用于可缩放多对多连接结构的多芯片光子节点的制作方法

用于可缩放多对多连接结构的多芯片光子节点
1.政府权利声明
2.本发明是在协议号h98230-19-3-0002的政府支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。


背景技术：

3.存在许多基于分组(packet)交换机或光电路交换机的互连结构拓扑(interconnect fabric topologies)，其中，需要大功率和/或昂贵的交换机来实现大范围的带宽、延迟和可缩放性(scalability)指标。在多对多(all-to-all)连接系统中，一组本地节点连接到一组或多组外部节点。这样的系统是高性能计算所期望的。
附图说明
4.参照以下附图根据一个或多个各种实施例详细地描述本公开。附图仅被提供用于说明性目的，并且仅描绘典型实施例或示例实施例。
5.图1图示了可以在其内实施本文公开的技术的实施例的示例网络。
6.图2是图示了与本公开的各种实施例一致的节点的图。
7.图3是图示了根据一个示例实施例的光子节点的第一电路的图。
8.图4是图示了根据一个示例实施例的光子节点的另一第一电路的图。
9.图5是图示了根据一个示例实施例的光子节点的又另一第一电路的图。
10.图6是图示了根据一个示例实施例的光子节点的又另一第一电路的图。
11.图7是图示了根据一个示例实施例的光子节点的第二电路的图。
12.图8是图示了根据一个实施例的组中的本地节点之间的连接的图。
13.图9是图示了与示例实施例一致的节点的实施方式的图。
14.附图并非是穷举的，并且不将本公开限制于所公开的精确形式。
具体实施方式
15.在计算结构中，计算节点连接到网络交换机，网络交换机进而互连以形成计算结构(compute fabric)。对于较大的计算结构，使用光学收发器来支持较长距离的高速信号。网络交换机具有电子部件，所述电子部件用作内部数据缓冲器、交叉开关和网络处理器以对网络分组进行编码/解码，所有这些都转化为通过交换机的延迟。光学收发器执行光到电以及电到光的信号转化，从而导致转换延迟。光纤进一步增加了约5纳秒/米的延迟，并且因此，较大的计算网络中使用的较长的光缆增加链路延迟。所有这些不同的延迟组合在一起形成总路径延迟。除了延迟之外，为了实施计算结构，网络交换机和分立的光学收发器还增加显著的成本和功耗。
16.随着新应用程序的出现，一类系统需要具有非常高的带宽(以多个tbps为单位)。与现有结构方法相比，需要节点之间的多对多连接性具有最低的延迟(例如，没有通过交换机缓冲器拥塞或分组解码/编码延迟)，并且成本和功耗显著更低(例如，连接性大大降低，
并且理想情况下通过不使用网络交换机和分立的光学收发器而实现无分组交换成本)。
17.n个节点的多对多连接性可以利用分组交换机使用少于n(n-1)个链路来实现，所述分组交换机使用各种结构拓扑互连，这些结构拓扑还提供了路径多样性，但以增加每跳通过节点的延迟为代价。在另一种情况下，n个节点的多对多连接性可以利用可编程电路开关使用少于n(n-1)个链路来实现，这些可编程电路开关允许一个节点连接到任何其他节点，但一次只连接一个节点，这提供了直接连接而没有额外的通过节点延迟，但以路径可用性等待时间为代价。可替代地，n个计算节点的多对多连接可以使用用于直接完全连接结构的n(n-1)个链路实现，该直接完全连接结构提供了从每个计算节点到所有其他计算节点的独立、并行和直接连接，而无需使用交换机。由于计算节点是直接连接的，因此通过完全避免使用网络交换机来消除通过交换机的延迟，其代价是使用增加数量的电缆来直接且完全地互连n个计算节点。这些方法可以被灵活部署并且是高度可缩放的。
18.各种实施例描述了包括多对多连接结构的网络系统，在所述多对多连接结构中，每个计算节点使用计算电子器件和多芯片光子节点。每个多芯片光子节点包括与计算电子器件之间的电子接口、在电域与光域之间的信号转换以及用于外部光缆的光信号接口。因此，计算节点经由集成的光子节点(每个计算节点一个光子节点)和在光域中路由信号的外部光缆直接互连。换句话说，没有网络交换机和分立的光学收发器。每个光子节点可以包括多个四节点环路(qnl)路由器/电路(如结合图2至图7所解释的)。在一些实施例中，光子节点被配置为具有模块粒度，并且可以包括使用硅光子学技术的一个或多个芯片、管芯(die)或管芯上的电路。光子节点可以包括电耦接到光子管芯的电子管芯，其中，电子管芯可以在光子管芯之上，并且光子管芯可以在可以电耦接到系统pcb的光子节点基板之上。电子管芯上的一些电子部件可以电耦接到在其下方的光子管芯上的电光部件。电子管芯上的一些其他电子部件可以使用通孔、焊球和焊盘来接口连接通过光子管芯、光子节点基板和系统pcb，从而电耦接到系统电子器件。在一些示例中，通孔可以是硅通孔。在一些其他示例中，通孔可以是pcb通孔。光子管芯上可以存在光学连接器，用于将光信号耦合到光纤。在一些实施例中，在电子管芯的顶表面上可以耦接热提取设备。通过增加/减少一个组内的计算节点数，和/或增加/减少网络中的组的数量来缩放多对多连接。在下文中，术语“节点”通常是指计算节点，并且术语“光子节点”是指计算节点内的结构接口(fabric interface)部分。
19.与本文公开的技术一致的光子节点可以包括芯片/管芯上的第一电路，所述第一电路被配置为处理本地节点组内的所有邻居节点间通信(neighbor-to-neighbor)。在一些实施例中，该第一电路也可以被配置为处理来自外部组中的节点且发往邻居节点之一的透传(pass-through)信号。光子节点可以包括另一芯片/管芯上的模块化第二电路，所述模块化第二电路被配置为处理来自外部组中的节点且发往邻居节点之一的透传信号，而所述模块化第二电路不处理所述组内的邻居间通信。当更多的外部组和节点被添加到网络系统中时，可以通过向光子节点添加一个或多个模块化第二电路来将该光子节点配置为处理增加的流量，而无需重新配置第一电路。
20.图1图示了可以在其内实施本文公开的技术的实施例的示例网络100。示例网络100仅被提供用于说明性目的并且不应将技术的范围限于仅所描绘的实施例。为了便于讨论，网络100被描绘为高性能计算(hpc)系统，但是所述技术不限于仅hpc系统或环境。本公开的技术适用于其中通过光学互连来传输数据的任何网络或系统。如图1所示，网络100可
以包括多个组102a至102m(一般地称为“组102”，统称为“多个组102”)。每个组102包括多个节点104a至104n(一般地称为“节点104”，统称为“多个节点104”)。在图1中，组102a包括表示为(1,1)、(2,1)、(3,1)、
…
、(n,1)的多个节点104；组102b包括表示为(1,2)、(2,2)、(3,2)、
…
、(n,2)的多个节点104；组102c包括表示为(1,3)、(2,3)、(3,3)、
…
、(n,3)的多个节点104；并且组102n包括表示为(1,m)、(2,m)、(3,m)、
…
、(n,m)的多个节点104。在图1中，节点被标记为(x，y)，其中，x表示组中的节点号，而y表示其组号。可以设想其他类型的节点标记方式。每个节点104可以是使用光子节点来接口连接到网络100的计算节点。
21.在各种实施例中，节点104可以包括服务器、加速器或包含一个或多个处理器的其他计算设备。在各种实施例中，每个组102可以包括相同数量的节点104。在各种实施例中，多个组102可以共同位于同一位置(例如，同一数据中心、数据中心内的同一机架)。
22.每个节点104可以包括具有一个或多个电路的光子接口系统(如下面关于图3至图7更详细地说明和描述的)，所述光子接口系统被配置为使得节点104能够从网络100内的其他节点104发射光学信号和接收光学信号。每个组102内的每个节点104可以通过光缆直接连接到同一组102内的每个其他节点104。光缆可以包括用于光学发射和接收信号的光纤。互连节点的多条光缆可以被称为光学互连结构。每个节点104的光子接口系统也可以通过光学互连结构106直接连接到每个其他不同组102的至少一个节点。在图1中，组之间的每条线表示从网络100内的第一组102的节点104到不同于第一组的第二组的节点104的所述至少一个直接连接。
23.在各种实施例中，网络100中的每个节点104可以包括网络控制器120。网络控制器120可以被配置为管理网络100内的节点104的连接性操作。
24.网络100中的节点104在维度上多对多彼此连接。同一组102中的节点104在第一维度上(例如，在网络100中竖直方向上)通过直接本地链路多对多彼此连接。每个连接的本地链路在节点104的具有用于直接通信的相同波长的两个端口之间。另外，属于不同组的同一行(例如，108)中的节点在第二维度上(例如，在网络100中水平方向上)通过直接全局链路多对多彼此连接。可以理解的是，图1中图示的竖直和水平维度可以作为非限制性示例提供。不同的网络拓扑可以调用不同的维度。
25.第一组102中的任何两个节点104和与在第一组102中的这两个节点104相同的行中的第二组102中的对应的两个节点104可以形成四节点环路(qnl)作为光学路由器。例如，参考图1，qnl 130包括(以虚线连接的)组102a中的节点(1,1)和(3,1)以及组102b中的节点(1,2)和(3,2)。出于描述的目的，将同一组102中的节点104之间的组内通信称为本地通信，而将不同组102中的节点104之间的组间通信称为全局通信。在一个qnl中，同一组中的节点称为“本地邻居(或本地邻居节点)”，而通过直接链路连接的不同组中的节点称为“全局孪生(或全局孪生节点)”。在qnl 130中，组102a中的节点(1,1)和(3,1)是一对本地邻居；组102b中的节点(1,2)和(3,2)是另一对本地邻居。组间节点(3,1)和(3,2)是一对全局孪生，并且节点(1,1)和(1,2)是另一对全局孪生。
26.在一些实施例中，一个qnl内的通信/信号可以被顺时针或逆时针发射。在一些实施例中，取决于系统实施方式，一个qnl内的通信/信号只能是顺时针或逆时针系统方向的。例如，在qnl 130中，当组102a中的节点(1,1)期望将信号发送到组102b中的节点(3,2)时，所述信号从节点(1,1)传输到其本地邻居节点(3,1)，然后从节点(3,1)到其全局孪生节点
(3,2)。在此示例中，节点(3,1)是透传节点，因为信号经过它而没有被提取或转换。在另一种情况下，信号可以从节点(1,1)传输到其全局孪生节点(1,2)，然后从节点(1,2)传输到其本地邻居节点(3,2)。在此示例中，节点(1,2)是透传节点。
27.为了在网络100中实施通信，网络100中的每个节点104配备有光子节点。现在参考图2。图2是图示了与本公开的各种实施例一致的节点200的图。节点200可以是图1图示的节点104中的任何一个(例如，节点200可以是组102a中的节点(1,1))。为了描述各种实施例，节点200被分配给如图2所示的“组1”(或“本地组”)、“节点1”(或“本地节点”)。节点200包括第一数据片(slice)/电路芯片202和一个或多个第二数据片/电路芯片204-1、204-2、204-3、204-4、
…
、204-m(一般地称为“第二数据片204”，统称为“多个第二数据片204”)。第一数据片202具有本地入口接口202a、本地通信接口202b和可选地全局通信接口202c，本地入口接口202a被配置为接收光源210，本地通信接口202b被配置为与其中节点200(例如，节点(1,1))作为成员的本地组(例如，图2中的组1或图1中的组102a)中的本地邻居220(例如，图1中的节点(2,1)、(3,1)、
…
、(n,1)进行通信，全局通信接口202c被配置为与其中节点200不是成员的外部组(例如，图1中的组102b)中的节点进行通信。例如，第一数据片202的全局通信接口202c耦接到组2节点1(例如，组102b的节点(1,2))，并被配置为与其进行通信。
28.每个第二数据片204包括全局通信接口和本地通信接口，全局通信接口被配置为与其中节点200不是成员的外部组(例如，图1中的组102c)中的节点进行通信，并且本地通信接口被配置为与本地组(例如，图2中的组1或图1中的组102a)中的本地邻居220(例如，图1中的节点(2,1)、(3,1)、
…
、(n，1))进行通信。例如，第二数据片204-1的全局通信接口204-1a耦接到组3节点1并被配置为与其进行通信；第二数据片204-2的全局通信接口204-2a耦接到组4节点1并被配置为与其进行通信；第二数据片204-3的全局通信接口204-3a耦接到组5节点1并被配置为与其进行通信；第二数据片204-4的全局通信接口204-4a耦接到组6节点1并被配置为与其进行通信；并且第二数据片204-m的全局通信接口204-ma耦接到组m节点1并被配置为与其进行通信。第二数据片204-1、204-2、204-3、204-4、
…
、204-m分别具有用于与本地邻居220进行通信的本地通信接口204-1b、204-2b、204-3b、204-4b、
…
、204-mb。
29.节点200进一步包括被配置为控制节点200的操作的控制器230(例如，网络接口控制器(nic))。在一些实施例中，控制器230可以包括一个或多个处理器以及存储可由一个或多个处理器执行的指令的存储器。控制器230耦接到第一数据片202和(多个)第二数据片204中的每一个，以控制与本地邻居220和外部组的通信。
30.第一数据片202包括设置在基板上的第一电路(将结合图3至图6进行说明)。第一电路被配置为将源自节点200(例如，图1中的节点(1,1))的光信号路由到本地邻居220(例如，图1中的节点(2,1)、(3,1)、
…
、(n,1))。每个第二数据片204包括设置在与第一基板不同的第二基板上的第二电路(将结合图7进行说明)。第二电路被配置为将从外部组(例如，图2中的组3到组m或图1中的组102c)中的节点(例如，图1中的节点(1,3))接收的光信号路由到本地邻居220之一。在一些实施例中，可选地，第一电路进一步被配置为将从外部组(例如，图2中的组2)中的节点接收的光信号路由到本地邻居220(例如，图1中的节点(2,1)、(3,1)、
…
、(n,1))之一。每个第二数据片204可以是用于适应系统扩展或缩减的模块化芯片或管芯。例如，当更多的外部组被添加到网络系统时，可以将一个或多个第二数据片添加到网络系统中的每个节点。
31.在一些实施例中，当电子控制部分(例如，控制器230)被提供在节点200外部时，节点200可以被称为光子节点。
32.现在参考图3。图3是图示了根据一个示例实施例的光子节点的第一电路300的图。例如，第一电路300可以被包括在图2的第一数据片202中。第一电路300被配置为向本地邻居发射本地直接通信以及从本地邻居接收本地直接通信。即，第一电路300被配置为处理本地节点与本地邻居节点之间的所有本地直接通信。第一电路300包括电子管芯基板(未示出)下方的光子管芯基板301。在下文中，光子管芯基板301将被简称为“基板”。在基板301上可以设置多个本地发射波导302。每个本地发射波导302具有耦接到光源304的第一端和耦接到本地输出端口306的第二端。第一电路300进一步包括设置在基板301上的多个光调制器308。每个光调制器308被设置在对应的本地发射波导302附近，并且被配置为调制来自光源304的光以生成发往相应本地邻居的光信号。每个光调制器308可以耦接到与光子管芯基板301接口连接的电子管芯(未示出)上的电激光器驱动器部件。
33.在一些实施例中，光源304可以具有相同的波长或不同的波长。在图3图示的示例中，光源304具有相同的波长λ1。结果，光调制器308各自被配置为调制如光调制器308的图示标记“1”所指示的波长λ1。每个输出端口306被配置为将在本地发射波导302上发射的光信号输出到不同的本地邻居。
34.在一些实施例中，每个光源304可以是向其对应的本地发射波导302提供信号波长的单波长光源。这些单波长光源中的每一个可以提供相同的波长或不同的波长。
35.第一电路300进一步包括设置在基板301上的多个本地接收波导310。每个本地接收波导310的一端耦接到本地输入端口312，所述本地输入端口312被配置为从本地邻居接收信号。在一些实施例中，每个本地接收波导310可以包括第一部分310a和第二部分310b。第一部分310a可以与本地发射波导302平行。第二部分310b可以在与第一部分310a相交的方向上延伸。例如，第一部分310a和第二部分310b可以彼此正交。尽管在图3中图示的每个本地接收波导310具有类似于字母“l”的形状，但本公开不限于此。本地接收波导310的其他布置也是可能的。例如，每个本地接收波导310可以是直线或波形线的形状。每个第一部分310a耦接到连接到本地邻居节点的本地输入端口312。本地输出端口306和本地输入端口312可以设置在第一电路300的同一侧，以促进通过一个或多个光缆313和连接器(未示出)连接到本地邻居节点。
36.多个本地接收微环谐振器314设置在基板301上。每个本地接收微环谐振器314可以是设置为与每个本地接收波导310的第二部分310b相邻的波长滤波器。每个本地接收微环谐振器314被配置为提取一定波长。每个本地接收微环谐振器314耦接到光电检测器(pd)316。每个光电检测器316被配置为将由对应的本地接收微环谐振器314提取的光信号转换为用于具有第一电路300的本地节点的电信号。每个光电检测器316可以耦接到与光子管芯基板301接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部件。在图3图示的示例中，波长λ1被分配给组(例如，图1中的多个组102之一)中的本地邻居之间的所有本地通信。结果，本地接收微环谐振器314各自被配置为提取如本地接收微环谐振器314的图示标记“1”所指示的波长λ1。可以理解的是，每个本地接收微环谐振器314可以被配置为根据本地邻居之间的波长分配来提取不同的波长。
37.图4是图示了根据一个示例实施例的光子节点的另一第一电路400的图。例如，第
一电路400可以被包括在图2的第一数据片202中。第一电路400被配置为向本地邻居发射本地直接通信以及从本地邻居接收本地直接通信。即，第一电路400被配置为处理本地节点与本地邻居节点之间的所有本地直接通信。第一电路400包括电子管芯基板(未示出)下方的光子管芯基板401。在下文中，光子管芯基板401将被简称为“基板”。在基板401上可以设置多个本地发射波导402。第一电路400进一步包括本地光源404和本地输出端口406，各自耦接到本地发射波导402。光源波导407设置在基板401上，并且被配置为引导来自光源404的光。光源波导407在例如与本地发射波导402的方向正交的方向上延伸。光源波导407的其他布置也是可能的，只要它可以将来自本地光源404的光引导为耦接到多个本地发射波导402即可。
38.在一些实施例中，本地光源404可以是梳状激光器，所述梳状激光器可以将多个不同波长的光出射到光源波导407中。第一电路400进一步包括多个本地输出光调制器408，各自设置在相应的本地发射波导402的端部部分402a与光源波导407之间。每个本地输出光调制器408被配置为调制不同的波长(表示为代表不同波长λ1、、λ2、
…
、λn-1的1、2、
…
、n-1)，以生成发往相应本地邻居的光信号。在图4图示的示例中，本地发射波导402的部分402a可以是从本地发射波导402的长轴线延伸的区段。部分402a的形状不限于该示例，并且可以具有任何其他形状，只要这些部分允许本地输出光调制器408投下(drop)从光源波导407提取的波长即可。每个本地输出光调制器408可以耦接到与基板401接口连接的电子管芯(未示出)上的电激光器驱动器部件。
39.每个本地发射波导402的另一端耦接到本地输出端口406。由本地输出光调制器408调制并投下到本地发射波导402的光信号通过本地输出端口406发射到本地邻居。
40.第一电路400进一步包括设置在基板401上的多个本地接收波导410。每个本地接收波导410的一端耦接到本地输入端口412，所述本地输入端口412被配置为从本地邻居接收信号。在一些实施例中，每个本地接收波导410可以包括第一部分410a和第二部分410b。第一部分410a与本地发射波导402平行。第二部分410b在与第一部分410a相交的方向上延伸。例如，第一部分410a和第二部分410b可以彼此正交。本地接收波导410的其他布置也是可能的。例如，每个本地接收波导410可以是直线或波形线的形状。每个第一部分410a耦接到连接到本地邻居节点的本地输入端口412。本地输出端口406和本地输入端口412可以设置在第一电路400的同一侧，以促进通过一个或多个光缆413和连接器(未示出)连接到本地邻居节点。
41.多个本地接收微环谐振器414设置在基板401上。每个本地接收微环谐振器414可以是设置为与每个本地接收波导410的第二部分410b相邻的波长滤波器。每个本地接收微环谐振器414被配置为提取不同的波长。例如，本地接收微环谐振器414被表示为1、2、
…
、n-1，这代表它们用于提取不同的波长λ1、λ2、
…
、λn-1的能力。每个本地接收微环谐振器414耦接到光电检测器(pd)416。每个光电检测器416被配置为将由对应的本地接收微环谐振器414提取的光信号转换为用于具有第一电路400的本地节点的电信号。每个光电检测器416可以耦接到与基板401接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部件。
42.图5是图示了根据一个示例实施例的光子节点的又另一第一电路500的图。例如，第一电路500可以被包括在图2的第一数据片202中。第一电路500被配置为向本地邻居发射本地直接通信以及从本地邻居接收本地直接通信。进一步地，，第一电路500被配置为将从
全局孪生节点接收的通信路由到本地邻居节点(例如，间接全局通信)。即，第一电路500被配置为处理本地节点与本地邻居节点之间的所有本地直接通信，并且将透传通信路由到本地邻居节点。
43.第一电路500包括电子管芯基板(未示出)下方的光子管芯基板501。在下文中，光子管芯基板501将被简称为“基板”。多个本地发射波导502-1、502-2、
…
、502-(n-1)(一般地称为“本地发射波导502”，统称为“多个本地发射波导502”)可以设置在基板501上。每个本地发射波导502具有耦接到光源504的第一端和耦接到本地输出端口506的第二端。第一电路500进一步包括设置在基板501上的多个光调制器508。每个光调制器508被设置在对应的本地发射波导502附近，并且被配置为调制来自光源504的光以生成发往相应本地邻居的光信号。每个光调制器508可以耦接到与基板501接口连接的电子管芯(未示出)上的电激光器驱动器部件。
44.在一些实施例中，光源504可以具有相同的波长或不同的波长。在图5图示的示例中，光源504具有相同的波长λ1。结果，光调制器508各自被配置为调制如用于光调制器508的图示标记“1”所指示的波长λ1。每个输出端口506被配置为将在本地发射波导502上发射的光信号输出到不同的本地邻居。
45.在一些实施例中，每个光源504可以是向其对应的本地发射波导502提供信号波长的单波长光源。这些单波长光源中的每一个可以提供相同的波长或不同的波长。
46.第一电路500进一步包括设置在基板501上的多个本地接收波导510。每个本地接收波导510的一端耦接到本地输入端口512，所述本地输入端口512被配置为从本地邻居接收信号。在一些实施例中，每个本地接收波导510可以包括第一部分510a和第二部分510b。第一部分510a与本地发射波导502平行。第二部分510b在与第一部分510a相交的方向上延伸。例如，第一部分510a和第二部分510b可以彼此正交。本地接收波导510的其他布置也是可能的。例如，每个本地接收波导510可以是直线或波形线的形状。每个第一部分510a耦接到连接到本地邻居节点的本地输入端口512。本地输出端口506和本地输入端口512可以设置在第一电路500的同一侧，以促进通过一个或多个光缆513和连接器(未示出)连接到本地邻居节点。
47.多个本地接收微环谐振器514设置在基板501上。每个本地接收微环谐振器514可以是波长滤波器。一对本地接收微环谐振器514a、514b被设置为与每个本地接收波导510相邻(例如，与第二部分510b相邻)。在一些实施例中，特定波长(例如，λ1)被分配给本地邻居之间的所有本地通信(“本地直接通信”)。结果，每个本地接收微环谐振器514a被配置为提取如本地接收微环谐振器514a的图示标记“1”所指示的相同的波长(例如，λ1)。每个本地接收微环谐振器514b被配置为提取如本地接收微环谐振器514b的图示标记“2”、“3”、
…
、“n”所指示的不同的波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)。这些波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)被分配用于具有第一电路500的本地节点与外部组中的节点之间的通信(“全局间接通信或透传通信”)。例如，外部组中的节点可以通过直接链路将通信发射到本地邻居，然后本地邻居将所述通信发射到本地节点的第一电路500。该全局间接通信由本地接收微环谐振器514b之一提取。
48.每个本地接收微环谐振器514耦接到光电检测器(pd)516。每个光电检测器516被配置为将由对应的本地接收微环谐振器514提取的光信号转换为用于本地节点的电信号。每个光电检测器516可以耦接到与基板501接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部
件。
49.第一电路500进一步包括设置在基板501上的全局接收波导520。全局接收波导520在第一方向(例如，图5中的水平方向)上延伸。本地发射波导502在第二方向(例如，图5中的竖直方向)上延伸。第一方向不同于第二方向，使得全局接收波导520与每个本地发射波导502具有交点。在一些实施例中，第一方向和第二方向彼此正交。在一些实施例中，全局接收波导520和本地发射波导502可以以其他配置彼此关联。例如，本地发射波导502可以包括与全局接收波导520平行的区段，只要全局接收波导520上的信号可以被投下到本地发射波导502即可。
50.全局接收波导520耦接到全局输入端口522，所述全局输入端口522连接到外部组中的全局孪生节点。第一电路500进一步包括耦接到全局接收波导520的全局接收微环谐振器524。全局接收微环谐振器524被配置为提取以特定波长(例如，波长λ1)发射的信号，以用于具有第一电路500的本地节点。这些信号称为全局直接信号，因为它们是从全局孪生节点寻址到本地节点的信号。全局接收微环谐振器524耦接到光电检测器(pd)526。光电检测器526被配置为将由全局接收微环谐振器524提取的光信号转换为用于本地节点的电信号。光电检测器526可以耦接到与基板501接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部件。
51.第一电路500进一步包括设置在基板501上的多个微环谐振器528。全局接收波导520与本地发射波导502之间的每个交点均设置有微环谐振器528。每个微环谐振器528被配置为在交点处将具有相应波长的信号从全局接收波导520路由/重定向到本地发射波导502的在所述交点处的一个本地发射波导。每个微环谐振器528被配置为路由如微环谐振器528的图示标记“2”、“3”、
…
、“n”所指示的不同的波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)。这些波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)被分配用于全局孪生节点与本地邻居之间的通信(“全局间接通信或透传通信”)。例如，全局孪生节点可以通过直接链路将通信发射到第一电路500，第一电路然后将所述通信发射到本地邻居之一。结果，第一电路500还将通信从全局孪生节点路由/重定向到本地邻居，从而使得具有第一电路500的本地节点也用作透传节点。
52.当全局输入端口522从全局孪生节点接收光信号时，由全局接收微环谐振器524提取发往本地节点的信号(例如具有波长λ1)。其余信号(即具有波长λ2至λn的透传信号)由全局接收波导520引导到微环谐振器528(例如，用作用于透传信号的微环滤波器(mrf))。这些微环谐振器528中的每一个都将具有特定波长(例如，λ2、λ3、
…
或λn)的透传信号路由/重定向到对应的本地发射波导502。本地发射波导502将透传信号从全局接收波导520引导到本地输出端口506，以发射到本地邻居节点。
53.因为不同波长的信号在全局接收微环谐振器524处以及位于交点处的交错的微环谐振器528处被投下，全局接收波导520上的信号被解复用。例如，λ2通过用“2”标记的微环谐振器528从全局接收波导520被投下到本地发射波导502-1。类似地，λ3通过用“3”标记的微环谐振器528从全局接收波导520被投下到本地发射波导502-2，并且λn通过用“n”标记的微环谐振器528从全局接收波导520被投下到本地发射波导502-(n-1)。每个本地发射波导502上的信号都与由光调制器508调制的本地直接通信(例如，λ1)进行复用。
54.第一电路500进一步包括设置在基板501上的全局发射波导530。在一些实施例中，全局发射波导530可以具有与全局接收波导520平行的第一部分530a和耦接到全局发射光源532的第二部分530b。第一部分530a在全局发射波导530的端部部分耦接到全局输出端口
534。多个全局输出光调制器536设置在基板501上并与全局发射波导530相邻。每个全局输出光调制器536可以耦接到与光子管芯基板501接口连接的电子管芯(未示出)上的电激光器驱动器部件。每个全局输出光调制器536被配置为调制不同的波长(其中，全局输出光调制器536被表示为代表不同的波长λ1、λ2、
…
、λn的1、2、
…
、n)。在一些实施例中，全局输出光调制器536是用于发射的微环调制器(mrm)。全局光源532可以包括任何发光设备，如激光器。在一些实施例中，全局光源532可以是梳状激光器，所述梳状激光器可以将多个不同波长的光出射到全局发射波导530中。在一些实施例中，全局光源532可以可替代地是多个单波长激光器，其输出在单个波导530上被复用。当在全局发射波导530上传送时，来自全局光源532的多个不同波长的光被全局输出光调制器536调制，以生成要发射到全局孪生节点的光信号。全局输出端口534和全局输入端口522可以设置在第一电路500的同一侧，以促进通过一个或多个光缆540和连接器(未示出)连接到全局孪生节点。
55.图6是图示了根据一个示例实施例的光子节点的又另一第一电路600的图。例如，第一电路600可以被包括在图2的第一数据片202中。第一电路600被配置为向本地邻居发射本地直接通信以及从本地邻居接收本地直接通信。进一步地，，第一电路600被配置为将从全局孪生节点接收的通信路由到本地邻居节点(例如，间接全局通信)。即，第一电路600被配置为处理本地节点与本地邻居节点之间的所有本地直接通信，并且将透传通信路由到本地邻居节点。
56.第一电路600类似于图5的第一电路500，区别在于用单个光源650替换了第一电路500的多个光源504。另外，第一电路600进一步包括光源波导652，所述光源波导设置在基板601上并且被配置为引导来自光源650的光。光源波导652在与本地发射波导602的方向正交的方向上延伸。在一些实施例中，光源650可以是梳状激光器，所述梳状激光器可以将多个不同波长的光出射到光源波导652中。
57.第一电路600进一步包括多个本地输出光调制器654，所述多个本地输出光调制器654各自设置在光源波导652与每个本地发射波导602的端部部分之间。每个本地输出光调制器654被配置为调制不同的波长(表示为代表不同波长λ1、λ2、
…
、λn-1的1、2、
…
、n-1)，以生成发往相应本地邻居的光信号。每个本地输出光调制器654被配置为将从光源波导652提取的波长投下到本地发射波导602。
58.图7是图示了根据一个示例实施例的光子节点的第二电路700的图。例如，第二电路700可以被包括在图2的每个第二数据片204中。第二电路700被配置为将从全局孪生节点接收的通信路由到本地邻居节点(例如，间接全局通信)。即，第二电路700被配置为将透传通信路由到本地邻居节点。在图7的图示实施例中，第二电路700不处理直接本地通信。
59.第二电路700包括电子管芯基板(未示出)下方的光子管芯基板701。在下文中，光子管芯基板701将被简称为“基板”。全局接收波导702可以设置在基板701上。全局接收波导702在第一方向(例如，图7中的水平方向)上延伸。第二电路700进一步包括多个本地发射波导704-1、704-2、
…
、704-(n-1)(一般地称为“本地发射波导704”，统称为“多个本地发射波导704”)，所述多个本地发射波导在第二方向(例如，图7中的竖直方向)上延伸。第一方向不同于第二方向，使得全局接收波导702与每个本地发射波导704具有交点。在一些实施例中，第一方向和第二方向彼此正交。在一些实施例中，全局接收波导702和本地发射波导704可以以其他配置彼此关联。例如，每个本地发射波导704可以包括与全局接收波导702平行的
部分，只要全局接收波导702上的信号可以被投下到本地发射波导704即可。
60.第二电路700进一步包括设置在基板701上的多个微环谐振器706。全局接收波导702与本地发射波导704之间的每个交点均设置有微环谐振器706。每个微环谐振器706被配置为在交点处将具有相应波长的信号从全局接收波导702路由/重定向到本地发射波导704的在所述交点处的一个本地发射波导。每个微环谐振器706被配置为路由如微环谐振器706的图示标记“2”、“3”、
…
、“n”所指示的不同的波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)。这些波长(例如，λ2、λ3、
…
、λn)被分配用于外部组中的节点(例如，全局孪生节点)与本地邻居之间的通信(“全局间接通信或透传通信”)。例如，全局孪生节点可以通过直接链路将通信发射到第二电路700，第二电路700然后将所述通信发射到本地邻居之一。第二电路700将通信从全局孪生路由/重定向到本地邻居，从而使得具有第二电路700的本地节点成为透传节点。
61.全局接收波导702耦接到全局输入端口708，所述全局输入端口708通过直接链路连接到外部组中的全局孪生节点。第二电路700进一步包括耦接到全局接收波导702的全局接收微环谐振器710。全局接收微环谐振器710被配置为提取以特定波长(例如，波长λ1)发射的信号，以用于具有第二电路700的本地节点。这些信号称为全局直接信号，因为它们是从全局孪生节点寻址到本地节点的信号。全局接收微环谐振器710耦接到光电检测器(pd)712。光电检测器712被配置为将由全局接收微环谐振器710提取的光信号转换为用于本地节点的电信号。光电检测器712可以耦接到与基板701接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部件。
62.每个本地发射波导704耦接到连接到本地邻居节点的本地输出端口714。当全局输入端口708从全局孪生节点接收光信号时，由全局接收微环谐振器710提取发往本地节点的信号(例如具有波长λ1)。其余信号(即具有波长λ2至λn的透传信号)由全局接收波导702引导到微环谐振器706(例如，用作用于透传信号的微环滤波器(mrf))。这些微环谐振器706中的每一个都将具有特定波长(例如，λ2、λ3、
…
或λn)的透传信号路由/重定向到对应的本地发射波导704。本地发射波导704将透传信号从全局接收波导702引导到本地输出端口714，以发射到本地邻居节点。
63.因为不同波长的信号在全局接收微环谐振器710处以及位于交点的交错的微环谐振器706处被投下，全局接收波导702上的信号被解复用。首先，全局接收微环谐振器710提取发往本地节点的信号。然后，交错的微环谐振器706将剩余的信号投下到相应的本地发射波导704。例如，λ2通过用“2”标记的微环谐振器706从全局接收波导702被投下到本地发射波导704-1。类似地，λ3通过用“3”标记的微环谐振器706从全局接收波导702投下到本地发射波导704-2，并且λn通过用“n”标记的微环谐振器706从全局接收波导702投下到本地发射波导704-(n-1)。如图所示，波长λ2、λ3、
…
、λn当分别被投下到本地发射波导704-1、704-2、
…
、704-(n-1)时是交错的。
64.第二电路700进一步包括设置在基板701上的多个本地接收波导716。每个本地接收波导716的一端耦接到本地输入端口718，所述本地输入端口718被配置为从本地邻居接收信号。在一些实施例中，每个本地接收波导716可以包括第一部分716a和第二部分716b。第一部分716a与本地发射波导704平行。第二部分716b在与第一部分716a相交的方向上延伸。例如，第一部分716a和第二部分716b可以彼此正交。本地接收波导716的其他布置也是可能的。例如，每个本地接收波导716可以是直线或波形线的形状。每个第一部分716a耦接
到连接到本地邻居节点的本地输入端口718。本地输出端口714和本地输入端口718可以设置在第二电路700的同一侧，以促进通过一个或多个光缆720和连接器(未示出)连接到本地邻居节点。
65.多个本地接收微环谐振器722设置在基板701上。每个本地接收微环谐振器722可以是设置为与每个本地接收波导716的第二部分716b相邻的波长滤波器。每个本地接收微环谐振器722被配置为提取不同的波长。例如，本地接收微环谐振器714被表示为2、3、
…
、n，这分别代表它们用于提取不同波长λ2、λ3、
…
、λn的能力。每个本地接收微环谐振器722耦接到光电检测器(pd)724。每个光电检测器724被配置为将由对应的本地接收微环谐振器722提取的光信号转换为用于具有第二电路700的本地节点的电信号。每个光电检测器724可以耦接到与基板701接口连接的电子管芯(未示出)上的电接收器部件。
66.第二电路700进一步包括设置在基板701上的全局发射波导730。在一些实施例中，全局发射波导730可以具有与全局接收波导702平行的第一部分730a和耦接到全局发射光源732的第二部分730b。第一部分730a在全局发射波导730的端部部分耦接到全局输出端口734。多个全局输出光调制器736设置在基板701上并与全局发射波导730相邻。每个全局输出光调制器736被配置为调制不同的波长(其中，全局输出光调制器736被表示为代表不同的波长λ1、λ2、
…
、λn的1、2、
…
、n)。在一些实施例中，全局输出光调制器736是用于发射的微环调制器(mrm)。全局光源732可以包括任何发光设备，如激光器。在一些实施例中，全局光源732可以是梳状激光器，所述梳状激光器可以将多个不同波长的光出射到全局发射波导730中。在一些实施例中，全局光源732可以可替代地是多个单波长激光器，其输出在单个波导730上被复用。当在全局发射波导730上传送时，来自全局光源732的多个不同波长的光被全局输出光调制器736调制，以生成要发射到全局孪生节点的光信号。全局输出端口734和全局输入端口722可以设置在第二电路700的同一侧，以促进通过一个或多个光缆740和连接器(未示出)连接到全局孪生节点。每个全局输出光调制器736可以耦接到与基板701接口连接的电子管芯(未示出)上的电激光器驱动器部件。
67.图8是图示了根据一个实施例的组800中的本地节点之间的连接的图。组800包括节点(1,1)、(2,1)、(3,1)、
…
、(n,1)。每个节点具有多个本地连接端口1、2、
…
、(n-1)，这些本地连接端口各自连接到本地发射波导(例如，图3至图7的本地发射波导310、410、510、610和716)。与本文公开的技术一致，每个节点具有到组800中的所有其他节点中的每一个节点的直接链路。图8示出了所有那些直接链路的部分连接。例如，节点(1,1)的端口1直接连接到节点(2,1)的端口1；节点(1,1)的端口2直接连接到节点(3,1)的端口2；并且节点(1,1)的端口(n-1)直接连接到节点(n,1)的端口(n-1)。这些链路可以体现在光学连接器和电缆中。
68.图9是图示了与示例实施例一致的节点900的实施方式的图。节点900包括系统板902、第一电路管芯904-1、多个第二电路管芯904-2至904-7以及多个电子管芯906-1至906-7(一般地称为“电子管芯906”，统称为“多个电子管芯906”)、第一光源组件908和第二光源组件910。第一电路管芯904-1和第二电路管芯904-2至904-7中的每一个都是光子管芯(一般地称为“光子管芯904”，统称为“多个光子管芯904”)。第一电路管芯904-1包括与图3至图6的第一电路300至600之一类似的第一电路。每个第二电路管芯904-2至904-7包括与图7的第二电路700类似的第二电路。系统板902可以是可以为安装节点900的各种部件提供支撑的印刷电路板。每个光子管芯904可以是半导体管芯。每个光子管芯904进一步包括连接器
904a和904b(为简单起见仅为管芯904-1标记)并与相应的电子管芯906接口连接。连接器904a和904b是光学连接器。每个电子管芯906设置在相应的光子管芯904上。每个电子管芯906是半导体管芯，该半导体管芯包括用于与相应的光子管芯904进行接口连接的系统接口逻辑和发射器/接收器电子器件。可以使用管芯级封装技术或其他半导体封装技术将每个电子管芯906与光子管芯904集成在一起。
69.第一光源组件908被配置为向第二电路管芯904-2至904-7提供光源。第一光源组件908包括激光光源908a、电路板908b和一个或多个电子电路管芯908c。每个激光光源908a可以是梳状激光器，所述梳状激光器通过光缆/波导909向第二电路管芯904-2至904-7之一提供多个波长。激光光源908a和一个或多个电子电路管芯908c设置在电路板908b上。一个或多个电子电路管芯908c可以为第一光源组件908提供控制逻辑、电力供应等。
70.第二光源组件910被配置为向第一电路管芯904-1提供光源。第二光源组件910包括单波长激光光源910a、电路板910b和一个或多个电子电路管芯910c。每个激光光源910a可以通过光缆/波导911向第一电路管芯904-1提供可能具有相同波长或不同波长的信号波长。激光光源910a和一个或多个电子电路管芯910c设置在电路板910b上。一个或多个电子电路管芯910c可以为第二光源组件910提供控制逻辑、电力供应等。
71.光源908a和910a分别在光子管芯904的连接器904a处被接收。每个光子管芯904的输出在连接器904b处被提供。连接器904b连接到光缆914-1至914-7(统称为“多条光缆914”)。在一些实施例中，光缆914-1仅提供到节点900的本地邻居的本地直接链路。在一些实施例中，光缆914-1可以提供到节点900的本地邻居的本地直接链路和全局间接链路。光缆914-2至914-7中的每条光缆提供到全局孪生的全局直接链路和到全局孪生的本地邻居的全局间接链路。在一些实施例中，光缆914中的每条光缆可以耦接到盲配连接器916。
72.可以理解的是，节点900的配置被提供为非限制性示例，而并非旨在限制本公开的范围。可以设想节点的其他配置。例如，节点可以包括更多或更少的光子管芯904、电子管芯906、光源组件908、910以及节点900的其他部件。在一些实施例中，单波长激光光源910a可以用多波长激光光源(例如，梳状激光器)来替换。
73.综上所述，本文公开的技术包括这样的网络解决方案：用于通过将一个或多个第一电路(例如，第一电路202)和/或第二电路(例如，第二电路204)添加到节点(例如，200)或从节点移除来进行灵活地放大或缩小。这些(多个)第一电路和(多个)第二电路中的每一个可以被配置为模块化芯片/数据片，以促进网络系统的扩展或缩减。
74.本文公开的技术提供了使用多芯片硅光子节点的系统，所述系统可以被缩放以适应较大的结构尺寸。四节点环路(qnl)路由逻辑允许节点使用波长选择路由硅光子节点以及在本地邻居节点之间和全局孪生节点之间的多对多连接的光纤，经由直接的节点到节点通信或经由透传节点，连接到所有其他节点。
75.如本文所公开的，与光学连接器和光纤互连的光子节点的网络是与协议无关的。光子节点不需要理解协议端口详情诸如链路训练等，因为光纤以及透传节点中的波导和mrf是用于经调制波长的物理传输介质。
76.如本文所使用的，电路可以利用任何形式的硬件、软件或其组合来实施。例如，可以实施一个或多个处理器、控制器、asic、pla、pal、cpld、fpga、逻辑部件、软件例程或其他机制以构成电路。在实施中，本文描述的各种电路可以被实施为分立电路，或者所描述的功
能和特征可以在一个或多个电路之中部分地或全部地被共享。即使可以分别地描述或主张各种特征或功能元件作为单独的电路，这些特征和功能也可以在一个或多个公共电路之间被共享，并且这种描述不应要求或暗示需要单独的电路来实施这样的特征或功能。
77.在一般用法中，除非特别指出或在逻辑上需要排他性意义，否则术语“或(or)”应始终以包括性意义来解释。当例如术语“或(or)”与术语“两者中任一者(either)”搭配，例如“a或b两者中任一者(either a or b)”时，特别指出了“或(or)”具有排他性意义。作为另一个示例，也可以通过在列举项时附加“排他地”或“但并非两者都”来特别指出排他性意义，如“排他地a或b”和“a和b，但并非两者都”。而且，不应将对单数形式的资源、操作或结构的描述理解为排除复数。除非另外具体说明，或在如所使用的环境内以其他方式被理解，否则条件语言(除其他外，比如“可”、“可以”、“可能”、或“会”)一般地旨在传达某些实施例包括(而其他实施例不包括)某些特征、元素和/或步骤。
78.除非另外明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的而不是限制性的。形容词(诸如“常规”、“传统”、“正常”、“标准”、“已知”和类似含义的术语)不应被解释为将所描述的项限制为给定时间段或在给定时间起可用的项，而是应该被理解为包含可能现在或将来的任何时候可用或已知的常规、传统、正常或标准技术。在某些实例中，宽泛词语和短语(诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似的短语)的存在不应被理解为是指在这样的宽泛短语可能不存在的情况下意图或要求更窄的情况。