一种非易失光开关单元及其构成的光交换网络

本发明属于光子信号处理，具体涉及一种非易失光开关单元及其构成的光交换网络。

背景技术：

1、数据中心需要高吞吐量、低延迟和高度灵活的网络架构，以支持云计算和大规模数据处理。光交换技术可辅助构建高性能的数据中心互连网络，以满足这些需求。在大型数据中心中，光交换网络用于连接服务器、存储设备和网络设备，以支持高带宽、低延迟的数据传输。它有助于提高数据中心的效率、可扩展性和冗余性，以满足云计算和大数据处理等要求。

2、硅基光开光是光交换网络的重要组成部分。目前光交换网络中基本的2×2硅光子开关已经取得了很大的进展，2×2光开关实现有两种常见结构，一种是利用发生在马赫-曾德尔干涉仪(mzi)中的双光束干涉，另一种是利用发生在微环谐振器(mrr)中的共振。基于mzi结构的光开关在宽带宽和温度不敏感性方面拥有绝佳优势。现有的基于mzi的光开关大多使用热光(to)效应和电光(eo)效应来实现开关在直通(bar)和交叉(cross)状态之间变化。mzi光开关一般采用基于to或eo驱动的有源波导臂作为移相器改变其相对相位差实现可重构光路由。但to驱动开关导致功耗高，eo驱动开关基于自由载流子色散效应存在折射率变化小的缺点。且这两种驱动匀是易失性的，因此，即使在不需要改变开关状态的情况下，也需要持续的功耗，导致高功耗和随之而来的热串扰(ct)问题。由于开关状态发生改变需要π相移，要达到数百微米长，这就极大的影响了开关大规模集成。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种非易失光开关单元，包括第一耦合器、第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过上、下臂波导连接，其中上臂波导和下臂波导上设置有等长、等厚的sb2se3膜，且上臂波导上的sb2se3膜可以在晶态和非晶态之间变换，下臂波导上的sb2se3膜为非晶态。

2、进一步的，通过控制上臂波导上的sb2se3膜的状态控制非易失光开关单元的移相值，即：当上臂波导上的sb2se3膜为晶态时，移相值为π时开关处于直通状态；当上臂波导上的sb2se3膜为非晶态时，移相值为0时开关处于交叉状态。

3、进一步的，sb2se3膜的厚度为25nm，sb2se3膜的宽度比波导宽度窄。

4、本发明还提出一种非易失光开关单元构成的4×4光交换网络，包括3×2个非易失光开关单元，将非易失光开关单元分为3级，每一级包括2个非易失光开关单元，每一级关开关之间通过交叉波导连接，形成于benes网络。

5、本发明还提出一种非易失光开关单元构成的2n×2n光交换网络，包括两个2n-1×2n-1光交换网络，两个2n-1×2n-1光交换网络的所有第一级输入作为2n×2n光交换网络的第二级，两个2n-1×2n-1光交换网络的所有最后一级输出作为2n×2n光交换网络的倒数第二级输出，2n×2n光交换网络第一级包括2n-1个非易失光开关单元，通过个交叉波导与2n×2n交换网络的第二级各个非易失光开关单元连接，形成benes网络，2n-1≥4且n为正整数。

6、进一步的，benes网络中第1级非易失光开关单元与第2级非易失光开关单元之间的个交叉波导分为n级，从第1级到第n级分别包括n/2-1，n/2-2,…,1个交叉波导。

7、进一步的，benes网络中第1级非易失光开关单元与第2级非易失光开关单元连接时，第1级第j个非易失光开关单元的上输出作为第1级第j个交叉波导的下输入，第1级第j+1个非易失光开关单元的下输出作为第1级第j个交叉波导的上输入；未作为交叉波导输入的非易失光开关单元的输出直接与其下一级对应的输入端连接；第i级第j个交叉波导的下输出与第i+1级第j-1个交叉波导的上输入连接，i∈{1,2,…,log2n}，j∈{1,2,…,n/2-i}；第i级第j个交叉波导的上输出与第i+1级第j个交叉波导的下输入连接，若交叉波导的下输出没有作为其下一级交叉波导的输入，则从与第2级非易失光开关单元最左边未连接的输入连接，若交叉波导的上输出没有作为其下一级交叉波导的输入，则从与第2级非易失光开关单元最右边未连接的输入连接；本发明采用的是benes网络，benes网络是一个中心对称的网络，在已知第一级和第二级之间连接关系的基础上，本领域技术人员可以得出最后一级和倒数第二级之间的连接结构，此处不再赘述。

8、进一步的，交叉波导的四个端口结构相同，如图3，每个端口由13个波导段组成，每一段波导的最优宽度利用ansys lumerical仿真平台和粒子群优化算法获取。

9、本发明提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪和相变材料的8×8非易失性无阻塞光开关，引入非易失性相变材料sb2se3，将其嵌入到mzi中第一耦合器和第二耦合器中间的波导臂上构成非易失性移相器(nops)，利用其非易失性及非晶体和晶体之间具有复折射率高对比度的特点，nops上臂中sb2se3在晶态和非晶态之间切换使mzi的相位信息改变，非易失光开关单元在直通和交叉状态变化，进而利用benes拓扑将非易失光开关单元互连成8×8非易失性无阻塞光开关；使用低功耗的纳秒激光器可以实现sb2se3在非晶态和晶态之间快速可逆地切换，即开关状态可以快速变化；考虑到sb2se3表现出的非易失特性，可以在没有电源的情况下保持相位信息；在这种情况下，与基于电光效应或热光效应的移相器相比，本发明中的光开关网络具有零静态功耗的优点；benes拓扑网络是在任何时间点都能够提供所有输入端口到所有输出端口之间的通信路径，而无需任何交叉波导或端口的竞争，本发明中的光开关网络确保数据包不会在网络中发生阻塞。

技术特征：

1.一种非易失光开关单元，其特征在于，包括第一耦合器、第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过上、下臂波导连接，其中上臂波导和下臂波导上设置有等长、等厚的sb2se3膜，且上臂波导上的sb2se3膜可以在晶态和非晶态之间变换，下臂波导上的sb2se3膜为非晶态。

2.根据权利要求1所述的一种非易失光开关单元，其特征在于，通过控制上臂波导上的sb2se3膜的状态控制非易失光开关单元的移相值，即：当上臂波导上的sb2se3膜为晶态时，移相值为π时开关处于直通状态；当上臂波导上的sb2se3膜为非晶态时，移相值为0时开关处于交叉状态。

3.根据权利要求1所述的一种非易失光开关单元，其特征在于，sb2se3膜的厚度为25nm，sb2se3膜的宽度比波导宽度窄。

4.一种非易失光开关单元构成的4×4光交换网络，其特征在于，包括3×2个权利要求1或2所述的非易失光开关单元，将非易失光开关单元分为3级，每一级包括2个非易失光开关单元，每一级关开关之间通过交叉波导连接，形成于benes网络。

5.一种非易失光开关单元构成的2n×2n光交换网络，其特征在于，包括两个2n-1×2n-1光交换网络，两个2n-1×2n-1光交换网络的所有第一级输入作为2n×2n光交换网络的第二级，两个2n-1×2n-1光交换网络的所有最后一级输出作为2n×2n光交换网络的倒数第二级输出，2n×2n光交换网络第一级包括2n-1个非易失光开关单元，通过个交叉波导与2n×2n光交换网络的第二级各个非易失光开关单元连接，形成benes网络，2n-1≥4且n为正整数。

6.根据权利要求5所述的一种非易失光开关单元构成的2n×2n光交换网络，其特征在于，benes网络中第1级非易失光开关单元与第2级非易失光开关单元之间的个交叉波导分为n级，从第1级到第n级分别包括n/2-1,n/2-2,…,1个交叉波导。

7.根据权利要求6所述的一种非易失光开关单元构成的2n×2n光交换网络，其特征在于，benes网络中第1级非易失光开关单元与第2级非易失光开关单元连接时，第1级第j个非易失光开关单元的上输出作为第1级第j个交叉波导的下输入，第1级第j+1个非易失光开关单元的下输出作为第1级第j个交叉波导的上输入；未作为交叉波导输入的一种非易失光开关单元的输出直接与其下一级对应的输入端连接；第i级第j个交叉波导的下输出与第i+1级第j-1个交叉波导的上输入连接，i∈{1,2,…,log2n}，j∈{1,2,…,n/2-i}；第i级第j个交叉波导的上输出与第i+1级第j个交叉波导的下输入连接，若交叉波导的下输出没有作为其下一级交叉波导的输入，则从与第2级非易失光开关单元最左边未连接的输入连接，若交叉波导的上输出没有作为其下一级交叉波导的输入，则从与第2级非易失光开关单元最右边未连接的输入连接。

8.根据权利要求5～7任一项所述的一种非易失光开关单元构成的2n×2n光交换网络，其特征在于，交叉波导的四个端口结构相同，每个端口由13个波导段组成，每一段波导的最优宽度利用ansys lumerical仿真平台和粒子群优化算法获取。

技术总结本发明属于光子信号处理技术领域，具体涉及一种非易失光开关单元及其构成的光交换网络，非易失光开关单元包括第一耦合器、第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过上、下臂波导连接，其中上臂波导和下臂波导上设置有等长、等厚的Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;膜，且上臂波导上的Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;膜可以在晶态和非晶态之间变换，下臂波导上的Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;膜为非晶态；本发明提出一种基于马赫‑曾德尔干涉仪和相变材料的非易失性无阻塞光开关与基于电光效应或热光效应的相同结构相比，具有零静态功耗、低插入损耗和低串扰的优点。技术研发人员：郭鹏星,熊羽庭,邢志浩,侯维刚,郭磊受保护的技术使用者：重庆邮电大学空间通信研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/29