面向片上光互连的无源H树网络设计

传统的片上电互连已无法满足多核处理系统日益 增长的通信需求,在延迟、能耗和 带宽方面更具优势的片上光互连逐渐引起关注。为了降低片上光网络(optical network-on-chip,ONoC)硬件开销和提升光网络 性能,本文提出一种基于微环谐振器的16端口无源H树光互连网络。利用宽带微环谐振器设 计4组转向光路由器,降低微环谐振器使用并完成端口选择,将信号传输到8端口接收光路由 器以及3级和4级光开关来满足信号的无争用传输。实验结果表明,在16×16阵列规模下与 Crossbar、λ-Router、GWOR、LACE、Light等无源网络结 构相比,无源光H树网络仅需使用 72个微环谐振器。网络平均插入损耗1.49 dB,与λ-Router、GWOR 、TAONoC相比分别降低 了21.5%、10.7%、59.7 %,各路径平均信噪比 为17.48 dB,与λ-Router、GWOR、Light相比分别提高了38.5%、36.0%、17.1%。     

用于片上光网络的光学路由器研究

基于SOI平台的硅基集成光学器件具有高带宽、低功耗、低延迟等优点,为实现片上光互连网络提供了一种可行的技术方案。光学路由器是片上光互连网络中负责节点数据交换的重要器件。介绍了国内外光学路由器的最新研究进展,并着重介绍了利用微环谐振器和马赫-曾德尔光开关构建N端口无阻塞光学路由器的一般性原理,进行了统计分析和仿真结果显示,应用一般性原理构建的光学路由器与之前已报道过的同规模光学路由器相比在开关个数、插入损耗、平均功耗等方面的性能均有所提升。     

自适应光电混合互连分流结构建模与性能分析

针对片上光电混合互连网络(hybrid optoelect ronic network-on-chip,HONoC)拥 塞控制与自适应能力差、无法实现光电联合仿真等问题,提出一种适用于可重构阵列处理器 的自适应光电混合互连分流结构,在此结构上设计了自适应分流路由算法与一种低损耗无阻 塞的5端口光路由器,并搭建了基于System verilog与Verilog的光电混合互连功能仿真与 性能统计模型。实验结果表明,在边缘节点阻塞的情况下所设计的路由算法避免拥塞能力平 均提升了17.5%,光路由器所需交叉波导与微环谐振器数量大幅减少,平均光路由器级插入 损耗仅为0.522 dB,所设计的光电混合互连性能统计模型具有支持 设计拓扑、结构和路由策 略等功能,并且可以对资源使用、功耗开销、插入损耗等性能进行统计分析。     

片内光通信技术综述

在纳米工艺水平下,传统的铜线互连已经很难满足集成电路芯片在延迟、带宽、功耗等方面的要求,片内通信问题已经成为集成电路设计的瓶径.文中根据片内光器件集成技术的最新进展,介绍了采用片内光互连代替电互连的最新技术及其性能方面的优势.文中重点总结了片内光互连的三种典型应用.首先,介绍了片内光时钟分布网络;其次,从应用的角度分析了光电总线结构相对于单纯电总线在性能上的提升;最后,介绍了一种新的片上光网络,它集成了片内电的包交换控制网络和宽带电路交换光网络.仿真和实验结果表明,光互连能够为高集成度纳米级芯片提供高带宽、低延迟,小功耗的片内通信服务.     

光模块中刚柔线路板电连接宽带阻抗匹配研究

文章分别对光收发组件中50 Ω柔性线路板和50 Ω刚性线路板,以及25Ω柔性线路板和50Ω刚性线路板间的电互连阻抗匹配进行了设计、仿真与实验验证.对于50 Ω_50 Ω刚柔板的高频连接,通过对其返回路径的通孔位置优化设计,使反射损耗Su在高频段降低约11％,插入损耗S21减小190％;对于25 Ω_50 Ω刚柔板的高频连接,提出新的优化方式:在硬板信号线的金手指上做通孔设计,并提取该结构的寄生参数,构建电路模型.该结构大幅提高了连接处容性阻抗,降低了阻抗失配,使得S11在高频段降低约38.2％,S21减小约34％.提出的柔性线路板与刚性线路板的电互连方式,能实现传输线间的阻抗匹配,减小信号反射和插入损耗,提高光模块传输质量,对于光器件的接入具有较大应用价值.     

用于传感的聚合物微谐振环的研制

对一种用于传感的聚合物微谐振环进行了研制.器件为多模耦合器结构,作为微谐振环的输入/输出耦合结构.微谐振环采用跑道形结构.首先分析了器件的原理,给出了器件的优化设计参数.采用紫外光敏材料SU-8和CYTOP作为波导芯层和下包层材料,制作了上述结构的微谐振环器件,并进行了测试.扫描电镜的结果显示,所制备器件的整体形貌比较清晰,波导结构均匀光滑,侧壁陡直度较高.采用截断法测得单模直波导的传输损耗约为2.2 dBcm.对多模耦合器(MMI)结构和弯曲波导的测试表明,MMI结构在较宽的波长范围内实现了接近50:50的功分比,且损耗较低,而纯弯曲波导结构的通光性能良好.测量得到的器件谐振输出光谱表明,器件在主谐振峰处的插入损耗约为38dB,自由光谱区(FSR)约为1.87nm.过数据处理分析得到弯曲波导的传输损耗约为5.2 dB/cm.提出了进一步降低器件损耗、改善器件性能的措施.     

Torus结构的芯片上光互连网络损耗分析和优化

基于硅基波导、十字状波导交叉和基于波导微环的光交换器件的损耗特性,对 Torus结构的芯片上光互连网络建立了损耗模型,利用该模型来对芯片上光互连网络进行光器件级、光路由器级和网络级的损耗特性分析,同时建立芯片上光互连网络损耗自动分析系统。依据该系统可以得到不同网络规模下的最大损耗,并分别分析了基于crossbar、cygnus和crux路由器的torus结构网络的损耗特性。可以得到,传输损耗随着网络规模的扩展而增加,最小的传输损耗出现在M=N时。同时,可以得到采用Crux路由器构成的芯片上光互连网络的传输损耗最小,小于Cygnus构成的芯片上光互连网络约5dB。     

Si基微纳集成光波导的理论设计

提出了一种宽度从微米到亚微米、深亚微米、再到纳米级渐变的微纳集成结构光波导,并通过理论分析和模拟计算得到了基于Si基半导体材料的微纳集成光波导参数.其制作工艺非常简单,插入损耗在1～2.5dB之间.这种微纳集成光波导不但可解决芯径为10μm的单模光纤与纳米量级的光子晶体波导器件间的光对接、耦合和互连等难题,还可缩小光波导器件芯片的单元尺寸,有利于提高器件的集成度.为光电子器件向纳米光子集成方向的发展提供了新途径,为新一代全光通信用微纳新原理光电子器件及功能集成的发展提供了新思路.     

Si基微纳集成光波导的理论设计

提出了一种宽度从微米到亚微米、深亚微米、再到纳米级渐变的微纳集成结构光波导,并通过理论分析和模拟计算得到了基于Si基半导体材料的微纳集成光波导参数.其制作工艺非常简单,插入损耗在1～2.5dB之间.这种微纳集成光波导不但可解决芯径为10μm的单模光纤与纳米量级的光子晶体波导器件间的光对接、耦合和互连等难题,还可缩小光波导器件芯片的单元尺寸,有利于提高器件的集成度.为光电子器件向纳米光子集成方向的发展提供了新途径,为新一代全光通信用微纳新原理光电子器件及功能集成的发展提供了新思路.     

4×4纵横交换微电机械系统光开关阵列

微电机械系统(MEMS)光开关是微电机系统技术与传统光学技术相结合的新型机械式光开关。采用纵横交换网络和通断型微镜实现4×4微电机械系统光开关阵列,利用球透镜单模光纤准直器作为微电机械系统光开关阵列的输入、输出端口。运用高斯光束耦合理论对光开关阵列插入损耗(IL)进行了理论计算,并对引起插入损耗的主要因素进行了分析。对于失调容限:输入与输出光纤准直器位置失调2μm,定位角度失调0.15°,微镜非垂直反射角度失调0.15°,制作了4×4微电机械系统光开关阵列,对其各个通道的插入损耗进行了实验测试,其中最大值为2.77dB。     

3D片上光互连网络研究(本期优秀论文)

介绍了片上光互连的优势及其几个重要器件,并分析其网络的基本单元、开关网络结构和3D互连结构,提出了现阶段最主要的技术问题及其未来研究方向集中在片内光源的研制和片外光源耦合、互连网络功耗和温度的控制、互连网络结构和路由算法的优化三方面。     

Si基微纳集成光波导的理论设计

提出了一种宽度从微米到亚微米、深亚微米、再到纳米级渐变的微纳集成结构光波导，并通过理论分析和模拟计算得到了基于Si基半导体材料的微纳集成光波导参数. 其制作工艺非常简单，插入损耗在1～2.5dB之间. 这种微纳集成光波导不但可解决芯径为10μm的单模光纤与纳米量级的光子晶体波导器件间的光对接、耦合和互连等难题，还可缩小光波导器件芯片的单元尺寸，有利于提高器件的集成度. 为光电子器件向纳米光子集成方向的发展提供了新途径，为新一代全光通信用微纳新原理光电子器件及功能集成的发展提供了新思路.     

基于石英衬底的16通道二氧化硅可调复用器/解复用器的单片集成

本文是关于可调复用器/解复用器的单片集成,它由一个16通道200 GHZ的二氧化硅阵列波导光栅和一组马赫增德尔干涉型热光可调光衰减器阵列构成。该集成器件是基于石英衬底的,与基于硅衬底的器件相比,省去了沉积下包层的工艺步骤,并且降低了器件功耗。该集成器件的插入损耗是-5 dB,串扰小于-22 dB。在衰减为20 dB的时候每个通道的功耗只有110 mW。     

硅基片上刻蚀衍射光栅及其平坦化设计

刻蚀衍射光栅（EDG）作为实现波分复用功能的关键器件,对于片上光互连的实现至关重要。为了实现1310nm波段通道间隔为20nm的硅基EDG,采用了基尔霍夫标量衍射理论仿真方法进行理论设计和仿真验证,通过在闪耀光栅反射面引入布喇格反射光栅来提高反射效率、降低器件插入损耗,并在入射波导处引入多模干涉耦合器以实现通道频谱平坦化设计。结果表明,闪耀光栅反射面的反射效率由35%提高到了85%,1dB带宽达到12nm。这对于提高系统稳定性、增大传输距离和容量、降低系统成本具有显著作用,能够满足光互连系统的实际应用需求。     

2×2有机聚合物的全内反射型热光光开关

利用有机聚合物材料的负性热光效应 ,设计并研制成功了 2× 2全内反射型光开关。所研制的无阻塞 2× 2光开关 ,具有 >2 7dB的消光比 ,全内反射状态下 ,器件驱动功率约为 132mW (驱动电压约 3V×驱动电流约 4 4mA) ,这一驱动功率值可以降至 5 0～ 6 0mW ,同时给出器件插入损耗的测试结果。     

基于Banyan网络的无阻塞SiO2波导4×4矩阵光开关

提出了一种基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）结构开关单元和Banyan网络的严格无阻塞4×4矩阵光开关。相对于Crossbar结构的7级单元级联，Banyan结构只需3级连接。分析了Banyan网络中交叉连接损耗与交叉角度的关系，交叉角30°时损耗为0．09dB。优化设计了MZI开关单元结构，并制作了2×2光开关，测得插入损耗（IL）为-14dB、串扰（XT）为-38dB和功耗为450mW。设计了基于Banyan网络的4×4光开关，连接波导交叉角为30°。基于光波导平面光波线路（PLC）技术，制作了严格无阻塞的SiO2波导4×4矩阵光开关，测得平均儿为3．95dB、通道XT为-37dB、偏振相关损耗（PDL）为0．4dB、单通道开关功率约为670mW及开关响应时间小于1ms。     

基于Banyan网络的无阻塞SiO2波导4×4矩阵光开关

提出了一种基于Mach-Zehder干涉仪(MZI)结构开关单元和Banyan网络的严格无阻塞4×4矩阵光开关.相对于Crossbar结构的7级单元级联,Banyan结构只需3级连接.分析了Banyan网络中交叉连接损耗与交叉角度的关系,交叉角30°时损耗为0.09 dB.优化设计了MZI开关单元结构,并制作了2×2光开关,测得插入损耗(IL)为-14 dB、串扰(XT)为-38 dB和功耗为450 mW.设计了基于Banyan网络的4×4光开关,连接波导交叉角为30°.基于光波导平面光波线路(PLC)技术,制作了严格无阻塞的SiO2波导4×4矩阵光开关,测得平均IL为3.95 dB、通道XT为-37 dB、偏振相关损耗(PDL)为0.4 dB、单通道开关功率约为670 mW及开关响应时间小于1 ms.     

一种适用于非对称主从IP核的低功耗路由器结构

大规模及超大规模集成电路的快速发展使片上网络系统成为现实,同时也使十几个平方厘米芯片的功耗达到了上百瓦,而且随着集成电路规模的发展,功耗参数也在不断上升。深微亚领域的研究使得片上网络芯片的面积不断缩小,从而使得IP核互连通信中时延和能耗成为了现代片上网络系统的主要考虑因素。本丈主要分析片上网络系统的平均时延以及内部负责主要通信任务的路由器的结构,功耗,及其功耗降低的方法。     

硅基片上复用—解复用技术与器件

近年来,随着云计算、数据中心的迅速发展,光互连凭借其在功耗、速度和带宽等方面具有电互连无可比拟的诸多优势,获得越来越多的关注。为了充分发挥光互连带宽优势,发展波分复用（WDM）、偏振复用（PDM）以及模式复用（MDM）等技术是一种有效途径。而将多种复用方式综合运用则可形成一种多维混合复用技术,从而显著提升光互连通道数量和传输容量。鉴于片上集成（解）复用器是实现多通道并行传输复用系统的关键器件,着重介绍总结了基于硅光子技术实现的超小型片上集成（解）复用器件的进展,包括WDM、PDM、MDM复用—解复用器件以及混合复用—解复用器件。     

折射率匹配对绿光发光二极管微显示光学性能影响

设计了用于发光二极管(LED)微显示器折射率匹配层结构,可以提高LED微显示器的光学性能。倒装结构的LED微显示器出光面为蓝宝石(折射率约1.76),它和空气的折射率(约为1.0)相差较大,会有很大一部分光因为全反射而反射回器件内部被吸收,导致器件的光效率降低。本文通过涂敷折射率匹配层硅胶(折射率约1.41～1.53)的方法,改变器件表层的折射率使其和空气的折射率相匹配,增加光逃逸锥角,从而提高器件的光效率。结果表明涂敷硅胶可以提高光效率约25.75%,在涂敷硅胶基础上盖玻璃片(折射率约1.47)可提高光效率约32.78%,且硅胶涂敷前后器件的电学、光学、结温稳定性好。尽管增加的是侧方向的光通量,但是其光效率的增加为高效率LED微显示的实现提供了参考依据。