专利名称：可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光计算领域的光学互连技术，特别涉及到一种能够实现输入端口和输 出端口之间光信号任意单向传输和高速切换的二维自由空间光学互连系统。
背景技术：
传统的电子计算机系统一般采用基于铜导体的电信号互连技术，电互连具有工艺 成熟、成本低廉、连接简便等优点。但是随着近年来计算机技术的飞速发展，处理单元对通 信速度的要求日益提高，电信号的频率已经从MHz发展到GHz时代，传统电信号传输的各种 局限逐渐显现出来，主要体现在以下方面1.带宽限制从某种意义上讲，导线是一个低通 滤波器，其有限带宽会导致信号的严重失真；2.时钟歪斜逻辑时钟信号无失真地传输是 数据正确处理的基础，由于导线的有限带宽会引起逻辑门输入信号前沿的畸变，从而导致 其输出误码；3.严重串话一段导线以超高频传输信号时，由于辐射能量和传输频率是高 次方的正比关系，所以在传输频率高时，导线变成了邻近导线的发射天线或接收天线，这种 严重的串话可能导致系统无法正常运行；4.寄生效应金属线的电容和电感往往会造成误 码；5.易受电磁场的干扰；6.高功耗每30cm导线充电到IV所需能量相当于一个电子逻 辑开关能量的1000倍，由于在利用金属导线传输信号时，每单位长度线上均需充电到逻辑 电平，故需要较大能量，且随着信号频率的提高，功耗会急剧上升。为了解决高性能计算机中的信号传输问题，人们提出了光互连的概念。1984年，国 际著名的光学专家、斯坦福大学的J. W. Goodman教授首次提出在超大规模集成电路系统中 采用光互连技术(Proceedings of ThelEEE，vol. 72，no. 7，pp850_866)，此后光互连逐步走 向实用，尤其在长距离光通信领域得到了很大发展。光互连是利用光的波粒二相性与物质相互作用产生的各种现象实现数据信号的 传输和交换的技术。它以光波作为载体来进行信息传输，光波作为电磁波可以在非导电介 质如自由空间、光学材料等中利用电场和磁场的相互交换来传播，这是光互连和电互连在 物理机制上的根本不同。理论上讲，光互连具有以下优点1.极高的空间和时间带宽由于自由空间具有 无色散的性质，载波空间带宽大约为ΙΟΟΤΗζ，空间和时间带宽积可认为是无穷大，信息传 输无失真；2.抗干扰光波的传播遵循独立传播原理，多路光信息可以相互交叉而独立无 干扰的传递信息，不受电磁场的干扰；3.互连数目大，互连密度高光互连系统通常可以认 为是物平面上的信息传递到像平面上相应部分的光学系统，其互连总数理论上可达106 ； 4.无触点互连光互连在互连的光逻辑开关器件上无物理接触点，可明显提高其可靠性和 互连密度；5.等光程性光互连通道路径的等光程性保证了各对应点之间的等光程互连； 6.低功耗光波传递信息的机理是光量子阻抗变换，功耗极低，且不随信号传输速率的增 高而增加。由于光互连技术以其明显的优点呈现出光明的应用前景，因此成为各国研究的热 点课题。日本NTT公司相继报道了 COSINE-I型、II型和III型高速光互连网络系列，美国AT&T贝尔实验室相继报道了第一代和第二代光学数字通信交换网络实验系统。其他国外的研究机构如 StanfordUniversity、力口州理工、UCLA、Columbia Universit y> University of Texasat Austin、MIT、力口拿大 McGill University 等大学禾口 Luxtera、Intel、Sun、Cray 等公司，国内的研究机构如天津大学、国防科技大学、华中科技大学、中科院半导体所和浙 江大学等都对此进行了深入研究并提出了不同的光互连方案。根据传输介质的不同，各种光互连方案基本上可以分为自由空间光互连和光波导 互连两类。光波导互连是采用光纤或集成光学波导作为光束传输介质，光束的传输方向由 传输介质控制。自由空间光互连是通过光学器件转折和控制在空间传输的光束进行互连。长距离光纤通信技术的发展使得光纤用无源器件的性能得到了很大提高，包括耦 合器、分束器、复用/解复用器等，为光纤互连技术在高性能计算机中的应用提供了良好的 技术与器件基础。由于光纤互连在机械连接方面具有导线连接的方便灵活、简单可靠的特 性，又具有光传输的高速率、高带宽、双向传输和多路复用等特性，因此在高性能计算机尤 其是机柜间的互连方面得到大量应用。2006 年，OSA J. Optical Networks, vol. 3，no. 12，pp. 900-913 报道了 IBM 禾口 Corning公司联合研制的基于光纤互连技术的光学共享内存超级计算机互连系统(Optical Shared Memory SupercomputerInterconnect System, OSMOSIS)。它有 64 个输入端 口禾口 64个输出端口，采用半导体光放大器(SOA)与8个光纤上的8个波长获得64路的分发，实 现了一个广播-选择(B&S)数据交换结构。在交换的过程中，首先通过高速的8 1光纤 选择阶段，接着通过每个输出端口的高速8 1波长选择阶段，这种结构可以概括为解复 用-SOA-选择-复用。但是它存在的问题是交换和逻辑操作次数过多，系统采用了大量的 分束器、光放大器和复用/解复用器，成本昂贵，结构复杂，不易扩容和升级。不同于光纤互连技术，自由空间光互连是利用各种折射、反射、衍射、投射和全息 光学元件等改变光在空间中的传播。它的互连密度更高，接近光的衍射极限，不存在信道对 带宽的限制；可以实现交叉互连和三维空间互连，能提供更多的管脚或端口数目；信号传 输过程中的衰减很低，并具有潜在的空间并行传输能力。自由空间光互连的实现手段包括 电控全息、衍射、MEMS微镜阵列等。申请号为200610129883的中国专利报道了一种全息元件构成的光互连网络结 构。它的组成部分包括输入端口、根据输入端口进来的信号判断它的目的地址并选择后面 相应的全息图的控制器、装有全息图的全息元件和输出端口。它采用全息图的一个衍射通 道作为控制通道，并且在全息图前增加了控制元件，可以选择任意全息图和全息图的任意 衍射通道，实现了任意输入端口到任意输出端口的路由功能。也可以通过控制器路由到所 有的全息元件中，选择所有的衍射通道，所以该互连网络结构具有任意输入端口的组播功 能。该互连结构的拓扑结构易于扩展和重构，能够实现大规模互连网络。其不足之处在于 对全息元件进行控制时需要施加较高的电压，甚至达到千瓦以上，给实际应用带来了较大 的困难。2000年Proc. SPIE，vol.4178，pp320报道了 Lucent公司研制的可用于大规模 光互连的 Microstar 微镜阵列技术。2001 年的 LEOS SummerTopical Meet ings[C], Copper Mountain, CO, pp43 报道了 Lucent 公司利用该技术制作的 1296x1296 端口的 Wave LambdaRouter光交换系统，其单端口传输容量为1.6Tb/s (单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号)，具有无阻塞特性，插入损耗为5. IdB,串扰最坏情况为_38dB，使光开关 的交换容量达到了一个新的数量级。OMM和Xeros公司也报道了类似产品。这类利用MEMS 微镜阵列进行自由空间光交换的不足之处在于MEMS的制作工艺复杂，价格昂贵，且开关速 度被限制在毫秒量级，无法进行光信号的高速切换。
发明内容
本发明的目的在于，针对以上几种光纤互连和自由空间光互连方案的不足，提供 一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，实现输入端口和输出端口之间光信号的 任意单向传输和高速切换，并提出相应的升级和扩容方案。本发明采用的技术方案是本发明提供一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于，包 括一阵列光源，其可接收数据输入；一二维光开关阵列；一前光学系统，该前光学系统位于阵列光源与二维光开关阵列之间；一阵列探测器，用于数据输出；一后光学系统，该后光学系统位于二维光开关阵列与阵列探测器之间；上述阵列光源、前光学系统、二维光开关阵列、后光学系统和阵列探测器位于同一 光路上。其中阵列光源是发光二极管、垂直腔表面发射激光二极管或半导体DFB激光器； 或是以上多个分立光源的组合，其中的单个分立光源分别与阵列光源中的单根光纤耦合在 一起，组成阵列光源。其中阵列探测器是PIN探测器、APD探测器、MSM探测器或光电倍增管；或是以上 多个分立探测器的组合，其中的单个分立探测器分别与阵列探测器中的单根光纤耦合在一 起，组成阵列探测器。其中二维光开关阵列是液晶空间光调制器或是多量子阱空间光调制器。其中前光学系统包括三个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜 之后，且该柱透镜为垂直放置。其中后光学系统包括一个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜 之前，且该柱透镜为水平放置。其中阵列光源的端口的数目为1 XN，二维光开关阵列的端口的数目为NXN，阵列 探测器的端口的数目为NXl，其中N =正整数。由于本发明采用了上述技术方案，因此与背景技术相比，具有下列优点1、采用了自由空间的光学互连，相比光纤互连，该方案的互连密度更高，不存在信 道对带宽的限制；2、光信号在自由空间传输过程中的衰减很低，减少了不必要的能量损失；3、在光学成像和会聚系统允许的范围内，没有管脚限制，可以提供更多的端口数 目；4、输入和输出端口之间的连通和切换由二维开关阵列控制，易于实现多个输入端口和多个输出端口之间信号传输通道的重构，控制操作次数降低，逻辑层次简单；5、系统的组成器件只包括必要的输入光源阵列、输出探测器阵列以及用于传输控制的二维开关阵列，前后光学系统的复杂度降低，元件数目减少；6、采用液晶空间光调制器或多量子阱空间光调制器作为二维开关阵列，开关速度 达到微秒量级，可实现输入和输出端口之间光学信号传输的高速动态切换；7、如果在光学系统设计的过程中预留出冗余接口，并采用相应维数的二维光开关 阵列，则当所需端口数目增加的时候，直接更换单元数目更大的光源阵列和探测器阵列即 可，易于实现系统的扩容和升级；8、整个系统结构简单，装调方便，价格相对较低，便于标准化和规模化生产，具有 很好的实用性；
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明进行详细的说明，其 中图1是本发明的二维自由空间光学互连系统的结构示意图。图2是本发明的二维自由空间光学互连系统的具体实施例一的结构示意图。图3是本发明的二维自由空间光学互连系统的具体实施例二的结构示意图。图4是本发明的二维自由空间光学互连系统的具体实施例三的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明为一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，包括一阵列光源101，其可接收数据输入，该阵列光源101是发光二极管、垂直腔表面 发射激光二极管或半导体DFB激光器；或是以上多个分立光源的组合，其中的单个分立光 源分别与阵列光源101中的单根光纤耦合在一起，组成阵列光源；—二维光开关阵列103，该二维光开关阵列103是液晶空间光调制器或是多量子 阱空间光调制器；一前光学系统102，该前光学系统102位于阵列光源101与二维光开关阵列103之 间，该前光学系统102包括三个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜之 后，且该柱透镜为垂直放置；一阵列探测器105，用于数据输出，该阵列探测器105是PIN探测器、APD探测器、 MSM探测器或光电倍增管；或是以上多个分立探测器的组合，其中的单个分立探测器分别 与阵列探测器105中的单根光纤耦合在一起，组成阵列探测器；一后光学系统104，该后光学系统104位于二维光开关阵列103与阵列探测器105 之间，该后光学系统104包括一个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜 之前，且该柱透镜为水平放置；上述阵列光源101、前光学系统102、二维光开关阵列103、后光学系统104和阵列 探测器105位于同一光路上。所述的该阵列光源101的端口的数目为1XN，二维光开关阵列103的端口的数目 为NXN，阵列探测器105的端口的数目为NX 1，其中N =正整数。
图2所示为本发明中二维自由空间光学互连系统的具体实施例一的示意图。阵列 光源201中任一单元发出的光束202以一定的出射角到达前光学系统中的圆透镜203，在圆 透镜203和柱透镜204的共同作用下，从阵列光源201中任一单元发出的光束202被扩展 开来并布满二维光开关阵列205上对应的一整列。二维光开关阵列205上的每一整列对应 来自阵列光源201中同一个光源输出的信号，每一整行上的各个像素则对应来自阵列光源 201中各个不同光源输出的信号。通过控制二维光开关阵列上每个像素的透过率为“1”和 “0”，可以控制该像素上光信号为“通过”或“关断”。经过二维光开关阵列205调制后的光 束206到达后光学系统中的柱透镜207，经过柱透镜207和圆透镜208的共同作用，二维光 开关阵列205上某一整行发出的光束被会聚成面积较小的光斑，并以一定的角度照射到阵 列探测器209上对应的一个单元，这样阵列探测器209上每个单元接收到的光信号包括来 自阵列光源201中各个不同光源输出的信号。通过控制二维光开关阵列205上每个像素的 透过率在“1”和“0”之间切换，可以实 现多个输入端口 201和多个输出端口 209之间的多 对多、多对一和一对多等形式的信号传输。图3所示为本发明中二维自由空间光学互连系统的具体实施例二的示意图。多个 分立光源301与光纤阵列303中的多个单根光纤302耦合成光纤阵列光源，光纤阵列303 的出口阵列处出光构成阵列光源。单个分立光源301为带尾纤的半导体DFB激光器，每个 激光器对应一个信号输入端口。从光纤阵列303的出口阵列处发出的光束304在前光学系 统中的圆透镜305和柱透镜306的共同作用下被扩展开并布满二维光开关阵列307的每一 整列。经过各个像素的调制后，二维光开关阵列307上的每一整行对应的光束308在后光 学系统中的圆透镜305和柱透镜306的共同作用下被会聚成面积较小的一个光斑，照射到 光纤阵列311上对应的一个光纤端口处，然后通过该端口连接的单根光纤进入分立探测器 313并输出信号。通过控制二维光开关阵列307上每个像素的透过率在“1”和“0”之间切 换，可以实现多个分立的输入端口 301和多个分立的输出端口 313之间的多对多、多对一和 一对多等形式的信号传输。图4所示为本发明中二维自由空间光学互连系统的具体实施例三的示意图。在对 前后光学系统进行设计的时候，除了系统本身的端口 401外，预留出阵列光源的冗余接口 402、二维光开关阵列在垂直于阵列光源401分布方向的整列冗余接口 405和在平行于阵列 光源401分布方向的整行冗余接口 407以及阵列探测器的冗余接口 410。在系统升级之前， 阵列光源401中任一单元发出的信号光束403以一定的角度出射，在前光学系统的作用下 扩展开来并布满二维光开关阵列上对应的一整列404。经过各个像素的调制，从二维光开关 阵列任一整行406出射的光束408在后光学系统的作用下会聚成面积较小的光斑，并以一 定的角度照射到阵列探测器409上对应的一个单元。通过调整二维光开关阵列上每个像素 的透过率控制信号传输的“通过”和“关断”，就可以实现输入端口 401和输出端口 409之间 的多对多、多对一和一对多等形式的信号传输。当对系统进行升级的时候，前后光学系统和 二维光开关阵列无需改变，直接在阵列光源预留的冗余接口 402处增加光源单元，在阵列 探测器预留的冗余接口 410处增加新的探测器单元，或在保持端口位置不变的情况下，直 接更换单元数目更大的阵列光源和阵列探测器，即可简单实现系统的扩容和升级。本发明为一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，以端口数目=16为 例，本发明包括IX 16阵列光源、16X16 二维光开关阵列、16X1阵列探测器及相应的光学系统等。其中16X16 二维光开关阵列可以是液晶空间光调制器，也可以是多量子阱空间光 调制器。包含16个单元的阵列光源和阵列探测器可以是多个光源或光探测器集成在一起 的，也可以是多个分立光探测器通过光纤连接成阵。以二维光开关阵列为界，光学系统分为 前光学系统和后光学系统，二者都是包括球面透镜和柱透镜在内的多个透镜的组合。通过数据输入端的电路控制IX 16阵列光源上的16个单个光源的光强将要传输 的信号并行输入。1X16阵列光源通过前光学系统成像于16X16 二维光开关阵列，使从 1 χ 16阵列光源上任一单个光源的光被扩展开并布满具有16X 16个像素的二维光开关阵 列上的某一整列。通过调整二维光开关阵列的16X16个像素的透过率为“1” “0”，可以控 制经过该像素的光信号传输通道是“连通”“关断”。将经过16X16 二维光开关阵列的某一 整行的16路光束经过后光学系统会聚到对应的16X1阵列探测器上的一个光探测器单元 上，二维光开关阵列的16行对应阵列探测器的16个探测单元并分别输出，这样就实现了 16 路输入端口和16路输出端口之间的光信号传输。在16X16 二维光开关阵列的全部像素均为“1”的状态下，每个探测器单元上接 收到的光束都包含了来自阵列光源上的16个单个光源上的光信号。如果将16X16 二维 光开关阵列上的某一整列的透过率设置为“1”，其余各列均设置为“0”，则该系统的作用是 将一个光源发出来的信号传输到16个探测器上，实现了一对多的广播功能；如果将16X16 二维光开关阵列上的某一整行的透过率设置为“ 1”，其余各行均设置为“0”，则该系统的作 用是将16个光源发出来的信号传输到同一个探测器上，实现了多对一的传输功能；如果将 16X16 二维光开关阵列上的16X 16个像素的透过率全部设置为“ 1 ”，则该系统的作用是将 16个光源发出来的信号传输到16个探测器上，实现了多对多的组播功能。这样，通过控制 16X16 二维光开关阵列上各个像素的透过率，即可实现16路输入端口和16路输出端口之 间的信号传输和切换。虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开 的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，如修改前后 光学系统设计、在二维光开关阵列中选择其他的透过率具体数值和调制方式、在光学系统 设计允许的范围内改变输入或输出端口的数目等。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神 和范围内的各种变形，以上修改细节也在本说明书解释的权利要求范围之内。
权利要求
一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于，包括一阵列光源，其可接收数据输入；一二维光开关阵列；一前光学系统，该前光学系统位于阵列光源与二维光开关阵列之间；一阵列探测器，用于数据输出；一后光学系统，该后光学系统位于二维光开关阵列与阵列探测器之间；上述阵列光源、前光学系统、二维光开关阵列、后光学系统和阵列探测器位于同一光路上。
2.根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中阵列光源是发光二极管、垂直腔表面发射激光二极管或半导体DFB激光器；或是以上 多个分立光源的组合，其中的单个分立光源分别与阵列光源中的单根光纤耦合在一起，组 成阵列光源。
3 根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中阵列探测器是PIN探测器、APD探测器、MSM探测器或光电倍增管；或是以上多个分立 探测器的组合，其中的单个分立探测器分别与阵列探测器中的单根光纤耦合在一起，组成 阵列探测器。
4.根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中二维光开关阵列是液晶空间光调制器或是多量子阱空间光调制器。
5 .根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中前光学系统包括三个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜之后，且 该柱透镜为垂直放置。
6.根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中后光学系统包括一个球面透镜和一个柱透镜的组合，该柱透镜位于球面透镜之前，且 该柱透镜为水平放置。
7.根据权利要求1所述的可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于， 其中阵列光源的端口的数目为ι χN，二维光开关阵列的端口的数目为NXN，阵列探测器的 端口的数目为NX 1，其中N=正整数。
全文摘要
一种可扩展和重构的二维自由空间光学互连系统，其特征在于，包括一阵列光源，其可接收数据输入；一二维光开关阵列；一前光学系统，该前光学系统位于阵列光源与二维光开关阵列之间；一阵列探测器，用于数据输出；一后光学系统，该后光学系统位于二维光开关阵列与阵列探测器之间；上述阵列光源、前光学系统、二维光开关阵列、后光学系统和阵列探测器位于同一光路上。
文档编号H04B10/00GK101813808SQ20091007856
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者刘育梁, 张磊, 杨林, 王桐, 陈平 申请人:中国科学院半导体研究所