隨著普適計(jì)算和云計(jì)算等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的推廣,數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算機(jī)在近幾年得到了迅速的發(fā)展,處理器單元的數(shù)量和處理器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫搽S之增加。而傳統(tǒng)的基于銅線(xiàn)的電互連方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足即將到來(lái)的Tbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度,因此光互連技術(shù)成為了目前最佳的解決方案。光互連技術(shù)具有超高吞吐量,大規(guī)模并行,低訪(fǎng)問(wèn)延遲和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。陣列波導(dǎo)光柵路由器(AWGR)作為光互連系統(tǒng)中核心的波長(zhǎng)路由器件,實(shí)現(xiàn)了多個(gè)鏈路之間的同時(shí)互連,且作為無(wú)源器件,不需要額外的控制電路。另一方面,硅光子學(xué)的發(fā)展使得基于硅納米線(xiàn)的AWGR具備了高集成度和低制造成本的優(yōu)勢(shì)。隨著光互連系統(tǒng)對(duì)集成光學(xué)器件的要求越來(lái)越高,異質(zhì)集成技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展,在硅基材料上同時(shí)實(shí)現(xiàn)光源、調(diào)制器、波分復(fù)用器和探測(cè)器是未來(lái)集成光電子學(xué)發(fā)展的方向。本文主要對(duì)基于硅納米線(xiàn)的AWGR進(jìn)行了研究,并提出了 一種利用翻轉(zhuǎn)貼片技術(shù)的異質(zhì)集成方案。本文首先詳細(xì)介紹了陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的基本工作原理,包括關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù),分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)AWG性能的影響。我們還介紹了 AWG的設(shè)計(jì)步驟及兩種常用的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然后介紹了 AWG的仿真方法,包括波導(dǎo)模式、自由傳輸區(qū)傳播和波導(dǎo)模式與平板模式耦合的仿真。我們介紹了在絕緣體上硅(SOI)材料平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)硅納米線(xiàn)波導(dǎo)器件的實(shí)驗(yàn)方法,以及如何對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試。本文接著介紹了 AWGR的工作原理及其路由特性,并給出了在SOI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)硅納米線(xiàn)AWGR的設(shè)計(jì)實(shí)例,并對(duì)其進(jìn)行了仿真,得到了仿真光譜圖。隨后我們實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了4×20 nm、8×6.4 nm、8×3.2 nm和15×1.6 nm的AWGR器件,均實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的插入損耗和串?dāng)_性能。然后我們介紹了提升AWGR通道損耗均勻性的輔助波導(dǎo)方法,對(duì)其原理進(jìn)行了分析,通過(guò)對(duì)陣列波導(dǎo)輸出光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控可以在AWGR像面上得到平頂?shù)膹?qiáng)度分布,從而實(shí)現(xiàn)損耗均勻性的提升。我們對(duì)8×3.2 nm和15×1.6 nm的AWGR的輔助波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化仿真,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了通道損耗非均勻性為0.5 dB的AWGR。最后我們提出了基于翻轉(zhuǎn)貼片技術(shù)的異質(zhì)集成方案,利用翻轉(zhuǎn)貼片技術(shù)將V型耦合腔激光器與硅納米線(xiàn)AWGR進(jìn)行異質(zhì)集成,從而實(shí)現(xiàn)光路由芯片。我們對(duì)集成方案細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析,給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)分立器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試。我們還對(duì)翻轉(zhuǎn)貼片工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)。硅納米線(xiàn)AWGR作為未來(lái)光互連系統(tǒng)的核心器件,仍需要進(jìn)一步的研究與探索,與其他光器件的集成將使其在光通信中扮演越來(lái)越重要的角色。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN25
【部分圖文】：

引起的延遲。表１．２給出了在不同層次的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，光互連方式相對(duì)于電互連要保持逡逑競(jìng)爭(zhēng)力需要達(dá)到的尺寸、能耗和成本預(yù)算等方面的要求［３Ｈ６］。波長(zhǎng)路由可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)逡逑波長(zhǎng)的高容量連接來(lái)減少爭(zhēng)用并提高系統(tǒng)級(jí)別的吞吐量，如圖１．２所示【７１。另一方面，光逡逑數(shù)據(jù)鏈路可以在并行波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)幾個(gè)Ｔｂ／ｓ的通信，光纖上的損耗，串?dāng)_和失真可以忽略逡逑不計(jì)，因此對(duì)于典型的數(shù)據(jù)中心或計(jì)算中心而言，中繼器不再是必要的，并且均衡器可以逡逑更簡(jiǎn)單。此外，光時(shí)鐘分配可能潛在地消除每個(gè)節(jié)點(diǎn)中對(duì)大量時(shí)鐘電路的需求。逡逑——逡逑ｊ￣￣□—Ｃ３—□—□—ＥＤ邐［ 逡逑ｊ￣￣□—□—□—□—￣□邐Ｌ＿逡逑｛￣□—Ｏ—□—□—□——Ｊ—逡逑＊￣￣□—0—￣ｎ—□—ｎ邐逡逑ＯＰＴＩＣＡＬ邋ＬＩＮＫ逡逑邐｜ｎ逡逑圖１．２電互連與光互連原理的對(duì)比［７］逡逑２逡逑

＞＞＞＞＞＞逡逑■邋Ｓｏｃｋｅｔｓ邋０邋Ｃｏｒｅｓ逡逑圖１．１端口數(shù)量和核心數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)圖［２］逡逑傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)銅線(xiàn)進(jìn)行電互連的方式實(shí)現(xiàn)的，顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未逡逑來(lái)每秒百億億次計(jì)算對(duì)處理核心之間超大帶寬、并行性和連接性的要求。光互連在根本上逡逑為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效的解決方法。光互連方式有以下優(yōu)勢(shì)：超高吞吐量，大規(guī)模逡逑并行性，最小訪(fǎng)問(wèn)延遲和低功耗；而且不受容量和距離的影響。除了能源效率之外，互連逡逑的許多基本物理問(wèn)題都直接在光技術(shù)平臺(tái)中得到了解決，包括精確的時(shí)鐘分配、比特率透逡逑明度和功率降低，而且不需要考慮阻抗、串?dāng)_、電壓隔離、引腳電感、信號(hào)失真和中繼器逡逑引起的延遲。表１．２給出了在不同層次的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，光互連方式相對(duì)于電互連要保持逡逑競(jìng)爭(zhēng)力需要達(dá)到的尺寸、能耗和成本預(yù)算等方面的要求［３Ｈ６］。波長(zhǎng)路由可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)多個(gè)逡逑波長(zhǎng)的高容量連接來(lái)減少爭(zhēng)用并提高系統(tǒng)級(jí)別的吞吐量，如圖１．２所示【７１。另一方面，光逡逑數(shù)據(jù)鏈路可以在并行波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)幾個(gè)Ｔｂ／ｓ的通信

圖１．３邋（ａ）使用各種尺寸電子開(kāi)關(guān)的典型數(shù)據(jù)中心互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)⑷（ｂ）使用基于ＮＸＮ逡逑ＡＷＧＲ的ＬＩＯＮ開(kāi)關(guān)的扁平數(shù)據(jù)中心互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑如圖１．４所示，Ａ＾Ｖ邋ＡＷＧＲ的波長(zhǎng)路由特性通過(guò)使用ｉＶ個(gè)波長(zhǎng)支持全部ｉＶ個(gè)輸入端逡逑口與全部＃個(gè)輸出端口之間的同時(shí)和非阻塞互連。以端口數(shù)＃＝５為例，有７Ｖ２邋＝邋２５個(gè)鏈逡逑路的同時(shí)互連。每個(gè)輸入端口可以使用一個(gè)波長(zhǎng)（而不是電子接頭）來(lái)尋址輸出端口。因逡逑此，如果每個(gè)輸出端口都配備了波長(zhǎng)解復(fù)用器和Ｗ個(gè)接收器，則任何輸入端口都可以通過(guò)逡逑將發(fā)射器調(diào)諧到相應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)尋址每個(gè)輸出端口而無(wú)需爭(zhēng)用。或者，通過(guò)在每個(gè)端口使用逡逑Ｗ個(gè)單波長(zhǎng)發(fā)射機(jī)和Ｗ個(gè)單波長(zhǎng)接收機(jī)，Ａ＾ＷＡＷＧＲ可用于無(wú)爭(zhēng)用的ａｌｌ－ｔｏ－ａｌｌ互連。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邐｝邋｜邋ｉ邋｝邋｛逡逑ＷＷ邋＾５＾邋［＾Ｉ邐邋ａ邐入２邋入邋１邋入５邋入４邋入邋３逡逑Ａ２邋／－３邋Ａ４邐＾邋Ｘ１邋Ａ５邋Ｘ４邋Ａ－３邋Ａ２逡逑（ｈ邋＞－３邋＞－４邋＾ｓＮ１邐４邋ｗ邋ｈ邋入２邋入邋１逡逑＾＇２邋＾－３邋ＫＡ邋＾邐￡＝＞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邐Ｘ３邋人２邋夂１邋入４逡逑圖１．４７ＶＸ＃的ＡＷＧＲ的波長(zhǎng)路由特性示意圖（Ｗ＝５）逡逑圖１．５展示了一種基于ＡＷＧＲ的混合互連架構(gòu)［％稱(chēng)為光波互連光網(wǎng)絡(luò)交換開(kāi)關(guān)逡逑（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ邋丨ｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｓｗｉｔｃｈ，邋ＬＩＯＮＳ），除了邋ＡＷＧＲ邋之外它還包括光逡逑通道適配器（ＯＣＡ）

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本文編號(hào)：2831432