CN110568552B - 一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法，该设计方法包括以下步骤：将输入的波导分为n组，每组中存在m个波导，每组中的波导呈梳状且互不交叉；将波导进行重组，重组后得到的不同组波导位于不同层材料中，组与组之间相互交叉；最后，将不同层材料中的波导直接输出或经层间耦合后输出，不同层材料之间设置有隔离介质。本发明中的梳形交叉的两根或多根波导使用不同层传输介质，多层波导间通过波导模式耦合方式实现互连从而避免大规模交叉的产生，能够有效提高大规模阵列的性能。

Description

一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及光通信中的大规模光器件网络芯片设计，具体涉及一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法，目的拟应用于降低大规模阵列中由于大量波导交叉引起损耗。
背景技术
随着信息爆炸式增长，电互连网络的弊端日益凸显，带宽小，传输速度慢，易受干扰，串扰大，这些都使得基于电的传输网络遭遇瓶颈。而光传输具有电传输不可比拟的优势，如传输速度快，抗干扰能力强，带宽大。光互连中的重要组成之一，在高性能计算机和数据中心中发挥着重要作用。同时硅基器件具有与CMOS工艺兼容，具有集成度高，损耗小的优势，易于大规模集成，同时成本相对较低。因此硅基光互连网络逐渐崭露头角，深受研究者们的关注。硅基光互连网络可以通过硅的载流子色散效应或者热光效应对开关单元进行控制，从最初的2端口、4端口网络到16端口、32端口网络逐渐增长，网络拓扑结构也逐渐被优化。当继续增加端口数量时，光器件之间的互连会使得交叉点成对数或指数形式增加，给网络带来较高的损耗和串扰，这也使得光互连网络的性能降低。目前为了提高光互连网络的性能，有实验使用氮化硅波导代替硅波导，降低损耗，但同时因为氮化硅波导的热光系数只有硅的1/4，因此功耗会急剧增加。
发明内容
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法，该方法可降低大规模阵列中由于大量波导交叉引起损耗。
本发明采用的技术方案如下：
一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法，包括以下步骤：将输入波导分为n组，每组中存在m个波导，每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉；将波导进行重组，重组后每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉，将每组波导设置于不同层材料中；最后，将不同层材料中的波导直接输出或经层间耦合后输出，不同层材料之间设置有隔离介质。
上述技术方案中，进一步地，所述的波导经重组后的组数为m，n中的最小值，即当n为最小值时无需重组，当m为最小值时需重组波导。
进一步地，同层材料中的波导高度相同。
进一步地，所述的隔离介质为低折射率介质，所述的低折射率介质的折射率小于波导层材料。
进一步地，不同层的波导耦合时，选择一层波导宽度逐渐变窄，另一层波导宽度逐渐变宽的方式进行模式耦合。
进一步地，所述的不同层材料是相同材料或不同材料。
进一步地，所述的输入波导可以位于同层或不同层。
本发明提供了一种大规模阵列交叉波导重组分离结构，采用上述方法设计得到。
本发明中，输入的波导可以为同层或不同层，不同层波导可经过耦合再进行下一步操作；隔离介质的厚度直接影响两层之间的耦合效率，厚度越薄，耦合效率越高，隔离介质对两层波导中的信号串扰也有影响，厚度越厚，串扰越小；耦合区域的长度直接影响耦合效率。交叉波导阵列具有三维多层结构，避免两组之间的交叉结出现。层与层之间的通信通过模式耦合完成。
本发明具有的有益效果是：
本发明的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法能够有效避免交叉波导的产生，从而可提高大规模阵列的性能；使重组后的波导组数最小，从而可保证使用的材料层数最少。
附图说明
图1A是m>n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离输出时经过耦合从同层输出结构示意图，图1B是m>n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离输出时不经耦合从不同层输出结构示意图；图1C是m<n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离结构输出时经过耦合从不同层输出示意图；
图2A是m＝8，n＝2时且使用氮化硅和硅作为波导材料的实施例；图2B是m＝8，n＝2时且使用两层硅作为波导材料的实施例；
图3是m＝2，n＝8时且使用氮化硅和硅作为波导材料的实施例；
其中，4代表耦合区，8代表硅层，9代表氮化硅和硅耦合区，10代表氮化硅层，11代表二氧化硅层，12代表硅层，13代表硅和硅耦合区，14代表氮化硅层，15代表硅层，16代表氮化硅和硅耦合区。
具体实施方式
本发明的一种大规模阵列交叉波导重组分离结构及其设计方法，包括以下步骤：将输入波导分为n组，每组中存在m个波导，每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉；将波导进行重组，重组后每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉，将每组波导设置于不同层材料中；最后，将不同层材料中的波导直接输出或经层间耦合后输出，不同层材料之间设置有隔离介质。
所述的波导经重组后的组数为m，n中的最小值，即当n为最小值时无需重组，当m为最小值时需重组波导。同层材料中的波导高度相同。所述的隔离介质为低折射率介质，所述的低折射率介质的折射率小于波导层材料。不同层的波导耦合时，选择一层波导宽度逐渐变窄，另一层波导宽度逐渐变宽的方式进行模式耦合。所述的不同层材料是相同材料或不同材料。所述的输入波导可以位于同层或不同层。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1A是m>n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离输出时经过耦合从同层输出结构。取m和n的最小值，即分为n组，采用n层波导结构，分别为第一层1A，第二层2A…第n层nA。第一层至第nA层波导均呈梳状向外扩展，在可能发生交叉之前通过耦合使每组波导进入相应的介质中，不同线形代表不同的波导层，使得原本会发生交叉的波导都位于不同层材料中，避免交叉波导出现。经过上述过程后不同层的波导再统一耦合到同一层中输出，则已经位于该层的波导不需要再经历一次耦合。
图1B是m>n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离输出时不经耦合从不同层输出结构。与图1A不同的是，经过空间交叉后，不再经历耦合至同一层输出，而是不经过耦合直接从不同层输出。
图1C是m<n时大规模阵列中多组输入梳形交叉波导重组分离输出时经过耦合从不同层输出结构。取m和n的最小值，即分为m组，采用m层波导结构。原始组别为1C,2C至mC,因为m<n,为了减小使用波导层数，将每组的第一根波导作为第一组，将每组第二根波导作为第二组，第m根波导作为第m组。经过重组分组后，每层波导均呈梳状向外扩展，第一层至第m层波导均呈梳状向外扩展，在可能发生交叉之前通过耦合使每组波导耦合进入相应的介质中，使得原本交叉的波导都位于不同层材料中，避免交叉。经过上述过程后不同层的波导可以随机耦合到一层介质中后输出。
图1中的A,B,C三张示意图的输入输出本质上是可交换的。
图2A是m＝8，n＝2时且使用氮化硅和硅作为波导材料的实施例。输入端即可分为2组，每组呈梳状输出，虚线波导位于硅层8，实线波导位于氮化硅层10。第一组在到达输出端口前始终位于虚线硅层8，在输出端经历耦合区9耦合至氮化硅层10输出，截面图如图2右上所示；第二组波导在初始即经历耦合区9耦合至氮化硅层10，截面图如图2右下所示，因此在可能发生交叉的位置两组交叉波导分别位于氮化硅层和硅层，避免交叉产生。最终两层信号均在氮化硅层10输出。硅和氮化硅之间的隔离介质为低折射率的二氧化硅11。
图2B是m＝8，n＝2时且使用两层硅作为波导材料的实施例。输入端即可分为2组，每组呈梳状输出，虚线波导位于硅层8，实线波导位于第二层硅层12，两层硅层之间通过低折射率的二氧化硅层11隔离。第一组在到达输出端口前始终位于虚线硅层8，在到达输出端时经历耦合区13耦合至硅层12输出，截面图如图3右上图所示；第二组波导在输入端时即经历耦合区13到达第二层硅层12，截面图如图3右下图所示。最终两层信号均在同一层波导中输出。因此在可能经历交叉的位置，原本交叉的两层波导因为双层波导设计而位于不同层中，避免了交叉产生。
图3是m＝2，n＝8时且使用氮化硅和硅作为波导材料的实施例。输入端明显可以分为8组，但是由于每组波导只有2个，因此通过重组将原来8组中每组第一个波导作为重组后的第一组，每组第二个波导作为重组后的第二组，因此共分为2组，每组呈梳状输出。第一组波导在输入端经过耦合区16耦合到氮化硅层14中，最终在氮化硅层14输出；第二组波导在到达输出前经过耦合区16耦合到氮化硅层14，最终在氮化硅层14输出。因此通过该种方式，使用最小的层数，避免交叉结的产生。

Claims (8)

1.一种大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：将输入波导分为n组，每组中存在m个波导，每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉；将波导进行重组，重组后每组中的波导呈梳状且互不交叉，组与组之间相互交叉，将每组波导设置于不同层材料中；最后，将不同层材料中的波导直接输出或经层间耦合后输出，不同层材料之间设置有隔离介质；
所述的波导经重组后的组数为m，n中的最小值，即当n为最小值时无需重组，当m为最小值时需重组波导；
所述的无需重组为：在输出端的每层波导结构中依然是输入端的同一组波导，所述的需重组为：在输出端将输入波导的每组中的波导进行重新组合，使其分别处于不同层波导中。
2.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，所述的波导经重组分离后的组数为m，n中的最小值。
3.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，同层材料中的波导高度相同。
4.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，所述的隔离介质的折射率小于波导层材料。
5.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，不同层的波导耦合时，选择一层波导宽度逐渐变窄，另一层波导宽度逐渐变宽的方式进行模式耦合。
6.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，所述的不同层材料是相同材料或不同材料。
7.根据权利要求1所述的大规模阵列交叉波导重组分离结构的设计方法，其特征在于，所述的输入波导位于同层或不同层。
8.一种大规模阵列交叉波导重组分离结构，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的方法设计得到。
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