用于光互连的损耗均匀的硅基阵列波导光栅路由器的研究

发布时间：2020-09-30 21:42

　　随着普适计算和云计算等数据业务的推广,数据中心和高性能计算机在近几年得到了迅速的发展,处理器单元的数量和处理器之间数据传输的速度也随之增加。而传统的基于铜线的电互连方式已经无法满足即将到来的Tbit/s的数据传输速度,因此光互连技术成为了目前最佳的解决方案。光互连技术具有超高吞吐量,大规模并行,低访问延迟和低功耗的优点。阵列波导光栅路由器(AWGR)作为光互连系统中核心的波长路由器件,实现了多个链路之间的同时互连,且作为无源器件,不需要额外的控制电路。另一方面,硅光子学的发展使得基于硅纳米线的AWGR具备了高集成度和低制造成本的优势。随着光互连系统对集成光学器件的要求越来越高,异质集成技术得到了长足发展,在硅基材料上同时实现光源、调制器、波分复用器和探测器是未来集成光电子学发展的方向。本文主要对基于硅纳米线的AWGR进行了研究,并提出了一种利用翻转贴片技术的异质集成方案。本文首先详细介绍了阵列波导光栅(AWG)的基本工作原理,包括关键的结构参数和性能参数,分析了结构参数对AWG性能的影响。我们还介绍了 AWG的设计步骤及两种常用的阵列波导结构。然后介绍了 AWG的仿真方法,包括波导模式、自由传输区传播和波导模式与平板模式耦合的仿真。我们介绍了在绝缘体上硅(SOI)材料平台上实现硅纳米线波导器件的实验方法,以及如何对器件进行测试。本文接着介绍了 AWGR的工作原理及其路由特性,并给出了在SOI平台上实现硅纳米线AWGR的设计实例,并对其进行了仿真,得到了仿真光谱图。随后我们实验验证了4×20 nm、8×6.4 nm、8×3.2 nm和15×1.6 nm的AWGR器件,均实现了不错的插入损耗和串扰性能。然后我们介绍了提升AWGR通道损耗均匀性的辅助波导方法,对其原理进行了分析,通过对阵列波导输出光场进行调控可以在AWGR像面上得到平顶的强度分布,从而实现损耗均匀性的提升。我们对8×3.2 nm和15×1.6 nm的AWGR的辅助波导结构进行了优化仿真,并进行了实验验证,实现了通道损耗非均匀性为0.5 dB的AWGR。最后我们提出了基于翻转贴片技术的异质集成方案,利用翻转贴片技术将V型耦合腔激光器与硅纳米线AWGR进行异质集成,从而实现光路由芯片。我们对集成方案细节进行了分析,给出了具体实现方法。对分立器件进行了设计、制作与测试。我们还对翻转贴片工艺进行了详细介绍,并进行了探索性实验。硅纳米线AWGR作为未来光互连系统的核心器件,仍需要进一步的研究与探索,与其他光器件的集成将使其在光通信中扮演越来越重要的角色。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN25
【部分图文】：

电互连,数据中心,端口数,铜线

引起的延迟。表１．２给出了在不同层次的计算机系统中，光互连方式相对于电互连要保持逡逑竞争力需要达到的尺寸、能耗和成本预算等方面的要求［３Ｈ６］。波长路由可以通过实现多个逡逑波长的高容量连接来减少争用并提高系统级别的吞吐量，如图１．２所示【７１。另一方面，光逡逑数据链路可以在并行波长上实现几个Ｔｂ／ｓ的通信，光纤上的损耗，串扰和失真可以忽略逡逑不计，因此对于典型的数据中心或计算中心而言，中继器不再是必要的，并且均衡器可以逡逑更简单。此外，光时钟分配可能潜在地消除每个节点中对大量时钟电路的需求。逡逑——逡逑ｊ￣￣□—Ｃ３—□—□—ＥＤ逦［逡逑ｊ￣￣□—□—□—□—￣□逦Ｌ＿逡逑｛￣□—Ｏ—□—□—□——Ｊ—逡逑＊￣￣□—0—￣ｎ—□—ｎ逦逡逑ＯＰＴＩＣＡＬ邋ＬＩＮＫ逡逑逦｜ｎ逡逑图１．２电互连与光互连原理的对比［７］逡逑２逡逑

电互连,光互连

＞＞＞＞＞＞逡逑■邋Ｓｏｃｋｅｔｓ邋０邋Ｃｏｒｅｓ逡逑图１．１端口数量和核心数量的增长趋势图［２］逡逑传统的数据中心通信网络是通过铜线进行电互连的方式实现的，显然已经无法满足未逡逑来每秒百亿亿次计算对处理核心之间超大带宽、并行性和连接性的要求。光互连在根本上逡逑为计算机结构设计提供了有效的解决方法。光互连方式有以下优势：超高吞吐量，大规模逡逑并行性，最小访问延迟和低功耗；而且不受容量和距离的影响。除了能源效率之外，互连逡逑的许多基本物理问题都直接在光技术平台中得到了解决，包括精确的时钟分配、比特率透逡逑明度和功率降低，而且不需要考虑阻抗、串扰、电压隔离、引脚电感、信号失真和中继器逡逑引起的延迟。表１．２给出了在不同层次的计算机系统中，光互连方式相对于电互连要保持逡逑竞争力需要达到的尺寸、能耗和成本预算等方面的要求［３Ｈ６］。波长路由可以通过实现多个逡逑波长的高容量连接来减少争用并提高系统级别的吞吐量，如图１．２所示【７１。另一方面，光逡逑数据链路可以在并行波长上实现几个Ｔｂ／ｓ的通信

示意图,互连拓扑结构,数据中心,电子开关

图１．３邋（ａ）使用各种尺寸电子开关的典型数据中心互连拓扑结构⑷（ｂ）使用基于ＮＸＮ逡逑ＡＷＧＲ的ＬＩＯＮ开关的扁平数据中心互连拓扑结构逡逑如图１．４所示，Ａ＾Ｖ邋ＡＷＧＲ的波长路由特性通过使用ｉＶ个波长支持全部ｉＶ个输入端逡逑口与全部＃个输出端口之间的同时和非阻塞互连。以端口数＃＝５为例，有７Ｖ２邋＝邋２５个链逡逑路的同时互连。每个输入端口可以使用一个波长（而不是电子接头）来寻址输出端口。因逡逑此，如果每个输出端口都配备了波长解复用器和Ｗ个接收器，则任何输入端口都可以通过逡逑将发射器调谐到相应的波长来寻址每个输出端口而无需争用。或者，通过在每个端口使用逡逑Ｗ个单波长发射机和Ｗ个单波长接收机，Ａ＾ＷＡＷＧＲ可用于无争用的ａｌｌ－ｔｏ－ａｌｌ互连。逡逑Ｉｎｐｕｔ逡逑ｔｏ邋ｐｏｒｔ邋１邋２邋３邋４邋５逡逑Ｎ邋ｘ邋Ｎ邋ＡＷＧ逦｝邋｜邋ｉ邋｝邋｛逡逑ＷＷ邋＾５＾邋［＾Ｉ逦邋ａ逦入２邋入邋１邋入５邋入４邋入邋３逡逑Ａ２邋／－３邋Ａ４逦＾邋Ｘ１邋Ａ５邋Ｘ４邋Ａ－３邋Ａ２逡逑（ｈ邋＞－３邋＞－４邋＾ｓＮ１逦４邋ｗ邋ｈ邋入２邋入邋１逡逑＾＇２邋＾－３邋ＫＡ邋＾逦￡＝＞邋？Ｍ邋Ｘ３邋／．２邋？ｖ｜邋Ｘ５逡逑人邋１邋入２邋入３邋入４邋入邋５逦Ｘ３邋人２邋夂１邋入４逡逑图１．４７ＶＸ＃的ＡＷＧＲ的波长路由特性示意图（Ｗ＝５）逡逑图１．５展示了一种基于ＡＷＧＲ的混合互连架构［％称为光波互连光网络交换开关逡逑（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ邋丨ｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｓｗｉｔｃｈ，邋ＬＩＯＮＳ），除了邋ＡＷＧＲ邋之外它还包括光逡逑通道适配器（ＯＣＡ）

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