使用芯片上光波导的光电子交换机的制作方法

专利名称：使用芯片上光波导的光电子交换机的制作方法
使用芯片上光波导的光电子交换机技术领域
本发明的实施例涉及光电子设备并且具体地涉及光电子交换机(switch)。
技术背景
交换网络被用来把数据从各种节点的输出端口路由到输入端口，所述节点包括 处理器、存储器、电路板、服务器、存储服务器、外部网络连接或者任何其他数据处 理、存储或传输设备。在大型计算机系统中，可缩放的分组交换网络被用来连接端口。 为了构建可以缩放至大量端口的交换网络，期望的是基本交换部件具有尽可能多的输入 和输出。这意味着交换网络可以覆盖所有端口并且可以用较少级进行构造。在诸如Clos 网络之类的具有Nlog(N)增长特性的交换网络中，这被称作高阶路由器，原因在于大交 换部件尺寸减小了网络复杂度中的对数增长项。在电子设备被用于交换的情况下，每 个交换部件的总体外部带宽受到约束以致系统设计者被迫要在接入和离开交换机(on and offthe switch)的信道数量和信道带宽之间折衷。例如，同一硅技术可以实施每个信道以 40Gbit/s操作的64X64交换机或者每个信道以160Gbit/s操作的16 X 16交换机。针对封 装的信号连接的最大数量以及信号本身的数据速率，出现这种约束。信号数据速率由功 率和信号完整性方面的考虑而确定。
交换网络往往可能是计算环境的数据处理瓶颈。例如，典型的交换网络可以把 计算环境的能力范围限制为处理许多应用的不断增加的数据处理和传输需要，因为许多 交换网络被制造成仅仅适应“当时的端口速率”和“当时的端口数”，而未被制造成适 应为有效适应将来应用而可能需要的更大带宽。具体而言，在某些端口之间交换数据的 量和频率可能对于一些端口比对于其他端口更大，并且由大多数交换网络所采用的低等 待时间的金属信号线的使用具有有限的带宽。结果，在端口之间可以传输的数据量可能 没有很好地匹配在每个时间点由应用采用的端口的数据传递需要，这往往导致数据处理 和/或传输延迟。交换网络具有由连接任何输入到任何输出的需要引起的大量的长信号 线芯片内连接。这些长信号线在为克服电子传输损耗所需的中继器中消耗相当大量的功 率。
可以通过把相同信息编码在经由波导传输的光的特定波长或信道中，来显著减 少与经由信号线传输的电子信号相关联的许多问题。首先，数据传输速率可以由于由波 导提供的大得多的带宽而显著提高。其次，每单位长度的退化或损耗对于经由波导传输 的光而言比对于经由信号线传输的电子信号而言小得多。因而，每传输比特的功耗对于 经由波导传输的光而言比对于经由信号线在电子信号中传输相同数据而言要低。
使用各种不同的技术，诸如微机电系统和磁光效应，构造了光交换机部件。然 而，这些交换机全部都是电路交换机，其中配置交换机由单独的并且通常是电子的控制 平面执行。分组交换机与电路交换机的区别在于根据嵌入在输入数据流中的路由信息来 进行连接的能力。当请求的输出在使用中时，分组交换机一般允许缓冲输入数据。许多 电子分组交换机已被构造。然而，这些网络交换机在缩放以满足将来更高性能处理器的需求方面的能力有限。存在两个限制因素。首先，接入和离开路由器芯片的带宽在由封 装技术限制的输入/输出(“10” )的数量和由信号完整性考虑限制的IO速度这两方面 受限。其次，芯片间和芯片内通信所需的功率随着更高IO数量和更高数据速率而显著增 长。
工程师们已经意识到了对快速网络交换机的需要，其可以将数据编码的光调节 为用于在各种数据处理、存储或传输设备之间传输大量数据的媒介。发明内容
本发明的实施例涉及光电子网络交换机。在一个实施例中，光电子交换机包 括一组大致平行的输入波导；和被定位成与所述输入波导大致垂直的一组大致平行的 输出波导。每个输出波导与该组输入波导交叉。光电子交换机包括至少一个交换元件， 其被配置成把在一个或多个输入波导上传输的一个或多个光信号切换到一个或多个交叉 的输出波导上。


图1示出依据本发明实施例配置的第一光电子网络交换机的示意图。
图2A示出依据本发明实施例配置的第一电路交换元件的示意图和操作。
图2B示出依据本发明实施例配置的第二电路交换元件的示意图和操作。
图3A-3B示出依据本发明实施例配置的分组交换元件的示意图和操作。
图4示出依据本发明实施例配置的第二光电子网络交换机的示意图。
图5示出依据本发明实施例配置的2X2分组交换元件的示意图。
图6示出依据本发明实施例的四个1X1交换元件和单个2X2交换元件。
图7A示出依据本发明实施例的在两个单独光层中形成的交换元件的分解等距视 图。
图7B示出依据本发明实施例的在单个光层中形成的交换元件的等距视图。
图8A示出依据本发明实施例配置的微环谐振器和相邻脊波导的一部分的等距视 图。
图8B示出依据本发明实施例的微环的透射率与波长的关系的曲线图。
图9A示出依据本发明实施例的被用作光电检测器的微环谐振器。
图9B示出依据本发明实施例的用于把光信号从第一波导耦合到第二波导中的微 环谐振器。
图10示出依据本发明实施例的包围微环和脊波导的掺杂区的示意图和顶视图。
图11示出依据本发明实施例配置的具有波导和谐振腔的光子晶体的顶视图。
图12A示出依据本发明实施例配置的谐振腔的等距视图。
图12B示出依据本发明实施例配置的第一电子可调的谐振腔的截面图。
图12C示出依据本发明实施例配置的第二电子可调的谐振腔的截面图。
具体实施方式
本发明的各个实施例涉及光电子网络交换机。这些实施例通过使用直接纳米光子互连而大大增加了输入和输出带宽，直接纳米光子互连为实现高带宽芯片到芯片互连 比电子互连需要更少的功率。另外，本发明的实施例采用密集波分复用(“DWDM” ) 把众多光信号连接到设备。DWDM是在单个波导上复用不同波长的光信号。网络交换 机包括连接输入波导与输出波导并且把光信号分送到多个端口的交换元件。本发明的实 施例利用光信号与交换机上的许多点连接的能力以消除对长的内部电子连接的需要。在 特定距离阈值之上，芯片上光通信比电子通信更加高效，因为对于给定的距离，光波导 的较低传输损耗消除了对中继器的需要。
在描述本发明的实施例时，术语“光信号”指代已被调制或“接通”和“关 断”以编码数据的特定波长的电磁辐射。例如，光信号的高振幅部分和低振幅部分可以 分别对应于比特“1”和“0”，或者光信号的“开”和“关”部分可以分别对应于比 特“1”和“0”。 “光信号”不限于处于电磁频谱的仅可见光部分的波长，而是也可 以指代波长在可见光部分之外(诸如红外和紫外部分)的经典和量子电磁辐射。包括相 同材料的许多结构类似的部件用相同参考数字来标示，并且为了简明起见不再重复对它 们的结构和功能的解释。
图1示出依据本发明实施例配置的光电子网络交换机100的示意图。交换机100 包括一组八个垂直输入波导102-109、一组八个水平输出波导110-117以及一组八个与输 出波导110-117大致平行的水平光功率波导118-125。功率波导118-125光耦合到源波 导126，该源波导1 进而光耦合到光功率源127。输入波导102-109被定向成与输出和 功率波导110-125大致垂直并且每个输入波导与输出和功率波导110-125交叉并且经由图 1中虚线框所表示的交换元件(诸如交换元件128)而光耦合到每个输出波导。如图1所 示，交换机100包括交换元件的8X8阵列，其中每个交换元件包括与输出波导交叉的输 入波导。例如，交换元件1 包括与输出波导113交叉的输入波导107。下面参考图2-3 更详细地描述交换元件实施例。
波导102-126每个能够使用DWDM来承载多个光信号。光功率源127使用 DWDM把许多连续波(“CW”)(即，未经调制的或大致恒定的振幅和波长)光波输出到 源波导1 上，每个光波具有不同波长。每个光波的一部分耦合到每个功率波导118-125 中以便每个功率波导118-125承载从光功率源127输出的同一组光波。光波沿功率波导 118-125在方向箭头1 所标识的方向上传输。输入波导102-109分别单独地耦合到输 入端口 132-139，并且输出波导118-125分别单独地耦合到输出端口 140-147。输入光信 号通过对应的输入端口 132-139被放置在输入波导102-109上并且在方向箭头130所标 识的方向上传输。输出光信号通过交换元件被放置在输出波导110-117上并且在方向箭 头131所标识的方向上传输。输入和输出光信号是数据编码的(即，振幅调制的)光信 号。输入和输出端口 132-147可以连接到处理器、存储器、电路板、服务器、存储服务 器、外部网络连接、其他交换机或者任何其他数据处理、存储或传输设备。
交换机100可以被操作为电路交换机。假设指示交换机100把数据从输入端口 137传输到输出端口 143。外部交换机控制件(未示出)激活交换元件128。输入端口 137在方向130上把编码数据的输入光信号放置在输入波导107上。交换元件1 提取输 入光信号以及在方向1 上沿功率波导121传输的光波。交换元件1 然后通过调制或“接通”和“关断”光波而把在输入光信号中编码的数据编码到提取的光波上从而产生输出光信号，该输出光信号在方向131上通过输出波导113传输到输出端口 143。
光电子网络交换机实施例不限于方形8X8网络交换机100。在其他实施例中， 交换元件的行和列的数量可以根据需要进行增大或缩减。一般而言，本发明的实施例包 括NXN网络交换机，其中N是表示交换元件的行和列的相同数量的正整数。在其他网 络交换机实施例中，行的数量可以与列的数量不同。一般而言，网络交换机实施例可以 是MXN，其中M和N分别是表示交换元件的行和列的数量的正整数。
图2A示出依据本发明实施例配置的第一电路交换元件200的示意图。交换元件 200包括输入波导202、输出波导204和功率波导206。输入波导202光耦合到六个输入 谐振器207-212，并且功率波导206光耦合到六个输出谐振器214-219，所述输出谐振器 214-219也光耦合到输出波导204。六个输入谐振器207-212光耦合到电子耦合到接收器 220的检测器。例如，检测器222邻近并且光耦合到输入谐振器207并且电子耦合到接收 器220。检测器吸收在输入谐振器207-212中捕获的输入光信号并且生成被传输到接收 器220的对应数据编码电子信号，所述接收器220经由电子互连把电子信号传输到发射器 226。直接电连接由方向箭头(诸如方向箭头224)表示。交换机状态控制器2 保持交 换元件的配置数据并且确定哪个输入连接到哪个输出。
输入谐振器207-212和输出谐振器214-219每个都电子可调并且被配置成当施 加适当的电压时与沿光耦合波导传播的光的特定波长谐振。在这种情况下，谐振器被认 为“接通”。每个“接通”的谐振器通过渐逝耦合从波导中提取至少部分光并且把提取 的光捕获在谐振器内长达一段时间。当电压被“关断”时，谐振器的谐振波长偏离光的 波长，并且光沿光耦合波导不受干扰地传播通过谐振器。在这种情况下，谐振器被认为“关断”。下面在“微环谐振器和脊波导”以及“光子晶体和谐振腔”小节中更详细地 描述输入谐振器207-212和输出谐振器214-219的配置和操作。
现在参考特定示例描述交换元件200的操作。在以下描述中，特定波长的光波 由λ表示，并且相同波长的数据编码输入或输出光信号由I表示。另外，所有的输入光 信号被用来承载数据并且所有的功率信号被用来产生编码相同数据的输出光信号。输入 谐振器207-212和输出谐振器214-219被配置成在“接通”时分别与六个不同波长λ λ2，λ 3, λ4，之一谐振。如图2Α所示，功率波导206承载从光功率源(未 示出)输出的六个光波。六个谐振器207-212被接通并且分别渐逝地耦合来自波导202的 六个输入光信号不，石，石，I4,忑和石。六个输入光信号编码目的地为连接到输出波导 204的输出端口(未示出)的数据。对应的检测器把在谐振器207-212中谐振的六个输入 光信号转换成六个电子信号，其经由直接电连接被发送到发射器226。再定时(retiming) 逻辑230被用来对电子信号到达发射器进行同步，因为当从输入波导202中提取输入信 号时输入信号可能具有不同的相位。发射器2 将数据编码在六个光波λ” λ2，λ 3, λ4，入5和λ6中以产生沿输出波导204传输的六个输出光信号不，石，I3, I4,不和忑。
可以通过依据传输到谐振器214-219的电子信号的“0”和“1”比特来“接 通”和“关断”输出谐振器214-219，从而完成将数据编码在六个光波中。例如，当在 对应于比特“0”的时间段“接通”输出谐振器214时，输出谐振器214把来自功率波 导206的至少部分光波λ i渐逝地耦合到输出波导204中。当在对应于比特“1”的时间 段“关断”输出谐振器214时，光波X1不受干扰地通过输出谐振器214。结果232是对输入光信号承载的数据进行编码的振幅调制或“开”和“关”输出光信号。
注意在某些实施例中，输入光信号的波长可以对应于输出光信号的波长，而在 其他实施例中，输入光信号的波长不必对应于输出光信号的波长。例如，在某些实施例 中，由输入光信号石承载的数据可以被编码到光波λ2上以产生承载相同数据的输出信号 不，而在其他实施例中，输入光信号石可以被编码到光波λ4上以产生承载相同数据的输 出信号I4。
图2Β示出依据本发明实施例配置的第二电路交换元件250的示意图。交换元 件250几乎与交换元件200相同，除了交换元件250包括电子耦合到接收器220和发射器 226的电子交叉开关(crossbar) 252。电子交叉开关252由交换机状态控制器2 控制以 把输出自接收器220的电子信号路由到发射器226。
交换元件250可以被用来路由由在所有六个输入光信号上编码的数据产生的电 信号以产生在所有六个输出信号上编码的数据，如上面参考图2A所描述的。在其他实 施例中，不是接收所有六个输入光信号上的数据以及使用所有输出光信号，交换元件250 可以被用来接收在特定数量的输入光信号上编码的数据并且把数据输出到不同数量的输 出光信号上。例如，输入端口(未示出)把输入光信号I2和I4放置在输入波导202上。 这两个输入光信号石和不使用预计用于耦合到输出波导204的输出端口(未示出)的数据 而被编码。如图2B所示，当“接通”谐振器208和210时，从输入波导202渐逝地耦 合输入光信号石和I4。对应的检测器把输入光信号石和X4转换成编码相同数据的电子信号 并且把电子信号传输到接收器220。电子交叉开关2M接收来自接收器220的电子信号并 且把电子信号再路由到发射器226。因为输入光信号传输时间可能未被同步，所以交换 元件200可以包括再定时逻辑230以对电子信号到发射器226的传输进行同步。发射器 226将数据编码在三个光波λ ” λ 3和λ 4中以产生沿输出波导204传输的输出光信号I；, 々禾ο
注意，交换元件200的直接电子互连和交换元件250的电子交叉开关仅仅是可以 用来把电信号从接收器220传输到发射器226的许多不同种类的电互连中的两种。
一般而言，交换元件实施例可以被配置成接收任何数量的输入光信号上的数据 并且把数据输出到任何数量的输出光信号上。与上面参考图2所描述的示例不同，在某 些实施例中，交换元件的谐振器可以被配置成接收具有一组波长的输入光信号并且产生 具有一组不同波长的输出光信号。另外，交换机实施例不限于六个输入谐振器和六个输 出谐振器。在其他实施例中，可以使用任何合适数量的输入和输出谐振器，并且输入谐 振器的数量可以不同于输出谐振器的数量。
通过将每个交换元件配置为具有数据分组缓冲器，交换机100也可以被操作为 数据分组交换机。仲裁可以用来选择多个输入分组中的哪个被传输到特定输出端口。图 3Α-3Β示出依据本发明实施例被配置成传输数据分组的分组交换元件300的示意图。交 换元件300几乎与交换元件250相同，除了电子互连252被组合的电子互连和分组缓冲器 302所替代。分组缓冲器可以是为存储等待被传输到输出端口的分组而保留的附加存储器 空间。在第一阶段中，如图3Α所示，由仲裁304指示交换元件“接通”谐振器207。 光信号A'从输入波导202渐逝地耦合到微环207中，并且交换元件300通过“接通”其余谐振器208-212来准备接收输入光信号。在第二阶段中，如图3B所示，输入光信号 I1,石，不，忑，忑和16渐逝地耦合到谐振器207_212中，并且交换元件3OO在输出光信 号Z1, I2, I3, I4,忑和忑中输出相同数据分组，如上面参考图2A所描述的那样。在其 他实施例中，数据分组可以使用特定输入光信号被发送并且在不同或相同的输出光信号 上被输出，如上面参考图2B所描述的。
在某些实施例中，当输出端口不忙时，分组可以使用被称作“贯通 (cut-through)”的技术被直接路由到输出端口。可选地，当输出端口被另一个输入端口 使用时，分组被存储在分组缓冲器中并且在输出端口变成可用时被传输。仲裁304被用 来在请求分组的任何可能交换元件之间进行选择。
回到图1，在某些交换机实施例中，为了减小光功率消耗，可以在两个阶段发送 数据。在第一阶段中，每个交换元件在第一时间间隔内“接通”不同的谐振器并且等待 接收对应的光信号。所有交换元件都接收识别输出端口的相同光信号。然而，光信号与 耦合到选定的输出端口的交换元件的特定谐振器谐振。这个交换元件通过准备在第二阶 段期间接收在若干输入光信号中编码的数据来做出响应。因为其余交换元件不“接通” 与光信号的谐振匹配的谐振器，所以这些交换元件在第一时间间隔期间不接收该光信号 并且通过“关断”它们的谐振器来做出响应并在第二阶段期间等待传输数据。例如，最 初，八个不同的交换元件150-157的每个都“接通”不同的谐振器。这些谐振器的每个 都可以对应于具有波长λ2，λ 3, λ4，λ5，λ6，入7和λ8的八个不同光信号之 一。假设输入端口 136要把数据传输到输出端口 145。输入端口 136输出与由交换元件 155 “接通”的谐振器谐振的波长的单个光信号，诸如脉冲。在接收到光信号后，交换 元件155通过“接通”其对应的谐振器来做出响应并且等待从输入端口 136接收输入光 信号，同时其余交换元件150-154、156和157 “关断”它们对应的输入谐振器。在第 二阶段中，输入端口 136传输输入光信号，所述输入光信号被交换元件155接收并且传输 到输出端口 145。
在其他交换机实施例中，单个地址光信号可以被用来激活耦合到选定输出端口 的交换元件。例如，在第一阶段中，输出端口 140-147的每个都可以被分配不同的地 址。所有的交换元件150-157可以“接通”与地址光信号的波长谐振的谐振器并且等待 接收地址光信号。输入端口在地址光信号中通过波导106传输输出端口 145的地址。交 换元件155接收地址光信号并且准备接收输入光信号。其余交换元件150-154、156和 157也接收地址光信号，但是因为该地址不匹配它们的光耦合输出端口的地址，所以其余 交换元件150-154、156和157通过“关断”它们的输入谐振器来做出响应。在第二阶 段中，输入端口 136传输输入光信号，所述输入光信号被交换元件155接收并且传输到输 出端口 145。
光电子网络交换机实施例不限于在每个输入和输出波导交叉点处采用单个交换 元件。其中电子地执行短距离交换和通信的层次方案可以被用来减少谐振器、接收器和 发射器的数量同时保持相同数量的输入和输出波导。
图4示出依据本发明实施例配置的第二光电子网络交换机400的示意图。交换 机400包括与上面参考图1描述的交换机100相同的波导102-126、光功率源127和端口 132-147。与交换机100 —样，交换机400的交换元件也把在输入波导102-109上接收的输入光信号切换为由输出波导110-117承载的输出光信号。然而，不是采用单个交换元 件来执行由一个输入波导承载的输入光信号到由输出波导承载的输出光信号的切换，交 换机400采用2X2交换元件来把由两个输入波导之一承载的输入光信号切换成可由两个 输出波导之一承载的输出光信号。例如，2X2交换元件402可以在输入波导104或输入 波导105上接收输入光信号并且把对应的输出光信号放置在输出波导114或输出波导115 上。
图5示出依据本发明实施例配置的2X2分组交换元件500的示意图。交换元件 500包括两个输入波导502和504以及两个输出波导506和508。输入波导502和504的 每个都光耦合到分别电子耦合到接收器510和512的一组六个谐振器。输出波导506和 508的每个也都光耦合到一组六个谐振器，所述谐振器分别光耦合到功率波导514和516 并且分别电子耦合到发射器518和520。这些谐振器如上面参考图2所描述的那样操作。 交换元件500包括2X2电子互连和分组缓冲器524，其从接收器510和512接收电子分 组、把数据分组存储在分组缓冲器中并且把分组传输到发射器518或发射器520。如上面 参考图2所描述的，这些分组由发射器518和520编码在光波中。在其他实施例中，可 以通过去除分组缓冲器并且在每个发射器518和520与2X2电子互连和分组缓冲器524 之间包括再定时逻辑以及包括交换机配置状态而修改该2X2分组交换元件500以用于电 路交换机，如上面参考图2所描述的那样。
图6示出依据本发明实施例的四个IX 1交换元件601-604和单个2X2交换元 件606。四个IX 1交换元件601-604示意性地表示上面参考图3描述的四个相邻分组交 换元件300。注意，每个1X1交换元件601-604包括对应的输入和输出谐振器组、接收 器、发射器以及电子互连和分组缓冲器，总计四个接收器、四个发射器、四个电子互连 以及总共48个谐振器。相比而言，图6也揭示了单个2X2交换元件606，其示意性地表 示2X2电路交换元件或2X2分组交换元件500。单个2X2交换元件606可以执行由四 个1X1交换元件601-604实施的相同切换操作但却只有一半数量的谐振器、接收器和发 射器。
本发明的交换元件实施例不限于上面描述的2X2交换元件。实际上，交换元件 的尺寸由光学和电子芯片内通信之间的效率的交叉点确定。在其他实施例中，交换元件 可以被增大为包括3X3、4X4、5X5或大交换元件。一般而言，MXN网络交换机具有 MXN个接收器和MXN个发射器，并且在分组网络交换机的情况下每个仲裁器需要复用 M个输入。通过针对相同数量的输入和输出波导用PXQ网络交换机替代M XN网络交 换机，其中M > P且N> Q使得P整除M和Q整除N，接收器的数量被减小到N/Q并 且每个输出仲裁器仅需要在M/P个输入之间复用。整个NXM网络交换机使用NXM/P 个接收器和MXN/Q个发射器。在分组网络交换机中，单个电子互连的使用还允许与电 子互连共享缓冲器资源从而减小MXN网络交换机的MXN个缓冲器的要求。
在某些光电子网络交换机实施例中，输入波导组和输出波导组可以被制造在两 个单独光层中。图7A示出依据本发明实施例的在两个单独光层中形成的交换元件200的 分解等距视图。输入波导202和光耦合谐振器207-212被实施在第一光层702中，并且 输出波导204、功率波导206和输出谐振器214-219被实施在第二光层704中。如图7A 所示，使用脊波导来实施输入、输出和功率波导202、204和206，并且使用下面更详细11描述的微环谐振器来实施输入谐振器207-212和输出谐振器214-219。在其他实施例中， 输入波导组和输出波导组可以被实施在单个光层中。图7B示出依据本发明实施例的在单 个光层706中形成的交换元件200的等距视图。分别在输入波导202与输出和功率波导 204和206之间的交点708和710处发生很少的串扰。
通过使用集成光IO结构进行芯片间通信，本发明的交换机实施例能够缩放至比 纯电子交换机更大的带宽和交换机尺寸。这些比以相同数据速率操作的等效电子IO消耗 更少的功率。使用由芯片上光互连连接的较小电子交换机阵列的分层的内部结构的使用 避免了对冗长的芯片上电子互连的需要，同时优化了光电和电光转换器的使用。当与纯 光学交换机相比时，本发明的光电子网络交换机由于具有实施分组交换和缓冲的能力而 更加灵活，这种灵活性是许多通用计算应用所要求的。
微环谐振器和脊波导
在某些系统实施例中，波导202、204和206可以是脊波导，并且谐振器可以是 微环谐振器。图8A示出依据本发明实施例配置的且设置在衬底806表面上的微环谐振 器802和相邻脊波导804的一部分的等距视图。当沿波导804传输的光信号满足如下谐 振条件时，该光信号从波导804渐逝地耦合到微环802中
neflC = m λ
其中nefr是微环802的有效折射率，C是微环802的周长，m是整数，并且λ是 光信号的波长。换言之，波长为波长λ的整数倍的光信号从波导804渐逝地耦合到微环 802 中。
图8Β示出图8Α所示的微环802和波导804的透射率与波长的关系的曲线图。 水平线808表示波长轴，垂直线810表示透射率轴，并且曲线812表示在某个波长范围内 的通过微环802的光信号的透射率。通过微环802的光信号的透射率由下式定义
rJ-f-iIn
其中Im是在到达微环802之前沿波导804传播的光信号的强度，且I。ut是在通过 微环802之后沿波导804传播的光信号的强度。透射率曲线812的最小值814和816对应 于具有波长ιηλ和(m+l) λ的光信号的零透射率并且仅表示许多规则地间隔的最小值中 的两个。这些光信号满足上面的谐振条件，被认为与微环802 “强谐振”，并且从波导 804渐逝地耦合到微环802中。在波长ιηλ和(m+l) λ周围的狭窄波长区域中，透射率 曲线812揭示出随着光信号的波长离波长ιηλ和(m+l) λ越来越远，透射率急剧增加。 换言之，光信号的波长离波长λ的整数倍波长越远，谐振的强度降低并且从波导804耦 合到微环802中的光信号的部分减少。具有在区域818-820中的波长的光信号基本不受 干扰地通过微环802。
由于微环谐振器的渐逝耦合属性，微环谐振器可以用来检测沿相邻波导传输的 特定光信号，或者微环谐振器可以用来把特定波长的光信号从一个相邻波导耦合到另一 个相邻波导中。图9Α示出依据本发明实施例的被用作光电检测器的微环谐振器802。具 有与微环802谐振的波长的光信号从波导804渐逝地耦合到微环802中并且在一段时间内 保持被捕获同时在波导802内循环。检测器902设置在与微环802相邻的衬底806的表 面上。检测器902吸收在微环802内循环的光信号并且把该光信号转换成可以通过信号线传输到电子设备的电子信号。检测器902可以由锗(“Ge”)或者任何其他合适的光 吸收元素或化合物组成。图9B示出依据本发明实施例的用于把光信号从波导804耦合到 第二波导904中的微环谐振器802。具有与微环802谐振的波长的光信号从波导804渐逝 地耦合到微环802中。光信号在微环802内循环并且渐逝地耦合到波导904中。注意， 光信号在一个方向上沿波导804传输并且耦合到第二波导904中的光信号在相反方向上传 输。
可以通过用适当的电子施主和电子受主原子或杂质掺杂包围微环802和波导804 的衬底806的区域来电子调节微环802。图10示出依据本发明实施例的包围微环802和 脊波导804的掺杂区的示意图和顶视图。在某些实施例中，微环802包括本征半导体。 P型半导体区域1001可以形成在微环802内部的半导体衬底中，且η型半导体区域802和 803可以形成在包围微环802外部的半导体衬底806中并且形成在波导804的相对侧上。 P型区域1001和η型区域1002和1003形成在微环802周围的p-i_n结。在其他实施例 中，掺杂剂可以被颠倒以便在微环802内部的衬底中形成η型半导体区域1001和在包围 微环802外部的衬底中形成ρ型半导体区域1002和1003。
电子可调的微环802可以被配置成当向包围微环的区域施加适当的电压时渐逝 地耦合或转向来自相邻波导的光。例如，电子控制的微环802可以被配置成具有周长C和 有效折射率η:以致沿波导804传播的具有波长λ的光信号如下所示不满足谐振条件
n'effC * mX
这个光信号不受干扰地通过微环802并且微环802被认为“关断”。另一方面， 微环802可以用合适的材料形成以便当向微环802施加适当的电压时有效折射率nef/偏 移到折射率值Iidr并且光信号满足谐振条件
neflC = m λ
光信号现在从波导804耦合到微环802并且微环802被认为“接通”。当电压 随后被“关断”时，微环802的有效折射率偏移回到ne/并且相同的光信号沿波导804 不受干扰地传播。
光子晶体和谐振腔
在某些系统实施例中，光电子网络交换机可以使用二维光子晶体来实施，其中 波导是光子晶体波导并且谐振器是谐振腔。光子晶体是由具有电介质属性的两种或更多 不同材料组成的光子器件，所述两种或更多不同材料当以规则模式组合在一起时可以修 改光信号的传播特性。二维光子晶体可以由制造在电介质或半导体板中的圆柱形孔的规 则晶格组成。圆柱形孔可以是空气孔或者填有与板的电介质材料不同的电介质材料的 孔。二维光子晶体可以被设计成反射指定频带内的光信号。结果，二维光子晶体可以 被设计并制造为频率带阻滤波器以阻止具有光子晶体的光子带隙内的频率的光信号的传 播。一般地，圆柱形孔的尺寸和相对间距控制光信号的哪些波长被禁止在二维光子晶体 中传播。然而，可以把缺陷引入到圆柱形孔的晶格中以产生特定局域化部件。具体而 言，可以制造也被称为“点缺陷”的谐振腔以产生暂时捕获狭窄波长范围的光信号的谐 振器。可以制造也被称为“线缺陷”的波导以传输具有处于光子带隙的波长范围内的波 长的光信号。
图11示出依据本发明实施例的形成在板1106中的光子晶体波导1102、谐振腔1104的顶视图。诸如圆圈1108之类的圆圈表示跨越板1106的高度的孔。可以通过省 略、增大或减小选择的圆柱形孔的尺寸来创建谐振腔。具体而言，通过省略圆柱形孔来 创建谐振腔1104。光子晶体波导是可以用来引导在光子晶体带隙的特定波长范围内的光 信号的光传输路径。可以通过改变在圆柱形孔的列或行内的某些圆柱形孔的直径或者通 过省略圆柱形孔的行或列，来制造波导。通过省略整行圆柱形孔来创建波导1102。包围 谐振腔1104和波导1102的孔形成二维布拉格反射镜，其暂时捕获在光子晶体带隙的频率 范围内的光信号。分支波导的网络可以用来在通过光子晶体的众多不同的路径中引导光 信号。沿波导传播的电磁信号的直径可以小至λ/3η，其中η是板的折射率，而谐振腔的 谐波模体积可以小至2 λ /3η。
波导和谐振腔在防止光信号逃逸到直接包围波导和谐振腔的区域中方面可能不 是100%有效。例如，沿波导传播的在光子带隙中的频率范围内的光信号也倾向于扩散到 包围波导的区域中。进入包围波导1102或谐振腔1104的区域的光信号在称作“渐逝” 的过程中经历振幅上的指数衰减。结果，谐振腔1102位于波导1102的短距离内以允许 由波导1104承载的光信号的特定波长从波导1102渐逝地耦合到谐振腔1104，如方向箭 头1110所示。取决于谐振腔1104Q因子，提取的光信号可以保持捕获在谐振腔1104中 并且谐振一段时间。
图12Α示出依据本发明实施例配置的谐振腔1202和部分板1204。通过省略圆 柱形孔来创建谐振腔1202。谐振腔1202的直径以及包围谐振腔1202的圆柱形孔(诸如 圆柱形孔1206)的模式和直径可以被选择成把光信号的特定波长暂时捕获在谐振腔1202 内。板1204位于玻璃衬底1208之上。如图12Α所示，在某些实施例中，板1204可以 由夹在ρ型半导体层1212和η型半导体层1214之间的本征层1210组成，从而形成p-i-n 结谐振腔1202。
图12B示出依据本发明实施例配置的第一电子可调的谐振腔的截面图。谐振腔 1202夹在两个电极1220和1222之间。板1204可包括p-i_n结层1210、1212和1214或 者单个电介质或半导体层。在谐振腔1202上施加电压改变谐振腔1202的有效折射率， 这可以使谐振腔1202偏移成与在附近波导(未示出)中传播的光信号的特定波长谐振或 不谐振。
图12C示出依据本发明实施例配置的第二电子可调的谐振腔的截面图。谐振腔 1202夹在两个电极12 和12 之间。板1204也可包括pin层1210、1212和1214或者 单个层(诸如单个电介质或半导体层)。在谐振腔1202上施加电压改变谐振腔1202的有 效折射率，这可以使谐振腔1202偏移成与在附近波导(未示出)中传播的光信号的特定 波长谐振或不谐振。
在某些实施例中，通过与谐振腔相邻地放置诸如上面描述的检测器902之类的 检测器，谐振腔可以被操作为电子可调的光电检测器。
注意，本发明的系统实施例不限于微环谐振器和光子晶体谐振腔。在其他实施 例中，可以使用可以被配置成与沿波导传播的光信号的特定波长耦合的任何合适的谐振ο
出于解释的目的，前面的描述使用具体术语以提供对本发明的完整理解。然 而，对本领域的技术人员将显而易见的是，这些具体细节不是实践本发明所必需的。上文关于本发明的具体实施例的描述是为了说明和描述的目的而给出的。它们不旨在穷举 本发明或将本发明限制为所公开的精确形式。显然，鉴于上面的教导，许多修改和变型 是可能的。这些实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而示出和描述的， 从而使得本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适合于所考虑的特定使 用的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等效物限定。
权利要求
1.一种光电子交换机，包括 一组大致平行的输入波导；被定位成与所述输入波导大致垂直的一组大致平行的输出波导，每个输出波导与该 组输入波导交叉；以及至少一个交换元件，其被配置成把在一个或多个输入波导上传输的一个或多个光信 号切换到一个或多个交叉的输出波导上。
2.权利要求1的交换机，还包括 源波导；一组功率波导，每个功率波导光耦合到所述源波导、大致平行于该组输出波导中的 输出波导延伸并且大致垂直地与该组输入波导中的每个输入波导交叉；以及光功率源，其光耦合到所述源波导并且被配置成经由光耦合的源波导把一个或多个 连续波光信号发射到该组功率波导的每个功率波导上。
3.权利要求2的交换机，其中所述源波导和所述功率波导是脊波导或者光子晶体波导。
4.权利要求1的交换机，还包括一组输入端口，每个输入端口光耦合到该组输入波导中的输入波导并且被配置成把 所述一个或多个光信号发射到输入波导上；以及一组输出端口，每个输出端口光耦合到该组输出波导中的输出波导并且被配置成接 收在输出波导上传输的一个或多个光信号。
5.权利要求1的交换机，其中所述输入波导和所述输出波导还包括脊波导或者光子晶 体波导。
6.权利要求1的交换机，其中该组输入波导形成在第一光层中且该组输出波导形成在第二光层中。
7.权利要求1的交换机，其中该组输入波导和该组输出波导形成在单个光层中从而交 叉的输入和输出波导相交。
8.权利要求1的交换机，其中所述至少一个交换元件还包括一组电子可调的输入谐振器，每个输入谐振器光耦合到输入波导并且被配置成当向 输入谐振器施加适当的电压时耦合来自输入波导的光信号；一组电子可调的输出谐振器，每个输出谐振器光耦合到输出波导和功率波导并且被 配置成当向输出谐振器施加适当的电压时把来自功率波导的光信号耦合到输出波导上；接收器，其电子耦合到每个输入谐振器并且被配置成传输对应于从输入波导耦合的 光信号的电子信号；电子互连，其电子耦合到所述接收器并且被配置成再路由由接收器所传输的电子信 号；以及发射器，其电子耦合到所述电子互连和该组输出谐振器并且被配置成接收从电子互 连输出的再路由的电子信号并施加对应适当的电压到输出谐振器。
9.权利要求8的交换机，其中所述至少一个交换元件还包括一组检测器，每个检测器 被定位成与输入谐振器相邻并且被配置成把从输入波导耦合的光信号转换成由接收器传 输的电子信号。
10.权利要求8的交换机，其中所述电子互连还包括以下之一 直接电连接；以及电子交叉开关。
11.权利要求8的交换机，其中所述电子互连还包括用于存储数据分组的分组缓冲器.
12.权利要求8的交换机，其中谐振器还包括以下之一 微环谐振器；以及谐振腔。
13.权利要求1的交换机，其中所述端口光耦合到以下之一 处理器；存储器；电路板；服务器；存储服务器；外部网络连接；以及任何其他数据处理、存储或传输设备。
14.一种光电子交换元件，包括功率波导，其被配置成传输一个或多个连续波光信号； 输出波导，其被定位成大致平行于所述功率波导； 与所述输出波导交叉的输入波导；光电子器件，其被配置成耦合来自输入波导的一个或多个输入光信号，耦合来自功 率波导的一个或多个连续波光信号，把编码在所述一个或多个输入光信号中的信息编码 到所述一个或多个连续波光信号中以产生输出光信号，并且把输出光信号耦合到输出波 导上。
15.权利要求13的交换元件，其中所述光电子器件还包括一组电子可调的输入谐振器，每个输入谐振器光耦合到输入波导并且被配置成当 向输入谐振器施加适当的电压时耦合来自输入波导的所述一个或多个输入光信号中的一 个；一组电子可调的输出谐振器，每个输出谐振器光耦合到输出波导和功率波导并且被 配置成当向输出谐振器施加适当的电压时把来自功率波导的连续波光信号耦合到输出波 导上；接收器，其电子耦合到每个输入谐振器并且被配置成传输对应于从输入波导耦合的 该一个或多个输入光信号的电子信号；电子互连，其电子耦合到所述接收器并且被配置成再路由从接收器所传输的电子信 号；以及发射器，其电子耦合到所述电子互连和该组输出谐振器并且被配置成接收从电子互 连输出的再路由的电子信号并施加对应适当的电压到输出谐振器以便把编码在该一个或 多个输入光信号中的信息编码到所述一个或多个连续波光信号中以产生输出光信号。
16.权利要求14的交换元件，还包括一组检测器，每个检测器被定位成与输入谐振器相邻并且被配置成把从输入波导耦合的光信号转换成由接收器传输的电子信号。
17.权利要求14的交换元件，还包括用于对从电子互连传输到发射器的电子信号进行 同步的再定时逻辑。
18.权利要求8的交换机，其中所述电子互连还包括以下之一 直接电连接；以及电子交叉开关。
19.权利要求13的交换元件，其中所述波导还包括以下之一 脊波导；以及光子晶体波导。
20.权利要求13的交换机，其中谐振器还包括以下之一 微环谐振器；以及谐振腔。
全文摘要
本发明的实施例涉及光电子网络交换机。在一个实施例中，光电子交换机包括一组大致平行的输入波导；和被定位成与所述输入波导大致垂直的一组大致平行的输出波导。每个输出波导与该组输入波导交叉。光电子交换机包括至少一个交换元件，其被配置成把在一个或多个输入波导上传输的一个或多个光信号切换到一个或多个交叉的输出波导上。
文档编号G02B6/12GK102027399SQ200880129150
公开日2011年4月20日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者A·L·戴维斯, J·H·安, M·麦拉伦, N·L·宾克特, N·P·焦皮 申请人:惠普开发有限公司