CN112084653B - 片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台，包括分析基本光器件的传输损耗模型得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系；根据基本光器件中所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行所述MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果；调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据基本光器件图形化子模块对基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。本发明提供的片上光互连分析图形化方法，通过分析基本光器件的传输损耗与波导参数的关系，结合MATLAB与Lab VIEW两种软件，设计基于波导参数的基本光器件组合模型，为路由器级和网络级分析、评估提供更准确的参考，且具有快速、高效的性能评价特点。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台。
背景技术
随着集成电路的可集成密度越来越大，电片上网络在带宽、时延、可重用性以及可扩展性等方面的缺陷日益明显。片上光互连由于高带宽，低时延，低能耗等优势，被认为是一种很有前景的互连方式。因此，片上光互连(Photonic Interconnects on Chip，简称PIC)技术的研究也成为一大热点。插入损耗、串扰和功耗的研究对于片上光互连的性能评估非常重要。
片上光路由器是片上光互连的重要组成，可以实现本地节点与多个方向节点的数据路由，具有高带宽、低时延等优点。当前研究的热点主要是增加片上的节点数目来提高性能。但随着节点数目的扩大，一些问题也日益凸显，例如插入损耗、串扰以及功率等。插入损耗和串扰是评价片上光路由器性能的两个关键参数；高性能的片上光路由器，特别是低插入损耗和低串扰的路由器，是解决问题的关键，同时片上光路由器的插入损耗和串扰对片上光互连的可行性和可扩展性有着重要的影响。传统的评估方法忽略了直波导和弯曲波导所产生的损耗对片上路由器性能的影响。虽然直波导和弯曲波导对光信号造成的损耗相较于平行型交换单元(Parallel Switching Element，简称PSE)模型和交叉型交换单元(Crossing Switching Element，简称CSE)模型的损耗可以忽略，但随着片上光互连规模的扩大，片上光路由器数目增多，直波导和弯曲波导累积所造成的损耗也不能够被忽略。目前，传统的片上光互连评估方法主要有两种：第一种是在试验平台上进行制作和测量，有精确地仿真结果；第二种是利用仿真软件进行测量，通常将片上光器件的损耗、串扰设置成定值，通过片上光器件的组合来评估片上光互连的性能。
但是，上述第一种方法成本较高且花费较长时间，且由于设计参数的不同，不便于与其他器件进行比较；上述第二种方法忽略了器件间不同设计参数的影响，对于器件间设计参数不同的片上光路由器性能评估，将影响评估结果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种片上光互连分析图形化方法、装置、路由器及评估平台。
本发明的一个实施例提供了一种片上光互连分析图形化方法，包括以下步骤：
步骤1、获取基本光器件的传输损耗模型，并分析所述基本光器件的传输损耗模型得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系；
步骤2、根据基本光器件中所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行所述MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果；
步骤3、调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据所述基本光器件图形化子模块对所述基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤1中的基本光器件包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件。
在本发明的一个具体实施方式中，所述波导参数包括波导宽度、波导高度、波导弯曲半径、微环与波导间隙距离。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤2中根据基本光器件的所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，所述MATLAB脚本的输入端输入波导参数，所述MATLAB脚本的输出端输出基本光器件的损耗与串扰结果；
运行所述MATLAB脚本输出基本光器件的损耗与串扰结果于所述Lab VIEW。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤3中所述Lab VIEW包括若干基本光器件图形化子模块，每一所述基本光器件图形化子模块对应图形化处理不同基本光器件的损耗与串扰结果；
所述Lab VIEW接收所述MATLAB脚本输出的基本光器件的损耗与串扰结果，并通过调用LabVIEW中对应的基本光器件图形化子模块对所述基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤3中每个所述基本光器件图形化子模块包括前面板，所述前面板包括若干输入控件、若干输出控件和波形显示区域，通过所述若干输入控件输入波导参数，通过所述若干输出控件输出基本光器件的损耗与串扰结果，并通过所述波形显示区域图形显示基本光器件的损耗与串扰结果。
本发明的另一个实施例提供了一种片上光互连分析图形化装置，包括：
模型获取分析模块，用于分析基本光器件的传输损耗模型，根据分析结果得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系；
模型脚本编写及处理模块，用于根据基本光器件的所述耗与串扰数学模型编写对应的MATLAB脚本，并运行所述MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果；
模型图形化模块，用于调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据所述基本光器件图形化子模块对基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
本发明的另一个实施例提供了一种片上光互连分析图形化路由器，包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件中的至少一种基本光器件，且根据上述任一所述的上光互连分析图形化方法实现路由器中每个基本光器件的图形化，并调用Lab VIEW中的路由器图形化子模块实现路由器的损耗与串扰结果图形化显示。
本发明的再一个实施例提供了一种片上光互连分析图形化评估平台，包括若干上述所述的片上光互连分析图形化路由器，并调用Lab VIEW中的评估平台图形化子模块实现评估平台的损耗与串扰结果图形化显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的片上光互连分析图形化方法，通过分析基本光器件的传输损耗与波导参数的关系，结合MATLAB与Lab VIEW两种软件，设计基于波导参数的基本光器件组合模型，为路由器级和网络级设计提供更准确的参考，且具有快速、高效的性能评价特点。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中平行型交换单元器件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中交叉型交换单元器件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中直波导的MATLAB脚本编写的示意图；
图5a～图5d是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中四种基本光器件的图形化界面示意图；
图6是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化装置的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化路由器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化路由器的图形化界面示意图；
图9是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化评估平台的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化评估平台的图形化界面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
目前，在片上硅光互连研究领域已有的多个平台和模型中，基本光器件的插入损耗和串扰通常被设置为特定值，其很少考虑设计中波导参数的影响，因此评估结果也不是随波导参数的变化而变化、以及不能便捷地展示这种影响。基于上述存在的问题，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法的流程示意图，本实施例提出了一种片上光互连分析图形化方法，包括以下步骤：
步骤1、分析基本光器件的传输损耗模型得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系。
具体而言，本实施例首先获取基本光器件的传输损耗模型，基本光器件包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元(PSE)器件、交叉型交换单元(CSE)器件，对应的传输损耗模型包括直波导的传输损耗模型、弯曲波导的传输损耗模型、平行型交换单元的传输损耗模型、交叉型交换单元的传输损耗模型。其中，
本实施例直波导器件主要考虑的是表面散射损耗，具体直波导器件的传输损耗模型表达式可以表示为:
其中，α表示直波导器件的传输损耗，σ2表示直波导表面粗糙程度，用来表征直波导器件的真实平面与理想光滑平面在垂直方向上的偏差程度，g(V)表示U、V、W的函数U表示归一化横向相位参数/>V表示归一化工作频率W表示归一化横向衰减参数/>归一化横向相位参数U、归一化工作频率V、归一化横向衰减参数W皆与波导参数有关，fe(x,γ)表示光谱密度函数的积分/>x表示归一化长度/>Lc表示横向粗糙度(表面起伏的横向宽度)，γ表示波导的引导能力/>k0表示自由空间波数/>n1表示内芯的折射率，n2表示包层的折射率，λ表示自由空间波长，d表示波导宽度，波导的传输参数/>其中，kx和ky分别表示x和y方向上的波向量，波向量/>和波向量/>其中/>h表示波导高度。
从公式(1)可知，与直波导器件的传输损耗模型相关的波导参数包括波导宽度d、波导高度h。而且本实施例通过仿真验证，也证实了直波导器件的传输损耗受波导宽度d、波导高度h影响，其中，直波导器件的传输损耗与波导宽度d、波导高度h变化规律相反，即波导宽度d、波导高度h减小，直波导器件的传输损耗增加，波导宽度d、波导高度增大，直波导器件的传输损耗减小。
本实施例弯曲波导器件的传输损耗主要考虑弯曲辐射损耗LR和过渡损耗LT，具体弯曲波导器件的传输损耗模型表达式可以表示为：
Lbend＝LR+2LT↓
其中，Lbend表示弯曲波导器件的传输损耗，R表示波导弯曲半径，θ表示波导弯曲角度，ne表示波导有效折射率ω0表示模式宽度
g表示波导与微环之间间隙。
从公式(1)可知，与弯曲波导器件的传输损耗模型相关的波导参数包括波导宽度d、波导高度h、波导弯曲半径R和波导弯曲角度θ。而且本实施例通过仿真验证，证实了弯曲波导器件的传输损耗主要受波导宽度d、波导弯曲半径R影响，其中，弯曲波导器件的传输损耗与波导宽度d、波导弯曲半径R变化规律相反，即波导宽度d、波导弯曲半径R减小，弯曲波导器件的传输损耗增加，波导宽度d、波导弯曲半径R增加，弯曲波导器件的传输损耗减小。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中平行型交换单元器件的结构示意图，本实施例PSE器件由两个直波导器件和一个微环组成，且两个直波导器件相互平行，微环处于两个平行直波导器件正中央，和每个直波导器件保持相等的距离，具有对称性。该基本光器件有四个端口，分别定义为输入端(Input Port)、直通端(Through Port)、下载端(Drop Port)和上载端(Add Port)。平行型交换单元具有两种状态：ON State和OFF State，当输入光波长满足λsignal＝λOFF时，光从Through Port输出，此时为OFF State。在ON State下，输入光波长满足λsignal＝λON，此时微环发生谐振，此时光会被耦合进微环，光沿着微环从Drop Port输出。具体地，本实施例PSE器件的传输损耗模型表达式可以表示为：
其中，T表示PSE模型中Through Port的传输损耗，D表示PSE模型中Drop Port的传输损耗，φ表示PSE模型中的相移neff表示PSE模型中微环的有效折射率，t表示耦合区域的透射系数/>κ表示耦合区域的耦合系数/>B(x)表示曲率半径函数/>xE表示/>xO表示/>aE、γE表示在偶态模(even mode)情况下计算有效折射率的拟合指数曲线的一组参数，aO、γO表示在奇态模(odd mode)情况下计算有效折射率的拟合指数曲线的一组参数，这四个参数aE、γE、aO、γO的大小只与波长和波导的宽度和高度有关，与耦合区域尺寸无关，g表示微环与波导之间间隙。
从公式(3)可知，与PSE器件的传输损耗模型相关的波导参数包括：波导宽度d、波导高度h、波导弯曲半径R和微环与波导间隙g。而且本实施例通过仿真验证，证实了PSE器件的Drop端口传输损耗主要受波导宽度d、微环与波导间隙g影响，其中，PSE器件的传输损耗与波导宽度d、微环与波导间隙g规律一致，即波导宽度d、微环与波导间隙g减小，PSE器件的传输损耗减小；波导宽度d、微环与波导间隙g增加，PSE器件的传输损耗增加。
需要说明的是，本实施例PSE器件的结构不局限于图2所示，任何可以构建出PSE器件的传输损耗的器件，均可以作为本实施例的基本光器件。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中交叉型交换单元器件的结构示意图，本实施例CSE器件同样由两个波导和一个微环组成，两个波导相互垂直，微环位于波导交叉处，该基本光器件也有四个端口和两种状态，工作原理和PSE器件模型类似。不同之处在于：在波导交叉处，会产生额外的交叉损耗；由于结构的不对称性，来自输入端(Input Port)的光信号的功率传递函数不同于上载端(Add Port)的功率传递函数。具体地本实施例交叉型交换单元的传输损耗模型表达式可以表示为：
光信号从Input Port输入时，CSE模型中Through Port和Drop Port的传输损耗模型表达式可以表示为：
其中，Tinput表示光信号从Input Port输入时CSE模型中Through Port的传输损耗，Dinput表示光信号从Input Port输入时CSE模型中Drop Port的传输损耗，Lcross表示交叉波导损耗系数，Kcross表示交叉波导串扰系数，φ1、φ2分别表示CSE模型中的相移，φ1＝0.5πRβR，φ2＝1.5πRβR，βR表示微环波导的模式传播常数
光信号从上Add Port输入时，CSE模型中Through Port和Drop Port的传输损耗模型表达式可以表示为：
其中，Tadd表示光信号从上Add Port输入时CSE模型中Through Port的传输损耗，Dadd表示光信号从上Add Port输入时CSE模型中Drop Port的传输损耗。
从公式(4)、(5)可知，与交叉型交换单元的传输损耗模型相关的波导参数包括：波导宽度d、波导高度h、波导弯曲半径R和微环与波导间隙g。而且本实施例通过仿真验证，证实了CSE器件的Drop端口传输损耗主要受波导宽度d、微环与波导间隙g影响，其中，CSE器件的传输损耗与波导宽度d规律一致，即波导宽度d、微环与波导间隙g减小，CSE器件的传输损耗减小，波导宽度d、微环与波导间隙g增加，CSE器件的传输损耗增加。
需要说明的是，本实施例CSE器件的结构不局限于图3所示，任何可以构建出CSE器件的传输损耗的器件，均可以作为本实施例的基本光器件。
本实施例波导参数包括波导宽度、波导高度、波导弯曲角度、波导弯曲半径和波导间隙距离，具体波导参数根据基本光器件的传输损耗模型来确定。
步骤2、根据基本光器件中传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行MATLAB脚本得到基本光器件的传输损耗结果。
具体而言，本实施例通过步骤1对不同基本光器件的传输损耗模型进行分析，得到了每个基本光器件中传输损耗与波导参数的关系，比如直波导的传输损耗和波导宽度d、波导高度h相关，弯曲波导的传输损耗和波导宽度d、波导弯曲半径R相关，PSE器件的传输损耗、CSE器件的传输损耗均和波导宽度d、微环与波导间隙g相关，根据步骤1中的公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)确定了基本光器件的传输损耗与波导参数的关系。为了更加快速、精准地显示传输损耗情况，本实施例基于波导参数进行建模或仿真，建模或仿真中不仅包括PSE器件、CSE器件，而且还包括容易被忽略的直波导器件和弯曲波导器件，并且提出通过Lab VIEW软件实现基本光器件的传输损耗与波导参数的关系的图形化显示。LabVIEW作为一种强大的图形化编程语言，具有友好的界面，方便仪器连接控制和高效地网络通信，但在一些涉及复杂计算的领域Lab VIEW就有些力不从心，而MATLAB作为一种高效地工程计算语言，它将计算、可视化和编程集于一身，具有强大的计算、仿真和绘图能力，但其界面功能不如Lab VIEW强大。因此本实施例将MATLAB与Lab VIEW两者结合起来，充分利用两者的优点，以实现模型图形化和数学计算。具体地：
本实施例首先根据步骤1中各基本光器件的传输损耗模型编写对应的MATLAB脚本，MATLAB脚本完全是MATLAB中的M文件。运行时启动MATLAB，并在MATLAB中执行脚本内容，MATLAB脚本的输入端接收输入的波导参数，MATLAB脚本的输出端输出基本光器件的损耗与串扰结果，具体将MATLAB输出的基本光器件的损耗与串扰结果传输于Lab VIEW，实现MATLAB脚本和Lab VIEW的数据交互。比如：本实施例以直波导器件为例，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中MATLAB脚本编写的示意图，由图4可见，本实施例在MATLAB脚本中编写直波导器件的传输损耗实现，通过在MATLAB脚本的输入端输入与直波导器件传输损耗相关的波导参数——波导宽度d、波导高度h，运行MATLAB脚本，在MATLAB脚本中进行直波导器件的传输损耗计算得到直波导器件的损耗与串扰结果，从而通过MATLAB脚本的输出端将计算得到的直波导器件的损耗与串扰结果传输于LabVIEW。其中，MATLAB脚本可以独立于Lab VIEW的其他软件里实现，再将计算得到的基本光器件的损耗与串扰结果传输于Lab VIEW中进行显示，也可以集成于Lab VIEW中实现，设置好MATLAB脚本的输入、输出即可。
步骤3、调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据基本光器件图形化子模块对基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
具体而言，本实施例通过步骤2运行MATLAB脚本得到了基本光器件的损耗与串扰结果，由上述步骤1可知，不同的基本光器件中影响传输损耗的参数不同，因此，本实施例在Lab VIEW中创建了若干基本光器件图形化子模块，每个基本光器件图形化子模块对应图形化处理不同基本光器件的损耗与串扰结果，按照需求对其进行调用，即Lab VIEW接收MATLAB脚本输出的基本光器件的损耗与串扰结果，并调用Lab VIEW中对应基本光器件图形化子模块，通过调用的基本光器件图形化子模块实现基本光器件的损耗与串扰分析图形化显示。其中，本实施例步骤1介绍了四种基本光器件的损耗与串扰结果，则可以在Lab VIEW中创建四个基本光器件图形化子模块，四个基本光器件图形化子模块分别用于图形化显示直波导器件、弯曲波导器件、PSE器件和CSE器件的损耗与串扰结果。
本实施例调用的每个基本光器件图形化子模块包括前面板，前面板包括若干输入控件、若干输出控件和波形显示区域，通过若干输入控件输入波导参数，通过若干输出控件输出基本光器件的损耗与串扰结果，并通过波形显示区域图形显示基本光器件的损耗与串扰结果，请参见图5a～图5d，图5a～图5d是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化方法中四种基本光器件的图形化界面示意图。
以直波导器件为例：首先在Lab VIEW中创建直波导器件的图形化子模块，请再参见图5a，为了研究直波导器件的尺寸对传输损耗的影响，设置了多组直波导器件尺寸，本实施例以三组直波导器件的尺寸参数为例，前面板左侧设置了三组输入控件，每组输入控件包括波导宽度、波导高度和输入信号功率(默认输入信号功率为0dBm)的输入，右侧设置了三组输出控件和波形显示区域，每组输出控件包括运算结果、波长的输出，在波形显示区域中运算结果以纵坐标显示、波长以横坐标显示，最终输出直波导损耗与串扰结果的波形示意图。其中，本实施例输入信号功率统一默认设置为0dBm。
同理，请再参见图5b，本实施例弯曲波导器件有四个输入控件和两个输出控件，图形化子模块前面板左侧四个输入控件分别对应为波导宽度、波导高度、波导弯曲半径和输入信号功率的输入，右侧的输出控件分别对应为横坐标的波长与纵坐标的弯曲波导损耗与串扰结果的输出；请再参见图5c，PSE器件模型有五个输入控件和三个输出控件，图形化子模块前面板左侧的五个输入控件分别对应为波导宽度、波导高度、波导弯曲半径、微环与波导间隙和Input Port输入信号功率的输入，右侧的输出控件分别对应为横坐标波长、纵坐标Through Port损耗与串扰结果、Drop Port损耗与串扰结果的输出；请再参见图5d，CSE器件模型有六个输入控件和三个输出控件，图形化子模块前面板左侧的输入控件分别对应为波导宽度、波导高度、波导弯曲半径、微环与波导间隙、Input Port输入信号功率和AddPort输入信号功率的输入，右侧的三个输出控件分别为横坐标的波长、Through Port损耗与串扰结果、Drop Port损耗与串扰结果的输出。
综上所述，本实施例提出的片上光互连分析图形化方法，通过分析基本光器件的传输损耗与波导参数的关系，结合MATLAB与Lab VIEW两种软件，设计基于波导参数的基本光器件模型，为路由器级和网络级的评估提供相对准确的参考数据，且具有快速、高效的性能评价特点，有望应用于光互连集成器件以及芯片技术领域，将为集成光电子学在低功耗方向的评估提供一定的支撑。
需要说明的是，本实施例基本光器件的传输损耗模型也不局限于上述四种基本光器件模型，任何基本光器件只要能构建出传输损耗模型，明确基本光器件中传输损耗与波导参数的关系，就可以通过本实施例提出的片上光互连图形化方法进行快速、准确的传输损耗图形化显示。
实施例二
在上述实施例一的基础上，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化装置的结构示意图。本实施例提供了一种片上光互连分析图形化装置，该装置包括：
模型获取分析模块，用于获取基本光器件的传输损耗模型，并分析基本光器件的传输损耗模型，根据分析结果得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系。
具体而言，本实施例模型分析模块中基本光器件包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件；波导参数包括波导宽度、波导高度、波导弯曲半径、微环与波导间隙距离。
模型脚本编写及处理模块，用于根据基本光器件中传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果。
具体而言，本实施例模型脚本编写及处理模块中根据基本光器件的传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，MATLAB脚本的输入端输入波导参数，MATLAB脚本的输出端输出基本光器件的损耗与串扰结果；运行MATLAB脚本输出基本光器件的损耗与串扰结果于Lab VIEW。
模型图形化模块，用于调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据基本光器件图形化子模块对基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
具体而言，本实施例模型图形化调用模块中Lab VIEW包括若干基本光器件图形化子模块，每一基本光器件图形化子模块对应图形化处理不同基本光器件的损耗与串扰结果；Lab VIEW接收MATLAB脚本输出的基本光器件的损耗与串扰结果，并通过调用LabVIEW中对应的基本光器件图形化子模块对所述基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示；
本实施例模型图形化模块中每个基本光器件图形化子模块包括前面板，前面板包括若干输入控件、若干输出控件和波形显示区域，通过若干输入控件输入波导参数，通过若干输出控件输出基本光器件的损耗与串扰结果，并通过波形显示区域图形显示基本光器件的损耗与串扰结果。
本实施例提供的一种片上光互连分析图形化装置，可以执行上述片上光互连分析图形化方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
实施例三
在上述实施例二的基础上，请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化路由器的结构示意图。本实施例提供了一种片上光互连分析图形化路由器，该路由器包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件中的至少一种。
具体而言，本实施例路由器以图7示意结构为例，但不局限于图7示意的结构设计。由图7可见，本实施例路由器由直波导器件、弯曲波导器件和CSE器件组成，该路由器包括五个端口West Port、East Port、South Port、North Port和IP Core，每个端口都有一个输入端口和输出端口，控制着光信号的输入输出方向。当光信号从输入端口向输出端口传播时，这条路径上有的CSE器件处于ON State，而有的CSE器件处于OFF State。经过ON State的CSE器件模型的信号功率不会百分之百进入Drop Port，同样，经过OFF State的CSE器件模型的信号功率不会百分之百进入Through Port。因此，泄露出来的功率会进入到非目标端口，对非目标端口造成串扰；对于目标端口的输出功率，除了来自于原输入端口的信号功率之外，还有其他路径泄露的信号功率对目标输出端口所造成的串扰。由图7建立本实施例路由器的传输损耗的模型，路由器的传输损耗的模型表达式表示为：
其中，Li,j表示由路由器的i端口输入，j端口输出的功率损耗，N表示路由器的端口数目，本实施例中N＝5,i和j分别表示路由器输入端口编号和输出端口编号，且两者不能同时相等，LI-＞T表示CSE器件模型中从Input Port输入、Through Port输出的功率损耗，LI-＞D表示CSE器件模型中从Input Port输入、Drop Port输出的功率损耗，LA-＞D表示表示CSE器件模型中从Add Port输入、Drop Port输出的功率损耗，Lb表示弯曲波导器件的功率损耗，Ls表示直波导器件的损耗功率。
比如本实施例编码端口East Port为1、North Port为2、West Port为3、SouthPort为4、IP Core Port为0，以起点为West Port，终点为East Port为例，考虑终点EastPort所受到的串扰信号功率，按照West Port到East Port的路径分析，此时路由器的传输损耗表达式可以表示为：
Teast＝L3,1＝LI-＞T 2LA-＞D 2LI-＞DLbLs (6)
同理，光信号从West Port出发，到达South Port、North Port以及IP Core Port的传输损耗表达式表示为：
Tsouth＝L3,4＝LI-＞DLs (7)
Tnorth＝L3,2＝LI-＞T 3LA-＞D 3LbLs (8)
TIP＝L3,0＝LI-＞TLA-＞DLI-＞DLsLb (9)
光信号从West Port输入，通过公式(6)、公式(7)、公式(8)和公式(9)可以得到路由器其他各个端口功率输出情况。
本实施例在路由器图形化显示中分别调用Lab VIEW中创建的直波导器件图形化子模块、弯曲波导器件图形化子模块和交叉型交换单元器件图形化子模块。为便于对路由器进行图形化，本实施例对上述图形化子模块进行优化，在CSE器件模型的输入控制件处额外添加一个波导有效折射率的输入端口，用来控制CSE器件模型的ON/OFF State切换，考虑到单个基本光器件图形化时的方便性，分别将波导参数保留在各基本光器件图形化子模块里进行设置，用优化后的基本光器件图形化子模块来搭建路由器，按照图7所示的路由器示意图来摆放各基本光器件图形化子模块，并按照光信号的传输路径来连接。在Lab VIEW中创建路由器图形化子模块，不单独引出输入控制件，本实施例路由器图形化子模块输入控制件只留下输入信号功率端口、输出控件只留下输出信号功率端口，最终以路由器图形化子模块进行图形化显示。
请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化路由器的图形化界面示意图，本实施例路由器图形化子模块包括五个输入控件和六个输出控件，五个输入控件对应分别为West、East、South、North、IP端口输入信号功率的输入，六个输出控件对应分别为横坐标的波长与纵坐标的路由器各个端口输出信号功率的输出。比如以WestPort为起点，以East Port为终点，当光波长在1500nm附近时，此时光信号大部分功率进入到East Port，同时在该波长下可以得到其他South Port、North Port和IP Core三个端口所受到的串扰损耗。根据每一条路径上所经历的直波导器件、弯曲波导器件、CSE器件数目进行建模。其中，具体采用实施例一所述的光互连分析图形化方法分别实现各直波导器件图形化子模块、弯曲波导器件图形化子模块和CSE器件图形化子模块的图形化显示，用搭建的各基本光器件图形化子模块搭建路由器图形化子模块，从而调用Lab VIEW中的路由器图形化子模块输出该路由器的损耗与串扰结果。
本实施例提供的一种片上光互连分析图形化路由器，可以执行上述片上光互连分析图形化方法实施例和上述片上光互连分析图形化装置实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
实施例四
在上述实施例三的基础上，请参见图9，图9是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化评估平台的结构示意图。本实施例提供了一种片上光互连分析图形化评估平台，该评估平台包括若干实施例三所述的片上光互连分析图形化路由器。
具体而言，本实施例评估平台以图9为例，但不局限于图9的结构设计。由图9可知，本实施例以上述实施例三所述的路由器为模块，搭建一个2×2规模的片上光互连网络，片上路由器包括路由器1、路由器2、路由器3、路由器4，虚线表示光信号路径，从IP Core(1,1)出发，进入路由器1，从East Port出来，进入路由器2的West Port，从South Port出来，进入路由器4的North Port，再从West Port出来，进入路由器3的East Port，最后进入到IPCore(2,1)。本实施例将各路由器图形化结果封装于评估平台图形化子模块，用来搭建片上光互连用于对网络级的传输损耗进行仿真评估。请参见图10，图10是本发明实施例提供的一种片上光互连分析图形化评估平台的图形化界面示意图，本实施例在Lab VIEW中创建评估平台图形化子模块，基于上述实施例三在Lab VIEW中实现了路由器的图形化，用上述实施例三搭建的路由器作为图形化子模块搭建2×2网络级评估平台图形化子模块，由图10可知，本实施例评估平台图形化子模块包括四个输入控件和两个输出控件，四个输入控件对应分别为IP Core(1,1)、IP Core(1,2)、IP Core(2,1)、IP Core(2,2)端口输入信号功率的输入，两个输出控件对应分别为横坐标的波长与纵坐标的评估平台的损耗与串扰结果的输出，对网络级的传输损耗与串扰结果进行仿真评估，从而通过调用Lab VIEW中的评估平台图形化子模块输出整个评估平台的损耗与串扰结果。
本实施例提供的片上光互连分析图形化评估平台，可以执行上述片上光互连分析图形化方法实施例、上述片上光互连分析图形化装置实施例和上述片上光互连分析图形化路由器实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种片上光互连分析图形化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取基本光器件的传输损耗模型，并分析所述基本光器件的传输损耗模型得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系；
步骤2、根据基本光器件中所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行所述MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果；
步骤3、调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据所述基本光器件图形化子模块对所述基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示；
步骤1中的基本光器件包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件，所述基本光器件的传输损耗模型包括直波导的传输损耗模型、弯曲波导的传输损耗模型、平行型交换单元的传输损耗模型、交叉型交换单元的传输损耗模型；其中，
所述直波导的传输损耗模型表示为：
式中，α表示所述直波导器件的传输损耗，σ2表示所述直波导器件表面的粗糙程度，函数U表示归一化横向相位参数，V表示归一化工作频率，W表示归一化横向衰减参数，fe(x,γ)表示光谱密度函数的积分，/>x表示归一化长度，/>Lc表示所述直波导器件表面起伏的横向宽度，γ表示所述直波导器件的引导能力，k0表示自由空间波数，n1表示内芯的折射率，d表示所述直波导器件的宽度，h表示所述直波导器件的高度；
所述弯曲波导的传输损耗模型表示为：
Lbend＝LR+2LT；
其中，
式中，Lbend表示所述弯曲波导器件的传输损耗，R表示所述弯曲波导器件的弯曲半径，θ表示所述弯曲波导器件的弯曲角度，ne表示所述弯曲波导器件的有效折射率，ω0表示模式宽度，g1表示所述弯曲波导器件与微环之间的间隙，n2表示包层的折射率；
所述平行型交换单元的传输损耗模型表示为：
式中，T表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中直通端的传输损耗，D表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中下载端的传输损耗，φ表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中的相移，t表示耦合区域的透射系数，κ表示耦合区域的耦合系数；
所述交叉型交换单元的传输损耗模型表示为：
其中，Tinput表示光信号从输入端输入时所述交叉型交换单元的传输损耗模型中直通端的传输损耗，Dinput表示光信号从输入端输入时所述交叉型交换单元的传输损耗模型中下载端的传输损耗，Lcross表示所述交叉型交换单元器件的损耗系数，Kcross表示所述交叉型交换单元器件的串扰系数，φ1、φ2分别表示所述交叉型交换单元的传输损耗模型中的相移，βR表示微环波导的模式传播常数。
2.根据权利要求1所述的片上光互连分析图形化方法，其特征在于，所述波导参数包括波导宽度、波导高度、波导弯曲半径、微环与波导间隙距离。
3.根据权利要求1所述的片上光互连分析图形化方法，其特征在于，步骤2中根据基本光器件的所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，所述MATLAB脚本的输入端输入波导参数，所述MATLAB脚本的输出端输出基本光器件的损耗与串扰结果；
运行所述MATLAB脚本输出基本光器件的损耗与串扰结果于所述Lab VIEW。
4.根据权利要求1所述的片上光互连分析图形化方法，其特征在于，步骤3中所述LabVIEW包括若干基本光器件图形化子模块，每一所述基本光器件图形化子模块对应图形化处理不同基本光器件的损耗与串扰结果；
所述Lab VIEW接收所述MATLAB脚本输出的基本光器件的损耗与串扰结果，并通过调用LabVIEW中对应的基本光器件图形化子模块对所述基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示。
5.根据权利要求1所述的片上光互连分析图形化方法，其特征在于，步骤3中每个所述基本光器件图形化子模块包括前面板，所述前面板包括若干输入控件、若干输出控件和波形显示区域，通过所述若干输入控件输入波导参数，通过所述若干输出控件输出基本光器件的损耗与串扰结果，并通过所述波形显示区域图形显示基本光器件的损耗与串扰结果。
6.一种片上光互连分析图形化装置，其特征在于，包括：
模型获取分析模块，用于获取基本光器件的传输损耗模型，并分析所述基本光器件的传输损耗模型，根据分析结果得到基本光器件中传输损耗与波导参数的关系；
模型脚本编写及处理模块，用于根据基本光器件中所述传输损耗与波导参数的关系编写对应的MATLAB脚本，并运行所述MATLAB脚本得到基本光器件的损耗与串扰结果；
模型图形化模块，用于调用Lab VIEW中的基本光器件图形化子模块，根据所述基本光器件图形化子模块对基本光器件的损耗与串扰结果图形化显示；
所述基本光器件包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件，所述基本光器件的传输损耗模型包括直波导的传输损耗模型、弯曲波导的传输损耗模型、平行型交换单元的传输损耗模型、交叉型交换单元的传输损耗模型；其中，
所述直波导的传输损耗模型表示为：
式中，α表示所述直波导器件的传输损耗，σ2表示所述直波导器件表面的粗糙程度，函数U表示归一化横向相位参数，V表示归一化工作频率，W表示归一化横向衰减参数，fe(x,γ)表示光谱密度函数的积分，/>x表示归一化长度，/>Lc表示所述直波导器件表面起伏的横向宽度，γ表示所述直波导器件的引导能力，k0表示自由空间波数，n1表示内芯的折射率，d表示所述直波导器件的宽度，h表示所述直波导器件的高度；
所述弯曲波导的传输损耗模型表示为：
Lbend＝LR+2LT；
其中，
式中，Lbend表示所述弯曲波导器件的传输损耗，R表示所述弯曲波导器件的弯曲半径，θ表示所述弯曲波导器件的弯曲角度，ne表示所述弯曲波导器件的有效折射率，ω0表示模式宽度，g1表示所述弯曲波导器件与微环之间的间隙，n2表示包层的折射率；
所述平行型交换单元的传输损耗模型表示为：
式中，T表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中直通端的传输损耗，D表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中下载端的传输损耗，φ表示所述平行型交换单元的传输损耗模型中的相移，t表示耦合区域的透射系数，κ表示耦合区域的耦合系数；
所述交叉型交换单元的传输损耗模型表示为：
其中，Tinput表示光信号从输入端输入时所述交叉型交换单元的传输损耗模型中直通端的传输损耗，Dinput表示光信号从输入端输入时所述交叉型交换单元的传输损耗模型中下载端的传输损耗，Lcross表示所述交叉型交换单元器件的损耗系数，Kcross表示所述交叉型交换单元器件的串扰系数，φ1、φ2分别表示所述交叉型交换单元的传输损耗模型中的相移，φ1＝0.5πRβR，φ2＝1.5πRβR，βR表示微环波导的模式传播常数。
7.一种片上光互连分析图形化路由器，其特征在于，包括直波导器件、弯曲波导器件、平行型交换单元器件、交叉型交换单元器件中的至少一种基本光器件，且根据权利要求1～5任一所述的片上光互连分析图形化方法实现路由器中每个基本光器件的图形化，并调用Lab VIEW中的路由器图形化子模块实现路由器的损耗与串扰结果图形化显示。
8.一种片上光互连分析图形化评估平台，其特征在于，包括若干权利要求7所述的片上光互连分析图形化路由器，并调用Lab VIEW中的评估平台图形化子模块实现评估平台的损耗与串扰结果图形化显示。
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