專利名稱：全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通訊系統(tǒng)或設(shè)備，可用于計算機和通訊領(lǐng)域。
所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其進一步特征在于所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件各條光纜M×N條纖芯首端制成一維光纖陣列，每一條纖芯與對應M×N面發(fā)射激光陣列芯片的每一象元一對一對準；各條光纜M×N條纖芯末端分組制成一維光纖陣列，每一條纖芯與相應M×N并行陣列探測器芯片的象元一對一對準。
當其用于網(wǎng)格運算系統(tǒng)時，所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于所述路由選通發(fā)送模塊有M個，無需向自身傳送數(shù)據(jù)，故各自包括(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片及與其相對應的電路開關(guān)芯片；所述路由選通接收模塊有M個，無需接收來自自身的數(shù)據(jù)，故各自包括(M-1)×N并行陣列探測器芯片及與其相對應的電路開關(guān)芯片；所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件包括M條光纜，每條光纜省去與自身通訊的數(shù)據(jù)通道，各包括(M-1)×N條纖芯，M條光纜各自首端(M-1)×N條纖芯依序分別連接各自對應的路由選通發(fā)送模塊的(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片；M條光纜各自末端N條纖芯為一組并行排放，分成M-1組依序分別連接排除對應自身的路由選通接收模塊后下余M-1個路由選通接收模塊的(M-1)×N并列陣列探測器芯片。
上述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其進一步特征在于所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件各條光纜(M-1)×N條纖芯首端制成一維光纖陣列，每一條纖芯與對應(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片的每一象元一對一對準；各條光纜(M-1)×N條纖芯末端分組制成一維光纖陣列，每一條纖芯與相應(M-1)×N并行陣列探測器芯片的象元一對一對準。
所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件前端和末端的(M-1)×N條纖芯，可以采用光纖融熔焊接或采用并行光纖適配連接器方式與包含有(M-1)×N條纖芯的光纜對接傳送信息，再分別與路由選通發(fā)送模塊的(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片和路由選通接收模塊的(M-1)×N并行陣列探測器芯片連接。
該全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)不但傳輸帶寬很寬、系統(tǒng)的路由數(shù)據(jù)通道數(shù)成數(shù)十倍的增加，分組信息的路由尋徑僅需要在組件的入口處，對分組頭進行極簡單的裁決直通目的地。由許多空分全光互連交換光纖網(wǎng)絡組件組成的高速、大容量路由交換系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的路由數(shù)據(jù)通道數(shù)成數(shù)十倍到百倍的增加，分組信息的路由尋徑僅需要在組件的入口和模板之間的接口二處，對分組頭進行極簡單的裁決就可以直通目的地。所以，分組信息的路由尋徑過程不需要進行集中控制、路由選擇、流量控制，分組信息的尋徑的時間大大縮短、傳輸速率大大提高，系統(tǒng)中無路徑阻塞，丟失率大大降低。
用低成本的波長為850nm的帶狀并行光纖網(wǎng)絡傳輸高速數(shù)據(jù)信息，目前是局域網(wǎng)中發(fā)展的方向，同樣也是構(gòu)建網(wǎng)格運算系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的最佳選擇。網(wǎng)格運算系統(tǒng)(多機系統(tǒng))的通訊協(xié)議可采取自定義方式，并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺雍蛥f(xié)議適配接口卡可按照自定義協(xié)議研制。利用本發(fā)明的網(wǎng)絡，若傳輸帶寬需要10Gbps或更高時，采用帶狀并行光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道，每一條傳輸率為2.5Gbps，4條并行光纖的傳輸帶寬可為10Gbps，每一組機群組(或每一臺計算機)的接口處，采用低成本、波長為850nm的并行面發(fā)射激光陣列(VCSEL)并行收發(fā)模塊發(fā)送信息，用并行陣探測器PIN接收模塊接收信息，其帶寬可達10-40Gbps或更高，機群之間傳輸距離可達800米或更長，該網(wǎng)絡相對采用波分復用技術(shù)的裝置成本可以降低10倍以上。
A)圖2所示，以8×8全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)為例予以說明，其中M＝8，N＝1，該系統(tǒng)由帶8×1開關(guān)的路由選通發(fā)送模塊1、8×8全互連光纖網(wǎng)絡組件2和帶8×1開關(guān)路由選通接收模塊3組成。該系統(tǒng)輸入端口的標志為I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7，輸出端口的標志為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7，每一個輸入端口都有8條通道分別到每一個輸出端口作為專用的數(shù)據(jù)信息傳送通道，第I0輸入端口的8條數(shù)據(jù)傳送通道分別與標志為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7輸出端口的第0條通道相連，第I1輸入輸入端口的8條數(shù)據(jù)傳送通道分別與標志為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7輸出端口的第1條通道相連，……第I7輸入端口的8條數(shù)據(jù)傳送通道分別與標志為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7輸出端口的第7條通道相連，網(wǎng)絡系統(tǒng)對任意一個輸入端口到任意一個輸出端口都提供了一條專用的傳送通道，沒有任何路徑阻塞。每一個輸入端口到任意一個輸出端口的路徑選擇，僅需要在輸入端口經(jīng)過8×1開關(guān)選通一個結(jié)點，控制VCSEL陣列中的一個象元發(fā)光，并將電信號變成光信號，通過一條專用光纖通道，直接將光信號傳送到確定的輸出端口。該8×8全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)詳細路由尋徑交換過程，如圖3所示，標志為I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7輸入端口為來自光纖的光信號，以I4輸入端口為例，若要與輸出端口O2通訊，其路由尋徑交換過程如下來自I4輸入端口光信號，首先轉(zhuǎn)換成電信號，對分組頭信息進行裁決，知道該該分組信息需要達到O2輸出端口，則只要立即控制8×1開關(guān)的第3個結(jié)點連通，電信號調(diào)制VCSEL陣列芯片的第3個象元發(fā)光，將電信號變成光信號，直接通過與O2輸出端口連通的專用光纖通道，立即將光信號傳送到了O2輸出端口，O2輸出端口上的PIN接收陣列中的第3象元將光信號傳換成電信號，從O2輸入端口輸出。其他任意一個輸入端口到任意一個輸出端口的分組信息的路由尋徑，都按照以上方法，在輸入端口只需對分組信息頭一次裁決，即可選通路徑直接達到輸出端口。由于VCSEL和PIN的電/光和光/電的轉(zhuǎn)換速率已經(jīng)達到10Gbps，功耗很低、成本較低。采用空分全光互連交換4×4、8×8、16×16、32×32……N×N光纖網(wǎng)絡組件作為基本單元，可組成寬帶、高速、大容量的全光互連的路由交換網(wǎng)絡系統(tǒng)，應用于通訊領(lǐng)域中路由器設(shè)備和高性能并行處理系統(tǒng)。
B)分布在一棟建筑大樓內(nèi)或分布在一個小區(qū)內(nèi)幾個機群間的互連網(wǎng)格運算系統(tǒng)，若有M組機群(或多機)組成一個網(wǎng)格運算系統(tǒng)，可采用M×M全互連Crossbar網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。圖4和圖5以M＝8組機群組成的網(wǎng)格運算系統(tǒng)為例，由于各機群之間傳輸距離大約在800米左右，若網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)帶寬為2.5Gbps，可用一條光纖傳輸信息，即N＝1；若網(wǎng)格運算系統(tǒng)中所需要的數(shù)據(jù)帶寬為v，而每一條光纖的傳送速率為v0，則系統(tǒng)中任何兩個機群之間的數(shù)據(jù)傳送需要n＝v/v0條并行光纖為一組傳送數(shù)據(jù)信息。若有M組機群組成一個網(wǎng)格運算系統(tǒng)，需要的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為v，其全互連并行光纖網(wǎng)格傳輸系統(tǒng)，為不需要同序號輸入和輸出互連的全互連M×M并行光纖網(wǎng)格傳輸系統(tǒng)，一組數(shù)據(jù)傳送的并行光纖數(shù)為n＝v/v0，v0為一條光纖的傳送速率。若機群之間信息傳送帶需要一條光纖作為信令傳送，則每一組數(shù)據(jù)和信令傳送的并行光纖數(shù)為N＝n+1。若速度為10Gbps或更高時，為了使接口器件成本大幅度的降低，可采用低成本、波長為850nm的并行面發(fā)射激光陣列芯片VCSEL發(fā)送信息，用并行陣列探測器芯片PIN接收信息，二者構(gòu)成路由選通發(fā)送和接收模塊。若傳輸帶寬需要10Gbps或更高時，采用波長為850nm的帶狀并行多模光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道，每一條傳輸率為2.5Gbps，4條并行光纖的傳輸帶寬可達10Gbps。另外有1條纖芯傳送信令，共N＝5條并行光纖為一組數(shù)據(jù)和信令通道。為了每一組機群能與其他任意7組機群通信，則每一組機群端口有7組5條纖芯微帶組成的數(shù)據(jù)和信令通道，分別提供與其他7組機群互連通訊的數(shù)據(jù)通道。本組機群(或本臺計算機)若與其他某機群(其它計算機)通訊，可直接選通相應的端口即可進行數(shù)據(jù)通訊。因此，每一組機群發(fā)射端口有7組5條纖芯帶狀光纖組成的數(shù)據(jù)和信令通道，共35條光纖組成一條發(fā)射光纖光纜，同樣，每一組機群接收端口有7組5條纖芯帶狀光纖組成的數(shù)據(jù)和信令通道共35條光纖組成一條接收光纖光纜。該用于格運算系統(tǒng)中空分帶狀并行光纖全互連網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，路由控制是一種分布式的控制系統(tǒng)，十分簡單，每一組機群系統(tǒng)的路由選通，與哪一組機群通訊，每一組機群的路由選擇都在自己的端口進行，路由控制速度快、時延極短。該網(wǎng)絡系統(tǒng)，若需要傳輸速率更高，則可增加并行傳輸通道數(shù)目或增加每一通道的傳送速率。若節(jié)點數(shù)目需要增加，可在端口處直接增加數(shù)據(jù)傳送通道數(shù)目，或采用其它拓樸結(jié)構(gòu)帶狀并行光纖網(wǎng)絡的傳輸系統(tǒng)。
并行光纖全互連網(wǎng)絡組件，若光纖數(shù)很少，可按照網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)直接排放，特別要保證接口處的光纖順序的正確。若光纖網(wǎng)絡中的光纖數(shù)很多，要保證接口處的光纖順序的正確性，可按以下提出一套工藝流程研制。如圖4和圖5所示的帶狀并行光纖8×8全互連Cossbar網(wǎng)絡為例，任何兩組機群之間數(shù)據(jù)和信令通道共5條光纖為一組，每一組機群的接口處有7×5＝35條光纖。為了使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)清楚，接口處的光纖組排列有序，可在耐高溫的塑料薄膜上噴涂一層膠，讓光纖網(wǎng)絡在膠層上，按照網(wǎng)絡的拓樸結(jié)構(gòu)排放鋪設(shè)。為了讓在8對接口處光纖排放成有序的一維陣列，制作一塊平面不銹鋼底板(或其他材料)，面積大小可按需要設(shè)計。為了讓來自其他端口的光纖較自然成一定弧形卷入每一個端口，形成一維陣列排放在規(guī)定的位置上，在網(wǎng)絡的8對接口附近，各光纖(或一組光纖)的轉(zhuǎn)彎處設(shè)有一小孔。在排放光纖網(wǎng)絡時，將已噴涂一層膠的耐高溫的塑料薄膜平放在平面不銹鋼底板上，并在已制作好的每一個小孔上，讓小針穿過薄膜插入小孔固定。網(wǎng)絡一邊為發(fā)射邊，端口排序為I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7，另一邊為接收邊，端口排序為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7的8個發(fā)射端口，將光纜一端破開約一米長作為制作空分帶狀并行纖全互連(或其他拓樸結(jié)構(gòu))網(wǎng)絡單元組件所需的光纖長度。或用長度適量(如一米)的每組包括35條纖芯的8組光纖，首先制作全互連光纖網(wǎng)絡組件，光纖網(wǎng)絡排放時，為了從發(fā)射到接收邊在各端口排列有序，從發(fā)射邊I0序號開始，5條并行光纖一組向接收邊序號為O1、O2、O3、O4、O5、O6、O7的端口有序排放，……最后排放發(fā)射邊序號為I7的光纖，5條并行光纖一組向接收邊序號為O0、O1、O2、O3、O4、O5、O6的端口有序排放。接收邊各序號端口上來自各發(fā)射邊端口的光纖，按照發(fā)射端口的序號I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7，有序排列成一為列陣，并用下面的膠層固定。當帶狀并行光纖網(wǎng)絡按照需要的拓樸結(jié)構(gòu)排放完成后，特別檢查發(fā)射和接收邊各端口的光纖序號是否正確，最后在上面再鋪一層已噴涂一層膠的耐高溫的塑料薄膜加以固定。這樣就可以完成空分帶狀并行光纖全互連網(wǎng)絡組件的制作。該空分帶狀并行光纖全互連網(wǎng)絡組件用于網(wǎng)格運算系統(tǒng)時，每一端口35條光纖都要分別與的纖芯數(shù)相同的光纜中的光纖完全對接，可以用融熔焊接，或用并行光纖適配器對接，可完成帶狀并行光纖全互連(或其他拓樸結(jié)構(gòu))光纖傳輸網(wǎng)絡的制作。
C)端口路由選通收發(fā)模塊全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其輸入和輸出接口器件包括路由選通發(fā)送和接收模塊。見圖6，網(wǎng)絡與各機群(或計算機)的接口處的接口板由七部分組成一維面發(fā)射激光VCSEL陣列芯片4、一維并行陣列PIN探測器芯片5、驅(qū)動一維面發(fā)射激光VCSEL陣列芯片的驅(qū)動電路陣列芯片6、一維并行陣列PIN芯片將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，信號特別弱需要放大到一定的TTL或ECL電平的放大電路陣列芯片7、7×1的邏輯選擇發(fā)射開關(guān)芯片8、7×1的邏輯選擇接收開關(guān)芯片9和自定義通訊協(xié)議處理電路10。網(wǎng)絡與各機群(或計算機)的接口處的接口板有(M-1)×N(N為每一組并行通道數(shù)目)一維面發(fā)射激光VCSEL陣列芯片4作為電/光轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)和信令電信號轉(zhuǎn)換成光信號，耦合到(M-1)×N帶狀并行光纖中，將信號發(fā)送到其他任何一組機群組(或計算機)。但是，7組VCSEL陣列象元中哪一組發(fā)送光信號是受7×1的邏輯選擇發(fā)射芯片的控制。從其他機群(或計算機)傳送來的數(shù)據(jù)和信令光信號，接口處有(M-1)×N一維并行陣列PIN芯片5作為光/電轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)和信令光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由7×1的邏輯選擇接收開關(guān)芯片9將電信號放大到所需要的電平。
權(quán)利要求
1.一種全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括路由選通發(fā)送、接收模塊和M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件；所述路由選通發(fā)送模塊有M個，各自包括M×N面發(fā)射激光陣列芯片及相應的電路開關(guān)芯片；所述路由選通接收模塊亦有M個，各自包括M×N并行陣列探測器芯片及相應的電路開關(guān)芯片；M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件包括M條光纜，每條光纜各包括M×N條纖芯，M條光纜各自首端M×N條纖芯依序分別連接各自對應的路由選通發(fā)送模塊中的M×N面發(fā)射激光陣列芯片；M條光纜各自末端M×N條纖芯依序分別連接路由選通接收模塊的M×N并行陣列探測器芯片；其中M＝2n，n和N為自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件各條光纜M×N條纖芯首端制成一維光纖陣列，每一條纖芯與對應M×N面發(fā)射激光陣列芯片的每一象元一對一對準；各條光纜M×N條纖芯末端分組制成一維光纖陣列，每一條纖芯與相應M×N并行陣列探測器芯片的象元一對一對準。
3.如權(quán)利要求1所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于當其用于網(wǎng)格運算系統(tǒng)時，所述路由選通發(fā)送模塊有M個，無需向自身傳送數(shù)據(jù)，故各自包括(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片及與其相對應的電路開關(guān)芯片；所述路由選通接收模塊有M個，無需接收來自自身的數(shù)據(jù)，故各自包括(M-1)×N并行陣列探測器芯片及與其相對應的電路開關(guān)芯片；所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件包括M條光纜，每條光纜省去與自身通訊的數(shù)據(jù)通道，各包括(M-1)×N條纖芯，M條光纜各自首端(M-1)×N條纖芯依序分別連接各自對應的路由選通發(fā)送模塊的(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片；M條光纜各自末端N條纖芯為一組并行排放，分成M-1組依序分別連接排除對應自身的路由選通接收模塊后下余M-1個路由選通接收模塊的(M-1)×N并列陣列探測器芯片。
4.如權(quán)利要求3所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件各條光纜(M-1)×N條纖芯首端制成一維光纖陣列，每一條纖芯與對應(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片的每一象元一對一對準；各條光纜(M-1)×N條纖芯末端分組制成一維光纖陣列，每一條纖芯與相應(M-1)×N并行陣列探測器芯片的象元一對一對準。
5.如權(quán)利要求3或4所述的全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于所述M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件前端和末端的(M-1)×N條纖芯，可采用光纖融熔焊接或采用并行光纖適配連接器方式與包含有(M-1)×N條纖芯的光纜對接傳送信息，再分別與路由選通發(fā)送模塊的(M-1)×N面發(fā)射激光陣列芯片和路由選通接收模塊的(M-1)×N并行陣列探測器芯片連接。
全文摘要
全互連光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)，屬于光通訊系統(tǒng)或設(shè)備，采用帶狀并行光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道，其接口僅需一組低成本的并行面發(fā)射激光模塊和并行接收模塊；本發(fā)明包括路由選通發(fā)送、接收模塊和M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件，路由選通發(fā)送模塊有M個，各自包括面發(fā)射激光陣列芯片及電路選通開關(guān)芯片；路由選通接收模塊亦有M個，各自包括并行陣列探測器芯片及開關(guān)芯片；M×M全互連光纖網(wǎng)絡組件包括M條光纜，各包括M×N條纖芯，光纜首端依序分別連接路由選通發(fā)射模塊；光纜末端依序分別連接路由選通接收模塊。該網(wǎng)絡傳輸帶寬寬、數(shù)據(jù)通道成數(shù)十倍增加、系統(tǒng)中無路徑阻塞、尋徑時間縮短、傳輸速率提高，相對于波分復用技術(shù)成本可降低10倍以上。
文檔編號H04B10/12GK1456909SQ0312802
公開日2003年11月19日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者曹明翠, 羅風光, 羅志祥, 周新軍 申請人:華中科技大學