CN113949949A - 一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法，定义N根光通路为一组，同一组光通路通过0‑90°转弯进行组内路由交换，所有光通路在同一平面内一次光刻完成。本发明可以实现同组内光通路中不同波导通路间的路由交换，还可以根据不同的路由关系，通过控制光通路转弯的位置实现不同的光布线分布，满足不同需求。光通路转弯前及转弯后，所有光通路在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容，具有极大的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法。
背景技术
当前光波导路由交换的研究主要集中在多个光通路组之间的布线设计，而类比于光纤柔板的光通路组内部的光通路交换研究较少，如图1所示为住友在波导路由交换方面研究的典型特点。国外关于光波导路由交换的技术主要分布在不同端口之间的路由交换，如图1(a)中左侧同一端口的光通路调整到右侧不同输出端口；图1(b)将左端光通路经分光和路由调整后在右端输出端不同端口输出；图1(c)是将左端3个端口光通路经光通路调整后在右端3个端口输出实现路由交换。
对上述光波导路由交换形态进行分析可知，所有光通路路由交换均在不同端口之间，在图1中可以清晰的看出来光通路在进行路由交换时，光通路从上到下的相对位置关系是不发生变化的，还保持着从上到下的关系，如图1(c)中左侧第三组光通路调整到右侧的第一、第二两组，第三组光通路上面3根光通路调整到右侧输出端第一组端口时，从上到下的三根光通路相对位置未发生变化；左侧第三组光通路中间三根光波导调整到右侧第二组时，三根光波导的相对位置也未发生变化。
资料调研发现路由交换均不涉及同一端口内部，如图2所示光纤柔板中可以通过光纤空间交叉实现同一组光通路内部的光路由交换功能，基于此，本发明结合光互连***中光路由交换的需求，类比于光纤柔板的随机光路由交换方案，提出一种可以实现同一组光通路中不同波导通路间路由交换的设计方法，可以实现同组内光波导路由交换。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法，可以实现同组内光通路中不同波导光通路间的路由交换，还可以根据不同的路由关系，通过控制光通路转向的位置实现不同的光布线分布，用以满足不同需求。光通路转向前及转向后，所有光通路在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容，具有极大的可行性。
本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法，定义N根光通路为一组，同一组光通路通过0-90°转弯实现组内路由交换，所有光通路在同一平面内一次光刻完成。
进一步地，同一组光通路通过45°转弯或90°转弯进行组内路由交换；有不同的路由关系时，通过控制光通路转弯的位置实现不同的光布线分配。
进一步地，同组内每一根光通路均在光波导转向位置通过90°转弯进行路由交换，且90°转弯处还设计有45°反射面，路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行。
更进一步地，同组内每一根光通路90°转弯后均与其余的(N-1)根光通路90°交叉。
更进一步地，同组内部分光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，不与其它光通路交叉，其余的光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，随机与其它一根或多跟光通路90°交叉。
进一步地，同组内波导光通路在光波导直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换，从而实现路由交换，路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行；且光通路进行路由交换时，根据第一次45°转弯位置的不同，随机与其它一根或多跟光通路进行45°或90°交叉。
进一步地，同组内每一根光通路均在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换。
进一步地，同组内部分光通路在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换。
进一步地，光刻的材料从下到上依次包括基底、下包层、光波导芯层、上包层；所述的光波导芯层采用折射率为n1的波导胶，所述的下包层和上包层均采用折射率为n2的波导胶，且n1＞n2，光波导芯层按照权利要求1-8任一所述的方法光刻出所需的光波导形状。
本发明同时还提出一种光波导路由交换产品，该产品包括光波导芯层，所述光波导芯层采用前述方法光刻出所需的光波导形状。
本发明同时还提出一种光波导路由耦合级联结构产品，该产品包括光波导芯层，且光波导芯层采用前述方法光刻出所需的光波导形状。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过在光波导转向位置进行90°转弯，并在转弯处设计45°反射面的转角，可以实现光通路的高效转向，转向后光通路的对应关系有所改变，实现了组内不同波导光通路间的路由交换。本发明还可以在光波导直线传输位置进行45°转向，实现组内光波导直线传输位置的路由交换。同时本发明可以根据不同的路由关系，通过控制光通路转向的位置实现不同的波导光通路布线，用以满足不同需求。光通路转向前及转向后，所有光通路在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容，具有极大的可行性，且光波导交叉时在同层内交叉，可以在一定程度上使光波导板更薄。仿真实验表明，光信号在波导中传播时，经过45°交叉和90°交叉时能量损耗几乎不存在，可以忽略不计，因此本发明具备可行性。
附图说明
图1是现有住友光通路由交换的三种示例；
图2是现有光纤柔板中光纤空间交叉完成路由交换的示意；
图3是现有U形光波导路由示意；
图4是本发明在光波导转向位置采用直角转弯并增加45°反射面的示例1；
图5是图4的局部放大图；
图6是图5的立体图；
图7是本发明在光波导直线传输位置采用45°转弯进行路由交换的示例1；
图8是图7的局部放大图；
图9是本发明在光波导转向位置采用直角转弯并增加45°反射面的示例2；
图10是图9的局部放大图；
图11是本发明在光波导直线传输位置采用45°转弯进行路由交换的示例2；
图12是1个90°交叉结构能量仿真分析图；
图13是2个90°交叉结构能量仿真分析图；
图14是1个45°交叉结构能量仿真分析图；
图15是2个45°交叉结构能量仿真分析图；
图16是2个90°交叉2个45°交叉能量仿真分析图。
图17是光波导结构示意图。
1-基底，2-光波导芯层，3-光波导包层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面将结合实施例和附图来进一步阐述本发明。本实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
在行业内光通路的布线及命名中，大多数的光通路为12通道为一组，具备与标准MT光跳线的兼容性，下面以12根光通路一组的形式对基于转向设计的光波导路由交换模型进行描述，但本发明的方案不限于12根光通路一组的形式。
图3所示为现有U形通道内光波导路由示意图，光通路呈现中心对称情况，需要路由转换时只能在外部对光通路进行处理。因此，本发明一种实施例提出如图4所示的路由交换设计方法，在光波导转向处采用直角转弯，并在直角转弯处设计45°反射面实现光通路的高效转向，且所有光通路在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容。
图4在每根U形光通路的圆形转向处均采用直角转弯，同时在每个直角转弯处均设计一个45°反射面的转角转变光通路方向，这样光通路的路径对应关系就由中心对称变成了左右一致，图3U形光通路采用圆形转弯实现波导光通路的U形布线，通道进出端口对应关系为1对12，2对11，3-10……11对2，12对1。而采用本发明图4所示的光波导路由转换，通道对应关系为1对1，2对2，3-3……11对11，12对12(光通路命名一般为从一个方向开始延伸命名)。
图4的方案适用于在光波导转向位置进行路由交换，不满足在光波导直线传输位置进行路由交换的需求。图7所示为光波导在直线传输位置路由交换的模型示意。通过在直线传输位置增加45°转弯引入光通路方向转变，然后依次交叉穿过其他11根光波导，最后再进行一次45°转弯完成路由转换。该方案与图4方案相比可以在直线传输位置进行光路输入输出位置变换实现光波导路由交换，且结合光学仿真情况可知此种方案引入的光学传输损耗较小。
图4和图7两种方案对于同一光波导组内的光通路交换具有重要意义，其优势在于光刻制备工艺与现有掩模光刻法相兼容，具有较高成熟度，且路由交换关系具有灵活性，可实现不同路由交换需求的拓展性。
对于光路由交换随机对应的需求，依然可以通过本发明提出的方案实现光路由随机交换，图9所示为光通路在转向位置进行随机路由交换的光波导布线示意图，图11所示为光通路在直线传输位置进行随机路由交换的模型示意图。从随机路由关系对应的示意图可以看出，在有不同的路由关系时，可以通过控制光通路转向的位置来实现不同光布线分配，满足不同需求。
对光通路交叉的情况进行仿真，仿真结果如图12-图17所示，从仿真结果中可以看出，波导交叉角度从0°-90°的范围中，波导干路中的能量由小变大，当波导交叉角度大于某个阈值后，干路中的能量不再受交叉角度的影响。在图4所示模型中包含光链路90°交叉和45°光转向，不同仿真软件的仿真结果表明光通路90°交叉及45°转向对产品光学性能的影响较小可以忽略。仿真结果进一步表明，光信号在波导中传播时，经过45°交叉和90°交叉时能量损耗几乎不存在，可以忽略不计，因此本发明具备可行性。
通过以上具体实施例可知，本发明所提出的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，主要是在同一组光通路内，通过0-90°转弯进行组内路由交换，所有光通路可以在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容。
在图4及图9所示的实施例中，同组内每一根光通路均在光波导转向位置通过90°转弯进行路由交换，同时在90°转弯处设计有45°反射面的转角实现光通路的高效转向，且路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行。图4所示是同组内每一根光通路在90°转弯后均与其余的11根光通路90°交叉(如果一组内光通路共有N根，则每一根光通路在90°转弯后均与其余的(N-1)根光通路90°交叉)。在图9所示的实施例中，同组内一部分光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，不与其它光通路交叉，其余的光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，随机与其它一根或多根光通路90°交叉。
在图7及图11所示的实施例中，同组内光通路在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换，路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行；且光通路进行路由交换时根据第一次45°转弯位置的不同，在第一次转弯后随机与其它一根或多跟光通路进行45°或90°交叉。图7所示是同组内每一根光通路均在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换。图11所示是同组内部分光通路在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换，其余的光通路不转弯。光通路第一次45°转弯后，根据其转弯位置的不同，与其它光通路进行交叉时，与其它光通路未转弯的位置形成45°交叉，与其它光通路第一次45°转弯后的位置形成90°交叉，且每根光通路第一次45°转弯后，与其它光通路进行交叉时，与其它任一光通路只交叉一次。且本发明所有光通路的交叉是在同层内交叉，而不是如图2所示的在空间上交叉，因此本发明的技术方案可以在一定程度上使光刻板更薄。
本发明可以将所有光通路在同一平面内一次光刻完成，与现有波导制备工艺相兼容。光刻的材料从下到上依次包括基底1、光波导芯层2和光波导包层3，光波导包层包括下包层和上包层；基底材料用于承托光波导结构，具体可以采用FR4材料、硅片、石英玻璃片、聚合物薄膜等；所述的下包层均匀涂覆于基底上，提供与光波导芯层不同的折射率，与光波导芯层波导胶搭配使用将光束缚在波导芯区传输，具体可以采用折射率为1.526的波导胶；所述的光波导芯层均匀涂覆在下包层上，光波导芯层具体可以采用折射率为1.531的波导胶，采用光刻法刻出所需的光波导形状；上包层旋涂在光波导芯层上，把光波导芯层包裹在中心，上包层具体可采用折射率为1.526的波导胶。但本发明不限于上述材料和折射率，定义光波导芯层的折射率为n1，上包层和下包层的折射率均为n2，对于选用不同材料的波导胶，只要满足n1大于n2，光刻方法满足本发明方法的光波导路由交换产品也在本发明的保护范围内，选用不同光波导芯层、包层结构尺寸的光波导路由交换产品也在本发明的保护范围内。另外，采用本发明方法设计出的光路由耦合结构的级联结构产品也在本发明的保护范围内。
以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (11)
1.一种基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于定义N根光通路为一组，同一组光通路通过0-90°转弯实现组内路由交换，所有光通路在同一平面内一次光刻完成。
2.如权利要求1所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同一组光通路通过45°转弯或90°转弯进行组内路由交换；有不同的路由关系时，通过控制光通路转弯的位置实现不同的光布线分配。
3.如权利要求1所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内每一根光通路均在光波导转向位置通过90°转弯进行路由交换，且90°转弯处还设计有45°反射面，路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行。
4.如权利要求3所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内每一根光通路90°转弯后均与其余的(N-1)根光通路90°交叉。
5.如权利要求3所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内部分光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，不与其它光通路交叉，其余的光通路90°转弯后，根据转弯位置的不同，随机与其它一根或多跟光通路90°交叉。
6.如权利要求1所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内波导光通路在光波导直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换，路由交换前及路由交换后同组内所有光通路均平行；且光通路进行路由交换时，根据第一次45°转弯位置的不同，随机与其它一根或多跟光通路进行45°或90°交叉。
7.如权利要求6所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内每一根光通路均在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换。
8.如权利要求6所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于同组内部分光通路在直线传输位置通过两次45°转弯进行光路输入输出位置变换实现路由交换。
9.如权利要求1所述的基于转向设计的光波导路由交换设计方法，其特征在于光刻的材料从下到上依次包括基底、下包层、光波导芯层、上包层；所述的光波导芯层采用折射率为n1的波导胶，所述的下包层和上包层均采用折射率为n2的波导胶，且n1＞n2，光波导芯层按照权利要求1-8任一所述的方法光刻出所需的光波导形状。
10.一种光波导路由交换产品，其特征在于包括光波导芯层，所述光波导芯层采用权利要求1-8任一所述的方法光刻出所需的光波导形状。
11.一种光波导路由耦合级联结构产品，其特征在于包括光波导芯层，所述光波导芯层采用权利要求1-8任一所述的方法光刻出所需的光波导形状。
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