CN103353632B - 基于微环谐振器的光交换单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微环谐振器的光交换单元，主要解决现有技术规模小、面积大、功耗高和扩展能力差的问题。该光交换单元由多个交换子单元构成，每个交换子单元包括水平波导、垂直波导和无源类型的微环谐振器；水平波导和垂直波导分别刻蚀在上下两层硅面上，且二者在空间垂直；微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上。所有交换子单元按照从左至右，从上至下的方式均匀排布，交换子单元之间通过波导相连，且同一行或同一列的交换子单元使用的工作波长互不相同。本发明将光交换单元的设计模块化，能动态地平衡波长和波导的使用数目，增强光交换单元的扩展性能，提高光交换单元的交换容量，可用于大容量数据交换。
Description
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，特别涉及光交换单元，可用于输入端口与输出端口之间的大容量数据传输。
背景技术
光交换单元，作为光交换机的主要功能模块，负责将从输入端口进入的光信息交换到正确的输出端口。设计光交换单元所选取的光器件以及设计方法，会影响交换机的交换容量和面积成本。目前，实现光交换单元的光器件主要有微电子机械系统MEMS，阵列波导光栅AWG和微环谐振器这三种。其中：
微电子机械系统MEMS，具有传输速率快、能耗低等优点，但是不可避免地带来了两大问题：第一，网络重新配置时间长，网络完成一次数据传输后需要毫秒级的时延才能重新配置光电路进行下次传输。第二，控制电路复杂，由于改变电路连接需要对每个微电子机械系统MEMS镜面实现精确翻转，从而需要复杂的控制电路。
阵列波导光栅AWG，器件的制造工艺已比较成熟，利用波分复用，显著提高了交换容量。但是阵列波导光栅AWG的器件面积开销较大，对光信息造成的串扰噪声较大；同时，单独的阵列波导光栅AWG的扩展能力有限，需要通过将多个阵列波导光栅AWG级联以实现大规模端口数目的交换单元，而且每一级的阵列波导光栅AWG之前都需进行波长转换，增大了功耗开销，实现复杂度较大。
微环谐振器，具有能耗低，面积小的优点，尤其是无源类型的微环谐振器，不需要复杂的控制电路。但是，现有的基于微环谐振器的光交换单元规模较小，仅限于小容量的数据交换；而且其扩展能力有限，当扩展光交换单元的交换规模时，光信息的传输功率损耗会显著增大，进而影响了信息传输的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对采用微环谐振器，提出一种规模大、面积小、功耗低和扩展能力强的光交换单元，以实现大容量数据的可靠交换。
为实现上述目的，本发明基于微环谐振器的大容量光交换单元，包括N个输入、输出端口、在硅衬底上刻蚀的K个波导和在硅衬底上刻蚀的L个用了无源类型的微环谐振器，N≥4，其特征在于：
所述的K个波导和L个微环谐振器组成(N/M)2个交换子单元，M为交换子单元的输入输出端口数，取值为正偶数，且能够被N整除；
每个交换子单元，包括M2/2根水平波导、M2/2根垂直波导和M2个微环谐振器，该M2/2根水平波导在水平方向上等间距并行排列，从上到下依次编号为0，1，……(M2/2-1)；该M2/2根水平波导在垂直方向上等间距并行排列，从右到左依次编号为0，1，……(M2/2-1)，这些水平波导和垂直波导分别刻蚀在上下两层硅面上，且二者在空间垂直；该M2个微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上；
所述的(N/M)2个交换子单元，按照从左至右，从上至下的方式均匀排布，交换子单元之间通过波导相连。
上述基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，交换子单元内的M2/2根水平波导和M2/2根垂直波导均采用双向波导，以双向传输光信息。
上述基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，所述的M2个微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上，是按如下规则确定其刻蚀位置：
将垂直波导投影在水平波导所在的硅面上，形成由每根水平波导与每根垂直波导的交叉点，记为Cij，其中i为水平波导编号，j为垂直波导编号，0≤i≤M2/2-1，0≤j≤M2/2-1；
若i+j=(M2/2-1)，且i＜(M2/4)，则在这些交叉点Cij的左上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i+j=(M2/2-1)，且i≥(M2/4)，则在这些交叉点Cij的右下角均刻蚀一个微环谐振器；
若i=j，且i＜(M2/4)，则在这些交叉点Cij的右上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i=j，且i≥(M2/4)，则在这些交叉点Cij的左下角均刻蚀一个微环谐振器。
上述基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，交换子单元内的M2个微环谐振器，均为无源类型；每个微环谐振器的尺寸、谐振波长相同，该谐振波长作为交换子单元的工作波长。
上述基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，每个交换子单元的输入端口置于交换子单元的左右两侧，按照先上后下，先左后右的规则，依次编号为0，1，……(M-1)；每个交换子单元的输出端口置于交换子单元的上下两侧，按照先右后左，先下后上的规则，依次编号为0，1，……(M-1)；
每个输入端口包括M根水平波导，用于传入光信息，从上到下依次编号为1，2，……M；
每个输出端口包括M根垂直波导，用于传出光信息，从右到左依次编号为1，2，……M；
第k个输入端口内的第a根水平波导与交换子单元内的第i根水平波导相连，其连接关系如下：
若0≤k≤(M/2-1)，且1≤a≤M/2，则i=(M/2)×k+(a-1)；
若0≤k≤(M/2-1)，且(M/2)+1≤a≤M，则i=(M/2)×k+(M/2)2+(a-1)；
若M/2≤k≤(M-1)，且1≤a≤M/2，则i=(M/2)×(k-M/2)+(a-1)；
若M/2≤k≤(M-1)，且(M/2)+1≤a≤M，则i=(M/2)×(k-M/2)+(M/2)2+(a-1)；
第m个输出端口内的第b根垂直波导与交换子单元内的第j根垂直波导相连，其连接关系如下：
若0≤m≤(M/2-1)，1≤b≤M，则j=m+(M/2)×(b-1)；
若M/2≤m≤(M-1)，1≤b≤M，则j=(m-M/2)+(M/2)×(b-1)。
上述基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，所述的(N/M)2个交换子单元，使用(N/M)种工作波长λ1，λ2，……λN/M，且同一行或同一列的(N/M)个交换子单元使用的工作波长互不相同。
本发明具有如下优点：
第一，由于本发明将光交换单元的设计模块化，均衡了波长和波导的使用数目，增强了光交换单元的扩展性能。
第二，由于本发明的水平波导和垂直波导分别刻蚀在上下两层硅面上，避免了波导交叉导致的光功率损耗，进而提高了光交换单元传输信息的可靠性。
第三，由于本发明的光交换单元采用了无源类型的微环谐振器，减小了面积和能耗。
第四，由于本发明的同一行或同一列的交换子单元使用的工作波长互不相同，各输入端口与各输出端口之间的光通信互不影响，提高了光交换单元的交换容量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的每个交换子单元的平面结构示意图；
图3为本发明一个交换子单元的立体结构示意图。
具体实施方式
为更清楚的介绍本发明提出的基于微环谐振器的光交换单元，下面将结合附图和具体实例进行详细说明。
参照图1，本发明基于微环谐振器的光交换单元，包括8个输入端口101和8个输出端口102、在硅衬底上刻蚀的8根水平波导103、8根垂直波导104和在硅衬底上刻蚀的64个微环谐振器105，这8根水平波导、8根垂直波导和64个微环谐振器组成16个交换子单元106。每个交换子单元，包括2根水平波导、2根垂直波导和4个无源类型的微环谐振器，这2根水平波导和2根垂直波导均采用双向波导，以双向传输光信息，这4个微环谐振器的尺寸、谐振波长相同，该谐振波长作为交换子单元的工作波长。这16个交换子单元，按照从左至右，从上至下的方式均匀排布，每一行的4个交换子单元之间通过水平波导相连，每一列的4个交换子单元之间通过垂直波导相连。这些交换子单元，使用4种工作波长λ1，λ2，λ3，λ4，且同一行或同一列的4个交换子单元使用的工作波长互不相同。
参照图2，每个交换子单元包括多个输入输出端口，和多个水平波导、多个垂直波导，及多个微环谐振器；其输入端口置于交换子单元的左右两侧，输出端口置于交换子单元的上下两侧；水平波导、垂直波导和微环谐振器的数目根据交换子单元的端口数目设定。本发明给出每个交换子单元的如下三种实施例：
实施例1：输入输出端口数为8的交换子单元结构。
如图2(a)所示，每个交换子单元包括8个输入端口、8个输出端口、32根水平波导、32根垂直波导和64个微环谐振器；该32根水平波导在水平方向上等间距并行排列，从上到下依次编号为0，1，……31；该32根垂直波导在垂直方向上等间距并行排列，从右到左依次编号为0，1，……31；8个输入端口按照先上后下，先左后右的规则，依次编号为0，1，……7；8个输出端口按照先右后左，先下后上的规则，依次编号为0，1，……7；每个输入端口包括8根水平波导，从上到下依次编号为1，2，……8；每个输出端口包括8根垂直波导，从右到左依次编号为1，2，……8。其中：
第k个输入端口内的第a根水平波导与的第i根水平波导按如下连接关系相连：
若0≤k≤3，且1≤a≤4，则i=4×k+(a-1)；
若0≤k≤3，且5≤a≤8，则i=4×k+16+(a-1)；
若4≤k≤7，且1≤a≤4，则i=4×(k-4)+(a-1)；
若4≤k≤7，且5≤a≤8，则i=4×(k-4)+16+(a-1)；
第m个输出端口内的第b根垂直波导与第j根垂直波导按如下连接关系相连：
若0≤m≤3，1≤b≤8，则j=m+4×(b-1)；
若4≤m≤7，1≤b≤8，则j=(m-4)+4×(b-1)。
实施例2：输入输出端口数为4的交换子单元结构。
如图2(b)所示，每个交换子单元包括4个输入端口、4个输出端口、8根水平波导、8根垂直波导和16个微环谐振器，该8根水平波导在水平方向上等间距并行排列，从上到下依次编号为0，1，……7；该8根垂直波导在垂直方向上等间距并行排列，从右到左依次编号为0，1，……7；4个输入端口按照先上后下，先左后右的规则，依次编号为0，1，2，3；4个输出端口按照先右后左，先下后上的规则，依次编号为0，1，2，3；每个输入端口包括4根水平波导，从上到下依次编号为1，2，3，4；每个输出端口包括4根垂直波导，从右到左依次编号为1，2，3，4。其中：
第k个输入端口内的第a根水平波导与的第i根水平波导按如下连接关系相连：
若0≤k≤1，且1≤a≤2，则i=2×k+(a-1)；
若0≤k≤1，且3≤a≤4，则i=2×k+4+(a-1)；
若2≤k≤3，且1≤a≤2，则i=2×(k-2)+(a-1)；
若2≤k≤3，且3≤a≤4，则i=2×(k-2)+4+(a-1)；
第m个输出端口内的第b根垂直波导与第j根垂直波导按如下连接关系相连：
若0≤m≤1，1≤b≤4，则j=m+2×(b-1)；
若2≤m≤3，1≤b≤4，则j=(m-2)+2×(b-1)。
实施例3：输入输出端口数为2的交换子单元结构。
如图2(c)所示，每个交换子单元包括2个输入端口、2个输出端口、2根水平波导、2根垂直波导和4个微环谐振器，该2根水平波导在水平方向上等间距并行排列，从上到下依次编号为0，1；该2根垂直波导在垂直方向上等间距并行排列，从右到左依次编号为0，1；2个输入端口按照先左后右的规则，依次编号为0，1；2个输出端口按照先下后上的规则，依次编号为0，1；每个输入端口包括2根水平波导，从上到下依次编号为1，2；每个输出端口包括2根垂直波导，从右到左依次编号为1，2。其中：
第k个输入端口内的第a根水平波导与的第i根水平波导按如下连接关系相连：
i=k×0+(a-1)；
第m个输出端口内的第b根垂直波导与第j根垂直波导按如下连接关系相连：
j=m×0+(b-1)。
该实施例3的交换子单元立体结构如图3所示。
参照图3，输入输出端口数为2的交换子单元的2根水平波导和2根垂直波导分别刻蚀在上下两层硅面上，且二者在空间垂直；将垂直波导投影在水平波导所在的硅面上，形成由每根平波导与每根垂直波导的交叉点，记为Cij，其中i为水平波导编号，j为垂直波导编号，0≤i≤1，0≤j≤1；该4个微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上，并按如下规则确定其刻蚀位置：
若i+j=1，且i＜2，则在这些交叉点Cij的左上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i+j=1，且i≥2，则在这些交叉点Cij的右下角均刻蚀一个微环谐振器；
若i=j，且i＜2，则在这些交叉点Cij的右上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i=j，且i≥2，则在这些交叉点Cij的左下角均刻蚀一个微环谐振器。
按照上述刻蚀规则确定实施例1和实施例2的微环谐振器刻蚀位置，完成对不同结构的光交换单元制作。
Claims (6)
1.一种基于微环谐振器的光交换单元，包括N个输入、N个输出端口、在硅衬底上刻蚀的K根波导和在硅衬底上刻蚀的L个无源类型的微环谐振器，N≥4，其特征在于：
所述的K个波导和L个微环谐振器组成(N/M)2个交换子单元，M为交换子单元的输入输出端口数，取值为正偶数，且能够整除N；
每个交换子单元，包括M2/2根水平波导、M2/2根垂直波导和M2个微环谐振器，该M2/2根水平波导在水平方向上等间距并行排列，从上到下依次编号为0，1，……(M2/2-1)；该M2/2根水平波导在垂直方向上等间距并行排列，从右到左依次编号为0，1，……(M2/2-1)；这些水平波导和垂直波导分别刻蚀在上下两层硅面上，且二者在空间垂直；该M2个微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上；
所述的(N/M)2个交换子单元，按照从左至右，从上至下的方式均匀排布，交换子单元之间通过波导相连。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，交换子单元内的M2/2根水平波导和M2/2根垂直波导均采用双向波导，以双向传输光信息。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，所述的M2个微环谐振器按照水平波导与垂直波导的编号，刻蚀在水平波导所在的硅面上，是按如下规则确定其刻蚀位置：
将垂直波导投影在水平波导所在的硅面上，形成由每根水平波导与每根垂直波导的交叉点，记为Cij，其中i为水平波导编号，j为垂直波导编号，0≤i≤M2/2-1，0≤j≤M2/2-1；
若i+j＝(M2/2-1)，且i＜(M2/4)，则在这些交叉点Cij的左上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i+j＝(M2/2-1)，且i≥(M2/4)，则在这些交叉点Cij的右下角均刻蚀一个微环谐振器；
若i＝j，且i＜(M2/4)，则在这些交叉点Cij的右上角均刻蚀一个微环谐振器；
若i＝j，且i≥(M2/4)，则在这些交叉点Cij的左下角均刻蚀一个微环谐振器。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，交换子单元内的M2个微环谐振器，均为无源类型；每个微环谐振器的尺寸、谐振波长相同，该谐振波长作为交换子单元的工作波长。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，每个交换子单元的输入端口置于交换子单元的左右两侧，按照先上后下，先左后右的规则，依次编号为0，1，……(M-1)；每个交换子单元的输出端口置于交换子单元的上下两侧，按照先右后左，先下后上的规则，依次编号为0，1，……(M-1)；
每个输入端口包括M根水平波导，用于传入光信息，从上到下依次编号为1，2，……M；
每个输出端口包括M根垂直波导，用于传出光信息，从右到左依次编号为1，2，……M；
第k个输入端口内的第a根水平波导与交换子单元内的第i根水平波导相连，其连接关系如下：
若0≤k≤(M/2-1)，且1≤a≤M/2，则i＝(M/2)×k+(a-1)；
若0≤k≤(M/2-1)，且(M/2)+1≤a≤M，则i＝(M/2)×k+(M/2)2+(a-1)；
若M/2≤k≤(M-1)，且1≤a≤M/2，则i＝(M/2)×(k-M/2)+(a-1)；
若M/2≤k≤(M-1)，且(M/2)+1≤a≤M，则i＝(M/2)×(k-M/2)+(M/2)2+(a-1)；
第m个输出端口内的第b根垂直波导与交换子单元内的第j根垂直波导相连，其连接关系如下：
若0≤m≤(M/2-1)，1≤b≤M，则j＝m+(M/2)×(b-1)；
若M/2≤m≤(M-1)，1≤b≤M，则j＝(m-M/2)+(M/2)×(b-1)。
6.根据权利要求1或4所述的基于微环谐振器的光交换单元，其特征在于，所述的(N/M)2个交换子单元，使用(N/M)种工作波长λ1，λ2，……λN/M，且同一行或同一列的(N/M)个交换子单元使用的工作波长互不相同。
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| 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 | ||
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Granted publication date: 20150617 |