CN103941336B - 一种基于平面光波导技术的三端口路由器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平面光波导技术的三端口路由器，包括由下至上的衬底层、芯层和覆盖层，芯层上设有级联组合的一个1X2光开关和一个2X2光开关，1X2光开关的输入端口为第一端口，2X2光开关的其中一个输入端口和其中一个输出端口分别为第二端口和第三端口，第一端口、第二端口和第三端口分别位于路由器的侧面作为数据交换的3个交换端口，1X2光开关的两个输出端口分别与2X2光开关的另一个输入端口和另一个输出端口相连；路由器的工作模式包括路由模式和广播模式两种。本发明还公开了该路由器的制作方法。本发明优点：仅使用两个光开关即可实现三个交换端口的互连，集成度高，结构紧凑，仅需两个移相器即可控制其工作模式。
Description
技术领域
本发明涉及平面光波导集成领域，尤其涉及的是一种基于平面光波导技术的三端口路由器及其制备方法。
背景技术
在过去的几十年里，集成电路的发展一直依据着著名的摩尔定律，晶体管的尺寸在不断缩小，芯片的集成度在以几何数级的规律不断增长，性能也在不断提升。但同时，摩尔定律也在不断地接受着挑战。通过缩小晶体管特征尺寸、提高单核处理器性能的发展思路受到功耗和发热激增、互连线延迟增长以及设计复杂度上升等因素的制约而停滞不前。多核、众核处理器的方案渐渐的成为未来高性能处理器性能提升的有效途径，但是随着核数的增加，片上多核间互连线却并没有得到同步的优化，片上全局电互连已成为未来的众核片上系统中系统性能和功耗的主要问题。
在片上光网络层(photonicNoc)中，控制片上信息流的最关键器件是光波导路由器，因此光波导路由器的研制成为当前一个亟待解决的重要问题。近几年，片上光波导路由器取得了较大的进展，解决方案主要有两种思路：一种方案是多个光开关组合的链路切换型光路由器，另一种方案是基于无源器件波长选择路由。前一种方案主要采用多个开关的级联，利用多个开关的切换来控制数据传输的路径，实现时域上不同处理核之间的互连。2008年，Cornell大学S.Nicolás等人率先利用多微环光开关的组合实现了一种四端口的热光路由器[12]，实可以实现4个核之间无阻塞的数据通信，2010年，IBM的M.Yang等人宣布实现了基于电光效应的M-Z型宽带路由器，这个路由器使用了6个2×2电光开关和十几个交叉波导，工作带宽达到了7nm，但芯片尺寸较大，达到了300×1600μm2。后一种方案的思路利用波长进行数据链路的建立，即指定的波长到达指定的端口，理论不需要引入热光、电光效应对光路进行控制，在设计时分配指定的波长到，理论上没有功耗、维护成本低，但是需要多波长的光源而且此类器件实现中大多数依靠微环谐振器，需要热调谐电极方能正常工作。2009年，比利时IMEC的AndrzejKaz′mierczak等人基于多个微环上、行下载滤波器组成了4×4的波长路由器。
从光波导路由器复杂程度来看，目前所报道的四端口光波导路由器，一般需要使用多个干涉型光开关，以IBM公司报道的M.Yang的4端口光路由器为例，使用了6个M-Z型光开关，极大占用面积和增加控制和工艺的难度。在实际的光网络的构建中，需要不同类型的路由器，提高构建网络的灵活性和网络的丰富性，进行路由器的简单和小型化设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于平面光波导技术的三端口路由器及其制备方法，该路由器利用1X2光开关和2X2光开关的链路组合来实现路由器的功能，仅仅使用两个光开关即可实现三个端口的互连，结构紧凑，架构简单，功能多样，在未来片上光集成和光交换领域有着广泛的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于平面光波导技术的三端口路由器，包括由下至上的衬底层、芯层和覆盖层，所述芯层上设有级联组合的一个1X2光开关和一个2X2光开关，所述1X2光开关的输入端口为第一端口，所述2X2光开关的其中一个输入端口和其中一个输出端口分别为第二端口和第三端口，所述第一端口、第二端口和第三端口分别位于所述路由器的侧面作为数据交换的3个交换端口，所述1X2光开关的两个输出端口分别与所述2X2光开关的另一个输入端口和另一个输出端口相连；所述路由器的工作模式包括路由模式和广播模式两种，在所述路由模式下，所述3个交换端口的任意2个交换端口之间均能实现数据交换和通信；在所述广播模式下，任意1个交换端口的数据均可以广播到另外2个交换端口。
作为上述技术方案的进一步优化，所述1X2光开关包括一个1X2多模干涉耦合器、一个第一2X2多模干涉耦合器和第一移相器，所述1X2多模干涉耦合器的一端通过第一输入波导与所述第一端口相连接，所述1X2多模干涉耦合器另一端与所述第一2X2多模干涉耦合器一端之间通过两个相平行的第一传输波导相连接，所述第一2X2多模干涉耦合器另一端分别连接两个第一输出波导；
所述2X2光开关包括第二移相器、两个级联的第二2X2多模干涉耦合器和第三2X2多模干涉耦合器，所述第二2X2多模干涉耦合器的一端通过第二输入波导与所述第二端口相连接，所述第二2X2多模干涉耦合器另一端与所述第三2X2多模干涉耦合器一端之间通过两个相平行的第二传输波导相连接，所述第三2X2多模干涉耦合器另一端分别连接两个第二输出波导，其中一个第二输出波导与所述第三端口相连接；所述1X2光开关的其中一个第一输出波导与所述第二2X2多模干涉耦合器在连接有第二输入波导的一端相连接，另一个第一输出波导同时也作为与所述第三2X2多模干涉耦合器相连接的另一个第二输出波导；
所述第一移相器和第二移相器设置于所述覆盖层上且分别位于两个第一传输波导和两个第二传输波导的上方，当光信号经过传输波导时，所述第一移相器或第二移相器通过调整传输波导内光波的相位从而实现对光路的控制：所述1X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第一输出波导中的任何一个；所述2X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第二输出波导中的任何一个。
作为上述技术方案的进一步优化，所述1X2光开关中，所述第一输入波导连接到所述1X2多模干涉耦合器一端的中间位置，所述1X2光开关能选择性的将一路光信号均匀的分为两路光信号。
作为上述技术方案的进一步优化，所述2X2光开关能选择性的将一路光信号均匀的分为两路光信号。
作为上述技术方案的进一步优化，所述第一移相器和第二移相器均基于电光效应而实现对光路的控制，一切可以改变光波相位的效应都可以应用本发明。
作为上述技术方案的进一步优化，所述3个交换端口分别位于所述路由器的三个侧面。
作为上述技术方案的进一步优化，所述2X2光开关中与所述第三端口相连接的第二输出波导成L型。
作为上述技术方案的进一步优化，与所述2X2光开关的第二2X2多模干涉耦合器相连接的第一输出波导的末端在水平面上呈往回弯曲180度后与其主体相平行的形状。
本发明还提供了上述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一个基片，基片包括由下至上的衬底层、绝缘层、绝缘层上硅层，绝缘层的下限制层厚度2微米、绝缘层上硅层厚度为220纳米；
(2)利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第一块光刻板上的图案到所述绝缘层上硅层上，刻蚀深度为160纳米，完成芯层的制作，所述第一块光刻板上的图案对应于所述1X2光开关的第一输入波导、1X2多模干涉耦合器、两个第一传输波导、第一2X2多模干涉耦合器两个第一输出波导、以及所述2X2光开关的第二输入波导、第二2X2多模干涉耦合器、两个第二传输波导、第三2X2多模干涉耦合器、第二输出波导的制作；
(3)然后利用PECVD技术在所述绝缘层上硅层上溅射一层1.5微米厚的SiO2层作为所述覆盖层；
(4)在所述覆盖层上热蒸发一层金属Cr/Cu作为所述基片的上表面；
(5)然后利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第二块光刻板的图形到所述基片的表面上，完成所述移相器的制作，即可完成整个路由器的制作，所述第二块光刻板的图形对应于所述第一移相器和第二移相器的制作。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，利用1X2光开关和2X2光开关的链路组合来实现路由器的功能，仅仅使用两个光开关即可实现三个交换端口的互连，集成度高，结构紧凑，尺寸较小，架构简单，功能多样。且其制备方法简单，在SOI基片上利用传统的半导体工艺即可完成，制作过程与微电子产业的CMOS工艺兼容，可以利用最先进的微电子产业的工艺平台进行此三端口路由器的研发和生产，制作成本低廉，便于大规模生产。其拥有2种工作模式，广播模式和路由模式。在路由模式下，3个交换端口的任意2个交换端口可以实现数据交换和通信；在广播模式下，1个交换端口的数据可以广播到另外2个交换端口，且仅需两个移相器即可控制其工作模式。此路由器工作频带宽且利于集成，在未来片上光集成和光交换领域有广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的三端口路由器立体结构示意图。
图2至是本发明的三端口路由器工作模式示意图，其中，图2(a)是三端口路由器广播模式之一：第一端口广播到第二端口和第三端口，图2(b)是三端口路由器广播模式之二：第二端口广播到第一端口和第三端口，图2(c)是三端口路由器广播模式之三：第三端口广播到第一端口和第二端口；图2(d)是三端口路由器路由模式之一：第一端口和第二端口相互链接，图2(e)是三端口路由器路由模式之一：第一端口和第三端口相互链接，图2(f)是三端口路由器路由模式三一：第二端口到第三端口相互链接。
图3是本发明的三端口路由器的制备方法中所使用到的第一块光刻板结构示意图。
图4是本发明的三端口路由器的制备方法中所使用到的第二块光刻板结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明优选实施方式提供的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，包括由下至上的衬底层1、芯层2和覆盖层3，芯层2上设有级联组合的一个1X2光开关和一个2X2光开关，1X2光开关的输入端口为第一端口Port1，2X2光开关的其中一个输入端口和其中一个输出端口分别为第二端口Port2和第三端口Port3。优选的，第一端口Port1、第二端口Port2和第三端口Port3分别位于路由器的三个侧面作为数据交换的3个交换端口。1X2光开关的两个输出端口分别与2X2光开关的另一个输入端口和另一个输出端口相连。
其中，1X2光开关包括一个1X2多模干涉耦合器31、一个第一2X2多模干涉耦合器32和第一移相器36，1X2多模干涉耦合器31的一端通过第一输入波导34与第一端口Port1相连接，1X2多模干涉耦合器31另一端与第一2X2多模干涉耦合器32一端之间通过两个相平行的第一传输波导33相连接，第一2X2多模干涉耦合器32另一端分别连接两个第一输出波导35。
2X2光开关包括第二移相器46、两个级联的第二2X2多模干涉耦合器41和第三2X2多模干涉耦合器42，第二2X2多模干涉耦合器41的一端通过第二输入波导44与第二端口Port2相连接，第二2X2多模干涉耦合器41另一端与第三2X2多模干涉耦合器42一端之间通过两个相平行的第二传输波导43相连接，第三2X2多模干涉耦合器42另一端分别连接两个第二输出波导，其中一个第二输出波导45与第三端口Port3相连接。1X2光开关的其中一个第一输出波导35与第二2X2多模干涉耦合器41在连接有第二输入波导44的一端相连接，另一个第一输出波导35同时也作为与第三2X2多模干涉耦合器42相连接的另一个第二输出波导。。与第三端口Port3相连接的其中一个第二输出波导45成L型，与第二2X2多模干涉耦合器41相连接的第一输出波导35的末端在水平面上呈往回弯曲180度后与其主体相平行的形状。
第一移相器36和第二移相器46设置于覆盖层3上且分别位于两个第一传输波导33和两个第二传输波导43的上方，当光信号经过传输波导时，第一移相器36和第二移相器46均基于热光效应，通过调整传输波导内光波的相位从而实现对光路的控制：1X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第一输出波导35中的任何一个；2X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第二输出波导中的任何一个。
作为优选，1X2光开关中，第一输入波导34连接到1X2多模干涉耦合器31一端的中间位置。根据需要，通过第一移相器36对第一传输波导33内光波相位的调整，1X2光开关能选择性的将一路光信号均匀或不均匀的分为两路光信号；同理，2X2光开关也能选择性的将一路光信号均匀或不均匀的分为两路光信号。
同时参见图2，此路由器的工作模式包括路由模式和广播模式两种。
在广播模式下，任意1个交换端口的数据均可以广播到另外2个交换端口。以图2(a)为例进行说明，图2(a)为路由器广播模式之一，即第一端口Port1的光信号广播到第二端口Port2和第三端口Port3，对应的光开关的工作状态为1X2光开关处于均分状态，2X2光开关处于交叉态，由第一端口Port1入射的光信号被1X2光开关均匀分成2路光信号后，进入到2X2光开关，此时2X2光开关的工作状态处于交叉态，2路光信号经2X2光开关交叉传导后分别到达指定端口即第二端口Port2、第三端口Port3。其余两个广播模式如图2(b)、图2(c)所述，分别为第二端口Port2的光信号广播到第一端口Port1和第三端口Port3、第三端口Port3的光信号广播到第二端口Port2和第一端口Port1。
在路由模式下，3个交换端口的任意2个交换端口之间均能实现数据交换和通信。以图2(d)为例进行说明，图2(d)为路由器的路由模式之一，即第一端口Port1和第二端口Port2相互链接，进行相互的数据交换和通信。其余两个工作模式如图2(e)、图2(f)所示，分别为第一端口Port1和第三端口Port3相互链接实现数据交换和通信、第二端口Port2和第三端口Port3相互链接实现数据交换和通信。
本实施例所提供的三端口路由器只要采用通常制作半导体器件的平面工艺过程及条件就可制成，其制备方法的实施方式有多种，在此以常见的SOI(silicon-on-insulator)材料为例，但决非仅限于此实施例。制作上述的基于平面光波导技术的三端口路由器的方法，包括如下步骤：
(1)提供一个基片，基片包括由下至上的衬底层1、绝缘层、绝缘层上硅层，绝缘层的下限制层厚度2微米、绝缘层上硅层厚度为220纳米；
(2)利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第一块光刻板上的图案到绝缘层上硅层上，刻蚀深度为160纳米，完成芯层2的制作，第一块光刻板上的图案对应于1X2光开关的第一输入波导34、1X2多模干涉耦合器31、两个第一传输波导33、第一2X2多模干涉耦合器32两个第一输出波导35、以及2X2光开关的第二输入波导44、第二2X2多模干涉耦合器41、两个第二传输波导43、第三2X2多模干涉耦合器42、第二输出波导45的制作；
(3)然后利用PECVD技术在绝缘层上硅层上溅射一层1.5微米厚的SiO2层作为覆盖层3；
(4)在覆盖层3上热蒸发一层金属Cr/Cu作为基片的上表面；
(5)然后利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第二块光刻板的图形到基片的表面上，完成移相器的制作，即可完成整个路由器的制作，第二块光刻板的图形对应于第一移相器36和第二移相器46的制作。
其中，选取移相器的工作原理基于热光效应,只要是可以改变光波相位的任何方式都可以被采用，但绝非仅限于此实施例。
本发明提供的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，利用1X2光开关和2X2光开关的链路组合来实现路由器的功能，仅仅使用两个光开关即可实现三个交换端口的互连，集成度高，结构紧凑，架构简单，功能多样。且其制备方法简单，在SOI基片上利用传统的半导体工艺即可完成，制作过程与微电子产业的CMOS工艺兼容，可以利用最先进的微电子产业的工艺平台进行此三端口路由器的研发和生产，制作成本低廉，便于大规模生产。其拥有2种工作模式，广播模式和路由模式。在路由模式下，3个交换端口的任意2个交换端口可以实现数据交换和通信；在广播模式下，1个交换端口的数据可以广播到另外2个交换端口，且仅需两个移相器即可控制其工作模式。此路由器工作频带宽且利于集成，在未来片上光集成和光交换领域有广泛的应用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：包括由下至上的衬底层、芯层和覆盖层，所述芯层上设有级联组合的一个1X2光开关和一个2X2光开关，所述1X2光开关的输入端口为第一端口，所述2X2光开关的其中一个输入端口和其中一个输出端口分别为第二端口和第三端口，所述第一端口、第二端口和第三端口分别位于所述路由器的侧面作为数据交换的3个交换端口，所述1X2光开关的两个输出端口分别与所述2X2光开关的另一个输入端口和另一个输出端口相连；所述路由器的工作模式包括路由模式和广播模式两种，在所述路由模式下，所述3个交换端口的任意2个交换端口之间均能实现数据交换和通信；在所述广播模式下，任意1个交换端口的数据均可以广播到另外2个交换端口；
所述1X2光开关包括一个1X2多模干涉耦合器、一个第一2X2多模干涉耦合器和第一移相器，所述1X2多模干涉耦合器的一端通过第一输入波导与所述第一端口相连接，所述1X2多模干涉耦合器另一端与所述第一2X2多模干涉耦合器一端之间通过两个相平行的第一传输波导相连接，所述第一2X2多模干涉耦合器另一端分别连接两个第一输出波导；所述2X2光开关包括第二移相器、两个级联的第二2X2多模干涉耦合器和第三2X2多模干涉耦合器，所述第二2X2多模干涉耦合器的一端通过第二输入波导与所述第二端口相连接，所述第二2X2多模干涉耦合器另一端与所述第三2X2多模干涉耦合器一端之间通过两个相平行的第二传输波导相连接，所述第三2X2多模干涉耦合器另一端分别连接两个第二输出波导，其中一个第二输出波导与所述第三端口相连接；所述1X2光开关的其中一个第一输出波导与所述第二2X2多模干涉耦合器在连接有第二输入波导的一端相连接，另一个第一输出波导同时也作为与所述第三2X2多模干涉耦合器相连接的另一个第二输出波导；所述第一移相器和第二移相器设置于所述覆盖层上且分别位于两个第一传输波导和两个第二传输波导的上方，当光信号经过传输波导时，所述第一移相器或第二移相器通过调整传输波导内光波的相位从而实现对光路的控制：所述1X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第一输出波导中的任何一个；所述2X2光开关能选择性的将一路光信号分为两路光信号或者切换至2个第二输出波导中的任何一个。
2.如权利要求1所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：所述1X2光开关中，所述第一输入波导连接到所述1X2多模干涉耦合器一端的中间位置，所述1X2光开关能选择性的将一路光信号均匀的分为两路光信号。
3.如权利要求2所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：所述2X2光开关能选择性的将一路光信号均匀的分为两路光信号。
4.如权利要求3所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：所述3个交换端口分别位于所述路由器的三个侧面。
5.如权利要求4所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：所述2X2光开关中与所述第三端口相连接的第二输出波导成L型。
6.如权利要求1至5任一所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器，其特征在于：与所述2X2光开关的第二2X2多模干涉耦合器相连接的第一输出波导的末端在水平面上呈往回弯曲180度后与其主体相平行的形状。
7.如权利要求6所述的一种基于平面光波导技术的三端口路由器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)提供一个基片，基片包括由下至上的衬底层、绝缘层、绝缘层上硅层，绝缘层的下限制层厚度2微米、绝缘层上硅层厚度为220纳米；(2)利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第一块光刻板上的图案到所述绝缘层上硅层上，刻蚀深度为160纳米，完成芯层的制作，所述第一块光刻板上的图案对应于所述1X2光开关的第一输入波导、1X2多模干涉耦合器、两个第一传输波导、第一2X2多模干涉耦合器两个第一输出波导、以及所述2X2光开关的第二输入波导、第二2X2多模干涉耦合器、两个第二传输波导、第三2X2多模干涉耦合器、第二输出波导的制作；(3)然后利用PECVD技术在所述绝缘层上硅层上溅射一层1.5微米厚的SiO2层作为所述覆盖层；(4)在所述覆盖层上热蒸发一层金属Cr/Cu作为所述基片的上表面；(5)然后利用光刻和湿法腐蚀或者干法刻蚀技术转移第二块光刻板的图形到所述基片的表面上，完成所述移相器的制作，即可完成整个路由器的制作，所述第二块光刻板的图形对应于所述第一移相器和第二移相器的制作。
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