[发明专利]基于波长和模式复用的微环谐振器光交换开关

说明书

本发明公开了一种基于波长和模式复用的微环谐振器光交换开关，主要解决现有交换芯片带宽低的问题，其包括若干个光交换模块，模块之间采用混合级三级网络结构互连，每个光交换模块采用基于波长和模式复用的2×2结构，其包括：两个输入光波导、两个输出光波导、两个模式解复用器、两个模式复用器和m个单模式光交换单元，每个模式解复用器均有一个输入端口和m个输出端口；每个模式复用器均有m个输入端口和一个输出端口；每个单模式光交换单元均有两个输入端口和两个输出端口。本发明由于采用了波长和模式的复用，有效提高了光交换开关的单端口数据速率，能满足未来T bps级别的带宽需求，可用于实现超高端口数据速率的光信号传输与交换。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，涉及一种光交换开关，可用于多波长多模式的光信号的路由与交换。

背景技术

随着大数据处理应用对处理效率的需求，未来高性能计算系统要向E级计算能力的目标迈进，而E级高性能计算系统在单链路带宽和功耗方面有着严格的要求。首先，单链路带宽要达到Tbps级别才能支持未来高性能计算系统中数十万节点的互连；其次，业界共识，E级高性能计算系统功耗将限制在20MW左右。目前高性能计算系统中多采用基于电交换开关交换、光链路传输的方式，常用的电交换开关的端口速率仅在数百Gbps级别，但单台电交换机的功耗却高达数千瓦特量级。因此，电交换开关继续应用到未来高性能计算系统中，会在网络带宽、芯片功耗方面暴露出明显的不足，越来越无法满足未来高性能计算系统的高带宽、低功耗的通信需求。

随着硅基光电子集成工艺的重大突破，基于该工艺的光交换开关逐渐展现出低功耗、高带宽的优势，在未来高性能计算系统中使用光交换芯片有希望构建新一代大规模、低功耗、高带宽的光互连系统。

浙江大学杨建义等人设计的4端口光交换开关，如图1所示，其使用了4根波导和7个微环谐振器，且所有微环谐振器的工作波长相同，该结构由于过分简单，且工作波长单一，因此无法支持更高的端口数据速率，特别是在应用到光互连网络中时无法满足Tbps级别的单链路带宽需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有交换开关的不足，提出一种基于波长和模式复用的微环谐振器光交换开关，以提高端口数据速率，满足光互连网络中Tbps级别的单链路带宽需求。

为了实现上述目的，本发明包括：若干个光交换模块，模块之间采用混合级三级网络结构互连，其特征在于：每个光交换模块采用基于波长和模式复用的2×2结构，其包括：两个输入光波导、两个输出光波导、两个模式解复用器、两个模式复用器和m个单模式交换单元，m为大于等于1的整数；

每个模式解复用器均有一个输入端口和m个输出端口；每个模式复用器均有m个输入端口和一个输出端口；每个单模式交换单元均有两个输入端口和两个输出端口；

第一输入光波导与第一模式解复用器的输入端口连接；第一模式解复用器的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第一输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第一输出端口分别与第一模式复用器的每一个输入端口对应连接；第一模式复用器的输出端口与第一输出光波导连接；

第二输入光波导与第二模式解复用器的输入端口连接；第二模式解复用器的每一个输出端口分别与每一个单模式交换单元的第二输入端口对应连接；每个单模式交换单元的第二输出端口分别与第二模式复用器的每一个输入端口对应连接；第二模式复用器的输出端口与第二输出光波导连接。

作为优选，所述的每个输入光波导和每个输出光波导，均采用多模式光波导结构。

作为优选，所述的每一个单模式交换单元均包括两根交叉光波导和两个微环谐振器；第一交叉光波导与第二交叉光波导交叉连接；第一微环谐振器位于交叉点的上部，第二微环谐振器位于交叉点的下部。

作为优选，所述的每个交叉光波导均采用单模式光波导结构，每个微环谐振器均采用单模式微环谐振器结构，且两者所支持的光模式一致。