阵列波导光栅(AWG)器件及其应用(本期优秀论文)

简述了阵列波导光栅(AWG)的工作原理,并综述了AWG在光通信中的多种应用。AWG已用于制造多信道光发射机和接收机、调谐分/插光滤波器和分/插复用器等。它们的使用已产生了一种新的技术,即在本地环路中允许使用LED作为低成本多波长光源的频谱分割技术。

基于AWGR的光电混合数据中心网络架构设计

随着云计算需求与服务器数量的不断增长,数据中心网络(data center network,DCN)面临可扩展性、低成本、低能耗、高带宽等一系列挑战。提出了一种基于阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router,AWGR)的光电混合数据中心网络架构。该混合架构由AWGR提供大容量光波长路由,由电分组交换机提供突发分组交换,同时满足大象流量和老鼠流量的需求。AWGR是无源光器件,将有效降低网络能耗,提高网络可靠性,与光电路交换机相比,可降低配置时间延迟。分析了在架顶交换机上分别采用全固定波长激光器(方案1)、混合固定波长激光器和波长可调谐激光器(方案2)、全波长可调谐激光器作为光源(方案3)的3种架构方案。对3种架构方案的成本和能耗进行了数值分析和计算,同时对网络性能进行了理论分析与仿真。成本和能耗数值分析结果显示:3种架构方案的成本与能耗随着服务器数量的增加不断增长,方案3增长的速度最快,方案1增长的速度最慢,方案2介于两者之间。网络性能仿真结果显示:在不同网络负载情况下,方案2架构的网络吞吐量和波长请求阻塞率与方案3接近,远高于方案1,因此混合固定波长激光器与波长可调谐激光器的方案2具备较好的性价比。

基于AWGR的OCS/EPS数据中心光电混合网络

随着云计算和大数据应用技术的发展,数据中心的数量和规模迅速发展,为了满足服务器之间大规模数据流动的需求,数据中心网络的通信能力面临巨大的挑战.传统数据中心中,网络的路由交换设备一般仅采用电域交换技术,电域交换技术虽然可以快速地、灵活地切换数据包的传输路径,但其本身存在通信带宽低、交换容量有限、高能耗等缺点.为了提高数据中心网络的性能、降低网络的能耗,最近的研究提出了若干基于慢速路径切换光器件的光电混合网络结构.它们通常只能将小部分数据量非常大的网络流放在高带宽的光网络上传输,其他的网络流仍然需要电域网络传输.随着快速可调波长激光器以及光波长路由器件的成熟,使光电混合网络结构灵活应对动态、多样的流量模式成为可能.该文基于快速可调波长激光器TWC(Tunable Wavelength Converters)和光波长路由器AWGR(Arrayed-Waveguide Grating Router),首次提出了一种OCS(Optical Circuit Switching)/EPS(Electrical Packet Switching)光电混合网络结构Ace-net.在文中详细描述了光电混合网络的结构以及带宽测量、仲裁控制、流量分配等机制,这些机制利用TWC器件快速波长变换的特性,能快速地应对网络流量的变化,使更多的网络流量在光域网络上传输;同时使用模拟器对此结构进行了评测,模拟结果表明此网络结构具有很好的网络性能.

二维CWH-M矩阵在空频OCDMA网络中的应用

对一种新的补沃尔什哈达码-M(CWH-M)二维码,在空频二维OCDMA系统中的应用进行了研究, 实现了该码字的编解码方案和系统设计．理论分析得到该二维码在理论上可以实现完全正交,彻底消除多用户干扰．仿真结果表明了基于CWH-M二维码OCDMA系统性能比采用一维编解码方案和采用简单开关控制的二维编解码方案有了显著提高。

基于AWGR的光电混合交换高性能计算互连网络

为了满足高性能计算机中互连网络的高吞吐量、低延迟需求,本文基于阵列波导光栅路由器(AWGR),提出了一种低延迟的光电混合交换的互连网络结构.该网络以"天河二号"超级计算机的互连网络拓扑结构为基础,使用无竞争阻塞的AWGR替代了部分电路由器,通过改进设计电路由器的光端口来实现与原有高阶路由器内部的电交换方式兼容.在此基础上,使用OMNeT++软件框架编写了新的光电混合交换网络的仿真模型.仿真结果表明,与原始网络相比,光电混合交换网络的总延迟降低了8%~10%.

两种高吞吐量低延迟光数据中心网络架构研究

针对电数据中心网络(DCN)延迟高和吞吐量低等问题,文章提出了两种无源光DCN架构,一种针对小型DCN,一种针对大型DCN。两种架构均采用了阵列波导光栅路由器(AWGR)、耦合器和解复用器等无源光器件,并针对每种规模的架构给出了波长分配和分组传输方法。仿真结果表明,与电DCN(如Fat-tree和扁平蝶(FBFLY)网络)相比,所提方法具有更低的延迟和更高的吞吐量。而与其他光互连架构(如数据中心光开关(DOS)和Petabit)相比,其性能大致相当,分组延迟低于18μs,但成本更低。

基于AWGR的光电混合数据中心网络性能分析

提出了基于阵列波导光栅路由器(AWGR)的混合光波长路由与电分组交换的数据中心网络架构HWRE,并对其光源部署方案进行了设计与分析.对HWRE架构的网络性能,如分组端到端时延、网络吞吐量和波长请求阻塞率等,进行了理论分析与仿真实验.分组端到端时延的分析基于M/G/1排队模型,分析结果显示相比其他架构,HWRE的分组端到端时延较低.对网络吞吐量和波长请求阻塞率的分析基于HWRE架构的三种光源部署方案,即全固定波长激光器方案、混合固定波长激光器和波长可调谐激光器方案以及多波长光源方案.仿真结果显示基于多波长光源方案的HWRE架构具有较低的波长请求阻塞率和较高的网络吞吐量.

光电混合数据中心的流量分级分类调度研究

光电混合数据中心中的电分组交换可以灵活交换突发小流量但不能有效传输持续时间长的大流量,而光路交换正好相反。为此,在基于阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router,AWGR)的光电混合数据中心网络中,提出一种采用主动队列检测的流量分级分类调度策略,由电交换和光路交换共同实现大小流量的有效调度。根据数据中心的流量模型设计了仿真实验,分析了不同流量模型下各架构的平均时延和吞吐量。结果表明,和带宽收敛比为1:1的树型、Fat-tree型和C-Through型相比,随机流量模型下AWGR模型的吞吐量增幅达19.43%,时延降幅达45.73%。点对点流量模型下,随着K从1增大到4,相比于其它3种模型,AWGR模型的吞吐量降幅和时延增幅最低,分别为2.85%和46.98%。说明所提设计方案能有效地提高数据中心吞吐量和降低时延。

基于波长路由的光真延时模块

设计并制作了一种全集成的基于波长路由的光真延时(OTTD)模块。该模块由两个相同的通道间隔为1.6nm的16×16阵列波导光栅路由器(AWGR)与一组波导延时线阵级联而成。测试结果表明该模块性能优异,工作波长通道间串扰小于-27dB,光纤端到端峰值波长的插入损耗约为12dB。采用矢量网络分析仪测试得到延时线阵提供的光延时步长为(6.24±0.4)ps。该模块中两个阵列波导光栅路由器及延时线阵均被集成在一块硅基片之上,并且都由二氧化硅(SiO_2)波导制作而成,整个器件尺寸为3.5cm×3.5cm。