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用于光互连的基于硅纳米线的阵列波导光栅路由器的研究

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用于光互连的基于硅纳米线的阵列波导光栅路由器的研究

作者：陈冠廷浙江大学

学位级别：硕士

基于光互连的高性能计算机和数据中心是近年来国际科学界的一个热点研究方向,其研究目标是通过采用全光的数据传输、通信及路由,突破现有的电子互连网络的瓶颈,实现高性能、高可扩展性、低功耗以及低延迟时间的光互连网络,从而满足未来... 详细信息

基于光互连的高性能计算机和数据中心是近年来国际科学界的一个热点研究方向,其研究目标是通过采用全光的数据传输、通信及路由,突破现有的电子互连网络的瓶颈,实现高性能、高可扩展性、低功耗以及低延迟时间的光互连网络,从而满足未来数据通信网络的需求。基于硅纳米线的阵列波导光栅路由器被普遍认为是下一代高性能计算机和数据中心光互连架构的核心光无源器件。一方面,基于硅纳米线波导的阵列波导光栅具有结构紧凑、性能稳定、性价比高以及与CMOS工艺兼容等优势;另一方面,以N×N的矩阵形式构成的阵列波导光栅路由器,能够在不同信道同时传输N路信号,具有高带宽和很好的可扩展性。再加上其易与其他光器件集成,构成多功能器件和系统的优点,因而,硅纳米线阵列波导光栅路由器可以充分满足下一代高性能计算机和数据中心光互连的需求。近几年来,国内外对硅纳米线阵列波导光栅路由器的研究主要是针对细波分复用(DWDM,波长间隔为0.8nm和3.2nm)光互连的应用,对应用于粗波分复用(CWDM)光互连的阵列波导光栅路由器的研究尚属空白。因此,本文对工作于1550nm波段,通道间隔为5nm、10nm以及20nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器进行了设计、制作及测试的整个工程体系的研究。文章首先详细地介绍了阵列波导光栅。介绍了阵列波导光栅的基本原理,包括它的几何结构、工作原理和基本特性。然后,介绍了基于硅纳米线的阵列波导光栅的研究历程,介绍了基于其他材料平台的阵列波导光栅,包括基于硅基二氧化硅的阵列波导光栅、基于磷化铟的阵列波导光栅、基于氮化硅的阵列波导光栅等,并对不同材料平台的阵列波导光栅的性能和特点进行了比较。接着,基于光互连对光子器件温度不敏感的要求,文章分析了温度对阵列波导光栅中心波长的影响。同时,分别介绍了硅基二氧化硅无热阵列波导光栅和硅纳米线无热阵列波导光栅的研究现状。此外,针对硅纳米线无热阵列波导光栅的阵列波导的制作容差较小这一问题,我们提出一种引入输入/输出自由传输区作为温度补偿区域的方法,增加一个或多个自由度,提高了阵列波导宽度的制作容差。然后,文章介绍了阵列波导光栅路由器的研究历程,介绍了在本论文的研究工作进行的同时,国内外同行对硅纳米线阵列波导光栅路由器的研究进展。随后,我们探讨了硅纳米线阵列波导光栅路由器的基本设计方法,以一个4×4通道间隔为10nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器作为设计实例,研究了其基本的设计流程和数值仿真方法。此外,文章分析了当硅纳米线阵列波导光栅路由器的自由光谱范围较大时,边缘通道的输出波长出现较大频率偏差的问题。紧接着,文章介绍了硅纳米线阵列波导光栅路由器掩膜设计方法,开发了一套硅纳米线阵列波导光栅路由器的制作流程,详细研究了光刻工艺、硅深刻蚀工艺等关键工艺。此外,我们采用端面耦合法和光栅耦合法,搭建了两套硅纳米线阵列波导光栅路由器的测试系统。文章对制作的通道数为4和8,通道间隔为5nm、10nm和20nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器进行了测试,器件的损耗在2.5dB与6dB之间,串扰在-12dB与-18dB之间,具有较好的性能。同时,文章以4×4通道间隔为10nm的硅纳米线阵列波导光栅路由器为例,分析了阵列波导光栅路由器的路由特性,制作的硅纳米线阵列波导光栅路由器均具有较好的路由性能。最后,对文章进行总结,并对硅纳米线阵列波导光栅路由器下一步的研究进行展望。

关键词：高性能计算机数据中心光互连硅纳米线阵列波导光栅路由器温度不敏感半导体工艺

用于光交换的硅基二氧化硅AWGR的设计与研究(特邀)

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光通信研究 2024年第5期 19-24页

作者：李奕璇钱灏泽张世成薛旭伟郭秉礼黄善国北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室北京100876

【目的】以N×N矩阵形式构成的阵列波导光栅路由器(AWGR)具有光学并行和波长路由能力,能在不同信道上同时传输N路信号,具有扩展性好、延时低和频带宽等优势,结合可调谐光源能实现快速光交换,是下一代光交换数据中心网络的潜在技术方案... 详细信息

【目的】以N×N矩阵形式构成的阵列波导光栅路由器(AWGR)具有光学并行和波长路由能力,能在不同信道上同时传输N路信号,具有扩展性好、延时低和频带宽等优势,结合可调谐光源能实现快速光交换,是下一代光交换数据中心网络的潜在技术方案之一。为了解决现有AWGR在实际应用中存在的串扰大、有额外耦合损耗、偏振敏感和损耗非均匀性大等问题,进一步扩大数据中心规模和提升数据交换速度,文章分别对4×4和12×12通道的AWGR进行了研究。【方法】文章通过仿真软件进行基本设计参数的计算,分析研究了AWGR设计流程,并采用光束传播法(BPM)进行了仿真模拟。同时,采用在平板波导和条形波导连接处加入锥形波导taper结构和增大输入、输出波导间距等方法进行了性能优化。【结果】仿真结果得到良好的性能参数:4×4 AWGR插入损耗为-0.714 dB,串扰为-35.556 dB,损耗非均匀性为1.907 dB;12×12 AWGR插入损耗为-0.294 dB,串扰为-36.019 dB,损耗非均匀性为3.428 dB。文章制作设计器件流片并进行了性能测试,结果表明:4×4 AWGR插入损耗为-2.586 dB,串扰为-29.473 dB,损耗非均匀性为1.921 dB;12×12 AWGR插入损耗为-3.692 dB,串扰为-23.874 dB,损耗非均匀性为3.873 dB。【结论】文章的研究在串扰和损耗非均匀性等方面进行了性能优化,为后续设计迭代和进一步提升性能参数积累了经验。

关键词：波分复用光交换阵列波导光栅路由器复用器/解复用器

基于AWGR的OCS/EPS数据中心光电混合网络

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计算机学报 2016年第9期39卷 1868-1882页

作者：臧大伟曹政王展刘小丽付斌章孙凝晖中国科学院计算技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100190

随着云计算和大数据应用技术的发展,数据中心的数量和规模迅速发展,为了满足服务器之间大规模数据流动的需求,数据中心网络的通信能力面临巨大的挑战.传统数据中心中,网络的路由交换设备一般仅采用电域交换技术,电域交换技术虽然可以快... 详细信息

随着云计算和大数据应用技术的发展,数据中心的数量和规模迅速发展,为了满足服务器之间大规模数据流动的需求,数据中心网络的通信能力面临巨大的挑战.传统数据中心中,网络的路由交换设备一般仅采用电域交换技术,电域交换技术虽然可以快速地、灵活地切换数据包的传输路径,但其本身存在通信带宽低、交换容量有限、高能耗等缺点.为了提高数据中心网络的性能、降低网络的能耗,最近的研究提出了若干基于慢速路径切换光器件的光电混合网络结构.它们通常只能将小部分数据量非常大的网络流放在高带宽的光网络上传输,其他的网络流仍然需要电域网络传输.随着快速可调波长激光器以及光波长路由器件的成熟,使光电混合网络结构灵活应对动态、多样的流量模式成为可能.该文基于快速可调波长激光器TWC(Tunable Wavelength Converters)和光波长路由器AWGR(Arrayed-Waveguide Grating Router),首次提出了一种OCS(Optical Circuit Switching)/EPS(Electrical Packet Switching)光电混合网络结构Ace-net.在文中详细描述了光电混合网络的结构以及带宽测量、仲裁控制、流量分配等机制,这些机制利用TWC器件快速波长变换的特性,能快速地应对网络流量的变化,使更多的网络流量在光域网络上传输;同时使用模拟器对此结构进行了评测,模拟结果表明此网络结构具有很好的网络性能.

关键词：数据中心网络光电混合网络阵列波导光栅路由器光线路交换

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基于波长路由的光真延时模块

光学学报 2017年第2期37卷 220-225页

作者：陈阳郎婷婷何建军浙江大学光电科学与工程学院浙江杭州300027 中国计量大学光学与电子科技学院浙江杭州300027

设计并制作了一种全集成的基于波长路由的光真延时(OTTD)模块。该模块由两个相同的通道间隔为1.6nm的16×16阵列波导光栅路由器(AWGR)与一组波导延时线阵级联而成。测试结果表明该模块性能优异,工作波长通道间串扰小于-27dB,光纤端到端... 详细信息

设计并制作了一种全集成的基于波长路由的光真延时(OTTD)模块。该模块由两个相同的通道间隔为1.6nm的16×16阵列波导光栅路由器(AWGR)与一组波导延时线阵级联而成。测试结果表明该模块性能优异,工作波长通道间串扰小于-27dB,光纤端到端峰值波长的插入损耗约为12dB。采用矢量网络分析仪测试得到延时线阵提供的光延时步长为(6.24±0.4)ps。该模块中两个阵列波导光栅路由器及延时线阵均被集成在一块硅基片之上,并且都由二氧化硅(SiO_2)波导制作而成,整个器件尺寸为3.5cm×3.5cm。

关键词：光学器件集成光器件光真延时光控相控阵雷达阵列波导光栅路由器

基于AWGR的光电混合数据中心网络性能分析

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华中科技大学学报（自然科学版） 2015年第5期43卷 79-83页

作者：蔡岳平周丽罗森重庆大学通信工程学院重庆400030

提出了基于阵列波导光栅路由器(AWGR)的混合光波长路由与电分组交换的数据中心网络架构HWRE,并对其光源部署方案进行了设计与分析.对HWRE架构的网络性能,如分组端到端时延、网络吞吐量和波长请求阻塞率等,进行了理论分析与仿真实验.分... 详细信息

提出了基于阵列波导光栅路由器(AWGR)的混合光波长路由与电分组交换的数据中心网络架构HWRE,并对其光源部署方案进行了设计与分析.对HWRE架构的网络性能,如分组端到端时延、网络吞吐量和波长请求阻塞率等,进行了理论分析与仿真实验.分组端到端时延的分析基于M/G/1排队模型,分析结果显示相比其他架构,HWRE的分组端到端时延较低.对网络吞吐量和波长请求阻塞率的分析基于HWRE架构的三种光源部署方案,即全固定波长激光器方案、混合固定波长激光器和波长可调谐激光器方案以及多波长光源方案.仿真结果显示基于多波长光源方案的HWRE架构具有较低的波长请求阻塞率和较高的网络吞吐量.

关键词：数据中心网络光电混合架构阵列波导光栅路由器 M/G/1排队系统光波长路由

二维CWH-M矩阵在空频OCDMA网络中的应用

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电子科技大学学报 2005年第S1期34卷 913-916页

作者：周熹邱昆张崇富电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室

对一种新的补沃尔什哈达码-M(CWH-M)二维码,在空频二维OCDMA系统中的应用进行了研究, 实现了该码字的编解码方案和系统设计．理论分析得到该二维码在理论上可以实现完全正交,彻底消除多用户干扰．仿真结果表明了基于CWH-M二维码OCDMA系... 详细信息

对一种新的补沃尔什哈达码-M(CWH-M)二维码,在空频二维OCDMA系统中的应用进行了研究, 实现了该码字的编解码方案和系统设计．理论分析得到该二维码在理论上可以实现完全正交,彻底消除多用户干扰．仿真结果表明了基于CWH-M二维码OCDMA系统性能比采用一维编解码方案和采用简单开关控制的二维编解码方案有了显著提高。

关键词：补沃尔什哈达码-M矩阵阵列波导光栅路由器多用户干扰光码分多址系统

基于AWGR的光电混合交换高性能计算互连网络

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微电子学与计算机 2019年第8期36卷 19-24页

作者：王昭裴秉玺何卫锋上海交通大学微纳电子学系

为了满足高性能计算机中互连网络的高吞吐量、低延迟需求,本文基于阵列波导光栅路由器(AWGR),提出了一种低延迟的光电混合交换的互连网络结构.该网络以"天河二号"超级计算机的互连网络拓扑结构为基础,使用无竞争阻塞的AWGR替代了部分电... 详细信息

为了满足高性能计算机中互连网络的高吞吐量、低延迟需求,本文基于阵列波导光栅路由器(AWGR),提出了一种低延迟的光电混合交换的互连网络结构.该网络以"天河二号"超级计算机的互连网络拓扑结构为基础,使用无竞争阻塞的AWGR替代了部分电路由器,通过改进设计电路由器的光端口来实现与原有高阶路由器内部的电交换方式兼容.在此基础上,使用OMNeT++软件框架编写了新的光电混合交换网络的仿真模型.仿真结果表明,与原始网络相比,光电混合交换网络的总延迟降低了8%~10%.

关键词：高性能互连网络阵列波导光栅路由器光分组交换网络延迟

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两种高吞吐量低延迟光数据中心网络架构研究

光通信研究 2020年第6期6期(19)卷 17-20,76页

作者：熊丽婷张绍彪揭吁菡华东交通大学理工学院南昌330100

针对电数据中心网络(DCN)延迟高和吞吐量低等问题,文章提出了两种无源光DCN架构,一种针对小型DCN,一种针对大型DCN。两种架构均采用了阵列波导光栅路由器(AWGR)、耦合器和解复用器等无源光器件,并针对每种规模的架构给出了波长分配和分... 详细信息

针对电数据中心网络(DCN)延迟高和吞吐量低等问题,文章提出了两种无源光DCN架构,一种针对小型DCN,一种针对大型DCN。两种架构均采用了阵列波导光栅路由器(AWGR)、耦合器和解复用器等无源光器件,并针对每种规模的架构给出了波长分配和分组传输方法。仿真结果表明,与电DCN(如Fat-tree和扁平蝶(FBFLY)网络)相比,所提方法具有更低的延迟和更高的吞吐量。而与其他光互连架构(如数据中心光开关(DOS)和Petabit)相比,其性能大致相当,分组延迟低于18μs,但成本更低。

关键词：数据中心网络阵列波导光栅路由器波长分配延迟吞吐量

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基于ZYNQ的分布式光交换系统设计

基于ZYNQ的分布式光交换系统设计

作者：王姗姗浙江大学

学位级别：硕士

随着互联网5G时代的到来,数据中心需要不断提高集中处理大批量业务的能力,网络在架构以及实现方法上需要做出更新和优化来提高自身的传输速率、传输带宽和传输延迟。本文介绍了基于ZYNQ（Zynq-7000 All Programmable So C,Zynq-7000全... 详细信息

随着互联网5G时代的到来,数据中心需要不断提高集中处理大批量业务的能力,网络在架构以及实现方法上需要做出更新和优化来提高自身的传输速率、传输带宽和传输延迟。本文介绍了基于ZYNQ（Zynq-7000 All Programmable So C,Zynq-7000全可编程片上系统）技术平台的分布式光交换系统,开展了从上位机到嵌入式设备的完整开发。整个系统采用可拓展的分布式光网络拓扑结构,实现了全光交换,再结合25G可调谐光模块和循环阵列波导光栅路由器,应用基于秒级或者数百毫秒级的业务交换,主要研究内容如下:（1）设计并制作了基于可调谐光模块和循环阵列波导光栅路由器的一套完整的分布式光交换系统,开局时可自动感知全局波长状态,进行智能波长配置,根据节点流量需求自动捆绑波长传输,且每个端口可反馈未连接信息（断纤或插拔模块）。系统可以多节点互联,每个节点有16个网络端口且可扩展为32端口实现最高800G高速业务收发,结合调顶业务实现节点间互联构建反射通路,实现灵活拓展和波长重构的网络架构。（2）相比于传统交换机利用MCU（Microcontroller Unit,单片微型计算机）和FPGA（Field Programmable Gate Array,可编程逻辑门阵列）外部互联的实现方式,本系统采用ZYNQ作为主控,以双核ARM Cortex-A9处理器为核心,FPGA可编程逻辑为外设,充分利用全可编程So C（System on Chip,片上系统）的特性,实现软硬件之间的协同工作。交换机采用并行数据处理,整体交换性能提高16倍做到1ms内的任务交换且PL（Programmable Logic,可编程逻辑）与PS（Processing System,处理系统）端数据交换带宽最高可达Gbit/s,远高于外部采用PCIE（Perpheral Component Interconnect Express,周边元件高速互联）总线互联的数据带宽。（3）设计了包含系统板级硬件电路和利用Verilog HDL（Hardware Description Language,硬件描述语言）设计封装的IP（Intellectual Property,知识产权）核,可实现电源、网口、DDR内存（Double Data Rate,双倍数据流）、25G高速信号、控制系统外围配置等板级电路的设计和曼彻斯特解码、中断控制逻辑和系统同步触发控制等功能IP设计。进行了基于Free RTOS（Free Real Time Operating System,免费实时操作系统）的嵌入式软件开发,采用C语言向上通过TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/网际协议）完成与顶层应用程序的命令帧数据交互,向下通过内部AXI（Advanced e Xtensible Interface,高级可拓展接口）总线完成与逻辑端的调顶信号数据交互,完成了嵌入式交换设备的样机开发。

关键词：分布式交换可调谐激光器阵列波导光栅路由器光交换机