專利名稱：基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在片上光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多端口間路由切換的開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于有源微環(huán)諧振器的4X4非阻塞低損耗光學(xué)路由器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，單個(gè)處理器的集成度顯著提高，片上處理器核的數(shù)量穩(wěn)步提升，千核時(shí)代向我們悄悄邁進(jìn)，使得核間數(shù)據(jù)的移動(dòng)效率成為制約處理器整體性能的關(guān)鍵因素。怎樣將未來多核系統(tǒng)在低能耗的情況下滿足對(duì)帶寬和時(shí)延的要求成為目前光電集成領(lǐng)域的重大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的片上互連技術(shù)由于受到電互連物理特性的制約，其在傳輸中的時(shí)延，帶寬，功耗等物理特性很難有質(zhì)的提升，成為制約片上互連性能的瓶頸。近年來，硅基光子學(xué)發(fā)展迅猛，特別是硅基激光器，硅基光電調(diào)制器，硅基光探測(cè)器等高速器件，推動(dòng)了片上光互連的發(fā)展。微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)在1969年被Marcatili提出，限于當(dāng)時(shí)的工藝，一直沒有受到廣泛的關(guān)注。隨著工藝的發(fā)展，微環(huán)諧振器得到了廣泛的應(yīng)用?；谖h(huán)諧振器的高速光調(diào)制器，高速光開關(guān)，高速光濾波器等器件如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而出，基于微環(huán)諧振器的光器件具有功耗低，面積小等優(yōu)點(diǎn)。光互連技術(shù)具有大帶寬，復(fù)用能力強(qiáng)，高速，低時(shí)延，無需大量引腳，低傳輸損耗，低功耗，低串?dāng)_，可與CMOS工藝兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于解決通信瓶頸問題具有顯著的優(yōu)勢(shì)。光互連技術(shù)正朝著更高速，更短傳輸距離，更高帶寬密度和集成度的方向發(fā)展。而光路由開關(guān)是片上網(wǎng)絡(luò)的核心器件，一個(gè)光開關(guān)的性能很大程度上影響著整個(gè)光互連網(wǎng)絡(luò)的性能。但是目前光開關(guān)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，交叉節(jié)點(diǎn)和微環(huán)的數(shù)量較多，生產(chǎn)成本高，插入損耗高、功耗大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器。經(jīng)過拓?fù)湓O(shè)計(jì)，相對(duì)于以往的開關(guān)精簡了結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了用七個(gè)微環(huán)諧振器便實(shí)現(xiàn)片上光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)四個(gè)雙向端口的自由交換，降低了插入損耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器，包括:一種基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器，包括:一個(gè)第一端輸入和第二端輸出光波導(dǎo)；一個(gè)第二端輸入與第一端輸出光波導(dǎo)；—個(gè)第三端輸入與第四端輸出光波導(dǎo)；—個(gè)第四端輸入與第三端輸出光波導(dǎo)；第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器；
其中，第一端口輸入光波導(dǎo)與第四端口輸出光波導(dǎo)通過第一交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器耦合；第二端口輸入與第一端口輸出通過第二微環(huán)諧振器耦合；第四端口輸入與第三端口輸出通過第三微環(huán)諧振器耦合；第一端口輸入與第三端口輸出通過第四微環(huán)諧振器耦合；第三端口輸入與第二端口輸出通過第五微環(huán)諧振器耦合；第二端口輸入與第四端口輸出通過第六微環(huán)諧振器耦合；第七微環(huán)諧振器用于連接從第四輸入端口到第一輸出端口和從第二輸入端口到第三輸出端口的光通路。其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器的工作波長一致。其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器具有相同的半徑和相同的有效折射率。其中用于制作該基于微環(huán)諧振器的四端口低損耗光學(xué)路由器的材料是SOI。從技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明提供了基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器，利用微環(huán)諧振器只針對(duì)特定波長的特性，通過微環(huán)諧振器的巧妙組合，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)雙向端口的非阻塞路由交換。特別的，由于開關(guān)中間采用了一個(gè)平行環(huán)結(jié)構(gòu)，使得所用微環(huán)諧振器由以往的八個(gè)減少到了七個(gè)，提高了器件的利用效率，精簡了開關(guān)的結(jié)構(gòu)，減小了開關(guān)的面積，降低了成本。相對(duì)于以往的4X4光開關(guān)，本設(shè)計(jì)第一次用七個(gè)微環(huán)完成了四個(gè)雙向端口的非阻塞路由交換。特別的，交叉數(shù)目減小到六個(gè)，一定程度上降低了開關(guān)的插入損耗和串?dāng)_，增強(qiáng)了器件的可擴(kuò)展性。特別的，利用次四端口非阻塞光學(xué)路由器，可以構(gòu)建片上光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高速傳輸和交換。


圖1a是第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)示意圖；圖1b是第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“開”狀態(tài)示意圖；圖1c是交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)示意圖；圖1d是交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“開”狀態(tài)示意圖；圖2基于微環(huán)諧振器的4X4非阻塞光學(xué)路由器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3基于微環(huán)諧振器的4X4非阻塞光學(xué)路由器的工作狀態(tài)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明利用可調(diào)諧微環(huán)諧振器的開關(guān)特性，設(shè)計(jì)了新型開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了四端口低損耗非阻塞光學(xué)路由器。下面結(jié)合圖1至圖3詳細(xì)說明其工作過程和原理:
本發(fā)明給出的路由器中所有的微環(huán)都具有相同的半徑，但包含了兩種不同結(jié)構(gòu)，圖1a和圖1b所示為平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器，圖1c和圖1d所示的為交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器。當(dāng)微環(huán)諧振波長與信號(hào)吻合時(shí)，信號(hào)通過微環(huán)從一個(gè)波導(dǎo)耦合到另一波導(dǎo)，而當(dāng)兩者波長不同時(shí)，信號(hào)還是沿原路直通。當(dāng)微環(huán)諧振器的諧振波長λ resonant= λ ^時(shí)，我們將這一種狀態(tài)定義為“開”，光信號(hào)從Inl輸入的光將從0ut2輸出，如圖1a和圖1c所不；當(dāng)微環(huán)諧振器的諧振波長λ resonant古λ ^時(shí)，這一種狀態(tài)定義為“關(guān)”，光信號(hào)從Inl輸入的光將從Outl輸出，如圖1b和圖1d所示。微環(huán)諧振器的諧振波長可以由路由控制信號(hào)動(dòng)態(tài)配置，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的切換。第一端口輸入光波導(dǎo)與第四端口輸出光波導(dǎo)通過第一微環(huán)諧振器I禹合；第二端口輸入與第—端口輸出通過第二微環(huán)諧振器I禹合；第四端口輸入與第三端口輸出通過第三微環(huán)諧振器耦合；第一端口輸入與第三端口輸出通過第四微環(huán)諧振器耦合；第三端口輸入與第二端口輸出通過第五微環(huán)諧振器耦合；第二端口輸入與第四端口輸出通過第六微環(huán)諧振器耦合。其中利用微環(huán)諧振器的雙向工作特性，第七微環(huán)諧振器可以同時(shí)連接從第四端口到第一端口和從二端口到第三端口的光通路，提高了器件的利用效率，減小了所需微環(huán)諧振器的數(shù)量，減少了路由器的功耗。其中用于制作給基于微環(huán)諧振器的低損耗低竄擾四端口非阻塞光學(xué)路由器的材料是SOI，易于將光器件與COMS工藝相結(jié)合,更有利于將該結(jié)構(gòu)商業(yè)化。其中第一輸入端與第一輸出端相鄰，第二輸入端與第二輸出端相鄰，第三輸入端與第三輸 出端相鄰，第四輸入端與第四輸出端相鄰，結(jié)構(gòu)緊湊，更有利于應(yīng)用到光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去。圖3給出了該路由器的一種工作狀態(tài),此時(shí)輸入一一輸入四，輸入四一輸入一,輸入二一輸入三，輸入三一輸入二。圖中虛線表示該環(huán)處于非諧振狀態(tài)，即只有第一，第二，第五微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)。其中輸入四一輸入一，輸入二一輸入三這兩條鏈路共用第七微環(huán)諧振器而并不造成阻塞。由于微環(huán)諧振器的狀態(tài)切換需要外加電壓或者熱調(diào)制，兩條鏈路共用同一個(gè)微環(huán)諧振器能夠降低功耗，同時(shí)相對(duì)于以往的4X4光開關(guān)，本發(fā)明第一次用七個(gè)微環(huán)完成了四個(gè)雙向端口的非阻塞路由交換。我們給出每條鏈路與微環(huán)諧振器的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表一)，每條鏈路最多由一個(gè)環(huán)控制，波導(dǎo)沒有微環(huán)諧振而光信號(hào)由波導(dǎo)直接通過。表一每條鏈路與微環(huán)諧振器的對(duì)應(yīng)關(guān)系
第一輸入端口一第四輸出端口Mm 第一輸入端口一第三輸出端口微環(huán)4 第一輸入端口一第二輸出端口波導(dǎo)
權(quán)利要求
1.一種基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器，其特征在于，它包括: 一個(gè)第一端輸入和第二端輸出光波導(dǎo)； 一個(gè)第二端輸入與第一端輸出光波導(dǎo)； 一個(gè)第三端輸入與第四端輸出光波導(dǎo)； 一個(gè)第四端輸入與第三端輸出光波導(dǎo)； 第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器； 其中，第一端口輸入光波導(dǎo)與第四端口輸出光波導(dǎo)通過第一交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器率禹合；第二端口輸入與第一端口輸出通過第二微環(huán)諧振器I禹合；第四端口輸入與第三端口輸出通過第三微環(huán)諧振器耦合；第一端口輸入與第三端口輸出通過第四微環(huán)諧振器耦合；第三端口輸入與第二端口輸出通過第五微環(huán)諧振器耦合；第二端口輸入與第四端口輸出通過第六微環(huán)諧振器耦合；第七微環(huán)諧振器用于連接從第四輸入端口到第一輸出端口和從第二輸入端口到第三輸出端口的光通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的四端口低損耗光學(xué)路由器，其特征在于，其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器的工作波長一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微環(huán)諧振器的四端口低損耗光學(xué)路由器，其特征在于，其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器，和第七平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器具有相同的半徑和相同的有效折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的四端口低損耗光學(xué)路由器，其特征在于，其中用于制作該基于微環(huán)諧振器的四端口低損耗光學(xué)路由器的材料是SOI。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微環(huán)諧振器的低損耗四端口非阻塞光學(xué)路由器。通過六個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器和一個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器，第一端口輸入端與第四端口輸出端耦合；第二端口輸入與第一端口輸出耦合；第四端口輸入與第三端口輸出耦合；第一端口輸入與第三端口輸出耦合；第三端口輸入與第二端口輸出耦合；第二端口輸入與第四端口輸出耦合；第七微環(huán)諧振器用于連接從第四端口到第一端口和從二端口到第三端口的光通路。本發(fā)明微環(huán)諧振器數(shù)量減少到了七個(gè)，提高了器件的利用效率，精簡了開關(guān)的結(jié)構(gòu)，減小了開關(guān)的面積。交叉數(shù)目減小到六個(gè)，降低了開關(guān)的插入損耗和串?dāng)_，增強(qiáng)了器件的可擴(kuò)展性，易于構(gòu)建片上光互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高速傳輸和交換。
文檔編號(hào)G02B6/293GK103091784SQ201310039839
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者張濱, 楊建義 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)