CN108650187B - 一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器 - Google Patents

一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，包括四组串联双环谐振器和四个十字交叉结；四组串联双环谐振器之间相互通过波导连接，使得该波长选择路由器只有四个输入端口和四个输出端口，以便于级联扩展。每组串联双环谐振器由上下两条直波导及两条直波导之间的两个串联微环构成；每组串联双环谐振器的谐振波长通过微环的半径控制；当光信号通过直波导经过串联双环谐振器时，不同波长的光信号会被与之对应谐振波长的串联双环谐振器下载到指定的端口，从而实现四个端口双向无阻塞路由目的，同时，该路由器亦可作为广播模式路由器。

Description

一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器
技术领域
本发明涉及光交换网络，特别涉及一种基于串联双环谐振器的片上集成型4×4无阻塞波长选择路由器。
背景技术
通信容量的爆炸式增长使得人们对于通信带宽的需求越来越大，然而基于传统电学金属线实现的互连在时延、功耗和带宽方面遇到瓶颈。现如今计算机的进一步发展更是依赖于多核之间的并行处理，这就对电互连提出更苛刻的要求。与电互连相比，光互连具有大带宽、低延时和低功耗的优势，也因此片上的光网络系统成为可能替代电互连的关键技术方案。
片上光网络系统中，光学路由器是最核心的器件之一。其功能就是将输入到路由器的光信号送达特定的输出端口。对于多个输入和输出端口的光信号进行路由控制。目前硅基上光学路由器路由实现方式主要分两类：一种是基于可调开关实现的光学路由器；另一种是基于纯无源(波长选择)光学路由器。基于可调开关构建的光学路由器需要额外的功耗和开关时间来建立光学链路。这就必然会导致信号的延迟。另外，当光交换网络庞大时，开关建立所形成的功耗必然会导致整个系统的能耗增大，也会引起散热等问题。
由无源滤波器组成的波长选择光路由器所有的光学链路在设计时已经确定，对于特定的光学路径有着与之对应的固定工作波长。该类型光学路由器可以实时传递光信号，大大减小了整个系统的能耗。目前，利用单个微环谐振器实现的波长选择路由器需要经过多个十字交叉结，其在插损和串扰两个性能方面不具有优势；基于双环耦合交叉波导结构的光学路由器在系统的插损和串扰方面得到提升。但是该结构易于产生类似Fano线形的非对称谱线，谐振谱线的割裂使得光学带宽的利用率不高。
本发明利用串联双环滤波器作为基本的波长选择路由单元。由于串联双环具有较宽的滤波带宽，且没有频谱割裂现象，频谱利用率高；同时，串联双环滤波器的谐振态与非谐振态均无需经过十字交叉结，器件的损耗仅仅来自于下载端的本征插损，整个系统的插损大大减小。此外，串联双环的滤波谱线的边带光功率衰减极快，可以有效的改善光路由系统的串扰性能。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，利用串联双环的滤波特性，通过合理的组合实现四端口无阻塞路由，同时利用串联双环滤波谱线的周期性，所有自由频谱范围内的谐振波长均可被利用，器件的带宽得到增大，数据吞吐量激增。
本发明采用的技术方案如下：一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，包括四个输入端、四个输出端、四组串联双环谐振器和四个十字交叉结；
输入端和输出端之间通过波导连通；
每组串联双环谐振器由上下两条直波导及两条直波导之间的两个串联微环构成；
第一组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第一输入端所在的波导和第三输入端所在的波导构成，第二组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第三输入端所在的波导和第四输入端所在的波导构成，第三组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第一输入端所在的波导和第二输入端所在的波导构成，第四组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第二输入端所在的波导和第四输入端所在的波导构成；
第一组串联双环谐振器和第三组串联双环谐振器的输入端I具有十字交叉结，第二组串联双环谐振器和第四组串联双环谐振器的下载端D具有十字交叉结；
每组串联双环谐振器的谐振波长通过微环的半径控制；当光信号通过直波导经过串联双环谐振器时，不同波长的光信号会被与之对应谐振波长的串联双环谐振器下载到下载端D，从而实现四个端口双向无阻塞路由。
进一步地，四组串联双环谐振器具有不同的半径，以此来选定工作波长，但是每组串联双环谐振器中的两个微环的半径相同，以此来增大滤波器的带宽。
进一步地，串联双环谐振器设置为相同半径时，通过在波导上方设计热电极，通过硅材料的热光效应调节工作波长。
进一步地，通过设计串联双环谐振器的谐振波长实现对输入光信号的切换功能，从而将特定波长的输入光信号下载到特定的输出端口。
进一步地，四个输入端口和四个输出端口之间可以进行双向通信，并且是无阻塞路由通信，同一时刻输入端口和输出端口之间不同的链路能够同时工作；并且可以实现四个广播模式路由。
进一步地，输入端口和输出端口在空间上分布是集中在一起的，即所有输入端口在一侧，所有输出端口在另外一侧，这样的布局便于多个路由器的级联与扩展，以便于构建更大的无阻塞光路由系统。
进一步地，所述路由器采用CMOS工艺制作实现光电集成，从而实现片上集成型4×4波长选择路由器。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明提供的4×4波长选择无阻塞光路由器可以工作在九个非阻塞状态下，并且可以实现四个广播模式路由。
2.本发明中所使用的串联双环谐振器作为基本单元构建4×4波长选择路由器，可以避免谐振谱线的割裂现象，同时提供更大的滤波带宽，并且所有自由频谱范围内的谐振波长均可以被利用，系统的数据吞吐量增加；并且串联双环的插损小，器件的串扰性能也得到极大改善。
3.本发明中的器件均可以采用平面集成光波导工艺制作，与传统的CMOS工艺完美兼容，可实现片上集成型光学路由器；并且利用该4×4光学路由器作为基本光学交换单元，可以方便的级联多个路由器来构建更强大的片上光网络。
附图说明
图1是基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器的结构示意图；
图2a是串联双环谐振器处于非谐振状态(非工作波长)示意图；
图2b是串联双环谐振器处于谐振状态(工作波长)示意图；
图3是十字交叉波导结构示意图；
图4是串联双环谐振器直通端和下载端周期性滤波谱线示意图；
图5是基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器工作状态实例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器包括四组串联双环谐振器和四个十字交叉结，四组串联双环谐振器之间相互通过波导连接，使得该波长选择路由器只有四个输入端口和四个输出端口。每一个输入和输出之间通过两组串联双环谐振器。每组串联双环谐振器由上下两条直波导及两条直波导之间的两个串联微环构成；每组串联双环谐振器的谐振波长通过微环的半径确定，在设计之初已经确定。当光信号通过直波导经过串联双环谐振器时，不同波长的光信号会被与之对应谐振波长的串联双环谐振器下载到指定的端口，从而实现四个端口双向无阻塞路由目的。同一端口的输出和输出之间不需要相互连通，对信号的自发自收没有意义。
如图2a和2b所示，串联双环谐振器的谐振波长通过微环的半径来确定，串联双环谐振器中的两个微环的半径相同。当串联双环谐振器的一个输入端I有波长为λi光信号输入时，如果此波长不等于串联双环的谐振波长时(λi≠λr)，则输入到串联双环谐振器的光信号会被送达直通端T输出；如果此波长正好等于串联双环的谐振波长时(λi＝λr)，则输入到串联双环谐振器的光信号会被送达下载端D输出。这里需要注意的是，每一组串联双环谐振器的谐振波长都是不相同的，以此来实现对输入不同波长光信号的路由。但是为了简化设计，同时提高频谱利用率。第一组串联双环谐振器R1和第四组串联双环谐振器R4的半径可设置相同，其具有相同的谐振波长λ1；第二组串联双环谐振器R2和第三组串联双环谐振器R3的半径可设置相同，其具有相同的谐振波长λ2。
本发明中为了实现4×4路由空间上的对称性，便于以后的级联和扩展，需要使用十字交叉结将输入和输出端口进行重新布局。也因此十字交叉结的性能直接影响着整个器件的性能。如图3所示，本发明中使用的是基于多模干涉原理设计的十字交叉结，具有低插损、低串扰优势。通过合理的设计该十字交叉结多模区域的长度和宽度，以及渐变波导的长度可以获得高性能的十字交叉结。优选设计为：多模区域的长度9.1微米，宽度1.72微米，渐变波导的长度2.39微米，但不限于此；实验上我们获得插损约0.05dB，串扰小于-20dB的十字交叉结。
图4为基于串联双环谐振器的传输谱线。可以看出，串联双环谐振器的滤波谱线具有更大的带宽，同时谱线在谐振处没有频谱割裂现象。当光信号输出到该串联双环谐振器时，如果光信号的波长处于其谐振波长范围内，则光信号将从下载端输出；如果光信号的波长未处于谐振波长范围内时，光信号将从直通端输出。通过选取不同微环半径的串联双环谐振器便可获得不同谐振波长的单元。并且从谱线中我们可知，滤波谱线在谐振边缘处光功率衰减极快，有效的改善器件的串扰。
同一端口的输入和输出之间不需要相互连通，对信号的自发自收没有意义，所以对于本发明的4×4波长选择路由器共有九种非阻塞线路，并且可以实现四种广播模式路由，如表1所示。如图5所示，为了充分利用有限带宽，串联双环谐振器R1和R4的半径选取相同，谐振波长选取为λ1；串联双环谐振器R2和R3的半径选取相同但是不同于R1和R4，其对应的谐振波长为λ2。直通端的非谐振波长选取为λ3。该结构路由器也可以作为广播模式路由。当四个输入端口只有其中一个有输入光信号时，如果这时三个波长λ1、λ2和λ3的光信号同时从该输入端口输入时，会以广播形式送达对应的输出端口。
Figure BDA0001717213350000051
表1是基于串联双环4×4无阻塞波长选择路由器
以上所述仅为本发明的一个具体实施例而已，任何在此基础上做的细微修改、等同替换等均在本发明保护范围内，本发明不限于在说明中所述的具体实施例。

Claims (6)

1.一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：包括四个输入端、四个输出端、四组串联双环谐振器和四个十字交叉结；
输入端和输出端之间通过波导连通；
每组串联双环谐振器由上下两条直波导及两条直波导之间的两个串联微环构成；
第一组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第一输入端所在的波导和第三输入端所在的波导构成，第二组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第三输入端所在的波导和第四输入端所在的波导构成，第三组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第一输入端所在的波导和第二输入端所在的波导构成，第四组串联双环谐振器上下两条直波导分别由第二输入端所在的波导和第四输入端所在的波导构成；
第一组串联双环谐振器和第三组串联双环谐振器的输入端I具有十字交叉结，第二组串联双环谐振器和第四组串联双环谐振器的下载端D具有十字交叉结；
四组串联双环谐振器具有不同的半径，以此来选定工作波长，但是每组串联双环谐振器中的两个微环的半径相同，以此来增大滤波器的带宽；每组串联双环谐振器的谐振波长通过微环的半径控制；当光信号通过直波导经过串联双环谐振器时，不同波长的光信号会被与之对应谐振波长的串联双环谐振器下载到下载端D，从而实现四个端口双向无阻塞路由。
2.根据权利要求1所述的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：串联双环谐振器设置为相同半径时，通过在波导上方设计热电极，通过硅材料的热光效应调节工作波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：通过设计串联双环谐振器的谐振波长实现对输入光信号的切换功能，从而将特定波长的输入光信号下载到特定的输出端口。
4.根据权利要求1所述的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：四个输入端口和四个输出端口之间可以进行双向通信，并且是无阻塞路由通信，同一时刻输入端口和输出端口之间不同的链路能够同时工作；并且可以实现四个广播模式路由。
5.根据权利要求1所述的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：输入端口和输出端口在空间上分布是集中在一起的，即所有输入端口在一侧，所有输出端口在另外一侧，这样的布局便于多个路由器的级联与扩展，以便于构建更大的无阻塞光路由系统。
6.根据权利要求1所述的一种基于串联双环谐振器的4×4无阻塞波长选择路由器，其特征在于：所述路由器采用CMOS工艺制作实现光电集成，从而实现片上集成型4×4波长选择路由器。
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