CN110568560A - 一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光交换拓扑阵列芯片实现方法。该方法在设计交叉波导阵列时采用双层波导结构，通过层间耦合实现两层介质间的信号传输，并且两级光开关之间的每一条波导只经过一次耦合过程，因此具有均衡的损耗。由于采用双层波导结构，避免大规模阵列交叉波导的出现，且信号在传递过程中的损耗均衡性更好。
Description
技术领域
本发明涉及光通信网络中的大规模光交换网络芯片设计，具体涉及一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，目的拟应用于高性能计算机和数据中心的信息交换。
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。光交换是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，但是目前商用的光交换机主要基于光纤网络进行数据互连，体积庞大，而硅基器件具有与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。因此硅基光交换网络逐渐崭露头角，深受研究者们的关注。硅基光交换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。目前的网络主要有Spanke-Benes,Butterfly,Benes。Spanke-Benes的特点是无交叉结点，Butterfly是严格无阻塞结构，而Benes是可重构无阻塞交换网络中光开关单元随着端口数增加最缓慢的结构。目前最大规模的光交换网络是基于Benes结构的64端口网络，通过热光进行调节。当继续增加端口数量时，开关单元和交叉波导成对数或指数增加，带来较高的损耗和串扰，这也使得光交换网络的性能恶化。目前有文献提出使用多层材料耦合降低交叉波导引入的损耗问题，但是没有考虑到多层耦合使得每一路波导经历不同的耦合次数，因此更加剧了损耗的不均衡性。
发明内容：
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法。该方法可使信号在传递过程中损耗均衡性更好，器件性能更优。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，包括以下步骤，两层波导之间通过层间耦合实现光信号传递，同时两级开关单元阵列之间的每条波导在到达下一级光开关单元阵列前只经历一次层间耦合；所述的两层波导位于两层介质中。
上述技术方案中，进一步地，所述的两层介质的材料相同或不同。
进一步地，所述的两层波导之间设有隔离介质，隔离介质的折射率低于所述的两层介质的折射率。
进一步地，所述的光开关拓扑阵列包括多个交换模块，其中，位于对称中心的交换模块由光交换阵列以及与光交换阵列内部互连的交叉波导构成，其他的交换模块均包含光开关单元阵列以及与下一级或上一级光开关单元阵列相连的耦合波导阵列；
所述的光交换阵列是由若干列光开关单元阵列构成，每一列中光开关单元的数量相同；所述的内部互连的交叉波导由相邻开关单元相互连接得到，连接方式按照Benes结构的拓扑规则确定；所述的对称中心是根据Benes结构为左右对称的结构，对称轴为中线所在的位置；所述的光开关单元阵列是由光开关单元构成的阵列，光开关单元阵列全部位于同一层波导中；所述的耦合波导阵列采用两层波导结构，每层波导位于不同层介质中，所述的两层波导空间上相互交叉。
更进一步地，同一级数的光开关单元位于同一交换模块中。
进一步地，所述的光交换拓扑阵列的多个交换模块位于多个芯片上。
更进一步地，不同芯片间采用端面耦合或者垂直耦合方式进行封装。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法使得信号从一级光开关单元阵列输出到下一级光开关单元阵列前只经过一次层间耦合，因此在传递过程中损耗均衡性更好；
2.本发明的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法使得交叉波导阵列位于两层波导介质中，实质不产生交叉，能够有效降低损耗。
附图说明
图1是光开关单元示意图；
图2是基于Benes结构的具有均衡损耗的光开关拓扑阵列芯片交换模块位于不同芯片示意图；
图3是交叉波导阵列示意图；
图中，1代表第一级交换模块，2代表第二级交换模块，3代表第三级交换模块，4代表第四级交换模块，5代表第五级交换模块，6代表第六级交换模块，7代表第七级交换模块，8代表第二层波导，9代表第一层波导，10代表芯片间耦合，11代表硅层，12代表硅和氮化硅层间耦合区，13代表氮化硅层，14代表隔离介质二氧化硅层。
具体实施方式
本发明的一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，包括以下步骤，两层波导之间通过层间耦合实现光信号传递，同时两级开关单元阵列之间的每条波导在到达下一级光开关单元阵列前只经历一次层间耦合；所述的两层波导位于两层介质中。
所述的两层介质的材料相同或不同。所述的两层波导之间设有隔离介质，隔离介质的折射率低于所述的两层介质的折射率。
所述的光开关拓扑阵列包括多个交换模块，其中，位于对称中心的交换模块由光交换阵列以及与光交换阵列内部互连的交叉波导构成，其他的交换模块均包含光开关单元阵列以及与下一级或上一级光开关单元阵列相连的耦合波导阵列；所述的光交换阵列是由若干列光开关单元阵列构成，每一列中光开关单元的数量相同；所述的内部互连的交叉波导由相邻开关单元相互连接得到，连接方式按照Benes结构的拓扑规则确定；所述的对称中心是根据Benes结构为左右对称的结构，对称轴为中线所在的位置；所述的光开关单元阵列是由光开关单元构成的阵列，光开关单元阵列全部位于同一层波导中；所述的耦合波导阵列采用两层波导结构，每层波导位于不同层介质中，所述的两层波导空间上相互交叉。
同一级数的光开关单元位于同一交换模块中。所述的光交换拓扑阵列的多个交换模块位于多个芯片上。不同芯片间采用端面耦合或者垂直耦合方式进行封装。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1是光开关单元示意图，两个输入端口分别是I1和I2，以及两个输出端口O1和O2。
图2是是基于Benes结构的具有均衡损耗的光开关拓扑阵列芯片交换模块位于不同芯片示意图，可用于大规模光交换芯片的实现。由于Benes结构左右对称，因此划分得到的模块具有对称特点，每个模块位于一个芯片上，通过芯片间端面耦合垂直耦合方式耦合在一起。交换模块4由8组4×4光交换阵列构成，位于第一层波导9。为了使信号在两级光开关单元阵列之间传输时只经历一次层间耦合，设置芯片耦合发生在第二层波导8，与光开关单元阵列位于不同层，光开关单元阵列全部位于第一层波导9。交换模块4分别与交换模块3和交换模块5耦合在一起，交换模块3和5完全一致，包含16个2×2的光开关单元阵列以及与下一级(上一级)开关单元相连的4组耦合波导阵列。交换模块3和5分别与交换模块2和6耦合。交换模块2和6完全一致，包含16个2×2的光开关单元阵列以及与下一级(上一级)开关单元相连的2组交叉波导阵列。交换模块2和6分别与交换模块1和7耦合。交换模块1和7完全一致，包含16个2×2的光开关单元阵列以及与下一级(上一级)开关单元相连的1组耦合波导阵列。因此，光信号从光开关单元O1端口输出后，直接在第一层波导层9传输，到达芯片边缘时耦合到第二层波导层8中，并在第二层波导层8中与下一级芯片耦合连接。光信号从光开关单元O2端口输出时，通过层间耦合进入第二层波导层8中传输，到达芯片边缘时通过该层波导与下一级芯片耦合。因此每个从开关单元输出的信号传输到芯片边缘时只经历一次层间耦合，具有更均衡的传输损耗。同时交叉波导由于处在两层波导中，不存在实际的交叉，有效降低损耗。
图3为交叉波导阵列示意图。左图为交叉波导结构图，右上图为传输波导在氮化硅层13的剖面图，右下图为传输波导在硅层11传输的剖面图。输入可以分为两组，第一组在传输时均位于硅层11中，在到达输出端时经过层间耦合区12至氮化硅层13中。第二组波导会在发生交叉前经历硅和氮化硅层间耦合区12，耦合至氮化硅层13波导，最终在氮化硅层13波导中耦合至下一级芯片中。
Claims (7)
1.一种基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，两层波导之间通过层间耦合实现光信号传递，同时两级光开关单元之间的每条波导只经历一次层间耦合；所述的两层波导位于两层介质中。
2.根据权利要求1所述的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，所述的两层介质的材料相同或不同。
3.根据权利要求1所述的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，所述的两层波导之间设有隔离介质，隔离介质的折射率低于所述的两层介质的折射率。
4.根据权利要求1所述的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，所述的光开关拓扑阵列包括多个交换模块，位于对称中心的交换模块包括光交换阵列以及内部互连的交叉波导，其他的交换模块均包含光开关单元阵列以及与下一级或上一级光开关单元阵列相连的耦合波导阵列；
所述的光交换阵列是由若干列光开关单元阵列构成，每一列中光开关单元的数量相同；所述的光开关单元阵列是由光开关单元构成的阵列，光开关单元阵列全部位于同一层波导中；所述的内部互连的交叉波导由相邻开关单元相互连接得到，连接方式按照Benes结构的拓扑规则确定；所述的耦合波导阵列采用两层波导结构，每层波导位于不同层介质中，所述的两层波导空间上相互交叉。
5.根据权利要求4所述的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，同一级数的光开关单元位于同一交换模块中。
6.根据权利要求4所述的基于Benes结构且具有均衡损耗的大规模光开关拓扑阵列芯片实现方法，其特征在于，所述的光交换拓扑阵列的多个交换模块位于多个芯片上。
7.根据权利6要求所述一种大规模光开关拓扑阵列芯片的设计方法，其特征在于，不同芯片间采用端面耦合或者垂直耦合方式进行封装。
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