CN111464891A - 一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，包括五个矩形MOS谐振器、四条直通光波导、四个输入口和四个输出口，第一端输入口到第二端输出口为第一光波导；第二端输入口到第一端输出口为第二光波导；第三端输入口到第四端输出口为第三光波导；第四端输入口到第三端输出口为第四光波导；利用MOS谐振器对特定波长的谐振特性，将MOS谐振器和光波导经过特定的组合连接，实现了具有四个双向端口的无阻塞路由交换功能的光电路由器，该路由器不仅大程度的精简了光电路由器的结构，提高了器件的利用率，减小了光路由器的面积和信号传输之间的干扰，降低了成本，而且降低了插入损耗和能耗，增强了光互连网络的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及光电路由器技术领域，尤其涉及一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器。
背景技术
高速集成电路技术中一个最大的难点就是集成电路的互连延迟效应及能耗问题。电子器件的微型化使得处理器的集成度越来越高，但同时也带来了器件间的通信问题，如时延变大，信噪比减少，传输效率等问题。尤其是在网络应用中，器件间传输的效率对系统的灵敏度有重要的影响。集成电路芯片主频的提高，芯片内部的短距离将变成相对的长距离，因此降低器件间的通信时延和信息传输效率具有重要的意义。目前传统的电互连技术因器件的精密度越来越高而暴露出许多问题，并逐渐展现出与当代器件不适应的情况，故而亟需一种可以缩短连接时延，响应速度更快的器件。
随着硅基光电子学的发展，关于硅基表面等离激元器件的研究与应用也越来越多，如硅基激光器、全等离子体回路等。表面等离激元在亚波长量级的器件中展现出了巨大的优势，关于波导、反射镜、合波器等的研究中也涉及到了表面等离激元的应用。此外，表面等离激元在光互连技术中也有一定的研究，并取得了初步的成果。如何处理好光交换网络中的信号传输是光互连技术的核心，对光互连技术应用在集成系统中的研究将意义重大。但是现有的光电路由器的结构复杂，器件的利用率低，降低了光互连网络的可扩展性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，旨在解决现有的光电路由器的结构复杂，器件的利用率低，光互连网络的可扩展性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，包括五个谐振器、四条光波导、四个输入口和四个输出口，第一端输入口到第二端输出口为第一光波导；第二端输入口到第一端输出口为第二光波导；第三端输入口到第四端输出口为第三光波导；第四端输入口到第三端输出口为第四光波导；
第一光波导的第一端输入口通过第一谐振器耦合后从第四光波导的第三输出口输出；第一光波导的第一端输入口通过第二谐振器耦合后从第三光波导的第四输出口输出；
第二光波导的第二端输入口通过第三谐振器耦合后从第四光波导的第三输出口输出；第二光波导的第二端输入口通过第四谐振器耦合后从第三光波导的第四输出口输出；
第三光波导的第三端输入口通过第五谐振器耦合后从第二光波导的第一输出口输出；第三光波导的第三端输入口通过第二谐振器耦合后从第一光波导的第二输出口输出；
第四光波导的第四端输入口通过第一谐振器耦合后从第一光波导的第二输出口输出；第四光波导的第四端输入口通过第三谐振器耦合后从第二光波导的第一输出口输出。
其中，五个所述谐振器为矩形MOS谐振器，所述矩形MOS谐振器包括从上到下依次排列的金属层、氧化层和半导体层，所述氧化层的材质为氧化铟锡。
其中，五个所述谐振器的谐振波长均相等。
其中，所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括壳体和隔离板，所述隔离板固定于所述壳体内，并将所述壳体分为上下相对的第一腔体和第二腔体，五个所述谐振器、四条所述光波导、四个所述输入口和四个所述输出口均固定于所述第二腔体内，所述隔离板具有通槽，所述通槽连通所述第一腔体和所述第二腔体。
其中，所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括围合件，所述围合件与所述隔离板固定连接，并位于所述第一腔体内，所述围合件的横截面积为梯形，且为中空结构，并与所述通槽连通。
其中，所述壳体具有通孔，所述通孔的数量为多个，多个所述通孔与所述第一腔体连通，且所述通孔与所述隔离板的垂直距离小于所述围合件与所述隔离板的垂直距离。
本发明的一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，包括五个矩形MOS谐振器、四条直通光波导、四个输入口和四个输出口。第一端输入口到第二端输出口为第一光波导；第二端输入口到第一端输出口为第二光波导；第三端输入口到第四端输出口为第三光波导；第四端输入口到第三端输出口为第四光波导；利用MOS谐振器对特定波长的谐振特性，将MOS谐振器和光波导经过特定的组合连接，实现了四个双向端口的无阻塞路由交换，该路由器不仅大程度的精简了光电路由器的结构，提高了器件的利用率，减小了光路由器的面积和信号传输之间的干扰，降低了成本，而且降低了插入损耗和能耗，增强了光互连网络的可扩展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明五个谐振器、四条光波导、四个输入口和四个输出口的结构示意图；
图2是谐振器“阻隔”状态示意图；
图3是谐振器“导通”状态示意图；
图4是壳体、隔离板和围合件的结构示意图；
图中：5-壳体、6-隔离板、7-围合件、51-第一腔体、52-第二腔体、53-通孔、61-通槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，包括五个矩形MOS谐振器、四条直通光波导、四个输入口和四个输出口。图1中数字小圆圈①-⑤分别代表5个MOS谐振器，数字1-4分别代表4个输入口，数字1’-4’分别代表4个输出口，实线代表波导管，带箭头的线条→代表信号传输方向。
第一端输入口1到第二端输出口2’为第一光波导；第二端输入口2到第一端输出口1’为第二光波导；第三端输入口3到第四端输出口4’为第三光波导；第四端输入口4到第三端输出口3’为第四光波导；
第一光波导的第一端输入口1与第四光波导的第三输出口3’通过第一谐振器耦合；第一光波导的第一端输入口1与第三光波导的第四输出口4’通过第二谐振器耦合；
第二光波导的第二端输入口2与第四光波导的第三输出口3’通过第三谐振器耦合；第二光波导的第二端输入口2与第三光波导的第四输出口4’通过第四谐振器耦合；
第三光波导的第三端输入口3与第二光波导的第一输出口1’通过第五谐振器耦合；第三光波导的第三端输入口3与第一光波导的第二输出口2’通过第二谐振器耦合；
第四光波导的第四端输入口4与第一光波导的第二输出口2’通过第一谐振器耦合；第四光波导的第四端输入口4与第二光波导的第一输出口1’通过第三谐振器耦合。四条光波导为直通光波导，五个所述谐振器为矩形MOS谐振器，也称为MOS波导带，与MRR相比，MOS波导带为矩形，工艺简单且精度也较好控制。所述矩形MOS谐振器包括从上到下依次排列的金属层、氧化层和半导体层，所述氧化层的材质为氧化铟锡。五个所述谐振器的谐振波长均相等，并具有相同大小的面积和结构以及相同的有效折射率。在MOS波导带中的金属-氧化层间加入偏置电压Vbias(0V＜Vbias＜3V)。此时MOS波导带中的ITO层将表现为金属态，对光信号具有反射作用，因此可以将信号阻挡在原波导管中，从而使信号沿着当前的波导管直通，如图2所示；而当偏置电压Vbias＝0V时，ITO层则表现为电介质，会与原波导管中特定频率的信号发生谐振，从而使信号跨过波导带传输到另一个波导管中，如图3所示。如图2所示，当MOS波导带中的金属和氧化层之间加入偏置电压Vbias时，信号从input端输入，在经过MOS波导带时，由于此时MOS波导带因加入了偏置电压而呈现出金属态，故而对信号具有反射的效果，从而使信号被阻隔在原波导管中，而后从output端输出，MOS谐振器的这一种状态被定义为“阻隔”。如图3所示，当MOS波导带的偏置电压Vbias＝0时，信号从input端输入，在经过MOS波导带时，由于此时MOS波导带并未添加偏置电压而呈现出电介质的性质，故而与信号发生谐振，使得信号可以从一个波导管中经过MOS波导带而进入到另一个波导管中，从另一个波导管的output端输出，MOS谐振器的这一种状态被定义为“导通”。光波导通过偏置电压控制路由信号动态配置，从而实现开关状态的切换。
下面介绍该交换网络的一种工作状态，所述第一谐振器和所述第四谐振器处于“导通”状态，其余所述谐振器处于“阻隔”状态。此时信号从不同端口进入时的情况如下：第一端输入口1→第三端输出口3’，第二端输入口2→第四端输出口4’，第三端输入口3→第一端输出口1’，第四端输入口4→第三端输出口3’。其中第三端输入口3→第一端输出口1’和第二端输入口2→第四端输出口4’这两条链路共用第四谐振器而并不造成干扰。第四端输入口4→第二端输出口2’和第一端输入口1→第三端输出口3’这两条链路共用所述第一谐振器而并不会造成干扰。由于谐振器的状态切换需要外加电压或者热调制，两条链路共用同一个谐振器能够降低功耗，本发明第一次用五个谐振器完成了四端口的无阻塞路由交换。
下面给出每条链路与谐振器的对应关系(表1)，波导表示光信号没有经过谐振器换路，而是沿着波导管直接通过。
| 第一端输入口→第二端输出口 | 波导 |
| 第一端输入口→第三端输出口 | 谐振器一 |
| 第一端输入口→第四端输出口 | 谐振器二 |
| 第二端输入口→第一端输出口 | 波导 |
| 第二端输入口→第三端输出口 | 谐振器三 |
| 第二端输入口→第四端输出口 | 谐振器四 |
| 第三端输入口→第一端输出口 | 谐振器五 |
| 第三端输入口→第二端输出口 | 谐振器二 |
| 第三端输入口→第四端输出口 | 波导 |
| 第四端输入口→第一端输出口 | 谐振器三 |
| 第四端输入口→第二端输出口 | 谐振器一 |
| 第四端输入口→第三端输出口 | 波导 |
表1每条链路与谐振器的对应关系
本发明利用MOS波导带对特定光波长的谐振特性，将谐振器和光波导巧妙组合，实现了四个双向端口的无阻塞路由交换。通过使用MOS波导带作为光电开关，实现同向平行换路功能，通过特定的结构使得所用谐振器的数量减少到了5个。这不仅大大简化了光电路由器的结构，提高了器件的利用率，减小了光电路由器的面积，降低了成本，而且还降低了插入损耗和能耗，增强了光互连网络的可扩展性。此外，用于制作基于MOS波导带的四端口无阻塞光电路由器中的氧化层材料是氧化铟锡薄膜(Indium-Tin-Oxide，ITO)，ITO薄膜在加入偏置电压后会展现出金属特性，可以将光信号阻隔开来。利用这一点，把光器件与CMOS技术相结合，将利于将该结构商业化。利用此四端口光电路由器，可以构建片上光互连网络架构，实现信号的高速传输和交换。
进一步的，请参阅图4，所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括壳体5和隔离板6，所述隔离板6固定于所述壳体5内，并将所述壳体5分为上下相对的第一腔体51和第二腔体52，五个所述谐振器、四条所述光波导、四个所述输入口和四个所述输出口均固定于所述第二腔体52内，所述隔离板6具有通槽61，所述通槽61连通所述第一腔体51和所述第二腔体52。
本实施方式中，所述隔离板6将所述壳体5分为两部分，光学器件位于所述第二腔体52，通过所述通槽61和所述第一腔体51增大空间，进行散热，提高所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器的使用寿命，同时又不影响光学器件的信号传输使用。
进一步的，所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括围合件7，所述围合件7与所述隔离板6固定连接，并位于所述第一腔体51内，所述围合件7的横截面积为梯形，且为中空结构，并与所述通槽61连通。所述壳体5具有通孔53，所述通孔53的数量为多个，多个所述通孔53与所述第一腔体51连通，且所述通孔53与所述隔离板6的垂直距离小于所述围合件7与所述隔离板6的垂直距离。
本实施方式中，所述围合件7和所述第一腔体51、所述第二腔体52连通，多个所述通孔53用于与外界空气连通进行散热。所述通孔53与所述隔离板6的垂直距离小于所述围合件7与所述隔离板6的垂直距离，即所述通孔53低于所述围合件7远离所述隔离板6的一侧，避免外界光线射入而进入所述第二腔体52影响光学器件的传输，同时提高散热效果。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
包括五个谐振器、四条光波导、四个输入口和四个输出口，第一端输入口到第二端输出口为第一光波导；第二端输入口到第一端输出口为第二光波导；第三端输入口到第四端输出口为第三光波导；第四端输入口到第三端输出口为第四光波导；
第一光波导的第一端输入口通过第一谐振器耦合后从第四光波导的第三输出口输出；第一光波导的第一端输入口通过第二谐振器耦合后从第三光波导的第四输出口输出；
第二光波导的第二端输入口通过第三谐振器耦合后从第四光波导的第三输出口输出；第二光波导的第二端输入口通过第四谐振器耦合后从第三光波导的第四输出口输出；
第三光波导的第三端输入口通过第五谐振器耦合后从第二光波导的第一输出口输出；第三光波导的第三端输入口通过第二谐振器耦合后从第一光波导的第二输出口输出；
第四光波导的第四端输入口通过第一谐振器耦合后从第一光波导的第二输出口输出；第四光波导的第四端输入口通过第三谐振器耦合后从第二光波导的第一输出口输出。
2.如权利要求1所述的基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
五个所述谐振器为矩形MOS谐振器，所述矩形MOS谐振器包括从上到下依次排列的金属层、氧化层和半导体层，所述氧化层的材料为氧化铟锡。
3.如权利要求2所述的基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
五个所述谐振器的谐振波长均相等。
4.如权利要求1所述的基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括壳体和隔离板，所述隔离板固定于所述壳体内，并将所述壳体分为上下相对的第一腔体和第二腔体，五个所述谐振器、四条所述光波导、四个所述输入口和四个所述输出口均固定于所述第二腔体内，所述隔离板具有通槽，所述通槽连通所述第一腔体和所述第二腔体。
5.如权利要求4所述的基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
所述基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器还包括围合件，所述围合件与所述隔离板固定连接，并位于所述第一腔体内，所述围合件的横截面积为梯形，且为中空结构，并与所述通槽连通。
6.如权利要求5所述的基于表面等离激元谐振器的四端口光电路由器，其特征在于，
所述壳体具有通孔，所述通孔的数量为多个，多个所述通孔与所述第一腔体连通，且所述通孔与所述隔离板的垂直距离小于所述围合件与所述隔离板的垂直距离。
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