基于WDM的芯片上光Mesh网络的串扰特性研究

发布时间：2018-03-20 15:24

本文选题：波分复用技术　切入点：串扰噪声　出处：《西南大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着纳米技术和互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光子器件的迅速发展,数十亿乃至更多的晶体管被集成在单个芯片上以实现更加强大的功能,使得芯片上多核处理器系统(multiprocessor systems-on-chip,MPSo Cs)成为多媒体、医疗设备等应用领域的一种新趋势。在MPSo Cs中,为了有效互连每个处理核,同时获得更高性能的信息传输,芯片上光网络(optical networks-on-chip,ONo Cs)逐渐成为人们的研究热点,其克服了传统金属互连存在的高串扰、高延时、高能耗等缺点。此外,随着通信技术的快速发展,通信数据急剧增加,人们对高通信带宽、高计算性能的需求不断增加,传统基于单波传输的片上光网络已经不能够满足超大容量的高速传输。波分复用(wavelength division multiplexing,WDM)技术可将多路光信号复用至单根波导中传输,从而有效提高通信带宽。因此,一些研究者将WDM技术应用于片上光网络,近而满足片上多核之间的大规模通信需求。研究表明,支持波分复用技术的硅基片上光交换系统是解决下一代光通信系统、大数据中心信息交换的关键性技术之一,基于该项技术的片上光互连网络当前深受众多学者的追捧,并已广泛应用于芯片上多核处理器系统及光通信等领域。基于WDM的芯片上光网络(WDM-based optical networks-on-chip,WDMONo Cs)是由硅基光学器件按照一定的设计准则构建而成的,由于光学器件的制造工艺及本身的材质属性,其不可避免地遭受到一系列的损耗及串扰噪声。特别地,串扰在网络中的累积量是制约网络性能提升的关键因素。相比于传统基于单波传输的片上光网络,WDM-ONo Cs更容易受到串扰噪声的影响,尤其是非线性四波混频(four-wave mixing,FWM)效应产生的非线性串扰。串扰噪声在大规模WDM-ONo Cs中不断积累会导致网络性能退化、信号失真、通信质量下降、光信噪比降低,极大程度地限制网络的可拓展性。因此,本文将串扰作为核心研究问题,提出了基于WDM的芯片上光Mesh网络的串扰特性分析方法,并建立了完善的理论模型及分析系统,为下一代片上光通信系统提供可靠的理论依据和技术支持。本文的主要研究内容如下:首先,基于串扰特性介绍了支持WDM技术的片上光互连网络的相关理论及技术,包括硅基波导、SOI微环谐振器、光波分复用技术和非线性四波混频效应,并建立了FWM串扰功率计算模型。其次,根据硅基光学器件的工作原理,依次设计出了支持WDM技术的多端口、低串扰、低损耗的新型片上光开关元件、光路由器和光Mesh网络;同时,构建了相应层级(基本器件层、路由器层和网络层)的物理结构模型和串扰特性分析模型,串扰特性分析模型主要基于损耗、串扰、光信噪比和误码率。最后,将支持WDM技术的优化的Crossbar(WDM-based optimized Crossbar,WDM-Op.crossbar)光路由器和支持WDM技术的Crux(WDMbased Crux,WDM-Crux)光路由器应用于片上光Mesh网络,分析比较了基于这两种光路由器的片上光Mesh网络的性能,即最差路径中的损耗、串扰噪声、光信噪比和误码率性能,给出了相应的仿真结果;同时,基于Optisystem环境搭建了片上多信道传输系统用于验证本文基于串扰特性提出的分析方法的可行性。结果表明:在多波长片上光互连网络中,无论是传统的线性噪声还是由FWM效应产生的非线性噪声,其均极大程度地影响着网络的性能,限制着网络的可拓展性;此外,性能优良的光学器件和光路由器是提升片上光互连网络性能的关键性因素。比如,当输入光功率为1 m W,基于WDM-Op.crossbar的片上光Mesh网络规模为4×4时,最差路径中平均的信号损耗、FWM噪声功率、线性噪声功率及光信噪比分别为-31.31 d Bm、-37.61 d Bm、-38.86 d Bm和4.26 d B;当网络规模达到6×6时,同一路径中这四项指标值分别为-49.28 d Bm、-37.78 d Bm、-38.95d Bm和-13.65 d B;明显可见,随着网络规模由4×4扩大至6×6,网络性能急剧下降。然而,将WDM-Crux光路由器应用于片上4×4的光Mesh网络时,最差路径中平均光信噪比的值是12.37 d B,比使用WDM-Op.crossbar光路由器提升了8.11d B;当网络规模为6×6时,最差路径中平均光信噪比的值为-1.37 d B,相比于使用WDM-Op.crossbar光路由器提升12.28 d B。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1

【参考文献】