Optical interconnects in future generation switch architectures

Requirements on switching and interconnection fabrics inside switching equipment, high-performance computers and data-centers of the future are getting more and more demanding in terms of throughput and power saving. Optical technology provides many opportunities of improvement of both features compared to electronic counterparts. This work defines a procedure to design the architecture of optical multistage switching networks. In this works we propose the result of a systematic study of the properties of multistage networks, on one side, and of optical switching systems on the other side. Modularity of the implementation is the primary concern, allowing for the construction of a generic-size fabric by the simple cascading of multiple stage-modules. We show in details the application of the approach to a family of banyan networks end EGS networks. The designed architecture can be exploited for various implementation technologies, as, for instance, integrated optics with micro-ring resonators, free-space optics with 2 -D MEMS, networks on chip. The method can even be applied to electronic VLSI/ULSI integrated circuits. After presenting the design procedure, we discuss about practical implementations in different technology scenario. We define also a technique improvement to decrease the number of waveguide crossovers, while avoiding an excessive increase of waveguide bends. A quantitative analysis is conducted by an optical circuit simulator, to evaluate the overall performance of a basic multistage switching network, and also to estimate the improvement obtained by the modified technique. Two different integrated optics implementations are take into account, using Mach-Zender and microring resonators 2 × 2 switching elements respectively. Furthermore, we propose a technique extension to increase the type of family of switching architectures can be designed by the introduced technique.

Dispositivi tecnologici quali commutatori di rete, calcolatori ad alte prestazioni e banche dati informatiche richiedono ogni giorno sempre maggiori prestazioni in termini di capacità di trasmissione e risparmio energetico. Componente chiave di questi dispostovi il sistema di comunicazione interno, che si dimostrato essere il collo di bottiglia per le prestazioni e un avido utilizzatore di energia. Le tecnologie ottiche forniscono disparate possibilità di miglioramento confrontate con le controparti elettroniche. Questo lavoro definisce una procedura per progettare l’architettura di reti di commutazione ottiche multistadio. In questo lavoro proponiamo il risultato di uno studio sistematico delle proprietà delle reti multistadio, da una parte , e dei sistemi di commutazione ottici dall'altra. L’interesse primario riguarda la modularità dell’implementazione, tale da permettere la costruzione di un dispositivo di qualsivoglia dimensione semplicemente unendo in cascata molteplici stadi-moduli. Mostriamo in dettaglio l’applicazione dell’approccio su una famiglia di reti Banyane e reti EGS. L’architettura progettata può essere utilizzata con varie tecnologie implementative, come ,per esempio, risonatori a in ottica integrata, 2 -D MEMS in ottica in spazio libero, reti su circuiti integrati. Il metodo può anche essere applicato su circuiti integrati elettronici ad alta densità (VLSI/ULSI). Dopo aver presentato la procedura di progettazione, discuteremo sulle implementazioni concrete utilizzando differenti scenari tecnologici. Definiamo inoltre una miglioria alla tecnica per diminuire il numero di incroci delle guide d’onda, evitando al contempo un eccessivo incremento delle curve delle guide d’onda. Un’analisi quantitativa condotta attraverso l’uso di un simulatore di circuiti ottici, per valutare le prestazioni complessive di una semplice rete di commutazione multistadio presa, e anche per stimare le migliorie ottenute attraverso la tecnica modificata. Due differenti implementazioni in ottica integrate sono considerati, che utilizzano rispettivamente elementi di commutazione 2 × 2 di tipo Mach-Zender e risonatori ad anello. In aggiunta, proponiamo un’estensione della tecnica per aumentare il numero di famiglie di architetture di rete che possono essere progettate attraverso la tecnica presentata.