專利名稱：基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到片上光互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)互連技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器。
背景技術(shù)：
硅基波導(dǎo)的芯層硅和包層二氧化硅具有較高的折射率差，使得硅基波導(dǎo)能夠?qū)⒐鈭?chǎng)限制在亞微米量級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的鈮酸鋰體系，基于硅基波導(dǎo)的器件具有較小的尺寸，加之其與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容，將硅基光子器件與電子器件混合集成到同一芯片上完成復(fù)雜的功能近年來(lái)成為人們研究的熱點(diǎn)。目前已經(jīng)有很多的硅基光子器件，如調(diào)制器，濾波器，可重構(gòu)差分復(fù)用器，邏輯器件等。微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)在1969年被Marcatili提出，限于當(dāng)時(shí)的制造工藝，一直沒(méi)有被人們所關(guān)注。直到近幾十年，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，人們又重新對(duì)微環(huán)諧振器進(jìn)行了深入而廣泛的研究，基于微環(huán)諧振器特別是硅基微環(huán)諧振器的器件如雨后春筍般的出現(xiàn)，像高速調(diào)制器，高速光開(kāi)關(guān)，濾波器等等。當(dāng)今的處理器正朝著多核心的方向發(fā)展，然而，隨著處理器核心數(shù)量的不斷增加， 主頻不斷升高，核與核之間通信需要的帶寬也不斷增加。傳統(tǒng)的電學(xué)互連功耗高，延時(shí)高， 信號(hào)失真大，帶寬受限，已經(jīng)不能適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，采用片上光互連網(wǎng)絡(luò)的方案有望能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題。路由器是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的核心器件，目前片上光學(xué)路由器有基于波長(zhǎng)選擇的波長(zhǎng)路由器，基于光開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)配置的路由器，前者的擴(kuò)展性較差，波長(zhǎng)數(shù)與通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比，需要的光源多，系統(tǒng)復(fù)雜，而基于光開(kāi)關(guān)的光學(xué)路由器具有較好的擴(kuò)展性。本發(fā)明正是利用微環(huán)諧振器的開(kāi)關(guān)特性，經(jīng)過(guò)合理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了 4端口的無(wú)阻塞光學(xué)路由器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，可以實(shí)現(xiàn)片上光互連網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處4個(gè)雙向端口的無(wú)阻塞的自由切換。同時(shí)經(jīng)過(guò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，降低了鏈路的平均損耗和串?dāng)_，使得該光學(xué)路由器具有更好的擴(kuò)展性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，包括一第一和第二直通光波導(dǎo)；一第一和第二輸入光波導(dǎo)；一第一和第二輸出光波導(dǎo)；一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微環(huán)諧振器；其中該第一輸出光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第一微環(huán)諧振器耦合；該第一輸入光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第二微環(huán)諧振器耦合；該第二輸出光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第三微環(huán)諧振器耦合；該第二輸入光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第四微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第五微環(huán)諧振器耦合； 該第一直通光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第六微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第七微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第八微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第二直通光波導(dǎo)之間通過(guò)第九微環(huán)諧振器華禹合；
該第二二直通光波導(dǎo)的--端為第--輸入端，另--端為第二輸出端
該第二二輸出光波導(dǎo)的--端為第三三輸出端；
該第二二輸入光波導(dǎo)的--端為第四輸入端；
該第--輸出光波導(dǎo)的--端為第--輸出端；
該第--直通光波導(dǎo)的--端為第三三輸入端，另--端為第四輸出端
該第--輸入光波導(dǎo)的--端為第二二輸入端。
從技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明提供的基于微環(huán)諧振器的的4端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，利用微環(huán)諧振器只對(duì)特定波長(zhǎng)諧振的特性，通過(guò)微環(huán)諧振器諧振波長(zhǎng)的組合，完成了 4個(gè)端口之間的無(wú)阻塞ififn。
特別的，由于減少了直通波導(dǎo)的數(shù)目，并且全部使用平行環(huán)結(jié)構(gòu)，使得在同規(guī)模同類路由器中，該結(jié)構(gòu)的交叉數(shù)是最小的，從而減少了損耗和串?dāng)_，使得器件的擴(kuò)展性增強(qiáng)。
特別的，利用此4端口無(wú)阻塞片上光學(xué)路由器，能夠構(gòu)建片上光互連網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)片上光子信息高速傳輸和交換。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中
圖Ia是微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)的示意圖Ib是微環(huán)諧振器處于非諧振狀態(tài)的示意圖2是基于微環(huán)諧振器的4端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器的結(jié)構(gòu)示意圖3是基于微環(huán)諧振器的4端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器的工作狀態(tài)實(shí)例。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，包括
一第一和第二直通光波導(dǎo)10、11 ；
一第一和第二輸入光波導(dǎo)12、13 ；
一第一和第二輸出光波導(dǎo)14、15 ；
一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微環(huán)諧振器1、2、3、4、5、6、 7、8、9，所述的第一至第九微環(huán)諧振器1、2、3、4、5、6、7、8、9具有相同的半徑，所述的第一至第九微環(huán)諧振器1、2、3、4、5、6、7、8、9的工作波長(zhǎng)一致。如圖Ia和Ib所示，微環(huán)諧振器作狀態(tài)隨著微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)的變化而變化，當(dāng)微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)λ resonant等于工作波長(zhǎng)Xtl時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”的狀態(tài)，從I1輸入的光將從O2輸出。當(dāng)不等于λ ^時(shí)處于“關(guān)”的狀態(tài)，從I1輸入的光將從O1輸出。微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)能夠由路由控制信號(hào)動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)現(xiàn)“開(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。其中該第一輸出光波導(dǎo)14與第一輸入光波導(dǎo)12之間通過(guò)第一微環(huán)諧振器1耦合；該第一輸入光波導(dǎo)12與第二輸出光波導(dǎo)15之間通過(guò)第二微環(huán)諧振器2耦合；該第二輸出光波導(dǎo)15與第二輸入光波導(dǎo)13之間通過(guò)第三微環(huán)諧振器3耦合；該第二輸入光波導(dǎo)13 與第一輸出光波導(dǎo)14之間通過(guò)第四微環(huán)諧振器4耦合；該第一直通光波導(dǎo)10與第一輸出光波導(dǎo)14之間通過(guò)第五微環(huán)諧振器5耦合；該第一直通光波導(dǎo)10與第一輸入光波導(dǎo)12之間通過(guò)第六微環(huán)諧振器6耦合；該第二直通光波導(dǎo)11與第二輸出光波導(dǎo)15之間通過(guò)第七微環(huán)諧振器7耦合；該第二直通光波導(dǎo)11與第二輸入光波導(dǎo)12之間通過(guò)第八微環(huán)諧振器 8耦合；該第一直通光波導(dǎo)10與第二直通光波導(dǎo)11之間通過(guò)第九微環(huán)諧振器9耦合。其中采用了分離的輸入輸出波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，使得物理鏈路經(jīng)過(guò)的交叉數(shù)目相對(duì)于已存在的結(jié)構(gòu)較少，從而具有更小的鏈路損耗和串?dāng)_，同時(shí)第九微環(huán)諧振器9采用雙向工作的方式，即光在其中同可以同時(shí)順時(shí)針和逆時(shí)針傳播。原本需要兩個(gè)微環(huán)諧振器而現(xiàn)在只需要一個(gè)，從而減小了路由器的功耗。已存在的四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器使用了交叉環(huán)結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明中全部采用的是平行環(huán)結(jié)構(gòu)，故減小了交叉的數(shù)目，從而減小了鏈路的損耗和串?dāng)_。其中用于制作該基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器的材料是S0I，從而有利于實(shí)現(xiàn)與CMOS集成電路的單片集成，組建完整的片上光互連網(wǎng)絡(luò)。該第二直通光波導(dǎo)11的一端為第一輸入端，另一端為第二輸出端；該第二輸出光波導(dǎo)15的一端為第三輸出端；該第二輸入光波導(dǎo)13的一端為第四輸入端；該第一輸出光波導(dǎo)14的一端為第一輸出端；該第一直通光波導(dǎo)10的一端為第二輸入端，另一端為第四輸出端；該第一輸入光波導(dǎo)12的一端為第二輸入端。其中通過(guò)改變第一至第九微環(huán)諧振器1、2、3、4、5、6、7、8、9的諧振波長(zhǎng)，每個(gè)輸入
端輸入的光信號(hào)被導(dǎo)向任意其它的三個(gè)輸出端，并且從各個(gè)輸出端輸出的光信號(hào)互不阻塞。從而實(shí)現(xiàn)了片上光互連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處，東南西北四個(gè)方向的雙向無(wú)阻塞通信。其中第一輸入端與第一輸出端相鄰，第二輸入端與第二輸出端相鄰，第三輸入端與第三輸出端相鄰，第四輸入端與第四輸出端相鄰。有利于組建MESH結(jié)構(gòu)的片上光互連網(wǎng)圖3給出了該路由器的一種工作狀態(tài)，此時(shí)輸入1 —輸出4、輸入2—輸出1、輸入 3 —輸出2、輸入4 —輸出3。圖中虛線表示該環(huán)處于非諧振的狀態(tài)，即只有R2、R5和R9處于諧振狀態(tài)。我們看到，輸入1 —輸出4以及輸入3 —輸出2這兩條鏈路共用了同一個(gè)微環(huán)諧振器R2，本發(fā)明首次在無(wú)阻塞路由器中使用了微環(huán)諧振器的雙向工作特性。由于環(huán)的諧振需要外加電壓，兩條鏈路共用同一個(gè)微環(huán)諧振器能夠減小功耗。由于同一端口的輸入和輸出不需要通信，4端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器總共有12條通信鏈路，我們給出了每條鏈路與微環(huán)諧振器的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)，無(wú)表示輸入輸出由波導(dǎo)直接連通，不需要經(jīng)過(guò)任何的微環(huán)諧振器。每條鏈路最多由一個(gè)環(huán)控制，這使得各條鏈路可以自由的組合，完成無(wú)阻塞的路由功能。
表 權(quán)利要求
1.一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，包括 一第一和第二直通光波導(dǎo)；一第一和第二輸入光波導(dǎo)； 一第一和第二輸出光波導(dǎo)；一第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九微環(huán)諧振器； 其中該第一輸出光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第一微環(huán)諧振器耦合；該第一輸入光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第二微環(huán)諧振器耦合；該第二輸出光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第三微環(huán)諧振器耦合；該第二輸入光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第四微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第五微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第六微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第七微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第八微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第二直通光波導(dǎo)之間通過(guò)第九微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)的一端為第一輸入端，另一端為第二輸出端； 該第二輸出光波導(dǎo)的一端為第三輸出端； 該第二輸入光波導(dǎo)的一端為第四輸入端； 該第一輸出光波導(dǎo)的一端為第一輸出端； 該第一直通光波導(dǎo)的一端為第三輸入端，另一端為第四輸出端； 該第一輸入光波導(dǎo)的一端為第二輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求以所述的基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器， 其中所述的第一至第九微環(huán)諧振器具有相同的半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求以所述的基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器， 其中用于制作該基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器的材料是S0I。
4.根據(jù)權(quán)利要求以所述的基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器， 其中所述的第一至第九微環(huán)諧振器的工作波長(zhǎng)一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器， 其中通過(guò)改變第一至第九微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)，每個(gè)輸入端輸入的光信號(hào)被導(dǎo)向任意其它的三個(gè)輸出端，并且從各個(gè)輸入端輸入的光信號(hào)互不阻塞。
6.根據(jù)權(quán)利要求以所述的基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器， 其中第一輸入端與第一輸出端相鄰，第二輸入端與第二輸出端相鄰，第三輸入端與第三輸出端相鄰，第四輸入端與第四輸出端相鄰。
全文摘要
一種基于微環(huán)諧振器的低損耗低串?dāng)_四端口無(wú)阻塞光學(xué)路由器，其中該第一輸出光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第一微環(huán)諧振器耦合；該第一輸入光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第二微環(huán)諧振器耦合；該第二輸出光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第三微環(huán)諧振器耦合；該第二輸入光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第四微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第一輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第五微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第一輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第六微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸出光波導(dǎo)之間通過(guò)第七微環(huán)諧振器耦合；該第二直通光波導(dǎo)與第二輸入光波導(dǎo)之間通過(guò)第八微環(huán)諧振器耦合；該第一直通光波導(dǎo)與第二直通光波導(dǎo)之間通過(guò)第九微環(huán)諧振器耦合。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102540345SQ20121007475
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者冀瑞強(qiáng), 楊林, 閔銳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所