本發(fā)明涉及光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，具體涉及具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片及光信號(hào)路由方法。
背景技術(shù)：
1、隨著ai算力需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)亟需高吞吐量、低功耗的交換解決方案。當(dāng)前主流方案依賴高速電交換開(kāi)關(guān)，其光/電/光（o/e/o）轉(zhuǎn)換過(guò)程需通過(guò)光收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致單次轉(zhuǎn)換功耗較高，在大規(guī)模交換系統(tǒng)中產(chǎn)生巨額能耗瓶頸。相較之下，光交換技術(shù)因免除o/e/o轉(zhuǎn)換過(guò)程，具備顯著的低功耗與高能效優(yōu)勢(shì)，且對(duì)數(shù)據(jù)比特率、調(diào)制格式和通信協(xié)議透明，成為下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。然而，傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，如基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（mzi）的架構(gòu)存在根本性局限：缺乏多波長(zhǎng)路由能力，即無(wú)法在同一架構(gòu)中并行處理波分復(fù)用（wdm）信號(hào)，極大限制帶寬利用率。
2、為了實(shí)現(xiàn)具有波長(zhǎng)路由功能的光交換網(wǎng)絡(luò)芯片，目前采用的方案是在光網(wǎng)絡(luò)芯片的輸入/輸出端增加波分復(fù)用器，首先將輸入信號(hào)的不同波長(zhǎng)進(jìn)行解離，然后將不同物理通道上的相同波長(zhǎng)信號(hào)引入同一個(gè)光交換網(wǎng)絡(luò)中，最后在輸出端進(jìn)行不同波長(zhǎng)的合并，以達(dá)到波長(zhǎng)路由的目的，但是這種方法需要將波分復(fù)用、解復(fù)用器件與多個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)配合，系統(tǒng)復(fù)雜度高，集成擴(kuò)展性差。
3、現(xiàn)有波長(zhǎng)路由光交換網(wǎng)絡(luò)方案，通常需在光交換網(wǎng)絡(luò)芯片的輸入/輸出端外置波分復(fù)用/解復(fù)用器：首先解復(fù)用輸入光信號(hào)至多個(gè)物理通道，使相同波長(zhǎng)進(jìn)入獨(dú)立的光開(kāi)關(guān)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，最后重新復(fù)用輸出。該方案導(dǎo)致三重結(jié)構(gòu)性缺陷，分別是系統(tǒng)復(fù)雜度激增：解復(fù)用器、復(fù)用器與n個(gè)（波長(zhǎng)數(shù)）獨(dú)立開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)需精確對(duì)準(zhǔn)集成；芯片面積指數(shù)級(jí)擴(kuò)張：n倍開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)復(fù)制使芯片面積至少增加n倍（含波導(dǎo)布線空間）；串?dāng)_疊加失控：多級(jí)復(fù)用/解復(fù)用器插入損耗與子網(wǎng)絡(luò)間串?dāng)_疊加，劣化整體光信噪比。這種分立式架構(gòu)嚴(yán)重制約了光交換網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性與能耗效率，亟需一種單片集成的多波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，在單一拓?fù)鋬?nèi)直接完成波長(zhǎng)-空間聯(lián)合交換。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有波長(zhǎng)路由光交換網(wǎng)絡(luò)方案存在系統(tǒng)復(fù)雜、芯片面積大以及串?dāng)_疊加的不足之處，而提供一種具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片及光信號(hào)路由方法。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案如下：
3、一種具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特殊之處在于：包括m個(gè)輸入端口、m個(gè)輸出端口、位于輸入端口和輸出端口之間依次設(shè)置的多個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元，以及分別連接相鄰波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元的多個(gè)波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)，其中，m≥2；每個(gè)所述波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元中包括多個(gè)波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)，用于進(jìn)行波長(zhǎng)選擇并輸出，每個(gè)波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)的控制端分別與外部控制電源連接；多個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元中，位于一端的波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元的各波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)的輸入端分別對(duì)應(yīng)連接m個(gè)輸入端口；位于另一端的波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元中，各波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)的輸出端分別對(duì)應(yīng)連接m個(gè)輸出端口；相鄰波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元之間的波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)通過(guò)波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行級(jí)聯(lián)；任一輸入端口輸入的光信號(hào)交替經(jīng)過(guò)多個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元和多個(gè)波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)，路由至任一輸出端口輸出。
4、進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)和/或直接相連的波導(dǎo)；
5、所述光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)設(shè)置為y×y光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，其中，y≥2；或者，所述光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)設(shè)置為錐形漸變波導(dǎo)交叉、多模干涉耦合交叉或亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)交叉中的一種。
6、進(jìn)一步地，所述波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)為2×2光開(kāi)關(guān)。
7、進(jìn)一步地，所述波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)包括平行設(shè)置的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)，以及設(shè)置于第一波導(dǎo)與第二波導(dǎo)之間且沿波導(dǎo)長(zhǎng)度方向依次排列的n組級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)；每組級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)包括j個(gè)級(jí)聯(lián)的光學(xué)微諧振器，其中，n≥1，j為偶數(shù)；
8、每組級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)中，位于兩端的光學(xué)微諧振器分別與第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)耦合。
9、進(jìn)一步地，所述第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)上分別設(shè)置有用于與對(duì)應(yīng)級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)耦合的彎曲耦合部，彎曲耦合部采用圓形彎曲、歐拉彎曲、貝塞爾彎曲或多項(xiàng)式互連圓形彎曲結(jié)構(gòu)；
10、所述波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)通過(guò)熱光效應(yīng)或電光效應(yīng)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制。
11、進(jìn)一步地，所述光學(xué)微諧振器采用微環(huán)諧振器或微盤諧振器；
12、所述j=2；
13、所述n=4；
14、所述y=2和/或y=4。
15、進(jìn)一步地，多個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元按照benes網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行級(jí)聯(lián)；
16、波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元的數(shù)量設(shè)置為個(gè)，波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量設(shè)置為個(gè)。
17、進(jìn)一步地，所述輸入端口和輸出端口分別設(shè)置為垂直光柵耦合器或端面耦合器或基于光子引線鍵合的耦合結(jié)構(gòu)；
18、所述波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)、波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)中的波導(dǎo)采用氮化硅、鈮酸鋰和/或硅材料。
19、同時(shí)，本發(fā)明還提供一種光信號(hào)路由方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：
20、步驟1，將上述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片與外部控制電源連接，同時(shí)將輸入端口分別與外部的信號(hào)輸入光纖連接，輸出端口分別與外部的信號(hào)輸出光纖連接；
21、步驟2，調(diào)節(jié)外部控制電源產(chǎn)生控制電壓，進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，選擇波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)的工作波長(zhǎng)；
22、步驟3，通過(guò)信號(hào)輸入光纖向一個(gè)或多個(gè)輸入端口分別輸入光信號(hào)，所述光信號(hào)包括至少一個(gè)波長(zhǎng)；
23、步驟4，多個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)交替經(jīng)過(guò)多個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元和多個(gè)波導(dǎo)互連網(wǎng)絡(luò)，分別路由至任一輸出端口輸出，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多或多對(duì)一的多波長(zhǎng)路由光信號(hào)傳輸。
24、本發(fā)明的有益效果：
25、1.本發(fā)明中波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元設(shè)置有多個(gè)波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)，多波長(zhǎng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)進(jìn)行波長(zhǎng)路由，實(shí)現(xiàn)任一輸入端口的任一特定波長(zhǎng)光信號(hào)獨(dú)立且互不干擾地路由至任一輸出端口，可實(shí)現(xiàn)輸入端口與輸出端口之間一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的多波長(zhǎng)路由光信號(hào)傳輸，方便應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心的光交換與光互聯(lián)。
26、2.本發(fā)明通過(guò)級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇，控制級(jí)聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)數(shù)的調(diào)整，相較現(xiàn)有的具有多波長(zhǎng)路由功能的網(wǎng)絡(luò)芯片，在較小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多的波長(zhǎng)路由，有效減小芯片面積。
27、3.本發(fā)明將波長(zhǎng)選擇性光開(kāi)關(guān)嵌入benes網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單芯片內(nèi)高集成的波長(zhǎng)-空間聯(lián)合交換，免除外置波分復(fù)用器、解復(fù)用器模塊以及冗余的交換網(wǎng)絡(luò)，大幅降低系統(tǒng)尺寸、成本與封裝復(fù)雜度，同時(shí)達(dá)成低損耗、高隔離度及可重構(gòu)的路由路徑，滿足數(shù)據(jù)中心高能效、大帶寬光互聯(lián)需求。
28、4.本發(fā)明在進(jìn)行一對(duì)一端口傳輸時(shí)，可使每一路光信號(hào)從輸入至輸出只經(jīng)歷個(gè)波長(zhǎng)路由光開(kāi)關(guān)單元和最多個(gè)光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，并使用大端口交叉器件4×4光波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了波長(zhǎng)路由路徑，因此光信號(hào)多波長(zhǎng)路由損耗更低，且光傳輸均衡性更好。
1.一種具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述具有多波長(zhǎng)路由功能的光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)芯片，其特征在于：
9.一種光信號(hào)路由方法，其特征在于，包括以下步驟：