100的表示。在圖1A中，物理節(jié)點(diǎn)經(jīng)由交換結(jié)構(gòu)102而互連，其中每個物理節(jié)點(diǎn)由第一虛擬節(jié)點(diǎn)和第二虛擬節(jié)點(diǎn)來表示。所述第一虛擬節(jié)點(diǎn)表示與交換結(jié)構(gòu)102的輸入連接，而所述第二虛擬節(jié)點(diǎn)表示與交換結(jié)構(gòu)102的輸出連接。例如，物理節(jié)點(diǎn)0和交換結(jié)構(gòu)102之間的輸入連接由矩形104和方向箭頭106表示，而交換結(jié)構(gòu)102和物理節(jié)點(diǎn)0106之間的輸出連接由矩形108和方向箭頭110表示。交換結(jié)構(gòu)提供互連以使得節(jié)點(diǎn)能夠同時向計(jì)算集群中的不同節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。例如，交換結(jié)構(gòu)102提供互連以使得節(jié)點(diǎn)1能夠按虛線的方向箭頭112和114所示的那樣同時向節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3傳送數(shù)據(jù)。
典型地，每個節(jié)點(diǎn)所處理的數(shù)據(jù)被劃分為更小的固定大小的分組，所述分組接著通過交換結(jié)構(gòu)被分配到特定節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行處理。圖1B圖示了圖1A中所示的交換結(jié)構(gòu)102的示例性實(shí)施方式。在圖1B中，交換結(jié)構(gòu)102包括輸入和輸出線路卡(line card)(諸如輸入線路卡118和輸出線路卡120)、置換(permutation)網(wǎng)絡(luò)122和仲裁器124。數(shù)據(jù)首先被從節(jié)點(diǎn)傳送到輸入線路卡。所述輸入線路卡將數(shù)據(jù)流劃分為固定大小的分組。分組接著被傳送到交換結(jié)構(gòu)102并且被分配到一個或多個被稱作“虛擬隊(duì)列”的基于先入先出電子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。仲裁器124接收與存儲在每個虛擬隊(duì)列頭部的分組相關(guān)的信息并且由此配置置換網(wǎng)絡(luò)122內(nèi)的互連以將存儲在每個虛擬隊(duì)列頭部的第一批分組分配到特定節(jié)點(diǎn)。輸出線路卡組裝(assemble)置換網(wǎng)絡(luò)120所接收的分組并且將所組裝的分組傳送到節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行處理。在仲裁器124已經(jīng)分配了第一批分組之后，仲裁器124重新配置置換網(wǎng)絡(luò)120以便分配存儲在每個虛擬隊(duì)列頭部的第二批分組以進(jìn)行處理。
通常，交換結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)之間均勻地(uniformly)分配數(shù)據(jù)。然而，計(jì)算集群經(jīng)常具有多個比其他節(jié)點(diǎn)更頻繁地交換大量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，并且由交換結(jié)構(gòu)所提供的低等待時間互連限制了帶寬。結(jié)果，能夠在節(jié)點(diǎn)之間傳送的數(shù)據(jù)量在每個點(diǎn)沒有及時與特定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求很好地匹配，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)處理的延遲。此外，仲裁器能夠延遲數(shù)據(jù)處理，原因在于仲裁器常常依賴于在分配一批分組之前接收與位于每個隊(duì)列頭部的所有分組相關(guān)的信息。計(jì)算集群的制造商、設(shè)計(jì)者和用戶已經(jīng)認(rèn)識到需要提供大帶寬、高速互連的互連體系結(jié)構(gòu)以及不依賴于仲裁器分配分組的交換結(jié)構(gòu)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個實(shí)施例針對在計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)之間提供高速、高帶寬互連的基于光子互連的計(jì)算集群。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，計(jì)算集群包括具有一個或多個光傳輸路徑的光子互連，所述光傳輸路徑用于將光信號內(nèi)的獨(dú)立頻率信道傳送到一組節(jié)點(diǎn)中的每個節(jié)點(diǎn)。所述計(jì)算集群包括一個或多個基于光子互連的寫入器(writer)，每個寫入器與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個寫入器將節(jié)點(diǎn)所生成的信息編碼到所述獨(dú)立頻率信道中的一個之中。交換結(jié)構(gòu)把在獨(dú)立頻率信道中編碼的信息引導(dǎo)到所述計(jì)算集群的一個或多個節(jié)點(diǎn)。所述計(jì)算集群還包括一個或多個基于光子互連的讀取器(reader)，每個讀取器與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個讀取器提取被引導(dǎo)到所述節(jié)點(diǎn)的在獨(dú)立頻率信道中編碼的信息以進(jìn)行處理。
附圖簡述 圖1A圖示了4節(jié)點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)體系的表示。
圖1B圖示了圖1A中所示的交換結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式。
圖2圖示了一維光子晶體的示例。
圖3圖示了二維光子晶體的示例。
圖4A-4B分別是第一一維光子晶體和第二一維光子晶體的頻率對波矢量z分量的假設(shè)圖。
圖5-6圖示了兩個二維光子晶體的透視圖。
圖7A-7B圖示了橫向電場和磁場模在圖5所示的二維光子晶體中的傳播。
圖8圖示了在圖5所示的二維光子晶體中傳播的橫向電場和磁場模的光子帶結(jié)構(gòu)。
圖9圖示了具有兩個諧振腔和波導(dǎo)的光子晶體的示例。
圖10是圖9所示的光子晶體的波導(dǎo)的頻率對波矢量幅度的假設(shè)圖。
圖11A-11E圖示了以電磁信號編碼的信息的示例。
圖12圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的基于光子互連的計(jì)算集群。
圖13A-13C圖示了能夠被用于向計(jì)算集群中的每組節(jié)點(diǎn)傳送和分配光信號的光子晶體中的波導(dǎo)的示例，其中每個都表示本發(fā)明的多個實(shí)施例之一。
圖14圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的一組節(jié)點(diǎn)的示例。
圖15A圖示了對光信號的特定頻率信道中數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并且表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的基于光子晶體的寫入器。
圖15B圖示了提取在光信號的特定頻率信道中編碼的數(shù)據(jù)并且表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的基于光子晶體的讀取器。
圖16A圖示了能夠用作下路濾波器(drop filter)或上路濾波器(addfilter)并且表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的諧振腔。
圖16B圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的檢測器/調(diào)制器的第一配置。
圖16C圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的檢測器/調(diào)制器的第二配置。
圖17圖示了圖12所示的表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的交換結(jié)構(gòu)的示意性表示。
圖18圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的基于電子的交換結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式。
圖19A圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)的示例。
圖19B圖示了能夠由圖19A所示的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)生成并且表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的四種可能的循環(huán)置換輸出。
圖20圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的假設(shè)虛擬輸出隊(duì)列的實(shí)施方式。
發(fā)明詳述 本發(fā)明的各個實(shí)施例針對提供高速、高帶寬的光子互連以用于利用計(jì)算集群傳送數(shù)據(jù)的基于光子互連的計(jì)算集群。所述光子互連包括用于從光信號源向一個或多個計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)傳送光信號的光傳輸路徑。所述光信號包括多個獨(dú)立的稱作“頻率信道”的電磁波，每個頻率信道能夠被單獨(dú)調(diào)制以對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，所述數(shù)據(jù)能夠隨后被引導(dǎo)到所述計(jì)算集群中的特定節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)被連接到第一濾波器，所述第一濾波器提取被引導(dǎo)到所述節(jié)點(diǎn)的第一頻率信道編碼數(shù)據(jù)，并且每個節(jié)點(diǎn)被連接到第二濾波器，所述第二濾波器能夠被用來通過調(diào)制第二頻率信道來編碼被引導(dǎo)到所述計(jì)算集群中的不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。能夠包括交換結(jié)構(gòu)來通過頻率信道將數(shù)據(jù)引導(dǎo)到節(jié)點(diǎn)。單個外部光源能夠被用來生成所述光信號，從而避免了與節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的分離的光信號源。
以下在多個部分中對本發(fā)明進(jìn)行描述(1)光子晶體和波導(dǎo)的概述，(2)在電磁波中編碼數(shù)據(jù)的概述，以及(3)本發(fā)明的實(shí)施例。
光子晶體和波導(dǎo)的概述 光子晶體是由具有電介質(zhì)(dielectric)特性的兩種或更多種不同材料所構(gòu)成的光設(shè)備，所述材料在被以規(guī)則圖案(regular pattern)組合在一起時能夠修改電磁輻射(＂ER＂)的傳播特性。圖2和3圖示了具有不同介電特性的兩種不同材料能夠以其進(jìn)行組合來形成光子晶體的多種不同的可能圖案中的兩種。典型地，光子晶體由電介質(zhì)圖案在其中為周期性的方向的數(shù)目來標(biāo)識。例如，圖2圖示了一維光子晶體的示例。在圖2中，光子晶體200由在z方向上周期交替的兩種不同電介質(zhì)的7層構(gòu)成。非陰影層201-204由具有介電常數(shù)ε1的第一電介質(zhì)構(gòu)成，而標(biāo)有斜線的層205-207由具有不同的介電常數(shù)ε2的第二電介質(zhì)構(gòu)成。這些層以稱作“晶格常數(shù)(lattice constant)”的重復(fù)距離規(guī)則相間隔，在圖2所示的晶格常數(shù)的情形中，晶格常數(shù)為a。圖3圖示了二維光子晶體的示例。二維光子晶體300包括兩種不同電介質(zhì)的交替層，并且在x方向和y方向這二者上以兩個晶格常數(shù)a和b是周期性的。非陰影區(qū)域(諸如區(qū)域301)由具有介電常數(shù)ε1的第一電介質(zhì)構(gòu)成，而標(biāo)有斜線的區(qū)域(諸如區(qū)域302)由具有不同介電常數(shù)ε2的第二電介質(zhì)構(gòu)成。光子晶體還能夠以重復(fù)圖案在三維中進(jìn)行構(gòu)造。能夠使用包括第一電介質(zhì)的球體、管狀體或其他固體形狀來構(gòu)造三維光子晶體，所述第一電介質(zhì)被嵌入在包括第二電介質(zhì)的厚片(slab)中。
ER在電介質(zhì)中的傳播能夠由包括振蕩正交的電場E和磁場H，以及傳播方向k的電磁波來表征。所述電場和磁場由麥克斯韋(Maxwell)等式來表述 等式1 等式2 等式3 等式4 其中

是電磁波在電介質(zhì)中的空間位移，t是時間，并且

是介電常數(shù)。
由于電介質(zhì)通常不支持自由電荷或自由電流，所以等式1-4不包括電荷密度項(xiàng)或體積電流密度項(xiàng)。等式3和4(旋度方程)是線性微分方程。在這兩個等式中，左側(cè)表示場對獨(dú)立空間位移r的依賴性，而右側(cè)表示場對t的依賴性。微分量相對于

變化以保持與相對于t變化的量相等的唯一方式是使所述微分量等于相同常數(shù)值。等式3和4的兩側(cè)都等于常數(shù)，并且能夠應(yīng)用變量分離方法來獲得 其中ω是在電介質(zhì)中傳播的電磁波的角頻率。
能夠通過將等式4除以介電常數(shù)

應(yīng)用旋度算子并且以等式3替代電場旋度來對麥克斯韋的旋度方程3和4去耦而給出 等式5 其中為微分算子。
等式5是特征值方程，其中特征值是ω2，并且特征函數(shù)是相應(yīng)磁場

在根據(jù)等式5確定磁場

之后，能夠通過將

代入等式3中并且求解

來獲得電場
就有限維的光子晶體(諸如圖1和2所示的光子晶體)而言，對等式5的特征值和特征函數(shù)進(jìn)行量子化以給出 其中j是稱作“頻帶下標(biāo)(band index)”的非負(fù)整數(shù)值，頻帶下標(biāo)以角頻率增加的次序?qū)Υ艌?

的諧波模進(jìn)行標(biāo)記。
光子晶體的平移對稱能夠被用來確定磁場

的函數(shù)形式。例如，在光子晶體200中傳播的磁場

的函數(shù)形式如下 等式6 其中

是xy平面矢量，

是xy平面波矢量，kz是z方向波矢量分量，并且

是z方向上的周期函數(shù)。等式6中的指數(shù)項(xiàng)

源自于通過xy平面中的電介質(zhì)層傳播的ER的連續(xù)平移對稱。然而，等式6中的項(xiàng)

源自于布洛赫(Bloch)定理以及由光子晶體200的介電常數(shù)的周期性在z方向所施加的離散平移對稱，其由下式給出 其中a為電介質(zhì)層的規(guī)則圖案所確定的晶格常數(shù)，而l是整數(shù)。
磁場

以2π/a的整數(shù)倍為周期。結(jié)果，相關(guān)聯(lián)的角頻率也是周期性的 等式7 光子晶體的電介質(zhì)圖案的差異產(chǎn)生一個或多個頻率范圍ωj，其被稱作“光子帶隙”，在該頻率范圍下，ER被阻止在所述光子晶體中傳播。所述光子帶隙還對應(yīng)于電磁能范圍和波長范圍，所述波長表示為λj，在該范圍下，電介質(zhì)之間的差異防止ER吸收和ER傳播。通過光子晶體傳送的ER的波長λj與角頻率ωj相關(guān) 其中v是ER在光子晶體中的速度。某些ER頻率范圍并不因?yàn)楦哳l諧波模趨于在具有低介電常數(shù)的電介質(zhì)區(qū)域中集中電磁能，而低頻諧波模趨于在具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)區(qū)域中集中電磁能，而通過光子晶體進(jìn)行傳送。能夠根據(jù)如下的變分原理來確定電磁能 其中其中“*”表示復(fù)共軛。
針對在具有高介電常數(shù)的區(qū)域中傳播的諧波模的電磁能低于針對在具有低介電常數(shù)的光子晶體的區(qū)域中傳播的模的電磁能。
一維光子晶體的光子帶隙內(nèi)的頻率的大小和范圍依賴于包括光子晶體的電介質(zhì)的介電常數(shù)之間的相對差異。在包括光子晶體的材料的介電常數(shù)之間具有大的相對差異的一維光子晶體與在介電常數(shù)之間具有較小相對差異的光子晶體相比在較高頻率范圍具有更大光子帶隙。
圖4A-4B分別是第一一維光子晶體和第二一維光子晶體的頻率(ωα/2πc)對波矢量z分量(kz)的假設(shè)圖。在圖4A-4B中，水平軸(諸如水平軸401)對應(yīng)于波矢量z分量(kz)，而垂直軸(諸如垂直軸402)對應(yīng)于頻率。由于頻率ωj是周期性的，如以上參考等式7所描述的，所以對于角頻率帶j等于1、2和3，相對于波矢量z分量范圍-π/α和π/α繪制出頻率(ωjα/2πc)。通過陰影區(qū)域403和404來標(biāo)識光子帶隙(bandgap)。線405、406和407對應(yīng)于第一、第二和第三角頻率帶(j＝1、2和3)。圖4A中的光子帶隙403的寬度410小于圖4B中的光子帶隙404的寬度412，原因在于包括第一光子晶體的材料的介電常數(shù)之間的相對差異小于包括第二光子晶體的材料的介電常數(shù)之間的相對差異。而且，光子帶隙403也覆蓋了比光子帶隙404所覆蓋的頻率范圍更低的頻率范圍。
二維光子晶體能夠由電介質(zhì)厚片中所構(gòu)建的圓筒柱(cylindricalcolumn)的規(guī)則晶格來構(gòu)成。所述圓筒柱能夠可以是氣孔或者填充了與所述光子厚片的電介質(zhì)材料不同的電介質(zhì)材料的孔。圖5圖示了二維光子晶體的透視圖。在圖5中，光子晶體500由電介質(zhì)厚片501構(gòu)成，所述電介質(zhì)厚片501具有所嵌入的圓筒柱(諸如柱502)的規(guī)則晶格。所述圓筒柱從厚片501的頂表面延伸至其底表面(如圓筒柱503所示)，并且能夠是填充了空氣或具有不同于厚片501的介電常數(shù)的介電常數(shù)的任意其他材料的孔。二維光子晶體還能夠由氣體或液體所包圍的圓筒柱的規(guī)則晶格排列來構(gòu)成。圖6圖示了具有由流體(諸如氣體或液體)所包圍的固體圓筒柱(諸如圓筒柱601)的規(guī)則方形晶格的二維光子晶體600，所述流體的介電常數(shù)不同于所述圓筒柱的介電常數(shù)。
二維光子晶體使得在光子晶體的周期性平面中傳播的ER偏振，并且電場和磁場能夠被分類為兩種不同的偏振(1)橫向電場(“TE”)模；和(2)橫向磁場(“TM”)模。TE具有指向光子晶體的周期性平面的法線的H(ρ)以及指向光子晶體的周期性平面的

而TM具有指向光子晶體的周期性平面的法線的

以及指向光子晶體的周期性平面的

圖7A-7B圖示了TE和TM模在圖5所示的二維光子晶體中的傳播。光子晶體500的周期性平面位于xy平面，圓筒柱平行于z方向，并且ER在y方向上傳播通過光子晶體500。在圖7A中，振蕩曲線701表示指向xy平面的法線的

模，而振蕩曲線702表示指向xy平面的正交

模。在圖7B中，振蕩曲線703表示指向xy平面的法線的

模，而振蕩曲線704表示指向xy平面的正交

模。
圖8圖示了在圖5所示的光子晶體中傳播的的ER的TM和TE模的光子帶結(jié)構(gòu)。在圖8中，垂直軸801表示在光子晶體500中傳播的ER的角頻率，而水平軸802表示在圖5所示的光子晶體500的光子晶體部分803中標(biāo)記為Γ、M和K的晶格點(diǎn)之間的ER傳播路徑。實(shí)線(諸如實(shí)線804)表示TM模，而虛線(諸如虛線805)表示TE模。陰影區(qū)域806標(biāo)識光子帶隙，其中既不允許TE也不允許TM模在光子晶體500中傳播。
二維光子晶體厚片中的光子帶隙(諸如光子帶隙806)所覆蓋的寬度和頻率范圍依賴于圓筒柱的周期間隔(由晶格常數(shù)a表示)和所述厚片的介電常數(shù)和圓筒柱的介電常數(shù)之間的相對差異。而且，對于所述厚片的介電常數(shù)和圓筒柱的介電常數(shù)之間的較大相對差異，光子帶隙806所覆蓋的頻率范圍能夠被變換到較高頻率范圍，而對于所述厚片的介電常數(shù)和圓筒柱的介電常數(shù)之間的較小相對差異，光子帶隙806被能夠變換到較低頻率范圍。
電子束或納米壓印(nanoimprint)平板印刷術(shù)接著是化學(xué)蝕刻或其他處理方法能夠被用來構(gòu)造適當(dāng)?shù)亩S電介質(zhì)厚片中的圓筒柱。此外，二維光子晶體能夠被設(shè)計(jì)成反射指定的頻帶內(nèi)的ER。結(jié)果，二維光子晶體能夠被設(shè)計(jì)和構(gòu)造成用于防止具有光子晶體的光子帶隙內(nèi)的頻率的ER的傳播的頻帶阻止(stop)濾波器。通常，圓筒柱的大小和相對間隔控制ER的哪些波長被禁止在二維光子晶體中傳播。然而，能夠在圓筒柱的晶格中引入缺陷(defect)來產(chǎn)生特定的局部化光學(xué)元件。特別地，能夠構(gòu)建被稱作“諧振腔”的點(diǎn)缺陷來提供臨時捕獲(trap)窄范圍的ER波長或頻率的諧振器。能夠構(gòu)建被稱作“波導(dǎo)”的線缺陷來傳送頻率范圍或波長處于光子帶隙的頻率范圍內(nèi)的ER。結(jié)果，三維光子晶體厚片能夠被認(rèn)為是具有折射率為n的二維光子晶體，所述折射率n依賴于厚片的厚度。
圖9圖示了具有兩個諧振腔和波導(dǎo)的光子晶體的示例。能夠通過省略、增大或減小選擇圓筒柱的大小來在二維光子晶體厚片中創(chuàng)建諧振腔。例如，通過省略圓筒柱來在光子晶體900中創(chuàng)建諧振腔901，如由虛線圈環(huán)繞的空白區(qū)域所示。諧振腔901和905被有效反射壁包圍，所述有效反射壁臨時捕獲光子帶隙的頻率范圍中的ER。諧振腔能夠在與光子晶體的平面垂直的方向上引導(dǎo)(channel)窄頻帶內(nèi)的ER。例如，諧振腔901能夠捕獲光子帶隙的窄頻帶內(nèi)的局部化(localized)TM模和TE模。除非光子晶體900被夾在產(chǎn)生全內(nèi)反射的兩個反射板或電介質(zhì)之間，否則在諧振腔901中諧振的ER就會在與光子晶體900的周期性平面垂直的方向上漏出(escape)。每個諧振腔具有相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量(“Q”)因數(shù)，質(zhì)量因數(shù)提供對在諧振腔中進(jìn)行諧振的ER擴(kuò)散到了包圍所述諧振腔的區(qū)域中之前在諧振腔中發(fā)生了多少振蕩的量度。
波導(dǎo)是光傳輸路徑，光傳輸路徑能夠被用來將光子帶隙的特定頻率范圍內(nèi)的ER從光子晶體中的第一位置引導(dǎo)至光子晶體中的第二位置。能夠通過改變圓筒柱的行或列內(nèi)的某些圓筒柱的直徑，或者通過省略圓筒柱的行來構(gòu)建波導(dǎo)。例如，在光子晶體900中，通過在制造光子晶體900期間省略整行圓筒柱來構(gòu)建電介質(zhì)波導(dǎo)902，如虛線903和904之間的空白區(qū)域所示。電介質(zhì)波導(dǎo)902沿單個路徑傳送具有波長λ0和λ1的ER。分支波導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)能夠被用來在通過光子晶體的多個不同路徑中引導(dǎo)ER。沿波導(dǎo)傳播的光信號的直徑能夠小至

其中n是波導(dǎo)的反射率，而諧振腔的諧波模體積能夠小至
波導(dǎo)和諧振腔在防止ER漏入直接包圍所述波導(dǎo)和諧振腔的區(qū)域上的效率可能會低于100％。例如，沿波導(dǎo)傳播的處于光子帶隙中的頻率范圍之內(nèi)的ER也趨于擴(kuò)散到包圍所述波導(dǎo)的區(qū)域中。進(jìn)入包圍波導(dǎo)或諧振腔的區(qū)域的ER的振幅會經(jīng)歷指數(shù)逐漸減弱，該過程被稱作“消散(evanescence)”。結(jié)果，諧振腔能夠被安置在波導(dǎo)的短距離之內(nèi)以允許所述波導(dǎo)所承載的ER的某些波長被所述諧振腔提取。實(shí)際上，諧振腔是能夠被用來提取在波導(dǎo)中傳播的ER的某一波長部分的濾波器。根據(jù)諧振腔Q因數(shù)，所提取的ER能夠保持被捕獲(trap)在諧振腔中并且在消散到周圍中或反向散射進(jìn)波導(dǎo)中之前諧振一段時間。例如，在圖9中，諧振腔901距離波導(dǎo)902太遠(yuǎn)以至于無法提取具有ER的特定波長的模。然而，諧振腔905能夠提取沿波導(dǎo)902傳播的具有波長λ3的ER部分。由此，可以使具有波長λ3的較小部分ER連同波長λ0和λ1的ER一起在波導(dǎo)902中傳播。
圖10是圖9所示的光子晶體的波導(dǎo)的頻率對波矢量

幅度的假設(shè)圖。在圖10中，共享區(qū)域1001和1002表示圖9所示的光子晶體900在沒有波導(dǎo)902情況下所透射的第一和第二帶結(jié)構(gòu)。區(qū)域1003標(biāo)識由光子晶體900所形成的光子帶隙。線1004標(biāo)識允許在波導(dǎo)902中傳播的頻帶。能夠通過增大波導(dǎo)902的大小來增加允許在波導(dǎo)902中傳播的頻帶的數(shù)目。
對三維光子晶體而言，三維晶格參數(shù)、介電常數(shù)之間的差異以及所包括項(xiàng)的維度確定光子帶隙的頻率范圍。還能夠通過有選擇地除去或改變某些包括項(xiàng)的維度來在三維光子晶體中構(gòu)建波導(dǎo)和諧振腔。
在電磁輻射中編碼數(shù)據(jù)的概述 比特是計(jì)算系統(tǒng)中信息的基本單位并且等同于兩個選項(xiàng)之間的選擇，諸如“是”和“否”或者“開”和“關(guān)”。典型地，比特的兩種狀態(tài)由數(shù)字“1”和“0”來表示。能夠通過調(diào)制電磁波的振幅頻率或相位在電磁波中對信息進(jìn)行編碼。經(jīng)調(diào)制的電磁波接著能夠在光纖、波導(dǎo)中或通過自由空間長距離傳送并且由解調(diào)器進(jìn)行解碼。然而，大多數(shù)電磁波與物質(zhì)之間的相互作用是由電場分量而不是磁場分量引起，原因在于磁場的振幅是電場的振幅的1/c倍，其中c表示光速。結(jié)果，并且為了簡單起見，電磁波能夠由電場分量表示為 E(z，t)＝E0cos(zk-ωk) 其中電場在z方向上傳播，ω是角頻率，k是波矢量ω/c，t是時間，而E0是振幅。圖11A是作為時間和固定觀察點(diǎn)的函數(shù)的電磁波的曲線圖。在圖11A中，水平線1102是時間軸，垂直線1104是振幅E0，而曲線1106表示電場E(z，t)。時間段T是電場信號完成一個周期所花費(fèi)的時間。角頻率ω為2πv，其中v是頻率或次數(shù)，電磁場每單位時間完成一個周期。
振幅調(diào)制被用來通過改變電磁信號振幅的強(qiáng)度或幅度來對信息進(jìn)行編碼。圖11B圖示了比特“0”和“1”的振幅調(diào)制的電磁信號編碼的示例。在圖11B中，一個比特對應(yīng)于四個連續(xù)信號周期，其中具有小振幅1110的周期1108對應(yīng)于比特“0”，而具有相對大的振幅1114的周期1112對應(yīng)于比特“1”。頻率調(diào)制被用來通過改變電磁信號的頻率來對信息進(jìn)行編碼。圖11C圖示了比特“0”和“1”的頻率調(diào)制的電磁信號編碼。在圖11C中，四個連續(xù)周期1116對應(yīng)于比特“1”，而兩個連續(xù)周期1118對應(yīng)于比特“0”。相位調(diào)制被用來通過如下方式移動電磁信號的相位來對信息進(jìn)行編碼 E(z，t)＝E0cos(zk-ωk+φ) 其中φ表示相移。相移對應(yīng)于電磁信號的波形移動。例如，圖11D圖示了包括曲線1122的1/4周期相移的曲線1120。圖11E圖示了比特“0”和“1”的相位調(diào)制的電磁信號編碼。在圖11E中，周期1124對應(yīng)于比特“1”，而周期1126包括對應(yīng)于比特“0”的1/2周期相移。
本發(fā)明的實(shí)施例 圖12圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的基于光子互連的計(jì)算集群。計(jì)算集群1200由群組(group)1201-1204、交換結(jié)構(gòu)1206、時鐘幀(clock frame)1208和由分支線(諸如線1210)表示的分支光傳輸路徑的樹構(gòu)成。群組1201-1204均由以下參考圖14所描述的一個或多個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在圖12中，光信號源(未示出)生成包括8個被稱作“頻率信道”的獨(dú)立電磁波的光信號，每個頻率信道具有由λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7和λ8表示的不同波長。所述光信號以方向箭頭1214所表示的方向在光傳輸路徑1212中進(jìn)入計(jì)算集群1200。光傳輸路徑1212通向其他分支光傳輸路徑，所述其他分支光傳輸路徑將所有的8個頻率信道傳送到群組1201-1204。接著，多個頻率信道能夠由每個群組的節(jié)點(diǎn)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并且由交換結(jié)構(gòu)1206重新分配到不同節(jié)點(diǎn)。時鐘幀1208提供時鐘信號，所述時鐘信號能夠被用來使包括計(jì)算集群1200的組件的操作同步。
光傳輸路徑能夠是光纖、同軸電纜、光子晶體中的波導(dǎo)，或者光纖、同軸電纜及波導(dǎo)的任意組合。單個光傳輸路徑能夠傳送多個獨(dú)立頻率信道，每個頻率信道表示獨(dú)立的總線。圖13A-13C圖示了能夠被用來向表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的計(jì)算集群的每個群組傳送和分配光信號的基于光子晶體的二維互連中的波導(dǎo)的示例。在圖13A-13C中，波導(dǎo)被安置在圓筒柱(諸如圖13A所示的圓筒柱1301)的晶格內(nèi)。所述圓筒柱能夠是氣孔或者填充了與所述光子晶體厚片的電介質(zhì)材料不同的電介質(zhì)材料的孔。二維光子互連可以具有數(shù)百納米或更小數(shù)量級的圓筒柱直徑和晶格常數(shù)。能夠選擇圓筒柱的直徑和圖案以及圓筒柱中或包圍圓筒柱的電介質(zhì)材料來創(chuàng)建光子帶隙，所述光子帶隙將光信號有效地限制于波導(dǎo)。圖13A圖示了能夠被用來沿直路徑傳送包括頻率信道λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7和λ8的光信號的直線波導(dǎo)，諸如圖12中的光傳輸路徑1212。圖13B圖示了能夠被用來限制和引導(dǎo)光信號的路徑的彎曲波導(dǎo)，諸如圖12中的彎曲的光傳輸路徑1220。圖13C圖示了能夠被用來將相同光信號傳送到兩個不同波導(dǎo)的Y形波導(dǎo)，諸如圖12中將相同光信號傳送到群組1201和1202的Y形光傳輸路徑。
由圖12中的光傳輸路徑所傳送的頻率信道被劃分為第一組頻率信道和第二組頻率信道。所述第一組頻率信道λ1、λ2、λ3和λ4由群組1201-1204中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制以編碼數(shù)據(jù)并且在光傳輸路徑1216-1219中連同第二組頻率信道λ5、λ6、λ7和λ8一起被傳送到交換結(jié)構(gòu)1206。圖14圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的群組示例。在圖14中，群組400由四個節(jié)點(diǎn)1401-1404以及光傳輸路徑1406構(gòu)成。每個節(jié)點(diǎn)能夠是處理器、存儲器、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、外部網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳送設(shè)備，或者任意電路或具有微尺度或納米尺度尺寸的電路鑲嵌(mosaic)。光傳輸路徑1406能夠是光子晶體中的波導(dǎo)，該波導(dǎo)把包括頻率信道λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7和λ8的光信號傳送到節(jié)點(diǎn)1401-1404。
群組1400中的每個節(jié)點(diǎn)被安置在基于光子晶體的寫入器(由向下的方向箭頭1408-1411表示)附近，所述寫入器提取第一組頻率信道的特定頻率信道中的數(shù)據(jù)和在第一組頻率信道的特定頻率信道中編碼數(shù)據(jù)。例如，基于光子晶體的寫入器1408提取頻率信道λ1，在頻率信道λ1中對由節(jié)點(diǎn)1401所生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以獲得經(jīng)調(diào)制的頻率信道

并且將經(jīng)調(diào)制的頻率信道

插入波導(dǎo)1406，其中上標(biāo)g標(biāo)識群組。例如，上標(biāo)g可以是“0”、“1”、“2”或“3”，它們用來標(biāo)識圖12所示的群組。經(jīng)調(diào)制的頻率信道

和

以及第二組未經(jīng)調(diào)制的頻率信道λ5、λ6、λ7和λ8被波導(dǎo)1406傳送到圖12中的交換結(jié)構(gòu)1206。
每個節(jié)點(diǎn)還被安置在基于光子晶體的讀取器(由向上的方向箭頭1412-1415標(biāo)識)附近，所述讀取器提取在頻率信道

和

中編碼的數(shù)據(jù)，其中橫杠表示由交換結(jié)構(gòu)1206傳送到群組1400的頻率信道，所述頻率信道均已經(jīng)由計(jì)算集群1200中的不同群組的節(jié)點(diǎn)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行了編碼。為了使所述節(jié)點(diǎn)與基于光子晶體的寫入器和讀取器進(jìn)行通信，每個節(jié)點(diǎn)都包括接口(諸如接口1418)，所述接口包括多路復(fù)用器(multiplexer)/多路解復(fù)器(demultiplexer)，所述多路復(fù)用器/多路解復(fù)器在節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部組件與以下所描述的相應(yīng)的連接的基于光子晶體的寫入器和讀取器之間傳送電信號。
基于光子晶體的寫入器通過提取由波導(dǎo)所傳送的特定頻率信道、按照節(jié)點(diǎn)指示對所提取的頻率信道進(jìn)行調(diào)制并且把經(jīng)調(diào)制的頻率信道插入波導(dǎo)中以由計(jì)算集群中其他位置的不同節(jié)點(diǎn)讀取，從而在特定頻率信道中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖15A圖示了表示本發(fā)明的多個實(shí)施例之一在光信號的特定頻率信道中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的基于光子晶體的寫入器?；诠庾泳w的寫入器1500在頻率信道λ1中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。寫入器1500包括下路濾波器1502、局部波導(dǎo)1504、調(diào)制器1506、上路濾波器1508和波導(dǎo)1406。下路濾波器1502是經(jīng)由消散耦合從波導(dǎo)1406提取和限制頻率信道λ1的諧振腔。頻率信道λ1從下路濾波器1502消散到局部波導(dǎo)1504，接著從局部波導(dǎo)1504消散到調(diào)制器1506。調(diào)制器1506是以下參考圖16A-16C所描述的諧振腔，該諧振腔根據(jù)節(jié)點(diǎn)1401所接收的編碼指令對頻率信道λ1進(jìn)行調(diào)制以生成經(jīng)調(diào)制的頻率信道

上路濾波器1508是經(jīng)由消散耦合從調(diào)制器1506接收經(jīng)調(diào)制的頻率信道

并且經(jīng)由消散耦合將經(jīng)調(diào)制的頻率信道

插入波導(dǎo)1506的諧振腔。
基于光子晶體的讀取器提取由計(jì)算集群中的不同節(jié)點(diǎn)所發(fā)送和寫入的特定調(diào)制的頻率信道。圖15B圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的提取在光信號的特定頻率信道中編碼的數(shù)據(jù)的基于光子晶體的讀取器?；诠庾泳w的讀取器1550提取經(jīng)編碼的頻率信道

讀取器1550包括下路濾波器1552和檢測器1554。下路濾波器1552經(jīng)由消散耦合從波導(dǎo)1406提取和限制頻率信道

頻率信道

從下路濾波器1552消散到解調(diào)器1554。解調(diào)器1554是以下參考圖16A-16C所描述的諧振腔，該諧振腔包括用于提取經(jīng)調(diào)制的頻率信道

所承載的數(shù)字信息的光電檢測器。
通常，基于光子晶體的寫入器和基于光子晶體的讀取器的下路濾波器和上路濾波器被安置在從波導(dǎo)發(fā)出的消散場范圍內(nèi)。能夠選擇下路和上路濾波器的直徑以及到波導(dǎo)的距離這二者以使得相關(guān)聯(lián)的諧振腔是用于所述波導(dǎo)所承載的特定波長的諧振器。例如，與圖15A-15B所示的下路濾波器1502和1552相關(guān)聯(lián)的諧振腔被安置在波導(dǎo)1406附近并且其維度也被設(shè)置成接近波導(dǎo)1406以分別提取和限制頻率信道λ1和

在圖15A中，上路濾波器1508被安置在波導(dǎo)1406附近并且其維度也被設(shè)置成接近波導(dǎo)1406以便將經(jīng)調(diào)制的頻率信道

插入波導(dǎo)1406。如圖15A所示，局部波導(dǎo)1504被安置在調(diào)制器1506附近以使得由局部波導(dǎo)1504所傳送的頻率信道的大部分能夠被耦合到調(diào)制器1506。調(diào)制器1506也被安置和被設(shè)置維度用以與上路濾波器1508之間形成強(qiáng)諧振耦合，以使得上路濾波器1508能夠?qū)⒔?jīng)調(diào)制的頻率信道

插入波導(dǎo)1406。能夠選擇光子晶體厚片的介電常數(shù)以及包圍每個諧振腔的圓筒柱的晶格的間隔和/或大小以使得下路濾波器僅能夠提取某些頻率信道。為了在波導(dǎo)和下路及上路濾波器之間提供強(qiáng)耦合，能夠以高Q因數(shù)(諸如約1000或更大的Q因數(shù))來構(gòu)建諧振腔。
能夠在光子晶體中使用各種不同缺陷來構(gòu)建下路濾波器和上路濾波器。圖16A圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的能夠被用作下路濾波器或上路濾波器的諧振腔。在圖16A中，能夠通過省略光子晶體厚片1604中的圓筒柱的規(guī)則三角形圖案內(nèi)的圓筒柱來構(gòu)建諧振腔1602。能夠選擇諧振腔1602的直徑以及包圍諧振腔1602的圓筒柱(諸如圓筒柱1606)的圖案和直徑來有效地防止特定頻率信道消散到周圍的光子晶體厚片1604中。還可以使用與周圍圓筒柱直徑不同的圓筒柱和/或利用與周圍圓筒柱的電介質(zhì)材料不同的電介質(zhì)材料填充圓筒柱來構(gòu)建諧振腔。光子晶體厚片1604被安置在玻璃襯底1608之上，并且由陽極摻雜(positively doped)的半導(dǎo)體層1610，位于半導(dǎo)體層1610之上的絕緣層1612，以及位于絕緣層1612之上的陰極摻雜的半導(dǎo)體層1614構(gòu)成。層1614、1612和1610構(gòu)成被稱為“p-i-n”層的單層。p-i-n層的摻雜物濃度(concentration)能夠是Si、SiO、SiO2、InGaAs或任何其他合適的摻雜物的任意組合。
能夠以各種不同的材料將解調(diào)器和調(diào)制器構(gòu)建在諧振腔處。圖16B圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的解調(diào)器/調(diào)制器的第一配置。能夠使用諧振腔(諸如諧振腔1602)來構(gòu)建解調(diào)器/調(diào)制器1616，所述諧振腔1602被夾在兩個電極1620和1622之間。電極1620與半導(dǎo)體層1610相接觸，而電極1622與半導(dǎo)體層1614相接觸。為了將解調(diào)器/調(diào)制器1616作為解調(diào)器進(jìn)行操作，電極1620和1622收集由在諧振腔1602中諧振的頻率信道的強(qiáng)度、相位和/或振幅的變化而產(chǎn)生的變化電流。所述變化電流表示能夠經(jīng)由信號線(未示出)從電極1620和1622傳送到節(jié)點(diǎn)接口(諸如圖14中的接口1418)的數(shù)據(jù)流。半導(dǎo)體層1610和1614可以具有不同的摻雜物濃度或摻雜物類型，以使得解調(diào)器/調(diào)制器1616能夠通過改變施加到電極1620和1622的電壓而作為調(diào)制器進(jìn)行操作。所施加的電壓由節(jié)點(diǎn)接口提供以通過改變頻率信道的相位和/或振幅來對諧振腔1602中諧振的頻率信道進(jìn)行調(diào)制。
圖16C圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的解調(diào)器/調(diào)制器的第二配置。解調(diào)器/調(diào)制器1626包括諧振腔1602以及兩個電極1628和1630，這兩個電極均被安置在諧振腔1602之下。層1604能夠由以上參考圖16A所述的p-i-n層或單層(諸如單層鈮酸鋰LiNbO3)構(gòu)成。解調(diào)器/調(diào)制器1626通過在電極1628和1630中收集由在諧振腔1602中諧振的頻率信道的強(qiáng)度、相位和/或振幅的變化而產(chǎn)生的變化電流而作為解調(diào)器進(jìn)行操作。解調(diào)器/調(diào)制器1626通過改變施加到電極1628和1630的電壓而作為調(diào)制器進(jìn)行操作，所述電壓進(jìn)而改變諧振腔1602中的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，從而使得諧振腔1602中諧振的頻率信道的相位和/或振幅發(fā)生變化。
解調(diào)器電極檢測器中的本征電容經(jīng)常足夠低，從而由于導(dǎo)體中的電子熱擾動所產(chǎn)生的噪聲(稱作“約翰遜噪聲”)而導(dǎo)致的電流波動可能就不明顯。結(jié)果，與光信號源相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)主導(dǎo)了與來自所述檢測器的輸出相對應(yīng)的串行數(shù)字信號中產(chǎn)生的誤比特率(“BER”)。例如，具有每比特30個光子的光信號的泊松分布足以實(shí)現(xiàn)低于10-13的BER。將摻雜區(qū)域結(jié)合到具有10至100的Q因數(shù)的諧振腔中可以對降低的吸收進(jìn)行補(bǔ)償。在針對阻抗匹配適當(dāng)選擇Q因數(shù)的情況下，所述腔的光輸入損失對所述檢測器的內(nèi)部吸收損失可以提高檢測效率。例如，可以實(shí)現(xiàn)提高檢測效率約50％。
可以在使用光電技術(shù)設(shè)計(jì)諧振腔增強(qiáng)(“RCE”)調(diào)制器時進(jìn)行類似的考慮。就具有大于約1,000的Q因數(shù)的諧振腔而言，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50％的調(diào)制深度。雖然能夠采用其他物理效應(yīng)，諸如自由載流子等離子體指標(biāo)(index)的變化，但是能夠以具有跨越約300nm的間隙施加的約30mV的電勢差使用光電調(diào)制來產(chǎn)生1kV/cm的電場，這足以在大多數(shù)線性電介質(zhì)材料中生成大至0.001的折射率變化。
在群組已經(jīng)在波導(dǎo)所傳送的頻率信道的一半頻率信道中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后，圖12中的交換結(jié)構(gòu)1206采用未編碼的頻率信道對被引導(dǎo)至計(jì)算集群內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖17圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的圖12所示的交換結(jié)構(gòu)1206的示意性表示。交換結(jié)構(gòu)1206接收分別在波導(dǎo)1216-1219中從群組1201-1204傳送的經(jīng)調(diào)制和未經(jīng)調(diào)制的頻率信道。如以上參考圖15B所描述的，由帶有向上方向箭頭的框所表示的基于光子晶體的讀取器提取在波導(dǎo)1216-1219中傳送的經(jīng)調(diào)制的頻率信道。基于光子晶體的讀取器將所提取的頻率信道轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電比特流?；陔娮拥慕粨Q結(jié)構(gòu)1706將所述比特流引導(dǎo)至圖12中的計(jì)算集群中的節(jié)點(diǎn)。例如，基于光子晶體的讀取器1701-1704從波導(dǎo)1216提取經(jīng)調(diào)制的頻率信道

和

并且將這些經(jīng)調(diào)制的頻率信道分別轉(zhuǎn)換為電子輸入比特流

和

輸入比特流

和

在信號線(諸如信號線1705)中被傳送至基于電子的交換結(jié)構(gòu)1706，所述比特流在那里被劃分、組裝并且被引導(dǎo)至計(jì)算集群的特定節(jié)點(diǎn)，如以下參考圖17-18所描述的那樣。輸出比特流

和

表示由基于電子的交換結(jié)構(gòu)1706所輸出的經(jīng)組裝的比特流。由帶有向下方向箭頭的框所表示的基于光子晶體的寫入器通過對每個波導(dǎo)中傳送的未經(jīng)調(diào)制的頻率信道λ5、λ6、λ7和λ8進(jìn)行調(diào)制來對輸出比特流中的信息進(jìn)行編碼。例如，基于光子晶體的寫入器1707-1710通過對未經(jīng)調(diào)制的頻率信道λ5、λ6、λ7和λ8進(jìn)行調(diào)制來分別對輸出比特流

和

中所包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以獲得經(jīng)調(diào)制的頻率信道

和

經(jīng)調(diào)制的頻率信道

和

在波導(dǎo)1216中被傳送到圖12中的群組1201的節(jié)點(diǎn)。
圖18圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的圖17所示的基于電子的交換結(jié)構(gòu)1706的實(shí)施方式。在圖18中，比特流被傳遞至循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1802。所述循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1802由信號線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所述信號線被用來將所述比特流分配到虛擬輸出隊(duì)列，如以下參考圖19A-19B所描述的那樣。所述虛擬輸出隊(duì)列(諸如虛擬輸出隊(duì)列1804)從循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1802接收連續(xù)的比特流，并且將所述連續(xù)的比特流轉(zhuǎn)換為作為分組存儲的并行字流。每個分組包括使得所述分組能夠被引導(dǎo)至節(jié)點(diǎn)的群組和節(jié)點(diǎn)地址。每個虛擬隊(duì)列中的某些分組被多路復(fù)用以便于對傳送到循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1806的連續(xù)比特流進(jìn)行組裝。每個虛擬輸出隊(duì)列所執(zhí)行的緩沖和多路復(fù)用將在以下參考圖19來描述。當(dāng)從虛擬輸出隊(duì)列輸出分組時，循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1806將所組裝的比特流引導(dǎo)至所述群組和節(jié)點(diǎn)地址所標(biāo)識的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)。虛擬輸出隊(duì)列和循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1802和1806的操作是根據(jù)(以上參考圖12所描述的)時鐘幀1208所提供的時鐘信號來同步的。
圖19A圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)的示例。循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1900包括接收比特流e0、e1、e2和e3的輸入1901-1904。每個輸入被連接到一組四個不同信號線(諸如信號線1905)，所述信號線將相同的比特流傳送到所有四個同等配置的多路復(fù)用器1906-1909。一組四個不同信號線中的每個信號線以輸入地址次序通過循環(huán)置換切換而連接到多路復(fù)用器1906-1909的不同輸入地址。例如，比特流e0被傳送到多路復(fù)用器1906的第一輸入地址、多路復(fù)用器1907的第二輸入地址、多路復(fù)用器1908的第三輸入地址以及多路復(fù)用器1909的第四輸入地址。在時鐘信號的每個時隙，特定的輸入地址被發(fā)送到多路復(fù)用器1906-1909，使得位于相同輸入地址的比特流被輸出。例如，用于多路復(fù)用器1906-1909的第一輸入地址的地址被同時發(fā)送到每個多路復(fù)用器，使得比特流e0、e3、e2和e1被分別從多路復(fù)用器1906-1909同時輸出。圖19B圖示了圖19A中所示的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)1900能夠產(chǎn)生的四種可能的循環(huán)置換輸出。所述循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)并不局限于四個輸入。在可替換的實(shí)施例中，循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)可以被構(gòu)建為將M個不同的比特流置換到(permute)M個同等配置的多路復(fù)用器，每個多路復(fù)用器具有M個不同的輸入地址，其中M是任意的正整數(shù)。
圖20圖示了表示本發(fā)明多個實(shí)施例之一的示例性虛擬輸出隊(duì)列的實(shí)施方式。在圖20中，虛擬輸出隊(duì)列2000接收由方向箭頭2002所表示的連續(xù)比特流。轉(zhuǎn)換器2004將比特流2002劃分為被傳送至多路解復(fù)器2006的分組。轉(zhuǎn)換器2004還把附加比特流的形式的地址分配到每個分組，所述地址標(biāo)識每個分組要被發(fā)送到以進(jìn)行處理的群組和節(jié)點(diǎn)。多路解復(fù)器2006接收所述分組并且根據(jù)分配給每個分組的地址將每個分組緩沖到虛擬輸出隊(duì)列中。例如，分組(諸如分組2010)被緩沖在緩沖器2012中，并且每個分組具有相同的節(jié)點(diǎn)和群組地址。多路復(fù)用器2014循環(huán)通過每個虛擬隊(duì)列，時鐘信號的每個時隙一個隊(duì)列，對具有相同節(jié)點(diǎn)和群組地址的分組進(jìn)行解隊(duì)(dequeue)，接著把解隊(duì)的分組傳送至轉(zhuǎn)換器2016。轉(zhuǎn)換器2016把解隊(duì)的分組組裝成連續(xù)比特流(由方向箭頭2018表示)并且將所述連續(xù)比特流傳送到所述地址所標(biāo)識的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)和群組以進(jìn)行處理。
雖然已經(jīng)就特定實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是并非意指本發(fā)明局限于這些實(shí)施例。在本發(fā)明的精神內(nèi)進(jìn)行修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是很明顯的。例如，在本發(fā)明的可替換的實(shí)施例中，作為替代，能夠采用光子互連信號發(fā)送系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)操縱量子狀態(tài)(諸如量子位(qubit)、量子四元(qudit)或量子n元(qunit))的量子系統(tǒng)。在本發(fā)明的可替換的實(shí)施例中，由波導(dǎo)傳送的光信號能夠表示量子信息，并且節(jié)點(diǎn)接口能夠?qū)⑺x擇的光信號路由到納米尺度的電子電路，或者將所述光信號轉(zhuǎn)換為適于納米尺度電子電路的形式。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，能夠在使用基于電子自旋的半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)的光脈沖控制的量子信息處理中使用基于光子互連的計(jì)算集群。在半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)中，每個量子位能夠由單個電子或量子點(diǎn)的自旋狀態(tài)來表示。量子點(diǎn)表示單個電子存在或不存在。能夠使用允許檢測單個電子的任意物質(zhì)(諸如半導(dǎo)體、金屬、原子或分子)來創(chuàng)建量子點(diǎn)。通過對特定量子點(diǎn)應(yīng)用光控制脈沖來實(shí)現(xiàn)單量子位或雙量子位邏輯運(yùn)算。半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)將量子光學(xué)和自旋電子學(xué)(spintronics)相結(jié)合，其包括激光所提供的精確控制、諧振-熒光測量的可用性以及半導(dǎo)體中的電子的長自旋相干時間。圖12中所示的體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠被運(yùn)用于基于電子自旋的半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)來向(由圖14中的節(jié)點(diǎn)所表示的)目標(biāo)量子點(diǎn)發(fā)送由下路濾波器提取的用于應(yīng)用的激光控制脈沖。結(jié)果，所述目標(biāo)量子點(diǎn)能夠?qū)α孔游唬蛘咴诹孔游缓拖噜徚孔狱c(diǎn)中的量子位之間執(zhí)行邏輯運(yùn)算。
出于解釋的目的，以上描述使用特定術(shù)語來提供對于本發(fā)明的全面理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將會很明顯的是，為了實(shí)踐本發(fā)明不要求特定的細(xì)節(jié)。本發(fā)明特定實(shí)施例的以上描述是出于說明和描述的目的而給出的。它們不旨在是窮舉的或者將本發(fā)明限制于所公開的確切形式。顯然，考慮到以上教導(dǎo)，許多修改和變化都是可能的。為了最好的解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用而示出和描述了所述實(shí)施例，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠最佳地利用本發(fā)明，并且具有各種修改的各個實(shí)施例適合于預(yù)期的特定使用。本發(fā)明的范圍意在由所附權(quán)利要求及其等同物來確定。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算集群，包括
具有一個或多個光傳輸路徑(1210，1212，1216-1219)的光子互連(1200)，所述光傳輸路徑用于將光信號內(nèi)的獨(dú)立頻率信道傳送至一組節(jié)點(diǎn)(1400)中的每個節(jié)點(diǎn)(1401-1404)；
一個或多個基于光子互連的寫入器(1500)，每個寫入器都與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個寫入器將所述節(jié)點(diǎn)所生成的信息編碼到所述獨(dú)立頻率信道之一中；
用于把在獨(dú)立頻率信道中編碼的信息引導(dǎo)到所述計(jì)算集群(1200)中的一個或多個節(jié)點(diǎn)(1401-1404)的交換結(jié)構(gòu)(1206，1706)；和
一個或多個基于光子互連的讀取器(1550)，每個讀取器與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個讀取器提取在被引導(dǎo)到所述節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立頻率信道中編碼的信息以進(jìn)行處理。
2.如權(quán)利要求2所述的計(jì)算集群，其中所述交換結(jié)構(gòu)(1200，1706)還包括一個或多個用于分配信息的連續(xù)比特流的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)(1802，1806)，以及一個或多個用于將信息分組排隊(duì)到一個或多個緩沖器(2010)中的虛擬輸出隊(duì)列(1804，2000)。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算集群，其中所述節(jié)點(diǎn)(1401-1404)還包括處理器、存儲器、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、外部網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳送設(shè)備或者任意電路或具有微尺度尺寸或納米尺度尺寸的電路鑲嵌中的任意一個。
4.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算集群，其中所述光子互連還包括具有波導(dǎo)、多個獨(dú)立光纖或自由空間的二維光子晶體。
5.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算集群，其中所述基于光子互連的寫入器(1500)還包括
用于從所述光傳輸路徑(1406)提取頻率信道的下路濾波器(1502)，
用于從所述下路濾波器提取頻率信道并且傳送頻率信道的局部波導(dǎo)(1504)，
用于從所述局部波導(dǎo)提取頻率信道并且通過對頻率信道進(jìn)行調(diào)制來產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的頻率信道的調(diào)制器(1506)，和
用于從所述調(diào)制器提取經(jīng)調(diào)制的頻率信道并且將經(jīng)調(diào)制的頻率信道插入所述光傳輸路徑的上路濾波器(1508)。
6.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算集群，其中所述基于光子互連的讀取器還包括
用于從所述光傳輸路徑提取頻率信道的下路濾波器(1552)，和
用于從所述下路濾波器提取頻率信道并且對在頻率信道中編碼的信息進(jìn)行解調(diào)的檢測器(1554)。
7.一種交換結(jié)構(gòu)，包括
一個或多個光傳輸路徑(1210，1212，1216-1219)，所述光傳輸路徑均傳送第一組獨(dú)立頻率信道和第二組獨(dú)立頻率信道，所述第一組獨(dú)立頻率信道對計(jì)算集群中的節(jié)點(diǎn)(1401-1404)所輸出的信息進(jìn)行編碼；
一個或多個基于光子互連的讀取器(1550)，每個讀取器提取所述第一組獨(dú)立頻率信道中的頻率信道并且將所述信息編碼到一個或多個電子輸入比特流中；
用于將所述電子輸入比特流劃分和組裝成電子輸出比特流的基于電子的交換結(jié)構(gòu)(1206)，每個電子輸出比特流被引導(dǎo)至所述計(jì)算集群中的特定節(jié)點(diǎn)；和
一個或多個基于光子互連的寫入器(1500)，每個寫入器把在所述電子輸出比特流中編碼的信息編碼到所述第二組獨(dú)立頻率信道中的頻率信道之中。
8.如權(quán)利要求7所述的交換結(jié)構(gòu)，其中所述交換結(jié)構(gòu)(1200，1706)還包括一個或多個用于分配信息的連續(xù)比特流的循環(huán)置換網(wǎng)絡(luò)(1802，1806)，以及一個或多個用于將信息分組排隊(duì)到一個或多個緩沖器(2010)中的虛擬輸出隊(duì)列(1804，2000)。
9.如權(quán)利要求7所述的交換結(jié)構(gòu)，其中所述節(jié)點(diǎn)(1401-1404)還包括處理器、存儲器、計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、外部網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳送設(shè)備或者任意電路或具有微尺度尺寸或納米尺度尺寸的電路鑲嵌中的任意一個。
10.如權(quán)利要求7所述的交換結(jié)構(gòu)，其中所述光子互連還包括具有波導(dǎo)、多個獨(dú)立光纖或自由空間的二維光子晶體。
全文摘要
本發(fā)明的各個實(shí)施例針對在計(jì)算集群節(jié)點(diǎn)(1401-1404)之間提供高速、高帶寬互連的基于光子互連的計(jì)算集群(1200)。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，計(jì)算集群(1200)包括具有一個或多個光傳輸路徑(1210，1212，1216-1219)的光子互連，所述光傳輸路徑用于將光信號內(nèi)的獨(dú)立頻率信道傳送到一組節(jié)點(diǎn)(1401-1404)中的每個節(jié)點(diǎn)。所述計(jì)算集群(1200)包括一個或多個基于光子互連的寫入器(1500)，每個寫入器與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個寫入器將節(jié)點(diǎn)所生成的信息編碼到所述獨(dú)立頻率信道之一中。交換結(jié)構(gòu)把在獨(dú)立頻率信道中編碼的信息引導(dǎo)到所述計(jì)算集群的一個或多個節(jié)點(diǎn)。所述計(jì)算集群還包括一個或多個基于光子互連的讀取器(1550)，每個讀取器與特定節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，并且每個讀取器提取在被引導(dǎo)到所述節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立頻率信道中編碼的信息以進(jìn)行處理。
文檔編號H04Q11/00GK101371533SQ200780002949
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
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