一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器

摘要

本发明公开一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器，包括二氧化硅衬底和在二氧化硅衬底上呈矩阵排列的N×N个光开关单元。每个光开关单元包括开关波导和2个总线波导。开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成；2个总线波导均为硅层。开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置；开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接。每2个相邻的光开关单元的相同编号的光端口相连，其中位于第一行、最后一行、第一列和最后一列的光开关单元中悬置的光端口形成路由器的N×N个路由端口。本发明具有尺寸小、功耗低和稳定性好的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及片上网络技术领域，具体涉及一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器。

背景技术

路由器作为在基于光互连的光片上网络上的关键元素，对整个系统的性能有极大的影响。目前，基于光互连的片上网络的路由器都是基于微环谐振器的路由器。然而，基于微环谐振器的路由器一般需要10μm或更大的环半径，这样会限制路由器的封装工艺密度，使得路由器的尺寸变大。此外，微环谐振器通过加热来实现对路由器进行操作时，微环的谐振波长连续变化，不仅需要较高的功耗来光开关的切换，而且导致一些需要直通的光信号与微环产生谐振，光信号传输产生中断，从而影响整个光互连网络的传输。

发明内容

本发明所要解决的是现有片上网络的路由器存在尺寸大、功耗大和稳定性差的问题，提供一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器，包括二氧化硅衬底和N×N个光开关单元；其中N为大于等于2的正整数；每个光开关单元包括开关波导和2个总线波导；开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成；2个总线波导均为硅层；开关波导和2个总线波导均为长条形直波导；开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导分别位于开关波导的两侧，2个总线波导与开关波导均存在间隙；开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接；2个总线波导的两端形成光开关单元的4个光端口；N×N个光开关单元在二氧化硅衬底上呈矩阵排列，且每2个相邻的光开关单元之间呈镜像设置；每2个相邻的光开关单元的相同编号的光端口相连，其中位于第一行、最后一行、第一列和最后一列的光开关单元中悬置的光端口形成路由器的N×N个路由端口。

上述方案中，每2个相邻的光开关单元的相同编号的光端口之间通过硅基波导相连。

上述方案中，开关波导的金属电极层为金层。

上述方案中，开关波导和2个总线波导的长度和宽度均相等。

上述方案中，2个总线波导与开关波导的间距相等。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、完全自主设计了用于光片上网络的路由器的结构，将表面等离子激元和活性材料ITO引入到光开关中，并且将其作为路由器之间通信的接口。

2、基于表面等离子激元和活性材料的光开关，使得光开关的尺寸能够达到微纳级别，从而大大缩小了光开关以及路由器的尺寸。

3、光开关仅需通过改变偏置电压来实现切换，这样能够有效降低光开关以及路由器的能耗，保证了切换的稳定性。

4、采用2×2的光开关结构，解决了用于光片上网络中的普通光开关器件不能进行波分复用技术的问题，提高了网络的通信吞吐量，不再受通信距离的限制，传输带宽大。

附图说明

图1为一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器的立体结构示意图。

图2为一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器的俯视图。

图3为光开关单元的立体结构示意图。

图4为光开关单元的侧视示意图。

图5为光开关单元的俯视示意图。

图6为开关波导施加偏置电压的示意图。

图7为开关波导在施加偏置电压的等效电路图。

图8为图7的简化电路图。

图中标号：1、二氧化硅衬底；2、光开关单元；2-1、开关波导；2-2、总线波导；3、硅基波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种用于片上网络互连的蜂窝状路由器，如图1和2所示，包括二氧化硅衬底1和N×N个光开关单元2。其中N为大于等于2的正整数，在本实施例中，N＝4。

每个光开关单元2包括开关波导2-1和2个总线波导2-2。2个总线波导2-2均为硅层，如图3-5所示。开关波导2-1由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成。开关波导2-1的下二氧化铪层和上二氧化铪层均采用二氧化铪(HfO

开关波导2-1和2个总线波导2-2均为长条形直波导，开关波导2-1和2个总线波导2-2的长度和宽度可以根据需求进行调整，在本实施例中，开关波导2-1和2个总线波导2-2的长度和宽度均相等。开关波导2-1和2个总线波导2-2在二氧化硅衬底1的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导2-2分别位于开关波导2-1的两侧，开关波导2-1与2个总线波导2-2均存在一定的间隙。开关波导2-1与2个总线波导2-2之间的间隙可以根据耦合性能而确定，在本实施例中，2个总线波导2-2与开关波导2-1的间距相等。光开关单元2的2个总线波导2-2的两端形成光开关单元2的4个光端口(Port1-Port4)。光开关单元2的开关波导2-1作为2个总线波导2-2的耦合桥梁，利用混合表面等离子激元，在金属氧化物半导体结构中添加了一个可调谐的ITO层，以形成一个电容器，是光开关的可调谐的位置。参见图6，开关波导2-1的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导2-1的氧化铟锡层与负电极相接，以实现偏置电压的施加。当开关波导2-1施加偏置电压时，硅层和金属电极层会形成正极自由电子的聚集，氧化铟锡层会形成负极自由电子的聚集，这样开关波导2-1本质上是一个硅基金属－氧化物－半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)。由于施加电压的过程中，硅基金属—氧化物—半导体具有类似场效应，中间形成一个电容器，因此开关波导2-1的等效电路如图7所示，其简化电路如图8所示。

在本实施例中，开关波导和2个总线波导的硅层蚀刻在薄膜状的二氧化硅衬底上，开关波导的下二氧化铪(HfO

通过控制偏置电压对光开关单元2实现条形直通(BAR)和交叉耦合(CROSS)两个状态的双偏置操作：①当光从光开关的端口Port1输入时到总线波导2-2a时：若开关波导2-1上施加的偏置电压为0时，光保持在总线波导2-2a内，并从光开关的端口Port2输出，此时为条形直通状态；若开关波导2-1上施加的偏置电压为Vdd时，光从总线波导2-2a经由开关波导2-1b耦合到总线波导2-2c内，并从光开关的端口Port3输出，此时为交叉耦合状态。②当光从光开关的端口Port4输入时到总线波导2-2c时：若开关波导2-1上施加的偏置电压为0时，光保持在总线波导2-2c内，并从光开关的端口Port3输出，此时为条形直通状态；若开关波导2-1上施加的偏置电压为Vdd时，光从总线波导2-2c经由开关波导2-1b耦合到总线波导2-2a内，并从光开关的端口Port2输出，此时为交叉耦合状态。

利用上述N×N个光开关单元2构成N×N路由器。N×N个光开关单元2在二氧化硅衬底1上呈矩阵排列，且每2个相邻的光开关单元2之间呈镜像设置。每2个相邻的光开关单元2的相同编号的光端口相连，即：对于某一个当前光开关单元2，其上下左右这4个方向上分别存在1个与之相邻的光开关单元2，其中当前光开关单元2的端口Port1与其第一个方向上相邻的光开关单元2的端口Port1，当前光开关单元2的端口Port2与其第二方向上相邻的光开关单元2的端口Port2，当前光开关单元2的端口Port3与其第三个方向上相邻的光开关单元2的端口Port3，当前光开关单元2的端口Port4与与其第四个方向上相邻的光开关单元2的端口Port4。2个相连的光端口之间可以直接连接，也可以通过波导进行连接。在本实施例中，2个相连的光端口之间通过硅基波导3相连。由于位于第一行的光开关单元2的上方向上不存在与之相邻的光开关单元2，位于最后一行的光开关单元2的下方向上不存在与之相邻的光开关单元2，位于第一列的光开关单元2的左方向上不存在与之相邻的光开关单元2，位于最后一列的的光开关单元2的右方向上不存在与之相邻的光开关单元2；因此位于第一行、最后一行、第一列和最后一列的光开关单元2中各存在2个悬置的光端口，这些悬置的光端口便构成了路由器的N×N个路由端口。

在本实施例中，利用16个光开关单元2构成蜂窝状的4×4路由器。16个光开关单元2按照4×4的矩阵排列在路由器内部，将会与路由器的外部与外部的4路输入路径和4路出路径进行信息的交互。光开关单元2从1开始编号到16，路由器内部的每个交叉路口都有一个光开关单元2，以控制光信号的方向。每个光开关的尺寸大小、参数性能保持一致，但是它们的开关状态不一定相同，开关在CROSS状态和BAR状态之间进行切换，从而路由器的高吞吐量，不同的通道链路也可以在不干扰通信的方式下，进行复用，这样将对开关的使用效率和路由器的传输速率进行提高，这样就可以进行WDM。也会为后期蜂窝状路由器的级联效率提高了基本单元路由器的最优速率和最优的吞吐量。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。