CN102645706A - 基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器 - Google Patents

基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，包括：第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器；第一、第二、第三、第四和第五光波导；其中，该第一光波导的一端为第一输入端，另一端为第五输出端；该第二光波导的一端为第二输入端，另一端为第一输出端；该第三光波导的一端为第三输入端，另一端为第二输出端；该第四光波导的一端为第四输入端，另一端为第三输出端；该第五光波导的一端为第五输入端，另一端为第四输出端。利用本发明，实现了东、南、西、北和本地的无阻塞的自由通信，降低了链路的平均损耗和串扰，使片上光网络具有更好的扩展性。

Description

基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器
技术领域
本发明涉及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五端口无阻塞光学路由器。
背景技术
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，以及带宽受限，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和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。
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。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。
因此用微环谐振器来实现光开关，具有面积小，功耗小的优点，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片上光电混合网络将有望实现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，以实现片上光互连网络中节点处5个双向端口的无阻塞的自由通信，同时经过拓扑设计，降低链路的平均损耗和串扰，使片上光网络具有更好的扩展性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，包括：第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15；以及第一、第二、第三、第四和第五光波导16、17、18、19、20；其中，该第一光波导16分别通过第一、第二和第三微环谐振器1、2、3耦合至第三、第四和第五光波导18、19、20；该第二光波导17分别通过第四、第五和第六微环谐振器4、5、6耦合至第四、第五和第一光波导19、20、16；该第三光波导18分别通过第七、第八和第九微环谐振器7、8、9耦合至第五、第一和第二光波导20、16、17；该第四光波导19分别通过第十、第十一和第十二微环谐振器10、11、12耦合至第一、第二和第三光波导16、17、18；该第五光波导20分别通过第十三、十四和十五微环谐振器13、14、15耦合至第二、第三和第四光波导17、18、19；该第一光波导16的一端为第一输入端，另一端为第五输出端；该第二光波导17的一端为第二输入端，另一端为第一输出端；该第三光波导18的一端为第三输入端，另一端为第二输出端；该第四光波导19的一端为第四输入端，另一端为第三输出端；该第五光波导20的一端为第五输入端，另一端为第四输出端。
上述方案中，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15具有相同的半径。
上述方案中，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15的工作波长一致。
上述方案中，通过改变所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15的谐振波长，从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，并且从各个输入端输入的光信号互不阻塞。
上述方案中，所述从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，包括：从第一输入端输入的光信号被导向第二、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第二输入端输入的光信号被导向第一、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第三输入端输入的光信号被导向第一、第二、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第四输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第五输出端中的任一输出端；或从第五输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第四输出端中的任一输出端。
上述方案中，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，第五输入端与第五输出端相邻。
上述方案中，该五端口无阻塞光学路由器是通过对绝缘体上硅SOI的顶层硅进行刻蚀制作而成的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、链路的平均损耗和串扰的减少都是由于该路由器的设计采用了比较少的光波导交叉结构，而光波导交叉结构会引入光学损耗和串扰。利用本发明，由于减少了波导交叉结构，所以减小了链路的平均损耗和串扰，从而降低了对于探测器灵敏度的要求和提高了探测端的信噪比，进而提高了光网络的可扩展性。
2、利用本发明，由于减少了微环谐振器的数量，而微环谐振器的工作需要消耗能量，所以降低了器件功耗。
附图说明
图1a是输入光波波长不等于微环谐振器谐振波长的示意图；
图1b是输入光波波长等于微环谐振器谐振波长的示意图；
图2是本发明提供的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器的结构示意图；
图3a至图3d是本发明提供的五端口无阻塞光学路由器的制作工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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。
首先，描述微环谐振器的工作原理。如图1a所示，图1a是输入光波波长不等于微环谐振器谐振波长的示意图，图1b是输入光波波长等于微环谐振器谐振波长的示意图。当输入的波长不等于微环谐振器的谐振波长时光信号将在O2输出，否则的话将在O1输出。通过对微环谐振器外加电压可以改变微环谐振器的谐振波长，即控制微环谐振器的开关状态，从而控制光波的输出端口，这样通过控制不同的微环谐振器加电与否可以实现五端口路由器不同输入端的输入光波在不同的输出端口输出。
图2示出了本发明提供的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器的结构示意图，该五端口无阻塞光学路由器包括：第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15；以及第一、第二、第三、第四和第五光波导16、17、18、19、20；其中，该第一光波导16分别通过第一、第二和第三微环谐振器1、2、3耦合至第三、第四和第五光波导18、19、20；该第二光波导17分别通过第四、第五和第六微环谐振器4、5、6耦合至第四、第五和第一光波导19、20、16；该第三光波导18分别通过第七、第八和第九微环谐振器7、8、9耦合至第五、第一和第二光波导20、16、17；该第四光波导19分别通过第十、第十一和第十二微环谐振器10、11、12耦合至第一、第二和第三光波导16、17、18；该第五光波导20分别通过第十三、十四和十五微环谐振器13、14、15耦合至第二、第三和第四光波导17、18、19；该第一光波导16的一端为第一输入端，另一端为第五输出端；该第二光波导17的一端为第二输入端，另一端为第一输出端；该第三光波导18的一端为第三输入端，另一端为第二输出端；该第四光波导19的一端为第四输入端，另一端为第三输出端；该第五光波导20的一端为第五输入端，另一端为第四输出端。
其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15具有相同的半径。
其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15的工作波长一致。
其中，通过改变所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15的谐振波长，从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，并且从各个输入端输入的光信号互不阻塞。所述从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，包括：从第一输入端输入的光信号被导向第二、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第二输入端输入的光信号被导向第一、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第三输入端输入的光信号被导向第一、第二、第四和第五输出端中的任一输出端；或从第四输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第五输出端中的任一输出端；或从第五输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第四输出端中的任一输出端。
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，第五输入端与第五输出端相邻。
上述第一至第五输入端口和第一至第五输出端口也可以被称为5个双向端口，即东、西、南、北和本地的输入和输出端口。这里之所以称为双向端口是指在东、西、南、北和本地处既有输入端口又有输出端口，这里的东、西、南、北和本地是五个地位平等的端口，对应于图2中的第一至第五输入端口和第一至第五输出端口。需要说明的是由于东、西、南、北和本地的低位平等，其与图2中各个端口的对应原则上没有限制，但是可以简单的按照实际的东、西、南、北、方位对应，图2中右下方的端口一般可以对应为本地端口。
基于图2所示的五端口无阻塞光学路由器，图3a至图3d示出了该五端口无阻塞光学路由器的制作工艺流程，该五端口无阻塞光学路由器是通过对绝缘体上硅SOI的顶层硅进行刻蚀制作而成的，其制作工艺如下：
步骤1：如图3a所示，选取顶层Si厚220nm，埋层SiO2厚2μm的八英寸SOI Wafer，首先用深紫外光刻+干法刻蚀制作器件的硅波导层，硅的刻蚀深度为150nm，得到图3b所示的结构；
步骤2：如图3c所示，淀积1.5μm厚的SiO2作为波导与热极之间的隔离层，接着淀积150nm金属化合物TiN，制作热极(通过给热极加电改变硅波导的温度，从而改变其折射率，进一步改变其谐振波长)；
步骤3：如图3d所示，淀积300nm SiO2，并开热极引线孔，并淀积一层1μm厚的金属铝电极(通过电极给热极加电)。
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，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，其特征在于，包括：
第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)；以及
第一、第二、第三、第四和第五光波导(16、17、18、19、20)；
其中，该第一光波导(16)分别通过第一、第二和第三微环谐振器(1、2、3)耦合至第三、第四和第五光波导(18、19、20)；该第二光波导(17)分别通过第四、第五和第六微环谐振器(4、5、6)耦合至第四、第五和第一光波导(19、20、16)；该第三光波导(18)分别通过第七、第八和第九微环谐振器(7、8、9)耦合至第五、第一和第二光波导(20、16、17)；该第四光波导(19)分别通过第十、第十一和第十二微环谐振器(10、11、12)耦合至第一、第二和第三光波导(16、17、18)；该第五光波导(20)分别通过第十三、十四和十五微环谐振器(13、14、15)耦合至第二、第三和第四光波导(17、18、19)；
该第一光波导(16)的一端为第一输入端，另一端为第五输出端；该第二光波导(17)的一端为第二输入端，另一端为第一输出端；该第三光波导(18)的一端为第三输入端，另一端为第二输出端；该第四光波导(19)的一端为第四输入端，另一端为第三输出端；该第五光波导(20)的一端为第五输入端，另一端为第四输出端。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)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五端口无阻塞光学路由器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)的工作波长一致。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，其中通过改变所述第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五微环谐振器(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)的谐振波长，从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，并且从各个输入端输入的光信号互不阻塞。
5.根据权利要求4所述的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，其中所述从第一至第五输入端中任一输入端输入的光信号被导向除与该输入端对应的输出端外的其它四个输出端中的任一输出端，包括：
从第一输入端输入的光信号被导向第二、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或
从第二输入端输入的光信号被导向第一、第三、第四和第五输出端中的任一输出端；或
从第三输入端输入的光信号被导向第一、第二、第四和第五输出端中的任一输出端；或
从第四输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第五输出端中的任一输出端；或
从第五输入端输入的光信号被导向第一、第二、第三和第四输出端中的任一输出端。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的五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，第五输入端与第五输出端相邻。
7.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器，其中该五端口无阻塞光学路由器是通过对绝缘体上硅SOI的顶层硅进行刻蚀制作而成的。
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