計算クラスタノード間で光信号を伝送するためにフォトニック相互接続を利用する計算クラスタ
本発明の種々の実施形態は、計算クラスタノード(1401〜1404)間で高速、広帯域幅の相互接続を提供するフォトニック相互接続ベースの計算クラスタ(1200)を対象とする。本発明の一実施形態では、計算クラスタ(1200)は、光信号内の別個の周波数チャネルを一組のノード(1401〜1404)内の各ノードに伝送する１つ又は複数の光伝送経路(1210、1212、1216〜1219)を有するフォトニック相互接続を含む。計算クラスタ(1200)は１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ(1500)を含み、各ライタは１つの特定のノードに関連付けられ、各ライタは、ノードによって生成される情報を、別個の周波数チャネルのうちの１つの中に符号化する。スイッチ機構は、別個の周波数チャネル内に符号化されている情報を、計算クラスタ内の１つ又は複数のノードに送る。また、計算クラスタは、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ(1550)を含み、各リーダは１つの特定のノードに関連付けられ、各リーダは処理用ノードに向けられる、別個の周波数チャネル内に符号化された情報を抽出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は計算クラスタに関し、特に、計算クラスタノード間で光信号の周波数チャネル内に符号化されるデータを伝送するための光伝送経路を含む、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタに関する。
【０００２】
発明の背景
「計算クラスタ」と呼ばれる分散型コンピューティングプラットフォームにおける最近の成果は、データ処理速度を高めること、及びプラットフォームサイズを低減することに、かなりの進歩があったことを示す。一般的に、計算クラスタは多数の相互接続されたノードを含み、各ノードは多数の別個のデータ処理タスクを実行することができる。ノードは、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、或いは任意の他のデータ処理デバイス又はデータ伝送デバイスとすることができる。計算クラスタは一般に、データ整理又はデータ生成のいずれかのアプリケーションに利用される。データ整理アプリケーションでは、入力データのパターンを特定し、及び／又は入力データの総計の統計的記述を生成することによって、科学機器によって与えられるデータのような、大量の入力データセットが処理される。例えば、マイクロアレイの光学走査から得られた大量の画像データを解析及び解釈するために、その画像データをより小さな総計の統計的記述に変えることができる。データ生成アプリケーションでは、小さな入力データセットが一般に、シミュレーション用の初期条件を与え、そのシミュレーションによって大きな出力データセットが生成され、その大きな出力データセットをさらに解析又は視覚化することができる。動画を生成する燃焼モデル、天気予報、及びコンピュータグラフィックスのアプリケーションが、データ生成アプリケーションの例である。
【０００３】
計算クラスタのアプリケーションは一般に、それぞれ別個に実行され得る特定の個々のタスクを特定することによって、数百、数千、さらには数百万のタスクに分割される。アプリケーションは、メッセージパッシングインターフェースのコンピュータプログラム及び実行環境によって分割されることが多い。以下の基準、即ち（１）各タスクが受信される順序、（２）クラスタ内のノードの構成、（３）各タスクの計算需要、（４）タスク毎に必要なメモリの量、（４）ノード間で伝送されるデータの量、及び（５）アプリケーションの入力／出力要件に基づいて、タスクを種々のノードに分配することができる。
【０００４】
計算クラスタノードは一般に、高速で、待ち時間が少ない電気相互接続のネットワークを介して相互接続され、それらの電気相互接続は、スイッチ機構を通じてノード間でデータを伝送する。図１Ａは、４ノードスイッチ機構アーキテクチャ１００の図を示す。図１Ａでは、スイッチ機構１０２によって物理ノードが相互接続され、各物理ノードは、第１の仮想ノード及び第２の仮想ノードによって表される。第１の仮想ノードはスイッチ機構１０２との入力接続を表し、第２の仮想ノードはスイッチ機構１０２との出力接続を表す。例えば、物理ノード０とスイッチ機構１０２との間の入力接続は、長方形１０４及び方向矢印１０６によって表され、スイッチ機構１０２と物理ノード０ １０６との間の出力接続は、長方形１０８及び方向矢印１１０によって表される。スイッチ機構は、ノードが計算クラスタ内の異なるノードに同時にデータを伝えることができるように相互接続を提供する。例えば、スイッチ機構１０２は、破線の方向矢印１１２及び１１４によって示されるように、ノード１がノード２及びノード３に同時にデータを伝えることができるように相互接続を提供する。
【０００５】
各ノードによって処理されるデータは一般に、より小さな固定サイズのパケットに分割され、その後、それらのパケットが、スイッチ機構を通じて特定の処理用ノードに分配される。図１Ｂは、図１Ａに示された、スイッチ機構１０２の具現化形態の一例を示す。図１Ｂでは、スイッチ機構１０２は、入力ラインカード１１８及び出力ラインカード１２０のような入力ラインカード及び出力ラインカードと、置換ネットワーク１２２と、アービタ１２４とを含む。データは最初に、ノードから入力ラインカードに伝えられる。入力ラインカードは、データストリームを、固定サイズのパケットに分割する。その後、パケットはスイッチ機構１０２に伝えられ、「仮想キュー」と呼ばれる、１つ又は複数の先入れ先出し方式の電子ベースのデータ構造に分配される。アービタ１２４は、各仮想キューの先頭部に格納されているパケットに関する情報を受信し、それに応じて、置換ネットワーク１２２内の相互接続を構成し、各仮想キューの先頭部に格納されたパケットの第１のバッチを特定のノードに分配する。出力ラインカードは、置換ネットワーク１２０によって受信されたパケットを集め（assemble：組み立てる）、集められたパケットを処理用ノードに伝える。アービタ１２４がパケットの第１のバッチを分配した後に、各仮想キューの先頭部に格納されたパケットの第２のバッチを分配して処理するために、アービタ１２４は置換ネットワーク１２０を再構成する。
【０００６】
一般に、スイッチ機構はノード間でデータを均等に分配する。しかしながら、計算クラスタでは、多くの場合に、他のノードよりも頻繁に大量のデータを交換するノードが多数あり、スイッチ機構によって提供される、待ち時間の少ない相互接続では、帯域幅が限られている。結果として、ノード間で伝送され得るデータの量が、各時点における特定のノードのデータ転送要件と適切に釣り合わないため、データ処理に遅れが生じる。さらに、アービタは一般に、パケットのバッチを分配する前に、各キューの先頭部に配置されている全てのパケットに関する情報を受信することに依存するため、アービタはデータ処理を遅らせる可能性がある。計算クラスタの製造業者、設計者及び使用者は、広い帯域幅で、高速の相互接続を提供する相互接続アーキテクチャ、及びパケットを分配するのにアービタに依存しないスイッチ機構が必要であることを認識している。
【０００７】
発明の概要
本発明の種々の実施形態は、計算クラスタノード間で高速、広帯域幅の相互接続を提供するフォトニック相互接続ベースの計算クラスタを対象とする。本発明の一実施形態では、計算クラスタは光信号内の別個の周波数チャネルを一組のノード内の各ノードに伝える１つ又は複数の光伝送経路を有するフォトニック相互接続を含む。計算クラスタは１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタを含み、各ライタは１つの特定のノードに関連付けられ、各ライタは、ノードによって生成される情報を、別個の周波数チャネルのうちの１つの中に符号化する。スイッチ機構は、別個の周波数チャネル内に符号化された情報を、計算クラスタ内の１つ又は複数のノードに送る。また、計算クラスタは１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダを含み、各リーダは１つの特定のノードに関連付けられ、各リーダは処理用のノードに向けられる、別個の周波数チャネル内に符号化された情報を抽出する。
【０００８】
発明の詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、計算クラスタでデータを伝送するための高速、広帯域幅のフォトニック相互接続を提供する、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを対象とする。フォトニック相互接続は、光信号源からの光信号を１つ又は複数の計算クラスタノードに伝送する光伝送経路を含む。光信号は、「周波数チャネル」と呼ばれる、多数の別個の電磁波を含み、周波数チャネルをそれぞれ別個に変調して、データを符号化することができ、そのデータはその後、計算クラスタ内の特定のノードに送られることができる。各ノードは、そのノードに送られたデータを符号化する第１の周波数チャネルを抽出する第１のフィルタに接続され、そして各ノードは、第２の周波数チャネルを変調することによって、計算クラスタ内の異なるノードに送られたデータを符号化するために使用され得る第２のフィルタに接続される。周波数チャネルを通じてデータをノードに送るために、スイッチ機構を含むことができる。単一の外部光源を用いて光信号を生成することができ、ノードに関連した別々の光信号源を避けることができる。
【０００９】
本発明は、以下のサブセクション、即ち（１）フォトニック結晶及び導波路の概説、（２）データの電磁波内への符号化の概説、及び（３）本発明の実施形態において以下に説明される。
【００１０】
フォトニック結晶及び導波路の概説
フォトニック結晶は、誘電特性を有する２つ以上の異なる材料から構成された光学デバイスであり、それらの材料は、或る規則的なパターンで互いに組み合わされると、電磁放射（「ＥＲ」）の伝搬特性を変更することができる。図２及び図３は、多数の異なる可能なパターンのうちの２つを示しており、異なる誘電特性を有する２つの異なる材料を組み合わせて、フォトニック結晶を形成することができる。フォトニック結晶は一般に、誘電体パターンが周期的である方向の数によって特定される。例えば、図２は、１次元のフォトニック結晶の一例を示す。図２では、フォトニック結晶２００は、ｚ方向において周期的に交互に並ぶ２つの異なる誘電体の７つの層から構成される。斜線を付されていない層２０１〜２０４は、誘電率ε１を有する第１の誘電体から構成され、斜線を付された層２０５〜２０７は、異なる誘電率ε２を有する第２の誘電体から構成される。これらの層は、「格子定数」と呼ばれる反復距離で規則的に離間されており、図２に示された格子定数の場合、格子定数はａである。図３は、２次元のフォトニック結晶の一例を示す。２次元フォトニック結晶３００は、２つの異なる誘電体の交互層を含み、２つの格子定数ａ及びｂでもってｘ方向及びｙ方向の両方において周期的である。領域３０１のような斜線を付されていない領域は、誘電率ε１を有する第１の誘電体から構成され、領域３０２のような斜線を付された領域は、異なる誘電率ε２を有する第２の誘電体から構成される。また、３次元において繰り返しパターンを有するフォトニック結晶を製造することもできる。３次元フォトニック結晶は、第２の誘電体を含むスラブ内に埋め込まれる、第１の誘電体を含む球、円筒又は他の固体形状を用いて製造され得る。
【００１１】
誘電体の中を伝搬するＥＲは、振動する直交電場（ベクトルＥ）、及び磁場（ベクトルＨ）、並びに伝搬方向（ベクトルｋ）を含む電磁波によって特徴付けられ得る。電場及び磁場は、マクスウエルの方程式によって関係付けられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
ただし、ベクトルｒは誘電体内の電磁波の空間変位であり、ｔは時間であり、及び
は誘電率である。
【００１４】
誘電体は一般に、自由電荷又は自由電流をサポートしないため、式１〜式４は、電荷密度項又は体積電流密度項を含まない。式３及び式４は、回転方程式であり、線形微分方程式である。双方の式において、左辺は、場が独立した空間変位（ベクトルｒ）に依存することを表し、右辺は場がｔに依存することを表す。ベクトルｒに対して変化する微分量がｔに対して変化する量に等しいままにしておくための唯一の方法は、その微分量が同じ定数値に等しくなることである。式３及び式４の両辺は或る定数に等しく、以下の式を得るために、変数分離の方法を適用することができる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
ただし、ωは誘電体内を伝搬する電磁波の角周波数である。
【００１７】
マクスウエルの回転方程式３及び４は、誘電率
で式４を割り、回転演算子を適用し、電場の回転に式３を代入して、以下の式を得ることによって分離することができる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
ただし、
は微分演算子である。式５は固有値方程式である。ただし、固有値はω２であり、固有関数は対応する磁場
である。磁場
が式５に従って求められた後に、
を式３に代入し、
について解くことによって、電場
を求めることができる。
【００２０】
図１及び図２に示されるフォトニック結晶のような、有限次元のフォトニック結晶の場合、式５の固有値及び固有関数を量子化して、以下の式を与えることができる。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ただし、ｊは、角周波数が増加する順序において磁場
の高調波モードにラベルを付ける、「バンド指数（band index）」と呼ばれる、負でない整数値である。
【００２３】
フォトニック結晶の並進対称を用いて、磁場
の関数形式を求めることができる。例えば、フォトニック結晶２００内を伝搬する磁場
の関数形式は、以下の式によって与えられる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
ただし、ベクトルρはｘｙ平面ベクトルであり、ベクトルｋ//はｘｙ平面波数ベクトルであり、ｋｚはｚ方向の波数ベクトル成分であり、
はｚ方向における周期関数である。式６の指数項
は、ｘｙ平面において誘電体層の中を伝搬するＥＲの連続並進対称から生じる。しかしながら、式６の項
は、ブロッホの定理、及び以下の式によって与えられる、フォトニック結晶２００の誘電率の周期性によってｚ方向において課せられる離散並進対称から生じる。
【００２６】
【数６】
【００２７】
ここで、ａは誘電体層の規則的なパターンによって決定される格子定数であり、ｌは整数である。
【００２８】
磁場
は２π／ａの整数倍の場合に周期的である。結果として、関連する角周波数も周期的である。
【００２９】
【数７】
【００３０】
フォトニック結晶の誘電体パターンの違いが、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれる、周波数ωｊの１つ又は複数の範囲を生成し、その場合、ＥＲはフォトニック結晶の中で伝搬するのを妨げられる。また、フォトニックバンドギャップは、電磁エネルギー範囲、及びλｊによって表される波長の範囲にも対応し、誘電体間の差がＥＲ吸収及びＥＲ伝搬を妨げる。フォトニック結晶の中を伝送されるＥＲの波長λｊは、角周波数ωｊに関連する。即ち、
【００３１】
【数８】
【００３２】
ただし、ｖはフォトニック結晶内のＥＲの速度である。高周波数の高調波モードは、低い誘電率を有する誘電体領域内において電磁エネルギーを集中する傾向があり、一方、低周波数の高調波モードは、高い誘電率を有する誘電体領域において電磁エネルギーを集中する傾向があるため、或る特定のＥＲ周波数範囲は、フォトニック結晶の中を伝送されない。電磁エネルギーＷは、以下のように、変分原理から求めることができる。
【００３３】
【数９】
【００３４】
ただし、
であり、「＊」は複素共役を表す。
【００３５】
電磁エネルギーは、低い誘電率を有するフォトニック結晶の領域内を伝搬しているモードの場合よりも、高い誘電率を有する領域内を伝搬している高調波モードの場合に低い。
【００３６】
１次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数の大きさ及び範囲は、フォトニック結晶を含む誘電体の誘電率間の相対差に依存する。フォトニック結晶を含む材料の誘電率間の差が相対的に大きい１次元フォトニック結晶は、誘電率間の差が相対的に小さいフォトニック結晶よりも、高い周波数範囲おいて、より大きなフォトニックバンドギャップを有する。
【００３７】
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、第１の１次元フォトニック結晶及び第２の１次元フォトニック結晶に関する、周波数（ωａ／２πｃ）対波数ベクトルｚ成分ｋｚの仮想的なプロットである。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、横軸４０１のような横軸は、波数ベクトルｚ成分ｋｚに対応し、縦軸４０２のような縦軸は、周波数に対応する。式７に関連して上述されたように、周波数ωｊは周期的であるため、１、２及び３に等しい角周波数バンドｊの場合に、周波数（ωｊａ／２πｃ）が波数ベクトルｚ成分範囲−π／ａ及びπ／ａに対してプロットされる。フォトニックバンドギャップは、影付き領域４０３及び４０４によって特定される。線４０５、４０６及び４０７は、第１、第２及び第３の角周波数バンド（ｊ＝１、２及び３）に対応する。第１のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対差が、第２のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対差よりも小さいため、図４Ａのフォトニックバンドギャップ４０３の幅４１０は、図４Ｂのフォトニックバンドギャップ４０４の幅４１２よりも狭い。また、フォトニックバンドギャップ４０３は、フォトニックバンドギャップ４０４がカバーする周波数範囲よりも低い周波数範囲をカバーする。
【００３８】
２次元フォトニック結晶は、誘電体スラブ内に製作される円柱状体の規則的な格子から構成され得る。その円柱状体は、空気穴、又はフォトニックスラブの誘電体材料とは異なる誘電体材料で満たされた穴とすることができる。図５は、２次元フォトニック結晶の斜視図である。図５では、フォトニック結晶５００は、柱状体５０２のような、埋め込まれた円柱状体の規則的な格子を有する誘電体スラブ５０１から構成される。円柱状体は、円柱状体５０３によって示されるように、スラブ５０１の上側表面から下側表面まで延在し、空気、又はスラブ５０１の誘電率とは異なる誘電率を有する任意の他の材料で満たされた穴とすることができる。また、２次元フォトニック結晶は、気体又は液体によって取り囲まれる円柱状体の規則的な格子配列から構成され得る。図６は、円柱状体とは異なる誘電率を有する、気体又は液体のような流体によって取り囲まれる、円柱状体６０１のような固体円柱状体の規則的な正方格子を有する２次元フォトニック結晶６００を示す。
【００３９】
２次元フォトニック結晶は、フォトニック結晶の周期的な平面内を伝搬するＥＲを偏光し、電場及び磁場は２つの異なる偏光、即ち（１）横電場「ＴＥ」モード、及び（２）横磁場「ＴＭ」モードに分類され得る。ＴＥは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
及びフォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
を有し、一方、ＴＭは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
及びフォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
を有する。図７Ａ及び図７Ｂは、図５に示される２次元フォトニック結晶内のＴＥモード及びＴＭモードの伝搬を示す。フォトニック結晶５００の周期的な平面はｘｙ平面内にあり、円柱状体はｚ方向に平行であり、ＥＲはフォトニック結晶５００の中をｙ方向に伝搬する。図７Ａにおいて、振動曲線７０１は、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
モードを表し、振動曲線７０２は、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
モードを表す。図７Ｂにおいて、振動曲線７０３は、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
モードを表し、振動曲線７０４は、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
モードを表す。
【００４０】
図８は、図５に示されたフォトニック結晶内を伝搬するＥＲのＴＭモード及びＴＥモードのフォトニックバンド構造を示す。図８では、縦軸８０１はフォトニック結晶５００内を伝搬するＥＲの角周波数を表し、横軸８０２は図５に示されるフォトニック結晶５００のフォトニック結晶セグメント８０３内のΓ、Ｍ及びＫを付される格子点間のＥＲ伝搬経路を表す。実線８０４のような実線はＴＭモードを表し、破線８０５のような破線はＴＥモードを表す。影付き領域８０６はフォトニックバンドギャップを特定し、そこでは、ＴＥモード及びＴＭモードのいずれもフォトニック結晶５００内を伝搬するのを許容されない。
【００４１】
フォトニックバンドギャップ８０６のような、２次元フォトニック結晶スラブ内のフォトニックバンドギャップによりカバーされる周波数範囲及び幅は、格子定数ａによって表される、円柱状体の周期的な間隔、及びスラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差に依存する。また、フォトニックバンドギャップ８０６によりカバーされる周波数範囲は、スラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差が大きくなると、高い方の周波数範囲にシフトすることができ、一方、フォトニックバンドギャップ８０６は、スラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差が小さくなると、低い方の周波数範囲にシフトすることができる。
【００４２】
電子ビーム、又は化学エッチングが後続するナノインプリントリソグラフィ、又は他の処理方法を用いて、適切な２次元の誘電体スラブ内に円柱状体を製造することができる。さらに、２次元のフォトニック結晶は、指定された周波数バンド内のＥＲを反射するように設計され得る。結果として、２次元フォトニック結晶は周波数バンドストップフィルタとして設計及び製造されて、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数を有するＥＲの伝搬を防ぐことができる。一般に、円柱状体のサイズ及び相対的な間隔は、ＥＲのいずれかの波長が、２次元フォトニック結晶内を伝搬するのを禁止されるかを制御する。しかしながら、特定の局在化した光学部品を製造するために、円柱状体の格子内に欠陥を導入することができる。特に、「共振空胴」と呼ばれる点欠陥を製造して、ＥＲの狭い範囲の周波数又は波長を一時的に閉じ込める共振器を提供することができる。「導波路」と呼ばれる線欠陥を製造して、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内にある周波数範囲又は波長を有するＥＲを伝送することができる。結果として、３次元フォトニック結晶スラブは、スラブの厚みに依存する屈折率ｎを有する２次元結晶と見なすことができる。
【００４３】
図９は、２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す。共振空胴は、選択された円柱状体を省くか、そのサイズを大きくするか、又は小さくすることによって、２次元フォトニック結晶スラブ内に形成され得る。例えば、共振空胴９０１は、破線の円によって取り囲まれる空領域によって示されるように、円柱状体を省くことによって、フォトニック結晶９００内に形成される。共振空胴９０１及び９０５は、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内のＥＲを一時的に閉じ込める、実質的に反射性の壁部によって取り囲まれる。共振空胴は、フォトニック結晶の平面に対して垂直な方向において、狭い周波数バンド内でＥＲを伝えることができる。例えば、共振空胴９０１は、フォトニックバンドギャップの狭い周波数バンド内に、局在化したＴＭモード及びＴＥモードを閉じ込めることができる。フォトニック結晶９００が、内部全反射を生み出す２つの反射板又は誘電体間に挟まれない限り、共振空胴９０１内で共振するＥＲは、フォトニック結晶９００の周期的な平面に対して垂直な方向に漏出することができる。各共振空胴は関連する「Ｑ」（quality factor：Ｑ因子）を有し、それは、共振空胴内で共振するＥＲが共振空胴を取り囲む領域内に拡散する前に、空胴内でどれぐらいの振動が生じるかの尺度を与える。
【００４４】
導波路は、フォトニック結晶内の第１の場所からフォトニック結晶内の第２の場所まで、フォトニックバンドギャップの特定の周波数範囲内のＥＲを導くために使用され得る光伝送経路である。導波路は、円柱状体の列又は行内の特定の円柱状体の直径を変更することによって、又は円柱状体の行を省くことによって製造され得る。例えば、フォトニック結晶９００では、誘電性導波路９０２は、破線９０３と９０４との間の空領域によって示されるように、フォトニック結晶９００の製造中に円柱状体の行全体を省くことによって形成される。誘電性導波路９０２は、単一の経路に沿って、波長λ０及びλ１を有するＥＲを伝送する。分岐導波路のネットワークを用いて、フォトニック結晶を通じて、多数の異なる経路にＥＲを導くことができる。導波路に沿って伝搬する光信号の直径は、□／３ｎ程度に小さくすることができる。ただし、ｎは導波路の屈折率であり、一方、共振空胴の高調波モード体積は２（□／３ｎ）３程度に小さくすることができる。
【００４５】
導波路及び共振空胴は、ＥＲが導波路及び共振空胴を直接取り囲む領域内に漏出するのを防ぐ際に、決して１００％有効でないことがある。例えば、導波路に沿って伝搬するフォトニックバンドギャップ内の周波数範囲内のＥＲは、導波路を取り囲む領域内に拡散する傾向もある。導波路又は共振空胴を取り囲む領域に入るＥＲは、振幅の指数関数的減衰を受け、過程は「エバネッセンス」と呼ばれる。結果として、導波路によって搬送されるＥＲの或る特定の波長を共振空胴によって抽出することを可能にするするために、共振空胴を導波路から短い距離の範囲内に配置することができる。実際には、共振空胴は、導波路内を伝搬するＥＲの或る特定の波長の部分を抽出するために使用され得るフィルタである。共振空胴のＱ因子に応じて、抽出されたＥＲは共振空胴内に閉じ込められたままになり、且つエバネッセンスにより周囲に消散するか、又は導波路内に後方散乱する前に或る時間にわたって共振することができる。例えば、図９では、共振空胴９０１は導波路９０２から、あまりにも離れて配置されているため、特定の波長を有するＥＲのモードを抽出することはできない。しかしながら、共振空胴９０５は、導波路９０２に沿って伝搬する、波長λ３を有するＥＲの部分を抽出することができる。従って、波長λ３を有するＥＲのわずかな部分が残されて、波長λ１及びλ２のＥＲと共に導波路９０２内で伝搬することができる。
【００４６】
図１０は、図９に示されたフォトニック結晶の導波路に関する周波数対波数ベクトル（ベクトルｋ//）の大きさの仮想的なプロットである。図１０では、影付き領域１００１及び１００２は、図９に示された、導波路９０２が存在しないフォトニック結晶９００の突出した第１のバンド構造及び第２のバンド構造を表す。領域１００３は、フォトニック結晶９００によって生成されるフォトニックバンドギャップを特定する。線１００４は、導波路９０２内を伝搬することを許容される周波数のバンドを特定する。導波路９０２内を伝搬することを許容される周波数バンドの数は、導波路９０２のサイズを大きくすることによって増やすことができる。
【００４７】
３次元フォトニック結晶の場合、３次元格子パラメータ、誘電率間の差、及び包含物の寸法が、フォトニックバンドギャップの周波数範囲を決定する。また、或る特定の包含物を選択的に除去するか、又はその包含物の寸法を選択的に変更することによって、３次元フォトニック結晶内にも、導波路及び共振空胴を製造することができる。
【００４８】
データの電磁放射内への符号化の概説
１ビットは、計算システムにおける情報の基本単位であり、「はい」及び「いいえ」、又は「オン」及び「オフ」のような２つの選択肢から選択することに等価である。１ビットの２つの状態は一般に、数字１又は０によって表される。電磁波の振幅、周波数又は位相を変調することによって、電磁波の中に情報を符号化することができる。その後、変調された電磁波を、光ファイバ内で、導波路内で、又は自由空間を通じて遠い距離にわたって伝送することができ、復調器によって復号化することができる。しかしながら、磁場の振幅は係数１／ｃだけ電場の振幅よりも小さいため、物質と大部分の電磁波との相互作用は、磁場成分ではなく電場成分から生じる。ただし、ｃは光の速度を表す。結果として、そして簡単にするために、電磁波を電場成分によって表すことができる。即ち、
Ｅ（ｚ，ｔ）＝Ｅ０ｃｏｓ（ｚｋ−ωｔ）
ただし、電場はｚ方向に伝搬し、ωは角周波数であり、ｋは波数ベクトルω／ｃであり、ｔは時間であり、Ｅ０は振幅である。図１１Ａは、時間及び固定された観測点の関数としての電磁波のプロットである。図１１Ａでは、水平線１１０２は時間軸であり、垂直線１１０４は振幅Ｅ０であり、曲線１１０６は電場Ｅ（ｚ，ｔ）を表す。周期Ｔは、電磁信号が１サイクルを完了するのにかかる時間である。角周波数ωは２πυであり、ただしυは周波数、又は回数であり、電磁場は単位時間当たり１サイクルを完了する。
【００４９】
振幅変調は、電磁信号の振幅の強度又は大きさを変更することによって情報を符号化するために使用される。図１１Ｂは、ビット「０」及び「１」に関して振幅変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｂでは、１ビットは信号の４つの連続したサイクルに対応する。この場合、小さな振幅１１１０を有するサイクル１１０８はビット「０」に対応し、相対的に大きな振幅１１１４を有するサイクル１１１２はビット「１」に対応する。周波数変調は、電磁信号の周波数を変更することによって情報を符号化するために使用される。図１１Ｃは、ビット「０」及び「１」に関して周波数変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｃでは、４つの連続したサイクル１１１６がビット「１」に対応し、２つの連続したサイクル１１１８がビット「０」に対応する。位相変調は、以下のように、電磁信号の位相をシフトすることによって情報を符号化するために使用される。即ち、
Ｅ（ｚ，ｔ）＝Ｅ０ｃｏｓ（ｚｋ−ωｔ＋φ）
ただし、φは位相シフトを表す。位相シフトは、電磁信号の波形のシフトに対応する。例えば、図１１Ｄは、曲線１１２２の１／４サイクルの位相シフトを含む曲線１１２０を示す。図１１Ｅは、ビット「０」及び「１」に関して位相変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｅでは、サイクル１１２４はビット「１」に対応し、サイクル１１２６は、１／２サイクル位相シフトを含み、ビット「０」に対応する。
【００５０】
本発明の実施形態
図１２は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを示す。計算クラスタ１２００は、グループ１２０１〜１２０４と、スイッチ機構１２０６と、クロックフレーム１２０８と、線１２１０のような分岐線によって表される分岐光伝送経路のツリーとから構成される。グループ１２０１〜１２０４はそれぞれ、図１４に関連して以下で説明される１つ又は複数のノードから構成される。図１２では、光信号源（図示せず）が、「周波数チャネル」と呼ばれる８つの別個の電磁波を含む光信号を生成し、各周波数チャネルは、λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８によって表される異なる波長を有する。光信号は、方向矢印１２１４によって特定される方向に、光伝送経路１２１２において計算クラスタ１２００に入る。光伝送経路１２１２は、周波数チャネルの８つ全てをグループ１２０１〜１２０４に伝送する他の分岐光伝送経路に繋がる。その際、多数の周波数チャネルは、各グループのノードによってデータで符号化されることができ、スイッチ機構１２０６によって異なるノードに再分配され得る。クロックフレーム１２０８は、計算クラスタ１２００を構成する部品の動作を同期させるために使用され得るクロック信号を提供する。
【００５１】
光伝送経路は、光ファイバ、同軸ケーブル、フォトニック結晶内の導波路、又は光ファイバ、同軸ケーブル及び導波路の任意の組み合わせとすることができる。単一の光伝送経路が多数の別個の周波数チャネルを伝送することができ、周波数チャネルはそれぞれ１つの別個のバスを表す。図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得る、２次元のフォトニック結晶ベースの相互接続内の導波路の例を示す。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、導波路は、図１３Ａに示された円柱状体１３０１のような円柱状体の格子内に配置される。円柱状体は、空気穴、又はフォトニック結晶スラブの誘電体材料とは異なる誘電体材料で満たされた穴とすることができる。２次元のフォトニック相互接続は、概ね数百ナノメートル以下の円柱状体直径及び格子定数を有することができる。円柱状体の直径及びパターン、並びに円柱状体内の誘電体材料又は円柱状体を取り囲む誘電体材料は、導波路に光信号を実質的に閉じ込めるフォトニックバンドギャップを形成するように選択され得る。図１３Ａは、図１２の光伝送経路１２１２のような直線的な経路に沿って、周波数チャネルλ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８を含む光信号を伝送するために使用され得る直線導波路を示す。図１３Ｂは、図１２の曲がった光伝送経路１２２０のような、光信号の経路を閉じ込めると共に、導くために使用され得る曲がった導波路を示す。図１３Ｃは、グループ１２０１及び１２０２に同じ光信号を伝送する図１２のＹ字形光伝送経路１２２２のような、同じ光信号を２つの異なる導波路に伝送するために使用され得るＹ字形導波路を示す。
【００５２】
図１２の光伝送経路によって伝送される周波数チャネルは、第１のセットの周波数チャネル及び第２のセットの周波数チャネルに分割される。第１のセットの周波数チャネルλ１、λ２、λ３及びλ４は、データを符号化するためにグループ１２０１〜１２０４内のノードによって変調され、光伝送経路１２１６〜１２１９において、第２のセットの周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８と共にスイッチ機構１２０６に伝送される。図１４は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表すグループの一例を示す。図１４では、グループ１４００は４つのノード１４０１〜１４０４、及び１つの光伝送経路１４０６から構成される。各ノードは、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール又はナノスケールのいずれかの寸法を有する任意の電気回路、又は電気回路のモザイクとすることができる。光伝送経路１４０６は、周波数チャネルλ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８を含む光信号をノード１４０１〜１４０４に伝送するフォトニック結晶内の導波路とすることができる。
【００５３】
グループ１４００内の各ノードは、下方への矢印１４０８〜１４１１によって表されるフォトニック結晶ベースのライタ（writer）の近くに配置され、ライタは、データを抽出し、そのデータを第１のセットの周波数チャネルのうちの特定の周波数チャネル内に符号化する。例えば、フォトニック結晶ベースのライタ１４０８は、周波数チャネルλ１を抽出し、ノード１４０１によって生成されるデータを周波数チャネルλ１内に符号化して変調周波数チャネルλ１ｇを入手し、その変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入する。ただし、上付き文字ｇはグループを特定する。例えば、上付き文字ｇは、「０」、「１」、「２」又は「３」とすることができ、それを用いて図１２に示されたグループが特定される。変調周波数チャネルλ１ｇ、λ２ｇ、λ３ｇ及びλ４ｇ並びに第２のセットの非変調周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８は、導波路１４０６によって図１２のスイッチ機構１２０６に伝えられる。
【００５４】
各ノードは、上方への矢印１４１２〜１４１５によって特定されるフォトニック結晶ベースのリーダ（reader）の近くにも配置され、リーダは、周波数チャネル、バーλ５、バーλ６、バーλ７及びバーλ８内に符号化されるデータを抽出する。ただし、バーはスイッチ機構１２０６によってグループ１４００に伝送される周波数チャネルを表し、周波数チャネルはそれぞれ、計算クラスタ１２００内の異なるグループのノードによってデータで符号化されている。ノードがフォトニック結晶ベースのライタ及びリーダと通信するために、各ノードは、インターフェース１４１８のようなインターフェースを含み、インターフェースは、ノードの内部部品と、以下に説明される、対応する取り付けられたフォトニック結晶ベースのライタ及びリーダとの間で電気信号を伝えるマルチプレクサ／デマルチプレクサを含む。
【００５５】
フォトニック結晶ベースのライタは、導波路によって伝送される特定の周波数チャネルを抽出し、抽出された周波数チャネルをノードによって導かれるように変調し、変調周波数チャネルを計算クラスタ内の他の場所にある異なるノードによって読み出されることになる導波路に挿入することによって、特定の周波数チャネル内にデータを符号化する。図１５Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、光信号の特定の周波数チャネル内にデータを符号化するフォトニック結晶ベースのライタを示す。フォトニック結晶ベースのライタ１５００は、データを周波数チャネルλ１内に符号化する。ライタ１５００は、ドロップフィルタ１５０２と、局部導波路１５０４と、変調器１５０６と、アドフィルタ１５０８と、導波路１４０６とを含む。ドロップフィルタ１５０２は、導波路１４０６からのエバネッセント結合を介して、周波数チャネルλ１を抽出すると共に閉じ込める共振空胴である。周波数チャネルλ１は、ドロップフィルタ１５０２から局部導波路１５０４の中にエバネッセント結合し、その後、局部導波路１５０４から変調器１５０６の中にエバネッセント結合する。変調器１５０６は、図１６Ａ〜図１６Ｃに関連して以下で説明され、ノード１４０１によって受信される符号化命令に従って、周波数チャネルλ１を変調して、変調周波数チャネルλ１ｇを生成する共振空胴である。アドフィルタ１５０８は、変調器１５０６からのエバネッセント結合を介して変調周波数チャネルλ１ｇを受信し、変調周波数チャネルλ１ｇを、エバネッセント結合を介して導波路１５０６に挿入する共振空胴である。
【００５６】
フォトニック結晶ベースのリーダは、計算クラスタ内の異なるノードによって書き込まれると共に送出される特定の変調周波数チャネルを抽出する。図１５Ｂは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、光信号の特定の周波数チャネル内に符号化されたデータを抽出するフォトニック結晶ベースのリーダを示す。フォトニック結晶ベースのリーダ１５５０は、符号化された周波数チャネル、バーλ５を抽出する。リーダ１５５０は、ドロップフィルタ１５５２及び検出器１５５４を含む。ドロップフィルタ１５５２は、導波路１４０６からのエバネッセント結合を介して、周波数チャネル、バーλ５を抽出すると共に閉じ込める。周波数チャネル、バーλ５はドロップフィルタ１５５２から復調器１５５４の中にエバネッセント結合する。復調器１５５４は、図１６Ａ〜図１６Ｃに関連して以下で説明される共振空胴であり、変調周波数チャネル、バーλ５によって搬送されるデジタル情報を抽出する光検出器を含む。
【００５７】
一般に、フォトニック結晶ベースのライタ及びフォトニック結晶ベースのリーダのドロップフィルタ及びアドフィルタは、導波路から出るエバネッセント場の範囲内に配置される。導波路に対するドロップフィルタ及びアドフィルタの両方の直径及び距離は、関連する共振空胴が導波路によって搬送される特定の波長のための共振器になるように選択され得る。例えば、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるドロップフィルタ１５０２及び１５５２に関連する共振空胴はそれぞれ、周波数チャネルλ１及びバーλ５を抽出すると共に閉じ込めるような寸法で形成され、導波路１４０６の近くに配置される。図１５Ａのアドフィルタ１５０８は、変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入するような寸法で形成されて、導波路１４０６の近くに配置される。図１５Ａに示される局部導波路１５０４は、局部導波路１５０４によって伝送される周波数チャネルのかなりの部分が変調器１５０６の中に結合され得るように、変調器１５０６の近くに配置される。また、変調器１５０６はアドフィルタ１５０８と共に強い共振結合を生じさせるような寸法に形成されて配置され、その結果、アドフィルタ１５０８は変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入することができる。フォトニック結晶スラブの誘電率、並びに各共振器空胴を取り囲む円柱状体の格子の間隔及び／又はサイズは、ドロップフィルタが或る特定の周波数チャネルのみを抽出することができるように選択され得る。導波路と、ドロップフィルタ及びアドフィルタとの間に強い結合を与えるために、共振空胴は、約１０００以上のＱ因子のような、高いＱ因子で製造され得る。
【００５８】
ドロップフィルタ及びアドフィルタは、フォトニック結晶内の種々の異なる欠陥を用いて製造され得る。図１６Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、ドロップフィルタ又はアドフィルタのいずれかとして使用され得る共振空胴を示す。図１６Ａでは、共振空胴１６０２は、フォトニック結晶スラブ１６０４内の円柱状体の規則的な三角形パターン内の１つの円柱状体を省くことによって形成され得る。共振空胴１６０２の直径、並びに円柱状体１６０６のような共振空胴１６０２を取り囲む円柱状体のパターン及び直径は、特定の周波数チャネルが、周囲のフォトニック結晶スラブ１６０４の中にエバネッセント結合するのを実質的に防ぐように選択され得る。また、共振空胴は、周囲の円柱状体の直径とは異なる直径を有する円柱状体を用いて、及び／又は周囲の円柱状体の誘電体材料とは異なる誘電体材料で円柱状体を満たすことによって、製造され得る。フォトニック結晶スラブ１６０４は、ガラス基板１６０８の上に配置され、正にドープされた半導体層１６１０、半導体層１６１０の上に配置された絶縁層１６１２、及び絶縁層１６１２の上に配置される負にドープされた半導体層１６１４から構成される。層１６１４、１６１２及び１６１０は、「ｐ−ｉ−ｎ」層と呼ばれる単層を構成する。ｐ−ｉ−ｎ層のドーパント濃度は、Ｓｉ、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＩｎＧａＡｓ又は任意の他の適切なドーパントの任意の組み合わせとすることができる。
【００５９】
共振空胴において、種々の異なる材料から復調器及び変調器を製造することができる。図１６Ｂは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、復調器／変調器の第１の構成を示す。復調器／変調器１６１６は、２つの電極１６２０と１６２２との間に挟まれた、共振空胴１６０２のような共振空胴を用いて製造され得る。電極１６２０は半導体層１６１０と接触しており、電極１６２２は半導体層１６１４と接触している。復調器／変調器１６１６が復調器として動作するために、電極１６２０及び１６２２は、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの強度、位相及び／又は振幅の変化によって生成される、変化する電流を収集する。変化する電流は、電極１６２０及び１６２２から、信号線（図示せず）を介して、図１４のインターフェース１４１８のようなノードインターフェースに伝送され得るデータストリームを表す。復調器／変調器１６１６が、電極１６２０及び１６２２に印加される電圧を変更することによって変調器として動作することができるように、半導体層１６１０及び１６１４は異なるドーパント濃度又はドーパントタイプを有することができる。印加される電圧は、ノードインターフェースによって与えられ、周波数チャネルの位相及び／又は振幅を変更することによって、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルが変調される。
【００６０】
図１６Ｃは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、復調器／変調器の第２の構成を示す。復調器／変調器１６２６は共振空胴１６０２と、いずれも共振空胴１６０２の下に配置される２つの電極１６２８及び１６３０とを含む。層１６０４は、図１６Ａに関連して上述されたｐ−ｉ−ｎ層から構成され得るか、又はニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３の単層のような単層から構成され得る。共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの強度、位相及び／又は振幅の変化によって生成される、電極１６２８及び１６３０内の変化する電流を収集することによって、復調器／変調器１６２６は復調器として動作する。電極１６２８及び１６３０に印加される電圧を変更し、それにより、共振空胴１６０２内の誘電体材料の誘電率を変更し、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの位相及び／又は振幅の変化を引き起こすことによって、復調器／変調器１６２６は変調器として動作する。
【００６１】
復調器電極検出器内の固有キャパシタンスは多くの場合に十分に低いので、「ジョンソン雑音」と呼ばれる、導体内の電子の熱運動によって生じる雑音に起因する電流の揺らぎをわずかにすることができる。結果として、光信号源に関連する統計値が、検出器からの出力に対応するシリアルデジタル信号に生じるビット誤り率（「ＢＥＲ」）を支配する。例えば、ビット当たり３０光子を有する光信号のポアソン分布は、１０−１３未満のＢＥＲを達成するのに十分である。１０〜１００のＱ因子を有する共振空胴内にドープされた領域を組み込むことによって、低減された吸収を補償することができる。インピーダンス整合のためにＱ因子を適切に選択することにより、検出器の内部吸収損失に対する空胴の光入力損失は、検出効率を高めることができる。例えば、約５０％の検出効率の上昇を達成することができる。
【００６２】
電気光学技術を用いる共振空胴強化（「ＲＣＥ：Resonant cavity enhanced」）変調器の設計にも同様の考えを適用することができる。約１０００よりも大きいＱ因子を有する共振空胴の場合、５０％程度の高い変調深度を達成することができる。自由キャリアプラズマ屈折率の変化のような、他の物理的な効果を用いることもできるが、約３００ｎｍのギャップ間に約３０ｍＶの電位差をかけながら、電気光学変調を用いて、１ｋＶ／ｃｍの電場を生成することができ、それは、多種多様な線形誘電体材料において０．００１程度の大きな屈折率変化を引き起こすのに十分である。
【００６３】
グループが、導波路によって伝送される周波数チャネルの半分内にデータを符号化した後に、図１２のスイッチ機構１２０６が、符号化されてない周波数チャネルを用いて、計算クラスタ内の他のノードに向けられているデータを符号化する。図１７は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１２に示されたスイッチ機構１２０６の概略図を示す。スイッチ機構１２０６は、導波路１２１６〜１２１９内のそれぞれのグループ１２０１〜１２０４から伝送される変調及び非変調の周波数チャネルを受信する。上向きの矢印を有するボックスによって表される、フォトニック結晶ベースのリーダが、図１５Ｂに関連して上述されたように、導波路１２１６〜１２１９において伝送される変調周波数チャネルを抽出する。フォトニック結晶ベースのリーダは、抽出された周波数チャネルを、連続する電気的なビットストリームに変換する。電子ベースのスイッチ機構１７０６が、そのビットストリームを、図１２の計算クラスタ１２００内のノードに送る。例えば、フォトニック結晶ベースのリーダ１７０１〜１７０４は、導波路１２１６から変調周波数チャネルλ１０、λ２０、λ３０及びλ４０を抽出し、変調周波数チャネルを電子的な入力ビットストリームｅ１０、ｅ２０、ｅ３０及びｅ４０にそれぞれ変換する。入力ビットストリームｅ１０、ｅ２０、ｅ３０及びｅ４０は、信号線１７０５のような信号線において、電子ベーススイッチ機構１７０６まで伝えられ、そこで、ビットストリームは、図１７及び図１８に関連して後述されるように、分割され、組み立てられ、計算クラスタの特定のノードに送られる。出力ビットストリームｅ５０、ｅ６０、ｅ７０及びｅ８０は、電子ベーススイッチ機構１７０６によって出力される、組み立てられたビットストリームを表す。下向きの矢印を有するボックスによって表されるフォトニック結晶ベースのライタが、各導波路において伝送される非変調の周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８を変調することによって、出力ビットストリーム内に情報を符号化する。例えば、フォトニック結晶ベースのライタ１７０７〜１７１０は、非変調の周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８を変調して、変調周波数チャネルλ５０、λ６０、λ７０及びλ８０をそれぞれ得ることによって、出力ビットストリームｅ５０、ｅ６０、ｅ７０及びｅ８０に含まれるデータを符号化する。変調周波数チャネルλ１０、λ２０、λ３０及びλ４０は、導波路１２１６において、図１２のグループ１２０１のノードに伝送される。
【００６４】
図１８は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１７に示された電子ベーススイッチ機構１７０６の一具現化形態を示す。図１８では、ビットストリームが、巡回置換ネットワーク１８０２に渡される。巡回置換ネットワーク１８０２は、図１９Ａ及び図１９Ｂに関連して後述されるように、ビットストリームを仮想出力キューに分配するために使用される信号線のネットワークから構成される。仮想出力キュー１８０４のような仮想出力キューは、巡回置換ネットワーク１８０２から連続するビットストリームを受信し、連続するビットストリームを、パケットとして格納される並列ワードストリームに変換する。各パケットはグループ及びノードアドレスを含み、それにより、そのパケットを１つのノードに向けることが可能になる。巡回置換ネットワーク１８０６に伝送される連続するビットストリームを組み立てるために、各仮想キュー内の特定のパケットが多重化される。各仮想出力キューによって実行されるバッファリング及び多重化は、図１９に関連して後述される。仮想出力キューからパケットが出力されるのに応じて、巡回置換ネットワーク１８０６は、組み立てられたビットストリームをグループ及びノードアドレスによって特定される適切なノードに送る。巡回置換ネットワーク１８０２及び１８０６並びに仮想出力キューの動作は、図１２に関連して上述された、クロックフレーム１２０８によって与えられるクロック信号に従って同期する。
【００６５】
図１９Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、巡回置換ネットワークの一例を示す。巡回置換ネットワーク１９００は、ビットストリームｅ０、ｅ１、ｅ２及びｅ３を受信する入力１９０１〜１９０４を含む。各入力は、信号線１９０５のような一組の４つの異なる信号線に接続され、それらの信号線は、同じ構成の４つのマルチプレクサ１９０６〜１９０９の全てに同じビットストリームを伝送する。一組の４つの異なる信号線内の各信号線は、入力アドレスの順に巡回置換シフトによってマルチプレクサ１９０６〜１９０９の異なる入力アドレスに接続される。例えば、ビットストリームｅ０は、マルチプレクサ１９０６の第１の入力アドレス、マルチプレクサ１９０７の第２の入力アドレス、マルチプレクサ１９０８の第３の入力アドレス、及びマルチプレクサ１９０９の第４の入力アドレスに伝送される。クロック信号の各タイムスロットにおいて、特定の入力アドレスがマルチプレクサ１９０６〜１９０９に送られ、同じ入力アドレスにおいて入力されるビットストリームが出力される。例えば、マルチプレクサ１９０６〜１９０９の第１の入力アドレスのためのアドレスが、同じ時刻に各マルチプレクサに送られ、ビットストリームｅ０、ｅ３、ｅ２及びｅ１がそれぞれ、マルチプレクサ１９０６〜１９０９から同時に出力される。図１９Ｂは、図１９Ａに示された巡回置換ネットワーク１９００によって生成され得る４つの考えられる巡回置換出力を示す。巡回置換ネットワークは、４つの入力には限定されない。代替の実施形態において、巡回置換ネットワークは、Ｍ個の異なるビットストリームをＭ個の同じ構成のマルチプレクサに置換するように製造されることができ、各マルチプレクサはＭ個の異なる入力アドレスを有し、Ｍは任意の正の整数である。
【００６６】
図２０は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、１つの例示的な仮想出力キューの具現化形態を示す。図２０では、仮想出力キュー２０００は、方向矢印２００２によって表される連続するビットストリームを受信する。コンバータ２００４が、そのビットストリーム２００２を、デマルチプレクサ２００６に伝送されるパケットに分割する。また、コンバータ２００４は、付加的なビットストリームの形態のアドレスを各パケットに割り当て、それにより、処理するために各パケットが送られるべきノード及びグループが特定される。デマルチプレクサ２００６はパケットを受信し、各パケットに割り当てられるアドレスに従って、各パケットを仮想出力キューにバッファリングする。例えば、パケット２０１０のようなパケットが、バッファ２０１２内にバッファリングされ、各パケットは同じノード及びグループアドレスを有する。マルチプレクサ２０１４が、クロック信号のタイムスロット当たり１キューずつ、各仮想キューの中を循環し、同じノード及びグループアドレスを有するパケットをデキュー（dequeue：待機解除する）し、次いでデキューされたパケットをコンバータ２０１６に伝達する。コンバータ２０１６は、デキューされたパケットを、方向矢印２０１８によって表される連続するビットストリームへと組み立て、その連続するビットストリームを、アドレスによって特定される、処理するのに適したノード及びグループに伝える。
【００６７】
本発明は特定の実施形態に関して説明されてきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されることは意図していない。本発明の思想の範囲内にある変更が、当業者には明らかであろう。例えば、本発明の代替の実施形態では、代わりに、フォトニック相互接続シグナリングシステムを用いて、キュービット、キューディット又はキューニットのような、量子状態を操作する量子システムを実施することができる。本発明の代替の実施形態では、導波路によって伝送される光信号は量子情報を表すことができ、ノードインターフェースは、選択された光信号をナノスケール電子回路に経路指定することができるか、又は光信号をナノスケール電子回路に適した形態に変換することができる。本発明の代替の実施形態では、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタは、電子スピンベースの半導体量子コンピュータの光パルス制御を用いる量子情報処理に使用され得る。半導体量子コンピュータでは、各キュービットは、単一電子又は量子ドットのスピン状態によって表され得る。量子ドットは、単一電子の存否を表す。量子ドットは、半導体、金属、原子又は分子のような、単一電子を検出することを可能にする任意の物質を用いて形成され得る。１キュービット及び２キュービットの論理演算は、特定の量子ドットに光制御パルスを加えることによって実施される。半導体量子コンピュータは、量子光学系及びスピントロニクスを組み合わせ、それは、レーザによって与えられる正確な制御、共振−蛍光測定の利用可能性、及び半導体内の電子の長いスピンコヒーレンス時間を含む。図１２に示されたアーキテクチャのアプリケーションを、電子スピンベースの半導体量子コンピュータに適用して、レーザ制御パルスを送出することができ、ドロップフィルタが、図１４のノードによって表されるターゲット量子ドットに適用するために、そのパルスを抽出する。結果として、ターゲット量子ドットは、キュービットに関する論理演算、又はそのキュービットと、隣接する量子ドット内のキュービットとの間の論理演算を実行することができる。
【００６８】
上記の説明は、説明の目的上、本発明を完全に理解してもらうために、特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態に関する上記の説明は、例示及び説明するために提示された。それらは、本発明を網羅的にすること、又は本発明を開示されたそのものずばりの形態に限定することは意図されていない。上記の教示に鑑みて、多数の修正形態及び変形形態が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用形態を最もわかりやすく説明し、それによって当業者が、企図される特定の用途に適合するように様々な変更を加えて、本発明及び種々の実施形態を最大限に利用することを可能にするために図示及び説明される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】４ノードスイッチ機構アーキテクチャを表す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されたスイッチ機構の具現化形態の一例を示す図である。
【図２】１次元フォトニック結晶の一例を示す図である。
【図３】２次元フォトニック結晶の一例を示す図である。
【図４Ａ】第１の１次元フォトニック結晶のための周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロットである。
【図４Ｂ】第２の１次元フォトニック結晶のための周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロットである。
【図５】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図６】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図７Ａ】図５に示された２次元フォトニック結晶の横電場モードの伝搬を示す図である。
【図７Ｂ】図５に示された２次元フォトニック結晶の横磁場モードの伝搬を示す図である。
【図８】図５に示された２次元フォトニック結晶内を伝搬する横電場モード及び横磁場モードのフォトニックバンド構造を示す図である。
【図９】２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す図である。
【図１０】図９に示されたフォトニック結晶の導波路のための周波数対波数ベクトルの大きさの仮想的なプロットである。
【図１１Ａ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｂ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｃ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｄ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｅ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１２】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを示す図である。
【図１３Ａ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の例一例を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の一例を示す図である。
【図１４】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、ノードのグループの一例を示す図である。
【図１５Ａ】光信号の特定の周波数チャネル内にデータを符号化すると共に、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック結晶ベースのライタを示す図である。
【図１５Ｂ】光信号の特定の周波数チャネル内に符号化されたデータを抽出すると共に、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック結晶ベースのリーダを示す図である。
【図１６Ａ】ドロップフィルタ又はアドフィルタのいずれかとして使用されることができ、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、共振空胴を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、検出器／変調器の第１の構成を示す図である。
【図１６Ｃ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、検出器／変調器の第２の構成を示す図である。
【図１７】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１２に示されたスイッチ機構の概略図である。
【図１８】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、電子ベースのスイッチ機構の１つの例示的な具現化形態を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、巡回置換ネットワークの一例を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａに示された巡回置換ネットワークによって生成されることができ、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、４つの起こり得る巡回置換出力を示す図である。
【図２０】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、仮想的な仮想出力キューの一具現化形態を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は計算クラスタに関し、特に、計算クラスタノード間で光信号の周波数チャネル内に符号化されるデータを伝送するための光伝送経路を含む、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタに関する。
【０００２】
発明の背景
「計算クラスタ」と呼ばれる分散型コンピューティングプラットフォームにおける最近の成果は、データ処理速度を高めること、及びプラットフォームサイズを低減することに、かなりの進歩があったことを示す。一般的に、計算クラスタは多数の相互接続されたノードを含み、各ノードは多数の別個のデータ処理タスクを実行することができる。ノードは、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、或いは任意の他のデータ処理デバイス又はデータ伝送デバイスとすることができる。計算クラスタは一般に、データ整理又はデータ生成のいずれかのアプリケーションに利用される。データ整理アプリケーションでは、入力データのパターンを特定し、及び／又は入力データの総計の統計的記述を生成することによって、科学機器によって与えられるデータのような、大量の入力データセットが処理される。例えば、マイクロアレイの光学走査から得られた大量の画像データを解析及び解釈するために、その画像データをより小さな総計の統計的記述に変えることができる。データ生成アプリケーションでは、小さな入力データセットが一般に、シミュレーション用の初期条件を与え、そのシミュレーションによって大きな出力データセットが生成され、その大きな出力データセットをさらに解析又は視覚化することができる。動画を生成する燃焼モデル、天気予報、及びコンピュータグラフィックスのアプリケーションが、データ生成アプリケーションの例である。
【０００３】
計算クラスタのアプリケーションは一般に、それぞれ別個に実行され得る特定の個々のタスクを特定することによって、数百、数千、さらには数百万のタスクに分割される。アプリケーションは、メッセージパッシングインターフェースのコンピュータプログラム及び実行環境によって分割されることが多い。以下の基準、即ち（１）各タスクが受信される順序、（２）クラスタ内のノードの構成、（３）各タスクの計算需要、（４）タスク毎に必要なメモリの量、（４）ノード間で伝送されるデータの量、及び（５）アプリケーションの入力／出力要件に基づいて、タスクを種々のノードに分配することができる。
【０００４】
計算クラスタノードは一般に、高速で、待ち時間が少ない電気相互接続のネットワークを介して相互接続され、それらの電気相互接続は、スイッチ機構を通じてノード間でデータを伝送する。図１Ａは、４ノードスイッチ機構アーキテクチャ１００の図を示す。図１Ａでは、スイッチ機構１０２によって物理ノードが相互接続され、各物理ノードは、第１の仮想ノード及び第２の仮想ノードによって表される。第１の仮想ノードはスイッチ機構１０２との入力接続を表し、第２の仮想ノードはスイッチ機構１０２との出力接続を表す。例えば、物理ノード０とスイッチ機構１０２との間の入力接続は、長方形１０４及び方向矢印１０６によって表され、スイッチ機構１０２と物理ノード０ １０６との間の出力接続は、長方形１０８及び方向矢印１１０によって表される。スイッチ機構は、ノードが計算クラスタ内の異なるノードに同時にデータを伝えることができるように相互接続を提供する。例えば、スイッチ機構１０２は、破線の方向矢印１１２及び１１４によって示されるように、ノード１がノード２及びノード３に同時にデータを伝えることができるように相互接続を提供する。
【０００５】
各ノードによって処理されるデータは一般に、より小さな固定サイズのパケットに分割され、その後、それらのパケットが、スイッチ機構を通じて特定の処理用ノードに分配される。図１Ｂは、図１Ａに示された、スイッチ機構１０２の具現化形態の一例を示す。図１Ｂでは、スイッチ機構１０２は、入力ラインカード１１８及び出力ラインカード１２０のような入力ラインカード及び出力ラインカードと、置換ネットワーク１２２と、アービタ１２４とを含む。データは最初に、ノードから入力ラインカードに伝えられる。入力ラインカードは、データストリームを、固定サイズのパケットに分割する。その後、パケットはスイッチ機構１０２に伝えられ、「仮想キュー」と呼ばれる、１つ又は複数の先入れ先出し方式の電子ベースのデータ構造に分配される。アービタ１２４は、各仮想キューの先頭部に格納されているパケットに関する情報を受信し、それに応じて、置換ネットワーク１２２内の相互接続を構成し、各仮想キューの先頭部に格納されたパケットの第１のバッチを特定のノードに分配する。出力ラインカードは、置換ネットワーク１２０によって受信されたパケットを集め（assemble：組み立てる）、集められたパケットを処理用ノードに伝える。アービタ１２４がパケットの第１のバッチを分配した後に、各仮想キューの先頭部に格納されたパケットの第２のバッチを分配して処理するために、アービタ１２４は置換ネットワーク１２０を再構成する。
【０００６】
一般に、スイッチ機構はノード間でデータを均等に分配する。しかしながら、計算クラスタでは、多くの場合に、他のノードよりも頻繁に大量のデータを交換するノードが多数あり、スイッチ機構によって提供される、待ち時間の少ない相互接続では、帯域幅が限られている。結果として、ノード間で伝送され得るデータの量が、各時点における特定のノードのデータ転送要件と適切に釣り合わないため、データ処理に遅れが生じる。さらに、アービタは一般に、パケットのバッチを分配する前に、各キューの先頭部に配置されている全てのパケットに関する情報を受信することに依存するため、アービタはデータ処理を遅らせる可能性がある。計算クラスタの製造業者、設計者及び使用者は、広い帯域幅で、高速の相互接続を提供する相互接続アーキテクチャ、及びパケットを分配するのにアービタに依存しないスイッチ機構が必要であることを認識している。
【０００７】
発明の概要
本発明の種々の実施形態は、計算クラスタノード間で高速、広帯域幅の相互接続を提供するフォトニック相互接続ベースの計算クラスタを対象とする。本発明の一実施形態では、計算クラスタは光信号内の別個の周波数チャネルを一組のノード内の各ノードに伝える１つ又は複数の光伝送経路を有するフォトニック相互接続を含む。計算クラスタは１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタを含み、各ライタは１つの特定のノードに関連付けられ、各ライタは、ノードによって生成される情報を、別個の周波数チャネルのうちの１つの中に符号化する。スイッチ機構は、別個の周波数チャネル内に符号化された情報を、計算クラスタ内の１つ又は複数のノードに送る。また、計算クラスタは１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダを含み、各リーダは１つの特定のノードに関連付けられ、各リーダは処理用のノードに向けられる、別個の周波数チャネル内に符号化された情報を抽出する。
【０００８】
発明の詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、計算クラスタでデータを伝送するための高速、広帯域幅のフォトニック相互接続を提供する、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを対象とする。フォトニック相互接続は、光信号源からの光信号を１つ又は複数の計算クラスタノードに伝送する光伝送経路を含む。光信号は、「周波数チャネル」と呼ばれる、多数の別個の電磁波を含み、周波数チャネルをそれぞれ別個に変調して、データを符号化することができ、そのデータはその後、計算クラスタ内の特定のノードに送られることができる。各ノードは、そのノードに送られたデータを符号化する第１の周波数チャネルを抽出する第１のフィルタに接続され、そして各ノードは、第２の周波数チャネルを変調することによって、計算クラスタ内の異なるノードに送られたデータを符号化するために使用され得る第２のフィルタに接続される。周波数チャネルを通じてデータをノードに送るために、スイッチ機構を含むことができる。単一の外部光源を用いて光信号を生成することができ、ノードに関連した別々の光信号源を避けることができる。
【０００９】
本発明は、以下のサブセクション、即ち（１）フォトニック結晶及び導波路の概説、（２）データの電磁波内への符号化の概説、及び（３）本発明の実施形態において以下に説明される。
【００１０】
フォトニック結晶及び導波路の概説
フォトニック結晶は、誘電特性を有する２つ以上の異なる材料から構成された光学デバイスであり、それらの材料は、或る規則的なパターンで互いに組み合わされると、電磁放射（「ＥＲ」）の伝搬特性を変更することができる。図２及び図３は、多数の異なる可能なパターンのうちの２つを示しており、異なる誘電特性を有する２つの異なる材料を組み合わせて、フォトニック結晶を形成することができる。フォトニック結晶は一般に、誘電体パターンが周期的である方向の数によって特定される。例えば、図２は、１次元のフォトニック結晶の一例を示す。図２では、フォトニック結晶２００は、ｚ方向において周期的に交互に並ぶ２つの異なる誘電体の７つの層から構成される。斜線を付されていない層２０１〜２０４は、誘電率ε１を有する第１の誘電体から構成され、斜線を付された層２０５〜２０７は、異なる誘電率ε２を有する第２の誘電体から構成される。これらの層は、「格子定数」と呼ばれる反復距離で規則的に離間されており、図２に示された格子定数の場合、格子定数はａである。図３は、２次元のフォトニック結晶の一例を示す。２次元フォトニック結晶３００は、２つの異なる誘電体の交互層を含み、２つの格子定数ａ及びｂでもってｘ方向及びｙ方向の両方において周期的である。領域３０１のような斜線を付されていない領域は、誘電率ε１を有する第１の誘電体から構成され、領域３０２のような斜線を付された領域は、異なる誘電率ε２を有する第２の誘電体から構成される。また、３次元において繰り返しパターンを有するフォトニック結晶を製造することもできる。３次元フォトニック結晶は、第２の誘電体を含むスラブ内に埋め込まれる、第１の誘電体を含む球、円筒又は他の固体形状を用いて製造され得る。
【００１１】
誘電体の中を伝搬するＥＲは、振動する直交電場（ベクトルＥ）、及び磁場（ベクトルＨ）、並びに伝搬方向（ベクトルｋ）を含む電磁波によって特徴付けられ得る。電場及び磁場は、マクスウエルの方程式によって関係付けられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
ただし、ベクトルｒは誘電体内の電磁波の空間変位であり、ｔは時間であり、及び
は誘電率である。
【００１４】
誘電体は一般に、自由電荷又は自由電流をサポートしないため、式１〜式４は、電荷密度項又は体積電流密度項を含まない。式３及び式４は、回転方程式であり、線形微分方程式である。双方の式において、左辺は、場が独立した空間変位（ベクトルｒ）に依存することを表し、右辺は場がｔに依存することを表す。ベクトルｒに対して変化する微分量がｔに対して変化する量に等しいままにしておくための唯一の方法は、その微分量が同じ定数値に等しくなることである。式３及び式４の両辺は或る定数に等しく、以下の式を得るために、変数分離の方法を適用することができる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
ただし、ωは誘電体内を伝搬する電磁波の角周波数である。
【００１７】
マクスウエルの回転方程式３及び４は、誘電率
で式４を割り、回転演算子を適用し、電場の回転に式３を代入して、以下の式を得ることによって分離することができる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
ただし、
は微分演算子である。式５は固有値方程式である。ただし、固有値はω２であり、固有関数は対応する磁場
である。磁場
が式５に従って求められた後に、
を式３に代入し、
について解くことによって、電場
を求めることができる。
【００２０】
図１及び図２に示されるフォトニック結晶のような、有限次元のフォトニック結晶の場合、式５の固有値及び固有関数を量子化して、以下の式を与えることができる。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ただし、ｊは、角周波数が増加する順序において磁場
の高調波モードにラベルを付ける、「バンド指数（band index）」と呼ばれる、負でない整数値である。
【００２３】
フォトニック結晶の並進対称を用いて、磁場
の関数形式を求めることができる。例えば、フォトニック結晶２００内を伝搬する磁場
の関数形式は、以下の式によって与えられる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
ただし、ベクトルρはｘｙ平面ベクトルであり、ベクトルｋ//はｘｙ平面波数ベクトルであり、ｋｚはｚ方向の波数ベクトル成分であり、
はｚ方向における周期関数である。式６の指数項
は、ｘｙ平面において誘電体層の中を伝搬するＥＲの連続並進対称から生じる。しかしながら、式６の項
は、ブロッホの定理、及び以下の式によって与えられる、フォトニック結晶２００の誘電率の周期性によってｚ方向において課せられる離散並進対称から生じる。
【００２６】
【数６】
【００２７】
ここで、ａは誘電体層の規則的なパターンによって決定される格子定数であり、ｌは整数である。
【００２８】
磁場
は２π／ａの整数倍の場合に周期的である。結果として、関連する角周波数も周期的である。
【００２９】
【数７】
【００３０】
フォトニック結晶の誘電体パターンの違いが、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれる、周波数ωｊの１つ又は複数の範囲を生成し、その場合、ＥＲはフォトニック結晶の中で伝搬するのを妨げられる。また、フォトニックバンドギャップは、電磁エネルギー範囲、及びλｊによって表される波長の範囲にも対応し、誘電体間の差がＥＲ吸収及びＥＲ伝搬を妨げる。フォトニック結晶の中を伝送されるＥＲの波長λｊは、角周波数ωｊに関連する。即ち、
【００３１】
【数８】
【００３２】
ただし、ｖはフォトニック結晶内のＥＲの速度である。高周波数の高調波モードは、低い誘電率を有する誘電体領域内において電磁エネルギーを集中する傾向があり、一方、低周波数の高調波モードは、高い誘電率を有する誘電体領域において電磁エネルギーを集中する傾向があるため、或る特定のＥＲ周波数範囲は、フォトニック結晶の中を伝送されない。電磁エネルギーＷは、以下のように、変分原理から求めることができる。
【００３３】
【数９】
【００３４】
ただし、
であり、「＊」は複素共役を表す。
【００３５】
電磁エネルギーは、低い誘電率を有するフォトニック結晶の領域内を伝搬しているモードの場合よりも、高い誘電率を有する領域内を伝搬している高調波モードの場合に低い。
【００３６】
１次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数の大きさ及び範囲は、フォトニック結晶を含む誘電体の誘電率間の相対差に依存する。フォトニック結晶を含む材料の誘電率間の差が相対的に大きい１次元フォトニック結晶は、誘電率間の差が相対的に小さいフォトニック結晶よりも、高い周波数範囲おいて、より大きなフォトニックバンドギャップを有する。
【００３７】
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、第１の１次元フォトニック結晶及び第２の１次元フォトニック結晶に関する、周波数（ωａ／２πｃ）対波数ベクトルｚ成分ｋｚの仮想的なプロットである。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、横軸４０１のような横軸は、波数ベクトルｚ成分ｋｚに対応し、縦軸４０２のような縦軸は、周波数に対応する。式７に関連して上述されたように、周波数ωｊは周期的であるため、１、２及び３に等しい角周波数バンドｊの場合に、周波数（ωｊａ／２πｃ）が波数ベクトルｚ成分範囲−π／ａ及びπ／ａに対してプロットされる。フォトニックバンドギャップは、影付き領域４０３及び４０４によって特定される。線４０５、４０６及び４０７は、第１、第２及び第３の角周波数バンド（ｊ＝１、２及び３）に対応する。第１のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対差が、第２のフォトニック結晶を構成する材料の誘電率間の相対差よりも小さいため、図４Ａのフォトニックバンドギャップ４０３の幅４１０は、図４Ｂのフォトニックバンドギャップ４０４の幅４１２よりも狭い。また、フォトニックバンドギャップ４０３は、フォトニックバンドギャップ４０４がカバーする周波数範囲よりも低い周波数範囲をカバーする。
【００３８】
２次元フォトニック結晶は、誘電体スラブ内に製作される円柱状体の規則的な格子から構成され得る。その円柱状体は、空気穴、又はフォトニックスラブの誘電体材料とは異なる誘電体材料で満たされた穴とすることができる。図５は、２次元フォトニック結晶の斜視図である。図５では、フォトニック結晶５００は、柱状体５０２のような、埋め込まれた円柱状体の規則的な格子を有する誘電体スラブ５０１から構成される。円柱状体は、円柱状体５０３によって示されるように、スラブ５０１の上側表面から下側表面まで延在し、空気、又はスラブ５０１の誘電率とは異なる誘電率を有する任意の他の材料で満たされた穴とすることができる。また、２次元フォトニック結晶は、気体又は液体によって取り囲まれる円柱状体の規則的な格子配列から構成され得る。図６は、円柱状体とは異なる誘電率を有する、気体又は液体のような流体によって取り囲まれる、円柱状体６０１のような固体円柱状体の規則的な正方格子を有する２次元フォトニック結晶６００を示す。
【００３９】
２次元フォトニック結晶は、フォトニック結晶の周期的な平面内を伝搬するＥＲを偏光し、電場及び磁場は２つの異なる偏光、即ち（１）横電場「ＴＥ」モード、及び（２）横磁場「ＴＭ」モードに分類され得る。ＴＥは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
及びフォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
を有し、一方、ＴＭは、フォトニック結晶の周期的な平面に対して垂直に向けられる
及びフォトニック結晶の周期的な平面内に向けられる
を有する。図７Ａ及び図７Ｂは、図５に示される２次元フォトニック結晶内のＴＥモード及びＴＭモードの伝搬を示す。フォトニック結晶５００の周期的な平面はｘｙ平面内にあり、円柱状体はｚ方向に平行であり、ＥＲはフォトニック結晶５００の中をｙ方向に伝搬する。図７Ａにおいて、振動曲線７０１は、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
モードを表し、振動曲線７０２は、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
モードを表す。図７Ｂにおいて、振動曲線７０３は、ｘｙ平面に対して垂直に向けられる
モードを表し、振動曲線７０４は、ｘｙ平面内に向けられる、直交する
モードを表す。
【００４０】
図８は、図５に示されたフォトニック結晶内を伝搬するＥＲのＴＭモード及びＴＥモードのフォトニックバンド構造を示す。図８では、縦軸８０１はフォトニック結晶５００内を伝搬するＥＲの角周波数を表し、横軸８０２は図５に示されるフォトニック結晶５００のフォトニック結晶セグメント８０３内のΓ、Ｍ及びＫを付される格子点間のＥＲ伝搬経路を表す。実線８０４のような実線はＴＭモードを表し、破線８０５のような破線はＴＥモードを表す。影付き領域８０６はフォトニックバンドギャップを特定し、そこでは、ＴＥモード及びＴＭモードのいずれもフォトニック結晶５００内を伝搬するのを許容されない。
【００４１】
フォトニックバンドギャップ８０６のような、２次元フォトニック結晶スラブ内のフォトニックバンドギャップによりカバーされる周波数範囲及び幅は、格子定数ａによって表される、円柱状体の周期的な間隔、及びスラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差に依存する。また、フォトニックバンドギャップ８０６によりカバーされる周波数範囲は、スラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差が大きくなると、高い方の周波数範囲にシフトすることができ、一方、フォトニックバンドギャップ８０６は、スラブの誘電率と円柱状体の誘電率との間の相対的な差が小さくなると、低い方の周波数範囲にシフトすることができる。
【００４２】
電子ビーム、又は化学エッチングが後続するナノインプリントリソグラフィ、又は他の処理方法を用いて、適切な２次元の誘電体スラブ内に円柱状体を製造することができる。さらに、２次元のフォトニック結晶は、指定された周波数バンド内のＥＲを反射するように設計され得る。結果として、２次元フォトニック結晶は周波数バンドストップフィルタとして設計及び製造されて、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数を有するＥＲの伝搬を防ぐことができる。一般に、円柱状体のサイズ及び相対的な間隔は、ＥＲのいずれかの波長が、２次元フォトニック結晶内を伝搬するのを禁止されるかを制御する。しかしながら、特定の局在化した光学部品を製造するために、円柱状体の格子内に欠陥を導入することができる。特に、「共振空胴」と呼ばれる点欠陥を製造して、ＥＲの狭い範囲の周波数又は波長を一時的に閉じ込める共振器を提供することができる。「導波路」と呼ばれる線欠陥を製造して、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内にある周波数範囲又は波長を有するＥＲを伝送することができる。結果として、３次元フォトニック結晶スラブは、スラブの厚みに依存する屈折率ｎを有する２次元結晶と見なすことができる。
【００４３】
図９は、２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す。共振空胴は、選択された円柱状体を省くか、そのサイズを大きくするか、又は小さくすることによって、２次元フォトニック結晶スラブ内に形成され得る。例えば、共振空胴９０１は、破線の円によって取り囲まれる空領域によって示されるように、円柱状体を省くことによって、フォトニック結晶９００内に形成される。共振空胴９０１及び９０５は、フォトニックバンドギャップの周波数範囲内のＥＲを一時的に閉じ込める、実質的に反射性の壁部によって取り囲まれる。共振空胴は、フォトニック結晶の平面に対して垂直な方向において、狭い周波数バンド内でＥＲを伝えることができる。例えば、共振空胴９０１は、フォトニックバンドギャップの狭い周波数バンド内に、局在化したＴＭモード及びＴＥモードを閉じ込めることができる。フォトニック結晶９００が、内部全反射を生み出す２つの反射板又は誘電体間に挟まれない限り、共振空胴９０１内で共振するＥＲは、フォトニック結晶９００の周期的な平面に対して垂直な方向に漏出することができる。各共振空胴は関連する「Ｑ」（quality factor：Ｑ因子）を有し、それは、共振空胴内で共振するＥＲが共振空胴を取り囲む領域内に拡散する前に、空胴内でどれぐらいの振動が生じるかの尺度を与える。
【００４４】
導波路は、フォトニック結晶内の第１の場所からフォトニック結晶内の第２の場所まで、フォトニックバンドギャップの特定の周波数範囲内のＥＲを導くために使用され得る光伝送経路である。導波路は、円柱状体の列又は行内の特定の円柱状体の直径を変更することによって、又は円柱状体の行を省くことによって製造され得る。例えば、フォトニック結晶９００では、誘電性導波路９０２は、破線９０３と９０４との間の空領域によって示されるように、フォトニック結晶９００の製造中に円柱状体の行全体を省くことによって形成される。誘電性導波路９０２は、単一の経路に沿って、波長λ０及びλ１を有するＥＲを伝送する。分岐導波路のネットワークを用いて、フォトニック結晶を通じて、多数の異なる経路にＥＲを導くことができる。導波路に沿って伝搬する光信号の直径は、□／３ｎ程度に小さくすることができる。ただし、ｎは導波路の屈折率であり、一方、共振空胴の高調波モード体積は２（□／３ｎ）３程度に小さくすることができる。
【００４５】
導波路及び共振空胴は、ＥＲが導波路及び共振空胴を直接取り囲む領域内に漏出するのを防ぐ際に、決して１００％有効でないことがある。例えば、導波路に沿って伝搬するフォトニックバンドギャップ内の周波数範囲内のＥＲは、導波路を取り囲む領域内に拡散する傾向もある。導波路又は共振空胴を取り囲む領域に入るＥＲは、振幅の指数関数的減衰を受け、過程は「エバネッセンス」と呼ばれる。結果として、導波路によって搬送されるＥＲの或る特定の波長を共振空胴によって抽出することを可能にするするために、共振空胴を導波路から短い距離の範囲内に配置することができる。実際には、共振空胴は、導波路内を伝搬するＥＲの或る特定の波長の部分を抽出するために使用され得るフィルタである。共振空胴のＱ因子に応じて、抽出されたＥＲは共振空胴内に閉じ込められたままになり、且つエバネッセンスにより周囲に消散するか、又は導波路内に後方散乱する前に或る時間にわたって共振することができる。例えば、図９では、共振空胴９０１は導波路９０２から、あまりにも離れて配置されているため、特定の波長を有するＥＲのモードを抽出することはできない。しかしながら、共振空胴９０５は、導波路９０２に沿って伝搬する、波長λ３を有するＥＲの部分を抽出することができる。従って、波長λ３を有するＥＲのわずかな部分が残されて、波長λ１及びλ２のＥＲと共に導波路９０２内で伝搬することができる。
【００４６】
図１０は、図９に示されたフォトニック結晶の導波路に関する周波数対波数ベクトル（ベクトルｋ//）の大きさの仮想的なプロットである。図１０では、影付き領域１００１及び１００２は、図９に示された、導波路９０２が存在しないフォトニック結晶９００の突出した第１のバンド構造及び第２のバンド構造を表す。領域１００３は、フォトニック結晶９００によって生成されるフォトニックバンドギャップを特定する。線１００４は、導波路９０２内を伝搬することを許容される周波数のバンドを特定する。導波路９０２内を伝搬することを許容される周波数バンドの数は、導波路９０２のサイズを大きくすることによって増やすことができる。
【００４７】
３次元フォトニック結晶の場合、３次元格子パラメータ、誘電率間の差、及び包含物の寸法が、フォトニックバンドギャップの周波数範囲を決定する。また、或る特定の包含物を選択的に除去するか、又はその包含物の寸法を選択的に変更することによって、３次元フォトニック結晶内にも、導波路及び共振空胴を製造することができる。
【００４８】
データの電磁放射内への符号化の概説
１ビットは、計算システムにおける情報の基本単位であり、「はい」及び「いいえ」、又は「オン」及び「オフ」のような２つの選択肢から選択することに等価である。１ビットの２つの状態は一般に、数字１又は０によって表される。電磁波の振幅、周波数又は位相を変調することによって、電磁波の中に情報を符号化することができる。その後、変調された電磁波を、光ファイバ内で、導波路内で、又は自由空間を通じて遠い距離にわたって伝送することができ、復調器によって復号化することができる。しかしながら、磁場の振幅は係数１／ｃだけ電場の振幅よりも小さいため、物質と大部分の電磁波との相互作用は、磁場成分ではなく電場成分から生じる。ただし、ｃは光の速度を表す。結果として、そして簡単にするために、電磁波を電場成分によって表すことができる。即ち、
Ｅ（ｚ，ｔ）＝Ｅ０ｃｏｓ（ｚｋ−ωｔ）
ただし、電場はｚ方向に伝搬し、ωは角周波数であり、ｋは波数ベクトルω／ｃであり、ｔは時間であり、Ｅ０は振幅である。図１１Ａは、時間及び固定された観測点の関数としての電磁波のプロットである。図１１Ａでは、水平線１１０２は時間軸であり、垂直線１１０４は振幅Ｅ０であり、曲線１１０６は電場Ｅ（ｚ，ｔ）を表す。周期Ｔは、電磁信号が１サイクルを完了するのにかかる時間である。角周波数ωは２πυであり、ただしυは周波数、又は回数であり、電磁場は単位時間当たり１サイクルを完了する。
【００４９】
振幅変調は、電磁信号の振幅の強度又は大きさを変更することによって情報を符号化するために使用される。図１１Ｂは、ビット「０」及び「１」に関して振幅変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｂでは、１ビットは信号の４つの連続したサイクルに対応する。この場合、小さな振幅１１１０を有するサイクル１１０８はビット「０」に対応し、相対的に大きな振幅１１１４を有するサイクル１１１２はビット「１」に対応する。周波数変調は、電磁信号の周波数を変更することによって情報を符号化するために使用される。図１１Ｃは、ビット「０」及び「１」に関して周波数変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｃでは、４つの連続したサイクル１１１６がビット「１」に対応し、２つの連続したサイクル１１１８がビット「０」に対応する。位相変調は、以下のように、電磁信号の位相をシフトすることによって情報を符号化するために使用される。即ち、
Ｅ（ｚ，ｔ）＝Ｅ０ｃｏｓ（ｚｋ−ωｔ＋φ）
ただし、φは位相シフトを表す。位相シフトは、電磁信号の波形のシフトに対応する。例えば、図１１Ｄは、曲線１１２２の１／４サイクルの位相シフトを含む曲線１１２０を示す。図１１Ｅは、ビット「０」及び「１」に関して位相変調される電磁信号の符号化の一例を示す。図１１Ｅでは、サイクル１１２４はビット「１」に対応し、サイクル１１２６は、１／２サイクル位相シフトを含み、ビット「０」に対応する。
【００５０】
本発明の実施形態
図１２は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを示す。計算クラスタ１２００は、グループ１２０１〜１２０４と、スイッチ機構１２０６と、クロックフレーム１２０８と、線１２１０のような分岐線によって表される分岐光伝送経路のツリーとから構成される。グループ１２０１〜１２０４はそれぞれ、図１４に関連して以下で説明される１つ又は複数のノードから構成される。図１２では、光信号源（図示せず）が、「周波数チャネル」と呼ばれる８つの別個の電磁波を含む光信号を生成し、各周波数チャネルは、λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８によって表される異なる波長を有する。光信号は、方向矢印１２１４によって特定される方向に、光伝送経路１２１２において計算クラスタ１２００に入る。光伝送経路１２１２は、周波数チャネルの８つ全てをグループ１２０１〜１２０４に伝送する他の分岐光伝送経路に繋がる。その際、多数の周波数チャネルは、各グループのノードによってデータで符号化されることができ、スイッチ機構１２０６によって異なるノードに再分配され得る。クロックフレーム１２０８は、計算クラスタ１２００を構成する部品の動作を同期させるために使用され得るクロック信号を提供する。
【００５１】
光伝送経路は、光ファイバ、同軸ケーブル、フォトニック結晶内の導波路、又は光ファイバ、同軸ケーブル及び導波路の任意の組み合わせとすることができる。単一の光伝送経路が多数の別個の周波数チャネルを伝送することができ、周波数チャネルはそれぞれ１つの別個のバスを表す。図１３Ａ〜図１３Ｃは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得る、２次元のフォトニック結晶ベースの相互接続内の導波路の例を示す。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、導波路は、図１３Ａに示された円柱状体１３０１のような円柱状体の格子内に配置される。円柱状体は、空気穴、又はフォトニック結晶スラブの誘電体材料とは異なる誘電体材料で満たされた穴とすることができる。２次元のフォトニック相互接続は、概ね数百ナノメートル以下の円柱状体直径及び格子定数を有することができる。円柱状体の直径及びパターン、並びに円柱状体内の誘電体材料又は円柱状体を取り囲む誘電体材料は、導波路に光信号を実質的に閉じ込めるフォトニックバンドギャップを形成するように選択され得る。図１３Ａは、図１２の光伝送経路１２１２のような直線的な経路に沿って、周波数チャネルλ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８を含む光信号を伝送するために使用され得る直線導波路を示す。図１３Ｂは、図１２の曲がった光伝送経路１２２０のような、光信号の経路を閉じ込めると共に、導くために使用され得る曲がった導波路を示す。図１３Ｃは、グループ１２０１及び１２０２に同じ光信号を伝送する図１２のＹ字形光伝送経路１２２２のような、同じ光信号を２つの異なる導波路に伝送するために使用され得るＹ字形導波路を示す。
【００５２】
図１２の光伝送経路によって伝送される周波数チャネルは、第１のセットの周波数チャネル及び第２のセットの周波数チャネルに分割される。第１のセットの周波数チャネルλ１、λ２、λ３及びλ４は、データを符号化するためにグループ１２０１〜１２０４内のノードによって変調され、光伝送経路１２１６〜１２１９において、第２のセットの周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８と共にスイッチ機構１２０６に伝送される。図１４は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表すグループの一例を示す。図１４では、グループ１４００は４つのノード１４０１〜１４０４、及び１つの光伝送経路１４０６から構成される。各ノードは、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール又はナノスケールのいずれかの寸法を有する任意の電気回路、又は電気回路のモザイクとすることができる。光伝送経路１４０６は、周波数チャネルλ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７及びλ８を含む光信号をノード１４０１〜１４０４に伝送するフォトニック結晶内の導波路とすることができる。
【００５３】
グループ１４００内の各ノードは、下方への矢印１４０８〜１４１１によって表されるフォトニック結晶ベースのライタ（writer）の近くに配置され、ライタは、データを抽出し、そのデータを第１のセットの周波数チャネルのうちの特定の周波数チャネル内に符号化する。例えば、フォトニック結晶ベースのライタ１４０８は、周波数チャネルλ１を抽出し、ノード１４０１によって生成されるデータを周波数チャネルλ１内に符号化して変調周波数チャネルλ１ｇを入手し、その変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入する。ただし、上付き文字ｇはグループを特定する。例えば、上付き文字ｇは、「０」、「１」、「２」又は「３」とすることができ、それを用いて図１２に示されたグループが特定される。変調周波数チャネルλ１ｇ、λ２ｇ、λ３ｇ及びλ４ｇ並びに第２のセットの非変調周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８は、導波路１４０６によって図１２のスイッチ機構１２０６に伝えられる。
【００５４】
各ノードは、上方への矢印１４１２〜１４１５によって特定されるフォトニック結晶ベースのリーダ（reader）の近くにも配置され、リーダは、周波数チャネル、バーλ５、バーλ６、バーλ７及びバーλ８内に符号化されるデータを抽出する。ただし、バーはスイッチ機構１２０６によってグループ１４００に伝送される周波数チャネルを表し、周波数チャネルはそれぞれ、計算クラスタ１２００内の異なるグループのノードによってデータで符号化されている。ノードがフォトニック結晶ベースのライタ及びリーダと通信するために、各ノードは、インターフェース１４１８のようなインターフェースを含み、インターフェースは、ノードの内部部品と、以下に説明される、対応する取り付けられたフォトニック結晶ベースのライタ及びリーダとの間で電気信号を伝えるマルチプレクサ／デマルチプレクサを含む。
【００５５】
フォトニック結晶ベースのライタは、導波路によって伝送される特定の周波数チャネルを抽出し、抽出された周波数チャネルをノードによって導かれるように変調し、変調周波数チャネルを計算クラスタ内の他の場所にある異なるノードによって読み出されることになる導波路に挿入することによって、特定の周波数チャネル内にデータを符号化する。図１５Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、光信号の特定の周波数チャネル内にデータを符号化するフォトニック結晶ベースのライタを示す。フォトニック結晶ベースのライタ１５００は、データを周波数チャネルλ１内に符号化する。ライタ１５００は、ドロップフィルタ１５０２と、局部導波路１５０４と、変調器１５０６と、アドフィルタ１５０８と、導波路１４０６とを含む。ドロップフィルタ１５０２は、導波路１４０６からのエバネッセント結合を介して、周波数チャネルλ１を抽出すると共に閉じ込める共振空胴である。周波数チャネルλ１は、ドロップフィルタ１５０２から局部導波路１５０４の中にエバネッセント結合し、その後、局部導波路１５０４から変調器１５０６の中にエバネッセント結合する。変調器１５０６は、図１６Ａ〜図１６Ｃに関連して以下で説明され、ノード１４０１によって受信される符号化命令に従って、周波数チャネルλ１を変調して、変調周波数チャネルλ１ｇを生成する共振空胴である。アドフィルタ１５０８は、変調器１５０６からのエバネッセント結合を介して変調周波数チャネルλ１ｇを受信し、変調周波数チャネルλ１ｇを、エバネッセント結合を介して導波路１５０６に挿入する共振空胴である。
【００５６】
フォトニック結晶ベースのリーダは、計算クラスタ内の異なるノードによって書き込まれると共に送出される特定の変調周波数チャネルを抽出する。図１５Ｂは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、光信号の特定の周波数チャネル内に符号化されたデータを抽出するフォトニック結晶ベースのリーダを示す。フォトニック結晶ベースのリーダ１５５０は、符号化された周波数チャネル、バーλ５を抽出する。リーダ１５５０は、ドロップフィルタ１５５２及び検出器１５５４を含む。ドロップフィルタ１５５２は、導波路１４０６からのエバネッセント結合を介して、周波数チャネル、バーλ５を抽出すると共に閉じ込める。周波数チャネル、バーλ５はドロップフィルタ１５５２から復調器１５５４の中にエバネッセント結合する。復調器１５５４は、図１６Ａ〜図１６Ｃに関連して以下で説明される共振空胴であり、変調周波数チャネル、バーλ５によって搬送されるデジタル情報を抽出する光検出器を含む。
【００５７】
一般に、フォトニック結晶ベースのライタ及びフォトニック結晶ベースのリーダのドロップフィルタ及びアドフィルタは、導波路から出るエバネッセント場の範囲内に配置される。導波路に対するドロップフィルタ及びアドフィルタの両方の直径及び距離は、関連する共振空胴が導波路によって搬送される特定の波長のための共振器になるように選択され得る。例えば、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるドロップフィルタ１５０２及び１５５２に関連する共振空胴はそれぞれ、周波数チャネルλ１及びバーλ５を抽出すると共に閉じ込めるような寸法で形成され、導波路１４０６の近くに配置される。図１５Ａのアドフィルタ１５０８は、変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入するような寸法で形成されて、導波路１４０６の近くに配置される。図１５Ａに示される局部導波路１５０４は、局部導波路１５０４によって伝送される周波数チャネルのかなりの部分が変調器１５０６の中に結合され得るように、変調器１５０６の近くに配置される。また、変調器１５０６はアドフィルタ１５０８と共に強い共振結合を生じさせるような寸法に形成されて配置され、その結果、アドフィルタ１５０８は変調周波数チャネルλ１ｇを導波路１４０６に挿入することができる。フォトニック結晶スラブの誘電率、並びに各共振器空胴を取り囲む円柱状体の格子の間隔及び／又はサイズは、ドロップフィルタが或る特定の周波数チャネルのみを抽出することができるように選択され得る。導波路と、ドロップフィルタ及びアドフィルタとの間に強い結合を与えるために、共振空胴は、約１０００以上のＱ因子のような、高いＱ因子で製造され得る。
【００５８】
ドロップフィルタ及びアドフィルタは、フォトニック結晶内の種々の異なる欠陥を用いて製造され得る。図１６Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、ドロップフィルタ又はアドフィルタのいずれかとして使用され得る共振空胴を示す。図１６Ａでは、共振空胴１６０２は、フォトニック結晶スラブ１６０４内の円柱状体の規則的な三角形パターン内の１つの円柱状体を省くことによって形成され得る。共振空胴１６０２の直径、並びに円柱状体１６０６のような共振空胴１６０２を取り囲む円柱状体のパターン及び直径は、特定の周波数チャネルが、周囲のフォトニック結晶スラブ１６０４の中にエバネッセント結合するのを実質的に防ぐように選択され得る。また、共振空胴は、周囲の円柱状体の直径とは異なる直径を有する円柱状体を用いて、及び／又は周囲の円柱状体の誘電体材料とは異なる誘電体材料で円柱状体を満たすことによって、製造され得る。フォトニック結晶スラブ１６０４は、ガラス基板１６０８の上に配置され、正にドープされた半導体層１６１０、半導体層１６１０の上に配置された絶縁層１６１２、及び絶縁層１６１２の上に配置される負にドープされた半導体層１６１４から構成される。層１６１４、１６１２及び１６１０は、「ｐ−ｉ−ｎ」層と呼ばれる単層を構成する。ｐ−ｉ−ｎ層のドーパント濃度は、Ｓｉ、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＩｎＧａＡｓ又は任意の他の適切なドーパントの任意の組み合わせとすることができる。
【００５９】
共振空胴において、種々の異なる材料から復調器及び変調器を製造することができる。図１６Ｂは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、復調器／変調器の第１の構成を示す。復調器／変調器１６１６は、２つの電極１６２０と１６２２との間に挟まれた、共振空胴１６０２のような共振空胴を用いて製造され得る。電極１６２０は半導体層１６１０と接触しており、電極１６２２は半導体層１６１４と接触している。復調器／変調器１６１６が復調器として動作するために、電極１６２０及び１６２２は、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの強度、位相及び／又は振幅の変化によって生成される、変化する電流を収集する。変化する電流は、電極１６２０及び１６２２から、信号線（図示せず）を介して、図１４のインターフェース１４１８のようなノードインターフェースに伝送され得るデータストリームを表す。復調器／変調器１６１６が、電極１６２０及び１６２２に印加される電圧を変更することによって変調器として動作することができるように、半導体層１６１０及び１６１４は異なるドーパント濃度又はドーパントタイプを有することができる。印加される電圧は、ノードインターフェースによって与えられ、周波数チャネルの位相及び／又は振幅を変更することによって、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルが変調される。
【００６０】
図１６Ｃは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、復調器／変調器の第２の構成を示す。復調器／変調器１６２６は共振空胴１６０２と、いずれも共振空胴１６０２の下に配置される２つの電極１６２８及び１６３０とを含む。層１６０４は、図１６Ａに関連して上述されたｐ−ｉ−ｎ層から構成され得るか、又はニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３の単層のような単層から構成され得る。共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの強度、位相及び／又は振幅の変化によって生成される、電極１６２８及び１６３０内の変化する電流を収集することによって、復調器／変調器１６２６は復調器として動作する。電極１６２８及び１６３０に印加される電圧を変更し、それにより、共振空胴１６０２内の誘電体材料の誘電率を変更し、共振空胴１６０２内で共振する周波数チャネルの位相及び／又は振幅の変化を引き起こすことによって、復調器／変調器１６２６は変調器として動作する。
【００６１】
復調器電極検出器内の固有キャパシタンスは多くの場合に十分に低いので、「ジョンソン雑音」と呼ばれる、導体内の電子の熱運動によって生じる雑音に起因する電流の揺らぎをわずかにすることができる。結果として、光信号源に関連する統計値が、検出器からの出力に対応するシリアルデジタル信号に生じるビット誤り率（「ＢＥＲ」）を支配する。例えば、ビット当たり３０光子を有する光信号のポアソン分布は、１０−１３未満のＢＥＲを達成するのに十分である。１０〜１００のＱ因子を有する共振空胴内にドープされた領域を組み込むことによって、低減された吸収を補償することができる。インピーダンス整合のためにＱ因子を適切に選択することにより、検出器の内部吸収損失に対する空胴の光入力損失は、検出効率を高めることができる。例えば、約５０％の検出効率の上昇を達成することができる。
【００６２】
電気光学技術を用いる共振空胴強化（「ＲＣＥ：Resonant cavity enhanced」）変調器の設計にも同様の考えを適用することができる。約１０００よりも大きいＱ因子を有する共振空胴の場合、５０％程度の高い変調深度を達成することができる。自由キャリアプラズマ屈折率の変化のような、他の物理的な効果を用いることもできるが、約３００ｎｍのギャップ間に約３０ｍＶの電位差をかけながら、電気光学変調を用いて、１ｋＶ／ｃｍの電場を生成することができ、それは、多種多様な線形誘電体材料において０．００１程度の大きな屈折率変化を引き起こすのに十分である。
【００６３】
グループが、導波路によって伝送される周波数チャネルの半分内にデータを符号化した後に、図１２のスイッチ機構１２０６が、符号化されてない周波数チャネルを用いて、計算クラスタ内の他のノードに向けられているデータを符号化する。図１７は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１２に示されたスイッチ機構１２０６の概略図を示す。スイッチ機構１２０６は、導波路１２１６〜１２１９内のそれぞれのグループ１２０１〜１２０４から伝送される変調及び非変調の周波数チャネルを受信する。上向きの矢印を有するボックスによって表される、フォトニック結晶ベースのリーダが、図１５Ｂに関連して上述されたように、導波路１２１６〜１２１９において伝送される変調周波数チャネルを抽出する。フォトニック結晶ベースのリーダは、抽出された周波数チャネルを、連続する電気的なビットストリームに変換する。電子ベースのスイッチ機構１７０６が、そのビットストリームを、図１２の計算クラスタ１２００内のノードに送る。例えば、フォトニック結晶ベースのリーダ１７０１〜１７０４は、導波路１２１６から変調周波数チャネルλ１０、λ２０、λ３０及びλ４０を抽出し、変調周波数チャネルを電子的な入力ビットストリームｅ１０、ｅ２０、ｅ３０及びｅ４０にそれぞれ変換する。入力ビットストリームｅ１０、ｅ２０、ｅ３０及びｅ４０は、信号線１７０５のような信号線において、電子ベーススイッチ機構１７０６まで伝えられ、そこで、ビットストリームは、図１７及び図１８に関連して後述されるように、分割され、組み立てられ、計算クラスタの特定のノードに送られる。出力ビットストリームｅ５０、ｅ６０、ｅ７０及びｅ８０は、電子ベーススイッチ機構１７０６によって出力される、組み立てられたビットストリームを表す。下向きの矢印を有するボックスによって表されるフォトニック結晶ベースのライタが、各導波路において伝送される非変調の周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８を変調することによって、出力ビットストリーム内に情報を符号化する。例えば、フォトニック結晶ベースのライタ１７０７〜１７１０は、非変調の周波数チャネルλ５、λ６、λ７及びλ８を変調して、変調周波数チャネルλ５０、λ６０、λ７０及びλ８０をそれぞれ得ることによって、出力ビットストリームｅ５０、ｅ６０、ｅ７０及びｅ８０に含まれるデータを符号化する。変調周波数チャネルλ１０、λ２０、λ３０及びλ４０は、導波路１２１６において、図１２のグループ１２０１のノードに伝送される。
【００６４】
図１８は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１７に示された電子ベーススイッチ機構１７０６の一具現化形態を示す。図１８では、ビットストリームが、巡回置換ネットワーク１８０２に渡される。巡回置換ネットワーク１８０２は、図１９Ａ及び図１９Ｂに関連して後述されるように、ビットストリームを仮想出力キューに分配するために使用される信号線のネットワークから構成される。仮想出力キュー１８０４のような仮想出力キューは、巡回置換ネットワーク１８０２から連続するビットストリームを受信し、連続するビットストリームを、パケットとして格納される並列ワードストリームに変換する。各パケットはグループ及びノードアドレスを含み、それにより、そのパケットを１つのノードに向けることが可能になる。巡回置換ネットワーク１８０６に伝送される連続するビットストリームを組み立てるために、各仮想キュー内の特定のパケットが多重化される。各仮想出力キューによって実行されるバッファリング及び多重化は、図１９に関連して後述される。仮想出力キューからパケットが出力されるのに応じて、巡回置換ネットワーク１８０６は、組み立てられたビットストリームをグループ及びノードアドレスによって特定される適切なノードに送る。巡回置換ネットワーク１８０２及び１８０６並びに仮想出力キューの動作は、図１２に関連して上述された、クロックフレーム１２０８によって与えられるクロック信号に従って同期する。
【００６５】
図１９Ａは、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、巡回置換ネットワークの一例を示す。巡回置換ネットワーク１９００は、ビットストリームｅ０、ｅ１、ｅ２及びｅ３を受信する入力１９０１〜１９０４を含む。各入力は、信号線１９０５のような一組の４つの異なる信号線に接続され、それらの信号線は、同じ構成の４つのマルチプレクサ１９０６〜１９０９の全てに同じビットストリームを伝送する。一組の４つの異なる信号線内の各信号線は、入力アドレスの順に巡回置換シフトによってマルチプレクサ１９０６〜１９０９の異なる入力アドレスに接続される。例えば、ビットストリームｅ０は、マルチプレクサ１９０６の第１の入力アドレス、マルチプレクサ１９０７の第２の入力アドレス、マルチプレクサ１９０８の第３の入力アドレス、及びマルチプレクサ１９０９の第４の入力アドレスに伝送される。クロック信号の各タイムスロットにおいて、特定の入力アドレスがマルチプレクサ１９０６〜１９０９に送られ、同じ入力アドレスにおいて入力されるビットストリームが出力される。例えば、マルチプレクサ１９０６〜１９０９の第１の入力アドレスのためのアドレスが、同じ時刻に各マルチプレクサに送られ、ビットストリームｅ０、ｅ３、ｅ２及びｅ１がそれぞれ、マルチプレクサ１９０６〜１９０９から同時に出力される。図１９Ｂは、図１９Ａに示された巡回置換ネットワーク１９００によって生成され得る４つの考えられる巡回置換出力を示す。巡回置換ネットワークは、４つの入力には限定されない。代替の実施形態において、巡回置換ネットワークは、Ｍ個の異なるビットストリームをＭ個の同じ構成のマルチプレクサに置換するように製造されることができ、各マルチプレクサはＭ個の異なる入力アドレスを有し、Ｍは任意の正の整数である。
【００６６】
図２０は、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、１つの例示的な仮想出力キューの具現化形態を示す。図２０では、仮想出力キュー２０００は、方向矢印２００２によって表される連続するビットストリームを受信する。コンバータ２００４が、そのビットストリーム２００２を、デマルチプレクサ２００６に伝送されるパケットに分割する。また、コンバータ２００４は、付加的なビットストリームの形態のアドレスを各パケットに割り当て、それにより、処理するために各パケットが送られるべきノード及びグループが特定される。デマルチプレクサ２００６はパケットを受信し、各パケットに割り当てられるアドレスに従って、各パケットを仮想出力キューにバッファリングする。例えば、パケット２０１０のようなパケットが、バッファ２０１２内にバッファリングされ、各パケットは同じノード及びグループアドレスを有する。マルチプレクサ２０１４が、クロック信号のタイムスロット当たり１キューずつ、各仮想キューの中を循環し、同じノード及びグループアドレスを有するパケットをデキュー（dequeue：待機解除する）し、次いでデキューされたパケットをコンバータ２０１６に伝達する。コンバータ２０１６は、デキューされたパケットを、方向矢印２０１８によって表される連続するビットストリームへと組み立て、その連続するビットストリームを、アドレスによって特定される、処理するのに適したノード及びグループに伝える。
【００６７】
本発明は特定の実施形態に関して説明されてきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されることは意図していない。本発明の思想の範囲内にある変更が、当業者には明らかであろう。例えば、本発明の代替の実施形態では、代わりに、フォトニック相互接続シグナリングシステムを用いて、キュービット、キューディット又はキューニットのような、量子状態を操作する量子システムを実施することができる。本発明の代替の実施形態では、導波路によって伝送される光信号は量子情報を表すことができ、ノードインターフェースは、選択された光信号をナノスケール電子回路に経路指定することができるか、又は光信号をナノスケール電子回路に適した形態に変換することができる。本発明の代替の実施形態では、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタは、電子スピンベースの半導体量子コンピュータの光パルス制御を用いる量子情報処理に使用され得る。半導体量子コンピュータでは、各キュービットは、単一電子又は量子ドットのスピン状態によって表され得る。量子ドットは、単一電子の存否を表す。量子ドットは、半導体、金属、原子又は分子のような、単一電子を検出することを可能にする任意の物質を用いて形成され得る。１キュービット及び２キュービットの論理演算は、特定の量子ドットに光制御パルスを加えることによって実施される。半導体量子コンピュータは、量子光学系及びスピントロニクスを組み合わせ、それは、レーザによって与えられる正確な制御、共振−蛍光測定の利用可能性、及び半導体内の電子の長いスピンコヒーレンス時間を含む。図１２に示されたアーキテクチャのアプリケーションを、電子スピンベースの半導体量子コンピュータに適用して、レーザ制御パルスを送出することができ、ドロップフィルタが、図１４のノードによって表されるターゲット量子ドットに適用するために、そのパルスを抽出する。結果として、ターゲット量子ドットは、キュービットに関する論理演算、又はそのキュービットと、隣接する量子ドット内のキュービットとの間の論理演算を実行することができる。
【００６８】
上記の説明は、説明の目的上、本発明を完全に理解してもらうために、特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態に関する上記の説明は、例示及び説明するために提示された。それらは、本発明を網羅的にすること、又は本発明を開示されたそのものずばりの形態に限定することは意図されていない。上記の教示に鑑みて、多数の修正形態及び変形形態が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用形態を最もわかりやすく説明し、それによって当業者が、企図される特定の用途に適合するように様々な変更を加えて、本発明及び種々の実施形態を最大限に利用することを可能にするために図示及び説明される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】４ノードスイッチ機構アーキテクチャを表す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されたスイッチ機構の具現化形態の一例を示す図である。
【図２】１次元フォトニック結晶の一例を示す図である。
【図３】２次元フォトニック結晶の一例を示す図である。
【図４Ａ】第１の１次元フォトニック結晶のための周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロットである。
【図４Ｂ】第２の１次元フォトニック結晶のための周波数対波数ベクトルｚ成分の仮想的なプロットである。
【図５】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図６】２次元フォトニック結晶の斜視図である。
【図７Ａ】図５に示された２次元フォトニック結晶の横電場モードの伝搬を示す図である。
【図７Ｂ】図５に示された２次元フォトニック結晶の横磁場モードの伝搬を示す図である。
【図８】図５に示された２次元フォトニック結晶内を伝搬する横電場モード及び横磁場モードのフォトニックバンド構造を示す図である。
【図９】２つの共振空胴及び１つの導波路を有するフォトニック結晶の一例を示す図である。
【図１０】図９に示されたフォトニック結晶の導波路のための周波数対波数ベクトルの大きさの仮想的なプロットである。
【図１１Ａ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｂ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｃ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｄ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１１Ｅ】電磁信号内に符号化されている情報の一例を示す図である。
【図１２】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック相互接続ベースの計算クラスタを示す図である。
【図１３Ａ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の例一例を示す図である。
【図１３Ｃ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、計算クラスタ内のノードの各グループに光信号を伝送及び分配するために使用され得るフォトニック結晶内の導波路の一例を示す図である。
【図１４】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、ノードのグループの一例を示す図である。
【図１５Ａ】光信号の特定の周波数チャネル内にデータを符号化すると共に、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック結晶ベースのライタを示す図である。
【図１５Ｂ】光信号の特定の周波数チャネル内に符号化されたデータを抽出すると共に、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、フォトニック結晶ベースのリーダを示す図である。
【図１６Ａ】ドロップフィルタ又はアドフィルタのいずれかとして使用されることができ、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、共振空胴を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、検出器／変調器の第１の構成を示す図である。
【図１６Ｃ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、検出器／変調器の第２の構成を示す図である。
【図１７】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、図１２に示されたスイッチ機構の概略図である。
【図１８】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、電子ベースのスイッチ機構の１つの例示的な具現化形態を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、巡回置換ネットワークの一例を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａに示された巡回置換ネットワークによって生成されることができ、本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、４つの起こり得る巡回置換出力を示す図である。
【図２０】本発明の多数の実施形態のうちの１つを表す、仮想的な仮想出力キューの一具現化形態を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号内の別個の周波数チャネルを一組のノード（1400）内の各ノード（1401〜1404）に伝送する１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）を有するフォトニック相互接続（1200）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）であって、各ライタが１つの特定のノードに関連付けられ、各ライタが前記ノードによって生成される情報を、前記別個の周波数チャネルのうちの１つの中に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）と、
前記別個の周波数チャネル内に符号化されている前記情報を、前記計算クラスタ（1200）内の１つ又は複数のノード（1401〜1404）に送るスイッチ機構（1206、1706）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）であって、各リーダが１つの特定のノードに関連付けられ、各リーダが処理用のノードに向けられる、前記別個の周波数チャネル内に符号化された前記情報を抽出する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）とを含む、計算クラスタ。
【請求項２】
前記スイッチ機構（1206、1706）が、情報の連続するビットストリームを分配する１つ又は複数の巡回置換ネットワーク（1802、1806）と、情報のパケットを１つ又は複数のバッファ（2010）へのキューに入れる１つ又は複数の仮想出力キュー（1804、2000）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項３】
前記ノード（1401〜1404）が、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール寸法又はナノスケール寸法を有する任意の電気回路又は電気回路のモザイクのうちのいずれか１つをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項４】
前記フォトニック相互接続が、導波路、多数の別個の光ファイバ、又は自由空間を有する２次元フォトニック結晶をさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項５】
前記フォトニック相互接続ベースのライタ（1500）が、
前記光伝送経路（1406）から周波数チャネルを抽出するドロップフィルタ（1502）と、
前記ドロップフィルタから前記周波数チャネルを抽出すると共に前記周波数チャネルを伝送する局部導波路（1504）と、
前記局部導波路から前記周波数チャネルを抽出すると共に前記周波数チャネルを変調することによって変調周波数チャネルを生成する変調器（1506）と、
前記変調器から前記変調周波数チャネルを抽出すると共に、前記変調周波数チャネルを前記光伝送経路内に挿入するアドフィルタ（1508）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項６】
前記フォトニック相互接続ベースのリーダが、
前記光伝送経路から周波数チャネルを抽出するドロップフィルタ（1552）と、
前記ドロップフィルタから前記周波数チャネルを抽出すると共に、前記周波数チャネル内に符号化された前記情報を復調する検出器（1554）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項７】
それぞれ第１のセットの別個の周波数チャネル及び第２のセットの別個の周波数チャネルを伝送する１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）であって、前記第１のセットの別個の周波数チャネルが計算クラスタ内のノード（1401〜1404）によって出力される情報を符号化する、１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）であって、各リーダが、前記第１のセットの別個の周波数チャネル内の周波数チャネルを抽出すると共に、前記情報を１つ又は複数の電子入力ビットストリーム内に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）と、
前記電子入力ビットストリームを分割すると共に、電子出力ビットストリームに組み立てる電子ベーススイッチ機構（1206）であって、前記電子出力ビットストリームがそれぞれ、前記計算クラスタ内の特定のノードに送られる、電子ベーススイッチ機構（1206）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）であって、それぞれが、前記電子出力ビットストリーム内に符号化された前記情報を、前記第２のセットの別個の周波数チャネル内の周波数チャネル内に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）とを含む、スイッチ機構。
【請求項８】
前記スイッチ機構（1206、1706）が、情報の連続するビットストリームを分配する１つ又は複数の巡回置換ネットワーク（1802、1806）と、情報のパケットを１つ又は複数のバッファ（2010）へのキューに入れる１つ又は複数の仮想出力キュー（1804、2000）とをさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【請求項９】
前記ノード（1401〜1404）が、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール寸法又はナノスケール寸法を有する任意の電気回路又は電気回路のモザイクのうちのいずれか１つをさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【請求項１０】
前記フォトニック相互接続が、導波路、多数の別個の光ファイバ、又は自由空間を有する２次元フォトニック結晶をさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【請求項１】
光信号内の別個の周波数チャネルを一組のノード（1400）内の各ノード（1401〜1404）に伝送する１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）を有するフォトニック相互接続（1200）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）であって、各ライタが１つの特定のノードに関連付けられ、各ライタが前記ノードによって生成される情報を、前記別個の周波数チャネルのうちの１つの中に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）と、
前記別個の周波数チャネル内に符号化されている前記情報を、前記計算クラスタ（1200）内の１つ又は複数のノード（1401〜1404）に送るスイッチ機構（1206、1706）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）であって、各リーダが１つの特定のノードに関連付けられ、各リーダが処理用のノードに向けられる、前記別個の周波数チャネル内に符号化された前記情報を抽出する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）とを含む、計算クラスタ。
【請求項２】
前記スイッチ機構（1206、1706）が、情報の連続するビットストリームを分配する１つ又は複数の巡回置換ネットワーク（1802、1806）と、情報のパケットを１つ又は複数のバッファ（2010）へのキューに入れる１つ又は複数の仮想出力キュー（1804、2000）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項３】
前記ノード（1401〜1404）が、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール寸法又はナノスケール寸法を有する任意の電気回路又は電気回路のモザイクのうちのいずれか１つをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項４】
前記フォトニック相互接続が、導波路、多数の別個の光ファイバ、又は自由空間を有する２次元フォトニック結晶をさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項５】
前記フォトニック相互接続ベースのライタ（1500）が、
前記光伝送経路（1406）から周波数チャネルを抽出するドロップフィルタ（1502）と、
前記ドロップフィルタから前記周波数チャネルを抽出すると共に前記周波数チャネルを伝送する局部導波路（1504）と、
前記局部導波路から前記周波数チャネルを抽出すると共に前記周波数チャネルを変調することによって変調周波数チャネルを生成する変調器（1506）と、
前記変調器から前記変調周波数チャネルを抽出すると共に、前記変調周波数チャネルを前記光伝送経路内に挿入するアドフィルタ（1508）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項６】
前記フォトニック相互接続ベースのリーダが、
前記光伝送経路から周波数チャネルを抽出するドロップフィルタ（1552）と、
前記ドロップフィルタから前記周波数チャネルを抽出すると共に、前記周波数チャネル内に符号化された前記情報を復調する検出器（1554）とをさらに含む、請求項１に記載の計算クラスタ。
【請求項７】
それぞれ第１のセットの別個の周波数チャネル及び第２のセットの別個の周波数チャネルを伝送する１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）であって、前記第１のセットの別個の周波数チャネルが計算クラスタ内のノード（1401〜1404）によって出力される情報を符号化する、１つ又は複数の光伝送経路（1210、1212、1216〜1219）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）であって、各リーダが、前記第１のセットの別個の周波数チャネル内の周波数チャネルを抽出すると共に、前記情報を１つ又は複数の電子入力ビットストリーム内に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのリーダ（1550）と、
前記電子入力ビットストリームを分割すると共に、電子出力ビットストリームに組み立てる電子ベーススイッチ機構（1206）であって、前記電子出力ビットストリームがそれぞれ、前記計算クラスタ内の特定のノードに送られる、電子ベーススイッチ機構（1206）と、
１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）であって、それぞれが、前記電子出力ビットストリーム内に符号化された前記情報を、前記第２のセットの別個の周波数チャネル内の周波数チャネル内に符号化する、１つ又は複数のフォトニック相互接続ベースのライタ（1500）とを含む、スイッチ機構。
【請求項８】
前記スイッチ機構（1206、1706）が、情報の連続するビットストリームを分配する１つ又は複数の巡回置換ネットワーク（1802、1806）と、情報のパケットを１つ又は複数のバッファ（2010）へのキューに入れる１つ又は複数の仮想出力キュー（1804、2000）とをさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【請求項９】
前記ノード（1401〜1404）が、プロセッサ、メモリ、コンピュータサーバ、ストレージサーバ、外部ネットワーク接続、データ伝送デバイス、或いはマイクロスケール寸法又はナノスケール寸法を有する任意の電気回路又は電気回路のモザイクのうちのいずれか１つをさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【請求項１０】
前記フォトニック相互接続が、導波路、多数の別個の光ファイバ、又は自由空間を有する２次元フォトニック結晶をさらに含む、請求項７に記載のスイッチ機構。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【公表番号】特表２００９−５２４１７５（Ｐ２００９−５２４１７５Ａ）
【公表日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５２３７９（Ｐ２００８−５５２３７９）
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００１８６２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８７３３７
【国際公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００１８６２
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８７３３７
【国際公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
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