基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器

摘要

本发明公开了一种基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器。通过六个交叉波导微环谐振器和一个平行波导微环谐振器，第一端口输入端与第四端口输出端耦合；第二端口输入与第一端口输出耦合；第四端口输入与第三端口输出耦合；第一端口输入与第三端口输出耦合；第三端口输入与第二端口输出耦合；第二端口输入与第四端口输出耦合；第七微环谐振器用于连接从第四端口到第一端口和从二端口到第三端口的光通路。本发明微环谐振器数量减少到了七个，提高了器件的利用效率，精简了开关的结构，减小了开关的面积。交叉数目减小到六个，降低了开关的插入损耗和串扰，增强了器件的可扩展性，易于构建片上光互连网络架构，实现光信号的高速传输和交换。

说明书

技术领域

本发明涉及在片上光互连网络架构中实现多端口间路由切换的开关技术领域，特别是一种基于有源微环谐振器的4×4非阻塞低损耗光学路由器。

背景技术

随着半导体工艺的发展，单个处理器的集成度显著提高，片上处理器核的数量稳步提升，千核时代向我们悄悄迈进,使得核间数据的移动效率成为制约处理器整体性能的关键因素。怎样将未来多核系统在低能耗的情况下满足对带宽和时延的要求成为目前光电集成领域的重大的挑战。

传统的片上互连技术由于受到电互连物理特性的制约，其在传输中的时延，带宽，功耗等物理特性很难有质的提升，成为制约片上互连性能的瓶颈。

近年来，硅基光子学发展迅猛，特别是硅基激光器，硅基光电调制器，硅基光探测器等高速器件，推动了片上光互连的发展。微环谐振器结构在1969年被Marcatili提出，限于当时的工艺，一直没有受到广泛的关注。随着工艺的发展，微环谐振器得到了广泛的应用。基于微环谐振器的高速光调制器，高速光开关，高速光滤波器等器件如雨后春笋般应运而出，基于微环谐振器的光器件具有功耗低，面积小等优点。

光互连技术具有大带宽，复用能力强，高速，低时延，无需大量引脚，低传输损耗，低功耗，低串扰，可与CMOS工艺兼容等诸多优点，对于解决通信瓶颈问题具有显著的优势。光互连技术正朝着更高速，更短传输距离，更高带宽密度和集成度的方向发展。而光路由开关是片上网络的核心器件，一个光开关的性能很大程度上影响着整个光互连网络的性能。但是目前光开关的结构比较复杂，交叉节点和微环的数量较多，生产成本高，插入损耗高、功耗大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器。经过拓扑设计，相对于以往的开关精简了结构，实现了用七个微环谐振器便实现片上光互连网络架构四个双向端口的自由交换，降低了插入损耗和结构复杂度。

为了达到上述目的，本发明提出了一种基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器，包括：

一种基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器，包括：

一个第一端输入和第二端输出光波导；

一个第二端输入与第一端输出光波导；

一个第三端输入与第四端输出光波导；

一个第四端输入与第三端输出光波导；

第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波导微环谐振器，和第七平行波导微环谐振器；

其中，第一端口输入光波导与第四端口输出光波导通过第一交叉波导微环谐振器耦合；第二端口输入与第一端口输出通过第二微环谐振器耦合；第四端口输入与第三端口输出通过第三微环谐振器耦合；第一端口输入与第三端口输出通过第四微环谐振器耦合；第三端口输入与第二端口输出通过第五微环谐振器耦合；第二端口输入与第四端口输出通过第六微环谐振器耦合；第七微环谐振器用于连接从第四输入端口到第一输出端口和从第二输入端口到第三输出端口的光通路。

其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波导微环谐振器，和第七平行波导微环谐振器的工作波长一致。

其中所述的第一、第二、第三、第四、第五、第六交叉波导微环谐振器，和第七平行波导微环谐振器具有相同的半径和相同的有效折射率。

其中用于制作该基于微环谐振器的四端口低损耗光学路由器的材料是SOI。

从技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了基于微环谐振器的低损耗四端口非阻塞光学路由器，利用微环谐振器只针对特定波长的特性，通过微环谐振器的巧妙组合，实现了四个双向端口的非阻塞路由交换。

特别的，由于开关中间采用了一个平行环结构，使得所用微环谐振器由以往的八个减少到了七个，提高了器件的利用效率，精简了开关的结构，减小了开关的面积，降低了成本。相对于以往的4×4光开关，本设计第一次用七个微环完成了四个双向端口的非阻塞路由交换。

特别的，交叉数目减小到六个，一定程度上降低了开关的插入损耗和串扰，增强了器件的可扩展性。

特别的，利用次四端口非阻塞光学路由器，可以构建片上光互连网络架构，实现光信号的高速传输和交换。

附图说明

图1a是第七平行波导微环谐振器1×2光开关的“关”状态示意图；

图1b是第七平行波导微环谐振器1×2光开关的“开”状态示意图；

图1c是交叉波导微环谐振器1×2光开关的“关”状态示意图；

图1d是交叉波导微环谐振器1×2光开关的“开”状态示意图；

图2基于微环谐振器的4×4非阻塞光学路由器的结构示意图；

图3基于微环谐振器的4×4非阻塞光学路由器的工作状态实例。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，参照附图，对

本发明做进一步详细说明。

本发明利用可调谐微环谐振器的开关特性，设计了新型开关拓扑结构，实现了四端口低损耗非阻塞光学路由器。

下面结合图1至图3详细说明其工作过程和原理：

本发明给出的路由器中所有的微环都具有相同的半径，但包含了两种不同结构，图1a和

图1b所示为平行波导微环谐振器，图1c和图1d所示的为交叉波导微环谐振器。当微环谐振波长与信号吻合时，信号通过微环从一个波导耦合到另一波导，而当两者波长不同时，信号还是沿原路直通。当微环谐振器的谐振波长λresonant=λ₀时，我们将这一种状态定义为“开”，光信号从In1输入的光将从Out2输出，如图1a和图1c所示；当微环谐振器的谐振波长λresonant≠λ₀时，这一种状态定义为“关”，光信号从In1输入的光将从Out1输出，如图1b和图1d所示。微环谐振器的谐振波长可以由路由控制信号动态配置，从而实现开关状态的切换。

第一端口输入光波导与第四端口输出光波导通过第一微环谐振器耦合；第二端口输入与第

一端口输出通过第二微环谐振器耦合；第四端口输入与第三端口输出通过第三微环谐振器耦合；第一端口输入与第三端口输出通过第四微环谐振器耦合；第三端口输入与第二端口输出通过第五微环谐振器耦合；第二端口输入与第四端口输出通过第六微环谐振器耦合。其中利用微环谐振器的双向工作特性，第七微环谐振器可以同时连接从第四端口到第一端口和从二端口到第三端口的光通路，提高了器件的利用效率，减小了所需微环谐振器的数量，减少了路由器的功耗。

其中用于制作给基于微环谐振器的低损耗低窜扰四端口非阻塞光学路由器的材料是SOI，

易于将光器件与COMS工艺相结合，更有利于将该结构商业化。

其中第一输入端与第一输出端相邻，第二输入端与第二输出端相邻，第三输入端与第三输

出端相邻，第四输入端与第四输出端相邻，结构紧凑，更有利于应用到光网络结构中去。

图3给出了该路由器的一种工作状态，此时输入一→输入四，输入四→输入一，输入二→输入三，输入三→输入二。图中虚线表示该环处于非谐振状态，即只有第一，第二，第五微环谐振器处于谐振状态。其中输入四→输入一，输入二→输入三这两条链路共用第七微环谐振器而并不造成阻塞。由于微环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微环谐振器能够降低功耗，同时相对于以往的4×4光开关，本发明第一次用七个微环完成了四个双向端口的非阻塞路由交换。

我们给出每条链路与微环谐振器的对应关系（表一），每条链路最多由一个环控制，波导没有微环谐振而光信号由波导直接通过。

表一每条链路与微环谐振器的对应关系

第一输入端口→第四输出端口微环1第一输入端口→第三输出端口微环4第一输入端口→第二输出端口波导第二输入端口→第一输出端口波导第二输入端口→第三输出端口微环7第二输入端口→第四输出端口微环6第三输入端口→第一输出端口微环2第三输入端口→第二输出端口微环5第三输入端口→第四输出端口波导第四输入端口→第一输出端口微环7第四输入端口→第二输出端口微环3第四输入端口→第三输出端口波导

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅是本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，该进等，均应在本发明的保护范围之内。