CN114994835B - 一种全混洗片上光网络及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全混洗片上光网络及设计方法，包括以下步骤，采用分段优化法优化基本光交换器件的第一优化区，得到超紧凑、超低插损的左混洗变换器件或左逆混洗变换器件；采用直接二进制搜索对2×2光开关的第二优化区进行探索寻优，得到第二优化区内非晶态和晶态Sb₂Se₃的分布；将四个2×2光开关做为一级光开关，相邻的两级光开关通过基本光交换器件连接，组成一个可重排、无阻塞的片上光网络；本发明提供的全混洗片上光网络尺寸远比现有的片上光网络小，插损也更小，并且是可重排无阻塞网络，具有高度的灵活性。

Description

一种全混洗片上光网络及设计方法

技术领域

本发明属于光通信技术技术领域，具体是涉及到一种全混洗片上光网络及设计方法。

背景技术

随着大数据，云计算的高速发展，大量的数据在不断的产生，传输和处理，迫切需要高速，高通量的交换网络。传统的电互联网络由于其有限的带宽和过高的功耗，已不能满足发展需求，而光互连网络因其宽宽带、低功耗、高密度、无电磁干扰、延时同时等特点越来越受到研究者的关注。而基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)平台的片上光网络(Optical network-on-chip,ONoC)由于其低功耗、高带宽、低时延、无电磁干扰、与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工艺兼容等特点，被认为是未来片上多核互连的主要发展方向。

目前实现ONoC的方案主要包括使用：

1)马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)，如Nakamura S,Yanagimachi S,Takeshita H,et al.Compact and Low-Loss 8x8 Silicon PhotonicSwitch Module for Transponder Aggregators in CDC-ROADM Application[C]中，在12mm×14mm的尺寸下实现了8×8的Switch&select网络，其片上插入损耗和串扰分别为-4dB和-35dB；在Lu L,Zhao S,Zhou L,et al.16×16non-blocking silicon opticalswitch based on electro-optic Mach-Zehnder interferometers[J]中，实现了10.7mm×4.4mm的尺寸下实现了16×16的Benes网络，片上的插入损耗和串扰分别为-14dB和-10dB。

2)微环谐振器(micro-ring resonator，MRR)，在DasMahapatra P,Stabile R,Rohit A,et al.Optical crosspoint matrix using broadband resonant switches[J]中，实现了一个8×7的Cross-bar网络，其片上插入损耗和串扰分别为-22dB和-20dB。

3)阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)，在Pan Z,Fu S,Lu L,etal.On-chip cyclic-AWG-based 12×12silicon wavelength routing switches withminimized port-to-port insertion loss fluctuation[J]中，实现了2mm×2.8mm的尺寸下，用AWG实现了一个12×12的硅波长路由开关，模拟平均插入损耗为5.3dB。

由于现有技术(尺寸约为平方毫米量级)主要是基于MZI,MRR,AWG这类器件，而这类的尺寸通常都难以缩小，无法真正实现超紧凑结构；其所实现的片上光网络的片上插入损耗都比较大，还有进一步优化的空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种尺寸远比现有的片上光网络小，插损也更小，并且是可重排无阻塞网络，具有高度的灵活性的全混洗片上光网络及设计方法，

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种全混洗片上光网络，的设计方法，包括以下步骤：

优化基本光交换器件，设计基本光交换器件的初始结构，基本光交换器件的初始结构包括衬底和设于衬底上的顶层硅，顶层硅包括第一优化区，第一优化区的两侧分别连接有八个输入波导和八个输出波导，使用分段优化法对第一优化区进行优化，得到超紧凑、超低插损的左混洗变换器件或左逆混洗变换器件；

优化2×2光开关，设计2×2光开关的初始结构，2×2光开关的初始结构包括第二优化区，第二优化区两侧分别连接有两个输入波导和两个输出波导，第二优化区初始状态为非晶态的Sb₂Se₃，将第二优化区划分为N×M个第二像素点，每个第二像素点的状态为‘0’和‘1’，分别代表非晶态和晶态，使用直接二进制搜索对第二优化区进行探索寻优，得到第二优化区内非晶态和晶态Sb₂Se₃的分布；

将四个2×2光开关做为一级光开关，相邻的两级光开关通过基本光交换器件连接，组成一个可重排、无阻塞片的片上光网络。

可选的，所述分段优化法包括以下步骤：

步骤一，将第一优化区划分为X×Y个第一像素点，背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m，每个像素的介电常数值ε可以取区间[ε_b，ε_m]中任何值；

步骤二，介电常数灰度优化，求得当前情况下的全局梯度信息，需满足：

其中，第一优化区中的每个第一像素点的介电常数ε为背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m之间的任何一个值，FOM为关于电场E和介电常数ε的函数，(1)式中的右边第一项由伴随法可得，需满足：

其中，E^adj(ε)是伴随仿真得到的电场分布，E^fwd(ε)是前向仿真得到的电场分布，

(1)式的右边第二项可以通过回溯FOM的定义方式即可求得，

FOM＝∑T_ij (3)

其中T_ij代表从左边的输入波导i输入，右边的输出波导j输出的透过率，由此可得到全局梯度信息，再根据梯度信息对ε进行调整即可作为一次优化迭代，迭代到FOM值收敛；

步骤三，介电常数二值化，通过投影将选取的介电常数ε二值化到ε_b或ε_m，进行一次投影操作后，再进行优化迭代，用来恢复由于二值化带来的性能退化；

步骤四，直接二进制搜索对器件结构进一步优化，将像素点分别设为‘1’或‘0’，若FOM提升，则保留结构，若FOM不提升，则还原为原来的结构，一直迭代到算法结束。

可选的，步骤一中，所述背景为空气，ε_b＝1，所述材料为硅，ε_m＝3.48^2＝12.11，将其归一化，即每个像素的值为[0，1]中的任何值，每个像素的初始状态值为0.5。

可选的，步骤二中，两个迭代之间FOM变化小于10^-4时FOM值收敛。

可选的，步骤三中，进行一次投影操作后，再进行优化迭代的次数不超过20次。

可选的，步骤四中，将10×10个第一像素点作为在直接二进制搜索优化中新的像素点进行优化。

可选的，第一优化区的尺寸为8μm×8μm，第一优化区被划分为400×400个20nm×20nm尺寸的第一像素点；第二优化区的尺寸为3.12μm×1.57μm，第二优化区被划分为26×13个120nm×120nm尺寸的第二像素点。

本发明还提供一种全混洗片上光网络，利用如权利要求1-7中任意一项所述的全混洗片上光网络的设计方法生产制得，所述全混洗片上光网络包括八个输入端口和八个输出端口，所述八个输入端口通过多级互连的2×2光开关与八个输出端口连接，每级2×2光开关为四个，相邻两级2×2光开关通过基本光交换器件连接，所述基本光交换器件为左混洗变换器件或左逆混洗变换器件。

可选的，包括五级2×2光开关两个左混洗变换器件和两个左逆混洗变换器件，第一级2×2光开关与第二级2×2光开关、第二级2×2光开关与第三级2×2光开关均通过左逆混洗变换器件连接，第三级2×2光开关与第四级2×2光开关、第四级2×2光开关与第五级2×2光开关均通过左混洗变换器件连接。

可选的，所述输入端口的输入波长为1530-1565nm。。

本发明的有益效果是，本发明是基于逆向设计，先明确使用需求的尺寸，再使用分段优化法得到左混洗变换器件和左逆混洗变换器件，使用直接二进制搜索得到2×2光开关，将各个组成部分的设计尺寸大大缩小至平方微米量级，整个的片上光结构尺寸只有87.6μm×8μm，尺寸远比现有的片上光网络小；全混洗片上光网络的片上插入损耗最大为1.19dB，最小为0.86dB，整体插入损耗很低，且波动(最大插损和最小插损的差)很小，并且可重排无阻塞网络，具有高度的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的全混洗片上光网络的拓扑结构示意图；

图2为左混洗变换器件的拓扑结构、左逆混洗变换器件的拓扑结构和2×2光开关的示意图；

图3为第一优化区初始结和第二优化区的初始结构的示意图；

图4为左逆混洗变换器件的结构示意图和性能图；

图5为左混洗变换器件的结构示意图和性能图；

图6为2×2光开关的结构和性能图；

图7为全混洗片上光网络仿真的结果和光谱图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

本实施例提供的全混洗片上光网络包括多级互连的基本光交换器件和2×2光开关，基本光交换器件包括左逆混洗变换器件(LIPS)和左混洗变换器件(LPS)，拓扑结构如图1所示，由两级左逆混洗变换器件，两级左混洗变换器件和五级光开关组成，第一级2×2光开关与第二级2×2光开关、第二级2×2光开关与第三级2×2光开关均通过左逆混洗变换器件连接，第三级2×2光开关与第四级2×2光开关、第四级2×2光开关与第五级2×2光开关均通过左混洗变换器件连接，构成了一个尺寸仅为87.6μm×8μm的超紧凑，可重排无阻塞片上光互连网络。

八阶左混洗变换器件，八阶左逆混洗变换器件和2×2光开关的示意图如图2所示，图2(a)是左混洗变换器件的拓扑结构，当Input的信号序列为{1，2，3，4，5，6，7，8}时，Output的输出信号序列为{1，5，2，6，3，7，4，8}。图2(b)是左逆混洗变换器件的拓扑结构，当Input的信号序列为{1，2，3，4，5，6，7，8}时，Output的输出信号序列为{1，3，5，7，2，4，6，8}。图2(c)是2×2光开关的示意图，它有两种状态，直通和交叉，分别用‘0’和‘1’表示。

通过调控每个2×2光开关上的Sb₂Se₃在晶态和非晶态之间的相态转换，控制输入信号的输出路径，对输入的8个信号序列，可以产生8！种输出序列，这样的多级互联方式消除了路径冲突，并且对每一种路由选择的调控都有一定的简并度。在对信号的路径进行调控时，只需要对光开关进行调控，就可以得到不同的输出序列。对需要得到的不同输出序列，可以用二分图算法来确定每一级光开关的状态。

在本发明中，使用逆向设计对绝缘子上硅(SOI)平台上的左混洗变换器件、左逆混洗变换器件和2×2光开关进行设计。左混洗变换器件和左逆混洗变换器件使用了一种结合了伴随法和DBS方法的分阶段优化方法对其进行优化设计。

其中图3(a)为基本光交换器件的初始结构的示意图，左混洗变换器件、左逆混洗变换器件有相同的初始结构，都由八个输入波导、八个输出波导和一个8μm×8μm的第一优化区组成。将第一优化区划分为400×400个20nm×20nm的第一像素点，以使用一种结合了伴随法和DBS方法的分阶段优化方法对其进行优化，首先使用基于梯度优化的伴随法对初始结构进行优化，找到一个性能很好的参数组合，然后使用局部寻优能力极强的DBS方法对器件的结构进行进一步的探索寻优。

具体的，以左逆混洗变换器件为例，底层硅包括第一优化区和设于第一优化区外周的八个输入波导(IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7、IN8)和八个输出波导(OUT1、OUT2、OUT3、OUT4、OUT5、OUT6、OUT7、OUT8)，

左逆混洗变换器件分段优化包括以下步骤：

步骤一，将第一优化区划分为400×400个20nm×20nm的第一像素点，输入波导和输出波导宽度均为500nm，背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m，每个像素的介电常数值ε可以取区间[ε_b，ε_m]中任何值，在本实施例中，背景为空气，材料为硅，所以ε_b＝1，ε_m＝3.48^2＝12.11，将其归一化，即每个像素的值为[0，1]中的任何值，初始状态将每个像素的值设为0.5；

步骤二，介电常数灰度优化，优化目标函数FOM，

其中T_ij代表从左边的输入波导i输入，右边的输出波导j输出的透过率；

在此阶段，每个迭代的过程包括以下内容：

一次正向仿真得到的电场分布E^fwd(ε)和一次伴随仿真得到的电场分布E^adj(ε)；

根据两次仿真结果求得FOM关于介电常数ε的全局梯度，FOM可以看作关于电场和介电常数的函数，电场又和介电常数相关；需满足：

其中，第一优化区中的每个第一像素点的介电常数ε为背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m之间的任何一个值，FOM为关于电场E和介电常数ε的函数，(1)式中的右边第一项由伴随法可得，需满足：

其中，E^adj(ε)是伴随仿真得到的电场分布，E^fwd(ε)是前向仿真得到的电场分布，对(1)式的右边第二项可以通过回溯FOM的定义方式即可求得，由此可得到全局梯度信息，再根据梯度信息对ε进行调整即可作为一次优化迭代，在本实施例中，使用“L-BFGS-B”这种基于梯度的非线性优化方法来确定优化方向(每个像素的值变大还是变小，变化程度多少)，并以此修改每个像素的值；迭代到FOM值收敛(两个迭代之间FOM变化小于10^-4)。

FOM＝∑T_ij (3)

其中T_ij代表从左边的输入波导i输入，右边的输出波导j输出的透过率，由此可得到全局梯度信息，再根据梯度信息对ε进行调整即可作为一次优化迭代，迭代到FOM值收敛；

步骤三，介电常数二值化阶段，将介电常数ε二值化到εb或εm，使用的方法主要是投影。

在此阶段，优化目标函数FOM＝T₁₁+T₂₃+T₃₅+T₄₇+T₅₂+T₆₄+T₇₆+T₈₈，

介电常数二值化使用方法为投影：

其中，β为强度，η为二值化的中心点，投影过后，对每个像素的值会更偏向0或1，即二值化，但每次投影之后，破坏了原有参数组合，会导致性能器件退化，所以在每次投影操作后，会重复进行一次灰度优化，不止一个迭代，迭代次数为设置上限(20次)或FOM收敛。进行的目的是使器件性能恢复，但每个像素二值化的程度会略有降低。

β控制投影的强度，就整个过程而言，使β的值一直变大，会使设计参数ε整体更倾向于二值化，并且减少器件性能退化。直到设计参数ε二值化结束，性能退化不会太多。在此期间β的值会从1上升到1000(设置的最大值)。

步骤四，直接二进制搜索对器件结构进一步优化，将像素点分别设为‘1’或‘0’，若FOM提升，则保留结构，若FOM不提升，则还原为原来的结构，一直迭代到算法结束。

特别的，使用直接二进制搜索方法优化时，是将伴随法中的10×10个像素阵列视为一个新像素在DBS中进行优化。这样处理的原因是基于两个方面的考虑：1)计算资源和速度，若用原来的小像素，需要计算400×400＝160000次，改进之后，共有40×40＝1600个像素，对每个新像素为‘0’和‘1’分别计算一次，共1600×2＝3200次，大大节省了计算资源和时间；2)可制造性，若用原有的小像素进行计算，会导致产生一系列20nm×20nm的小单元，这些结构太小，不利于加工制造，改进后每个像素的尺寸为200nm×200nm，这对现有制造工艺而言是可以制造的。

经过这两个优化阶段后就能得到超紧凑，超低插损的左逆混洗变换器件；图4(a)为左逆混洗变换器件的结构示意图，深色是硅，白色是空气；图4(b)为左逆混洗变换器件的性能图，从图中可以看出其最大插入损耗为-0.26dB，最小插入损耗为0.1dB。

同理，优化目标函数FOM＝T₁₁+T₂₅+T₃₂+T₄₆+T₅₃+T₆₇+T₇₄+T₈₈，对第一优化区进行分段优化，就能得到超紧凑，超低插损的左混洗变换器件，图5(a)为左混洗变换器件的结构示意图，深色是硅，白色是空气；图5(b)为左混洗变换器件的性能图，从图中可以看出其最大插入损耗为-0.21dB，最小插入损耗为0.07dB。

光相变材料(O-PCMs)因为其相态改变能引起光学性质的变化，而且这种变化是非易失的、快速的。本实施例结合了Sb₂Se₃这种新型O-PCM来实现2×2光开关，通过调控Sb₂Se₃在晶态和非晶态之间的相态转换，实现直通和交叉两种状态。在1550nm时，Sb₂Se₃的晶态和非晶态的复折射率分别为4.050-i0和3.285-i0，消光系数均为0，这表明这两种状态都不会使光能量有额外的损耗，使得我们能设计出插入损耗更低的光子器件。

如图3(b)所示，在2×2光开关的设计中，第二优化区的尺寸为3.12μm×1.57μm，整个第二优化区初始状态为非晶态的Sb₂Se₃，将其划分为26×13个120nm×120nm尺寸的第二像素点，每个第二像素点的状态为‘0’和‘1’，分别代表非晶态和晶态；图3(b)中是使用直接二进制搜索优化之前的第二优化区的初始结构，第二像素点为随机的‘0’和‘1’。使用直接二进制搜索方法来对器件结构进行优化，依次翻转每一个第二像素点的状态(‘0’到‘1’或者‘1’到‘0’)，保留性能更好的结构，最后得出在第二优化区内符合设计目标的非晶态和晶态Sb₂Se₃分布。

图6是2×2光开关的结构和性能图；图6(a)和图6(d)分布是2×2光开关在直通和交叉状态下的结构。图6(b)和图6(e)则是直通和交叉状态下的插入损耗，可以看到，在整个1530-1565nm波段，插入损耗均低于-0.08dB；而图6(c)和图6(f)则是直通和交叉状态的串扰，其中直通状态的串扰最高为-28.24dB，交叉状态串扰最高为-33.06dB。

图7(a)是全混洗片上光网络整体仿真的结果，输入波长为1530-1565nm，对每个输入通道使用不同波长的光源，8个输入通道同时输入光，每一个开关的状态都是直通的状态的仿真结果，输入通道1-8的波长：1530-1532nm，1534-1536nm，1538-1540nm，1542-1544nm，1546-1548nm，1550-1552nm，1554-1556nm，1558-1560nm；7(b)为输出通道i的光谱图，从图中可以看出，插入损耗最大-1.19dB，最小-0.86dB，最大波动0.33dB，串扰最大约为-20dB；图7(c)为只有第三个通道输入时的光路图。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

优化基本光交换器件，设计基本光交换器件的初始结构，基本光交换器件的初始结构包括衬底和设于衬底上的顶层硅，顶层硅包括第一优化区，第一优化区的两侧分别连接有八个输入波导和八个输出波导，使用分段优化法对第一优化区进行优化，得到超紧凑、超低插损的左混洗变换器件或左逆混洗变换器件；

优化2×2光开关，设计2×2光开关的初始结构，2×2光开关的初始结构包括第二优化区，第二优化区两侧分别连接有两个输入波导和两个输出波导，第二优化区初始状态为非晶态的Sb₂Se₃，将第二优化区划分为N×M个第二像素点，每个第二像素点的状态为‘0’和‘1’，分别代表非晶态和晶态，使用直接二进制搜索对第二优化区进行探索寻优，得到第二优化区内非晶态和晶态Sb₂Se₃的分布；

将四个2×2光开关做为一级光开关，相邻的两级光开关通过基本光交换器件连接，组成一个可重排、无阻塞片的片上光网络；

所述分段优化法包括以下步骤：

步骤一，将第一优化区划分为X×Y个第一像素点，背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m，每个像素的介电常数值ε可以取区间[ε_b，ε_m]中任何值；

步骤二，介电常数灰度优化，求得当前情况下的全局梯度信息，需满足：

其中，第一优化区中的每个第一像素点的介电常数ε为背景介电常数ε_b和材料介电常数ε_m之间的任何一个值，FOM为关于电场E和介电常数ε的函数，(1)式中的右边第一项由伴随法可得，需满足：

其中，E^adj(ε)是伴随仿真得到的电场分布，E^fwd(ε)是前向仿真得到的电场分布，

(1)式的右边第二项可以通过回溯FOM的定义方式求得，

FOM＝∑T_ij (3)

其中T_ij代表从左边的输入波导i输入，右边的输出波导j输出的透过率，由此可得到全局梯度信息，再根据梯度信息对ε进行调整即可作为一次优化迭代，迭代到FOM值收敛；

步骤三，介电常数二值化，通过投影将选取的介电常数ε二值化到ε_b或ε_m，进行一次投影操作后，再进行优化迭代，用来恢复由于二值化带来的性能退化；

步骤四，直接二进制搜索对器件结构进一步优化，将像素点分别设为‘1’或‘0’，若FOM提升，则保留结构，若FOM不提升，则还原为原来的结构，一直迭代到算法结束。

2.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤一中，所述背景为空气，ε_b＝1，所述材料为硅，ε_m＝3.48^2＝12.11，将其归一化，即每个像素的值为[0，1]中的任何值，每个像素的初始状态值为0.5。

3.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤二中，两个迭代之间FOM变化小于10^-4时FOM值收敛。

4.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤三中，进行一次投影操作后，再进行优化迭代的次数不超过20次。

5.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：步骤四中，将10×10个第一像素点作为在直接二进制搜索优化中新的像素点进行优化。

6.如权利要求1所述的全混洗片上光网络的设计方法，其特征在于：第一优化区的尺寸为8μm×8μm，第一优化区被划分为400×400个20nm×20nm尺寸的第一像素点；第二优化区的尺寸为3.12μm×1.57μm，第二优化区被划分为26×13个120nm×120nm尺寸的第二像素点。

7.一种全混洗片上光网络，其特征在于：利用如权利要求1-6中任意一项所述的全混洗片上光网络的设计方法生产制得，所述全混洗片上光网络包括八个输入端口和八个输出端口，所述八个输入端口通过多级互连的2×2光开关与八个输出端口连接，每级2×2光开关为四个，相邻两级2×2光开关通过基本光交换器件连接，所述基本光交换器件为左混洗变换器件或左逆混洗变换器件。

8.如权利要求7所述的全混洗片上光网络，其特征在于：包括五级2×2光开关、两个左混洗变换器件和两个左逆混洗变换器件，第一级2×2光开关与第二级2×2光开关、第二级2×2光开关与第三级2×2光开关均通过左逆混洗变换器件连接，第三级2×2光开关与第四级2×2光开关、第四级2×2光开关与第五级2×2光开关均通过左混洗变换器件连接。

9.如权利要求7所述的全混洗片上光网络，其特征在于：所述输入端口的输入波长为1530-1565nm。