基于等离子体-光交换模块的片上光交换结构的制作方法

本发明属于通信技术领域，涉及一种片上光交换结构，特别是涉及一种基于等离子体-光交换模块的广义无阻塞可扩展片上光交换结构。

背景技术：

随着光片上网络的飞速发展，对于光交换结构的要求越来越高。一个理想光交换结构应具有面积小、低功耗、高频率的特点。然而，现有的光交换模块具有相对较大的面积，并且伴随着较大功耗。

中国科学院半导体研究所申请的专利“一种基于马赫曾德光开关的五端口光学路由器”(申请日：2014年1月5日，申请号：cn201410018194.8，公开号：cn102645706a)中公开了一种基于马赫曾德光开关的五端口光学路由器。该光路由器的实施方式是：利用8个具有相同结构尺寸，面积为10³μm²左右的马赫曾德光开关两种状态的动态切换，实现光学路由器五个双向端口的无阻塞通信。该光路由器存在的不足之处是：由于马赫曾德光开关面积大，致使整个路由器面积较大；由于马赫曾德光开关与波导需要在流片时进行集成，扩展端口时需要重新制造芯片，难以进行增量扩展。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于等离子-光交换模块的片上光交换结构，用于解决现有技术中存在的光交换结构面积较大以及难以进行增量扩展的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括n根硅基光波导1，n≥2,所述n根硅基光波导1位于同一平面内且平行排列，相邻硅基光波导1之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由n根硅基光波导1组成的交换结构，其中第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为n-k个，且第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间相邻等离子-光交换模块2之间空隙对应的位置；所述n根硅基光波导1的信号流向方向相同；通过相邻硅基光波导1之间设置的等离子-光交换模块2的开启或闭合，实现光信号从光波导输入端i到输出端o的交换。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构,所述第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的各等离子-光交换模块2之间的距离相等。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间相邻等离子-光交换模块2之间空隙对应的中间位置。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述n根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述片上光交换结构，其可扩展特性实现的原理为：在第n根硅基光波导1的外侧增加p根与第n根硅基光波导1位于同一平面且平行的硅基光波导1，p≥1，且增加的p根硅基光波导1的信号流向方向与第n根硅基光波导1的信号流向方向相同，在相邻的光波导之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由n+p根硅基光波导1组成的交换结构，其中第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为n+p-k个，且第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间相邻等离子-光交换模块2之间空隙对应的位置。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的各等离子-光交换模块2之间的距离相等。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间相邻等离子-光交换模块2之间空隙对应的中间位置。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述n+p根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等。

本发明与现有结构相比具有以下优点：

第一，本发明使用等离子-光交换模块作为基本交换模块，在硅基波导数相同的情况下，等离子-光交换模块的横纵比是马赫曾德光开关的两倍，减小了光交换结构的面积，且等离子-光交换模块面积远小于马赫曾德光开关的面积，与现有技术相比，有效减小了光交换结构的面积。

第二、本发明采用的多根波导位于同一平面内且平行排列，相邻硅基光波导之间设置有数量不等的等离子-光交换模块，具有增量扩展的特性，对扩展之前的光交换结构没有任何影响，相较于基于马赫曾德光开关的光交换结构在进行扩展时必须重新将新的马赫曾德光开关与原有的硅基光波导集成，易于进行增量扩展。

第三、本发明对相邻硅基光波导之间的等离子-光交换模块进行特殊排布，具有广义无阻塞特性，对于每次通信请求，仅需要配置部分交换模块，无需重新配置正在使用的交换模块的开闭状态，相较于基于马赫曾德光开关的五端口光学路由器需要重新配置所有交换模块的开闭状态，缩短了交换模块配置时间。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明等离子-光交换模块的光信号交换原理图；

图3是本发明实施例的整体结构示意图；

图4是本发明扩展原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，包括n根硅基光波导1，n≥2，根据等离子-光交换模块2的交换原理，经过精心设计，所述n根硅基光波导1位于同一平面内且平行排列，相邻硅基光波导1之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由n根硅基光波导1组成的交换结构，这种波导平行排布的方式，辅以等离子-光交换模块本身特殊的光信号交换原理，能够在不影响原有波导和交换模块的情况下进行增量扩展。

其中第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为n-k个，第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的各等离子-光交换模块2之间的距离相等，距离略大于等离子-光交换模块2的长度，且第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2之间空隙对应的中间位置，这里的中间位置指的是第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的中心点在第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2中心点连线段的中垂线上，以保证信号传输损耗最低；所述的等离子-光交换模块2由金、二氧化硅、氧化铟锡、硅组成，能够改变特定波长段的光信号方向，该等离子-光交换模块的长度为8.9μm,宽度为340nm，面积为3.026μm²，横纵比为26.17，而马赫曾德光开关长度约为100μm，宽度约为10μm，面积约为10³μm²，横纵比约为10，等离子-光交换模块的面积远小于马赫曾德光开关的面积，等离子-光交换模块的横纵比为马赫曾德光开关横纵比的两倍。

所述n根硅基光波导1的信号流向方向相同；通过相邻硅基光波导1之间设置的等离子-光交换模块2的开启或闭合，实现光信号从光波导输入端i到输出端o的交换；经过实验，硅基光波导和等离子光交换模块之间的距离为150nm时，信号损耗最低，因此所述n根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等，为575nm。

参照图2，说明本发明等离子-光交换模块的光信号交换原理。

参照图2(a)，包括2根硅基光波导1，2个输入端口,2个输出端口，1个等离子-光交换模块2。当等离子-光交换模块2加上4v偏置电压时，此时处于闭合状态，输入端口i1输入的光信号从输出端口o1输出，输入端口i2输入的光信号从输输出端口o2输出。

参照图2(b)，包括2根硅基光波导1，2个输入端口,2个输出端口，1个等离子-光交换模块2。当等离子-光交换模块2不加偏置电压，此时处于交换状态，输入端口i1输入的光信号从输出端口o2输出，输入端口i2输入的光信号从输出端口o1输出。

上述基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构，所述片上光交换结构，其可扩展特性实现的原理为：在第n根硅基光波导1的外侧增加p根与第n根硅基光波导1位于同一平面且平行的硅基光波导1，p≥1，且增加的p根硅基光波导1的信号流向方向与第n根硅基光波导1的信号流向方向相同，在相邻的光波导之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由n+p根硅基光波导1组成的交换结构。

其中第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为n+p-k个，第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的各等离子-光交换模块2之间的距离相等，距离略大于等离子-光交换模块2的长度，且第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2之间空隙对应的中间位置，这里的中间位置指的是第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的中心点在第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2中心点连线段的中垂线上，以保证信号传输损耗最低。

所述n+p根硅基光波导1的信号流向方向相同；通过相邻硅基光波导1之间设置的等离子-光交换模块2的开启或闭合，实现光信号从光波导输入端i到输出端o的交换；经过实验，硅基光波导和等离子光交换模块之间的距离为150nm时，信号损耗最低，因此所述n+p根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等，为575nm。

参照图3，基于等离子-光交换模块2的片上光交换结构实施例，包括4根硅基光波导1，根据等离子-光交换模块2的交换原理，经过精心设计，所述4根硅基光波导1位于同一平面内且平行排列，相邻硅基光波导1之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由4根硅基光波导1组成的交换结构。

其中第1根硅基光波导1与第2根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为3个，各等离子-光交换模块2之间的距离相等，距离略大于等离子-光交换模块2的长度；第2根硅基光波导1与第3根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为2个，各等离子-光交换模块2之间的距离相等，距离略大于等离子-光交换模块2的长度，使得交换模块2的中心点在交换模块1、4中心点连线段的中垂线上，交换模块5的中心点在交换模块4、6中心点连线段的中垂线上；第3根硅基光波导1与第4根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为1个，使得交换模块3的中心点在交换模块2、5中心点连线段的中垂线上。

所述4根硅基光波导1的信号流向方向相同；通过相邻硅基光波导1之间设置的等离子-光交换模块2的开启或闭合，实现光信号从光波导输入端i到输出端o的交换；经过实验，硅基光波导和等离子光交换模块之间的距离为150nm时，信号损耗最低，因此所述4根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等，为575nm。

上述基于等离子-光交换模块的片上光交换结构，所述片上光交换结构，实现其广义无阻塞特性的配置规则如下：

1)如果新的输入输出对交换请求的输入端口不在最后一组中，如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块原先为闭合状态或没有交换模块，且下方左侧的最近的交换模块原先为闭合状态，则当前输出端口号保持不变，忽略最后一组及其元素，使得倒数第二组成为新的最后一组，重新应用所有规则；

如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块原先为闭合状态或没有交换模块，且下方左侧的最近的交换模块尚未进行配置，则将最后一组中当前输出端口下方左侧的最近的等离子-光交换模块被设置为闭合状态，当前输出端口号保持不变，忽略最后一组及其元素，使得倒数第二组成为新的最后一组，重新应用所有规则；

如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块原先为闭合状态或没有交换模块，且下方左侧的m个交换模块原先为交换状态，m≥1，则将当前输出端口号加m，下方左侧第m+1个交换模块被设置为闭合状态，忽略最后一组及其元素，使得倒数第二组成为新的最后一组，重新应用所有规则；

如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块原先为交换状态，则当前输出端口号减1，忽略最后一组及其元素，使得倒数第二组成为新的最后一组，重新应用所有规则；

如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块尚未进行配置，则将当前输出端口上方左侧的最近的交换模块被设置为交换状态，同时当前输出端口号减1，忽略最后一组及其元素，使得倒数第二组成为新的最后一组，重新应用所有规则；

2)如果新的输入输出对交换请求的输入端口在最后一组中，如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块原先为闭合状态或没有交换模块，则将最后一组中当前输出端口下方左侧的所有交换模块设置为交换状态，完成该输入输出对的交换配置；

如果最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块尚未进行配置，则将最后一组中当前输出端口上方左侧的最近的交换模块设置为闭合状态，最后一组中当前输出端口下方左侧的所有交换模块设置为交换状态，完成该输入输出对的交换配置；

分组规则如下：

每一次从n根硅基光波导扩展到n+1根硅基光波导，新增的输入输出端口和等离子-光交换模块为一个组。

对于图3的实施例，可以分成4组：g1＝{i1,o1}，g2＝{i2,s1,o2}，g3＝{i3,s2,s4,o3}，g4＝{i4,s3,s5,s6,o4}。对这些分组应用上述配置规则：

当信号需要从i1交换到o3，

步骤一、i1不在目前的最后一组g4中，应用规则1，使o3上方左侧的s5为交换状态，输出端口号从o3减为o2，最后一组从g4改变为g3；

步骤二、i1不在目前的最后一组g3中，应用规则1，使o2上方左侧的s4为交换状态，输出端口号从o2减为o1，最后一组从g3改变为g2；

步骤三、i1不在目前的最后一组g2中，应用规则1，使o1下方左侧的s1为闭合状态，输出端口号o1不变，最后一组从g2改变为g1；

步骤四、i1在目前的最后一组g1中，应用规则2，不需对交换模块配置，完成该输入输出对的交换配置。

在i1到o3的交换已经配置完成的情况，新的信号需要从i2到o1，

步骤一、i2不在目前的最后一组g4中，应用规则1，使o1下方左侧的s6为闭合状态，输出端口号o1不变，最后一组从g4改变为g3；

步骤二、i2不在目前的最后一组g3中，应用规则1，输出端口号从o1增为o2，不更换最后一组；

步骤三、i2不在目前的最后一组g3中，应用规则1，使o2下方左侧的s2为闭合状态，输出端口号o2不变，最后一组从g3改变为g2；

步骤四、i2在目前的最后一组g2中，应用规则2，不需对交换模块配置，完成该输入输出对的交换配置。

在i1到o3、i2到o1的交换已经配置完成的情况，新的信号需要从i3到o2，

步骤一、i3不在目前的最后一组g4中，应用规则1，输出端口号从o2加为o3，使s3为闭合状态，最后一组从g4改变为g3；

步骤二、i3在目前的最后一组g3中，应用规则2，使o3上方左侧的s2为闭合状态，完成该输入输出对的交换配置。

在i1到o3、i2到o1、i3到o2的交换已经配置完成的情况，新的信号需要从i4到o4，

步骤一、i4在目前的最后一组g4中，应用规则2，不需对交换模块配置，完成该输入输出对的交换配置。

完成各个输入端口与各个输出端口通信的配置。

参照图4，本发明从n根硅基光波导扩展至n+1根硅基光波导的扩展方法为：在第n根硅基光波导1的外侧增加1根与第n根硅基光波导1位于同一平面且平行的硅基光波导1，且增加的1根硅基光波导1的信号流向方向与第n根硅基光波导1的信号流向方向相同，在相邻的光波导之间设置有数量不等的等离子-光交换模块2，形成由n+1根硅基光波导1组成的交换结构，其中第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的数量为n+1-k个，第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的各等离子-光交换模块2之间的距离相等，距离略大于等离子-光交换模块2的长度，且第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的每个等离子-光交换模块2，分别位于第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2之间空隙对应的中间位置，这里的中间位置指的是第k根硅基光波导1与第k+1根硅基光波导1之间的等离子-光交换模块2的中心点在第k-1根硅基光波导1与第k根硅基光波导1之间距离自身最近的两个等离子-光交换模块2中心点连线段的中垂线上，以保证信号传输损耗最低；所述n+1根硅基光波导1的信号流向方向相同；通过相邻硅基光波导1之间设置的等离子-光交换模块2的开启或闭合，实现光信号从光波导输入端i到输出端o的交换；经过实验，硅基光波导和等离子光交换模块之间的距离为150nm时，信号损耗最低，因此所述n+1根硅基光波导1，其中各相邻硅基光波导1之间的距离相等，为575nm。

以上描述仅是本发明的两个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。