CN102540345B

CN102540345B - 基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器

Info

Publication number: CN102540345B
Application number: CN201210074752.3A
Authority: CN
Inventors: 闵锐; 冀瑞强; 杨林
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: CN102540345A

Abstract

一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，其中该第一输出光波导与第一输入光波导之间通过第一微环谐振器耦合；该第一输入光波导与第二输出光波导之间通过第二微环谐振器耦合；该第二输出光波导与第二输入光波导之间通过第三微环谐振器耦合；该第二输入光波导与第一输出光波导之间通过第四微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第一输出光波导之间通过第五微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第一输入光波导之间通过第六微环谐振器耦合；该第二直通光波导与第二输出光波导之间通过第七微环谐振器耦合；该第二直通光波导与第二输入光波导之间通过第八微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第二直通光波导之间通过第九微环谐振器耦合。

Description

基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器

技术领域

本发明涉及到片上光互连网络系统中节点互连技术领域，特别是指一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器。

背景技术

硅基波导的芯层硅和包层二氧化硅具有较高的折射率差，使得硅基波导能够将光场限制在亚微米量级，相对于传统的铌酸锂体系，基于硅基波导的器件具有较小的尺寸，加之其与传统的CMOS工艺相兼容，将硅基光子器件与电子器件混合集成到同一芯片上完成复杂的功能近年来成为人们研究的热点。目前已经有很多的硅基光子器件，如调制器，滤波器，可重构差分复用器，逻辑器件等。

微环谐振器的结构在1969年被Marcatili提出，限于当时的制造工艺，一直没有被人们所关注。直到近几十年，随着半导体工艺的不断发展，人们又重新对微环谐振器进行了深入而广泛的研究，基于微环谐振器特别是硅基微环谐振器的器件如雨后春笋般的出现，像高速调制器，高速光开关，滤波器等等。

当今的处理器正朝着多核心的方向发展，然而，随着处理器核心数量的不断增加，主频不断升高，核与核之间通信需要的带宽也不断增加。传统的电学互连功耗高，延时高，信号失真大，带宽受限，已经不能适应这种发展趋势，采用片上光互连网络的方案有望能够很好的解决这个问题。路由器是构建网络的核心器件，目前片上光学路由器有基于波长选择的波长路由器，基于光开关动态配置的路由器，前者的扩展性较差，波长数与通信的节点数成正比，需要的光源多，系统复杂，而基于光开关的光学路由器具有较好的扩展性。本发明正是利用微环谐振器的开关特性，经过合理的拓扑设计，实现了4端口的无阻塞光学路由器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，可以实现片上光互连网络中节点处4个双向端口的无阻塞的自由切换。同时经过拓扑设计，降低了链路的平均损耗和串扰，使得该光学路由器具有更好的扩展性。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，包括：

一第一和第二直通光波导；

一第一和第二输入光波导；

一第一和第二输出光波导；

一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微环谐振器；

其中该第一输出光波导与第一输入光波导之间通过第一微环谐振器耦合；该第一输入光波导与第二输出光波导之间通过第二微环谐振器耦合；该第二输出光波导与第二输入光波导之间通过第三微环谐振器耦合；该第二输入光波导与第一输出光波导之间通过第四微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第一输出光波导之间通过第五微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第一输入光波导之间通过第六微环谐振器耦合；该第二直通光波导与第二输出光波导之间通过第七微环谐振器耦合；该第二直通光波导与第二输入光波导之间通过第八微环谐振器耦合；该第一直通光波导与第二直通光波导之间通过第九微环谐振器耦合；

该第二直通光波导的一端为第一输入端，另一端为第二输出端；

该第二输出光波导的一端为第三输出端；

该第二输入光波导的一端为第四输入端；

该第一输出光波导的一端为第一输出端；

该第一直通光波导的一端为第三输入端，另一端为第四输出端；

该第一输入光波导的一端为第二输入端。

从技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于微环谐振器的的4端口无阻塞光学路由器，利用微环谐振器只对特定波长谐振的特性，通过微环谐振器谐振波长的组合，完成了4个端口之间的无阻塞通信。

特别的，由于减少了直通波导的数目，并且全部使用平行环结构，使得在同规模同类路由器中，该结构的交叉数是最小的，从而减少了损耗和串扰，使得器件的扩展性增强。

特别的，利用此4端口无阻塞片上光学路由器，能够构建片上光互连网络，从而实现片上光子信息高速传输和交换。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1a是微环谐振器处于谐振状态的示意图；

图1b是微环谐振器处于非谐振状态的示意图；

图2是基于微环谐振器的4端口无阻塞光学路由器的结构示意图；

图3是基于微环谐振器的4端口无阻塞光学路由器的工作状态实例。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明提供一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，包括：

一第一和第二直通光波导10、11；

一第一和第二输入光波导12、13；

一第一和第二输出光波导14、15；

一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9，所述的第一至第九微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9具有相同的半径，所述的第一至第九微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9的工作波长一致。如图1a和1b所示，微环谐振器作状态随着微环谐振器的谐振波长的变化而变化，当微环谐振器的谐振波长λ_resonant等于工作波长λ₀时，此时开关处于“开”的状态，从I₁输入的光将从O₂输出。当λ_resonant不等于λ₀时处于“关”的状态，从I₁输入的光将从O₁输出。微环谐振器的谐振波长能够由路由控制信号动态控制，从而实现“开”和“关”两种状态。

其中该第一输出光波导14与第一输入光波导12之间通过第一微环谐振器1耦合；该第一输入光波导12与第二输出光波导15之间通过第二微环谐振器2耦合；该第二输出光波导15与第二输入光波导13之间通过第三微环谐振器3耦合；该第二输入光波导13与第一输出光波导14之间通过第四微环谐振器4耦合；该第一直通光波导10与第一输出光波导14之间通过第五微环谐振器5耦合；该第一直通光波导10与第一输入光波导12之间通过第六微环谐振器6耦合；该第二直通光波导11与第二输出光波导15之间通过第七微环谐振器7耦合；该第二直通光波导11与第二输入光波导12之间通过第八微环谐振器8耦合；该第一直通光波导10与第二直通光波导11之间通过第九微环谐振器9耦合。其中采用了分离的输入输出波导的设计，使得物理链路经过的交叉数目相对于已存在的结构较少，从而具有更小的链路损耗和串扰，同时第九微环谐振器9采用双向工作的方式，即光在其中同可以同时顺时针和逆时针传播。原本需要两个微环谐振器而现在只需要一个，从而减小了路由器的功耗。

已存在的四端口无阻塞光学路由器使用了交叉环结构，而本发明中全部采用的是平行环结构，故减小了交叉的数目，从而减小了链路的损耗和串扰。

其中用于制作该基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器的材料是SOI，从而有利于实现与CMOS集成电路的单片集成，组建完整的片上光互连网络。

该第二直通光波导11的一端为第一输入端，另一端为第二输出端；

该第二输出光波导15的一端为第三输出端；

该第二输入光波导13的一端为第四输入端；

该第一输出光波导14的一端为第一输出端；

该第一直通光波导10的一端为第二输入端，另一端为第四输出端；

该第一输入光波导12的一端为第二输入端。

其中通过改变第一至第九微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9的谐振波长，每个输入端输入的光信号被导向任意其它的三个输出端，并且从各个输出端输出的光信号互不阻塞。从而实现了片上光互连网络节点处，东南西北四个方向的双向无阻塞通信。

其中第一输入端与第一输出端相邻，第二输入端与第二输出端相邻，第三输入端与第三输出端相邻，第四输入端与第四输出端相邻。有利于组建MESH结构的片上光互连网络。

图3给出了该路由器的一种工作状态，此时输入1→输出4、输入2→输出1、输入3→输出2、输入4→输出3。图中虚线表示该环处于非谐振的状态，即只有R2、R5和R9处于谐振状态。我们看到，输入1→输出4以及输入3→输出2这两条链路共用了同一个微环谐振器R2，本发明首次在无阻塞路由器中使用了微环谐振器的双向工作特性。由于环的谐振需要外加电压，两条链路共用同一个微环谐振器能够减小功耗。

由于同一端口的输入和输出不需要通信，4端口无阻塞光学路由器总共有12条通信链路，我们给出了每条链路与微环谐振器的对应关系(表1)，无表示输入输出由波导直接连通，不需要经过任何的微环谐振器。每条链路最多由一个环控制，这使得各条链路可以自由的组合，完成无阻塞的路由功能。

表1

通信链路	谐振的微环
		第一输入端→第二输出端	无
第一输入端→第三输出端	第七微环谐振器
		第一输入端→第四输出端	第九微环谐振器
第二输入端→第一输出端	第一微环谐振器
		第二输入端→第三输出端	第二微环谐振器
第二输入端→第四输出端	第六微环谐振器
		第三输入端→第一输出端	第五微环谐振器
第三输入端→第二输出端	第九微环谐振器
		第三输入端→第四输出端	无
第四输入端→第一输出端	第四微环谐振器
		第四输入端→第二输出端	第八微环谐振器
第四输入端→第三输出端	第三微环谐振器

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不能限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，由以下部件组成:

一第一和第二直通光波导;

一第一和第二输入光波导;

一第一和第二输出光波导;

一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微环谐振器;

其中该第一输出光波导与第一输入光波导之间通过第一微环谐振器耦合；该第一输入光波导与第二输出光波导之间通过第二微环谐振器耦合;该第二输出光波导与第二输入光波导之间通过第三微环谐振器耦合;该第二输入光波导与第一输出光波导之间通过第四微环谐振器耦合;该第一直通光波导与第一输出光波导之间通过第五微环谐振器耦合;该第一直通光波导与第一输入光波导之间通过第六微环谐振器耦合;该第二直通光波导与第二输出光波导之间通过第七微环谐振器耦合;该第二直通光波导与第二输入光波导之间通过第八微环谐振器耦合;该第一直通光波导与第二直通光波导之间通过第九微环谐振器耦合;

该第二直通光波导的一端为第一输入端，另一端为第二输出端;

该第二输出光波导的一端为第三输出端;

该第二输入光波导的一端为第四输入端;

该第一输出光波导的一端为第一输出端;

该第一直通光波导的一端为第三输入端，另一端为第四输出端;

该第一输入光波导的一端为第二输入端。

2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，其中所述的第一至第九微环谐振器具有相同的半径。

3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，其中用于制作该基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器的材料是SOI。

4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，其中所述的第一至第九微环谐振器的工作波长一致。

5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的低损耗低串扰四端口无阻塞光学路由器，其中第一输入端与第一输出端相邻，第二输入端与第二输出端相邻，第三输入端与第三输出端相邻，第四输入端与第四输出端相邻。