CN103308988B - 一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 - Google Patents
一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103308988B CN103308988B CN201310154603.2A CN201310154603A CN103308988B CN 103308988 B CN103308988 B CN 103308988B CN 201310154603 A CN201310154603 A CN 201310154603A CN 103308988 B CN103308988 B CN 103308988B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- input port
- fiber waveguide
- ring
- end input
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 61
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 abstract description 6
- 238000003780 insertion Methods 0.000 abstract description 5
- 230000037431 insertion Effects 0.000 abstract description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络。包括四个交叉波导微环1×2光开关和一个平行波导微环2×2光开关。四个交叉波导微环1×2光开关分别直接与输入输出端相连接，其中输入1与输出4通过微环1耦合；输入1与输出3、输入4与输出2通过微环2耦合；输入3与输出2通过微环4耦合；输入3与输出1、输入2与输出4通过微环3耦合；微环5用于连接从输入4到输出1和从输入2到输出3的光通路。本发明用五个微环完成了四个双向端口的非阻塞路由交换，微环数量减少到5个，也就是减少了37.5%，降低了插入损耗、功耗和面积；交叉数目减小到六个，降低了交换网络的插入损耗和串扰，增强了光互连网络的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及光互连网络架构，特别是涉及一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络。
背景技术
随着半导体技术的发展，单个处理器的集成密度显著增加，处理器向着多核和众核的方向发展,使得核间的互连成为制约处理器整体性能的关键因素之一。未来多核系统怎样在低功耗的情况下满足对时延和速度的要求成为目前集成光电子领域的重大的挑战。
随着多核处理器对互连网络性能要求的进一步提高，电互连技术的局限性已越来越明显，将逐渐不适应多处理器系统互连网络通信带宽、延迟速度、功耗的要求。
近年来，硅基光电子学发展迅速，特别是硅基激光器，硅基光电调制器，硅基光探测器等高速器件，推动了片上光互连的发展。微环作为基本的结构单元，可以构建激光器的谐振腔，调制器，波长路由，波长选择探测器等功能器件。其主要优点是尺寸小，速度快，功耗低。
光互连作为一种新兴技术成为了解决片上众核互连挑战的一种非常有前景的方案。光具有最快的传播速度，波分复用提供了巨大的带宽，本质上传播功耗与距离无关而具有低功耗的特性，又能有效避免噪声的干扰。光互连技术正朝着更短传输距离，更高速，更高带宽密度和集成密度的方向发展。而光交换网络是片上光互连的核心器件，一个光交换网络的性能很大程度上影响着整个光互连网络的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络，用五个微环谐振器便实现片上光互连网络架构四个双向端口的自由交换，降低了插入损耗和结构复杂度。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括：第一端输入口和第二端输出口构成的第一光波导；第二端输入口和第一端输出口构成的第二光波导；第三端输入口和第四端输出口构成的第三光波导；第四端输入口和第三端输出口构成的第四光波导；五个微环谐振器；其中：
第一光波导的第一端输入口与第三光波导的第四端输出口通过第一微环谐振器耦合；第一光波导的第一端输入口与第四光波导的第三端输出口、第四光波导的第四端输入口与第一光波导的第二端输出口通过第二微环谐振器耦合；第三光波导的第三端输入口与第一光波导的第二端输出口通过第四微环谐振器耦合；第三光波导的第三端输入口与第二光波导的第一端输出口、第二光波导的第二端输入口与第四光波导的第四端输入口通过第三微环谐振器耦合，以上四种耦合分别通过交叉波导微环1×2光开关实现；
第五微环谐振器用于连接从第四光波导的第四端输入口到第二光波导的第一端输出口和从第二光波导的第二端输入口到第四光波导的第三端输出口的光通路，这种耦合通过平行波导微环1×2光开关实现。
所述的五个微环谐振器的谐振波长一致。
所述的五个微环谐振器具有相同的有效折射率和相同的尺寸。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供了基于微环的四端口非阻塞光学交换网络，利用微环谐振器的谐振特性，通过微环和光波导的巧妙组合，实现了四个双向端口的非阻塞路由交换。特别的，由于第二，第三，第五微环谐振器的均由两条光链路复用，使得所用微环谐振器由以往的八个减少到了五个，提高了微环谐振器的利用效率，精简了开关的结构，减小了开关的面积，降低了成本和功耗。相对于以往的4×4光开关，本发明第一次用五个微环完成了四个双向端口的非阻塞路由交换，微环数量减少到5个，也就是减少了37.5%，降低了插入损耗、功耗和面积。特别的，交叉数目减小到六个，降低了交换网络的插入损耗和串扰，增强了光互连网络的可扩展性。
附图说明
图1是平行波导微环1×2光开关的“关”状态示意图。
图2是平行波导微环1×2光开关的“开”状态示意图。
图3是交叉波导微环1×2光开关的“关”状态示意图。
图4是交叉波导微环1×2光开关的“开”状态示意图。
图5是基于微环的4×4非阻塞光学交换网络的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚明白地介绍本发明的目的，技术方案和优点，以下结合具体实例，参照附图，对本发明做进一步详细说明。
本发明利用有源微环谐振器的谐振特性，设计了新型交换网络拓扑结构，实现了四端口低损耗非阻塞光学交换网络。
下面结合图1至图4详细说明其工作原理：
本发明给出的交换网络中所有的微环半径一致，但包含了两种不同结构，图1和图2所示为平行波导微环开关，图3和图4所示的为交叉波导微环开关。当微环谐振波长与信号一致，信号通过微环从一个波导耦合到另一波导，而当两者波长不同时，信号还是沿原路直通传输。当微环谐振器的谐振波长λresonant=λ0时，将这一种状态定义为“开”，光信号从In1输入将从Out2输出，In2输入将从Out1输出，如图1和图3所示；当微环谐振器的谐振波长λresonant≠λ0时，这一种状态定义为“关”，从In1输入的光将从Out1输出，如图2，从In2输入的光将从Out2输出，如图4所示。微环谐振器的谐振波长可以由路由控制信号动态配置，从而实现交换网络的自由切换。
如图5所示，本发明包括：第一端输入口1和第二端输出口2’构成的第一光波导；第二端输入口2和第一端输出口1’构成的第二光波导；第三端输入口3和第四端输出口4’构成的第三光波导；第四端输入口4和第三端输出口3’构成的第四光波导；五个微环谐振器A、B、C、D、E；其中：
第一光波导的第一端输入口1与第三光波导的第四端输出口4’通过第一微环谐振器A耦合；第一光波导的第一端输入口1与第四光波导的第三端输出口3’、第四光波导的第四端输入口4与第一光波导的第二端输出口2’通过第二微环谐振器B耦合；第三光波导的第三端输入口3与第一光波导的第二端输出口2’通过第四微环谐振器D耦合；第三光波导的第三端输入口3与第二光波导的第一端输出口1’、第二光波导的第二端输入口2与第四光波导的第四端输入口4通过第三微环谐振器C耦合，以上四种耦合分别通过交叉波导微环1×2光开关实现；
第五微环谐振器5用于连接从第四光波导的第四端输入口4到第二光波导的第一端输出口1’和从第二光波导的第二端输入口2到第四光波导的第三端输出口3’的光通路，这种耦合通过平行波导微环1×2光开关实现。
实现了四个双向端口之间的非阻塞路由交换。其中，微环谐振器2、微环谐振器3、微环谐振器5都可以同时复用两条光通路。
所述的五个微环谐振器的谐振波长一致。
所述的五个微环谐振器具有相同的有效折射率和相同的尺寸。
其中用于制作给基于微环谐振器的四端口非阻塞光学交换网络的材料是SOI或聚合物波导，易于将光器件与COMS工艺相结合，有利于将该结构商业化。
图5给出了该交换网络的一种工作状态，此时第四端输入口4→第二端输出口2’，第三端输入口3→第一端输出口1’，第二端输入口2→第四端输出口4’。图中实线表示该环处于非谐振状态，即只有第二，第三微环谐振器处于谐振状态。其中第三端输入口3→第一端输出口1’，第二端输入口2→第四端输出口4这两条链路共用微环谐振器3且没有造成阻塞。由于微环谐振器的状态切换需要外加电压或者热调制，两条链路共用同一个微环谐振器能够降低功耗，同时相对于以往的4×4光交换网络，本发明第一次用五个微环完成了四个双向端口的非阻塞路由交换，微环数量减少37.5%。
给出每条链路与微环谐振器的对应关系（表1），波导表示没有微环谐振而光信号由波导直接通过。
以上述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅本发明的具体实例而已，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，该进等，均应在本发明的保护范围之内。
表1给出每条链路与微环谐振器的对应关系
| 第二输入端口→第一输出端口 | 波导 |
| 第二输入端口→第四输出端口 | 微环C |
| 第二输入端口→第三输出端口 | 微环E |
| 第三输入端口→第一输出端口 | 微环C |
| 第三输入端口→第二输出端口 | 微环D |
| 第三输入端口→第四输出端口 | 波导 |
| 第一输入端口→第四输出端口 | 微环A |
| 第一输入端口→第三输出端口 | 微环B |
| 第一输入端口→第二输出端口 | 波导 |
| 第四输入端口→第三输出端口 | 波导 |
| 第四输入端口→第三输出端口 | 微环B |
| 第四输入端口→第一输出端口 | 微环E |
Claims (3)
1.一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络，其特征在于，包括：第一端输入口（1）和第二端输出口（2’）构成的第一光波导；第二端输入口（2）和第一端输出口（1’）构成的第二光波导；第三端输入口（3）和第四端输出口（4’）构成的第三光波导；第四端输入口（4）和第三端输出口（3’）构成的第四光波导；五个微环谐振器（A、B、C、D、E）；其中：
第一光波导的第一端输入口（1）与第三光波导的第四端输出口（4’）通过第一微环谐振器（A）耦合；第一光波导的第一端输入口（1）与第四光波导的第三端输出口（3’）、第四光波导的第四端输入口（4）与第一光波导的第二端输出口（2’）通过第二微环谐振器（B）耦合；第三光波导的第三端输入口（3）与第一光波导的第二端输出口（2’）通过第四微环谐振器（D）耦合；第三光波导的第三端输入口（3）与第二光波导的第一端输出口（1’）、第二光波导的第二端输入口（2）与第四光波导的第四端输出口（4’）通过第三微环谐振器（C）耦合，以上四种耦合分别通过交叉波导微环1×2光开关实现；
第五微环谐振器（E）用于连接从第四光波导的第四端输入口（4）到第二光波导的第一端输出口（1’）和从第二光波导的第二端输入口（2）到第四光波导的第三端输出口（3’）的光通路，这种耦合通过平行波导微环1×2光开关实现。
2.根据权利1要求所述的一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络，其特征在于：所述的五个微环谐振器的谐振波长一致。
3.根据权利1要求所述的一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络，其特征在于：所述的五个微环谐振器具有相同的有效折射率和相同的尺寸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310154603.2A CN103308988B (zh) | 2013-04-28 | 2013-04-28 | 一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310154603.2A CN103308988B (zh) | 2013-04-28 | 2013-04-28 | 一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103308988A CN103308988A (zh) | 2013-09-18 |
| CN103308988B true CN103308988B (zh) | 2015-04-29 |
Family
ID=49134403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310154603.2A Expired - Fee Related CN103308988B (zh) | 2013-04-28 | 2013-04-28 | 一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103308988B (zh) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105339821B (zh) * | 2014-05-09 | 2019-03-26 | 华为技术有限公司 | 光学路由器 |
| CN103986671B (zh) * | 2014-05-20 | 2017-02-15 | 上海交通大学 | 基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点 |
| CN104503027B (zh) * | 2014-12-16 | 2017-11-28 | 兰州大学 | 基于微环谐振光开关的四端口光学路由器 |
| KR102063282B1 (ko) * | 2015-06-12 | 2020-01-07 | 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드 | 온-칩 광학적 상호연결 구조 및 네트워크 |
| CN104950398A (zh) * | 2015-07-16 | 2015-09-30 | 浙江大学 | 基于光微环的带宽可调光滤波器及其产生宽带频谱的方法 |
| CN106899508B (zh) * | 2015-12-18 | 2020-06-02 | 华为技术有限公司 | 一种路由器及mesh光网络 |
| US10911844B2 (en) | 2016-04-01 | 2021-02-02 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Integrated high-radix non-blocking optical switching fabric |
| CN107797181B (zh) * | 2016-08-31 | 2020-04-28 | 华为技术有限公司 | 光开关矩阵及其控制方法 |
| CN109257662B (zh) * | 2018-08-14 | 2021-06-08 | 西安电子科技大学 | 基于微环功率分配器和组化的广播光片上结构及通信方法 |
| CN109587585B (zh) * | 2019-01-18 | 2021-06-25 | 西安电子科技大学 | 基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器 |
| CN111443430B (zh) * | 2020-03-27 | 2022-03-08 | 宁波大学 | 一种同时具备模式和波长选择功能的带宽可调光开关 |
| CN111464891A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-28 | 桂林电子科技大学 | 一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器 |
| CN112162448B (zh) * | 2020-09-16 | 2022-09-13 | 山东工业职业学院 | 一种光子计算机用光分路选择器 |
| CN115657209A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-31 | 之江实验室 | 一种基于硅上硫化锑的1x2微环光开关 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101140343A (zh) * | 2007-10-18 | 2008-03-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种微谐振环信道选择光开关 |
| WO2008080122A2 (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-03 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Systems and method for on-chip data communication |
| CN101872039A (zh) * | 2010-05-12 | 2010-10-27 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器 |
| CN102540345A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 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 |
-
2013
- 2013-04-28 CN CN201310154603.2A patent/CN103308988B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008080122A2 (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-03 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Systems and method for on-chip data communication |
| CN101140343A (zh) * | 2007-10-18 | 2008-03-12 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种微谐振环信道选择光开关 |
| CN101872039A (zh) * | 2010-05-12 | 2010-10-27 | 中国科学院半导体研究所 | 一种基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器 |
| CN102540345A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103308988A (zh) | 2013-09-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103308988B (zh) | 一种基于5个微环谐振器的4×4非阻塞光学交换网络 | |
| CN103091784B (zh) | 基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器 | |
| CN110012368B (zh) | 一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统 | |
| Yu et al. | A scalable silicon photonic chip-scale optical switch for high performance computing systems | |
| TWI615645B (zh) | 光學交換裝置、可擴展光學交換器裝置、光學環網路、及光學網路交換裝置 | |
| CN107329209B (zh) | M×n多播传送光开关 | |
| Lea | Bipartite graph design principle for photonic switching systems | |
| CN102361467B (zh) | 无阻塞的光片上网络结构及其通信方法 | |
| CN102540345B (zh) | 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 | |
| CN103487889A (zh) | 基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构 | |
| US10250350B2 (en) | Optical switch, optical add-drop multiplexer, communication network node and communication network | |
| Niwa et al. | Large port count wavelength routing optical switch consisting of cascaded small-size cyclic arrayed waveguide gratings | |
| CN207895111U (zh) | 一种基于微环谐振器的五端口无阻塞光学路由器 | |
| CN104317000B (zh) | 模块化可扩展的波长和空间全光路由器 | |
| CN108363146B (zh) | 一种低插入损耗的五端口光学路由器 | |
| CN105339821B (zh) | 光学路由器 | |
| Zhao et al. | Bi-directional Benes with large port-counts and low waveguide crossings for optical network-on-chip | |
| CN108828723A (zh) | 基于波长和模式复用的微环谐振器光交换开关 | |
| CN104297853B (zh) | 模块化的波长和空间全光路由器 | |
| CN204203497U (zh) | 一种模块化可扩展的波长和空间全光路由器 | |
| Biberman et al. | Photonic network-on-chip architecture using 3D integration | |
| CN204203498U (zh) | 一种模块化可扩展的全光路由器 | |
| CN105676370A (zh) | 一种基于微环谐振腔的全光分组交换开关 | |
| CN106899508B (zh) | 一种路由器及mesh光网络 | |
| CN204270002U (zh) | 一种模块化可扩展的n2×n2波长和空间全光路由器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150429 Termination date: 20180428 |