專利名稱：一種基于有源微環(huán)諧振器的4×4無阻塞光路由器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在片上光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多端口間路由切換的開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是 一種基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)八十年代，R. A. Soref等人開拓了硅基光子學(xué)這片新領(lǐng)域。因?yàn)楣璨▽?dǎo)的 大折射率差使其對(duì)光傳輸有更高的限制，不僅波導(dǎo)截面尺寸可以降到亞波長(zhǎng)量級(jí)，而且允 許曲率很小的波導(dǎo)彎曲。在器件集成方面，硅基光子器件無疑具有很大的優(yōu)勢(shì)。其次，制作 硅基波導(dǎo)器件的工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝相兼容，這樣既可以利用成熟的加工工藝，又可以 方便地實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)器件與微電子器件的混合集成。
隨著半導(dǎo)體微納加工技術(shù)和集成技術(shù)的不斷提高，硅基光子學(xué)正獲得異?？焖俚?發(fā)展。目前，基于硅基的各種微納光電器件已經(jīng)得到驗(yàn)證，并在不斷提高性能。這些光電器 件主要包括硅基激光器、硅基電光調(diào)制器、硅基光電探測(cè)器、以及各種基于硅波導(dǎo)的無源 器件。在各種基于波導(dǎo)的器件中，微環(huán)諧振器是一種很特殊的器件。微環(huán)諧振器不但可 以做濾波器，而且引入調(diào)諧機(jī)制的微環(huán)還可以做光開關(guān)、調(diào)制器。以微環(huán)諧振器作為基本單 元，人們還構(gòu)建了更加復(fù)雜的功能器件，如光通信系統(tǒng)中的光上下路分插復(fù)用器(Optical Add/Drop Multiplexer, OADM)、生物傳感器、光邏輯門等等?？梢哉f，硅光子技術(shù)正在成為 一種更加成熟和實(shí)用的技術(shù)。在這樣的背景下，人們開始從硅光子技術(shù)中尋找解決各種問 題的方案。目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展開始依賴多個(gè)處理器的并行，而不是微處理主頻的提高來改善 性能。微處理器計(jì)算速度的停滯不前，最主要的原因是電互連的瓶頸限制，而同樣的原因也 越來越限制著并行系統(tǒng)性能的提升。電互連的瓶頸包括傳輸帶寬限制，時(shí)鐘歪斜，功耗大， 不利于并行計(jì)算。硅基光互連利用光子作為信息傳輸?shù)拿浇椋朔穗娀ミB的如上限制，而 且工藝上也兼容。硅基光互連的方案無論從技術(shù)角度，還是實(shí)際應(yīng)用的角度都有很好的前 景。光開關(guān)作為光互連的關(guān)鍵器件，其重要性不言而喻。本發(fā)明給出了一種基于微環(huán)諧振 器的光開關(guān)陣列，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)雙向通信端口間的無阻塞路由切換。光路由器無疑是片上 光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)器件，以此為基礎(chǔ)可以構(gòu)建片上或片間的光信息傳輸方案。具體到基于微環(huán)的光路由器，目前已經(jīng)有兩種方案。一種是基于波長(zhǎng)路由的無源 路由器，其路由選擇由輸入端提供的光信號(hào)的波長(zhǎng)決定，比如Crossbar結(jié)構(gòu)；另一種是基 于有源微環(huán)的開關(guān)型路由器，一般以電信號(hào)作為路由控制。這兩類路由器的最大不同是，前 者通信線路的連接狀態(tài)是固定的，而后者通信線路的連接狀態(tài)則會(huì)根據(jù)實(shí)際工作情況動(dòng)態(tài) 配置。本發(fā)明給出的無阻塞路由器屬于第二種，該方案通過WDM技術(shù)可以在不增加功耗 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信的擴(kuò)容。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，利用 有源微環(huán)諧振器對(duì)特定波長(zhǎng)的開關(guān)特性，通過微環(huán)諧振器的組合來實(shí)現(xiàn)四個(gè)雙向端口間無 阻塞路由切換，同時(shí)利用微環(huán)諧振器的周期濾波特性可以擴(kuò)大器件的信息吞吐量。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由 器 ，包括四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器ι χ 2光開關(guān)和四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1 X 2光開關(guān)，所 述四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1 X2光開關(guān)連接于所述四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1 X2光開 關(guān)，使得該路由器僅包含四個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口，且對(duì)應(yīng)于器件中的每條波導(dǎo)從輸 入端到輸出端依次與四個(gè)微環(huán)諧振器相耦合，其中兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將該波導(dǎo)輸入端的 光信號(hào)下載到另外兩條波導(dǎo)的輸出端，另外兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將前面所述兩條波導(dǎo)輸入 端的光信號(hào)上載到該波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)雙向通信端口之間的完全無阻塞路 由切換。上述方案中，所述微環(huán)諧振器都具有相同的半徑。上述方案中，該路由器采用單波長(zhǎng)或WDM多波長(zhǎng)信號(hào)工作，通過將間隔自由譜范 圍的多路光信號(hào)復(fù)用后輸入路由器的輸入端口。上述方案中，該路由器采用光電子集成技術(shù)，將微環(huán)諧振器型光開關(guān)集成到同一 芯片上實(shí)現(xiàn)4X4無阻塞光路由功能。上述方案中，通過控制微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作波長(zhǎng)的開關(guān)功能，從而 將某一輸入端口的光信號(hào)下載到指定的輸出端口。上述方案中，所述四個(gè)雙向通信端口之間可進(jìn)行空間意義上的完全無阻塞路由通 信，同一時(shí)刻輸入端口和輸出端口皆不相同的通信線路能夠同時(shí)工作，從而提高路由器的 工作效率。上述方案中，所述同一端口的輸入和輸出在空間分布上處于相鄰的位置，這樣排 布便于多個(gè)路由器的級(jí)聯(lián)，從而構(gòu)建更大規(guī)模的片上網(wǎng)絡(luò)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，利用有源微 環(huán)諧振器對(duì)特定波長(zhǎng)的開關(guān)特性，通過微環(huán)諧振器的組合實(shí)現(xiàn)了四個(gè)雙向端口間無阻塞路 由切換，同時(shí)利用微環(huán)諧振器的周期濾波特性擴(kuò)大了器件的信息吞吐量。2、特別地，由于盡可能采用平行環(huán)結(jié)構(gòu)，在同規(guī)模的同類路由器中該路由器使用 的交叉數(shù)目是最少的，從而減小了器件的插入損耗，進(jìn)而可以降低功耗，改善不同線路的功 率均衡，增加器件的可擴(kuò)展性。3、特別地，利用該4X4無阻塞光路由器作為基本交換單元，可以方便地構(gòu)建Mesh 結(jié)構(gòu)的片上交換網(wǎng)絡(luò)，從而形成功能強(qiáng)大的光子信息傳輸系統(tǒng)。


為了更清楚地描述該發(fā)明的工作原理，我們給出以下關(guān)鍵圖例
圖Ia是平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1 X 2光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)示意圖；圖Ib是平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1 X 2光開關(guān)的“開”狀態(tài)示意圖；圖Ic是交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)示意圖；圖Id是交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1X2光開關(guān)的“開”狀態(tài)示意圖；圖2是微環(huán)諧振器的周期濾波特性示意圖；圖3是基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器的工作狀態(tài)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式為使本發(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)說明。本發(fā)明具體涉及利用可調(diào)諧微環(huán)諧振器的開關(guān)特性和周期濾波特性，對(duì)多個(gè)微環(huán) 型光開關(guān)進(jìn)行一定規(guī)則的二維排布，實(shí)現(xiàn)具有完全空間無阻塞路由功能的4X4光學(xué)路由
ο下面結(jié)合圖1 4詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理本發(fā)明給出的路由器中所有的微環(huán)都具有相同的半徑，但是包含兩種不同的微環(huán) 諧振器結(jié)構(gòu)，即圖Ia和圖Ib所示的平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器和圖Ic和圖Id所示的交叉波導(dǎo) 微環(huán)諧振器。微環(huán)諧振器光開關(guān)由兩條垂直或平行的波導(dǎo)以及與這兩條光波導(dǎo)都耦合的環(huán) 形波導(dǎo)構(gòu)成。當(dāng)從其中一條波導(dǎo)的Tl端輸入波長(zhǎng)為λ ^的光信號(hào)時(shí)，如果微環(huán)諧振器在λ0 處不諧振Ures。_t# λ J，則輸入的光信號(hào)從相同波導(dǎo)的另一端R2直接輸出；如果微環(huán)諧 振器在λ ^處諧振(λ resonant = λ0),則輸入的光信號(hào)會(huì)經(jīng)過微環(huán)從另一條波導(dǎo)的端口 R3輸 出。我們將前一種狀態(tài)定義為開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)，如圖Ia和圖Ib所示；后一種狀態(tài)定義為 “開”狀態(tài)，如圖Ic和圖Id所示。微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)可以由路由控制信號(hào)動(dòng)態(tài)配置，從 而實(shí)現(xiàn)1X2的開關(guān)功能。以上我們說明了微環(huán)諧振器在單波長(zhǎng)輸入下的工作原理，其實(shí)微環(huán)諧振器光開關(guān) 也可以采用WDM信號(hào)輸入，從而可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)容。圖2所示為微環(huán)諧振器的濾波特 性，可以看到微環(huán)諧振器具有周期性的濾波曲線，相鄰諧振峰的波長(zhǎng)間隔稱為自由譜范圍 (Free Spectral Range，F(xiàn)SR)?？梢钥闯?，微環(huán)諧振器的開關(guān)特性與WDM技術(shù)是自然兼容 的。當(dāng)輸入一系列相隔FSR的WDM波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)，微環(huán)諧振器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路波長(zhǎng)信號(hào)同時(shí) 開關(guān)的功能。值得注意的是，我們僅需改變路由器的輸入，而路由器本身及其路由器算法并 不做任何改變，也意味著路由器的功耗并不隨著系統(tǒng)的擴(kuò)容而增加。圖3即為本發(fā)明給出的基于有源微環(huán)諧振器的4X4完全無阻塞光路由器的結(jié)構(gòu)圖。該路由器共包含四條波導(dǎo)、八個(gè)微環(huán)諧振器、六個(gè)波導(dǎo)交叉以及十二個(gè)波導(dǎo)彎曲。該結(jié) 構(gòu)具有很好的對(duì)稱性，每條波導(dǎo)都與四個(gè)微環(huán)相耦合，均有三個(gè)彎曲。圖4給出了該路由器 的一個(gè)工作狀態(tài)，圖中虛線所示的光波導(dǎo)和微環(huán)表明其中有光信號(hào)通過，如圖4中所示共 有四個(gè)通信線路同時(shí)工作即輸入1 —輸出4，輸入2 —輸出1，輸入3 —輸出2，輸入4 — 輸出3。我們看到，輸入1到輸出4以及輸入3到輸出2這兩條線路并沒有經(jīng)過任何一個(gè)微 環(huán)諧振器或者經(jīng)過的微環(huán)諧振器都處于“關(guān)”狀態(tài)；而輸入2到輸出1以及輸入4到輸出3 都只經(jīng)過一個(gè)微環(huán)諧振器。
相同端口的輸入和輸出不需要通信，所以對(duì)于4X4路由器共有十二條通信線路。 如表1所示，我們給出了 4X4無阻塞光路由器的十二條通信線路與微環(huán)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其 中，共有四條通信線路由波導(dǎo)直接相連，即不需要經(jīng)過任何一個(gè)微環(huán)諧振器諧振(即表1中 “None”所標(biāo)示的通信線路)；而對(duì)于另外八條通信線路，每條都由單獨(dú)的一個(gè)微環(huán)來控制。 這樣一種特殊的器件結(jié)構(gòu)，可以允許同一時(shí)刻輸入端口和輸出端口皆不相同的通信線路同 時(shí)工作(如圖4中的四條通信線路)，從而提高路由器的工作效率。該路由器最多允許四條 或三條線路同時(shí)工作，其中四條同時(shí)工作的線路組合有九種，最多三條線路同時(shí)工作的組 合有八種。 表1是4X4無阻塞光路由器通信線路與微環(huán)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于有源微環(huán)諧振器的4×4無阻塞光路由器，包括四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)和四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)，其特征在于所述四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)連接于所述四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)，使得該路由器僅包含四個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口，且對(duì)應(yīng)于器件中的每條波導(dǎo)從輸入端到輸出端依次與四個(gè)微環(huán)諧振器相耦合，其中兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將該波導(dǎo)輸入端的光信號(hào)下載到另外兩條波導(dǎo)的輸出端，另外兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將前面所述兩條波導(dǎo)輸入端的光信號(hào)上載到該波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)雙向通信端口之間的完全無阻塞路由切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 所述微環(huán)諧振器都具有相同的半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 該路由器采用單波長(zhǎng)或WDM多波長(zhǎng)信號(hào)工作，通過將間隔自由譜范圍的多路光信號(hào)復(fù)用后 輸入路由器的輸入端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 該路由器采用光電子集成技術(shù)，將微環(huán)諧振器型光開關(guān)集成到同一芯片上實(shí)現(xiàn)4X4無阻 塞光路由功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 通過控制微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作波長(zhǎng)的開關(guān)功能，從而將某一輸入端口的光信 號(hào)下載到指定的輸出端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 所述四個(gè)雙向通信端口之間可進(jìn)行空間意義上的完全無阻塞路由通信，同一時(shí)刻輸入端口 和輸出端口皆不相同的通信線路能夠同時(shí)工作，從而提高路由器的工作效率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有源微環(huán)諧振器的4X4無阻塞光路由器，其特征在于， 所述同一端口的輸入和輸出在空間分布上處于相鄰的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于有源微環(huán)諧振器的4×4無阻塞光路由器，包括四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)和四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)，所述四個(gè)平行波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)連接于所述四個(gè)交叉波導(dǎo)微環(huán)諧振器1×2光開關(guān)，使得該路由器僅包含四個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口，且對(duì)應(yīng)于器件中的每條波導(dǎo)從輸入端到輸出端依次與四個(gè)微環(huán)諧振器相耦合，其中兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將該波導(dǎo)輸入端的光信號(hào)下載到另外兩條波導(dǎo)的輸出端，另外兩個(gè)微環(huán)諧振器用于將前面所述兩條波導(dǎo)輸入端的光信號(hào)上載到該波導(dǎo)對(duì)應(yīng)的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)雙向通信端口之間的完全無阻塞路由切換。
文檔編號(hào)G02B6/35GK101872039SQ20101017544
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者冀瑞強(qiáng), 張磊, 楊林, 田永輝, 賈連希 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所