毕业设计(论文)-支持芯片上光互连网络的多端口光路由器特性研究

本科毕业论文（设计）题目支持芯片上光互连网络的多端口光路由器特性研究学院电子信息工程学院专业通信工程年级2012级学号2姓名指导教师成绩_____________________2016年4月10日目录1758摘要 328433Abstract 317590第1章导论 430081.1研究背景 4180841.2研究现状 4281871.3未来发展与研究意义 55821第2章光开关 724192.1微环谐振器 7200782.2马赫—曾德尔光开关 824192.3光开关性能分析与对比 95821第3章多端口光路由器 1124193.1四端口光路由器 1224193.2五端口光路由器 1424193.3多端口光路由器 175821第4章多端口光路由器分析 2224194.1性能分析 2224194.2光路由器的优化 2316216第5章结论 2610102参考文献: 27支持芯片上光互连网络的多端口光路由器特性研究西南大学电子信息工程学院，重庆400715摘要：随着单个芯片上集成的处理器的个数越来越多，传统的电互连网络已经无法满足对互连网络性能的需求，需要一种新的互连方式，因此光互连网络技术应运而生。光互连作为一种新的互连方式引用到片上网络具有低损耗、高吞吐率、低延迟等无可比拟的优势。而芯片上光互连网络(ONoC,OpticalNetwork-on-Chip)是一种理想的、有望解决电互连所面临问题的芯片上多处理器间互连方式。芯片上光互连网络（ONoC）具有更高的带宽，更低的功耗和更小的延时等优点。本文介绍了国内外光学路由器的最新研究进展，着重介绍了多端口光学路由器的一般性原理，以及多端口光路由器的特性。关键词：芯片上光互连网络；多端口;光路由器；ResearchontheFeaturesofMultiportOpticalRouterThatSupportofNetworks-on-ChipLISHENGHUISchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthwestUniversity,Chongqing400715,PRChinaAbstract:Withthechipintegrationbythenumberofprocessorsmoreandmore,traditionalelectricalinterconnectionnetworkhavebeenunabletomeetthedemandoftheperformanceoftheinterconnectionnetwork.Weneedanewinterconnectionmethod,Sotheopticalinterconnectionnetworktechnologyisproduced.Asanewwayforinterconnectiontotheon-chipnetwork,opticalinterconnectionhaslowloss,highthroughputandlowdelay,etc.OpticalNetwork-on-Chip(ONoC)isaidealmethodandthereishopetosolvetheproblemoftheelectricalinterconnection,itisawaytoconnectionbetweenthechipmultiprocessors.OpticalNetwork-on-Chip(ONoC)haveahigherbandwidth,lowerpowerconsumptionandsmallerdelay,etc.Thispaperreviewsthelatestresearchprogressofopticalrouterallovertheworld,introducesthegeneralprincipleandthecharacteristicsofmultiportopticalrouter.Keywords:OpticalNetworks-on-Chip;Multipleports;opticalrouter

导论研究背景当今集成技术飞速发展，单个芯片上集成的处理器核越来越多，晶体管数目将达到几百亿个，尺寸将缩小到50纳米以下，时钟频率将达到10GHz左右[1]。传统芯片上的电互连网络（ENoC）在功耗、性能、带宽、延迟等方面遇到了瓶颈，很难满足现代通信系统对互连网络的性能要求[2,3,4]。作为一种新的互连方式，片上光互连网络(ONoC,OpticalNetwork-on-Chip)与传统的芯片上电互连网络（ENoC）相比较，芯片上光互连网络（ONoC）拥有更高的带宽，更高得吞吐率，更低的功耗和更小的延时等许多的优点[5,6]。在有绝缘衬底的硅(SOI,Silicononinsulator)芯片上集成光器件来实现连接是目前芯片上光互连最有效的方法——将激光器、调制器、光路由器和光电探测器等组成芯片上光互连网络的基本器件再集成到同一块芯片上[7,8]。这样不但能实现处理器之间的互连，而且能使互补金属氧化物半导体(CMOS)层与光层之间的连接更加充分。特别是随着近几年基于硅基CMOS光器件技术和纳米光器件技术的进步与半导体行业的发展，更进一步促使光互连有望取代电互连而成为未来主流的片上处理器间的互连方式[9]。研究现状随着CMOS集成工艺进入到纳米时代，基于56共享总线结构已经无法满足片上系统SoC(Sys—tem—on—Chip，简称SoC)系统的需要，因此有人提出用片上网络(Network—on—Chip，简称NoC)解决网络间的通信问题。其目的是将计算机网络技术移植到芯片设计中来，从体系结构上彻底解决总线架构带来的问题。目前随着电路集成度和工作频率的提高，芯片上互连线的寄生效应如寄生电容、延迟时间、信号串扰等问题变得十分显著。在功耗受限情况下，芯片的性能功耗比将会变得特别尖锐。当集成电路工作频率迅速提高至几GHz甚至更高时，常规电互连将无法高效地传输信号。因此，需要一种新的互连方式。光互连作为一种潜在的互连方法，具有许多电介质不可比拟的优点。光波在高速传递和处理时具有传输带宽高、信号问延迟低、光损耗低、抗干扰等优点。基于这种优势，提出了片上光网络(OpticalNetwork—on—Chip，简称ONoC)。在传统的片上网络NoC中，报文传输、存储和交换所产生的功耗是随着数据传输速率的增加而成平方增长的。而在片上光网络中，当光链路建立后，报文传输不再需要存储、中继等，其功耗非常低。同时，在片上光网络ONoC中有一个很好的性质一位速率透明性(BitRateTransparency)，即互连网络中的光开关的功耗和交换速率与所交换的数据报文的位速率是无关的。这是因为，光开关只有在进行状态切换的时候才会产生功耗，而一个报文在正常传输的时候，在光开关上基本没有功耗产生，光信号只是从光开关上经过。而光开关状态的切换是在相邻报文阃进行，因此在以光开关构成的光互连网络中，功耗与报文的位速率是无关的。现在硅基技术的发展基本趋于成熟，硅基高速电光调制器、硅基激光器和SiGe光电探测器等都取得了突破性进展。基于CMOS集成调制器、激光器、光波导以及光电探测器的芯片问通信技术已经被报道并且正被商业化。因此，在单晶硅上用VISI技术集成光器件(调制器、光波导、探测器、光开关)已经可行。片上光网络ONoC最早提出于2006年，用于解决片内和片间通信的功耗问题，是纳米级别的光互连网络。目前，片上光网络ONoC的主要研究集中在功耗、性能、延迟以及可靠性等领域。由于目前能进行光信息的处理但无法进行光存储，片上光网络ONoC采用了光电混合的方式实现片内通信。片上光网络ONoC的研究主要在基于总线技术和网络结构技术方面。未来发展与研究意义随着技术的进步，更多的国内外研究机构意识到了ONoC的潜能，对ONoC相关技术开展了广泛的研究和实践，为其发展起到了极大的推动作用。光互连技术是以光的波粒二相性与物质相互作用的各种现象实现数据和信号传输与交换的理论和技术[10]。ONoC与ENoC相比有明显的优势，ONoC有更高的带宽、更低的功耗以及能并行的优点。因为，第一，理论上光是一种电磁波，当光做载波时，将由几十THz左右的可用带宽来调制数据[11]；第二，利用光纤传输数据信号，光能几乎不会转化成热量损耗掉，其信号衰减和功耗都远远小于电信号；第三，光的波长很短，多个光信号之间的干涉和衍射很微弱，所以在数据传输时不会产生数据串扰，能在同一根光纤中复用不同的波长并行传输数据。随着信号频率增大，ONoC相对于ENoC的优势更加明显。在传统片上网络遇到越来越多的瓶颈时，如功耗、带宽、面积、线延时等，急需一种新的方式去解决这些问题。光互连作为一种新的互连方式引用到片上网络即片上光网络。片上光网络具有许多传统片上网络所没有的优势，如高带宽、低损耗、低传输延时等，但片上光网络也面临许多挑战，如光信号无法处理和存储等。基于Bus结构的片上网络和Torus结构的片上网络这两种网络结构各有优势，同时面临着许多困难。片上光网络作为一种新型的片上互连网络方式具有广阔的发展前景。第2章光开关硅基片上光互联网络的节点处要实现路由功能，需要一个关键的器件是微纳光开关。根据有关的研究表明，硅自身的光学特性，在一定程度上主要受其载流子的抽取和注入影响比较大。因为其响应的速度比较快，使得载流子的色散效应在光调制的领域受到了相当广泛的应用与推广。在前人发现的空穴光吸收谱与自由电子光吸收谱等一系列的实验结果的基础上，RichardA.Soref利用kramers-kroning关系对电场和载流子所产生的折射率变化进行了具体的数值分析。充分利用了载流子的抽取与载流子的注入效应，在各种不同结构中对光进行控制的行为[12]。在2004年的时候，Liu等人[13]采用了大截面的MOS结构，把硅基光调制器的速度提升到了1GHz以上，并且他的制作工艺与CMOS工艺之间相互兼容。在2005年，美国Intel公司在调制器上取得突破，将调制器的速度提升至10GHz[14]。2007年，Intel通过反偏PN结的载流子耗尽效应实现了新的调制器，这个利用反偏PN结载流子耗尽效应的调制器速度达到了40Gbit/s[15]。对调制器来说，想要实现更加高的消光比，理论上讲必须需要调制器的“关”态几乎等于零。相反对于那些输出端口数目大于1的器件，则必须尽量做到使得每个输出端口的光功率达到一致，这样器件才能够获得优越并且均匀的性能。构成大规模的开关阵列其中极其重要的单元则是1×2与2×2的光开关。特别是最近这些年中，光集成技术和光波导飞速发展，不断进步，光波导开关利用了导波光学的原理，使得信号光能够在介质光路中传输，并且通过电效应与热效应使介质的折射率产生了改变，从而达到了改变光的传播方向与控制光路的通断的效果。随着科学研究的不断深入与发现，许多不同的类型的而且适合于SOI基片上光互连的光开关从波导开关中不断衍生出来。其中，主要有载流子色散型光开关又叫做电光开关与热光开关两种。伴随着科学的进步与技术的逐渐成熟，在将来的片上光互连网络中，对光开关的要求需要更加小的大小尺寸和更加高速的开关速率与相当低的功耗。2.1微环谐振器集成微环谐振腔的概念由Marcatili在1969年提出[16]，因其具有良好的滤波性能、紧凑的器件结构和多样化的功能，是构建各种光学器件和复杂集成光子系统的理想功能单元。典型的微环谐振器(MRR)结构包含一个环形波导和两个直.波导[17]，图1(a)和(b)所示的结构中，两个直波导相互平行。图1(c)和(d)所示的另外一种典型结构中，两个直波导相互垂直并均与环形波导临近二者工作原理完全相同，图1(a)和(b)中的四个端口与图1(c)和(d)中对应端口的功能相同。图1(a)(b)平行环分别处于OFF和ON状态示意图;(c)(d)交叉环分别处于OFF和ON状态示意图Fig.l(a)(b)Mirroring-resonator-basedswitchingelementwithtwoparallelwaveguidesatOFFstateandONstate;(c)(d)mirroring-resonator-basedswitchingelementwithtwocrosswaveguidesatOFFstateandONstate在MRR中，光波由其中一个直波导输入，随后在直波导与环形波导临近处依靠实时场耦合进入环形波导。光波在MRR的环形波导中往复传输。MRR的环形波导中的光在每次经过与直波导临近的区域时，都会通过耦合作用输出，如果输入到MRR中的光波波长满足谐振条件，它将从下载端输出；若其不满足谐振条件，则将由直通端输出，谐振条件指的是光在MRR的环形波导中传输时所经历的相位等于2π的整数倍[18]，其数学表达式为β·L=m·2π。β是光场在环形波导内传输时对应的传播常数，它满足β=neff·k=neff·2π/λ，这里的k是光场在真空中传输时对应的传播常数，λ是光在真空中的波长，neff是光在波导中传输时的有效折射率，L是环形波导的周长，m为正整数，被称为谐振阶数。满足谐振条件的波长称为“谐振波长”，相邻两个谐振波长之间的间隔称为自由光谱区(FSR)。对于某一输入波长，若它满足谐振条件，则称MRR处于谐振状态，光信号从下载端输出，这一过程为“下载”。若输入波长不满足谐振条件，则称MRR处于非谐振状态，光信号从直通端输出，这一过程为“直通”。由于MRR的有效折射率neff可以通过一些物理效应进行方便的控制，包括热光效应、等离子体色散效应、克尔效应等其他电场效应，故MRR可被用来实现光的路径切换，即光开关功能。2.2马赫—曾德尔光开关硅基热光开光的传统光学结构是马赫—曾德尔干涉仪(MZI)结构。MZI结构是实现调制器、光开关和滤波器的主流结构。它在带宽及工艺制作容差方面相比于微环、布拉格光栅等谐振结构具有一定优势。MZI光开关由两个3dB耦合器和两个相移臂组成。3dB耦合器可采用Y分支结构，定向耦合器，多模干涉耦合器等。其中基于多模干涉耦合器(MMI)的MZI光开关是一种重要的类型，主要特点表现为工艺简单，成本低廉；结构紧凑，制作容差大，易于级联成大规模开关矩阵；开关时间可以达到微秒量级；并且具有带宽宽，偏振敏感度低的特点，适合于密集波分复用(DWDM)系统。2×2SOIMMI-MZI光开关由两个2×2MMI耦合器、单模相移臂和输入输出波导组成，如图2所示。为了减小光纤与波导间的耦合损耗，SOI波导通常采用大截面的脊型结构。其具体工作原理如下：当入射光从port1或者port2端口输入，经过2×2MMI耦合器后均分为强度相等、相位相同的两束光，分别耦合进两个相移臂，此时利用外加电流使相移臂内部载流子浓度分布发生变化，继而改变调制区的折射率，使得两相移臂存在相位差，两束光经过相移臂调制后产生相位差，再经过2×2MMI耦合器合束后，从port3或者port4端口输出。因此，对于2×2MMI-MZI光开关，只要控制一个相移臂的注入电流，便可以实现光路在两个输出端口问的切换，即光开关功能。图2(a)MZI光开关处于“bar”状态；(b)MZI光开关处于“cross”状态Fig．2(a)MZIopticalswitchonthe“bar”status；(b)MZIopticalswitchonthe“cross”status2.3光开关性能分析与对比MRR器件光开关状态切换功耗低，直通时插入损耗约为0.1dB，下载时插入损耗约为0.5dB。且微环谐振腔具有紧凑的器件结构，典型半径值仅为10mm，可进行大规模集成。因微环本身特有周期滤波特性，可以通过波分复用技术(WDM)实现通信容量的提升，因此在现有研究中MRR光开关被广泛采用。但由于MRR光开关属于窄带型器件,3dB带宽只有0.1nm左右，所以对于工艺和温度控制有着较高的要求,从而在调试和使用中会带来很大的不便，对工作环境要求相对高一些。MZI光开关热稳定性较高，当温度变化时MZI的两个干涉臂产生的相位差相对稳定，对输出光强造成的影响较弱。MZI器件对工艺条件和环境温度的要求较低。MZI的工作带宽通常可达几十甚至上百纳米，足以支撑单信道每秒太比特的数据传输。因而具有极高的吞吐容量，可与多种复用方式兼容，支持更多的通信信道，具备良好的网络拓展能力。但在实际采用MZI光开关构建片上光学路由器时，一般使用多阶级联的结构，光学路由器的可用光学带宽会远小于单独MZI光开关单元的工作带宽。且MZI光开关较MRR结构尺寸大(10mm×200mil1)，开关状态切换需要消耗的能量多，在现有工艺条件下,单个MZI开关插入损耗的典型值为2dB,不利于规模集成，如表l所示。PerformanceMach-ZehndermodulatorMicroringmodulatorFootprint~104mm2(Carrier-depletion)~102mm2Powerconsumption~103fJ/bit~10fJ/bitOpticalbandwidth1-100nm~0.1nmInsertionloss2dB0.1~0.5dBSensitivitytotemperatureLowHighSensitivitytofabricationLowHigh表1微环光开关与MZI光开关性能比较Table1ComparisonsoftheMRRandMZIopticalswitches未来光互连芯片对光开关的要求是更低的功耗、更小的尺寸、更高的开关速率和单信道通信容量,因此对光开关性能的进一步优化，并在光学路由器拓扑构建中更加合理地利用光开关的特性，对光学路由器性能的进一步提升具有重要意义。第3章多端口光路由器硅基光学路由器是片上光互连网络的核心器件，其基本功能是实现本地节点与多方向相邻节点的数据路由和交换。多核处理器的应用环境要求光学路由器必须同时具备高通信带宽(约Tb/s)、低电功耗(约PJ/bit),高交换速率(约0.1ns)和小尺寸(约1mm2)的特点。因此，必须优化光学路由器的拓扑结构，以降低光开关单元的数量，从而降低功耗和尺寸。目前，片上光互连的研究方案主要有基于光总线的方案[19]、基于波长路由的方案[20,21]和基于链路交换的光学路由器[22,23]的方案。由Kirman等提出的光总线方案在光网络的扩展性方面存在限制:一方面，随着总线上终端器件数量的增加，不断加剧的总线冲突必然带来网络性能的下降；另一方面，终端节点引入的总线耦合损耗也与终端数量成正比，因此单个终端器件有限的发射功率最终将限制网络的进一步扩展[24]。有一些研究组开展基于波长路由的光学路由器，利用微环谐振腔作为波长选择性调制器、处理特定波长的信号(即微环谐振腔的谐振波长)，而对非谐振波长几乎不会产生影响。使两条光学链路共用一个物理通道，信号通过波长选择性的调制器加载到特定波长上，在结构端通过固定波长的滤波器耦合到对应的光探测器利用这个特性，研究人员构建了一类利用波长进行路由的片上光互连系统，它们的共同特点是在发送端选定波长后，该波长的光信号会自动到达预先设定的目标端口。如基于波长路由的Crossbar方案[20]只需要在发送端一侧快速准确地选择发送波长即可。基于波长路由的大规模片上光网络(ONaCs)需要大量不同波长的激光光源，而且在发送端和接收端需要集成数目可观、且波长精确可控的基于微环谐振腔的器件：因此该方案不仅现实成本昂贵，而且有限的可用波长通道数也限制了该方案的可扩展性，由于不能采用波分复用技术，在多核处理器的应用环境下，不能完全体现光互连相对于电互连的优势。这三种方案中最有潜力的是基于链路交换的光学路由器方案，由于引入了片上网络的概念，该方案在增加了系统设计自由度的同时，也提高了片内光互连系统的可扩展性。现有片上光学路由器的结构主要由微纳光开关构成。其适用的片上网络主要为二维网络，这就要求每一个节点能够与周围三个节点(二维菱形网络)或四个节点(二维矩形网络)实现数据的发送和接收。因此在节点处的光学路由器需要完成在四条或五条链路之间的数据路由。美国的IBM,Intel,HP,SunMicrosystems、麻省理工大学、康奈尔大学、哥伦比亚大学与欧洲的微电子研究中心(IMEC)、比利时根特大学等著名研究机构均开展了相关研究，分别针对特定网络提出了多个光学路由器的结构。3.1四端口光学路由器2008年，美国康奈尔大学和哥伦比亚大学首次提出四端口无阻塞光学路由器概念[25]，采用四级Banyan拓扑方式，使用8个微环谐振器构建了一种4×4的全互连型光学路由器，其拓扑结构如图3(a)所示。该光学路由器的开关器件消光比达到17dB，热调谐效率为0.25nm/mW,3dB带宽0.31nm(38.5Hz)。该光学路由器能够实现双向四端u的无阻塞通信，利用231-1伪随机二进制序列(PRBS)驱动信号，验证了三个工作波长下10Gb/s的互连带宽[26]。但由于其采用了热光调制结构，开关切换速度较慢，每个微环需进行精确的温度控制，热调谐功耗为几十毫瓦，无法避免地要在系统中增加温度控制与反馈功能，因此难以从根本上解决微环方案的实用化瓶颈问题。图3(a)器件的显微镜图；(b）微环的谐振峰随热调功耗而变化，导致给定波长下光功率的变化，从而实现开关功能；（3）在1538,1546和1554nm三个波长上，10Gb/s信号传输眼图Fig.3(a)Microscopeimageoffulldevice;(b)electricpowerappliedtotheheatersshiftsthemirroringresonances,causingaswitchinthetransmittedopticalpowerofagivenwavelength;(c)10-Gb/seyediagramsforthreeexperimentalswitchconfigurationlocatedat1538,1546and1554nmIBM在2011年研制出4×4硅基全互联型光学路由器，该矩阵由6个2×2的MZI电光开关构成，理论吞吐率达12Gb/s，通过测试验证了4×10Gbit/s的全互联路由[27]。但是这种MZI光开关的集成度较低，为了使两干涉臂产生π相位差，光开关调制区长度需保证200μm以上，比微环开关尺寸大十倍以上。另外在集成过程中，工艺容差使传输带宽产生缩减，光学路由器的总传输带宽降低到7nm。图4基于6个带宽2×2MZ电光开关的四端口无阻塞光学路由器原理图使用8个微环谐振器实现了性能更加优越的四端口无阻塞光路由器[28]，微环的热调效率为5.398nW/nm，开关单元平均功耗3.887mW,光路由器的整体功耗为10.365mW。通过优化波导交又的数量与MMI的设计，使得插入报耗减小为0.4dB，单个交叉串扰小于-30dB,单链路串扰均低于-13dB，消光比均大于13.4dB。另外通过实验，利用12.5Gbit/s的2-1PRBS伪随机码，验证了光学路由器件的信号传输功能。图5(a)四端口无阻塞光学路由器原理图；(b)四端口无阻塞光学路由器的显微镜图；(e)六条链路的眼图工作波长1548.1nmFig.5(a)Schematicofthe4×4non-blockingopticalrouter;(b)micrographofthefour-portnon-blockingopticalrouter;(c)eyediagramsatcorrespondingoutputportsfor6measurablepathsatthewavelengthof1548.1nm3.2五端口光路由器五端口光学路由器是实现片上Mesh以及Torus光网络的关键器件[29,30]。香港科技大学AndrewPoon小组于2009年报道了用于二维Mesh网络的五端口Crossbar型光学路由器结构[31]，每个节点由一个微环谐振器构成采用了PIN二极管型高速电光调制结构，每个节点的开关时间约为1.2ns，实验获得了20GHz的传输通带，并验证了5Gb/s的非归零码的传输。Crossbar型拓扑方式的不足之处在于扩展能力不强，在用于大规模交换时，节点数目指数增加，为全互连网络中节点数最大的拓扑方式。同年，香港科技大学须江小组报道了损耗和串扰都得到了优化的Cygnus五端口无阻塞光学路由器、但是没有进行器件的物理实现[29]。图6(a)Cygnus原理图；(b)Crossbar原理图Fig.6(a)SchematicoftheCygnusrouter;(h)schematicoftheCrossbarrouter硅基上实现优化过的5端口无阻塞光学路由器，单链路传输带宽达到12.5Gbit/s。测试显示，微环谐振腔的直通端消光比大于21dB，下载端消光比大于16dB，3dB带宽大于0.31nm，足够保证高速光信号无误码传输。图7(b)给出12.5Gb/s的高速光信号经过五端口光学路山器West端口与其他四个端口间八条链路后的眼图。(b)图7(a)五端口无阻塞光学路由器的拓扑结构；(b)五端口无阻塞光学路由器的显微镜图；（c）五端口光学路由器西端口与其他四个端口间八条链路上12.5Gbit/s高速光信号传输实验结果Fig.7(a)Schematicofthefive-portnon-blockingopticalrouter;(h)micrographofthefive-portnon-blockingopticalrouter;(c)12.5Gbit/seyediagramsforanopticalsignalattheoutputportsforeightopticalpathsbetweenwestportandotherfourports微环谐振腔具有周期性的滤波特性，以微环谐振腔作为基本开关单元的光学路由器也可以利用该特性扩展其通信容量。后来，人们在硅基上实现了香港科技大学提出的Cygnus结构，利用12.5Gbit/s的231-1PRBS码型验证了其路由功能，并通过波长扫描的方法，验证了WDM技术可实现八个波长的信号同时传输，这使得光学路由器的数据吞吐量扩容为500Gbit/s[32]。微环谐振腔大规模集成后，仍然可以利用其滤波的周期特性实现片土波分复用系统，以提高片上光互连网络的数据吞吐量及其路由功耗的利用率。3.3多端口光路由器光学路由器的空间无阻塞性是指在任何时刻，已经建立连接的输入输出链路不影响剩余输入输出端口间的通信,通过对无阻塞光学路由器在网络中的功能的分析以及总结已有的无阻塞光学路由器的结构，得出构建无阻塞光学路由器的基本原则:从任意端口输入端口输入的光能够导向其他的任意输出端口；从某一端口的输入端输入的光不用被导向改端口的输出端口；任意一对输入输入端口链路的建立不影响其他剩余的输入输出端口链路的建立。要完成以上功能，基于1×2微环谐振腔的无阻塞光学路由器的单波导结构如图8(a)所示。对于N端口的无阻塞光学路由器。Droppoints的个数为N-2,Addpoints个数也为N-2，同时整个光学路由器需要N条相同的单波导结构。于是理论上，无阻塞光学路由器的拓扑如图8(b)所示，该拓扑结构给出了无阻塞光学路由器的理论模型，表明其内在规律，使得端口的扩展非常容易，并不只限于四端口或者是五端口。图8(a)单根波导总线结构，下载点在上载点前面；(b)N端口无阻塞光学路由器的上载点与下载点连接结构Fig.8(a)Structureofonebuswaveguidewhosedroppointsliebeforeaddpoints;(b)connectionsbetweentheaddpointsandthedroppointsofN-portnonblockingopticalrouter目前已报道的各种四端口五端口无阻塞光学路由器，均属于该普适结构的特例，并且符合该拓扑结构的连接规则，但具体的连接情况有所不同，如图9所示。图9各种光学路由器拓扑结构及对应连接规则正是具体的连接情况和Droppoints与Addpoints的连接情况相关，使得各种光学路由器的链路损耗及串扰有所不同。好的连接方式将得到较小的链路损耗和串扰。根据此理论模型，可以设计一种N端口光学路由器通用构造方法，由N根光波导和N×(N-2)个光开关构成，其中光开关既可以由微环谐振器也可以由MZI光开关构成。图10(a)为基于MZI光开关构建的N端口整体结构，图10(b)和(c)分别为基于MZI光开关构建的4、5端口光学路由器具体拓扑形式。图10(d)到(g)为基于MRR光开关构建的4、5、6、8端口光学路由器具体拓扑形式。应用上述方法构造出的不同端口数的无阻塞光学路由器可以满足多种片上光网络的不同需要。图10(a)基于MZI光开关的N端口无阻塞光学路由器，(b)N=5，(c)N=6；基于MRR光开关的N端口无阻塞光学路由器(d)N=5，(e)N=6，(f）N=7，(g)N=8Fig.l0(a)SchematicofthetheN-portnon-blockingopticalrouterbasedonMZIopticalswiches,(b)N=5,(c)N=6;non-blockingopticalrouterbasedonMRRopticalswiches:(d)N=5,(e)N=6,(7),(g)N=8多端口光路由器分析4.1性能分析微环个数决定了整个器件的面积和集成度。当光信号经微环直通、被微环下载或者经过波导交叉时，都将不可避免地引起光功率的损耗，因此平均每条链路经过的谐振微环数量、非谐振微环数量和波导交叉数量可以表征链路的平均插入损耗。由于每个谐振的微环需要电信号来控制其开关状态，因此平均每个路由状态下谐振的微环数量决定了器件所需要的平均开关功耗。已有的五端口光学路由器中，AndrewPoon教授组提出的Crossbar结构，须江教授组提出的Cygnus结构，以及利用通用构造方法构建的结构。比较结果如表3所示。在插入损耗方面的统计显示，各种结构的链路平均直通损耗与链路平均下载损耗基本相等，但每个路由状态需要的开关功耗不一样。这对于整个网络来说，降低开关功耗对真正实现片上网络的集成化是非常重要的。MRRAverageunresonatingAverageresonatingAveragecrossingAverageonnumberringpassedringpassedpassedresonanceringHKUST-Poon20314.84HKUST-Xu1630.83.14ISCAS-Min1530.7533.75ISCAS-Ji1630.83.44表3五端口光学路由器性能比较Table3Comparisonoftheproposed5-portopticalrouterwiththereported5-portopticalrouters基于单个光学路由器的链路分析能够从一个方面说明光学路由器的性能，但是将光学路由器应用到实际的网络当中进行评价则更加准确和直接。为此，采用开源的OMNET++离散事件仿真器，对片上光网络所需的器件进行建模，搭建了一个完整的片上光网络仿真平台。基于此仿真平台，构建一个16×16的mesh网络，采用XY路由算法，应用不同的五端口光学路由器，对整个网络进行仿真。跟踪了每条链路的建立与拆除.记录了其损耗与串扰，分析和比较了表3所示的四种五端口光学路由器的各项性能。图11.16×16mesh网络中不同光学路由器的仿真结果：(a)链路平均插入损耗；(b)平均光学信噪比Fig.11Simulationresultsofdifferentopticalroutersina16×16meshnetwork:(a)Averageinsertionloss;(b)averageOSNR最差的插入损耗与光学信噪比决定了网络的最大规模。图12给出了最差链路上的插入损耗和光学信噪比。Cygnus的最差链路插入损耗为37dB，较其他三种最小。Min构造的网络最差链路插入损耗为38.5dB，比Cygnus稍大在最差链路光学信噪比方面，Min的-15.5dB为四种最优，其次是Cygnus的-16.5dB和Ji的-18.5dB,最差是Poon的-36.5dB。此时最差的光学信噪比已为负值，插入损耗也达到了几十个dB,链路已经无法正常工作了，但是此两项指标可以在一定意义上衡量光学路由器在构建网络方面的性能。图12.16×16mesh网络中不同光学路由器的仿真结果:(a)链路最大插入损耗；(b)最差光学信噪比Fig.12Simulationresultsofdifferentopticalroutersina16×16meshnetwork:(a)Maximuminsertionloss;(b)worstOSNR4.2光路由器的优化以上的统计分析与网络仿真比较表明，应用通用方法构造的五端口无阻塞光学路由器性能与已有结构相比具有一定优势，但其性能不一定是最优，可以以此方法为基础，进行以下两方面的进一步优化。首先单个光开关的合理使用。微环谐振器作为1×2光开关单元时，其两种常见结构中，图1(a)和(b)所示的平行环与图(c)和(d)所示的交叉环相比，具有损耗小，串扰小的优点。但是其两个输入端不在同一方向，使得完全使用平行环来构成无阻塞光学路由器难度较大，会在其他地方引入波导交叉。因此合理地将平行环应用在光学路由器中，将提升器件在插入损耗和串扰方面的性能。另一方面，结合具体的光学路由器使用环境，对已有的光学路由器进行优化。有人提出的未来片上光电混合网络结构中，采用了SSI(StackedSiliconInterconnect)技术，利用3D集成的结构特点，将用于与处理器或者是内存相连的光学路由器端口通过TSV(ThroughSiliconVia)与下层的内存或者是CPU直接连接，该技术也是未来片上光电混合网络最有可能采用的方案。针对此方案，五端口无阻塞光学路由器中心端口可以放在光学路由器内部，甚至不需要该端口的输入和输出在一起，Cygnus光学路由器，Ji提出的光学路由器和Min提出的光学路由器的优化结构与原结构的对比示意图如图14所示以Min的结构为例，将原来中心端口的两条波导引入光学路由器内部，并用平行环取代交叉环，使交叉个数进一步减少，优化结构平均每条链路的交叉数为2.25，较没有优化之前的3要小0.75。图13.已有的光学路由器与其优化结构的对比。(a)Ji提出的光学路由器；(b)Cygnus光学路由器；(c)Min提出的光学路由器Fig.13Comparisonbetweenthereportedopticalroutersandtheiroptimizedarchitectures.(a)Ji'sopticalrouter;(b)Cygnusopticalrouter;(c)Min'sopticalrouter.第5章结论随着半导体技术的高速发展与成熟，传统的电互连带宽小、时延大、串扰大、功耗大等缺点，已经成为高速电互连进一步发展的巨大障碍。片上光互连网络，因其具有低功耗、低延时、高带宽的优势，有望成为传统电学片上网络的取代者。光学路由器作为构建片上光网络的核心器件，其性能直接决定了整个网络的规模和可靠性。因此针对低损耗、低串扰、低功耗的光学路由器的研究具有重要的学术价值和现实意义。对光开关单元性能的优化，减小单个器件的插损和串扰，降低其开关与调谐功耗，降低其对工艺和温度的敏感性，促进片上光网络规模集成将是进一步的发展趋势。参考文献:Gargini,P.(2000).TheInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors(ITRS):Past,presentandfuture.GalliumArsenideIntegratedCircuitSymposium:22ndAnnualTechnicalDigest.54(4),3-5.Briere,M.,&Drouard,E.,&Mieyeville,F.(2005).Heterogeneousmodelingofanopticalnetwork-on-chipwithsystemc.RapidSystemPrototyping.10(16),8-10.Fujikata,J.,&Nishi,K.,&Gomyo,A.(2008).LSIon-chipopticalinterconnectionwithSinano-opticals.IEICETransactionsonElectronics.91(2),131-137.Driessen,A.,&Geuzebroek,D.H.,&Kleine,J.(2006).Opticalnetworkcomponentsbasedonmicroringresonators.TransparentOpticalNetworks.1(2),210-215.Yang,Q.,&Bergman,K.,&Hughes,G.D.(2001).WDMpacketroutingforhigh-capacitydatanetworks.JournalofLightwaveTechnology.2001(19),1420-1426.Shacham,A.,&Small,B.A.,&Mack,J.P.(2004).Anultra-lowlatencyroutingnodeforopticalpacketinterconnectionnetworks.IEEElasersandelectro-opticssociety17thannualmeeting.23(2),565-566.程勇鹏，陈少武.Si硅基芯片光互连研究进展[J].纳米器件与技术，2009，46(11)：649-655.刘柳，周习.基于硅基片上光互连技术[J].华南师范大学学报，2012，44(2)：1-7.Xu,Q.,&Schmidt,B.,&PradhanS.(2005).Micrometer-scalesiliconelectro-opticmodulator.Nature.435(7040),325-327.张以谟．光互连网络技术[M]．北京：电子工业出版社，2006．Agrawal,G.P.(2002).Fiber-opticCommunicationSystems.NewYork:JohnWileyandSons.SorefRA，BennettBR．E1ectroopticalefectsinsilicon[J]．IEEEJournalofQuantumElectronics，1987，23(1)：123—129．ASLiu，RJones，LLiao，eta1．．Ahigh—speedsiliconopticalmodulatorbasedonametal—oxide—semiconductorcapacitor[J]．Nature，2004，427(6975)：615—618．LLiao，DSamara—Rubio，MMorse，eta1．．HighspeedsiliconMach—Zehndermodulator[J]．OptExpress，2005，13(8)：3129—3135LLiao，ALiu，DRubin，eta1．．40Gbi~ssiliconopticalmodulatorforhighspeedapplications[J]．ElectronLett，2007，43(22)：l196—1197EAJMarcatili．Bendsinopticaldielectricguides[J]．TheBellSystemTechnicalJournal，1969，48(7)：2103—2132JohnA．Wheeler．Onthemathmeticaldescriptionoflightnucleibythemethodofresonatinggroupstructure[J]．PhysRev，1937，52(11)：1107—1122．JHeebner，RGrover，TAIbrahim．OpticalMicroresonators：Theory，Fabrication，andApplications[M]．Berlin：Springer，2008．NKirman，MKirman，RKDokania，eta1．．On—chipopticaltechnologyinfuturebus—basedmulticoredesigns[J]．IEEEMicro，2007，27(1)：56—66．LJZhou，SSDjordjevic，RProietti，eta1．．Designandevaluationofanarbitration—freepassiveopticalcrossbarforon—chipinterconnectionnetworks[J]．ApplPhysA，2009，95(4)：11ll—l118．AKazmierczak，WBogaerts，EDrouard，eta1．．Highlyintegratedoptical4×4crossbarinsilicon—on—insulatortechnology[J]．JLightwaveTechnol，2009，27(16)：3317—3323．HXGu，KHMo，JXu，e口Z．．Alow—powerlow—costopticalrouterforopticalnetworks—on—chipinmultiprocessorsystems—on—chip[J]．2009IEEEComputerSocietyAnnualSymposiumonVlsi，2009：19—24．AWPoon．FXu．XSLuo．Cascadedactivesiliconmicroresonatorarraycross-connectcircuitsforWDMnetworks—on—chip[C]．SPIE，2008，6898：689812．AShacham，KBergman，LPCarloni．Photonicnetworks—on—chipforfuturegenerationsofchipmultiprocessors[J]IEEETransactionsonComputers，2008，57(9)：1246—1260NSherwood—Droz，HWang，LChen，eta1．．Optical4x4hitlesssiliconrouterforopticalnetworks—on—chip(NoC)[J]．OptExpress，2008，16(20)：15915—1522．ABiberman，BGLee，NSherwood—Droz，etal—BroadbandoperationofnanophotOnicrouterforsiliconphotonicnetworks—on—chip[J]．IEEEPhotonTechnolLett，2010，22(12)：926—928．MYang，WMJGreen，SAssefa，eta1．．Non—blocking4×4electro—opticsiliconswitchforon—chipphotonicnetworks[J]．OptExpress，2011，19(1)：47—54．RQJi，LYang，LZhang，eta1．．Microring—resonator—basedfour—portopticalrouterforphotonicnetworks—on—chip[J]OptExpress，2011，19(20)：18945—18955．HXGu，KHMo，JXu，a1．．Alow—powerlow—costopticalrouterforopticalnetworks—on—chipinmultipr0cessorsystems—on—chip[C]．ProcIEEEComputSocAnnuSymp，2009：19—24．AJoshi，CBatten，YJKwon，eta1．．Silicon—photonicclosnetworksforglobalon—chipcommunication[C]．Proc3rdACM／IEEEIntSympNetwork—on—Chip．2009：124—133．AWPoon，XSLuo，FXu，eta1．．Cascadedmicroresonator—basedmatrixswitchforsiliconon—chipopticalinterconnection[J]．ProcIEEE，2009，97(7)：1216—1230．RQJi，JXu，LYang．Five—portopticalrouterbasedonmicroringswitchesforphotonicnetworks—on—chip[J]．IEEEPhotonTechnolLett，2013，25(5)：492—495．致谢:在论文即将完成之际，首先感谢我的指导老师解宜原老师。本研究及论文是在我的导师解宜原教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在此，谨向解老师的细心指导与督促、谅解与包容表示由衷的感谢。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。从各位学者的研究成果中，我得到了很大的启发和帮助。同时，我还要感谢身边的朋友，从开始进入课题到论文的顺利完成，给予我极大的帮助，没有大家的关心和支持，本次研究工作难以完成。此外，感谢我亲爱的家人，没有他们辛勤的付出和支持也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统\