[发明专利]一种面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电子领域的一种光交换阵列结构，该结构可以用于搭建面向胖树型拓扑结构的光路由器。

背景技术

随着高性能微处理器核间通信需求的不断提高，以电互连为基础的传统片上网络已经很难满足高性能多核微处理器对片上网络延迟、带宽和功耗方面的严格要求。光互连作为一种新型互连技术能够减轻甚至消除传统电互连面临的延迟、带宽和功耗问题，为未来高性能微处理器片上网络的设计开辟了一条新的道路。

片上光互连网络由传输链路、网关和光学路由器以特定的拓扑结构连接而成。其中，传输链路（即光波导）用于实现光信号在微处理器芯片内的传输；网关用于实现微处理器核与片上光互连网络的连接，由激光器、调制器、探测器、放大器、驱动器等光电器件构成；光学路由器用于实现对光信号的路由，主要由光交换阵列和光交换阵列控制逻辑组成。光交换阵列控制逻辑通常是数字电路，用于完成路由信息的计算和光交换阵列控制信息的生成；光交换阵列通常由微环和光波导构成，微环可以动态改变谐振频率以实现对特定波长光信号的交换。

拓扑结构决定了片上光网络各个功能部件的连接方式，并在很大程度上决定了片上光网络的性能指标。目前，学术界已经提出了大量用于片上光互连的拓扑结构。在众多拓扑结构中，胖树型拓扑结构因为具有较好的可扩展性和较短的网络直径而受到体系结构设计者的广泛青睐。在胖树型拓扑结构中，网络节点间的带宽自叶而根逐渐变大，可以有效的避免近根节点的拥塞问题。目前，在基于胖树拓扑结构的片上光互连网络中面临的主要问题是如何减少光交换阵列所用的微环数量和如何提高光交换阵列的端口规模，前者关系到片上光互连网络占用的芯片面积、功耗、光损耗和复杂度，后者关系到片上光网络的网络直径，进而影响到网络的端到端延迟。

目前，可以用于构建N×N的光交换阵列的结构主要是光Crossbar，又称为光交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵，其优点是所有的输入输出端口对间都存在独立的传输通道，因而该结构占用资源较多，一个N×N的光Crossbar需要使用N²个微环。然而在胖树型拓扑结构中，任意两个上行端口间不需要实现光交换功能，因此可以根据这一特性来对光Crossbar结构进行精简，以减少微环的使用数量。Huaxi Gu等人基于该思路提出了一种专门用于胖树拓扑结构的精简4×4光Crossbar交换阵列，该结构使用了10个微环。但是，将该结构扩展到8×8时，它将使用48个微环。因此，如何通过合理的设计来尽量减少微环的数量，仍是本领域有待解决的一个重要问题。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题：为面向胖树型拓扑结构的片上光路由器，提供一种8×8的光交换阵列，使得所用的微环数量较少，光损耗较小，以满足光交换阵列对面积、功耗、端口规模方面的需求。

本发明的技术方案：

本发明提出一种面向胖树型拓扑结构的8×8光交换阵列。该结构共由3级子交换阵列组成，子交换阵列之间通过光波导相连。每一级子交换阵列都是由若干个1×2光开关（简称PSE1）和2×2光开关（简称PSE2）构成。PSE1和PSE2均由两根互连交叉的光波导以及用于实现转向功能的微环构成，其中，PSE1中的微环位于输入端口PSE1_I1和输出端口PSE1_O2之间，PSE2中的2个微环分别位于输入端口PSE2_I1、输出端口PSE2_O2和输入端口PSE2_I2以及输出端口PSE2_O1之间，其光波导和微环的制作均采用标准工艺。第一级光交换阵列与端口P1、P2、P3、P4及第二级光交换阵列相连，第三级光交换阵列与端口P5、P6、P7、P8及第二级光交换阵列相连。每个端口均包含一根输入光波导和一根输出光波导，用于实现双向的数据传输。