基于SPPs的光片上网络微纳器件研究

【摘要】：随着下一代多处理器系统芯片的设计趋势,片上网络需要数千种处理器件的集成,这就需要高性能器件来为高吞吐量和低延迟通信提供保障。传统的片上网络采用电信号来传输信息,电信号之间接口性能对片上网络的信息传输速率有着很强的限制,并可能影响网络级联后的功耗等。光片上网络(Optical Network on Chip,ONoC)具有大信道容量、高数据传输率、低能耗,与传统的电互连相比是一种很有前途的解决方案。在高度集成的光片上网络中,光子器件是光片上网络设计中不可缺少的一部分,如微环谐振器、电光调制器、滤波器、光开关等。但是它们在片上网络应用时,具有尺寸大、插入损耗大和调制速率低等问题。针对上述的问题,本文设计了两个微纳器件:光开关和电光调制器。研究将这两个基于表面等离子激元的器件集成应用到光片上网络中,以实现具有更高集成度的片上路由器中。主要研究了表面等离子激元(SPPs)的特性,通过时域有限差分算法对其进行仿真,对ITO的带电载流子层进行了电压调谐,使该层的介电常数的实部为零,从而在ITO材料与电介质界面上激发了表面等离子激元极化子模式。然后对器件结构模型的参数进行优化,以获得最佳的结构模型参数,然后对设计的光开关和电光调制器的性能参数进行分析。具体内容包括:(1)提出了一种基于表面等离子激元的光开关结构,研究了光开关的器件结构参数和机理理论分析;(2)使用直波导和90度的微环来构建定向耦合片上电光调制器,并且该器件实现了ON和OFF状态之间的高速切换。通过改进电压施加方法,研究了光片上网络电光调制器的特性;(3)将设计的两个微纳器件创新性地集成到片上光学互连网络中,并分别设计了基于表面等离子体的光学开关“蜂窝状”路由器架构和基于片上电光调制器的ORNoC系统。比较最近学者设计的器件参数,本文设计的光开关在电压2.35V和入射波长在1550nm时候,插入损耗2.1d B高于其他光开关器件,光开关功耗5.7f J低于其他光开关器件,光开关调制速率2Tbits/S大于其他光开关器件;设计的调制器在电压2.35V和入射波长在1550nm时候,调制器耦合传输距离3890nm尺寸最小,消光比15.2d B高于其他调制器器件,插入损耗1.2d B高于其他调制器,调制器功耗5.7fJ低于其他调制器器件,调制器调制速率0.75Tbits/S小于其他调制器器件。本文在光开关的基础上改进了耦合的距离,并且在调制器中将插入损耗降低了、调制速率提高了。利用设计的片上网络微纳器件,并进一步实现光器件在片上网络的集成,开展新型的光电子器件对片上路由器的探索性研究。为设计尺寸小、运算速度快、超紧凑的集成片上网络光互连系统提供技术参考。